機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計課件

2.1機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的步驟1、作業(yè)分析作業(yè)分析包括義務(wù)分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)義務(wù)和環(huán)境對機(jī)器人操作及的方案設(shè)計有著決議性的影響。2、方案設(shè)計〔1〕確定動力源〔2〕確定機(jī)型〔3〕確定自在度〔4〕確定動力容量和傳動方式〔5〕優(yōu)化運(yùn)動參數(shù)和構(gòu)造參數(shù)〔6〕確定平衡方式和平衡質(zhì)量〔7〕繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖第二章機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造與設(shè)計3、構(gòu)造設(shè)計包括機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及構(gòu)造設(shè)計，關(guān)節(jié)及桿件的構(gòu)造設(shè)計，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計，走線及電器接口設(shè)計等。4、動特性分析估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)展仿真分析，確定其構(gòu)造固有頻率和呼應(yīng)特性。5、施工設(shè)計完成施工圖設(shè)計，編制相關(guān)技術(shù)文件。2.2工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)構(gòu)造在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動器經(jīng)過聯(lián)軸器帶動傳動安裝(普通為減速器)，再經(jīng)過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運(yùn)動。機(jī)器人普通有兩種運(yùn)動關(guān)節(jié)——轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移(直)動關(guān)節(jié)。為了進(jìn)展位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有適宜的精度、銜接方式以及有利于控制的輸出方式。對于伺服電機(jī)驅(qū)動，檢測元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)動，那么常經(jīng)過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。2.2.1驅(qū)動—傳動系統(tǒng)的構(gòu)成1—碼盤；2—測速機(jī)；3—電機(jī)；4—聯(lián)軸器；5—傳動安裝；6—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；7—桿8—電機(jī)；9—聯(lián)軸器；10—螺旋副；11—挪動關(guān)節(jié)；12—電位器(或光柵尺)1．電動驅(qū)動器電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速安裝相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。電動驅(qū)動器又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易構(gòu)成火花。隨著技術(shù)的提高，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。2.2.2驅(qū)動器的類型和特點(diǎn)2.液壓驅(qū)動器液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速安裝而直接與被驅(qū)動的桿件相連，構(gòu)造緊湊，剛度好，呼應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需求增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體走漏，不適宜高、低溫場所，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。3．氣動驅(qū)動器氣壓驅(qū)動的構(gòu)造簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。3．其它驅(qū)動器作為特殊的驅(qū)動安裝，有壓電晶體、外形記憶合金、驅(qū)動器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、消費(fèi)環(huán)境為先決條件，以價錢高低、技術(shù)程度為評價規(guī)范。普通說來，目前負(fù)荷為100kg以下的,可優(yōu)先思索電動驅(qū)動器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動驅(qū)動器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場所，可采用液壓驅(qū)動器。對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。機(jī)器人幾乎運(yùn)用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機(jī)構(gòu)，其中最常用的為諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。2.2.3機(jī)器人的常用傳動機(jī)構(gòu)機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的根本要求：(1)構(gòu)造緊湊，即同比體積最小、分量最輕；(2)傳動剛度大，即接受扭矩時角度變形要小，以提高整機(jī)的固有頻率，降低整機(jī)的低頻振動；(3)回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，以得到較高的位置控制精度；(4)壽命長、價錢低。諧波傳開任務(wù)原理諧波傳動是利用一個構(gòu)件的可控制的彈性變形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的傳送。諧波傳動通常由三個根本構(gòu)件(俗稱三大件)組成，包括一個有內(nèi)齒的剛輪，一個任務(wù)時可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有滾動軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù)。在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，相應(yīng)于長軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內(nèi)齒；在短軸方向，那么外齒全脫開內(nèi)齒。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內(nèi)齒，柔輪齒圈上的任一點(diǎn)的徑向位移將呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動稱作諧波傳動。

二、諧波傳動的主要特點(diǎn)(1)

傳動比大，單級為50—300，雙級可達(dá)2x106。(2)傳動平穩(wěn)，承載才干高，傳送單位扭矩的體積和分量小。在一樣的任務(wù)條件下，體積可減小20一50％。(3)齒面磨損小而均勻，傳動效率高。當(dāng)構(gòu)造合理，光滑良好時，對i=100的傳動，效率可達(dá)0.85。(4)傳動精度高。在制造精度一樣的情況下，諧波傳動的精度可比普通齒輪傳動高一級。假設(shè)齒面經(jīng)過很好的研磨，那么諧波齒輪傳動的傳動精度要比普通齒輪傳動高4倍。(5)回差小。精細(xì)諧波傳動的回差普通可小于3’，甚至可以實(shí)現(xiàn)無回差傳動。(6)可以經(jīng)過密封壁傳送運(yùn)動。這是其他傳動機(jī)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)的。(7)諧波傳動不能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。RV擺線針輪傳動RV擺線針輪傳動安裝，是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪減速器組合而成的。二、主要特點(diǎn)與諧波傳動相比，RV擺線針輪傳動除了具有一樣的速比大、同軸線傳動、構(gòu)造緊湊、效率高等待點(diǎn)外，最顯著的特點(diǎn)是剛性好，傳動剛度較諧波傳動要大2—6倍，但分量卻添加了1—3倍。該減速器特別適用于操作機(jī)上的第一級旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，這時自重是坐落在底座上的，充分發(fā)揚(yáng)了高剛度作用，可以大大提高整機(jī)的固有頻率，降低振動；在頻繁加、減速的運(yùn)動過程中可以提高呼應(yīng)速度并降低能量耗費(fèi)。滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當(dāng)?shù)臐L珠。使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋傳動，滾珠在任務(wù)過程中順螺旋槽(滾道)滾動，故必需設(shè)置滾珠的前往通道，才干循環(huán)運(yùn)用。為了消除回差(空回)，螺母分成兩段，以墊片、雙螺母或齒差調(diào)整兩段螺母的相對軸向位置，從而消除間隙和施加預(yù)緊力，使得在有額定抽間負(fù)荷時也能使回差為零。其中用的最多的是雙螺母式，而齒差式最為可靠。1一齒輪；2一前往安裝；3一鍵；4一滾珠；5一絲杠；6一螺母；7—支座滾動螺旋特點(diǎn)：(1)摩擦小、效率高。普通情況下，傳動的效率在90％以上。(2)動、靜摩擦系數(shù)相差極小，傳動平穩(wěn)，靈敏度高。(3)磨損小、壽命長。(4)可以經(jīng)過預(yù)緊消除軸向間隙，提高軸向剛度。滾動螺旋傳動不能自鎖，必需有防止逆轉(zhuǎn)的制動或自鎖機(jī)構(gòu)才干平安地用于有自重下降的場所。最怕落入灰塵、鐵屑、砂粒。通常，螺母兩端必需密封，絲杠的外露部分必需用“風(fēng)箱〞套或鋼帶卷套加以密封。另外，對于齒輪傳動、蝸輪傳動和齒輪齒條傳動，須特別留意消除間隙問題，否那么回差很大，達(dá)不到應(yīng)有的轉(zhuǎn)角精度要求。對于鏈傳動、齒形帶傳動、鋼帶傳動和鋼絲繩傳動，必需思索張緊問題，否那么也會產(chǎn)生很大的回差。關(guān)節(jié)是操作機(jī)各桿件間的結(jié)合部分，有轉(zhuǎn)動和挪動兩種類型。工業(yè)機(jī)器人前三關(guān)節(jié)通常稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，它們構(gòu)成了操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)。后面關(guān)節(jié)構(gòu)成了操作機(jī)的姿態(tài)機(jī)構(gòu)，稱作腕部。下面分別討論這些關(guān)節(jié)的構(gòu)造和傳動配置。一、腰關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)既接受很大的軸向力、徑向力，又接受傾翻力矩，且具有較高的運(yùn)動精度和剛度。多采用高剛性的RV減速器減速，也可采用諧波傳動、擺線針輪或蝸桿減速器。2.3工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的構(gòu)造及其傳動配置腰關(guān)節(jié)〔電機(jī)上置)1—電機(jī)；2—RV減速器，3—支架，6—交叉滾子軸承；5—電纜腰關(guān)節(jié)(電機(jī)下置)1—諧波減速器；2—電機(jī)；3—四點(diǎn)接觸球軸承腰關(guān)節(jié)1—電機(jī)；2—齒輪；3—立柱；4—結(jié)合螺栓2134由上面的圖例可以看出，腰關(guān)節(jié)的構(gòu)造主要是兩種類型：運(yùn)用交叉滾子或四點(diǎn)接觸式軸承的同軸式平行軸式。前者構(gòu)造緊湊，腰關(guān)節(jié)高度尺寸小(運(yùn)用特制抽承的緣故)，但后面關(guān)節(jié)的各種電纜走線比較困難，大多是在固定的中間柱體外面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的方式松松地套在中間柱體上，當(dāng)腰支架等機(jī)體轉(zhuǎn)動時，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關(guān)節(jié)，電纜那么可方便地經(jīng)過中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。二、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)對于開式連桿構(gòu)造，肩關(guān)節(jié)位于腰部的支座上，多采用高剛性的RV減速器減速，也可采用諧波傳動或擺線針輪。肘關(guān)節(jié)位于大臂與小臂的聯(lián)接處。其構(gòu)造方式有偏置式或同軸式配置，多采用諧波傳動、擺線針輪、齒輪傳動等。1—大臂；2—關(guān)節(jié)1電機(jī)；3—小臂定位板；4—小臂；5—?dú)鈩娱y；6—立柱；7—直齒輪；8—中間齒輪；9—機(jī)座；10—主齒輪；11—管形銜接軸；12—手腕同軸減速傳動構(gòu)造同軸減速傳動構(gòu)造1—腰支座；2、7—RV減速器；3、6—驅(qū)動電機(jī)；4—大臂；5—曲柄；8—軸承。三、直動關(guān)節(jié)直動關(guān)節(jié)可有兩種類型；電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動。前者多采用滾動絲杠和導(dǎo)柱(軌)式；后者可采用油缸驅(qū)動齒輪的倍速挪動構(gòu)造。四、手腕關(guān)節(jié)1、單自在度手腕SCARA程度關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人多采用單自在度手骯。SCARA機(jī)器人SCARA機(jī)器人操作機(jī)的手腕只需繞垂直軸的一個旋轉(zhuǎn)自在度。為了減輕操作機(jī)的懸臂分量，手腕的驅(qū)動電機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端執(zhí)行器的程度方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動電機(jī)，這是該種傳動方式的主要優(yōu)點(diǎn)，特別適宜于電子線路板的插件作業(yè)。2、兩自在度手腕兩自在度手腕關(guān)節(jié)有兩種常見的配置方式，即匯交式和偏置式。1—法蘭；2—錐齒輪軸；3—錐齒輪；8，4—彈簧；5，7—鏈輪；6，9—軸承；10一轉(zhuǎn)殼匯交式兩自在度手流1—法蘭；2—轉(zhuǎn)殼；3、6—錐齒輪軸；4—小臂；5、7—鏈輪，8—鏈；9、10—彈簧偏置式兩自在度手腕兩自在度手腕的另兩種構(gòu)造。圖1屬匯交型，將諧波減速器置于臂部，驅(qū)動器經(jīng)過齒形帶帶動諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動諧波使末桿獲得沿x、y軸兩自在度運(yùn)動。圖2為偏置型，那么是將驅(qū)動電機(jī)調(diào)和波減速器連成一體，放于偏置的腕殼中直接帶動腕完成角轉(zhuǎn)動。1—扁平諧波；2—杯式諧波；3—齒形帶輪；4—錐齒輪；5—腕殼圖1諧波前置匯交手腕1—諧波減速9；2—馬達(dá)；3—銘輪；4—腕殼圖2電機(jī)前置偏置手腕誘導(dǎo)運(yùn)動把某一桿件因另一桿件的被驅(qū)動