2.1機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的步驟1、作業(yè)分析

作業(yè)分析包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務(wù)和環(huán)境對(duì)機(jī)器人操作及的方案設(shè)計(jì)有著決定性的影響。2、方案設(shè)計(jì)

（1）確定動(dòng)力源（2）確定機(jī)型（3）確定自由度（4）確定動(dòng)力容量和傳動(dòng)方式

（5）優(yōu)化運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)（6）確定平衡方式和平衡質(zhì)量

（7）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，走線及電器接口設(shè)計(jì)等。4、動(dòng)特性分析

估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，確定其結(jié)構(gòu)固有頻率和響應(yīng)特性。5、施工設(shè)計(jì)

完成施工圖設(shè)計(jì)，編制相關(guān)技術(shù)文件。22.2工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器通過聯(lián)軸器帶動(dòng)傳動(dòng)裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人一般有兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)——轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移(直)動(dòng)關(guān)節(jié)。為了進(jìn)行位置和速度控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測(cè)元件。檢測(cè)元件類型很多，但都要求有合適的精度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對(duì)于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動(dòng)的桿件相聯(lián)。2.2.1驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成31—碼盤；2—測(cè)速機(jī)；3—電機(jī)；4—聯(lián)軸器；5—傳動(dòng)裝置；6—轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；7—桿8—電機(jī)；

9—聯(lián)軸器；10—螺旋副；11—移動(dòng)關(guān)節(jié)；12—電位器

(或光柵尺)

41．電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。2.2.2驅(qū)動(dòng)器的類型和特點(diǎn)562.液壓驅(qū)動(dòng)器

液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。

73．氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。

8

3．其它驅(qū)動(dòng)器

作為特殊的驅(qū)動(dòng)裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、9

驅(qū)動(dòng)器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為100kg以下的,可優(yōu)先考慮電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場(chǎng)合，可采用液壓驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來說，最重要的是要求起動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。10機(jī)器人幾乎乎使用了目目前出現(xiàn)的的絕大多數(shù)數(shù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)，其中最最常用的為為諧波傳動(dòng)動(dòng)、RV擺線線針針輪輪行行星星傳傳動(dòng)動(dòng)和和滾滾動(dòng)動(dòng)螺螺旋旋傳傳動(dòng)動(dòng)。。機(jī)器器人人的的常常用用傳傳動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)機(jī)器器人人傳傳動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)構(gòu)的的基基本本要要求求：(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)緊緊湊湊，，即即同同比比體體積積最最小小、、重重量量最最輕輕；；(2)傳動(dòng)動(dòng)剛剛度度大大，，即即承承受受扭扭矩矩時(shí)時(shí)角角度度變變形形要要小小，，以以提高高整整機(jī)機(jī)的的固有有頻頻率率，，降低低整整機(jī)機(jī)的的低低頻頻振振動(dòng)動(dòng)；；(3)回差小，即由由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)空行程要要小，以得到到較高的位置控制精度；；(4)壽命長(zhǎng)、價(jià)格格低。111213諧波傳動(dòng)工作作原理諧波傳動(dòng)是利利用一個(gè)構(gòu)件件的可控制的的彈性變形來來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)運(yùn)動(dòng)的傳遞。。諧波傳動(dòng)通通常由三個(gè)基基本構(gòu)件(俗稱三大件)組成，包括一一個(gè)有內(nèi)齒的的剛輪，一個(gè)個(gè)工作時(shí)可產(chǎn)產(chǎn)生徑向彈性性變形并帶有有外齒的柔輪輪和一個(gè)裝在在柔輪內(nèi)部、、呈橢圓形、、外圈帶有滾滾動(dòng)軸承的波波發(fā)生器。柔柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)內(nèi)齒數(shù)。在波發(fā)生器器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相相應(yīng)于長(zhǎng)軸方方向的柔輪外外齒正好完全全嚙入剛輪的的內(nèi)齒；在短短軸方向，則則外齒全脫開開內(nèi)齒。當(dāng)剛剛輪固定，波波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，柔輪的的外齒將依次次嚙入和嚙出出剛輪的內(nèi)齒齒，柔輪齒圈圈上的任一點(diǎn)點(diǎn)的徑向位移移將呈近似于于余弦波形的的變化，所以以這種傳動(dòng)稱稱作諧波傳動(dòng)動(dòng)。14

15二、諧波傳動(dòng)動(dòng)的主要特點(diǎn)點(diǎn)(1)傳動(dòng)比大，單單級(jí)為50—300，雙級(jí)可達(dá)2x106。(2)傳動(dòng)平穩(wěn)，承承載能力高，，傳遞單位扭扭矩的體積和和重量小。在相同的工作作條件下，體體積可減小20一50％。(3)齒面磨損小而而均勻，傳動(dòng)動(dòng)效率高。當(dāng)當(dāng)結(jié)構(gòu)合理，，潤(rùn)滑良好時(shí)時(shí)，對(duì)i=100的傳動(dòng)，效率率可達(dá)0.85。(4)傳動(dòng)精度高。。在制造精度度相同的情況況下，諧波傳傳動(dòng)的精度可可比普通齒輪輪傳動(dòng)高一級(jí)級(jí)。若齒面經(jīng)經(jīng)過很好的研研磨，則諧波波齒輪傳動(dòng)的的傳動(dòng)精度要要比普通齒輪輪傳動(dòng)高4倍。(5)回差小。精密密諧波傳動(dòng)的的回差一般可可小于3’，甚至可以實(shí)實(shí)現(xiàn)無回差傳傳動(dòng)。(6)可以通過密封封壁傳遞運(yùn)動(dòng)動(dòng)。這是其他他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難難實(shí)現(xiàn)的。(7)諧波傳動(dòng)不能能獲得中間輸輸出，并且杯杯式柔輪剛度度較低。16RV擺線針輪傳動(dòng)動(dòng)RV擺線針輪傳動(dòng)動(dòng)裝置，是由由一級(jí)行星輪輪系再串聯(lián)一一級(jí)擺線針輪輪減速器組合合而成的。二、主要特點(diǎn)點(diǎn)與諧波傳動(dòng)相相比，RV擺線針輪傳動(dòng)動(dòng)除了具有相相同的速比大大、同軸線傳傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊緊湊、效率高高等待點(diǎn)外，，最顯著的特特點(diǎn)是剛性好好，傳動(dòng)剛度度較諧波傳動(dòng)動(dòng)要大2—6倍，但重量卻卻增加了1—3倍。該減速器特別別適用于操作作機(jī)上的第一一級(jí)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，這時(shí)自重是是坐落在底座座上的，充分發(fā)揮了高剛度度作用，可以以大大提高整整機(jī)的固有頻頻率，降低振振動(dòng)；在頻繁繁加、減速的的運(yùn)動(dòng)過程中中可以提高響響應(yīng)速度并降降低能量消耗耗。1718滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)動(dòng)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)動(dòng)是在具有螺螺旋槽的絲杠杠與螺母之間間放入適當(dāng)?shù)牡臐L珠。使絲絲杠與螺母之之間由滑動(dòng)摩摩擦變?yōu)闈L動(dòng)動(dòng)摩擦的一種種螺旋傳動(dòng)，，滾珠在工作作過程中順螺螺旋槽(滾道)滾動(dòng)，故必須須設(shè)置滾珠的的返回通道，，才能循環(huán)使使用。為了消消除回差(空回)，螺母分成兩兩段，以墊片片、雙螺母或或齒差調(diào)整兩兩段螺母的相相對(duì)軸向位置置，從而消除除間隙和施加加預(yù)緊力，使使得在有額定定抽間負(fù)荷時(shí)時(shí)也能使回差差為零。其中中用的最多的的是雙螺母式式，而齒差式式最為可靠。。1一齒輪；2一返回裝置置；3一鍵；4一滾珠；5一絲杠；6一螺母；7—支座19滾動(dòng)螺旋特特點(diǎn)：(1)摩擦小、效效率高。一一般情況下下，傳動(dòng)的的效率在90％以上。(2)動(dòng)、靜摩擦擦系數(shù)相差差極小，傳傳動(dòng)平穩(wěn)，，靈敏度高高。(3)磨損小、壽壽命長(zhǎng)。(4)可以通過預(yù)預(yù)緊消除軸軸向間隙，，提高軸向向剛度。滾動(dòng)螺旋傳傳動(dòng)不能自自鎖，必須須有防止逆逆轉(zhuǎn)的制動(dòng)動(dòng)或自鎖機(jī)機(jī)構(gòu)才能安安全地用于于有自重下下降的場(chǎng)合合。最怕落落入灰塵、、鐵屑、砂砂粒。通常常，螺母兩兩端必須密密封，絲杠杠的外露部部分必須用用“風(fēng)箱””套或鋼帶帶卷套加以以密封。20另外，對(duì)于于齒輪傳動(dòng)動(dòng)、蝸輪傳傳動(dòng)和齒輪輪齒條傳動(dòng)動(dòng)，須特別別注意消除除間隙問題題，否則回回差很大，，達(dá)不到應(yīng)應(yīng)有的轉(zhuǎn)角角精度要求求。對(duì)于鏈鏈傳動(dòng)、齒齒形帶傳動(dòng)動(dòng)、鋼帶傳傳動(dòng)和鋼絲絲繩傳動(dòng)，，必須考慮慮張緊問題題，否則也也會(huì)產(chǎn)生很很大的回差差。21關(guān)節(jié)是操作作機(jī)各桿件件間的結(jié)合合部分，有有轉(zhuǎn)動(dòng)和移移動(dòng)兩種類類型。工業(yè)業(yè)機(jī)器人前前三關(guān)節(jié)通通常稱作腰腰關(guān)節(jié)、肩肩關(guān)節(jié)和肘肘關(guān)節(jié)，它它們構(gòu)成了了操作機(jī)的的位置機(jī)構(gòu)構(gòu)。后面關(guān)關(guān)節(jié)構(gòu)成了了操作機(jī)的的姿態(tài)機(jī)構(gòu)構(gòu)，稱作腕腕部。下面面分別討論論這些關(guān)節(jié)節(jié)的構(gòu)造和和傳動(dòng)配置置。一、腰關(guān)節(jié)節(jié)腰關(guān)節(jié)既承承受很大的的軸向力、、徑向力，，又承受傾傾翻力矩，，且具有較較高的運(yùn)動(dòng)動(dòng)精度和剛剛度。多采采用高剛性性的RV減速器減速速，也可采采用諧波傳傳動(dòng)、擺線線針輪或蝸蝸桿減速器器。2.3工業(yè)機(jī)器人人關(guān)節(jié)的構(gòu)構(gòu)造及其傳傳動(dòng)配置22腰關(guān)節(jié)〔電機(jī)上置)1—電機(jī)；2—RV減速器，3—支架，6—交叉滾子軸軸承；5—電纜23腰關(guān)節(jié)(電機(jī)下置)1—諧波減速器器；2—電機(jī)；3—四點(diǎn)接觸球球軸承24腰關(guān)節(jié)1—電機(jī)；2—齒輪；3—立柱；4—結(jié)合螺栓213425由上面的的圖例可可以看出出，腰關(guān)關(guān)節(jié)的構(gòu)構(gòu)造主要要是兩種種類型：：使用交交叉滾子子或四點(diǎn)點(diǎn)接觸式式軸承的的同軸式式平行軸軸式。前前者結(jié)構(gòu)構(gòu)緊湊，，腰關(guān)節(jié)節(jié)高度尺尺寸小(使用特制制抽承的的緣故)，但后面面關(guān)節(jié)的的各種電電纜走線線比較困困難，大大多是在在固定的的中間柱柱體外面面留有較較大的環(huán)環(huán)形空間間，使電電纜以盤盤旋的形形式松松松地套在在中間柱柱體上，，當(dāng)腰支支架等機(jī)機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，電電纜猶如如盤旋彈彈簧般收收緊或放放松。對(duì)對(duì)于平行行軸式腰腰關(guān)節(jié)，，電纜則則可方便便地通過過中空軸軸，聯(lián)接接于支座座的固定定接線板板上。26二、肩關(guān)關(guān)節(jié)和肘肘關(guān)節(jié)對(duì)于開式式連桿結(jié)結(jié)構(gòu)，肩肩關(guān)節(jié)位位于腰部部的支座座上，多多采用高高剛性的的RV減速器減減速，也也可采用用諧波傳傳動(dòng)或擺擺線針輪輪。肘關(guān)節(jié)位位于大臂臂與小臂臂的聯(lián)接接處。其其結(jié)構(gòu)形形式有偏偏置式或或同軸式式配置，，多采用用諧波傳傳動(dòng)、擺擺線針輪輪、齒輪輪傳動(dòng)等等。271—大臂；2—關(guān)節(jié)1電機(jī)；3—小臂定位位板；4—小臂；5—?dú)鈩?dòng)閥；；6—立柱；7—直齒輪；；8—中間齒輪輪；9—機(jī)座；10——主齒輪；；11——管形連接接軸；12—手腕2829同軸減速傳動(dòng)動(dòng)結(jié)構(gòu)30同軸減速傳動(dòng)動(dòng)結(jié)構(gòu)1—腰支座；2、7—RV減速器；3、6—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4—大臂；5—曲柄；8—軸承。31三、直動(dòng)關(guān)節(jié)直動(dòng)關(guān)節(jié)可有有兩種類型；；電機(jī)驅(qū)動(dòng)和和液壓驅(qū)動(dòng)。。前者多采用用滾動(dòng)絲杠和和導(dǎo)柱(軌)式；后者可采采用油缸驅(qū)動(dòng)動(dòng)齒輪的倍速速移動(dòng)結(jié)構(gòu)。。32四、手腕關(guān)節(jié)節(jié)1、單自由度手手腕SCARA水平關(guān)節(jié)裝配配機(jī)器人多采采用單自由度度手骯。SCARA機(jī)器人33SCARA機(jī)器人操作作機(jī)的手腕腕只有繞垂垂直軸的一一個(gè)旋轉(zhuǎn)自自由度。為為了減輕操操作機(jī)的懸懸臂重量，，手腕的驅(qū)驅(qū)動(dòng)電機(jī)固固結(jié)在機(jī)架架上。手腕腕轉(zhuǎn)動(dòng)的目目的在于調(diào)調(diào)整裝配件件的方位。。由于傳動(dòng)動(dòng)為兩級(jí)等等徑輪齒形形帶，所以以大、小臂臂的轉(zhuǎn)動(dòng)不不影響末端端執(zhí)行器的的水平方位位，而該方方位的調(diào)整整完全取決決于腕轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電電機(jī)，這是是該種傳動(dòng)動(dòng)方式的主主要優(yōu)點(diǎn)，，特別適合合于電子線線路板的插插件作業(yè)。。2、兩自由度度手腕兩自由度手手腕關(guān)節(jié)有有兩種常見見的配置形形式，即匯匯交式和偏偏置式。341——法蘭蘭；；2——錐齒齒輪輪軸軸；；3——錐齒齒輪輪；；8，4——彈簧簧；；5，7——鏈輪輪；；6，9——軸承承；；10一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)殼殼匯交交式式兩兩自自由由度度手手流流1——法蘭蘭；；2——轉(zhuǎn)殼殼；；3、6——錐齒齒輪輪軸軸；；4——小臂臂；；5、7——鏈輪輪，，8——鏈；；9、10——彈簧簧偏置置式式兩兩自自由由度度手手腕腕35兩自自由由度度手手腕腕的的另另兩兩種種結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。圖圖1屬匯匯交交型型，，將將諧諧波波減減速速器器置置于于臂臂部部，，驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器器通通過過齒齒形形帶帶帶帶動(dòng)動(dòng)諧諧波波，，或或經(jīng)經(jīng)錐錐齒齒輪輪再再帶帶動(dòng)動(dòng)諧諧波波使使末末桿桿獲獲得得沿沿x、y軸兩自自由由度度運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)。。圖圖2為