第八章 机器人机械系统设计.ppt

第六章 机器人机械系统设计 工业机器人总体设计 一、主体结构设计 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛使用的工业机器人坐标形式有2直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式(极坐标式)、关节坐标式。 1.直角坐标式机器人 直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器人总数的14%左右。一般直角坐标式机器人的手臂能垂直主下移动(Z方向运动),并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动(X和y方向运动)。直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度,而手腕自由度的多少可视用途而定。 2.圆柱坐标式机器人 圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕通常采用两个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，如图所示，则使机器人自由度总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有部分重复。此类工业机器人大约占工业机器人总数的47%左右。 3.球面坐标式机器人 球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人，它具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约占工业机器人总数的13%。在这类机器人中最出名的一种产品是美国Unimadon公司的Unmation2000型和4000型机器人，它的结构简图如图所示。机器人主题结构有三个自由度，绕垂直轴线(柱身)和水平轴线(关节6)的转动，手臂伸缩行程决定了球面半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手腕上的末端操作器才能维持应有的姿态。 4.关节坐标式机器人 关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节(俯仰,偏转和翻转)用来最后确定末端操作器的姿态，它是一种广泛使用的拟人化的机器人，大约占工业机器人总数的25%左右。 关节坐标式机器人的优点： (1)结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。 (2)具有很高的可达性。关节坐标式机器人可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标式机器人不能进行此类作业。 (3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。 (4)所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。 关节坐标式机器人的缺点： (1)肘关节和肩关节轴线是平行的，当大小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点,但是机器人结构刚度比较低。 (2)机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。 三、模块化结构设计 模块化工业机器人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术拼搭的方式组成一个工业机器人系统。模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。机械委北京机电研究所和日本科希公司协作开发成功的模块化机械手是一种教学、科研、生产等多用途的机械手。每一个自由度轴为一单独模块，由独立的1单片机控制。结构简单，组合方便,用户可按自己的用途进行组装，最多可达16根轴的运动系统。每个自由度轴模块的机械移动行程有从200mm起的一系列规格，位置由光码盘检测，每转200个脉冲，丝杠导程是2.0mm，脉冲当量为0.01mm，位置的重复精度是士0.1mm。在传i动轴的两端各加有光电限位开关和机械限位开关的双重保险。 传动部件设计 ，传动部件是构成工业机器人的重要部件。 用户要求机器人速度高、加速度(减速度)特性好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。本节将介绍工业机器人传动部件的结构和设计特点，以帮助设计者合理选用。 一、移动关节导轨及转动关节轴承: (一)移动关节导轨 l. 移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，对机器人移动导轨有如下几点要求： (1)间隙小或能消除间隙； (2)在垂直于运动方向上的刚度高； (3)摩擦系数低并不随速度变化； (4)移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。 移动关节导轨有五种：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。前两种具有结构简单、成本低的优点，但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有