機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)課件

2.1機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)器人操作及的方案設(shè)計(jì)有著決議性的影響。2、方案設(shè)計(jì)〔1〕確定動(dòng)力源〔2〕確定機(jī)型〔3〕確定自在度〔4〕確定動(dòng)力容量和傳動(dòng)方式〔5〕優(yōu)化運(yùn)動(dòng)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(dòng)簡(jiǎn)圖第二章機(jī)器人的機(jī)械構(gòu)造與設(shè)計(jì)3、構(gòu)造設(shè)計(jì)包括機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置及構(gòu)造設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)及桿件的構(gòu)造設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，走線及電器接口設(shè)計(jì)等。4、動(dòng)特性分析估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動(dòng)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(jì)完成施工圖設(shè)計(jì)，編制相關(guān)技術(shù)文件。2.2工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)傳動(dòng)安裝(普通為減速器)，再經(jīng)過(guò)關(guān)節(jié)軸帶動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人普通有兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)——轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移(直)動(dòng)關(guān)節(jié)。為了進(jìn)展位置和速度控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測(cè)元件。檢測(cè)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(duì)于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)，那么常經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動(dòng)的桿件相聯(lián)。2.2.1驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成1—碼盤(pán)；2—測(cè)速機(jī)；3—電機(jī)；4—聯(lián)軸器；5—傳動(dòng)安裝；6—轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；7—桿8—電機(jī)；9—聯(lián)軸器；10—螺旋副；11—挪動(dòng)關(guān)節(jié)；12—電位器(或光柵尺)1．電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)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(dòng)比較困難。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(lái)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(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)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(dòng)器的類型和特點(diǎn)2.液壓驅(qū)動(dòng)器液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速安裝而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，構(gòu)造緊湊，剛度好，呼應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)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(chǎng)所，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。3．氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器氣壓驅(qū)動(dòng)的構(gòu)造簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)器作為特殊的驅(qū)動(dòng)安裝，有壓電晶體、外形記憶合金、驅(qū)動(dòng)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(jià)錢(qián)高低、技術(shù)程度為評(píng)價(jià)規(guī)范。普通說(shuō)來(lái)，目前負(fù)荷為100kg以下的,可優(yōu)先思索電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場(chǎng)所，可采用液壓驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，最重要的是要求起動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)，其中最常用的為諧波傳動(dòng)、RV擺線針輪行星傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。2.2.3機(jī)器人的常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人傳動(dòng)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(dòng)剛度大，即接受扭矩時(shí)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(dòng)；(3)回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，以得到較高的位置控制精度；(4)壽命長(zhǎng)、價(jià)錢(qián)低。諧波傳開(kāi)任務(wù)原理諧波傳動(dòng)是利用一個(gè)構(gòu)件的可控制的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳送。諧波傳動(dòng)通常由三個(gè)根本構(gòu)件(俗稱三大件)組成，包括一個(gè)有內(nèi)齒的剛輪，一個(gè)任務(wù)時(shí)可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個(gè)裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有滾動(dòng)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(dòng)時(shí)，相應(yīng)于長(zhǎng)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(kāi)內(nèi)齒。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)稱作諧波傳動(dòng)。

二、諧波傳動(dòng)的主要特點(diǎn)(1)

傳動(dòng)比大，單級(jí)為50—300，雙級(jí)可達(dá)2x106。(2)傳動(dòng)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(dòng)效率高。當(dāng)構(gòu)造合理，光滑良好時(shí)，對(duì)i=100的傳動(dòng)，效率可達(dá)0.85。(4)傳動(dòng)精度高。在制造精度一樣的情況下，諧波傳動(dòng)的精度可比普通齒輪傳動(dòng)高一級(jí)。假設(shè)齒面經(jīng)過(guò)很好的研磨，那么諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)精度要比普通齒輪傳動(dòng)高4倍。(5)回差小。精細(xì)諧波傳動(dòng)的回差普通可小于3’，甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)回差傳動(dòng)。(6)可以經(jīng)過(guò)密封壁傳送運(yùn)動(dòng)。這是其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)的。(7)諧波傳動(dòng)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(dòng)RV擺線針輪傳動(dòng)安裝，是由一級(jí)行星輪系再串聯(lián)一級(jí)擺線針輪減速器組合而成的。二、主要特點(diǎn)與諧波傳動(dòng)相比，RV擺線針輪傳動(dòng)除了具有一樣的速比大、同軸線傳動(dòng)、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(dòng)剛度較諧波傳動(dòng)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(jí)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，這時(shí)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(dòng)；在頻繁加、減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以提高呼應(yīng)速度并降低能量耗費(fèi)。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)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(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種螺旋傳動(dòng)，滾珠在任務(wù)過(guò)程中順螺旋槽(滾道)滾動(dòng)，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(duì)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(shí)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(dòng)螺旋特點(diǎn)：(1)摩擦小、效率高。普通情況下，傳動(dòng)的效率在90％以上。(2)動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差極小，傳動(dòng)平穩(wěn)，靈敏度高。(3)磨損小、壽命長(zhǎng)。(4)可以經(jīng)過(guò)預(yù)緊消除軸向間隙，提高軸向剛度。滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)不能自鎖，必需有防止逆轉(zhuǎn)的制動(dòng)或自鎖機(jī)構(gòu)才干平安地用于有自重下降的場(chǎng)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(duì)于齒輪傳動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)，須特別留意消除間隙問(wèn)題，否那么回差很大，達(dá)不到應(yīng)有的轉(zhuǎn)角精度要求。對(duì)于鏈傳動(dòng)、齒形帶傳動(dòng)、鋼帶傳動(dòng)和鋼絲繩傳動(dòng)，必需思索張緊問(wèn)題，否那么也會(huì)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(dòng)和挪動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)、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(dòng)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(pán)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(dòng)時(shí)，電纜猶如盤(pán)旋彈簧般收緊或放松。對(duì)于平行軸式腰關(guān)節(jié)，電纜那么可方便地經(jīng)過(guò)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(duì)于開(kāi)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(dòng)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(dòng)、擺線針輪、齒輪傳動(dòng)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?dòng)閥；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(dòng)構(gòu)造同軸減速傳動(dòng)構(gòu)造1—腰支座；2、7—RV減速器；3、6—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4—大臂；5—曲柄；8—軸承。三、直動(dòng)關(guān)節(jié)直動(dòng)關(guān)節(jié)可有兩種類型；電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。前者多采用滾動(dòng)絲杠和導(dǎo)柱(軌)式；后者可采用油缸驅(qū)動(dòng)齒輪的倍速挪動(dòng)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(gè)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(dòng)電機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于傳動(dòng)為兩級(jí)等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這是該種傳動(dòng)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(jiàn)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(dòng)器經(jīng)過(guò)齒形帶帶動(dòng)諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動(dòng)諧波使末桿獲得沿x、y軸兩自在度運(yùn)動(dòng)。圖2為偏置型，那么是將驅(qū)動(dòng)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(dòng)腕完成角轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)把某一桿件因另一桿件的被驅(qū)動(dòng)