第二章 机器人的总体和机械结构设计

12机器人的基本组成及技术参数机器人总体设计机器人机械系统设计传动部件设计行走机构设计机身设计臂部设计手腕设计手部设计32.1机器人的基本组成及技术参数机器人设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。为了明确机器人的设计任务和过程，我们以工业机器人为例对机器人的组成和技术参数进行一些介绍。42.1.1机器人的基本组成如图所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人—环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。图2-1机器人的基本组成52.1.2机器人技术参数机器人技术参数是机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据，不同的机器人其技术参数不一样。但是，工业机器人的主要技术参数一般都应有：自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。6图2-2PUMA562型机器人图2-3Stewart机构1、自由度72、定位精度与重复定位精度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。它是衡量一系列误差值的密集度，即重复度。如下图所示。8(a)重复定位精度的测定；(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，良好重复定位精度。图2-4机器人精度和重复精度的典型情况93、工作范围工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器时的工作区域。图2-5PUMA机器人工作范围104、最大工作速度通常指机器人手臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率，因此提高机器人的加速减速能力，保证机器人加速减速过程的平稳性是非常重要的。115、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。机器人的载荷不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅要考虑负载，而且还要考虑机器人末端操作器的质量。122.2机器人总体设计机器人总体设计的主要内容有：确定基本参数，选择运动方式，手臂配置形式，位置检测，驱动和控制方式等。在结构设计的同时，对各部件的强度、刚度做必要的验算。机器人总体设计步骤分以下几个部分。132.2.1系统分析机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如下分析工作：(1)明确采用机器人的目的和任务。(2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。(3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重量……(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。142.2.2技术设计(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、运动速度及定位精度等。举例：定位精度的确定机器人或机器手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机器手本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚性、驱动方式、缓冲方式等。工艺过程的不同，对机器人或机器手重复定位精度的要求也不同，不同工艺过程所要求的定位精度如下：金属切削机床上下料：±(0.05-1.00)mm冲床上下料：±1mm模锻：±(0.1-2.0)mm点焊：±1mm装配、测量：±(0.01-0.50)mm喷涂：±3mm当机器人或机器手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。15(2)机器人运动形式的选择。常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。(3)拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置。(4)确定控制系统总体方案，绘制框图。(5)机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。162.2.3仿真分析(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。(2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满足要求。(3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实现机器人的运动仿真。(4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿真计算。(5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结构、尺寸和参数进行修改，加以完善。机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅相成，构成一个完整的机器人系统。172.3机器人机械系统设计在确定机器人运动形式的基础上，机器人机械系统设计还包括确定机器人驱动方式、关节驱动方式、材料选择、平衡系统设计和零部件设计。182.4传动部件设计机器人是运动的，各个部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的传动部件是非常重要的。这涉及到关节形式的确定，传动方式以及传动部件的定位和消隙等多个方面。(1)关节(如转动关节与移动关节)(2)传动件的定位和消隙(3)机器人传动机构(如齿轮、绳与钢带传动等)192.5行走机构设计机器人可分成固定式和行走式两种。一般的机器人多为固定式，但随着海洋科学、原子能工业及宇宙空间事业的发展，移动机器人、自动行走机器人的应用也越来越多。列举如下：(1)车轮式行走机器人(2)脚式行走机器人(3)履带式行走机器人(4)其他行走机器人202.6机身设计机器人机械结构有三大部分：机身、手臂(包括手腕)、手部。机身，又称为立拄，是支撑臂部的部件，并能实现手臂的升降、回转或俯仰运动．机器人必须有一个便于安装的基础件，这就是机器人的机座．机座往往与机身做成一体。212.7臂部设计2.8手腕设计2.9手部设计机器人手也叫末端操作器，相当于人的手抓。主要作用是夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。手抓用于抓取物体，并进行细微的操作。人的五指有20个自由度，通过关节的伸曲，可以进行各种复杂的动作。手部设计的主要研究方向是柔性化、标准化、智能化。