工业机器人第四章_工业机器人结构设计

第四章 工业机器人 机械系统设计

1、工业机器人总体设计主体结构设计 传动方式选择

主 要 内 容

模块化结构设计 材料选择 平衡系统设计

2、传动部件设计移动关节导轨及转动关节轴承 传动件的定位及消隙 谐波传动 丝杠螺母副及其滚珠丝杠传动 其它传动

主要内容3、臂部设计臂部设计的基本要求 手部分类 手臂的常用结构 手爪设计和选用的要求 臂部运动驱动力计算

5、手部设计概述

4、手腕设计概述

普通手爪设计 6、机身及行走机构设计 机身设计

手腕分类 行走机构设计 手腕设计举例

一

工业机器人总体设计

主体结构设计 关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式 工业机器人的坐标形式直角坐标机器人 主体结构有三个自由度， 主体结构有三个自由度，全为伸缩 圆柱坐标机器人 主体结构有三个自由度，腰转、升降、伸缩 主体结构有三个自由度，腰转、升降、 球面坐标机器人 主体结构有三个自由度，转动、转动和伸缩 主体结构有三个自由度，转动、 关节坐标机器人 主体结构有三个自由度，全为转动 主体结构有三个自由度，

一 工业机器人总体设计传动方式选择选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、 选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式 工业机器人的传动形式传动形式 直接连结传 动 特征 直接装在关节上 优点 结构紧凑 缺点 需考虑电机自重，转 需考虑电机自重， 动惯量大， 动惯量大，能耗大

远距离连结 经远距离传动装置与关 不需考虑电机自重， 额外的间隙和柔性， 不需考虑电机自重， 额外的间隙和柔性， 节相连 结构庞大， 传动 平衡性良好 结构庞大，能耗大 经济、 传动精度低、 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不 经速比远>1 经速比远>1的传动装置 >1的传动装置 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差， 间接传动 敏感、便于制动设计、 紧凑、引入误差，降 与关节相连 方便一些运动转换 低可靠性 传动精度高，振动小，控制系统设计困难， 不经中间关节或经速比传动精度高，振动小， 控制系统设计困难， =1的传动装置与关节相 传动损耗小， 对传感元件要求高， 直接驱动 =1的传动装置与关节相 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高， 连 高，响应快 成本高

一 工业机器人总体设计模块化结构设计模块化工业机器人由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能 由一些标准化、 的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。

模块化工业机器人的特点经济性 灵活性

存在的问题刚度比较差 整体重量偏重 模

块针对性待提高

一 工业机器人总体设计材料的选择材料选择的基本要求强度高 弹性模量大 重量轻 阻尼大 价格低

结构件材料介绍 碳素结构钢、合金结构钢、 碳素结构钢、合金结构钢、铝合金等合金材 纤维增强合金、陶瓷、 料、纤维增强合金、陶瓷、纤维增强复合材 料、粘弹性大阻尼材料

一 工业机器人总体设计平衡系统设计平衡系统的作用安全 降低因构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值 降低因运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值 改进动力特性 使运行稳定， 使运行稳定，降低地面安装要求

平衡系统设计的主要途径质量平衡技术 弹簧力平衡技术 可控力平衡技术

二

传动部件设计

移动关节导轨及转动关节轴承 移动关节导轨要求 类型：普通滑动导轨、液压动压移动导轨、 类型：普通滑动导轨、液压动压移动导轨、液压静压 移动导轨、气浮导轨、 移动导轨、气浮导轨、滚动导轨 应用实例

转动关节轴承球轴承 专用轴承 特殊材料制作的轴承

动压导轨： 动压导轨：靠导轨之间的相对 运动产生的压力油膜将运动件 浮起,把两个导轨面隔离, 浮起,把两个导轨面隔离,形成 纯液体摩檫，其工作原理与动 纯液体摩檫，其工作原理与动 压轴承相同,形成导轨面间压 轴承相同, 力油膜的条件是: 力油膜的条件是:两导轨面之 间应有锲形间隙和一定的相对 速度, 速度,此外还需要有一定粘度 的润滑油流进锲形间隙 适用于主运动导轨

静压导轨： 静压导轨：将具有一定压力的润 滑油, 滑油,经节流器输入到导轨面上 的油腔,即可形成承载油膜, 的油腔,即可形成承载油膜,使导 轨面之间处于纯液体摩擦状态. 轨面之间处于纯液体摩擦状态. 优点是轨运动速度的变化对油膜 厚度的影响很小； 厚度的影响很小；载荷的变化对 油膜厚度的影响很小, 油膜厚度的影响很小,摩檫系数 仅为0.005左右,油膜抗振性好。 0.005左右 仅为0.005左右,油膜抗振性好。 缺点是导轨自身结构比较复杂需 要增加一套供油系统对润滑油的 清洁程度要求很高主要应用: 清洁程度要求很高主要应用:精 密机床的进给运动和低速运动导 轨。

二

传动部件设计

传动件的定位和消隙 传动件的定位电气开关定位、机械挡块定位、伺服定位系统 电气开关定位、机械挡块定位、

传动件的消隙消隙齿轮 柔性齿轮 对称传动消隙 偏心机构消隙 齿廓弹性覆层消隙

二

传动部件设计减速器 谐波传动机构行星齿轮机构

与一般齿轮传动和蜗杆传动不同， 与一般齿轮传动和蜗杆传动不同，谐波传动其工作原理 是基于一种变形原理，即通过柔轮变形时其径向位移

和 是基于一种变形原理， 切向位移间的转换关系，从而实现传动机构的力和运动 切向位移间的转换关系， 的转换。 的转换。 谐波齿轮传动是靠柔性齿轮(柔轮) 谐波齿轮传动是靠柔性齿轮(柔轮)所产生的可控弹性 变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、 变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、 波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两 波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个， 个一为主动、一为从动，可实现减速或增速( 个一为主动、一为从动，可实现减速或增速(固定传动 比),也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传 ),也可变换成两个输入， 也可变换成两个输入 动。

当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时， 当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在 椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔 椭圆凸轮作用下产生变形， 轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿 轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合； 与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔 与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间， 轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有 轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入； 的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波 的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。 发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全 发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、 脱开这四种情况依次变化，循环不已。 脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮 的齿数少2 的齿数少2 ,所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反 所以当波发生器转动一周时， 方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。 方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。

与一般齿轮传动比较，它有以下特点： 与一般齿轮传动比较，它有以下特点： (1)传动比大，且范围广。单级传动的传动比为 传动比大，且范围广。 50~320,复波传动的传动比可达107 50~320,复波传动的传动比可达107。 107。 (2)同时参加啮和的齿数多，承载能力高。传递公称 同时参加啮和的齿数多，承载能力高。 力矩时，同时参加啮和的齿数可达到总齿数的30%~40%。 30%~40%。 力矩时，同时参加啮和的齿数可达到总齿数的30%~40% (3)体积小，重量轻。在传动比和承载条件相同的情 体积小，重量轻。 况下，谐波齿轮传动比一般齿轮传动的体积和重量减小 况下， 1/3~1/2左右。 1/3~1/2左右。 左右 (4)运动精度高，回差小。 运动

精度高，回差小。 (5)传动效率高，一般单级传动效率为70%-90%。 70%传动效率高，一般单级传动效率为70% 90%。 (6)可向密闭空间传递运动和动力，这一点是其它任 可向密闭空间传递运动和动力， 何机械传动无法实现

行星减速器的主要特点如下： 行星减速器的主要特点如下： 体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高。 (1)体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高。 由于行星齿轮传动是一种共轴线式传动形式， 由于行星齿轮传动是一种共轴线式传动形式，即具有同轴线传动 的特点。在结构上采用了对称分流传动结构，即用几个完全相同 的特点。在结构上采用了对称分流传动结构， 的行星轮均匀分布在中心轮圆周来共同分担载荷， 的行星轮均匀分布在中心轮圆周来共同分担载荷，并且合理地应 用了内啮合，充分地利用了空间的容积，从而缩小了径、 用了内啮合，充分地利用了空间的容积，从而缩小了径、轴向尺 使结构紧凑，而承载能力又高。 寸，使结构紧凑，而承载能力又高。因而行星齿轮传动在相同功 率和传动比的条件下， 率和传动比的条件下，可使其外部尺寸和重量只为普通齿轮传动 1/2-1/6。 的1/2-1/6。 传动效率高，工作可靠。 (2)传动效率高，工作可靠。行星齿轮传动由于采用了对称 的分流传动结构， 的分流传动结构，使作用于中心轮和行星架等主要轴承上的作用 力互相平衡，有利于提高传动效率。 力互相平衡，有利于提高传动效率。 传动比大。适当选择传动类型和齿轮齿数， (3)传动比大。适当选择传动类型和齿轮齿数，便可利用少 数几个齿轮而获得很大的传动比。 数几个齿轮而获得很大的传动比。 由于行星齿轮传动具有上述优点， 由于行星齿轮传动具有上述优点，故目前行星齿轮减速器不 仅适用于告诉大功率，而且在低速大扭矩设备上也已广泛应用。 仅适用于告诉大功率，而且在低速大扭矩设备上也已广泛应用。

三

臂部设计

臂部设计的基本要求刚度高、导向性好、重量轻、运动平 刚度高、导向性好、重量轻、 稳、定位精度高

手臂的常用结构直线运动机构 回转运动机构 臂部运动驱动力计算

四概述

手腕设计

手腕可具有的自由度：翻转、俯仰、偏转 手腕可具有的自由度：翻转、俯仰、 设计的重点是手腕的大小和重量

手腕的分类按自由度数目分类 按驱动方式分类

手腕设计举例

五

手部设计手部与手腕相连处可拆卸 手部是工业机器人末端操作器 手部的通用性比较差 手部是一个独立部件

工业机器人手部特点

手部的分类 手部设计和选用要求 普通手爪设

计

手部设计和选用要求被抓握的对象物几何参数：工件尺寸；抓握表面数目、位置和方向； 几何参数：工件尺寸；抓握表面数目、位置和方向；夹持表 面间的距离和几何形状； 面间的距离和几何形状； 机械特性：质量、材料、表面温度等 机械特性：质量、材料、

物料馈送器或存储装置对手爪必需的最小、最大爪钳间的距离；必需的夹紧力； 对手爪必需的最小、最大爪钳间的距离；必需的夹紧力；其 它的不确定因素

机器人作业顺序 手爪和机器人的匹配手爪的机械接口/ 手爪的机械接口/手爪自重

环境条件

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