工業(yè)機器人第四章工業(yè)機器人結構設計

1、工業(yè)機器人第四章工業(yè)機器人結構設計第1頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三主要內容1、工業(yè)機器人總體設計主體結構設計傳動方式選擇模塊化結構設計材料選擇平衡系統(tǒng)設計2、傳動部件設計移動關節(jié)導軌及轉動關節(jié)軸承傳動件的定位及消隙諧波傳動絲杠螺母副及其滾珠絲杠傳動其它傳動第2頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三3、臂部設計臂部設計的基本要求手臂的常用結構臂部運動驅動力計算4、手腕設計概述手腕分類手腕設計舉例主要內容5、手部設計概述手部分類手爪設計和選用的要求普通手爪設計6、機身及行走機構設計機身設計行走機構設計第3頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分

2、，星期三一 工業(yè)機器人總體設計主體結構設計關鍵是選擇由連桿件和運動副組成的坐標形式工業(yè)機器人的坐標形式直角坐標機器人主體結構有三個自由度，全為伸縮圓柱坐標機器人主體結構有三個自由度，腰轉、升降、伸縮球面坐標機器人主體結構有三個自由度，轉動、轉動和伸縮關節(jié)坐標機器人主體結構有三個自由度，全為轉動第4頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三一 工業(yè)機器人總體設計傳動方式選擇選擇驅動源和傳動裝置與關節(jié)部件的連接、驅動方式工業(yè)機器人的傳動形式傳動形式特征優(yōu)點缺點直接連結傳動直接裝在關節(jié)上結構緊湊需考慮電機自重，轉動慣量大，能耗大遠距離連結傳動經遠距離傳動裝置與關節(jié)相連不需考慮電機自重，

3、平衡性良好額外的間隙和柔性，結構龐大，能耗大間接傳動經速比遠1的傳動裝置與關節(jié)相連經濟、對載荷變化不敏感、便于制動設計、方便一些運動轉換傳動精度低、結構不緊湊、引入誤差，降低可靠性直接驅動不經中間關節(jié)或經速比=1的傳動裝置與關節(jié)相連傳動精度高，振動小，傳動損耗小，可靠性高，響應快控制系統(tǒng)設計困難，對傳感元件要求高，成本高第5頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三一 工業(yè)機器人總體設計模塊化結構設計模塊化工業(yè)機器人由一些標準化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機器人系統(tǒng)。模塊化工業(yè)機器人的特點經濟性靈活性存在的問題剛度比較差整體重量偏重模塊針對性待

4、提高第6頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三一 工業(yè)機器人總體設計材料的選擇材料選擇的基本要求強度高彈性模量大重量輕阻尼大價格低結構件材料介紹 碳素結構鋼、合金結構鋼、鋁合金等合金材料、纖維增強合金、陶瓷、纖維增強復合材料、粘彈性大阻尼材料第7頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三一 工業(yè)機器人總體設計平衡系統(tǒng)設計平衡系統(tǒng)的作用安全降低因構形變化而導致重力引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值降低因運動而導致慣性力矩引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值改進動力特性使運行穩(wěn)定，降低地面安裝要求平衡系統(tǒng)設計的主要途徑質量平衡技術彈簧力平衡技術可控力平衡技術第8頁，共32頁，2022

5、年，5月20日，3點25分，星期三二 傳動部件設計移動關節(jié)導軌及轉動關節(jié)軸承移動關節(jié)導軌要求類型：普通滑動導軌、液壓動壓移動導軌、液壓靜壓移動導軌、氣浮導軌、滾動導軌應用實例轉動關節(jié)軸承球軸承專用軸承特殊材料制作的軸承第9頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三動壓導軌：靠導軌之間的相對運動產生的壓力油膜將運動件浮起,把兩個導軌面隔離,形成純液體摩檫，其工作原理與動壓軸承相同,形成導軌面間壓力油膜的條件是:兩導軌面之間應有鍥形間隙和一定的相對速度,此外還需要有一定粘度的潤滑油流進鍥形間隙適用于主運動導軌靜壓導軌：將具有一定壓力的潤滑油,經節(jié)流器輸入到導軌面上的油腔,即可形成承載

6、油膜,使導軌面之間處于純液體摩擦狀態(tài). 優(yōu)點是軌運動速度的變化對油膜厚度的影響很小；載荷的變化對油膜厚度的影響很小,摩檫系數僅為0.005左右,油膜抗振性好。缺點是導軌自身結構比較復雜需要增加一套供油系統(tǒng)對潤滑油的清潔程度要求很高主要應用:精密機床的進給運動和低速運動導軌。第10頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三二 傳動部件設計傳動件的定位和消隙傳動件的定位電氣開關定位、機械擋塊定位、伺服定位系統(tǒng)傳動件的消隙消隙齒輪柔性齒輪對稱傳動消隙偏心機構消隙齒廓彈性覆層消隙第11頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三二 傳動部件設計減速器諧波傳動機構行星齒輪機構第

7、12頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三第13頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三與一般齒輪傳動和蝸桿傳動不同，諧波傳動其工作原理是基于一種變形原理，即通過柔輪變形時其徑向位移和切向位移間的轉換關系，從而實現傳動機構的力和運動的轉換。諧波齒輪傳動是靠柔性齒輪（柔輪）所產生的可控彈性變形來實現傳遞運動和動力的。它的基本構件有：柔輪、波發(fā)生器和剛輪。三個構件中可任意固定一個，其余兩個一為主動、一為從動，可實現減速或增速（固定傳動比），也可變換成兩個輸入，一個輸出 ，組成差動傳動。第14頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三當剛輪固定，波發(fā)生

8、器為主動，柔輪為從動時，柔輪在橢圓凸輪作用下產生變形，在波發(fā)生器長軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全嚙合；在短軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全脫開；在波發(fā)生器長軸與短軸區(qū)間，柔輪輪齒與剛輪輪齒有的處于半嚙合狀態(tài)，稱為嚙入；有的則逐漸退出嚙合處于半脫開狀態(tài)，稱為嚙出。由于波發(fā)生器的連續(xù)轉動，使得嚙入、完全嚙合、嚙出、完全脫開這四種情況依次變化，循環(huán)不已。由于柔輪比剛輪的齒數少2 ，所以當波發(fā)生器轉動一周時，柔輪向相反方向轉過兩個齒的角度，從而實現了大的減速比。第15頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三與一般齒輪傳動比較，它有以下特點：（1）傳動比大，且范圍廣。單級傳動的傳動比為

9、50320，復波傳動的傳動比可達107。（2）同時參加嚙和的齒數多，承載能力高。傳遞公稱力矩時，同時參加嚙和的齒數可達到總齒數的30%40%。（3）體積小，重量輕。在傳動比和承載條件相同的情況下，諧波齒輪傳動比一般齒輪傳動的體積和重量減小1/31/2左右。（4）運動精度高，回差小。（5）傳動效率高，一般單級傳動效率為70%-90%。（6）可向密閉空間傳遞運動和動力，這一點是其它任何機械傳動無法實現第16頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三行星減速器的主要特點如下：（1）體積小、重量輕、結構緊湊、傳遞功率大、承載能力高。由于行星齒輪傳動是一種共軸線式傳動形式，即具有同軸線傳動

10、的特點。在結構上采用了對稱分流傳動結構，即用幾個完全相同的行星輪均勻分布在中心輪圓周來共同分擔載荷，并且合理地應用了內嚙合，充分地利用了空間的容積，從而縮小了徑、軸向尺寸，使結構緊湊，而承載能力又高。因而行星齒輪傳動在相同功率和傳動比的條件下，可使其外部尺寸和重量只為普通齒輪傳動的1/2-1/6。（2）傳動效率高，工作可靠。行星齒輪傳動由于采用了對稱的分流傳動結構，使作用于中心輪和行星架等主要軸承上的作用力互相平衡，有利于提高傳動效率。（3）傳動比大。適當選擇傳動類型和齒輪齒數，便可利用少數幾個齒輪而獲得很大的傳動比。由于行星齒輪傳動具有上述優(yōu)點，故目前行星齒輪減速器不僅適用于告訴大功率，而且

11、在低速大扭矩設備上也已廣泛應用。第17頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三三 臂部設計臂部設計的基本要求剛度高、導向性好、重量輕、運動平穩(wěn)、定位精度高手臂的常用結構直線運動機構回轉運動機構臂部運動驅動力計算第18頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三四 手腕設計概述手腕可具有的自由度：翻轉、俯仰、偏轉設計的重點是手腕的大小和重量手腕的分類按自由度數目分類按驅動方式分類手腕設計舉例第19頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三五 手部設計工業(yè)機器人手部特點手部與手腕相連處可拆卸手部是工業(yè)機器人末端操作器手部的通用性比較差手部是一個獨立部件手部

12、的分類手部設計和選用要求普通手爪設計第20頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三手部設計和選用要求被抓握的對象物幾何參數：工件尺寸；抓握表面數目、位置和方向；夾持表面間的距離和幾何形狀；機械特性：質量、材料、表面溫度等物料饋送器或存儲裝置對手爪必需的最小、最大爪鉗間的距離；必需的夾緊力；其它的不確定因素機器人作業(yè)順序手爪和機器人的匹配手爪的機械接口/手爪自重環(huán)境條件第21頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三普通手爪設計機械式手爪設計驅動：氣動、液動、電動傳動：運動要求和夾緊力要求爪鉗：形狀、材料、與工件的接觸面積磁力吸盤設計不需夾具，要求工件表面清潔、平整

13、、干燥只適合對工件要求不高或不考慮剩磁的影響，不適合高溫真空式吸盤設計要求工件表面清潔、平整、干燥、能氣密各類真空式吸盤舉例第22頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三六 機身及行走機構設計機身設計考慮因素：足夠的剛度和穩(wěn)定性、運動靈活、結構布置合理回轉與升降機身回轉與俯仰機身機身驅動力（力矩）計算行走機構設計各類行走機構的簡介第23頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三垂直升降運動驅動力計算 各支承處的摩擦力 啟動時的總慣性力 運動部件的總重力回轉運動驅動力計算 總摩擦阻力矩 各回轉運動部件總慣性力矩第24頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三升降立柱下降不卡死條件計算 偏重力臂 偏重力矩立柱支撐導套產生的防止手臂傾斜的力矩不卡死條件第25頁，共32頁，2022年，5月20日，3點25分，星期三第26頁，共32