工业机器人机械系统设计

工业机器人机械系统设计

机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。它是综合了当代机构运动学与动力学、精密机械设计发展起来的产物，是典型的机电一体化产品，工业机器人由操作机和控制器两大部分组成。操作机按计算机指令运动，可实现无人操作；控制器中计算机程序可依加工对象不同而从新设计，从而满足柔性生产的需要。

机器人应用领域广泛，包括建筑、医疗、采矿、核能、农牧渔业、航空航天、水下作业、救火、环境卫生、教育、娱乐、办公、家用、军用等方面，工业机器人在国内主要应用于危险、有毒、有害的工作环境以及产品质量要求高（超洁、同一性）的重复性作业场合，如焊接、喷涂上下料、插件、防爆等。

一、工业机器人的总体设计

1．主体结构设计

工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。工业机器人的坐标形式主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式等。

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配和检测作业。

圆柱坐标式机器人主要有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕常采用两个自由度，绕手臂纵向轴转动与垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，机器人总自由度达到六个。

球面坐标式机器人也叫极坐标式机器人，具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。

关节坐标式主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节（俯仰、偏转和翻转）用来最后确定末端操

Cobra Series 桌面机器人

Reach:600mm/800mm

Payload:5.5kg

Repeatability:0.02mm

Weight:34/35kg

Desingn Life:

60 Million Cycles SmartModules 框架机器人

Mas Stroke:2000mm

Min Stroke:130mm Number of Axis: 1 to 3 Max Payload:60kg Max speed:1200mm/sec Repeatability:0.01mm Design Life:5000km Cartesian Robots

Size:600*450mm Payload:5.5kg Accuracy:0.025mm Weight:54kg Design Life:5000km

直角坐标机器人工作台：

2．传动方式

传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动形式，主要包括：

直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。

远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。

间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械装置与关节相连。

直接传动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的

中间环节与关节相连。

3．模块化结构设计

模块化机器人是有一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼接的方式组成一个工业机器人系统。模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。

模块化工业机器人主要的特点是：经济性、灵活性

4．材料的选择

与一般机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低。

5．平衡系统设计

工业机器人是一个多刚体耦合系统，系统的平衡性是极其重要的，在工业中采用平衡系统的理由是：安全、借助平衡系统能降低因机器人结构变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值、借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性

力矩引起关节驱动力矩变化的峰值、借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性、借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响、借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。

二、传动部件设计

传动部件是驱动源和机器人各个关节连接的桥梁，是工业机器人的重要部件。机器人的运动速度、加速度（减速度）特性、运动平稳性、精度、承载能力很大程度上是取决于传动部件设计的合理性和优劣。因此，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。

(一)．移动关节导轨

工业机器人对移动导轨的要求

移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向,对移动导轨有如下要求:

1．间隙小或者能消除间隙；

2．再垂直于运动方向上的刚度高；

3．摩擦系数低并不随速度变化;

4．高阻尼；

5．移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。

移动关节导轨主要分类：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。

上面介绍的导轨中，前两种具有结果结构简单、成本低的特点，但是必须有间隙以便润滑，但是间隙的存在又将会引起坐标的变化和有效负载的变化，在低速时候容易产生爬行现象。第三种静压滑动导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种气浮导轨不需要回收润滑油的机构，但是刚度和阻尼较低。第五种滚动导轨在工业机器人导轨种用的是最广泛，具有很多的优点:1摩擦小,特别是不随速度变化;2尺寸小;3刚度高承载能力大;4精度和精度保持度高;5润滑简单;6容易制造成标准件;7易加预载，消除间隙，增加刚度等等。但是,滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点:1阻尼低;2对脏物比较敏感.

（二）．转动关节轴承

转动关节轴承主要用的是球轴承，它能承受轴向和径向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。主要分向心推力球轴承和“四点接触”球轴承。（三）．.传动件的定位及消隙

传动件的定位主要有：

1．电气开关定位

2．机械挡块定位

3．伺服定位系统定位

传动件的消隙主要有：

1．消隙齿轮

2．柔性齿轮消隙

3．对称传动消隙

4．偏心机构消隙

5．齿廓弹性覆层消隙

（四）． 协波传动

要求：

１．伺运动精度高，间隙小，能实现较高的重复定位精度。

２．回转速度稳定，无波动，运动副键摩擦小，效率高。

３．体积小，重量轻，传动扭矩大。

常用的减速机构是行星齿轮机构和谐波传动机构

（五）．.丝杠螺母副和滚珠丝杠传动

丝杠传动机构是将旋转运动变成直线运动的重要传动部件，其优点是不会产生冲击，传动平稳，无噪声，能自锁，由较小的扭矩产生较大的牵引力；缺点是传动效率底下。采用滚珠丝杠传动则能解决这种问题，并且传动精度和定位精度都很高，在传动时灵敏和平稳性很好，磨损小，使用寿命比较长。

１．活塞缸和齿轮齿条机构

２．链传动，皮带传动，绳传动

３．钢带传动

三、臂部设计

工业机器人臂部设计的基本要求：

１．刚度高。为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。 ２．导向性好。为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形，花键等形式的臂杆。

３．重量轻。为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。

４．运动平稳定位精度高。

除了臂部设计上要求力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。 常用的臂部结构有：

1．手部直线运动机构；

机器人手臂的伸缩，横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸，齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞（气）缸的体积小，重量轻，因而在机器人结构中应用的比较多。

２．手臂回转运动机构

实现机器人手臂回转运动的机构形式是多样的，常用的有叶片式回转缸，齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞缸和连杆机构等。

一类新颖的致动设备(例如致动器、发动机、发电机

等)正在步入商业化。它们基于在受到电刺激时会改变

形状的聚合物。

数十年前，构建致动器或者致动设备的工程师

就已经为肌肉找到了一种人造替代物。作为对神经刺激

的响应，肌肉只须改变长度就能够准确地控制其施加的

力量，例如眨眼睛或举起杠铃。同时，肌肉还表现出比

例恒定的属性：对于各种尺寸大小的肌肉，其机理都一

样，相同的肌肉组织既可以给昆虫、也能够为大象赋予

力量。因此，对于难以制作电动马达的驱动设备，某种

类似肌肉的东西也许会有用武之地。

EPAs号称要成为未来的人造肌肉。研究人员已经在雄心勃勃地工作，希望能够为许多当代的技术寻找基于EPA的可选方案，而且不害怕将他们的发明物与自然物竞争。几年前，有几个人，包括来自美国加州帕萨迪纳喷气推进实验室(JPL)的高级科学家Yoseph Bar-Cohen，向电活化聚合物研究团体发起了一项挑战，以激发人们对该领域的兴趣：展开一项竞赛，看谁能够最先制造出EAP驱动的机器人手臂，而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。

在压电材料中，机械应力可导致晶体电极化，而且反之亦然。用电流刺激这种材料将使其变形；通过改变其形状可以产生电。

塑料对电的反应

响应电流而改变形状的聚合物可分为两类：离子型和电子型，其优势和劣势正好互补。

离子型EAPs(包括离子聚合物凝胶体、离子性高分子如金属复合材料、导电性高分子以及碳纳米管)是在电化学的基础上工作——即正负离子的移动和扩散。它们可以直接用电池带动，因为即便一个个位(single-digit)电压也能够使它们大幅度弯曲。不足之处在于，离子型EAPs通常必须是湿的，因此应当密封在挠性薄层中。许多离子型EAPs的另一个主要缺陷在于只要电流接通，该材料就会一直运动，如果电压超过一定值，将会产生电解，从而给材料造成无法修复的损坏。

相反，电子型EAPs(例如铁电聚合物、电介体、电绝缘橡胶以及电致伸缩移植橡胶)则由电场驱动。它们需要相对较高的电压，因此会产生让人不舒服的电击。但是，作为回报，电子型EPAs能够迅速作出响应，并且传递较强的机械力。它们不需要保护薄层，而且几乎不需要电流就能够保持某个定位。

SPR的人造肌肉材料属于电子型EAP类型。它的成功开发经历了漫长曲折的道路，而且多少带有一些偶然性，可以称得上是奇思怪想式技术创新的一个经典范例。

四、机身及行走机构设计

人的下肢主要功能是承受体重和走路。对于静止直立时支承体重这一要求，机器人还容易做到，而在像人那样用两足交替行走时，平衡体重就存在着相当复杂的技术问题了。首先让我们分析一下人的步行情况。走路时，人的重心是在变动的，人的重心在垂直方向上时而升高，时而下降；在水平方向上亦随着左。右

脚交替着地而相对应地左、右摇动。人的重心变动的大小是随人腿迈步的大小、速度而变化的。当重心发生变化时，若不及时调整姿势，人就会因失去平衡而跌倒。人在运动时，内耳的平衡器官能感受到变化的情况，继而通知人的大脑及时调动人体其他部分的肌肉运动,巧妙地保持人体的平衡.而人能在不同路面条件下(包括登高、下坡、高低不平、软硬不一的地面等）走路，是因为人能通过眼睛来观察地面的情况，最后由大脑来决策走路的方法，指挥有关肌肉的动作。从而可以看出，要使机器人能像人一样，在重心不断变化的情况下仍能稳定的步行，那是困难的。同简化人手功能制造机器人的上肢的方法一样，其下肢没有必要按照人的样式全盘模仿。只要能达到移动的目的，我们可以采取多种形式：用足走路是一种形式，还可以像汽车、坦克那样用车轮或履带（以滚动的方式）来移动。

如何正确引导机器人的移动：

移动机器人的导向从大的方面来分，有轨道式和无轨道式两种。轨道式是检测机器人与轨道的相对位置进行导向的；无轨道式则是检测机器人在移动环境中的位置进行导向的。

用轨道来引导机器人移动的方法有多种：一是像铁路铺轨道一样，机器人的轮子在轨道上滚动，由轨道引导到各工作位置。在车间地面下浅层snun－10mm 处敷设电缆，通人数千HZ（赫芝）高频交流电，使之产生磁场；在移动机器人身上安装两个测向线圈检测磁场信号，进行移动导向。移动路线由所敷设的电缆决定。电缆敷好以后，要改变导向路线就很困难，但可靠性高，大多数工厂车间内都采用这种方法。也有的把金属箔带或白色带子沿着机器人必须行走的路线贴在地面上，当光线照在地面上时，用电视摄像机或光电管判别白带反射光谱来进行导向。这种方法比起敷设电缆，改变移动路线要容易一些。更方便的方法是激光导向，即在机器需要经过的道路上用激光照射，依靠移动机器人身上安装的激光测定器来测定其移动方向，控制指挥机器人移动。

无轨道式导向主要用于自动移动机器人，它要求机器人能自动识别自身所处位置，选择移动路线而自主运动。因此，机器人必须装有视觉、触觉等装置，用来辨识环境和道路情况，测出自己的位置和方向，通过计算机控制自身的运动。常用的最简单的方法是超声导向方法。众所周知，振幅的眼睛在夜里是看不见东西的，但它能从体内发出并接受超声波，依靠超声波在夜间飞行。利用这一原理，给机器人配备超声波发射器及接受器，移动前先发射超声波，接受器根据超声波的反射波情况，测出机器人与壁式障碍物间的相对距离及道路情况，从而决定其运动方向，控制机器人的移动。如果再加上摄像机的视觉引导，机器人的移动就更加自如。

采用无轨道式导向装置，检测时需用较复杂的装置，价格昂贵，可靠性还存在问题，但其灵活性则远比轨道式大。进一步完善后，完全有可能替代轨道式的导向控制，在生产车间内应用。

五、机器人的嗅觉

给机器人装上鼻子就要用到嗅觉传感器，使它能感受各种气味，从而用来识别其所在环境中有害气体，并测定有害气体的含量。目前还做不到让机器人像人一样闻出多种气味的机器鼻子。常用的嗅觉传感器是半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体的物理性质变化，借以测定某种特定的气体成分及其含量的。大气中的气味各种各样，而目前研制出的气体传感器只

能识别像H2 、C2 、CO、NO等少数气体。因此，除特殊需要安装探测特定气体的气体传感器外，一般的机器人基本上没有嗅觉。

六、机器人的触觉

触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称。多数动物的触觉器是遍布全身的，像人的皮肤位于人的体表，依靠表皮的游离神经末梢能感受温度。痛觉、触觉等多种感觉，因此，对人来说，除了视觉以外，触觉接受外界的信息量最多。但是昆虫或甲壳类动物的触觉器官却集中在头部的触角中。像蟋蟀与虾的触须有身体长度的2．5－3倍。依靠长触须可确认远处物体所在的位置，判别其大小。要使机器人具有动物那样敏感的触觉是相当困难的，机器人装上触觉传感器的目的是检测机器人的某些部位（如手或足）与外界物体是否接触，识别物体的形状和在空间的位置，保证机器人的手能牢固地抓住物体，或保证其足能稳稳地踩在地面上。虽然这些事情大多数都可以用视觉传感器来解决，但视觉系统造价昂贵，控制复杂，特别是在暗处，或者障碍物存在于视觉传感器和对象物之间，就无法获得视觉信息。与视觉系统相比，触觉系统要简单得多，价钱也便宜得多，这就是广泛使用触觉传感器的原因所在。因此，给机器安装上恰当的触觉传感器，使机器人具有一定的触觉知能，就有更重要的意义了。

机器人的触觉集中在手上，因为它主要是用手指来接触物体的。要想获得较多的触觉信息，最好在手指表面大范围地分布相同的触觉传感器；用像人的皮肤那样柔软而富有弹性的材料制作机器人的手，藉以增大与物体的接触面，牢固地握住物体。此外，还希望触觉传感器形体小、重量轻、灵敏度高、集成度高、可靠性高。

七、机器人的视觉

机器人视觉系统主要应用于以下三方面：

1．用视觉进行产品检验，代替人的目检。包括：形状检验棗检查和测量零件的几何尺寸。形状和位置；缺陷检验检查零件是否损坏，划伤；齐全检验棗检查部件上的零件是否齐全。

2．在机器人进行装配、搬运等工作时，用视觉系统对一组需装配的零、部件逐个进行识别，并确定它在空间的位置和方向，引导机器人的手准确地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分类、搬运和装配任务。

3．为移动机器人进行导航。利用视觉系统为移动机器人提供它所在环境的外部信息，使机器人能自主地规划它的行进路线，回避障碍物，安全到达目的地，并完成指令的工作任务。

０１机电３班

张浩

０１１１０９０５３１