工业机器人腕部结构设计

1、工业机器人腕部结构设计 -驱动部分 目录目录一、工业机器人补充资料一、工业机器人补充资料二、工业机器人驱动机构二、工业机器人驱动机构三、工业机器人传动机构三、工业机器人传动机构一一 、工业机器人补充资料、工业机器人补充资料 1、自由度 2、精度：工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度，如下图示（a）重复定位精度的测量（b）合理定位精度，良好重复定位精度（c）良好定位精度，很差重复定位精度（d）很差定位精度，良好重复定位精

2、度 3、速度 机器人运动速度是其主要参数之一，它反映了机器人的作业水平运动速度的快慢与它的驱动方式、定位方式、抓取质量大小和行程距离有关，作业机器人手部的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性和定位精度等要求来决定。 目前，工业机器人的最大直线运行速度大部分为1000mm/s左右。最大回转速度为120度/秒左右。 作为机器人规格参数的速度是指平均速度，实际使用速度可在一定范围内调节。 4、承载能力 承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运动的速度和加速度大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一指标是指高速运行时的承载能力。

3、通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量。工业机器人的额定负载是指在规定范围内手腕机械接口处所能承受的最大负载允许值。二、工业机器人驱动方法二、工业机器人驱动方法液压驱动液压驱动气压驱动气压驱动直流电机驱动直流电机驱动交流电机驱动交流电机驱动步进电机驱动步进电机驱动超声波电机驱动超声波电机驱动 液压驱动液压驱动 把油压泵产生的工作油的压力能转变成机械能的装置称为液压执行器。在驱功液压执行器时，作为外围设备，包括： (1)形成液压的液压泵； (2)供给工作油的导管； (3)控制工作油流动的液压控制阀； (4)控制控制阀的控制回路， 根据液压执行器输出量的形式的不同，大致可以把它

4、们区分为作直线运动的油压缸和作旋转运动的油压马达。 液压驱动系统 功率重量比高，低速时出力大（无论直线驱动还是旋转驱动）, 适合微处理器及电子控制，可用于极端恶劣的外部环境。 由于液压系统中存在不可避免的泄漏、噪声和低速不稳定等问题，以及功率单元非常笨重和昂贵，目前已不多使用它们。 现在大部分机器人是电动的，当然仍有许多工业机器人带有液压驱动器。此外，对于一些需要巨大型机器人和民用服务机器人的特殊应用场合，液压驱动器仍可能是合适的选择。 气压驱动气压驱动 气压驱动器在原理上与液压驱动器相同； 由于气动装置的工作压强低，和液压系统相比，功率重量比低得多； 由于空气的可压缩性，在负载作用下会压缩和

5、变形，控制气缸的精确位置很难。因此气动装置通常仅用于插入操作或1/2自由度关节上； 结构简单，安全可靠，价格便宜；液压驱动与气压驱动之对比液压驱动与气压驱动之对比液压驱动液压驱动 适于搬运较重的物体 不适于高速移动 适于确定高精度位置气压驱动气压驱动 适于搬运较轻的物体 适于高速移动 不适于确定高精度位置直流电机驱动直流电机驱动1. 1. 直流电机工作原理直流电机工作原理直流电动机直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。t=bilr换向器换向器电刷电刷2. 2. 矩频特性曲线：矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲电流控制曲线和电压控制曲线。线。

6、3. 3. 直流电机的控制方式直流电机的控制方式 改变电压或电流控制转速和转距。其中，其中，k ke e为电为电动势常数，动势常数， k kt t为转矩常数。为转矩常数。脉冲宽度调制脉冲宽度调制pwmpwm是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。 优点：优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。4. 4. 直流电机的特点直流电机的特点 缺点：缺点：换相器需经常维护，电刷极易

7、磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。交流电机驱动交流电机驱动1. 工作原理工作原理2.2.矩频特性曲线矩频特性曲线 同步电机：同步电机：定子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。异步电机：异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和定子间存在速度差（不是角度差）。 同步电机的特点：同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。 伺服电机的精度由编码器的精度决定。3.3.交流电机的特点交流电机的特点 4.4.交流电机的控制方式交流电机的控制方式 改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。 特点：特点：无电刷和换向器，无产生火

8、花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。 异步电机的特点：异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。步进电机驱动步进电机驱动 步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。缺点：由于开环控制，所以精度不高。 永磁式pm（permanent magnet）；反应式（也称可变磁阻式）vr（variable reluctance），在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式 hb（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。 是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱

9、动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。1.工作原理 pmpm式步进电机式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o90o。 vrvr式步进电机式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o15o。 hbhb式步进电机式步进电机是pm式和vr式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加

10、工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与pm式相同，转子和定子的形状与vr式相似，步距角一般为0.9o15o。2. 2. 运行矩频特性运行矩频特性3. 3. 步进电机驱动的特点步进电机驱动的特点 控制系统简单可靠，成本低；控制精度受步距角限制，高负载或高速度时易失步，低速运行时会产生步进运行现象。 起动曲线起动曲线运行曲线运行曲线在这个输出转矩在这个输出转矩区间，步进电机区间，步进电机启动时的输入脉启动时的输入脉冲频率必须缓慢冲频率必须缓慢增加增加实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对

11、有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；发热和噪音明显降低。 伺服电机与步进电机比较伺服电机与步进电机比较伺服电机的优势：伺服电机的优势：直接驱动电机直接驱动电机优点：优点：不用齿轮减速器直接驱动，因此具有无间隙、摩擦小、机械刚度高等优点，可以实现高速、高精度的位置控制和微小力控制。缺点：缺点：因为没有减速机构，所以容易受载荷的影响。种类：种类：直流力矩电机、无刷直流电机、vr式电机等。机器人对关节驱动电机的要求机器人对关节驱动电机的要求 1、快速性，电

12、动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。 2、调速范围宽，能使用于1：100010000的调速范围。 3、体积小、质量小、轴向尺寸短。 4、控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。 5、能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。 6、起动转矩惯量比大，在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。 驱动方式的

13、选择驱动方式的选择 机器人驱动器要求启动力矩大、调速范围宽、惯量小 选择驱动方式：负荷为2000n以下采用电动驱动方式 小功率点位控制采用气动驱动方式 大功率大力矩采用液压驱动方式选择驱动器容量：额定速度时的额定功率 关节加减速时加速功率 最不利形位时的负载力矩三、三、机器人的传动机构机器人的传动机构 1）常用传动机构类型和特点(1) 齿轮类传动：主要有齿轮、蜗轮蜗杆、齿轮齿条 优点：响应快、扭矩大、刚性好缺点：传动有间隙、故回差大，精度低 应用：腰、腕关节(2) 链索类传动：主要有链条、齿形带、钢带优点：无间隙、刚度与张紧装置有关，力矩较大缺点：速比小，齿形带和钢带适用于小负载应用：腕关节2) 滚珠丝杠螺母副 使丝杠与螺母之间由滑动摩擦度为滚动摩擦的一种螺旋转动在数控机床和机器人中应用较为广泛。(1)结构组成： 滚珠丝杠螺母副可分为内循环和外循环两种。为消除回差，螺母分成两段，采用双螺母预紧消除间隙的方式，以垫片、锁紧螺母、齿差调整两段螺母的相对位置。(2