工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計

1、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)計引言： 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(yùn)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(qiáng)度、剛度進(jìn)行必要的驗(yàn)算。一、系統(tǒng)分析一、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)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)。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。機(jī)器人與已有設(shè)備的兼容性。3分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。本功能和方案。 具體來說，確定機(jī)器人的自由度數(shù)

2、，信息的存儲容量，計算機(jī)的功能水平，機(jī)器人的動作速度，定位精度，機(jī)器人容許的運(yùn)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。n明確機(jī)器人的目的和任務(wù)明確機(jī)器人的目的和任務(wù)：n從傳送帶拾取一個雞蛋；n把蛋置于強(qiáng)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(jī)器人（2）n分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境分析機(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。

3、舉例示圖2：機(jī)器人與環(huán)境的關(guān)系舉例：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(yùn)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(jī)器人的自由度及運(yùn)動范圍：n初步分析初步分析：機(jī)器人滿足上面提出的條件，應(yīng)該具備一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和兩個直線運(yùn)動。n仔細(xì)分析仔細(xì)分析：還應(yīng)該有一個運(yùn)動以對蛋進(jìn)行定向排列。因?yàn)楫?dāng)受臂移動和轉(zhuǎn)動時，雞蛋的取向會發(fā)生改變。n確定

4、技術(shù)參數(shù)為確定技術(shù)參數(shù)為：n伸縮運(yùn)動：45.761.0cmn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(jī)器人的結(jié)構(gòu)：作業(yè)：根據(jù)雞蛋傳送分檢系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計一臺滿足動作要求的機(jī)器人模型（用幾何模型圖表示），并對你的設(shè)計結(jié)構(gòu)予以分析。二、技術(shù)設(shè)計二、技術(shù)設(shè)計1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（機(jī)器人基本參數(shù)的確定（1）：）：n自由度的確定：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：臂力的確定： n對于專用機(jī)器人來說：是針對專門的工作對象來設(shè)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(jī)器人來說：具有一定的通用性，臂力要根據(jù)被抓取物體

5、的重量變化來確定。n工作范圍的確定：工作范圍的確定： 要根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動的軌跡來確定1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（機(jī)器人基本參數(shù)的確定（2）：）：n運(yùn)動速度的確定：運(yùn)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(yùn)動行程確定其運(yùn)動。n定位精度的確定：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(yùn)動速度、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(yùn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動速度運(yùn)動速度確定舉例運(yùn)動速度確定舉例2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（機(jī)

6、器人運(yùn)動形式的選擇（1）：）：n根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動參數(shù)確定其運(yùn)動形式，然后才能確定其結(jié)構(gòu)。常見的運(yùn)動形式有以下幾種：2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（2）：）：n直角坐標(biāo)型：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)。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：n結(jié)構(gòu)簡單，剛度高。n關(guān)節(jié)之間運(yùn)動相互獨(dú)立，沒有耦合作用。n占地面積大，導(dǎo)軌面防護(hù)比較困難。 2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（3）：）：n圓柱坐標(biāo)型：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(yùn)動和兩個直線運(yùn)動。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：n通用性較強(qiáng)；n結(jié)構(gòu)緊湊；n機(jī)器人腰轉(zhuǎn)時將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動慣量。n

7、受結(jié)構(gòu)限制，手臂不能抵達(dá)底部，減少了工作范圍。2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（4）：）：n球面坐標(biāo)式（極球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)）：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(yùn)動和一個直線運(yùn)動。n特點(diǎn)：n工作范圍較大；n占地面積小；n控制系統(tǒng)復(fù)雜2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（5）：）：nscara機(jī)器人：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。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：n結(jié)構(gòu)輕便，響應(yīng)快；n適用于平面定位和在垂直方向進(jìn)行作的場合。 2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（6）：）：n關(guān)節(jié)式機(jī)器人：關(guān)節(jié)式機(jī)器

8、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)。 n特點(diǎn)：特點(diǎn)：n動作靈活，工作空間大；n關(guān)節(jié)運(yùn)動部位密封性好；n運(yùn)動學(xué)復(fù)雜，不便于控制。3擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖：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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計三、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計三、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計1機(jī)器人的驅(qū)動方式：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。n液壓傳動：液壓傳動：具有較大的功率體積比，常用于大負(fù)載的場合。n氣壓傳

9、動：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(diǎn)位控制、抓取、彈性握持和真空吸附。n電動：電動：適合于中等負(fù)載，特別適合動作復(fù)雜、運(yùn)動軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人。2關(guān)節(jié)驅(qū)動方式（關(guān)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：直接驅(qū)動的機(jī)器人也叫ddr（direct drive robot），一般指驅(qū)動電機(jī)通過機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接。其特點(diǎn)是驅(qū)動電機(jī)和關(guān)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(diǎn)： a機(jī)械傳動精度高； b振動小，結(jié)構(gòu)剛性好； c結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高； d電機(jī)的重量會增加轉(zhuǎn)動負(fù)擔(dān)。 關(guān)節(jié)直接

10、驅(qū)動圖例：2關(guān)節(jié)驅(qū)動方式（關(guān)節(jié)驅(qū)動方式（2）：）：n間接驅(qū)動方式：間接驅(qū)動方式：大部分機(jī)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(guān)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(diǎn)：間接驅(qū)動特點(diǎn)：n可以獲得一個比較大的力矩；n可以減輕關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān)；n可以把電機(jī)作為一個平衡質(zhì)量；n增加了傳動誤差；n結(jié)構(gòu)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：材料的選擇： 選擇機(jī)器人本體的材料，應(yīng)從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計和制造要求。如：n機(jī)器人的臂和機(jī)器人整體是運(yùn)動的，則要求采用輕質(zhì)材料。n精密機(jī)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(jī)器人常用的材料有：碳素結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、硼纖維增強(qiáng)合金、陶瓷等。 4平衡系統(tǒng)的設(shè)計平衡系統(tǒng)的設(shè)計 的設(shè)計是機(jī)器人設(shè)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(jī)器人在切斷電源后因重力而失去穩(wěn)定。 n借助平衡系統(tǒng)能降低機(jī)器人的構(gòu)形變化。n借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動，導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩峰值的變化。n借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。平衡系統(tǒng)圖例5平衡系統(tǒng)的工作原理平衡系統(tǒng)的工作原理n通常采用平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)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(gòu)件的質(zhì)量形成一個力的平衡，該平衡系統(tǒng)不隨機(jī)器人位姿的變