機器人的總體和機械結(jié)構(gòu)設計

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1、1,機器人工程及應用,2,機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù) 機器人總體設計 機器人機械系統(tǒng)設計 傳動部件設計 行走機構(gòu)設計 機身設計 臂部設計 手腕設計 手部設計,第二講：機器人的總體和機械結(jié)構(gòu)設計,3,2.1 機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù),機器人設計包括機械結(jié)構(gòu)設計，檢測傳感系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)設計等，是機械、電子、檢測、控制和計算機技術(shù)的綜合應用。為了明確機器人的設計任務和過程，我們以工業(yè)機器人為例對機器人的組成和技術(shù)參數(shù)進行一些介紹。,4,2.1.1 機器人的基本組成,如圖所示，機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人環(huán)境交互系統(tǒng)、

2、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。,圖2-1 機器人的基本組成,5,2.1.2 機器人技術(shù)參數(shù),機器人技術(shù)參數(shù)是機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)，不同的機器人其技術(shù)參數(shù)不一樣。但是，工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)一般都應有：自由度、定位精度、重復定位精度、工作范圍、最大工作速度、承載能力等。,6,圖2-2 PUMA 562型機器人,圖2-3 Stewart機構(gòu),1、自由度,7,2、定位精度與重復定位精度,機器人精度是指定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人重復定位其手部于同一目標位置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示。它是衡

3、量一系列誤差值的密集度，即重復度。如下圖所示。,8,(a) 重復定位精度的測定； (b) 合理定位精度，良好重復定位精度； (c) 良好定位精度很差重復定位精度； (d) 很差定位精度，良好重復定位精度。,圖2-4 機器人精度和重復精度的典型情況,9,3、工作范圍,工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。,圖2-5 PUMA 機器人工作范圍,10,4、最大工作速度,通常指機器人手臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率，因此提高機器人的加速減速能力，保

4、證機器人加速減速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。,11,5、承載能力,承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。機器人的載荷不僅取決于負載的質(zhì)量，而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。為了安全起見，承載能力是指高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅要考慮負載，而且還要考慮機器人末端操作器的質(zhì)量。,12,2.2 機器人總體設計,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。在結(jié)構(gòu)設計的同時，對各部件的強度、剛度做必要的驗算。機器人總體設計步驟分以下幾個部分。,13,2.2.1 系統(tǒng)分析,機器人是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提

5、高勞動生產(chǎn)率的有力工具。首先確定使用機器人是否需要與合適，決定采用后需要做如下分析工作： (1)明確采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，包括設備兼容性等。 (3)認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機器人的基本功能和方 案。如機器人的自由度數(shù)、信息的存儲容量、定位精度、抓取重量 (4)進行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關技術(shù)資料。,14,2.2.2 技術(shù)設計,(1)機器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運動速度及定位精度等。 舉例：定位精度的確定 機器人或機器手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機器人或機器手本身所能達到的定位精度取決于定位方式、運動速度、控制方式、

6、臂部剛性、驅(qū)動方式、緩沖方式等。 工藝過程的不同，對機器人或機器手重復定位精度的要求也不同，不同工藝過程所要求的定位精度如下： 金屬切削機床上下料：(0.05-1.00) mm 沖床上下料：1 mm 模鍛： (0.1-2.0) mm 點焊： 1 mm 裝配、測量： (0.01-0.50) mm 噴涂： 3 mm 當機器人或機器手本身所能達到的定位精度有困難時，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機器人實現(xiàn)粗定位、工夾具實現(xiàn)精定位。,15,(2) 機器人運動形式的選擇。 常見機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關節(jié)型和SCARA型。 (3) 擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖。選擇合適的傳

7、感器，以便結(jié)構(gòu)設計時考慮安裝位置。 (4) 確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖。 (5) 機械結(jié)構(gòu)設計。確定驅(qū)動方式，選擇運動部件和設計具體結(jié)構(gòu)，繪制機器人總裝圖及主要部件零件圖。,16,2.2.3 仿真分析,(1)運動學計算。分析是否達到要求的速度、加速度、位置。 (2)動力學計算。計算關節(jié)驅(qū)動力的大小，分析驅(qū)動裝置是否滿足要求。 (3)運動的動態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來，實現(xiàn)機器人的運動仿真。 (4)性能分析。建立機器人數(shù)學模型，對機器人動態(tài)性能進行仿真計算。 (5)方案和參數(shù)修改。運用仿真分析的結(jié)果對所設計的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進行修改，加以完善。 機器人機械系統(tǒng)設計是機器人

8、設計的重要部分。其他系統(tǒng)的設計盡管有各自的獨立性，但都必須與機械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個完整的機器人系統(tǒng)。,17,2.3 機器人機械系統(tǒng)設計,在確定機器人運動形式的基礎上，機器人機械系統(tǒng)設計還包括確定機器人驅(qū)動方式、關節(jié)驅(qū)動方式、材料選擇、平衡系統(tǒng)設計和零部件設計。,18,2.4 傳動部件設計,機器人是運動的，各個部位都需要能源和動力，因此設計和選擇良好的傳動部件是非常重要的。這涉及到關節(jié)形式的確定，傳動方式以及傳動部件的定位和消隙等多個方面。 (1) 關節(jié)(如轉(zhuǎn)動關節(jié)與移動關節(jié)) (2) 傳動件的定位和消隙 (3) 機器人傳動機構(gòu)(如齒輪、繩與鋼帶傳動等),19,2.5 行走機構(gòu)設計,

9、機器人可分成固定式和行走式兩種。一般的機器人多為固定式，但隨著海洋科學、原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，移動機器人、自動行走機器人的應用也越來越多。列舉如下： (1) 車輪式行走機器人 (2) 腳式行走機器人 (3) 履帶式行走機器人 (4) 其他行走機器人,20,2.6 機身設計,機器人機械結(jié)構(gòu)有三大部分：機身、手臂(包括手腕)、手部。機身，又稱為立拄，是支撐臂部的部件，并能實現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運動機器人必須有一個便于安裝的基礎件，這就是機器人的機座機座往往與機身做成一體。,21,2.7 臂部設計,2.8 手腕設計,2.9 手部設計 機器人手也叫末端操作器，相當于人的手抓。主要作用是夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的工作。 手抓用于抓取物體，并進行細微的操作。人的五指有20個自由度，通過關節(jié)的伸曲，可以進行各種復雜的動作。 手部設計的主要研究方向是柔性化、標準化、智能化。,