机器人设计

《机器人技术》讨论

——机器人设计

姓名：毛振卿田宇杜家正吉书靖

讨论组的每人贡献：毛振卿15% 田宇40%

杜家正30% 吉书靖15%

指导教师：李艳文

2017年9月

目录

1 机器人系统的设计方法 (1)

1.1 机器人系统设计的基本原则 (1)

1.1.1机器人设计的整体性原则 (1)

1.1.2控制系统设计优先于机械结构设计（理论设计优先于实际设计）原

则 (1)

1.2机器人系统设计的阶段 (1)

1.2.1总体方案设计 (1)

1.2.2详细设计 (1)

1.2.3制造、安装、调试和编写设计文档 (3)

2 机器人系统的表达方法 (3)

2.1 位姿描述 (3)

2.2 运动轨迹 (3)

3 应用举例 (3)

3.1设计目的和任务 (3)

3.2机器人系统所在工作环境 (4)

3.3机器人系统的工作要求 (4)

3.4机器人的自由度及运动范围 (5)

3.4.1. 初步分析 (5)

3.4.2. 仔细分析 (5)

3.4.3. 确定技术参数 (5)

3.5控制系统总体方案 (5)

3.6驱动方式的选择 (6)

3.7机械部分设计 (7)

3.7.1. 采用关节型操作机 (7)

3.7.2. 腰部结构设计 (7)

3.7.3. 臂部结构设计 (7)

3.7.4. 腕部结构设计 (7)

3.7.5. 传动部分 (7)

摘要：机器人系统是一个典型的完整机电一体化系统，是一个包括机械结构、控制系统、传感器等的整体。对于机器人这样一个结合了机械、电子、控制的系统，在设计时首先要考虑的是机器人的整体性、整体功能和整体参数，然后再对局部细节进行设计。

前言：本报告研究了机器人系统的设计方法，需要考虑的各方面因素，从总体到细节，以及对于机器人系统的表达方式。最后给出了理论在实际方面的应用案例。

1机器人系统的设计方法

1.1机器人系统设计的基本原则

1.1.1机器人设计的整体性原则

（1）机器人系统任何一个部件或者子模块的设计都会对机器人的整体功能和性能产生重要的影响。

（2）机器人的工作环境对机器人的整体设计也有较大影响。如果机器人用在宇宙空间的环境里，那么无论是机械结构设计还是控制系统都要考虑温度的变化、重力的影响或者电磁干扰强度等；若机器人工作在颠簸的环境，那么机械结构及控制系统的整体抗振则是设计时要注意的；若机器人用于医疗领域，则对机器人的噪声污染有着严格的要求。

1.1.2控制系统设计优先于机械结构设计（理论设计优先于实际设计）原则

设计机器人之初，首先考虑的是机器人要实现的功能，然后根据功能要求来设计机器人的性能参数。控制系统的设计更多的是对现有资源的整合和集成，总体方案设计完成之后，先确定控制系统的基本方案，在进行理论推导及实验仿真等验证是否满足设计要求后，根据控制硬件的尺寸才能进行机械结构设计。

这一设计原则的缺点是机械设计部分放在最后，机械加工周期影响了机器人的总体研制速度，总体设计周期比较长。

1.2机器人系统设计的阶段

机器人系统的设计一般可以分成以下三个阶段：

1.2.1总体方案设计

首先明确机器人的设计目的，根据设计目的确定机器人的功能要求。

然后由功能要求设计者就可以明确机器人的设计参数。设计参数对机器人而言是表征设计方案的关键物理参数，其可以表示为机器人的各个子模块组件。讲设计参数以集合的方式表示则可以表述为总体的设计方案。

最后是进行方案比较，在初步提出的若干方案中通过对工艺生产、技术和价值分析之后选择最佳方案。

1.2.2详细设计

在总体方案确定之后，根据控制系统设计优先于机械结构设计原则，首先要做

的就是根据总体的功能要求选择合适的控制方案。

从控制器所能配置的资源来说，有两种控制方式：集中式和分布式。集中式是将所有的资源都集中在一个控制器上，而分布式则是让不同的控制器负责机器人不同的功能。

在控制方案确定之后，根据选定的控制器方案选择驱动方式。

机器人的驱动方式主要有液压、气动和电动这三种，设计者可以根据机器人的负载要求来进行选择。

电动驱动方式还可分为伺服电机、步进电机和普通电机等。根据机器人上的电源类型选择交流电机或者直流电机。在确定电机之后，可以选择相应厂家提供的配套驱动器，也可以选择通用驱动器。正确选择驱动器能够给电机提供足够大的电流和对电机进行保护。

控制系统的设计以及驱动方式确定以后就可以开始机械部分的设计。

机器人的机械设计一般包括末端执行器、臂部、腕部、机座和行走机构等的设计，在设计过程中可以采用模块化设计，这样做不但可以使整个机器人的设计采用并行设计，大大缩短设计和加工时间，而且即使机器人的某一模块损坏，也可以单独更换，甚至可以不影响凄然模块的运行，这为机器人的调试、维护和检修带来了便利。

机器人设计过程中最主要的设计问题之一是传动系统设计，传动系统的好坏将直接影响机器人的稳定性、快速性和精确性等性能参数。机器人的传动系统除了常见的齿轮、链轮、蜗轮蜗杆和行星齿轮传动外，还广泛的采用滚珠丝杠、谐波减速装置和绳轮钢带等装置。由于传动装置对性控制能的重要影响，在条件许可的情况下，传动系统应避免自己加工制造，尽可能地采用知名厂家成熟的传动产品。而且现在有的电机厂家把传动系统和电机做成一体，这种方式十分适合研制批量小、传动精度要求高、经费允许的机器人。

机器人的机械设计与一般机械设计的特殊之处：

Ⅰ、机器人的机械结构一般可以是由一系列连杆通过旋转关节（如移动关节）连接起来的开式空间运动链，也可以是类似并联机器人的闭式或混联空间运动链。这样的复杂空间链机构使得机器人的运动分析和静力分析十分复杂，而这样的机器人系统也是一个多输入多输出、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分析也异常复杂。因此，即使经过一定程度的简化，也需要建立一套区别于一般机构的专门针对机器人空间机构的运动学、静力学和动力学分析方法。

Ⅱ、机器人的机械设计过程中除了要满足强度要求外，也要考虑刚度和精度的影响。

虽然机器人的链结构形式在灵巧性和空间可达性的方面有着巨大的优势，但机械误差和弹性变形会在一系列串接或并接的悬挂杆件形成积累，使机器人的刚度和精度大受影响，也就是说，这种形式的机器人在运动的传递上存在先天不足。

Ⅲ、机器人的机械设计需要从电机时间常数和提高机器人快速响应能力这一方

面来控制惯量。

对于机器人的机械结构，特别是关节传动系统，由于应用目的不同，机器人的机械设计与一般机械也有较大差异。比如，一般机械对于运动部件的惯量控制只是从减少驱动功率来考虑的。

1.2.3制造、安装、调试和编写设计文档

在详细设计完成之后，先筛选标准元器件，对自制零件进行检查，对外购设备器件进行验收，然后对各子系统调试后总体安装，整机联调。最后是编写设计文档。

2机器人系统的表达方法

机器人系统的表达，是指末端执行器相对于目的操作物的具体操作方法。比如，搬运机器人末端执行器要完成搬运作业，弧焊机器人末端执行器要完成弧焊任务，轴孔类装配机器人要完成轴孔的装配等，这些末端执行器执行的动作和轨迹即为机器人系统的表达。

因此，机器人系统的表达简化为末端执行器的位姿和运动轨迹。

2.1位姿描述

对于机器人来说，我们最关心它的末端执行器相对于基座的位置和姿态，简称位姿。位姿的描述方法有很多，比如其次变换法、矢量法、旋量法和四元数法等。

2.2运动轨迹

工业机器人的实时高精度的路径跟踪越来越成为研究方向。轨迹规划方法从Paul法到Taylor法，再到Kim和Shin的轨迹最短规划方法，各有其优缺点。最近提出了一种新的轨迹规划方法，机器人CP运动的轨迹规划方法。

3应用举例

以鸡蛋分拣包装系统为例，简述机器人系统的设计。

3.1设计目的和任务

第一步，从传送带拾取一个鸡蛋；

第二步，把鸡蛋至于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）；

第三步，根据蛋有无胚胎，把蛋放入废品箱或包装箱内。

图1 基本工作流程3.2机器人系统所在工作环境

包括工作车间的平面布置，相互间的位置关系等。

图2 工作车间布局

3.3机器人系统的工作要求

a)循环时间≤3.0S；

b)每次循环有三种不同的运动：

第一步，从传送带拾取一个鸡蛋；

第二步，把鸡蛋至于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）；

第三步，根据蛋有无胚胎，把蛋放入废品箱或包装箱内。

c)一个循环中需要三次暂停：

闭合手爪0.2S；完成照射0.05S；开启手爪放蛋0.2S；

d)每只鸡蛋重量≤85g；手爪重量≤369g；

e)位置分辨率最低为1.27mm。

3.4机器人的自由度及运动范围

3.4.1.初步分析

机器人满足上面提出条件，因该具备一个旋转运动和两个直线运动。

3.4.2.仔细分析

还应该有一个附加旋转运动以对蛋进行定向排列。因为当手臂移动和转动时，鸡蛋的取向会发生改变。

3.4.3.确定技术参数

伸缩运动：45.7-61.0cm；

腰部旋转：±90°；

腕部旋转：360°；

腕部垂直移动：50.8cm

3.5控制系统总体方案

控制系统总体方案如下图所示：

本装置采用集中式控制，由控制器发出信号控制机械手运动，由外部视觉传感器接收信号，将信息传入控制器，进行分析，进而传出下一步指。

图3 控制系统总体方案

3.6驱动方式的选择

由于鸡蛋分拣包装机器人运动轨迹严格，精度要求高，所以采用电动驱动方式。采用关节驱动方式中的直接驱动，指驱动电机通过机械接口直接与关节连接。具有机械传动精度高、振动小、结构刚性好、结构紧凑、可靠性高等特点，不足之处是电机的重量会增加转动负担。

图4 关节直接驱动图例

3.7机械部分设计

3.7.1.采用关节型操作机

这类操作机由多个关节联接的机座、大臂、小臂和手腕等构成，大小臂既可以在垂直于机座的平面内运动，也可实现绕垂直轴的转动。操作灵活性好，运动速度高，操作范围大。

3.7.2.腰部结构设计

操作机包括机座和腰关节，机座承受机器人的全部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁和铸钢制造，机座要有一定的尺寸，以保证操作机的稳定，并满足驱动装置及电缆的安装。

腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度影响最大，故设计精度要求高。腰关节的轴，可采用普通轴长的支撑结构。现在大多数机器人的腰关节均采用大直径交叉滚子轴承支撑的结构，既可使基座高度大大降低，又具有更好的支撑刚度。

3.7.3.臂部结构设计

臂部的作用是连接腰部和腕部，实现操作机在空间中的运动。手臂的长度尺寸要满足工作空间的要求，由于手臂的刚度，强度直接影响机器人的整体运动刚度，同时又要灵活运动，故应尽可能选用高强度轻质材料，减轻其重量。在臂体设计中，也应尽量设计成封闭型和局部带加强肋的结构，以增加刚度和强度手臂结构可分为伸缩型结构、旋转伸缩型结构和屈伸型结构。

3.7.

4.腕部结构设计

腕部用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态。腕部一般应有2-3个自由度，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。3.7.5.传动部分

采用同步带传动，具有传动精确、工作无滑动、传动效率高、传动比大，结构紧凑、维护保养方便、噪声小等特点。

图5 最终构型

总结：这次讨论课内容，通过查阅资料，然后进行总结，我们更加清晰的了解了机器人设计的过程，对正在进行的消防车机器人项目设计有很大帮助。机器人设计的方法有很多，但同时都存在优缺点，只有充分了解了每一种设计方法，再结合实际情况分析，才能设计出最优的方案。

参考文献：

[1]熊有伦.机器人技术基础[M].华中科技大学出版社

[2]机器人系统及设计方法.陕西科技大学

[3]徐向荣.马香峰.机器人运动轨迹规划分析与算法