机器人机械系统.ppt

工业机器人机械本体设计,机器人机械结构指其机器人机械结构指其机体结构和机械传动系统，也是机器人的支承基础和执行机构。本章以机器人的支承基础和执行机构。本章以工业机器人为主要对象为主要对象介绍机器人主要组成部分的结构形式和特点,工业机器人机械本体设计,2.1工业机器人分类,按手臂机构的结构型式分 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 垂直多关节型 水平多关节型 并联机器人一般工业机器人为6个自由度：前三个称为手臂机构；后三个称为手腕机构,直角坐标机器人,结构特点 在直角坐标空间内解耦，空间轨迹易于求解；易于实现高定位精度；当具有相同的工作空间时，本体所占空间体积较大这也是大多数数控设备采用这种结构形式的原因,工业机器人分类,圆柱坐标机器人,结构特点在圆柱坐标空间内解耦；能够伸入型腔式空间；相同工作空间，本体所占空间体积比直角坐标式要小；直线驱动部分密封、防尘较难,工业机器人分类,结构特点-所占空间体积小，机构紧凑；-往往需要将极坐标转化成我们习惯的直角坐标，轨迹求解较难；-直线驱动同样存在密封、防尘问题,极坐标机器人,工业机器人分类,垂直多关节机器人,结构特点-机构紧凑，动作灵活，工作空间大；-能绕过基座周围的一些障碍物；-适合电机驱动，关节密封、防尘比较容易,相邻关节轴线垂直或水平,工业机器人分类,水平多关节机器人（SCARA）,结构特点-作业空间与占地面积比很大，使用起来方便；-沿升降方向刚性好，尤其适合平面装配作业,SCARA-Selective ComplianceAssembly Robot Arm,1978年由日本山梨大学牧野洋教授首先提出,工业机器人分类,并联机器人,模拟器,加工设备,微动机构,工业机器人分类,2.2机器人基本概念与关键参数,机器人基本概念,1.重复定位精度：往复运动的物体,每次停止的位置与第一次调定的位置之间角度或长度的差值。差值越小,精度越高。描述方式：0.08mm2.精度：观测结果、计算值或估计值与真值（或被认为是真值）之间的接近程度。描述方式：0.08 mm3.分辨率(Resolution)：设备输出最小位移或角度的能力。4.自由度(Degree of Freedom)：完全确定一个物体在空间位置所需要的独立坐标数目，叫做这个物体的自由度。5.柔性（适应性）：“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。,6.柔性制造系统（FMS）：柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”7.刚度：刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件的刚度（或称刚性）常用单位变形所需的力或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类（即材料的弹性模量）。8.强度：强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。9.示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。,机器人基本概念,机器人关键参数,自由度数衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。负载能力机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。运动范围机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关节长度和其构型的函数。精度指机器人到达指定点的精确程度。与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。,机器人关键参数,重复定位精度指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。控制模式引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软件编程模式；自主模式。运动速度单关节速度；合成速度 电源与电源容量 动态特性稳定、柔顺 材料,2.3 机器人关键功能部件,电机减速器,步进电机：混合式两相、五相伺服电机：直流伺服（干扰小、供电限制-电池）：有刷无刷交流伺服电机（大惯量，功率范围大）,一、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8;交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，不会出现振动现象。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降,电机,四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，易出现丢步或堵转的现象。交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒。,电机,步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）的机电执行元件。它的机械位移与输入的数字脉冲数有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电机前进一步，所以称为步进电动机。有较高的定位精度，无位置累积误差；开环运行，成本低，可靠性较高。低速运行时振动大、噪声大伺服就是一个提供闭环反馈信号来控制位置和转速。伺服电机是一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。,电机,三相异步电动机：220V 单相交流电动机：220V 直流电动机：24V调速：变频器 调速器,电机,舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。电压影响电池,舵机,把电能直接转化为直线机械运动能量的装置。电机是一种执行装置，是执行器的一种。,直线电机,DD直驱电机直驱电机,直接驱动式电机的简称.主要指电机在驱动负载时,不需经过传动装置(如传动皮带等).直驱电机的主要好处主要是避免使用了传动皮带等传动设备,而这些传动部件恰恰是系统中故障率较高的部件.所以使用直驱电机的系统,从技术上讲,应具有更低的故障率超声电机超声电机采用压电陶瓷材料实现电能到机械能的转换，功率密度更高，比电磁型力矩电机具有更大的转矩重量比。在相同输出转矩下，一般质量仅为电磁型力矩电机的三分之一。此外，由于超声电机采用摩擦传动，其机械常数比电磁型力矩电机高一个数量级，响应更快。,直驱电机,选取电机注意参数及事项 外形 功率 转矩 转速 转动惯量,轴端 电流 安装方式 制动 重量 进口与国产装配注意,电机选取注意事项,减速器,蜗轮蜗杆减速器行星减速器谐波减速器摆线针轮减速机（机器人用）RV减速机,蜗轮蜗杆减速器,发热磨损-润滑减速比：蜗轮齿数/蜗杆头数蜗杆头数越多，传动效率越高，但加工会更加困难。若要求自锁，应选择单头,行星减速器,当太阳轮旋转时，带动行星齿轮旋转，由于齿圈被固定，所以行星齿轮除作自转外，还将绕中心旋转轴线作行星运动-低速公转运动，通过行星轮轴，将行星齿轮的低速公转运动传至输出轴，这样便完成了减速运动。,减速比=内齿环齿数/太阳齿齿数+1,谐波减速器,构成-由谐波发生器（椭圆形凸轮及薄壁轴承）、柔轮（在柔性材料上切制齿形）以及与它们啮合的钢轮构成的传动机构,三个基本构件组成（减速原理可认为同类于行星减速）（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮；（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮；（3）波发生器H，它相当于行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。,i=-z1/(z2-z1),谐波减速器,原理-柔轮的齿数比钢轮的齿数少两个齿。随着谐波发生器的转动，柔轮与钢轮的齿依次啮合，从转过相同齿数的中心角来说，柔轮比钢轮大，于是柔轮相对于钢轮沿着谐波发生器的反方向作微小的转动。例如，齿数为100的钢轮与齿数为98的柔轮组合，每一周会产生2/100的转动差，从而得到大的减速比。,谐波减速器,特点-结构紧凑，能实现同轴输出-减速比大-同时啮合齿数多（30%+），承载能力大-回差小（3）,传动精度高-运动平稳，传动效率较高（70%）缺点-扭转刚度不足-谐波发生器自身转动惯量大,谐波减速器,品牌-国外，日本Harmonic Drive(HD)、德国Harmonic Drive Polymer GmbH-国内，北京谐波研究所、中技克美、众合天成,谐波减速器,谐波减速器典型结构,1、六节左支架 2、深沟球轴承13、右压盖 4、波发生器轴及键5、五节支撑 6、步进电机7、五节右支架 8、右有机玻璃罩 9、齿型带传动组 10、深沟球轴承211、隔套1 12、隔套213、谐波减速器 14、深沟球轴承315、六节右支架 16、深沟球轴承417、左压盖 18、六节有机玻璃罩19、五节左支架,摆线针轮减速机（机器人用）,结构-行星摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。-在输入轴上装有一个错位180的双偏心套，在偏心套上装有两个滚柱轴承，形成H机构，两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿轮相啮合，以组成少齿差内啮合减速机构，（为了减少摩擦，在速比小的减速机中，针齿上带有针齿套）。,减速原理-当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成为即有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相反方向上转过一个齿差从而得到减速，再借助W输出机构，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。,摆线针轮减速机（机器人用）,输入轴转动一周，摆线轮移动了1个齿，摆线轮的齿数就是速比,摆线针轮减速机（机器人用）,特点-结构紧凑，能实现同轴输出-减速比大-高刚度，负载能力大-回差小（1）,传动精度高-运动平稳，传动效率较高（70%）-可靠性高，寿命长,摆线针轮减速机（机器人用）,品牌-国外，日本住友FINE CYCLO-C、D系列、斯洛伐克SPINEA公司TwinSpin系列-国内，暂无,摆线针轮减速机（机器人用）,RV减速机,结构-由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的,特点-相比摆线针轮减速机，结构上更紧凑-相比摆线针轮减速机，减速比更大-高刚度，负载能力大-回差小（1）,传动精度高-运动平稳，传动效率较高（85%）-可靠性高，寿命长与谐波传动相比，除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大26倍，但重量却增加了13倍。高刚度作用，可以大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。,RV减速机目前是工业机器人上应用的主流减速机类型，其次是谐波减速机！,RV减速机,品牌-国外，日本帝人制机（Nabtesco前身）VIGO DRIVE中的RV-C、RV-E系列减速机、日本住友FINE CYCLO-T系列、韩国SEJINiGB中的XQ、QH系列-国内，浙江恒丰泰CORT复式滚动活齿减速机,RV减速机,RV减速器典型结构,1、三节支架2、键3、RV减速器4、机器人大臂5、RV减速器输出轴6、伺服电机7、三节电机罩8、光电开关9、光电开关动片10、大臂过线罩11、三节侧罩12、三节上盖,选取减速器注意参数及事项：外形 润滑 效率 与电机连接方式 承受转矩 转动惯量 减速比 安装方式 重量 进口与国产,减速器,2.4机器人典型传动结构与元器件,典型元器件,弹性联轴器 交叉滚柱导轨支撑型直线导轨（直线轴承）直线导轨（滑块）滚珠丝杠 滑动轴承,滚珠丝杠、同步带,丝杠的应用是将旋转运动通过丝母转变为直线运动。带传动的应用是传递旋转运动，改变旋向，改变速比。丝杠传动，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确，频繁换向时容易产生冲击振动。带传动，传动平稳，消除振动，重负荷时容易丢转。丝杠导轨精度等级：C普通级P 精密级预压 导程 丝杠选取与计算 装配注意事项,花键丝杠（回转+直线）,张紧,螺旋传动、同步齿形带、链条传动、齿轮传动、齿轮齿条 连杆机构-六足爬虫等仿生机器人、助力机械手 行程倍增机构 钢带（钢绳）间歇机构,张紧,典型机械传动类型,滚动螺旋传动,结构-滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动。-滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零。,1一齿轮；2一返回装置；3一键；4一滚珠；5一丝杠；6一螺母；7支座,特点-摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90以上。-动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。-磨损小、寿命长。-可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。缺点-大大加大了2、3关节轨迹算法的复杂性-不能自锁-密封、防尘困难,滚动螺旋传动,齿轮传动-间隙调整较困难，因为有齿侧间隙，所以有较大的回差。-一般不会单独使用，常用于其他减速传动的前一级传动-高速时，噪声较大，尽量采用弧形齿和磨齿同步带传动-需要张紧或调整机构，否则会有较大的回差-一般也不会单独使用，常用于其他减速传动的前一级传动-负载能力不能太大-噪声较小，无需润滑,其他传动,滚动丝杠特点：摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90以上 动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高 磨损小、寿命长 可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。滚动丝杠传动不能自锁，必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合。最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。通常，螺母两端必须密封，丝杠的外露部分视情况加以密封。对于齿轮传动、齿轮齿条传动，须注意消除间隙，否则达不到应有的转角精度要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，须考虑张紧问题，否则会产生很大的回差。,传动特点与事项,原则：极少的传动环节；结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的固有频率，降低整机的低频振动；回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；寿命长、价格低。各类机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。此外选取需注意：精度、刚度、负载、成本、应用场合等。,机器人传动选取原则,机器人常用传动比较,机器人常用传动比较,2.5 机器人典型结构,6-DOF串联机器人执行机构组成底座腰关节转座肩关节大臂肘关节小臂腕部末端执行器（手爪）平衡装置,典型结构组成,典型结构组成,6-DOF串联机器人执行机构组成底座腰关节转座肩关节大臂肘关节小臂腕部末端执行器（手爪）平衡装置,底座关节,底座,关节传动机构,腰关节 腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾覆力矩，且应具有较高的运动精度和刚度 腰关节多采用高刚性的RV减速机传动。为方便走线，常采用中空型RV,减速比？,关节传动机构,肩、肘关节 肩、肘关节承受很大扭矩（肩关节同时承受来自平衡装置的弯矩）且应具有较高的运动精度和刚度；多采用高刚性的RV减速机传动。,手腕 汇交型 偏交型 中空偏交型,关节传动机构,只要在其姿态能力范围内，任一给定姿态，三种结构方式都能实现,中空偏交型手腕主要应用在喷涂行业减少喷涂系统中空压机到机器人之间的辅助压缩空气管道 杜绝喷枪软管和喷涂对象之间干涉 减少附着在软管上的涂料的滴落,关节传动机构,偏交型手腕,关节传动机构,汇交型手腕 应用最为广泛,关节传动机构,为什么一般情况下将减速机配置在关节传动链的最末端？减小细长轴（或套管）及有关传动齿轮的传递扭矩;有利于减小输出轴转角误差(末端减速机对前端传动链的转角误差有均化作用)转角误差的来源？1、细长轴扭转角2、齿轮齿侧间隙造成的回差,关节传动机构,电机配置位置 对小负载机器人，5、6关节电机一般配置在小臂内部，5、6关节传动链之间有交叉耦合;对大负载机器人，4、5、6关节电机一般配置在肘关节附近，4、5、6关节传动链之间有交叉耦合,关节传动机构,诱导运动 把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。实质是因为传动链的交叉耦合 在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。,关节传动机构,平衡机构,为什么大负载串联机器人需要平衡机构？串联机器人的肩关节和肘关节在正常工作角度范围内运动时，由于重力的作用，电机所受负载力矩往往偏向正值（或负值）一侧，另一侧的负载能力没有起到作用。如果给大臂、小臂加上平衡机构，相当于将电机所受负载力矩进行了数值上的平移，充分利用电机另一侧的负载能力。平衡机构的配置同时也减小了电机的选用型号，节约了成本。,关节传动机构,小臂平衡机构一般选用配重来平衡 配重平衡的一个缺点是增大了关节转动惯量,关节传动机构,大臂平衡机构 一般选用弹簧、气压或液压来平衡 弹簧平衡不会增加关节转动惯量,关节传动机构,手部也叫做末端执行器，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件，机器人手部的特点(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，可以方便地拆卸和更换手部(2)手部是机器人末端执行器。它可以像人手那样具有手指，也可以是进行专业作业的工具，比如喷漆枪、焊接工具等,手抓（末端执行器）,(3)手部的通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，例如，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(4)手部是一个独立的部件，是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部件之一 具有复杂感知能力的智能化手爪的出现工业机器人作业的灵活性和可靠性,手部的典型结构,手抓（末端执行器）,1、夹钳式夹钳式夹持机构夹持机构 手指：两指、多指；手指：两指、多指；平面、平面、V形 传动机构：回转、平移传动机构：回转、平移 驱动装置：气动、液动、驱动装置：气动、液动、电动、电磁电动、电磁支架,滑槽杠杆式手部,齿轮齿条式手部,斜楔杠杆式,手抓（末端执行器）,滑块杠杆式手部,移动型连杆式手部,齿轮齿条式手部,内涨斜块式手部,连杆杠杆式手部,手抓（末端执行器）,3、弹簧式弹簧式夹持机构,手抓（末端执行器）,2、拖持式拖持式夹持机构：夹持机构：适于抓取适于抓取重量大重量大的工件,4、吸附式吸附式抓取机构：真空式真空式 负压式负压式 磁吸式吸盘磁吸式,气流负压,挤气负压,电磁吸盘结构,手抓（末端执行器）,电磁式吸盘,气吸式吸盘,手抓（末端执行器）,5、柔性手,手抓（末端执行器）,6、灵巧手,手抓（末端执行器）,THANK YOU,