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

（5）優(yōu)化運(yùn)動參數(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)動簡圖

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)13、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(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、動特性分析

估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學(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。23.2工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運(yùn)動。機(jī)器人一般有兩種運(yùn)動關(guān)節(jié)——轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移(直)動關(guān)節(jié)。為了進(jìn)行位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，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。對于伺服電機(jī)驅(qū)動，檢測元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。3.3.1

驅(qū)動—傳動系統(tǒng)的構(gòu)成31—碼盤；2—測速機(jī)；3—電機(jī)；4—聯(lián)軸器；5—傳動裝置；6—轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；7—桿

8—電機(jī)；

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

(或光柵尺)

41．電動驅(qū)動器

電動驅(qū)動器的能源簡單，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)動比較困難。電動驅(qū)動器又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。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)動器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。3.3.2

驅(qū)動器的類型和特點(diǎn)563.

液壓驅(qū)動器

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

73．氣動驅(qū)動器氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動器相比，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)動器

作為特殊的驅(qū)動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、9

驅(qū)動器的選擇應(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)先考慮電動驅(qū)動器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動驅(qū)動器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅(qū)動器。對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。10

機(jī)器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機(jī)構(gòu)，其中最常用的為諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。3.3.3

機(jī)器人的常用傳動機(jī)構(gòu)

機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的基本要求：(1)結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕；(2)傳動剛度大，即承受扭矩時角度變形要小，以提高整機(jī)的固有頻率，降低整機(jī)的低頻振動；(3)回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，以得到較高的位置控制精度；(4)壽命長、價(jià)格低。

111213諧波傳動工作原理

諧波傳動是利用一個構(gòu)件的可控制的彈性變形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的傳遞。諧波傳動通常由三個基本構(gòu)件(俗稱三大件)組成，包括一個有內(nèi)齒的剛輪，一個工作時可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有滾動軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù)。在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，相應(yīng)于長軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內(nèi)齒；在短軸方向，則外齒全脫開內(nèi)齒。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內(nèi)齒，柔輪齒圈上的任一點(diǎn)的徑向位移將呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動稱作諧波傳動。14

15

二、諧波傳動的主要特點(diǎn)(1)

傳動比大，單級為50—300，雙級可達(dá)2x106。(2)傳動平穩(wěn)，承載能力高，傳遞單位扭矩的體積和重量小。在相同的工作條件下，體積可減小20一50％。(3)齒面磨損小而均勻，傳動效率高。當(dāng)結(jié)構(gòu)合理，潤滑良好時，對i=100的傳動，效率可達(dá)0.85。(4)傳動精度高。在制造精度相同的情況下，諧波傳動的精度可比普通齒輪傳動高一級。若齒面經(jīng)過很好的研磨，則諧波齒輪傳動的傳動精度要比普通齒輪傳動高4倍。(5)回差小。精密諧波傳動的回差一般可小于3’，甚至可以實(shí)現(xiàn)無回差傳動。(6)可以通過密封壁傳遞運(yùn)動。這是其他傳動機(jī)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)的。(7)諧波傳動不能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。16RV擺線針輪傳動RV擺線針輪傳動裝置，是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪減速器組合而成的。二、主要特點(diǎn)與諧波傳動相比，RV擺線針輪傳動除了具有相同的速比大、同軸線傳動、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等待點(diǎn)外，最顯著的特點(diǎn)是剛性好，傳動剛度較諧波傳動要大2—6倍，但重量卻增加了1—3倍。該減速器特別適用于操作機(jī)上的第一級旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，這時自重是坐落在底座上的，充分發(fā)揮了高剛度作用，可以大大提高整機(jī)的固有頻率，降低振動；在頻繁加、減速的運(yùn)動過程中可以提高響應(yīng)速度并降低能量消耗。

1718滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當(dāng)?shù)臐L珠。使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋傳動，滾珠在工作過程中順螺旋槽(滾道)滾動，故必須設(shè)置滾珠的返回通道，才能循環(huán)使用。為了消除回差(空回)，螺母分成兩段，以墊片、雙螺母或齒差調(diào)整兩段螺母的相對軸向位置，從而消除間隙和施加預(yù)緊力，使得在有額定抽間負(fù)荷時也能使回差為零。其中用的最多的是雙螺母式，而齒差式最為可靠。1一齒輪；2一返回裝置；3一鍵；4一滾珠；5一絲杠；6一螺母；7—支座19

滾動螺旋特點(diǎn)：

(1)摩擦小、效率高。一般情況下，傳動的效率在90％以上。

(2)動、靜摩擦系數(shù)相差極小，傳動平穩(wěn)，靈敏度高。

(3)磨損小、壽命長。

(4)可以通過預(yù)緊消除軸向間隙，提高軸向剛度。滾動螺旋傳動不能自鎖，必須有防止逆轉(zhuǎn)的制動或自鎖機(jī)構(gòu)才能安全地用于有自重下降的場合。最怕落入灰塵、鐵屑、砂粒。通常，螺母兩端必須密封，絲杠的外露部分必須用“風(fēng)箱”套或鋼帶卷套加以密封。20另外，對于齒輪傳動、蝸輪傳動和齒輪齒條傳動，須特別注意消除間隙問題，否則回差很大，達(dá)不到應(yīng)有的轉(zhuǎn)角精度要求。對于鏈傳動、齒形帶傳動、鋼帶傳動和鋼絲繩傳動，必須考慮張緊問題，否則也會產(chǎn)生很大的回差。

21關(guān)節(jié)是操作機(jī)各桿件間的結(jié)合部分，有轉(zhuǎn)動和移動兩種類型。工業(yè)機(jī)器人前三關(guān)節(jié)通常稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，它們構(gòu)成了操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)。后面關(guān)節(jié)構(gòu)成了操作機(jī)的姿態(tài)機(jī)構(gòu)，稱作腕部。下面分別討論這些關(guān)節(jié)的構(gòu)造和傳動配置。一、腰關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，且具有較高的運(yùn)動精度和剛度。多采用高剛性的RV減速器減速，也可采用諧波傳動、擺線針輪或蝸桿減速器。3.3工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的構(gòu)造及其傳動配置22由上面的圖例可以看出，腰關(guān)節(jié)的構(gòu)造主要是兩種類型：使用交叉滾子或四點(diǎn)接觸式軸承的同軸式平行軸式。前者結(jié)構(gòu)緊湊，腰關(guān)節(jié)高度尺寸小(使用特制抽承的緣故)，但后面關(guān)節(jié)的各種電纜走線比較困難，大多是在固定的中間柱體外面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的形式松松地套在中間柱體上，當(dāng)腰支架等機(jī)體轉(zhuǎn)動時，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關(guān)節(jié)，電纜則可方便地通過中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。23二、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)對于開式連桿結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)位于腰部的支座上，多采用高剛性的RV減速器減速，也可采用諧波傳動或擺線針輪。肘關(guān)節(jié)位于大臂與小臂的聯(lián)接處。其結(jié)構(gòu)形式有偏置式或同軸式配置，多采用諧波傳動、擺線針輪、齒輪傳動等。24三、直動關(guān)節(jié)

直動關(guān)節(jié)可有兩種類型；電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動。前者多采用滾動絲杠和導(dǎo)柱(軌)式；后者可采用油缸驅(qū)動齒輪的倍速移動結(jié)構(gòu)。25四、手腕關(guān)節(jié)1、單自由度手腕

SCARA水平關(guān)節(jié)裝配機(jī)器人多采用單自由度手骯。SCARA機(jī)器人26

SCARA機(jī)器人操作機(jī)的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉(zhuǎn)自由度。為了減輕操作機(jī)的懸臂重量，手腕的驅(qū)動電機(jī)固結(jié)在機(jī)架上。手腕轉(zhuǎn)動的目的在于調(diào)整裝配件的方位。由于傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動電機(jī)，這是該種傳動方式的主要優(yōu)點(diǎn)，特別適合于電子線路板的插件作業(yè)。

2、兩自由度手腕兩自由度手腕關(guān)節(jié)有兩種常見的配置形式，即匯交式和偏置式。271—

法蘭；2—錐齒輪軸；3—錐齒輪；8，4—彈簧；5，7—鏈輪；6，9—軸承；10一轉(zhuǎn)殼匯交式兩自由度手流1—法蘭；2—轉(zhuǎn)殼；3、6—錐齒輪軸；4—小臂；5、7—鏈輪，8—鏈；9、10—彈簧偏置式兩自由度手腕28兩自由度手腕的另兩種結(jié)構(gòu)。圖1屬匯交型，將諧波減速器置于臂部，驅(qū)動器通過齒形帶帶動諧波，或經(jīng)錐齒輪再帶動諧波使末桿獲得沿x、y軸兩自由度運(yùn)動。圖2為偏置型，則是將驅(qū)動電機(jī)和諧波減速器連成一體，放于偏置的腕殼中直接帶動腕完成角轉(zhuǎn)動。1—扁平諧波；2—杯式諧波；3—齒形帶輪；4—錐齒輪；5—腕殼圖1諧波前置匯交手腕

1—諧波減速9；2—馬達(dá)；

3—銘輪；