3-机器人传动系统设计(1)资料
工业机器人传动机构的要求_概述及解释说明
工业机器人传动机构的要求概述及解释说明1. 引言1.1 概述工业机器人作为现代制造业的重要组成部分，具有高效、灵活和精确等特点，已经被广泛应用于各个行业。
其中，机器人传动机构作为机器人运动的核心部件之一，对于机器人的性能和运动能力起着至关重要的作用。
因此，研究工业机器人传动机构的要求及其解释说明具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.2 文章结构本文将按照以下结构进行叙述：首先，在引言部分概述工业机器人传动机构的研究背景和意义，并明确文章主题。
接着，在第二部分中详细介绍工业机器人传动机构的要求，包括传动机构概述、功能要点和性能要求。
然后，在第三部分对常见的摩擦传动、齿轮传动和带传动等几种主要类型进行解释说明。
随后，在第四部分探讨了工业机器人传动系统优化方法，包括优化设计原则、材料选择与加工工艺优化以及控制与调节策略优化。
最后，在第五部分总结本文，并展望了未来的研究方向。
1.3 目的本文旨在全面了解和阐述工业机器人传动机构的要求及其解释说明。
通过对机器人传动机构功能、性能、类型以及优化方法等方面的深入探讨，进一步提高相关领域的研究水平，并为工业机器人设计与应用提供参考和指导。
同时，希望通过本文的撰写能够促进工业机器人传动技术的发展，推动制造业现代化进程。
2. 工业机器人传动机构的要求2.1 传动机构概述工业机器人的传动机构是指将电能转换为机械运动所必需的装置。
传动是通过将电机或发动机的旋转运动通过不同类型的传动元件传递给执行器，从而实现机器人运动和执行任务。
2.2 传动机构功能要点工业机器人传动机构需要具备以下功能要点：a) 力量传递：传动机构需要能够有效地将电能转化为力量，并将力量传输到执行器，以使其进行相应的运动。
b) 速度变换：工业机器人在不同的任务中往往需要不同的速度，因此，传动机构需要能够实现速度变换，以满足不同速度要求。
c) 运动控制：传动机构还需要具备良好的运动控制性能，以确保精准和可控的运动。
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
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(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
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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
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3）双回转油缸驱动手腕
02209《机械制造装备设计备》统考资料20150810
02209《机械制造装备设计》备考提示本课程为自学考试四川省出题、西南科技大学主考，出题范围西南科技大学的自考题库为准。
本大纲及汇总资料根据近几年来的出题重点汇编，有很强的针对性。
请大家在备考的过程中，先根据习题边做边看书。
本次10月中旬考试，模拟题提前1周可以拿到。
《机械制造装备设计》备考试大纲一、课程性质、目的和要求《机械制造装备设计》是机械制造及自动化专业的主要专业课程。
通过学习，获得装备设计的基本理论、基本知识和方法；通过学习和课程设计，初步具备设计一般机械制造装备总体设计和部件设计的能力，具体要求是:1.获得机械制造装备设计的基本知识和理论，包括机械制造装备的构成、基本要求，传统设计的基础理论和设计方法，先进的设计原理和现代设计方法。
2.初步具备机械制造装备设计（总体和部件设计）的能力。
3.了解机械制造装备的技术现状和发展趋势。
本课程的先修课程为：工程力学、机械设计、机械工程材料、机械制造技术；后续课程为：其它专业课程、课程设计、毕业设计。
二、考核目标（考核知识点、考核要点）第一章绪论一、考核知识点（一）机械制造装备的作用。
（二）机械制造装备应具备的主要功能和分类。
二、考核要点1.识记：全新的生产制造模式的主要特征；制造装备的功能和分类。
2.领会：理解机械制造装备应满足的一般要求和柔性化、精密化、自动化、机电一体化、节材、绿色工程等要求。
第二章机械制造装备设计方法一、考核知识点（一）机械制造装备设计的类型创新设计、变形设计和模块化设计及应用场合（二）机械制造装备设计的方法系列化设计、模块化设计的概念、优缺点和作用；技术经济评价和可靠性评价的实质及其特点；产品造型、结构工艺性、标准化等评价的概念、内容和作用。
二、考核要点1.识记：装备设计的类型，实质及其区别；设计的各种方法及特点；设计评价的项目、实质及适用场合。
2.领会：装备设计方法评价的实质及特点和设计方法的基本知识。
第三章典型部件设计一、考核知识点（1）主轴部件设计主轴部件的基本要求和传动方式，主轴部件设计，主轴轴承。
机械传动系统与控制系统设计简介
二、肥皂压花机的传动路线及传动比的分配
肥皂压花机是在肥皂块上利用模具压制花纹和字样的自动机， 其机械传动系统的机构简图如图3.3.7所示。
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（1）传动路线分析 具体传动路线如图3.3.8。
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（2）传动比分配
若该机的工作条件为：电动机转速1450r/min，每分钟压制50 块肥皂，要求传动比误差为2。以下对上述方案进行传动比分配 并确定相关参数。
i 总 i 1 i 2 i 3 2 .5 3 .7 3 9 3 .0 9 5 2 8 .9 3 29
相对误差i为
ii总 i总2928.930.24%
i总
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按传动比误差小于2%的要求，且各传动比均在常用范围之内， 故该传动链传动比分配方案可用。
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2）辅助传动链
皂块送进和成品移位运动的工作频率应与模具往复运动频率相
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（5）啮合器变速 啮合器分普通啮合器和同步啮合器两种，广泛应用于汽车、
叉车、挖掘机等行走机械的变速箱中。 啮合器一般都采用渐开线齿形，齿形参数可根据渐开线花键
国家标准选定。由于啮合套使用频繁，齿轮经常受冲击，齿端和 齿的工作面易磨损，因此，齿厚不宜太薄。为减小轴向尺寸，啮 合器的工作宽度均较小。
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三、无级变速器
无级变速传动能根据工作需要连续平稳地改变传动速度。图 3.3.5为双变径轮带式无级变速传动的工作原理图 。
无级变速器有多种型式，许多型式已有标准产品，可参考产 品样本或有关设计手册选用。
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第三节 机械传动系统方案设计
一、机械传动系统方案设计的过程和基本要求
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第四章 工业机器人设计(机械制造装备设计 第四版)
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
大连理工大学 机械工程学院
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▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
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4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
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4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
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机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
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4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计
第２４卷第３期２ＯＯ７年３月机械设计ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＡＣＨＩＮＥＤＥＳＩＧＮＶ０１．２４Ｍａｒ．Ｎｏ．３２００７一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计。
肖俊君，尚建忠，罗自荣（国防科技大学机电与自动化工程学院，湖南长沙４１００７３）摘要：提出了一种新型４自由度便携式履带机器人结构设计方案。
机器人采用三段式模块化设计，可迅速拆卸，适合单人携带和进行维护；机器人具有良好的机动性能，在越障、跨沟、攀爬方面具有明显优势。
介绍了机器人的结构特点及其运动功能实现，并围绕传动设计和结构设计两大方面，对机器人的传动结构布局、传动实现、模块化结构设计、抗冲击结构设计等内容进行了详细阐述。
关键词：便携式履带机器人；机器人结构设计；模块化设计中图分类号：ＴＰ２４文献标识码：Ａ文章编号：１００１—２３５４（２００７）０３一００１０—０４便携式履带机器人具有良好的运动性能，在室内环境中可以上下楼梯、跨越台阶，在室外非结构地形中可以翻越障碍、跨越壕沟、自适应路面。
通过加载不同的设备和仪器，机器人可广泛用于救援、抢险、防爆、科考、军事等领域，其应用价值十分巨大。
从２０世纪８０年代，国外就对小型履带机器人展开了系统研究，经过多年的技术积累和经验总结，已取得了可喜的研究成果，比较有影响的是美国的ｐａｃｋｂｏｔ机器人［１］和ｔａｌｏｎ机器人口］。
这两种属于便携式履带机器人，它们应用在伊拉克战争和阿富汗战争中，取得了巨大的成功。
此外，英国研制的ｓｕｐｅｒ—ｗｈｅｅｌｂａｒｒｏｗ排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的ＡＺＩ—ＭＵＴ［３３机器人、日本的ＨｅｌｉｏｓＶＩＩ［４］机器人都属于小型履带机器人，因其各自用途不同，在结构上各具特点。
国内对该类机器人研究起步较晚，但近期取得了一定成果，如沈阳自动化研究所研制的ＣＬＩＭＢＥＲ［５］机器人，北京理工大学研制的四履腿机器人［６］，北京航空航天大学研制可重构履腿机器人等。
文中提出了一种４自由度便携式履带机器人机械结构设计方案。
工业机器人技术 工业机器人的传动机构
知识准备
一、RV减速器结构及工作原理
（一） 工作原理
2. 差动齿轮减速 1）差动过程分析
三个行星齿轮与各自的曲轴相连接，在每根曲轴上， 有一前一后两段对称布置的偏心轴。
当行星齿轮带动曲轴旋转时，曲轴上的偏心段（呈三 角形分布）同时作用，将带动RV齿轮作图（b）所示的顺 时针摆动（从A向看）。在两组偏心轴的带动下，两片RV 齿轮摆动方向相同，但相位相差180°。
100齿的啮合，由于刚轮1周有102齿，多了两齿，故转到图（c）位
置时，刚轮相对于柔轮顺时针转过2齿，以补偿这一齿差。
在这种情况下，刚轮内齿相当于和一个齿数为2的当量小齿轮内
啮合，故传动比为：
i2
Zc Zc Z f
知识准备
二、谐波减速器结构及工作原理
（二）谐波减速器结构
谐波减速器由刚轮、柔轮、谐波发生器三部分组成， 其中谐波发生器包括椭圆凸轮、轴承、连接板、卡簧、轴 套等零件。
2. RV齿轮相关结构 在针轮的内部，输出法兰6与端盖2通过定位销7和
连接螺栓固定，形成一个圆柱形的中空壳体，RV齿轮在 其中。曲轴中部两段偏心轮通过轴承支撑在RV齿轮的座 孔中，曲轴两端通过圆锥滚子轴承支撑在输出法兰和端 盖上。
可见，RV齿轮、输出法兰、端盖成为一个共同旋转 的组件，通过轴承3支撑在针轮的内缘中。当RV齿轮相 对于针轮转动时，将带动输出法兰/端盖组件一同旋转， 作为RV齿轮的输出端。
比比传统的行星齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、摆线针轮 传动大，甚至比谐波减速器传动比大。
2. 由于针齿销直径较大，曲轴轴承的支撑刚度好 等原因，整个减速器结构刚性好，传递扭矩大。
3. 缺点：较谐波减速器结构复杂，两级传动造成 传动间隙较大，定位精度不及谐波减速器。
机器人传动各部件关系
机器人传动各部件关系
在机器人中，传动各部件的关系是非常重要的。
机器人的传动系统主要由减速器、电机、齿轮、链条、皮带和轴承等组成。
这些部件之间的关系紧密而又复杂。
减速器是机器人传动系统的核心。
它的主要作用是将高速的旋转转动变为低速的旋转转动，使得机器人能够更加精准地执行任务。
通常情况下，减速器的输出轴都是经过齿轮或链条的传动来实现的。
电机是机器人传动系统中的另一个重要组成部分。
电机转速一般比机械系统的转速高，因此需要通过减速器将其转速降低。
不同类型的电机有不同类型的减速器，常用的减速器类型包括行星齿轮减速器、斜齿轮减速器和螺旋伞齿轮减速器等。
齿轮和链条是机器人传动系统中常用的机械传动元件。
它们可以将旋转力从一个轴传递到另一个轴。
齿轮传动速度更稳定、精度更高，而链条传动则更适用于大功率、大转矩的传动。
皮带是机器人传动中可靠的传动元件。
由于其柔性和可靠性，它们通常用于需要平滑运动和低噪音的传动系统。
皮带传动由驱动轮和从动轮组成，并由皮带连接。
轴承是机器人传动系统中起重要支撑作用的组成部分。
它们使得机器人传动系统中各个部件之间可以相对地平稳地移动，同时还可以承受外部的压力。
不同类型的轴承包括球轴承、滚子轴承、圆锥轴承和滑动轴承等。
总的来说，机器人传动各部件的关系是相互联系、相互作用的。
它们通过协调配合，能够保证机器人运动的稳定性、精确性和效率。
通过了解和掌握机器人传动各部件的关系，我们可以更好地设计和维护机器人传动系统的稳定性和可靠性，实现机器人的高效运作。
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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 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。
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。
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。
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。
(二)传动件的消隙 传动的间隙，影响了机器人的重复定位
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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
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。
三、谐波传动 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。
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。
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 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。
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。
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 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、 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。