工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計課件

第二講工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計4.4工業(yè)機(jī)器人

4.4.1工業(yè)機(jī)器人概況 工業(yè)機(jī)器人是一種可編程的智能型自動化設(shè)備，是應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的高度自動化系統(tǒng)。機(jī)器人是從初級到高級逐步完善起來的，它的發(fā)展過程可以分為三代。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計 第二代機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人，它具有一些對外部信息進(jìn)行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。

4.4.2工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人一般由主構(gòu)架（手臂）、手腕、驅(qū)動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成。圖4-16是工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖4-16工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計

4.4.3工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用 目前，工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械制造、電子器件、集成電路、塑料加工等較大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)。下面介紹幾種機(jī)器人的典型應(yīng)用。

1.汽車制造領(lǐng)域 圖4-19是一個焊接機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖。焊接機(jī)器人還分成采用點位控制的點焊機(jī)器人和采用軌跡控制的焊接機(jī)器人兩種。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖4-18噴漆工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)示意圖工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖4-19焊接工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)示意圖工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計

2.機(jī)械制造領(lǐng)域 機(jī)械制造企業(yè)的柔性制造系統(tǒng)采用搬運機(jī)器人搬運物料、工件和工具，裝配機(jī)器人完成設(shè)備的零件裝配，測量機(jī)器人進(jìn)行在線或離線測量。 圖4-20所示是兩臺機(jī)器人用于自動裝配的情況，主機(jī)器人是一臺具有三個自由度且?guī)в杏|覺傳感器的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它抓取第1號(No.1)零件，并完成裝配動作；輔助機(jī)器人僅有一個回轉(zhuǎn)自由度，它抓取第2號(No.2)零件，第1號和第2號零件裝配完成后，再由主機(jī)械手完成與第3號(No.3)零件的裝配工作。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖4-20機(jī)器人用于零件裝配工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計 圖4-21所示是一教學(xué)型FMS，由一臺CNC車床、一臺CNC銑床、工件傳送帶、料倉、兩臺關(guān)節(jié)型機(jī)器人和控制計算機(jī)組成。兩臺機(jī)器人在FMS中服務(wù)，一臺機(jī)器人服務(wù)于加工設(shè)備和傳送帶之間，為車床和銑床裝卸工件；另一臺位于傳送帶和料倉之間，負(fù)責(zé)上、下料。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖4-21機(jī)器人上、下料工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計

3.其它領(lǐng)域 機(jī)器人在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，如工業(yè)機(jī)器人可以取代人去完成一些危險環(huán)境中的作業(yè)(如放射線、火災(zāi)、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美國“勇氣”號火星探測機(jī)器人實現(xiàn)了人類登陸火星的夢想，圖4-22為“勇氣”號的圖片。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖4-22“勇氣”號火星探測器工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計一．操作機(jī)的不同結(jié)構(gòu)及其特點

1．直角坐標(biāo)型操作機(jī)

這類操作機(jī)的手部在空間三個相互垂直的方向X、Y、Z上作移動運動，運動是獨立的，如圖1a所示。其控制簡單，運動直觀性強，易達(dá)到高精度，但操作靈活性差，運動的速度較低，操作范圍較小而占據(jù)的空間相對較大。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．圓柱坐標(biāo)型操作機(jī)

這類操作機(jī)在水平轉(zhuǎn)臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運動并可在水平方向伸縮，如圖1b所示。其工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂沿水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計3．球坐標(biāo)型操作機(jī)

也稱極坐標(biāo)型操作機(jī)，工作臂不僅可繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，還可繞水平軸作俯仰運動，且能沿手臂軸線作伸縮運動，如圖12c所示。其操作比圓柱坐標(biāo)型更為靈活，并能擴(kuò)大機(jī)器人的工作空間，但旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反映在未端執(zhí)行器上的線位移分辨率是一個變量。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計4．關(guān)節(jié)型操作機(jī)

這類操作機(jī)由多個關(guān)節(jié)聯(lián)接的機(jī)座、大臂、小臂和手腕等構(gòu)成，大小臂既可在垂直于機(jī)座的平面內(nèi)運動，也可實現(xiàn)繞垂直軸的轉(zhuǎn)動，如圖1d所示。其操作靈活性最好，運動速度較高，操作范圍大，但精度受手臂位姿的影響，實現(xiàn)高精度運動較困難。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計二．操作機(jī)腰部、臂部和腕部結(jié)構(gòu)

1.腰部結(jié)構(gòu)

操作機(jī)腰部包括機(jī)座和腰關(guān)節(jié)，機(jī)座承受機(jī)器人全部重量，要有足夠的強度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼制造，機(jī)座要有一定的尺寸以保證操作機(jī)的穩(wěn)定，并滿足驅(qū)動裝置及電纜的安裝。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計腰關(guān)節(jié)是負(fù)載最大的運動軸，對末端執(zhí)行器運動精度影響最大，故設(shè)計精度要求高。腰關(guān)節(jié)的軸可采用普通軸承的支承結(jié)構(gòu)，圖1所示為PUMA機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)整方便，但腰部高度較高?，F(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人的腰關(guān)節(jié)均采用大直徑交叉滾子軸承支承的結(jié)構(gòu)，既可使機(jī)座高度大大降低，又具有更好的支承剛度。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．臂部結(jié)構(gòu)

臂部的作用是連結(jié)腰部和腕部，實現(xiàn)操作機(jī)在空間中的運動。手臂的長度尺寸要滿足工作空間的要求，由于手臂的剛度、強度直接影響機(jī)器人的整體運動剛度，同時又要靈活運動，故應(yīng)盡可能選用高強度輕質(zhì)材料，減輕其重量。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計在臂體設(shè)計中，也應(yīng)盡量設(shè)計成封閉形和局部帶加強肋的結(jié)構(gòu)，以增加剛度和強度。手臂結(jié)構(gòu)可分為伸縮型結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)伸縮型結(jié)構(gòu)和屈伸型結(jié)構(gòu)。圖2示出了PUMA560機(jī)器人小臂傳動結(jié)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計3．腕部結(jié)構(gòu)

腕部用來連接操作機(jī)手臂和末端執(zhí)行器，并決定末端執(zhí)行器在空間里的姿態(tài)。腕部一般應(yīng)有2～3個自由度，結(jié)構(gòu)要緊湊，質(zhì)量較小，各運動軸采用分離傳動。圖3a所示為P-100機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)（其中，軸1～軸3為手臂軸，未畫出）是一種典型的3軸分立型式，圖3b為JRS-80機(jī)器人的手腕原理圖，本圖是類似P100典型手腕的實際結(jié)構(gòu)的一種型式。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計三．操作機(jī)整機(jī)設(shè)計原則和設(shè)計方法

1.操作機(jī)整機(jī)設(shè)計原則

（1）最小運動慣量原則

由于操作機(jī)運動部件多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動，采用最小運動慣量原則，可增加操作機(jī)運動平穩(wěn)性，提高操作機(jī)動力學(xué)特性。為此，在設(shè)計時應(yīng)注意在滿足強度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質(zhì)量，并注意運動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。

（2）尺度規(guī)劃優(yōu)化原則當(dāng)設(shè)計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機(jī)剛度的提高，使運動慣量進(jìn)一步降低。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計（3）高強度材料選用原則

由于操作機(jī)從手腕、小臂、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的，選用高強度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。（4）剛度設(shè)計的原則

操作機(jī)設(shè)計中，剛度是比強度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計

（5）可靠性原則

機(jī)器人操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設(shè)計方法設(shè)計出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

（6）工藝性原則

機(jī)器人操作機(jī)是一種高精度、高集成度的自動機(jī)械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計時要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計而無良好的工藝性，必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．操作機(jī)的設(shè)計方法和步驟

（1）確定工作對象和工作任務(wù)

開始設(shè)計操作機(jī)之前，首先要確定工作對象、工作任務(wù)。

1）焊接任務(wù)

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2）噴漆任務(wù)

3）搬運任務(wù)4）裝配任務(wù)工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計（2）確定設(shè)計要求

1）負(fù)載

2）速度3）精度

4）示教方式

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計5）工作空間

6）尺寸規(guī)劃

7）減速器的選用

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計機(jī)器人總體設(shè)計機(jī)器人總體設(shè)計的主要內(nèi)容有：確定基本參數(shù)，選擇運動方式，手臂配置形式，位置檢測，驅(qū)動和控制方式等。然后是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時，要對各部件的強度、剛度進(jìn)行必要的驗算。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計一、系統(tǒng)分析

1．根據(jù)機(jī)器人的使用場合，明確所使用機(jī)器人的目的和任務(wù)。2．分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機(jī)器人與已有設(shè)備的兼容性。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計3．分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人（1）下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機(jī)器人的系統(tǒng)分析方法。明確機(jī)器人的目的和任務(wù)：從傳送帶拾取一個雞蛋；把蛋置于強光下照射，測定蛋是否透光（有無胚胎生長）；根據(jù)蛋有無胚胎，把蛋放入廢品箱或包裝箱內(nèi)。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計舉例示圖1：基本工作流程工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人（2）分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境：包括工作車間的平面布置，相互間的位置關(guān)系等。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計舉例示圖2：機(jī)器人與環(huán)境的關(guān)系工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人（3）分析系統(tǒng)的工作要求：循環(huán)時間≤3.0s每次循環(huán)有三種不同的運動：移動到傳送帶并拾取一只雞蛋；移動到照射位置；把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū)。一個循環(huán)中需要三次暫停：閉合手爪0.2s；完成照射0.05s；開啟手爪放蛋0.2s每只雞蛋重量≤85g；手爪重量≤369g位置分辨率最低為1.27mm工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計確定機(jī)器人的自由度及運動范圍：初步分析：機(jī)器人滿足上面提出的條件，應(yīng)該具備一個旋轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動。仔細(xì)分析：還應(yīng)該有一個附加旋轉(zhuǎn)運動以對蛋進(jìn)行定向排列。因為當(dāng)手臂移動和轉(zhuǎn)動時，雞蛋的取向會發(fā)生改變。確定技術(shù)參數(shù)為：伸縮運動：45.7~61.0cm腰部旋轉(zhuǎn)：±90°腕部旋轉(zhuǎn)：360°腕部垂直移動：50.8cm工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計初步確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)：工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計二、技術(shù)設(shè)計

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計1．機(jī)器人基本參數(shù)的確定（1）：

自由度的確定臂力的確定

工作范圍的確定

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計1．機(jī)器人基本參數(shù)的確定（2）：

運動速度的確定：

主要是根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個動作的時間，進(jìn)而根據(jù)機(jī)械手各部位的運動行程確定其運動速度。定位精度的確定：機(jī)器人的定位精度是根據(jù)使用要求確定的。而要達(dá)到這樣的精度取決于機(jī)器人的定位方式、運動速度、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動方式、緩沖方法等。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計夾緊工件手臂升降伸縮運動回轉(zhuǎn)運動工作節(jié)拍5分鐘每一個動作都由5個關(guān)節(jié)協(xié)同完成綜合分配每個關(guān)節(jié)的運動速度運動速度確定舉例工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．機(jī)器人運動形式的選擇（1）：

根據(jù)機(jī)器人的運動參數(shù)確定其運動形式，然后才能確定其結(jié)構(gòu)。常見的運動形式有以下幾種：工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．機(jī)器人運動形式的選擇（2）：

直角坐標(biāo)型：機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)。特點：結(jié)構(gòu)簡單，剛度高。關(guān)節(jié)之間運動相互獨立，沒有耦合作用。占地面積大，導(dǎo)軌面防護(hù)比較困難。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．機(jī)器人運動形式的選擇（3）：

圓柱坐標(biāo)型：圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度：腰轉(zhuǎn)、升降和伸縮。亦即具有一個旋轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動。特點：通用性較強；結(jié)構(gòu)緊湊；機(jī)器人腰轉(zhuǎn)時將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動慣量。受結(jié)構(gòu)限制，手臂不能抵達(dá)底部，減少了工作范圍。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．機(jī)器人運動形式的選擇（4）：

球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)）：

機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度，兩個旋轉(zhuǎn)運動和一個直線運動。特點：工作范圍較大；占地面積??；控制系統(tǒng)復(fù)雜工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．機(jī)器人運動形式的選擇（5）：

SCARA機(jī)器人：有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個是移動關(guān)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。特點：結(jié)構(gòu)輕便，響應(yīng)快；適用于平面定位和在垂直方向進(jìn)行作的場合。

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計2．機(jī)器人運動形式的選擇（6）：

關(guān)節(jié)式機(jī)器人：關(guān)節(jié)式機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。

特點：動作靈活，工作空間大；關(guān)節(jié)運動部位密封性好；運動學(xué)復(fù)雜，不便于控制。工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計3．?dāng)M定檢測傳感系統(tǒng)框圖：

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖例：傳感系統(tǒng)框圖：工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計4．確定控制系統(tǒng)總體方案，給出框圖

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計圖例：控制系統(tǒng)總體方案工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計5．機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計三、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計1．機(jī)器人的驅(qū)動方式：

機(jī)器人的驅(qū)動方式有電動、液壓和氣動三種方式。一臺機(jī)器人可以只有一種驅(qū)動方式，也可以是幾種方式的聯(lián)合。液壓傳動：具有較大的功率體積比，常用于大負(fù)載的場合。氣壓傳動：氣動系統(tǒng)簡單，成本低，適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場合，常用于點位控制、抓取、彈性握持和真空吸附。電動：適合于中等負(fù)載，特別