第四讲_第五讲_第5章机器人机械系统设计(1)

第五章机器人机械系统设计§1、机器人的总体设计§2、传动部件设计§3、机身设计§4、臂部设计§5、手腕设计§6、手部设计§7、行走机构设计§1、机器人的总体设计主要内容：确定基本参数选择结构(运动)方式选择驱动(传动)方式选择合适的材料确定位置检测或其它信号检测的方式、方法选择控制方式(1)根据机器人的使用场合，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，包括机器人与已有设备的兼容性。(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、信息存储容量、计算机功能、动作速度、定位精度、抓取重量、容许的空间结构尺寸以及温度、振动等环境条件的适用性等。进一步通过对被抓取、搬运物体的重量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定手部形式及抓取工件的部位和握力。(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料，发现可借鉴之处和需要注意的问题。一、准备工作（系统分析）1臂力的确定臂力主要根据被抓取物体的重量来定，其安全系数一般可以在1.5~3.0范围内选取。对工业机器人来说，臂力要根据被抓取、搬运物体的重量变化范围来定。2工作范围的确定根据工艺要求和操作运动的轨迹来定。在确定工作范围时，可将运动轨迹分解成单个动作，由单个动作的行程确定机器人或机械手的最大行程，从而确定机器人或机械手的工作范围。一般被操作物应该明显在工作范围内，而不宜处于工作范围的边界上。二、基本参数的确定3确定运动速度机器人或机械手的最大行程确定以后，可根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。①给定的运动时间应大于电气、液(气)压元件的执行时间。②在工作节拍短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此，驱动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。③直线运动的速度一般应大于回转运动的速度。因为回转运动的惯性一般大于直线运动的惯性。机械手的升降、回转及伸缩运动的时间分配要根据实际情况进行分配。如果工作节拍短，上述运动所分配的时间就短，运动速度就需要提高。但运动速度太高，则对加速度要求也明显提高，使驱动、传动部分的负担，增加设计的困难与成本。确定速度一般有以下几点原则：1)在功率、负荷、可靠性满足要求的情况下，应该尽量提高速度，特别是对于工业机器人，这样可提高生产率。2)在满足工作节拍或者基本任务的情况下，应该适量降低速度，以提高可靠性，避免危险，延长机器人的使用寿命。在分配动作时间（运动速度）时需要考虑如下因素：注意观察该SCARA工业机器人的速度，以及动作的节拍。4确定定位精度机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械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、驱动方式、缓冲方式等因素。常见机械加工或其它工艺的精度：金属切削机床上下料±0.05-1.00mm冲床上下料±1mm点焊±1mm模锻±0.1-2.0mm喷涂±3mm装配、测量±0.01-0.50mm工业机器人的作业精度要求一般高于服务机器人。目前谈论的是任务要求所确定的定位精度，非机器人能达到怎样的精度.根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面（极）坐标式、关节型。所选择的运动形式，在满足需要的情况下，应以自由度最少、结构最简单为准。1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卸和检测作业三、结构形式的选择直角坐标系机器人具有如下优缺点：优点：•结构简单、直观、刚度高。•3个关节的运动相互独立，没有耦合，运动学求解简单。•容易编程和控制，控制方式与数控机床相似。•采用滚动导轨速度与定位精度高。缺点：•占地面积大，动作范围小，实现的动作比较单一。•工件的装卸、夹具的安装等受到立柱、横梁等构件的限制。•导轨面防护比较困难，移动部件的惯性比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。目前科研机构或大学院校研究开发此类机器人很少，一般是机器人厂家向企业提供，易实现大批量低成本。2圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人是以θ，z和r为参数构成坐标系。手腕参考点P的坐标位置可表示为P=f（θ,z,r），其中r是手臂的径向长度，θ是手臂绕水平轴的角位移，z是在垂直轴上的高度。如果r不变，则手臂运动形成一个圆柱坐标，空间定位比较直观。优点：•结构紧凑，作业简单、直观。•关节之间虽非完全相互独立，但可半解耦，运动学求解简单。•容易编程和控制。•刚度高、精度高。•手臂的伸缩与升降有利于减少惯性，改善动力学载荷。腕部参考点运动所形成的最大轨迹表面是半径为r的球面的一部分，以θ、φ、r为坐标，任意点P可表示为P=f(θ,φ,r）。这种机器人控制比较困难，在机器人中占得比例越来越小，今后的设计一般也不考虑此类机器人。3球(极)坐标式机器人缺点：不能完成一些复杂的动作，工作范围受机构限制（在增加手腕自由度的情况下，有所改善）。由于优点突出，在工业机器人中应用很广，SCARA机器人就属于这一类的典型运用(也有将此类机器人单独列出的）。今后设计可优先考虑这种机构。4关节式机器人这类机器人由腰转关节、肩关节、肘关节以及手腕部的多个自由度关节组成，可以最后确定末端操作器的位姿，是一种广泛使用的拟人化机器人。也有将SCARA机器人作为平面关节式机器人。优点：•结构紧凑，占地面积小。•动作灵活，仿人逼真，工作范围大，手臂的干涉最小。•由于采用关节作为活动部位，容易密封防尘。•一般情况下关节驱动力矩小，能量消耗较少。缺点：•最大缺点是运动学复杂、运动学反解困难，需要精确控制时如果采用迭代算法，计算量大，不能快速进行。•刚度不易得到保证，尤其在手臂伸展开时。运动学的求解方法主要是针对关节机器人。四、驱动(传动)形式的选择机器人驱动源类型有电动、液压和气动三种，一台机器人可以只用一种驱动方式，也可以采用几种方式联合驱动。选择时主要考虑负载、效率、精度和环境等因素。液压系统：具有较大的功率体积比，因此大负载通常选用液压驱动；气动系统：系统简单、成本低、适合节拍快、负载小且精度要求不高的场合，常用于点位控制、抓取、弹性握持和真空吸附。电动系统：适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人。因机器人的动作一般要求比较复杂，且精度比较高，故一般考虑使用电动驱动方式，即电机。1驱动源类型直流电机适合学生设计或实验的简单场合，一般的机器人应用需要精确的控制，驱动电机采用步进电机或伺服电机，和电机相配的减速器一般采用谐波减速器、行星齿轮减速器或者摆线针轮减速器。目前也有采用直接驱动电机，但是造价较高，控制也较为复杂。机器人电机类型的选用①直流电机控制简单，调速可用PWM②步进电机控制相对简单，调速方便，精度较高③伺服电机（交流或直流）控制复杂，精度高，一般需配伺服控制器来驱动2传动与驱动方式①直接连接传动———驱动源(带有机械传动装置)直接与关节相连。优点：结构紧凑，刚度好，可以避免长距离传动的间隙问题，精度高，加工成本低。缺点：电机加上机械传动装置比较重，放在关节上，特别是放在肘部、腕部会使悬臂力过大，转动惯量增加，不太可取。克服的办法：•一般肘部与腕部的悬臂力会越来越小，设计时使相应的电机也随之减小，如果能满足任务要求，则尽量还是采用直接连接传动。•将肘部、腕部的电机放到机器人机身内，采用远距离连接传动的方式。鸟类的爪子等便是类似原理②远距离连接传动———驱动源与机械传动装置不直接安装在一起，而是通过一定距离的传动链联系，然后再与关节相连。优点：•可以克服直接连接传动的缺点，避免肘部、腕部、手爪的过大重量，提高了刚度。•理论上可以降低机器人整体重量，至少将重量集中在不影响机器人动作的机身上。•有时可以把电机作为一个平衡质量，使机器人主体获得较好的平衡性，这在大负载荷时经常考虑。缺点：•相对于直接连接传动，增加了额外的间隙、变形等，带来精度下降。•由于长距离传动，增加了能量额外耗损。•需要安排空间容纳这些远距离机械传动链，有时会比较困难，或者会使机器人机构变得庞大，在机构尺寸受限的情况下便不可行了。③间接驱动———由电机经机械传动装置带动关节运动优点：•成本低•可以在高速段（低扭矩）环节实现制动。•可以实现更多运动形式的转换。④直接驱动(DirectDrive)———不经中间传动环节，由驱动源直接与关节相连（因换向要求，有时需要带上一个传动比为1的简单传动装置）。优点：•结构紧凑、简单,刚度好。•精度高。•中间损耗小。•可靠性高，响应速度快。特别适合于需要快速响应的场合，如行走机器人（力平衡控制）；或者对机器人尺寸有限制的场合。缺点：•成本高。•在大负载下，目前技术上还未保证。因转矩与重量比目前技术有限，使得小型DD电机还待进一步研究开发。•对负载变化敏感，非线性转矩使控制困难。•对传感元件相应地提出了特别高的要求。•类似直接连接传动的一些缺点。由于其优点突出，所以目前正在设法克服它存在的缺点，发展态势良好。五、材料的选择1.材料选择的基本要求①要保证足够的强度根据机器人作业任务的要求，进行静力计算，估计选用怎样的材料合适。②要保证足够的刚度根据机器人作业任务的要求，以及结构特点，估计最大变形的机器人位姿，并估算末端最大变形量，选用合适的材料。有一规律：一般材料刚体满足了，强度也就满足了。而刚度是机器人精度的根本，所以满足刚度是机器人的最重要指标。(本科生做相关毕业设计，需要对此进行估算)③材料应尽可能轻由于必须首先满足刚度要求，又要使材料尽量轻，从而弹性模量与密度成为机器人选择材料的重要参考指标。书中表4-1④成本低⑤阻尼宜大运动平稳性的要求，避免超调过大，残余振动等。这一点一般不作重点考虑。2.常用材料①碳素钢，合金钢弹性模量与密度比高，被广泛应用于机器人的本体上，特别工业机器人。但绝对重量大，不适合移动机器人或者要求轻巧的场合。一般使用便宜的碳素钢。②铝合金宜应用在对刚度要求不太高的场合，可明显减小机器人重量。③纤维增强合金弹性模量与密度比高，重要轻，但价格昂贵。适合于探索性研究或者特种应用场合。铸铁铝合金④纤维增强复合材料玻璃纤维、碳纤维、其它新型树脂有利于进一步降低机器人重量，使机器人坚固而又轻，但存在老化、蠕变、热变形等缺点，与金属件连接时刚度不易保证。玻璃钢六平衡系统的设计通常的机器人一般以静力计算或刚度计算为主。一般在具有悬臂的大型机器人设计时考虑，其它情况已不作为重点考虑的因素。一、关节机器人中连接运动部分的机构称关节（Joint），有转动型（转动关节）和移动型（移动关节）。1转动关节转动关节（Rotaryjoint）就是关节型机器人中被简称为“关节”的连接部分，它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动（或摆动），用于基座与臂部、臂部之间、臂部和手等连接部位上，关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。§2、传动部件设计(1)转动关节的形式（电机安放的位置）①驱动机构和回转轴同轴式这种形式直接驱动回转轴，有较高的定位精度，但是，为减轻重量，要选择小型减速器并增加臂部的刚性，适用于水平多关节型机器人。②驱动机构和回转轴平行式这种形式本质上属于远距离连接传动，有的比直接驱动方式多一级变速传动，这可以避免远距离传动的繁琐，同时也可避免直接驱动带来的悬臂力过大，刚度降低的现象，也有利于系统的力平衡。③外部驱动机构驱动臂部的形式比如滚珠丝杠、液压缸和汽缸驱动关节的，本质上也属于远距离连接传动。适用于传递大扭矩的回转运动。④驱动电机安装在关节内部的形式这种方式称之为“直接驱动方式”。机器人乐队液压驱动关节的展示关节驱动电机驱动电机驱动电机关节处若干零件图实例说明轴套与带轮压盖(2)轴承主要采用滚动轴承，最常用的有密封型球轴承，如果轴向力很小，则只需要普通向心球承。如果有单方向的轴向力，应采用向心推力轴承。如果有双方向的轴向力，应采用向心双向推力轴承。如:“四点接触轴承”对于机器人基座（腰转关节），需要承受很大的轴向力时，往往可使用以承受推力为主的止推轴承（或圆锥滚子轴承等）。但止推轴承一般不单独构成关节，需与球轴承等配合构成可承受多方向负载的关节。