第五讲_第5章机器人机械系统设计ppt课件.ppt

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1、第五章机器人机械系统设计(2)§3、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，又称为立柱，是支撑臂部的部件，并能实现手臂的升降、回转或仰俯运动。另外，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。一、机身的典型结构通常机身有回转、升降、俯仰等几种自由度，选取哪些自由度由机器人的总体设计来定，比如：圆柱坐标式机器人把回转与升降2个自由度归属于机身。关节坐标式机器人把回转自由度归属于机身（俯仰往往归属于肩部）；直角坐标式机器人有的把Z轴升降，有的把X轴平移的自由度归属于机身。1.回转与升降机身圆柱坐标式机器人常

2、采用，含一个升降油缸与回转油缸。(1)液压驱动(2)链轮传动机构2.回转与俯仰机身3关节机器人回转机身电机直接连接驱动方式（即带减速器）居多，也有带轮、链轮传动方式的。回转的电机由于不需要克服机器人重力，驱动功率并不会很大。4仿人机器人复杂而精巧的机身这类机器人往往需要使腰部具备回转、俯仰及左右摆动等多方向的自由度。①要给出一定空间容纳肩部的电机与关节，或者与肩部综合优化。与行走机构的综合也是类似优化思想。②对于一些远距离传动的方式，需要给出空间容纳相关的驱动与传动装置。③机身在设计时需要兼顾刚度、体积，在满足刚度的情况下，应尽量减小体积，避免机器人显得过于臃肿。对

3、于行走机器人，更需要最大程度地减小机身重量。④机身应该美观、简洁，如果条件允许，应设计外套将机器人“包”起来，这样既可以美观大方，又能避免积尘垢，利于机器人的维护与保养。5机器人机身结构设计的其它要点二、机身驱动力计算1.回转运动驱动力矩的计算；2.垂直升降运动驱动力的计算；3.升降立柱下降不卡死（不自锁）的条件计算；在设计时，主要考虑机器人最大俯仰力矩所产生的对立柱的压力而带来的摩擦力。（以前面工业机器人图示解）可避免复杂的动力学核算，而简单按照机械臂最大展开时的惯性力矩计算。角加速度估算可按设计多少时间内达到最大角速度进行。转动惯量可将复杂的机械臂外形进行简化估

4、算（需要将末端操作器与夹持物的重量包含在里面估算）。§4、臂部设计臂部的主要运动有伸缩、回转、横移、升降或俯仰。以俯仰动作居多臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定，同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油（气）缸及导向装置的布置、内部管路（电气线路）与手腕的连接形式，驱动源（电机）在手臂上的安装方式等因素。一、臂部设计的基本要求①刚度高，承载能力足----精度的根本保证；在选材上，在结构方面考虑如何增强刚度。机器人设计必须进行刚度核算。②导向性能好----精度的重要保证使传动副间隙达到最低，手臂及关节无扭曲变形。③动作迅

5、速、灵活、平稳----精度、速度的体现；除了使结构紧凑、重量轻外，增加缓冲或阻尼装置，增强机构的润滑，尽可能使用直接连接传动或直接驱动方式。④重量轻、转动惯量小；⑤合理设计与臂和机身的连接部位；设计手臂与机身与臂的连接关节时，要在结构紧凑、简单与刚度、任务要求综合考虑。当前发展的趋势看，即便刚度好，任务要求满足，但臃肿的结构越来越不受欢迎。何况臃肿的结构又会带来驱动源功率、重量的提高，需要重新演算有关刚度、强度等。还需要注意下述问题：二、手臂的典型结构1.臂部伸缩机构因气缸的体积小、重要轻，常应用在直线运动机构中，尤其是轻负荷、一般精度场合。通常采用带减速器的电机直

6、接驱动，目前DD电机所占比重日益增加。传统的方式有摆臂油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动来实现手臂的仰俯（垂直平面内的回转），该方式目前所占比重越来越小，在大负载场合考虑。2.手臂仰俯运动机构三、臂部运动驱动力计算臂部回转运动驱动力矩的计算；2.臂部水平伸缩运动驱动力的计算；总摩擦力矩，对竖直平面内的回转内，这个力占得比重已不大，甚至可以忽略估算。避免复杂的动力学核算，而简单按照机械臂最大展开时的惯性力矩（包含重力）计算。也可分步演算，先进行静力计算，然后估算机械臂加速下的最大驱动力。在液压缸、气缸或电机体积较大时，必须选用恰当方式估算转动惯量，体积较小时，可当作质点

7、简单估算。§5、手腕设计一、手腕的自由度腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有偏转（Yaw，用Y表示）、仰俯（Pitch，用P表示）和回转（Roll，用R表示）三个自由度。手腕的坐标系和自由度见图。二、腕部的典型结构1.单自由度回转运动手腕2.二自由度手腕(1)双回转油缸驱动的腕部(2)齿轮传动二自由度腕部(1)齿轮链轮传动三自由度腕部3.三自由度手腕基于齿轮传动的多自由度手腕，已越来越少见。然而实际设计的手腕如果都包含这三个自由度，往往非常臃肿、笨重！(2)液