机器人技术基础及应用 课件 第2章 工业机器人机械系统设计

机器人技术基础及应用Fundamentalsandapplicationsofrobotics第二章:工业机器人机械系统设计22.1总体设计2.2传动部件设计2.3臂部设计2.4腕部设计2.5手部设计2.6机身设计2.7行走机构设计目录3主体结构选择传动方式选择模块化结构设计平衡系统设计结构材料选择2.1总体设计4选择工业机器人的坐标形式直角坐标式圆柱坐标式球坐标式（极坐标式）关节坐标式2.1总体设计2.1.1主体结构设计5直角坐标式优点：结构简单；速度与定位精度高；无运动耦合，对控制系统设计与编程相对容易。6直角坐标式缺点：导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很好；导轨的支撑结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围；结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大；移动部件的惯量较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗；为了减小摩擦需要滚动导轨，价格高。7圆柱坐标式优点：结构紧凑；位置精度仅次于直角坐标型；控制简单；当机器人开始腰转时可将手臂缩进去，减小了转动惯量，改善了动力学特性；除了简单的“抓-放”作业外还可用于其他生产领域，与直角坐标式机器人相比增加了通用性。缺点：手部不能抵达底部，减小了机器人的工作范围。8球坐标式（极坐标式）优点：结构紧凑，占地面积较小；工作范围大；能与其他机器人协调工作；重量较轻。缺点：设计和控制系统比较复杂。9关节坐标式优点：结构紧凑，占地面积较小；工作范围大；具有很高的可达性；所需关节驱动力矩小，能量消耗少。缺点：当大、小臂伸展成一条直线时虽能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度低；手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。10选择驱动源与传动装置同关节部件的连接形式与驱动方式。工业机器人的传动方式直接连接传动，分为直接驱动和间接驱动；远距离连接传动，也分为直接驱动和间接驱动。2.1总体设计2.1.2传动方式选择11直接连接传动：优点：结构紧凑；缺点：转动惯量与能量消耗大。远距离连接传动：优点：转动惯量小；可以把电机作为一个平衡质量，获得平衡性良好的机器人主体结构；缺点：结构庞大，传动装置占据了机器人其他子系统所需要的空间；产生额外的间隙和柔性，影响机器人的精度；能量消耗大。12间接驱动：驱动电机和关节之间有一个速比远大于1的机械传动装置。优点：可选用高速低转距电机，有利于制动器的设计与选用，且制动器尺寸小；可解决倾斜轴之间、平行轴之间以及转动-移动之间的运动转换；价格低。缺点：结构庞大；结构刚性差。13直接驱动：驱动源不经过中间环节或经过速比等于1

的机械传动这样的中间环节与关节相连。优点：结构紧凑；机械传动精度高；结构刚度好，振动小；机械传动损耗小；电气时间常数小，短时间内可产生很大转矩，响应速度快，调速范围宽。14直接驱动：缺点：电动机直接安装在关节上，增加了臂的重量，并且对下一个关节产生干扰，使机器人的负载能力和效率下降；载荷变化、耦合转距及非线性转距对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难、复杂；对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求，传感器精度为带减速装置（速比为i）间接驱动的i倍以上；电动机的转距/重量比、转距/体积比小，需要开发小型实用的DD电动机；DD电动机的成本高。15模块化机器人是由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方式来构成一个工业机器人系统；模块化设计是指基本模块设计结合部设计。优点：经济性好；灵活性好。缺点：因为模块之间的结合是可方便拆卸的，所以整个机械系统的刚性相对差些；因为有许多机械接口及连接附件，所以机器人的整体重量会增加。2.1总体设计2.1.3模块化结构设计16平衡系统的作用：保证安全；可降低因机器人构形变化而导致重力距引起关节驱动力矩变化的峰值；可降低因机器人运动而导致惯性力距引起关节驱动力矩变化的峰值；可减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人的动力学特性；可减小机械臂结构柔性所引起的不良影响；可使机器人运行平稳，降低地面安装要求。2.1总体设计2.1.4平衡系统设计17结构材料选择的基本要求：强度高；弹性模量大；重量轻；阻尼大；材料价格低。2.1总体设计2.1.5结构材料选择18常用结构材料：碳素结构钢、合金结构钢：强度好，弹性模量大；铝、铝合金及其他轻合金材料：E/

值可与钢相比；纤维增强钢：

E/

值非常高，但价格昂贵；陶瓷：具有良好的品质，但脆性大，不易加工成具有长孔的连杆；纤维增强复合材料：重量轻，刚度大，E/ρ值极好，阻尼大，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属间连接困难等问题；粘弹性大阻尼材料。19移动关节传动机构传动件的定位与消隙2.2传动部件设计20移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨组成。导轨分为：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。对机器人导轨的要求：间隙小或能消除间隙；在垂直于运动方向上要求刚度高；摩擦系数小且不随速度变化；高阻尼、小尺寸和小惯量。2.2传动部件设计2.2.1移动关节21齿轮传动丝杠传动齿轮齿条传动连杆传动凸轮传动链传动皮带传动钢带传动钢绳传动2.2传动部件设计2.2.2传动机构22齿轮传动行星齿轮传动：行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑；载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。行星齿轮传动结构简图23齿轮传动谐波齿轮传动：谐波齿轮传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星齿轮传动，但它在机器人上获得了更加广泛的应用。

刚轮不动，谐波发生器为输入，柔轮轴为输出：

柔轮不动，谐波发生器为输入，刚轮轴为输出：

谐波齿轮传动1-刚轮；2-刚轮内齿圈；3-输入轴；4-谐波发生器；5-输出轴；6-柔轮；7-柔轮齿圈24齿轮传动谐波齿轮传动优点：尺寸小，惯量低；误差均布在多个啮合点上，传动精度高；加预载啮合，传动侧隙非常小；多齿啮合，传动具有高阻尼特性。

缺点：以输入轴速度2、4、6倍的啮合频率产生振动；柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和较轻的重量，但刚度比行星减速器差。

25齿轮传动RV齿轮传动：它是在传统摆线针轮、行齿轮传动装置的基础上发展出来的一种新型传动装置。RV减速器的基本结构1-行星齿轮；2-芯轴；3-端盖；4-卡簧；5-圆锥滚珠轴承；6-滚针7-曲轴；8-RV齿轮；9-针齿销；10-针轮；11-密封圈；12-输出法兰26齿轮传动RV齿轮传动优点：传动比范围大，传动效率高；扭转刚度大，弹性回差小；精度高和间隙回差小；传动平稳、体积小、抗冲击力强等；缺点：承载能力受限制；生产制造成本也相对较高，维护修理较困难；27丝杠传动丝杠螺母传动

滚珠丝杠在工业机器人上的应用比滚柱丝杠多，因为后者结构尺寸大(径向和轴向)，传动效率低。滚珠丝杠的基本组成1—丝杠；2—导向槽；3—滚珠；4—螺母28丝杠传动丝杠螺母传动优点：丝杠螺母机构是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并且能自锁；因丝杠的螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩可获得较大的牵引力。

缺点：丝杠螺母螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动效率低。

丝杠螺母传动的手臂升降机构1-电动机；2-蜗杆；3-臂架；4-丝杠；5-蜗轮；6-箱体；7-花键套29齿轮齿条传动气缸和齿轮齿条增倍手臂机构1-运动齿条；2-齿轮；3-活塞杆30连杆传动连杆机构特点：用简单的机构实现较大的位移。31凸轮传动特点：可靠性高，形式多样。外凸轮机构：借助于弹簧可得到较好的高速性能；内凸轮机构：驱动时要求有一定的间隙，其高速性能劣于前者；圆柱凸轮机构：用于驱动摆杆，而摆杆在与凸轮回转方向平行的面内摆动。凸轮机构32链传动优点：噪声小，效率高，具有较高的荷载/重量比。缺点：高速运动时滚子与链轮之间的碰撞会产生较大的噪声和振动，只有在低速时才能得到满意的效果，即链传动适合于低惯性负载的关节传动。链轮齿数少，摩擦力会增加，要得到平稳运动，链轮的齿数应大于17，并尽量采用奇数齿。

33皮带传动同步带形状机器人中大多用同步带；特点：与链轮传动相比，重量轻，传动均匀平稳；传动时无滑动，初始张力小，从动轴的轴承不易过载；因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。同步带传动属于低惯性传动，适合于在电动机和大速比减速器之间使用。34

臂部的自由度臂部设计的基本要求臂部的常用结构臂部运动的驱动力计算2.3臂部设计35臂部设计的基本要求承载能力足：不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的动载荷。刚度要高：为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面形状。工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。导向性好：为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。臂部的自由度工业机器人的臂部一般具有2~3个自由度，即伸缩、回转或俯仰。2.3臂部设计2.3.1臂部的自由度2.3.2臂部设计的基本要求36

运动平稳、定位精度高：臂部运动速度越高，导致惯性力引起的冲击越大，运动越不平稳，定位精度低。因此要采用一定形式的缓冲措施。重量要轻、结构要紧凑：减少臂部运动部分的重量以提高机器人的运动速度，并使结构紧凑，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。合理设计与腕和机身的连接部位：臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。2.3臂部设计2.3.2臂部设计的基本要求37

臂部直线运动机构：行程小时，可采用油（气）缸直接驱动；行程较大时，可采用油（气）缸驱动齿条传动的倍增机构或步进电动机、伺服电动机驱动，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动。四导向柱式臂部伸缩机构1-手部；2-夹紧缸；3-油缸；4-导向柱；5-运行架；6-行走车轮；7-轨道；8-支座行程长，抓重大；工件形状不规则时，四根导向柱可防止产生较大的偏重力矩。多用于箱体加工线上。2.3臂部设计2.3.3臂部的常用结构38

手臂回转运动机构：回转缸、活塞缸、齿轮传动机构、铰链连杆机构、链轮传动机构。摆动油缸驱动连杆俯仰臂机构1-手部；2-夹紧缸；3-升降缸；4-小臂；5、7-摆动油缸；6-大臂；8-立柱双臂机器人的手臂结构1-铰接活塞油缸；2-连秆〔即活塞秆)；3-手臂(即曲柄)；4-支承架；5、6-定位螺钉39臂部水平伸缩运动驱动力的计算臂部回转运动驱动力矩的计算2.3臂部设计2.3.4臂部运动的驱动力计算40腕部设计的基本要求腕部的自由度腕部的分类腕部的典型结构2.4腕部设计41结构紧凑，重量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；强度、刚度高；合理设计与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。2.4腕部设计2.4.1腕部设计的基本要求42手腕的坐标系和自由度手腕关节的滚转和弯转2.4腕部设计2.4.2腕部的自由度43按自由度个数分单自由度手腕二自由度手腕三自由度手腕按驱动方式分直接驱动手腕远距离驱动手腕2.4腕部设计2.4.3腕部的分类44单自由度手腕单自由度手腕45二自由度手腕二自由度手腕46三自由度手腕三自由度手腕47直接驱动手腕驱动器安装在手腕运动关节的附近，直接驱动关节运动，因而传动路线短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯量大。液压直接驱动BBR手腕48远距离驱动手腕驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机器人的整体动态性能有好处，但传动刚度低，传动设计复杂。远距离传动RBR手腕49手腕具有结构紧凑，体积小，运动灵活，响应快，精度高等特点，但回转角度受限制，一般小于270

。回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构1-回转油缸；2-定片；3-回转轴；4-动片；5-手腕2.4腕部设计2.4.4腕部的典型结构50结构紧凑、轻巧，传动扭矩大，可提高机器人的工作性能；但手腕有一个诱导运动，设计时要注意采取补偿措施，消除诱导运动的影响。

齿轮传动回转和俯仰型腕部原理51齿轮链轮传动三自由度手腕原理图1-油缸；2-链轮；3、4-锥齿轮；5、6-花键轴T；7-传动轴S；8-腕架；9-行星架；

10、11、22、24-圆柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20-锥齿轮；19-摆动轴；

21、23-双联圆柱齿轮；25-传动轴B52手部的特点手部的分类手爪设计的基本要求手爪的典型结构2.5手部设计53手部与腕部相连处可拆卸。手部与腕部有机械接口，也有电、气、液接头，作业对象不同时，可方便地拆卸和更换手部。手部是机器人末端执行器。它可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。手部的通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂，那么机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部(末端执行器)。2.5手部设计2.5.1手部的特点54按用途分按夹持原理分按手指或关节数目分按智能性分2.5手部设计2.5.2手部的分类55按用途分手爪：具有一定的通用性，用于抓住、握持、释放工件；

工具：进行某种作业的专用工具，如喷漆枪、焊具等。专用工具(喷漆枪、焊具)56按夹持原理分手爪按夹持原理分类机械手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。磁力类手爪及真空类手爪是无指手爪。57按手指或关节数目分

按手指数目二指手爪多指手爪按手指关节数目单关节手指手爪多关节手指手爪多关节柔性手指手爪三指手爪每个关节是独立驱动的。与二指手爪相比，可抓取类似立方体、圆柱体及球体等不同形状的物体。每个关节不是独立驱动的；对物体形状有一种适应性。

58按智能性分

普通手爪：没有传感器；智能化手爪：有一个或多个传感器，如力传感器、触觉传感器、滑觉传感器等。59被抓握的对象物几何参数工件尺寸可能给予抓握表面的数目可能给予抓握表面的位置和方向夹持表面之间的距离夹持表面的几何形状机械特性质量材料固有稳定性表面质量和品质表面状态工件温度2.5手部设计2.5.3手爪设计的基本要求60物料馈送器或储存装置：对手爪最小爪钳和最大爪钳之间的距离以及夹紧力都有要求。机器人作业顺序手爪和机器人匹配：机器人所能抓取的工件重量是机器人承载能力减去手爪重量，手爪重量要与机器人承载能力匹配。

环境条件：作业区域内的环境状况很重要，如高温、水、油等不同环境会影响手爪的工作。61机械式手爪磁力吸盘真空式吸盘2.5手部设计2.5.4手爪的典型结构62机械式手爪驱动：气动、液动、电动和电磁驱动。气动手爪结构简单，成本低，容易维修，且开合迅速，重量轻，故目前得到了广泛应用；其缺点是空气介质的可压缩性使爪钳位置控制较复杂。液压驱动手爪成本稍高一些。电动手爪手指开合电动机的控制与机器人控制可以共用一个系统，但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小，开合时间比它们长。电磁驱动手爪控制信号简单，但是电磁夹紧力与爪钳行程有关，故只用在开合距离小的场合。

气动手爪63机械式手爪传动：驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力，对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。四种手爪传动机构64机械式手爪V形爪钳

爪钳：是与工件直接接触的部分，其形状和材料对夹紧力有很大影响。夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，对夹持工件来说就越安全。65磁力吸盘分为电磁吸盘和永磁吸盘两种。电磁吸盘结构磁力吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件(如钢铁件)；磁力吸盘的缺点是被吸取工件有剩磁，吸盘上常会吸附一些铁屑，致使不能可靠地吸住工件，而且只适用于工件要求不高或有剩磁也无妨的场合。对于不允许有剩磁的工件(如钟表零件及仪表零件)，不能选用磁力吸盘；钢、铁等磁性物质在温度为723℃以上时磁性就会消失，故高温条件下不宜使用磁力吸盘。磁力吸盘要求工件表面清洁、平整、干燥，以保证可靠地吸附。66真空式吸盘真空泵负压吸盘气流负压吸盘挤气负压吸盘自适应吸盘异形吸盘67真空泵负压吸盘真空泵负压吸盘采用真空泵抽吸空气，能保证吸盘内持续产生负压，所以这种吸盘比其他形式吸盘的吸力大。68气流负压吸盘

气流负压吸盘工厂一般都有空压机站或空压机，比较容易获得空压机气源，不需专为机器人配置真空泵，所以气流负压吸盘在工厂内使用方便。69挤气负压吸盘

挤气负压吸盘挤气负压吸盘的工作原理挤气负压吸盘不需真空泵系统，也不需压缩空气气源，经济方便；但可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差。70自适应吸盘

自适应吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化。71异形吸盘

异形吸盘可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等物件。72机身的自由度机身设计的基本要求机身的典型结构机身驱动力(力矩)计算2.6机身设计73要有足够的刚度和稳定性；运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，避免发生卡死现象，一般要有导向装置；结构布置要合理。工业机器人的机身通常具有1~3个自由度，即升降、回转或俯仰。2.6机身设计2.6.1机身的自由度2.6.2机身设计的基本要求74机身通常具有回转、升降、回转与升降、回转与俯仰、回转与升降以及俯仰共5种运动方式，采用哪一种方式由工业机器人的总体设计来定。圆柱坐标式机器人将回转与升降2个自由度归属于机身；球坐标式机器人将回转与俯仰2个自由度归属于机身；关节坐标式机器人将回转自由度归属于机身；直角坐标式机器人将升降（Z轴）或水平移动（X轴）一个自由度归属于机身。2.6机身设计2.6.3机身的典型结构75回转与升降机身

回转与升降机身76回转与俯仰机身

回转与俯仰机身77垂直升降运动驱动力的计算回转运动驱动力矩的计算升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算2.6机身设计2.6.4机身驱动力（力矩）计算78垂直升降运动驱动力的计算Fm：各支承处的摩擦力（N）；Fg：启动时的总惯性力（N）；W：运动部件的总重力（N），上升时为正，下降时为负。79回转运动驱动力矩的计算Mm：总摩擦阻力矩（N·m）；Mg：各回转运动部件的总惯性力矩（N·m）。

：升速或制动过程中的角速度增量（rad/s）；

t：回转运动升速过程或制动过程的时间（s）；J0：全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量（kg·m2）。80升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算机器人手臂的偏重力矩81固定轨迹式无固定轨迹式轮式履带式步行式（足式）其他方式2.7行走机构设计82机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动；有时也采用类似起重机梁行走方式。主要用于作业区域较大的场合，如大型