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1、第三講第三講 機器人的機械結構機器人的機械結構 機器人的主要技術參數機器人的主要技術參數 機身和臂部機構機身和臂部機構 驅動機構驅動機構機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）第一節第一節 機器人的主要技術參數機器人的主要技術參數n自由度自由度 操作機的自由度多，機構運動的靈活性大，通用操作機的自由度多，機構運動的靈活性大，通用性強，但機構的結構也更復雜，剛性變差。機構的自性強，但機構的結構也更復雜，剛性變差。機構的自由度多于為完成生產任務所必需的自由度時，多余的由度多于為完成生產任務所必需的自由度時，多余的自由度稱為冗余自由度。設置冗余自由度使操作機具自由度稱為冗余自由度。設置冗余自由度
2、使操作機具有一定的避障能力，在進行運動逆解時，使各關節的有一定的避障能力，在進行運動逆解時，使各關節的運動具有優選的條件。工業機器人一般多為運動具有優選的條件。工業機器人一般多為46個自個自由度。由度。第一節第一節 機器人的主要技術參數機器人的主要技術參數n工作空間工作空間 機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安置機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安置點所能達到的所有空間區域，不包括手部本身所能點所能達到的所有空間區域，不包括手部本身所能達到的區域。達到的區域。工作空間的形狀取決于機器人的構型，工作空工作空間的形狀取決于機器人的構型，工作空間的大小取決于組成機器人各部件的自身尺寸和運間的大小
3、取決于組成機器人各部件的自身尺寸和運動尺寸。動尺寸。第一節第一節 機器人的主要技術參數機器人的主要技術參數n工作速度工作速度 工作速度是指機器人在工作載荷條件下，勻速運工作速度是指機器人在工作載荷條件下，勻速運動過程，機械接口中心或工具中心點在單位時間內所動過程，機械接口中心或工具中心點在單位時間內所移動的距離或轉動的角度。移動的距離或轉動的角度。n工作載荷工作載荷 機器人在規定的性能范圍內，機械接口處能承受機器人在規定的性能范圍內，機械接口處能承受的最大負載量（包括手部）。用質量、力矩、慣性矩的最大負載量（包括手部）。用質量、力矩、慣性矩來表示。來表示。第一節第一節 機器人的主要技術參數機器
4、人的主要技術參數n控制方式控制方式 機器人用于控制軸的方式，使伺服還是非伺服，機器人用于控制軸的方式，使伺服還是非伺服，伺服控制方式是實現連續軌跡還是點到點的運動。伺服控制方式是實現連續軌跡還是點到點的運動。n驅動方式驅動方式 指的是關節執行器的動力源形式：電氣驅動、液指的是關節執行器的動力源形式：電氣驅動、液壓驅動、氣壓驅動、其它驅動形式。壓驅動、氣壓驅動、其它驅動形式。第一節第一節 機器人的主要技術參數機器人的主要技術參數精度、重復精度和分辨率精度、重復精度和分辨率 精度、重復精度、和分辨率用來定義機器人手部精度、重復精度、和分辨率用來定義機器人手部的定位能力。的定位能力。n精度精度 是一
5、個位置量相對于其參照系的絕對度量。是一個位置量相對于其參照系的絕對度量。n重復精度重復精度 指在相同的運動位置命令下，機器人連續若干次指在相同的運動位置命令下，機器人連續若干次運動軌跡之間的誤差度量。運動軌跡之間的誤差度量。任務任務機床上下機床上下料料沖床上下料沖床上下料點焊點焊模鍛模鍛噴漆噴漆裝配裝配測量測量弧焊弧焊重復重復性性（0.051)110.123(0.010.5)(0.010.5)(0.20.5)第一節第一節 機器人的主要技術參數機器人的主要技術參數n分辨率分辨率 是指機器人每根軸能夠實現的最小移動距離或最小轉動角是指機器人每根軸能夠實現的最小移動距離或最小轉動角度。精度和分辨率不
6、一定相關。度。精度和分辨率不一定相關。反饋尺反饋尺實實 際際 位位 置置重復重復精度精度精度精度分辨率分辨率TBRU給定位置給定位置 分辨率、精度、重復精度的關系分辨率、精度、重復精度的關系 第二節第二節 機身和臂部機構機身和臂部機構機身機身n起連接、支承和傳起連接、支承和傳動的作用動的作用n既可以是固定式的，既可以是固定式的，也可以是行走式的也可以是行走式的臂部臂部n支承腕部和手部，并帶動它們支承腕部和手部，并帶動它們在空間運動在空間運動n在工作中直接承受腕、手和工在工作中直接承受腕、手和工件的靜、動載荷，自身運動又件的靜、動載荷，自身運動又較多，故受力復雜。較多，故受力復雜。一、機身和臂部
7、的作用一、機身和臂部的作用機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）二、機身的典型結構二、機身的典型結構n采用哪種自由度形式由機器人的總體設計來定采用哪種自由度形式由機器人的總體設計來定直角坐標型直角坐標型機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）控制簡單；控制簡單；剛性最大（龍門式）；剛性最大（龍門式）；容易達到高精度；容易達到高精度；操作范圍??；操作范圍?。徽嫉孛娣e大；占地面積大；運動速度低；運動速度低；密封性差；密封性差；二、機身的典型結構圓柱坐標型圓柱坐標型機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）工作范圍可以擴大；工作范圍可以擴大；計算簡單；計算簡單；動力輸出較大；動力輸出較大
8、；手臂可達空間受到限制；手臂可達空間受到限制；直線驅動部分難以密封；直線驅動部分難以密封；安全性差；安全性差；二、機身的典型結構球坐標式球坐標式機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）中心支架附近的工作范圍大；中心支架附近的工作范圍大；工作空間大；工作空間大；坐標系復雜，難以控制；坐標系復雜，難以控制；存在工作死區；存在工作死區；密封性較差；密封性較差；二、機身的典型結構平面多關節型平面多關節型機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）垂直方向上剛度高；垂直方向上剛度高；水平面內動作靈活；水平面內動作靈活；適于孔軸裝配工作；適于孔軸裝配工作；二、機身的典型結構垂直多關節型垂直多關節型機器
9、人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）動作靈活；動作靈活；工作空間大；工作空間大；易密封；易密封；工作條件要求低；工作條件要求低；適合用電機驅動；適合用電機驅動；計算量大；計算量大；輸出動力不大；輸出動力不大；機身的典型結構n回轉與升降機身回轉與升降機身n回轉與俯仰機身回轉與俯仰機身機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）齒條活塞油缸驅動的回轉型機身齒條活塞油缸驅動的回轉型機身升降回轉臺升降回轉臺升降缸體升降缸體活塞活塞活塞桿活塞桿固定導套固定導套齒輪套筒齒輪套筒齒條缸齒條缸固定立柱固定立柱齒條活塞油缸驅動的回轉型機身齒條活塞油缸驅動的回轉型機身1、活塞、活塞2、花鍵套、花鍵套3、花鍵軸
10、、花鍵軸4、升降油缸、升降油缸5、擺動油缸、擺動油缸6、擺動缸定片、擺動缸定片7、擺動缸動片、擺動缸動片鏈條鏈輪型回轉機身鏈條鏈輪型回轉機身回轉與俯仰機身回轉與俯仰機身采用尾部耳環或中部采用尾部耳環或中部銷軸與立柱連接銷軸與立柱連接鉸鏈連接鉸鏈連接三、臂部的典型機構n臂部伸縮機構臂部伸縮機構n臂部俯仰運動機構臂部俯仰運動機構n手臂回轉與升降機構手臂回轉與升降機構 手臂回轉與升降機構通常是通過臂部相對手臂回轉與升降機構通常是通過臂部相對于立柱的運動機構來實現。常采用回轉缸與升于立柱的運動機構來實現。常采用回轉缸與升降缸單獨驅動，適用于升降行程短而回轉角度降缸單獨驅動，適用于升降行程短而回轉角度小
11、于小于360的情況，也有采用升降缸與氣馬達的情況，也有采用升降缸與氣馬達錐齒輪傳動的結構。錐齒輪傳動的結構。機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）四、機身與臂部的配置形式四、機身與臂部的配置形式（1.）橫梁式）橫梁式機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機器人大都為機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機器人大都為移動式。移動式。（2.）立柱式）立柱式立柱式機器人多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動形式，立柱式機器人多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動形式，是一種常見的配置形式。是一種常見的配置形式。
12、（3.）機座式）機座式機身設計成機座式，這種機器人可以使獨立的、自成系統，機身設計成機座式，這種機器人可以使獨立的、自成系統，的完整裝置，可以隨意安放和搬動。的完整裝置，可以隨意安放和搬動。（4.）屈伸式）屈伸式屈伸式機器人的臂部可以有大小臂組成，大小臂間有相對屈伸式機器人的臂部可以有大小臂組成，大小臂間有相對運動，成為屈伸臂。運動，成為屈伸臂。五、機身和臂部設計應注意的問題五、機身和臂部設計應注意的問題n根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 采用封閉型空心截面的結構作為臂桿采用封閉型空心截面的結構作為臂桿 適當減小壁厚，加大輪廓尺寸適當減小壁厚，加
13、大輪廓尺寸n提高支承剛度和接觸剛度提高支承剛度和接觸剛度 支座的結構形狀、底板的連接形式支座的結構形狀、底板的連接形式 提高配合面間的接觸剛度，即保證配合表面的加工提高配合面間的接觸剛度，即保證配合表面的加工精度和表面粗糙度精度和表面粗糙度n合理布置作用力的位置和方向合理布置作用力的位置和方向剛度剛度機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）四、機身和臂部設計應注意的問題四、機身和臂部設計應注意的問題精度精度(手部位置精度手部位置精度)剛度剛度各運動部件的制造和裝配精度各運動部件的制造和裝配精度臂部和機身運動的導向裝置和定位方式臂部和機身運動的導向裝置和定位方式手部或腕部在臂上的定位和連接方
14、式手部或腕部在臂上的定位和連接方式四、機身和臂部設計應注意的問題四、機身和臂部設計應注意的問題平穩性平穩性臂部和機身的運動部件應力求緊湊、質量臂部和機身的運動部件應力求緊湊、質量 輕，以減少慣性力。輕，以減少慣性力。鋁合金或非金屬材料鋁合金或非金屬材料必須注意運動部件各部分的質量對轉軸或必須注意運動部件各部分的質量對轉軸或支承的分布情況，即重心的布置。支承的分布情況，即重心的布置。四、機身和臂部設計應注意的問題四、機身和臂部設計應注意的問題其他其他傳動系統應力求簡短，以提高傳動精度和效率。傳動系統應力求簡短，以提高傳動精度和效率。各驅動裝置、傳動件、管線系統及各個運動各驅動裝置、傳動件、管線系
15、統及各個運動的測、控元件等布置要合理緊湊，操作維護要的測、控元件等布置要合理緊湊，操作維護要方便。方便。對于在特殊條件下工作的機器人，設計時要對于在特殊條件下工作的機器人，設計時要有針對性地采取措施：有針對性地采取措施：防熱輻射、防腐、防塵、防熱輻射、防腐、防塵、防爆防爆腰部機構的設計注意事項腰部機構的設計注意事項n機械手的腰部包括機座和腰關節，機座承受機器人全機械手的腰部包括機座和腰關節，機座承受機器人全部重量，要有足夠的強度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼部重量，要有足夠的強度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼制造，制造，n機座要有一定的尺寸以保證操作機的穩定，并滿足驅機座要有一定的尺寸以保證操作機的穩定，
16、并滿足驅動裝置及電纜的安裝。動裝置及電纜的安裝。n腰關節是負載最大的運動軸，對末端執行器運動精度腰關節是負載最大的運動軸，對末端執行器運動精度影響最大，故設計精度要求高。影響最大，故設計精度要求高。腰部機構的設計注意事項腰部機構的設計注意事項n腰關節的軸可采用腰關節的軸可采用普通軸承普通軸承的支承結構，其優點是結構的支承結構，其優點是結構簡單、安裝調整方便，但腰簡單、安裝調整方便，但腰部高度較高。部高度較高。n現在大多數機器人的腰關節現在大多數機器人的腰關節均采用均采用大直徑交叉滾子軸承大直徑交叉滾子軸承支承支承的結構，既可使機座高的結構，既可使機座高度大大降低，又具有更好的度大大降低，又具有
17、更好的支承剛度。支承剛度。臂部機構的設計注意事項臂部機構的設計注意事項n臂部的作用是連結腰部和腕部，實現操作機在空間中臂部的作用是連結腰部和腕部，實現操作機在空間中的運動。的運動。n手臂的長度尺寸要滿足工作空間的要求，由于手臂的手臂的長度尺寸要滿足工作空間的要求，由于手臂的剛度、強度直接影響機器人的整體運動剛度，同時又剛度、強度直接影響機器人的整體運動剛度，同時又要靈活運動，故應盡可能選用高強度輕質材料，減輕要靈活運動，故應盡可能選用高強度輕質材料，減輕其重量。其重量。n在臂體設計中，也應盡量設計成封閉形和局部帶加強在臂體設計中，也應盡量設計成封閉形和局部帶加強肋的結構，以增加剛度和強度。肋的
18、結構，以增加剛度和強度。1大錐齒輪大錐齒輪2小錐齒輪小錐齒輪3大臂大臂4小臂電動機小臂電動機5驅動軸驅動軸6偏心套偏心套7小齒輪小齒輪8大齒輪大齒輪9偏心套偏心套10小臂小臂第三節第三節 驅動機構驅動機構n直線驅動機構直線驅動機構齒輪齒條裝置齒輪齒條裝置效率低效率低回差大回差大有噪聲有噪聲滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副滾動摩擦滾動摩擦,傳動效率高傳動效率高無低速爬行現象無低速爬行現象雙螺母預緊雙螺母預緊,消除回差消除回差液壓驅動液壓驅動運動速度運動速度驅動力驅動力運動方向運動方向進油方向進油方向進油壓力進油壓力進油流量進油流量容易自動控制容易自動控制精度高精度高(液體的不可壓縮性液體的不可壓縮性
19、)壽命長壽命長(液體的潤滑功能液體的潤滑功能)功率大功率大油滲漏油滲漏液壓油黏度隨溫度而變化液壓油黏度隨溫度而變化需要供油系統需要供油系統高溫易爆高溫易爆氣壓驅動氣壓驅動壓縮空氣粘度小，速度高壓縮空氣粘度小，速度高壓縮空氣的壓力低，出力小，功率小壓縮空氣的壓力低，出力小，功率小由于空氣可壓縮性，工作不平穩，精度低由于空氣可壓縮性，工作不平穩，精度低防水問題防水問題(生銹導致機器人失靈生銹導致機器人失靈)機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）第三節第三節 驅動機構驅動機構步進電機或伺服電機步進電機或伺服電機傳動機構傳動機構負載負載(關節關節)降低轉速降低轉速提高轉矩提高轉矩機器人的機械機構
20、（一）機器人的機械機構（一）第三節第三節 驅動機構驅動機構n旋轉驅動機構旋轉驅動機構齒輪鏈齒輪鏈降低了轉動慣量降低了轉動慣量,但同時帶來了噪聲但同時帶來了噪聲第三節第三節 驅動機構驅動機構同步皮帶同步皮帶(齒形帶齒形帶)2,3（聚氨酯）（聚氨酯）1（鋼絲繩或玻璃纖維繩）（鋼絲繩或玻璃纖維繩）結構簡單結構簡單,制造成本低制造成本低傳動不打滑傳動不打滑傳動效率高傳動效率高(99.5%)最高線速度最高線速度(80/s)第三節第三節 驅動機構驅動機構同時有多個齒嚙合同時有多個齒嚙合,剛度高剛度高傳動精度高傳動精度高,回差小回差小齒輪減速比較大齒輪減速比較大諧波齒輪諧波齒輪第三節 驅動機構n直線驅動和旋
21、轉驅動的選用和制動直線驅動和旋轉驅動的選用和制動 多選用旋轉關節，由步進電機或伺服電機驅動多選用旋轉關節，由步進電機或伺服電機驅動各關節處要安裝制動器各關節處要安裝制動器在機器人停止工作時，保持機械臂的位置不變；在在機器人停止工作時，保持機械臂的位置不變；在電源發生故障時，保護機械臂和它周圍的物體不發電源發生故障時，保護機械臂和它周圍的物體不發生碰撞。生碰撞。機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）第五節第五節 腕部機構腕部機構n腕部是臂部與手部的連接部件，起支承腕部是臂部與手部的連接部件，起支承手部和改變手部手部和改變手部姿態姿態的作用為了使手的作用為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部
22、能實部能處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標軸現對空間三個坐標軸x、y、z的轉動，的轉動，即具有偏轉（即具有偏轉（Yaw）、俯仰（）、俯仰（Pitch）和回轉（和回轉（Roll）三個自由度。）三個自由度。機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）第五節第五節 腕部結構腕部結構n手腕按自由度個數可分單自由度手腕，二自由度手腕手腕按自由度個數可分單自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕采用幾個自由度的手腕應根據機器和三自由度手腕采用幾個自由度的手腕應根據機器人的工作性能來確定。在有些情況下，腕部具有二個人的工作性能來確定。在有些情況下，腕部具有二個自由度：回轉和俯仰或回轉和偏轉。一些專用機械手自由度：回轉和俯仰或回轉和偏轉。一些專用機械手甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動的自由度。動的自由度。n結構要緊湊，質量較小，各運動軸采用分離傳動。結構要緊湊，質量較小，各運動軸采用分離傳動。腕部的典型結構腕部的典型結構單自由度回轉手腕單自由度回轉手腕回轉缸回轉缸手部手部定片定片腕回轉軸腕回轉軸動片動片機器人的機械機構（一）機器人的機械機構（一）兩兩自自由由度度手手腕腕三三自自由由度度手手腕腕Kawasaki Robot
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