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1、第二講 工業(yè)機器人的總體設計 引言： 機器人總體設計的主要內(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。然后是進行結構設計，同時，要對各部件的強度、剛度進行必要的驗算。 一、系統(tǒng)分析1根據(jù)機器人的使用場合，明確所使用機器人的目的和任務。2分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機器人與已有設備的兼容性。3分析系統(tǒng)的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。 具體來說，確定機器人的自由度數(shù)，信息的存儲容量，計算機的功能水平，機器人的動作速度，定位精度，機器人容許的運動空間的大小，環(huán)境條件（如溫度、是否存在振動），抓取工件的重量、外形尺寸的大小，生產(chǎn)批量等。 舉例：雞蛋分檢包

2、裝系統(tǒng)中的機器人（1） 下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機器人的系統(tǒng)分析方法。n明確機器人的目的和任務：n從傳送帶拾取一個雞蛋；n把蛋置于強光下照射，測定蛋是否透光（有無胚胎生長）； n根據(jù)蛋有無胚胎，把蛋放入廢品箱或包裝箱內(nèi)。 舉例示圖1：基本工作流程 舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機器人（2）n分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境：包括工作車間的平面布置，相互間的位置關系等。 舉例示圖2：機器人與環(huán)境的關系 舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機器人（3）分析系統(tǒng)的工作要求：n循環(huán)時間3.0sn每次循環(huán)有三種不同的運動：n移動到傳送帶并拾取一只雞蛋；n移動到照射位置；n把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū)。n一個循環(huán)中需要三

3、次暫停： n閉合手爪0.2s；完成照射0.05s；開啟手爪放蛋0.2sn每只雞蛋重量85g；手爪重量369gn位置分辨率最低為1.27mm 確定機器人的自由度及運動范圍：n初步分析：機器人滿足上面提出的條件，應該具備一個旋轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動。n仔細分析：還應該有一個運動以對蛋進行定向排列。因為當受臂移動和轉(zhuǎn)動時，雞蛋的取向會發(fā)生改變。n確定技術參數(shù)為：n伸縮運動：45.761.0cm n腰部旋轉(zhuǎn)： 90n腕部旋轉(zhuǎn)：360 n腕部垂直移動：50.8cm 初步確定機器人的結構： 作業(yè)：根據(jù)雞蛋傳送分檢系統(tǒng)的工作要求，設計一臺滿足動作要求的機器人模型（用幾何模型圖表示），并對你的設計結構予以分析。

4、 二、技術設計 1機器人基本參數(shù)的確定（1）：n自由度的確定：在系統(tǒng)分析時已經(jīng)確定了。 n臂力的確定： n對于專用機器人來說：是針對專門的工作對象來設計的，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量確定，取1.53.0的安全系數(shù)。n對于工業(yè)機器人來說：具有一定的通用性，臂力要根據(jù)被抓取物體的重量變化來確定。n工作范圍的確定： 要根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定 1機器人基本參數(shù)的確定（2）：n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，進而根據(jù)機械手各部位的運動行程確定其運動。n定位精度的確定： 機器人的定位精度是根據(jù)使用要求確定的。而要達到這樣的精度取決于機器人的定位方式、運動速度

5、、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動方式、緩沖方法等。 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個關節(jié)協(xié)同完成綜合分配每個關節(jié)的運動速度運動速度確定舉例 2機器人運動形式的選擇（1）：n根據(jù)機器人的運動參數(shù)確定其運動形式，然后才能確定其結構。常見的運動形式有以下幾種： 2機器人運動形式的選擇（2）：n直角坐標型：機器人的主體結構的關節(jié)都是移動關節(jié)。n特點：n結構簡單，剛度高。n關節(jié)之間運動相互獨立，沒有耦合作用。 n占地面積大，導軌面防護比較困難。 2機器人運動形式的選擇（3）：n圓柱坐標型：圓柱坐標式機器人主體結構具有三個自由度：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

6、動。n特點： n通用性較強；n結構緊湊；n機器人腰轉(zhuǎn)時將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動慣量。n受結構限制，手臂不能抵達底部，減少了工作范圍。 2機器人運動形式的選擇（4）：n球面坐標式（極坐標）： 機器人主體結構具有三個自由度，兩個旋轉(zhuǎn)運動和一個直線運動。n特點： n工作范圍較大；n占地面積?。籲控制系統(tǒng)復雜 2機器人運動形式的選擇（5）：n SCARA機器人：有3個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進行定位和定向。另一個是移動關節(jié)。這種結構輕便、響應快。n特點： n結構輕便，響應快；n適用于平面定位和在垂直方向進行作的場合。 2機器人運動形式的選擇（6）：n關節(jié)式機器人：關節(jié)式機器人的主體結構的三個自

7、由度腰轉(zhuǎn)關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)全部是轉(zhuǎn)動關節(jié)。 n特點： n動作靈活，工作空間大；n關節(jié)運動部位密封性好；n運動學復雜，不便于控制。 3擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖： 圖例：傳感系統(tǒng)框圖： 4確定控制系統(tǒng)總體方案，給出框圖 圖例：控制系統(tǒng)總體方案 5機械結構設計 三、機器人機械系統(tǒng)設計 1機器人的驅(qū)動方式： 機器人的驅(qū)動方式有電動、液壓和氣動三種方式。一臺機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。n液壓傳動：具有較大的功率體積比，常用于大負載的場合。n氣壓傳動：氣動系統(tǒng)簡單，成本低，適合于節(jié)拍快、負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。 n電動：適合于中等負載，特

8、別適合動作復雜、運動軌跡嚴格的工業(yè)機器人和各種微型機器人。 2關節(jié)驅(qū)動方式（1）： 分為直接驅(qū)動和間接驅(qū)動兩種方式。 n直接驅(qū)動：直接驅(qū)動的機器人也叫DDR（Direct drive robot），一般指驅(qū)動電機通過機械接口直接與關節(jié)連接。其特點是驅(qū)動電機和關節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。這種驅(qū)動方式具有以下特點： A機械傳動精度高； B振動小，結構剛性好； C結構緊湊，可靠性高； D電機的重量會增加轉(zhuǎn)動負擔。 關節(jié)直接驅(qū)動圖例： 2關節(jié)驅(qū)動方式（2）：n間接驅(qū)動方式：大部分機器人是間接驅(qū)動方式。由于驅(qū)動器的輸出轉(zhuǎn)矩大大小于驅(qū)動關節(jié)所要求的轉(zhuǎn)矩，所以必須使用減速器。n間接驅(qū)動特點：n可以獲得一個

9、比較大的力矩； n可以減輕關節(jié)的負擔；n可以把電機作為一個平衡質(zhì)量；n增加了傳動誤差；n結構龐大。 間接驅(qū)動方式圖例（1）： 間接驅(qū)動方式圖例（2）： 間接驅(qū)動方式圖例（3）： 3材料的選擇： 選擇機器人本體的材料，應從機器人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設計和制造要求。如：n機器人的臂和機器人整體是運動的，則要求采用輕質(zhì)材料。n精密機器人，則要求材料具有較好的剛性。 n還要考慮材料的可加工性等。n機器人常用的材料有：碳素結構鋼、鋁合金、硼纖維增強合金、陶瓷等。 4平衡系統(tǒng)的設計 的設計是機器人設計中一個不可忽視的問題。平衡系統(tǒng)具有以下作用：n安全：防止機器人在切斷電源后因重力而失去穩(wěn)定。 n借

10、助平衡系統(tǒng)能降低機器人的構形變化。n借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人運動，導致慣性力矩引起關節(jié)驅(qū)動力矩峰值的變化。 n借助平衡系統(tǒng)能減小機械臂結構柔性所引起的不良影響。 平衡系統(tǒng)圖例 5平衡系統(tǒng)的工作原理n通常采用平行四邊形機構構成平衡系統(tǒng)。其原理是在系統(tǒng)中增加一個質(zhì)量，與原構件的質(zhì)量形成一個力的平衡，該平衡系統(tǒng)不隨機器人位姿的變化而失去平衡。 圖例：平行四邊形平衡系統(tǒng)： 3332222 33 GOmGOmVmO BOmmSV 橫向力的平衡：縱向力的平衡： 5模塊化結構設計： 將每一自由度的軸作為一個單獨模塊，并由獨立的單片機控制，然后用戶可根據(jù)自己的需要進行多軸組裝。這種結構設計具有經(jīng)濟和靈活的特點。 圖例：模塊化設計 作業(yè)：n機器人關節(jié)的直接驅(qū)動和間接驅(qū)動各有何特點？