机器人传动系统设计
机器人学_第2章_机器人机械结构
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
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腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
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腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
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1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
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2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕
(完整word版)06-02《机器人传动》教学设计
第2课机器人传动【教材分析】传动是机器人运动的方式。
本节课需要学生掌握皮带传动、链传动和齿轮传动三种传动方式的概念和特点。
此处的机械结构的问题在教材中初次被提及，教师应列举实例，让学生体验到传动的概念以及相关的知识背景，能够辨别出采用的是哪一种动力传动系统，采用该种传动方式的优点和缺点。
【学情分析】1.在传动的讲解中，注重不同类型的传动的区别，帮助学生在实例中区分不同传动的优势和应用场合，让学习者在已有知识的基础上进行更多的体验。
例如：在讲解到链传动的内容时，教师可以结合学生都熟悉的自行车运动来进行讲授，让学习者可以亲身感受传动的乐趣。
2.本课设计小实验：用橡皮筋带动两个瓶盖进行传动实验。
教师在进行本课实验的过程中，可以安排以小组为实验单位，共同完成这个传动过程。
实验小组以3～4人为宜，可以进行必要的分工。
【教学目标与要求】学生学习皮带传动、链传动和齿轮传动的方法，掌握传动在机器人运动中的重要作用。
通过皮带传动的学习，加强对机器人机械结构基本原理的理解，提升学习者的学习兴趣，培养学生探索意识。
在不同的背景条件下，让学生可以通过实际应用情况判断传动的类型。
【教学重点与难点】重点：传动的基本原理、传动的概念认知及常见传动方式。
难点：传动在实际中的运用及原理以及不同类别的传动的区别。
【教学方法与手段】演示教学法、探究学习法、任务驱动教学法。
【课时安排】安排1课时。
【教学准备】多媒体网络教室、小木块、瓶盖若干、皮筋若干。
【教学过程】二、小组协作、合作探究“认识皮带传动”。
师：在缝纫机中，脚踏为哪个轮子提供动力，带动哪个轮子呢？师：皮带传动是通过主动轮和从动轮相互配合，并通过皮带进行动力的传递，让我们一起来认识一下它的基本原理：生：通过观察课件，领会主动轮和生通过观察动画，领会主动轮和从动轮的传动方式。
师：在生活中还有很多皮带传动的例子，它们悄悄地在为我们服务。
师展示例子，生补充。
认识皮带传动的概念。
三、皮带小实验设置一组小实验，感受皮带传动的过程。
六自由度机器人结构设计
六自由度机器人结构设计六自由度机器人是一种具有六个独立自由度的机器人系统，允许其在六个不同的方向上进行平移和旋转运动。
这种机器人系统被广泛应用于工业自动化、医疗、航天航空等领域。
在设计六自由度机器人结构时，需要考虑机器人的运动灵活性、精度和稳定性等因素。
本文将探讨六自由度机器人的结构设计。
1.机械结构设计六自由度机器人的机械结构设计是其最基本的设计要素之一、一般而言，六自由度机器人由底座、连接杆、关节和末端执行器等部分组成。
在设计机械结构时，需要考虑机器人的工作空间要求、重量和刚度等因素。
一种常见的结构设计是将机器人分为两个连杆外部结构和四个内部关节连杆结构，以实现较高的精度和稳定性。
2.关节传动系统设计关节传动系统是六自由度机器人结构中的核心组成部分。
六自由度机器人通常使用直流电动机或步进电动机作为驱动器。
在选择驱动器时，需要考虑其扭矩、精度和响应速度等因素。
同时，传动系统也需要选择合适的减速器、链条或齿轮传动等机械传动装置来实现关节的运动。
3.传感器系统设计传感器系统是六自由度机器人结构中的关键部分，用于实现机器人对外部环境和自身状态的感知。
常用的传感器包括编码器、力/力矩传感器、视觉传感器等。
编码器可用于测量关节的位置和速度，力/力矩传感器用于感知机器人对外部环境的力或力矩作用，视觉传感器用于感知机器人周围的物体和环境。
传感器系统设计需要考虑传感器的精度、可靠性和与其他系统的配合等因素。
4.控制系统设计控制系统设计是六自由度机器人的关键环节，用于实现机器人的运动控制和路径规划。
控制系统通常采用计算机或嵌入式系统来实现。
在控制系统设计时，需要考虑机器人的动力学和运动学模型，以及相应的控制算法和控制器设计。
常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。
5.安全系统设计安全系统设计是六自由度机器人结构设计的重要组成部分，用于保证机器人的运行安全。
安全系统设计包括安全门、急停按钮、碰撞检测装置等。
小学信息技术《 机器人传动》教学设计及教学反思
小学信息技术《机器人传动》教学设计及教学反思【教材分析】传动是机器人运动的方式。
本节课需要学生掌握皮带传动、链传动和齿轮传动三种传动方式的概念和特点。
此处的机械结构的问题在教材中初次被提及，教师应列举实例，让学生体验到传动的概念以及相关的知识背景，能够辨别出采用的是哪一种动力传动系统，采用该种传动方式的优点和缺点。
【学情分析】1.在传动的讲解中，注重不同类型的传动的区别，帮助学生在实例中区分不同传动的优势和应用场合，让学习者在已有知识的基础上进行更多的体验。
例如：在讲解到链传动的内容时，教师可以结合学生都熟悉的自行车运动来进行讲授，让学习者可以亲身感受传动的乐趣。
2.本课设计小实验：用橡皮筋带动两个瓶盖进行传动实验。
教师在进行本课实验的过程中，可以安排以小组为实验单位，共同完成这个传动过程。
实验小组以3～4人为宜，可以进行必要的分工。
【教学目标与要求】学生学习皮带传动、链传动和齿轮传动的方法，掌握传动在机器人运动中的重要作用。
通过皮带传动的学习，加强对机器人机械结构基本原理的理解，提升学习者的学习兴趣，培养学生探索意识。
在不同的背景条件下，让学生可以通过实际应用情况判断传动的类型。
【教学重点与难点】重点：传动的基本原理、传动的概念认知及常见传动方式。
难点：传动在实际中的运用及原理以及不同类别的传动的区别。
【教学方法与手段】演示教学法、探究学习法、任务驱动教学法。
【课时安排】安排1课时。
【教学准备】多媒体网络教室、小木块、瓶盖若干、皮筋若干。
【教学过程】【教学反思】本课我设计了四个学习任务。
通过展示引入——探究——归纳——应用——评价几个环节，根据学生喜欢操作的特点，以实验代替讲授、促学习，让学生在实践中学习、理解知识。
本节课联系生活实际，采用皮带实验活动，激发学生学习兴趣，使学生乐于学习。
课堂上我运用了演示、实验、讨论等教学方法，激励学生全面参与、主动学习，培养创新能力和实践操作能力，让学生通过实验去动手操作、掌握技能，让学生学会自己动手解决问题，发挥想象力，培养学生的发散思维能力、创新能力。
机械传动系统的设计与仿真分析
机械传动系统的设计与仿真分析一、引言机械传动系统是指通过齿轮、皮带、链条等机构进行动力传递的装置。
在现代工业中，机械传动系统广泛应用于汽车、机器人、航空航天等领域。
本文将探讨机械传动系统的设计原理和仿真分析方法。
二、机械传动系统的设计原理机械传动系统的设计涉及到动力传递、速度转换和扭矩输出等方面。
其主要设计原理包括以下几点：1. 齿轮传动齿轮传动是最常见的一种机械传动形式。
通过不同规格的齿轮进行啮合，实现不同速度和扭矩的传递。
在设计齿轮传动系统时，需要考虑齿轮的材料选择、齿轮模数、齿数比和啮合角等因素。
2. 皮带传动皮带传动是通过拉紧皮带来传递动力的一种机械传动方式。
在设计皮带传动系统时，需要考虑皮带的类型、带速系数、切向力和侧向力等因素。
3. 链传动链传动是由链条、链轮和滚子等组成的一种机械传动系统。
在设计链传动系统时，需要考虑链条的选择、链轮的模数和齿数等因素。
三、机械传动系统的仿真分析方法为了验证机械传动系统的设计方案和性能参数，可以利用仿真分析方法进行验证。
常用的机械传动系统仿真分析方法包括：1. 动力学仿真动力学仿真可以通过建立传动系统的动力学模型，评估系统的运动特性和稳定性。
通过仿真软件，可以模拟传动系统各部件的运动和相互作用，分析系统的振动、噪声和能耗等问题。
2. 强度分析强度分析是对传动系统的零部件进行强度计算和优化设计的过程。
通过有限元分析等方法，可以评估齿轮、链条和皮带等零部件的强度和疲劳寿命，确保传动系统在工作状态下的安全可靠性。
3. 效率仿真效率仿真是对传动系统的能量损失进行分析和优化的方法。
通过建立传动系统的功率流动模型，可以评估传动过程中的损失，根据仿真结果进行优化设计，提高传动系统的效率。
四、案例分析：汽车传动系统设计与仿真以汽车传动系统为例，进行设计与仿真分析。
在汽车传动系统中，齿轮传动、链传动和皮带传动等多种传动机构同时存在。
1. 齿轮传动设计根据汽车的需求，选择适当的齿轮材料和齿轮参数，如模数、齿数比等。
第3章3.6 机器人传动系统
工业机器人基础
1
第3章 机器人的机械结构系统
1.13工.1业概机述器人的基本概念 3.2 机器人机身及臂部结构 3.3 机器人腕部结构 3.4 机器人手部结构 3.5 机器人行走结构 3.6 机器人传动系统
2020/2/27
2
3.6 机器人传动系统
2020/2/27
机器人传动系统，是将驱动器输出的运动和动力传送
曲齿圆锥齿轮传动
交错轴斜齿轮传动
蜗轮蜗杆传动 7
3.6 机器人传动系统
1.1 工业机器人的基本概念
平面传动
空间传动
2020/2/27
8
3.6 机器人传动系统
❖ 齿轮链——齿轮传动形式 1.1 工业机器人的基本概念
2020/2/27
一级传动（反向）
二级传动（同向）
三级传动（反向）
一级传动（同向）
9
18
3.6 机器人传动系统
柔轮与刚轮齿面的啮合过程：
1.1 工业机器人的基本概念
2020/ห้องสมุดไป่ตู้/27
19
3.6 机器人传动系统
1.1 工业机器人的基本概念
2020/2/27
20
3.6 机器人传动系统
2020/2/27
3) 单级谐波齿轮常见的传动形式和应用
①1刚.1轮固工定业—机柔器轮人输的出基本概念
内循环滚珠丝杠
2020/2/27
1-凸键 2、3-反向器 4-丝杠 5-钢珠 6-螺母 7-反向器
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3.2 机器人机身及臂部结构
2020/2/27
丝杠传动举例：
1.1 工业机器人的基本概念
1-电动机； 2-蜗杆； 3-臂架； 4-丝杠； 5-蜗轮； 6-箱体； 7-花键套
第二章 机器人传动系统
第二章机器人驱动-传动系统机器人操作机有两种运动关节——转动关节和移（直）动关节。
对电动系统来说，常见的驱动—传动形式如图2-1所示：图2-1 驱动-传动系统的组成a一转动系统b一移（直）动系统1一码盘2一测速机3一电机4一联轴器5—传动装量6一转动关节7一杆8一电机9一联轴器10一螺旋副11—移动关节，12一电位器（或光栅尺）在系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。
为了进行使置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。
检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。
对于伺服电机，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。
2.1 驱动装置及其选择2.1.1 机器人驱动装置的类型和特点1. 电动驱动器电动驱动器是目前使用的最广泛的驱动器。
它的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度部很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。
电动驱动器又可分为直流(Dc)、交流(Ac)伺服电机驱动和步进电机驱动。
后者多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。
直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。
随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。
2. 液压驱动器液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。
图2-2为几种液压驱动器示例。
图2-2 几种液压驱动器3．气动驱动器气动驱动器的能源、结构都比较简单、但与液压驱动器相比，同体积条件下功率较小(因压力低)，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。
图2-3为几种气动驱动器示例。
图2-3 几种气动驱动器2.1.2 伺服电机的特点及应用1. 直流伺服电机直流(DC)伺服电机转动惯性小，启停反应快，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。
一种管道机器人的结构设计与性能分析
一种管道机器人的结构设计与性能分析管道机器人是一种专门用于管道内部检测和维护的机器人。
它具有强大的适应性和灵活性，并且可以在不同形状、尺寸和材料的管道内进行操作。
在实际应用中，管道机器人能够有效地提高工作效率，减少人力资源和维修成本。
本文将探讨管道机器人的结构设计和性能分析。
一、管道机器人的结构设计1.机身结构管道机器人的机身主要由外壳、底盘和轮子组成。
外壳通常由高强度塑料或金属材料制成，具有较强的耐油、耐温和耐磨损性能。
底盘可以根据管道的不同形状适当调整，以保证机器人在管道内能够保持平衡和稳定性。
轮子的设计通常考虑到摩擦力和稳定性，使机器人能够有效地在管道内运动。
2.传动系统传动系统是管道机器人的核心组成部分之一，它由马达、传力装置、减速器和轮子等组成。
机器人的前后进和转向操作由传动系统中的电动机和减速器等组成。
同时，在机器人的设计过程中，减速器的设计需要根据机器人的重量和管道内的摩擦系数等因素来确定。
此外，传动系统必须确保机器人的稳定性和可靠性，以保证机器人在工作时能够持续高效地运动。
3.传感器系统传感器系统主要用于管道机器人的定位、检测和监控。
其中包括云台式摄像头、温度探头、湿度探头和烟雾探头等。
这些传感器能够对管道内的各项数据进行实时监测和分析，确保机器人在管道内能够准确获取所需信息。
4.电源系统电源系统主要包括电池、变压器、关联线路和充电设备等。
机器人的电源系统必须满足续航时间、充电效率和使用寿命等方面的高标准要求。
电池通常采用高效锂电池，具有较长的使用寿命和稳定性。
5.控制系统管道机器人的控制系统是机器人的灵魂，可以实现对机器人的远程操作、精准导航和实时数据监测等。
在控制系统中，主要包括单片机、编码器、传感器和通讯模块等，它们能够协调控制机器人的动态性能和定位精度等。
二、管道机器人的性能分析1.运动性能针对管道机器人在不同管道内的运动性能分析，主要包括前、后进速度和克服管道摩擦力等研究。
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移动关节导轨有五种：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。前两种具有结构简单、成本低
的优点，但是它必须留有间隙以便润滑，而机
器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在
又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；
另外，这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化
而变化，在低速时，容易产生爬行现象(速度时
❖ 一、移动关节导轨及转动关节轴承: ❖ (一)移动关节导轨 ❖ l. 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，对机器人移动导轨有如下几点 要求：
❖ (1)间隙小或能消除间隙； ❖ (2)在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。 ❖ (6)无低速爬行现象
增加刚度。
❖ 但是，滚动导轨用在机器人机械系统中也存在 着缺点：①阻尼低，②对脏物比较敏感。
直线导轨
滚珠丝杠
❖ (二)转动关节轴承 ❖ 球轴承是机器人和机械手结
构中最常用的轴承。它能承受径 向和轴向载荷，摩擦较小，对轴 和轴承座的刚度不敏感。图 (a) 为普通向心球轴承；图 (b)为向 心推力球轴承。这两种轴承的每 个球和滚道之间只有两点接触 (一点与内滚道，另一点与外滚 道)。为了预载，此种轴承必须 成对使用。图(c)为“四点接触” 球轴承。该轴承的滚道是尖拱式 半圆，球与每个滚道两点接触， 该轴承通过两内滚道之间适当的 过盈量实现预紧。因此，此种轴 承的优点是无间隙，能承受双向 轴向载荷，尺寸小，承载能力和 刚度比同样大小的一般球轴承高 1.5倍，缺点，是价格较高。
❖ (二)传动件的消隙
❖ 传动的间隙，影响了机器人的重复定位 精度和平稳性。对机器人控制系统来说， 传动间隙导致显著的非线性变化、振动 和不稳定。但是，传动间隙是不可避免 的，其产生的主要原因有：由于制造及 装配误差所产生的间隙；为适应热膨胀 而特意留出的间隙。消除传动间隙的主 要途径有：1）提高制造和装配精度；2） 设计可调整传动间隙的机构；3）设置弹 性补偿零件。
❖ 三、谐波传动Байду номын сангаас
❖ 电动机是高转速、低力矩的驱动器,在机器人中 要用减速器变成低转速、高力矩的驱动器。机 器人对减速器的要求下 ：
❖ (1)运动精度高，间隙小，以实现较高的重复定 位精度；
❖ (2)回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小, 效率高
❖ (3)体积小，重量轻，传动扭矩大。
❖ 在工业机器人中，比较合乎要求且常用的减 速器是行星齿轮机构和谐波传动机构。
❖ 二、传动件的定位及消隙
❖
(一)传动件的定位
工业机器人的重复定位精度要求较高，设计时应根据
具体要求选择适当的定位方法。目前常用的定位方法 有电气开关定位、机械挡块定位和伺服定位。
❖
l.电气开关定位
❖ 电气开关定位是利用电气开关(有触点或无触点)作 行程检测元件，当机械手运行到定位点时，行程开关 发信号切断动力源或接通制动器，从而使机械手获得 定位。液压驱动的机械手运行至定位点时，行程开关 发出信号，电控系统使电磁换向阀关闭油路而实现定 位。电动机驱动的机械手需要定位时，行程开关发信 号，电气系统激励电磁制动器进行制动而定位。使用 电气开关定位的机械手，其结构简单、工作可靠、维 修方便，但由于受惯性力、油温波动和电控系统误差 等因素的影响，重复定位精度比较低，一般为土 (3~5)mm。
❖ 2.机械挡块定位 ❖ 机械挡块定位是在行程终点设置机
械挡块，当机械手减速运动到终点时， 紧靠挡块而定位，若定位前缓冲较好， 定位时驱动压力未撤除，在驱动压力下 将运动件压在机械挡块上，或驱动压力 将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定 位精度，最高可达士0.02mm。若定位时 关闭驱动油路、去掉驱动压力，机械手 运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精 度就会减低，其减低的程度与定位前的 缓冲效果和机械手的结构刚性等因素有 关。
行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大， 结构紧凑，载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿 轮也具有较高的承载能力。
❖ 谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈 的行星传动。但是，它在机器人上获得比行星 齿更广泛的应用。图所示是谐波传动的结构简 图。由于谐波发生器４的转动使柔轮６上的齿 ７与圆形花键轮(刚轮)1上的齿2相啃合。输入 轴为3，如果刚轮1固定；则轴５为输出轴，如 果轴5固定，则轴1为输出轴。
❖ 3.伺服定位系统
❖ 电气开关定位与机械挡块定位这两种定位 方法只适用于两点或多点定位。而在任意点定 位时，要使用伺服定位系统。伺服系统可以输 入指令控制位移的变化，从而获得良好的运动 特性。它不仅适用于点位控制，而且也适用于 连续轨迹控制。
❖
开环伺服定位系统没有行程检测及反馈，
是一种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器
环境的空气条件(过滤和干燥)要求较高，不过
由于其摩擦系数低(大约为0.0001)，估计将来
是会采用的（三坐标测量机）。而目前，第五
种滚动导轨在工业机器人中应用最为广泛，因
为它具有很多优点：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精度和精度保持性高,⑤润滑简单；⑥容易制
造成标准件，⑦滚动导轨易加预载，消除间隙、
快时慢)等缺点。第三种静压导轨结构能产生预
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。
❖
最近，有人在静压润滑系统中采用了高粘
度的润滑剂(如油脂)，并已用到机器人的机械
系统中。第四种气浮导轨是不需回收润滑油的，
但是它的刚度和阻尼较低，并且对制造精度和
传动部件设计
❖ ，传动部件是构成工业机器人的重要部件。 用户要求机器人速度高、加速度(减速度)特性好、 运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上 决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节 传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。本 节将介绍工业机器人传动部件的结构和设计特点， 以帮助设计者合理选用。
人速度和位移的定位方式。这种定位方式抗干
扰能力差，定位精度较低。如果需要较高的定
位精度(如士0.2mm)，则一定要降低机器人关
节轴的平均速度。
❖ 闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干
扰能力强，反应速度快，容易实现任意点定位。 图是齿条齿轮反馈式电-液闭环伺服系统方框图。 齿轮齿条将位移量反馈到电位器上，达到给定 脉冲时，马达及电位器触头停止运转，机械手 获得准确定位。