可重构模块化工业机器人构形及其静力学分析

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机器人机械手臂的力学分析与设计

机器人机械手臂的力学分析与设计机器人是人工智能技术的重要应用之一，机器人的机械手臂作为其核心组成部分，扮演着至关重要的角色。

机械手臂的设计必须经过力学分析，才能确保机器人的正常运作。

在本文中，我们将探讨机器人机械手臂的力学分析和设计过程。

一、机械手臂的结构机械手臂通常由若干个关节和连杆构成，每个关节连接着两个相邻的连杆。

机械手臂的结构可以使用联轴器、直线导轨等方式设计。

由于机械手臂的关节数量和杆的长度会影响其稳定性和精度，因此在设计机械手臂时要视具体情况而定，采取合适的设计方案。

二、机械手臂的力学分析机械手臂主要依靠电机和减速器实现动力驱动，其关节位置和运动轨迹受力学原理的支配。

在机械手臂的力学分析中，需要考虑多个因素，如质量、惯性力、受力、扭矩等。

1. 质量机械手臂上的每个零件都有其自身的重量。

在进行力学分析时，必须将每个零件的重量计算在内。

此外，机械手臂运动时产生的离心力和惯性力也必须考虑进去。

2. 受力机械手臂在运动时，往往会承受外界的力。

这些力包括单向力、剪力和弯矩，可能会影响机械手臂的结构和稳定性。

为确保机械手臂的稳定性，设计者需要计算机械手臂在不同负载下的最大受力值。

3. 扭矩和能量在机械手臂运动时，其中的减速器和电机会产生扭矩和能量。

设计者需要确保机械手臂系统能够承受这些力和能量，以确保机械手臂的稳定性和安全性。

三、机械手臂的设计思路根据力学分析和结构设计原理，机械手臂的设计应遵循如下环节：1. 确定机械手臂的使用场景，包括负载、工作范围、工作精度等。

2. 根据使用场景确定机械手臂的杆数和长度，以及运动范围和速度。

3. 计算机械手臂上各关节之间的角度和位置变化，以及需要维持的角度和位置精度。

4. 选择合适的电机和减速器，保证其能够承受机械手臂的扭矩和能量，并确保其运行平稳。

5. 设计机械手爪部分，确保其能够兼容不同的工具，并使其能够在机械手臂运行时保持稳定。

最后，针对机械手臂的设计要求，进行实际构建并进行试验和测试，以确保机械手臂能够正常运行和实现目标使用效果。

机器人的力学特性分析

机器人的力学特性分析机器人在现代工业及生活中扮演着越来越重要的角色。

在设计和开发机器人时，了解其力学特性是至关重要的。

本文将对机器人的力学特性进行分析。

一、刚体结构的机器人刚体结构的机器人是指机器人的各个部件均为刚体，并且在运动时不会发生变形。

刚体结构的机器人在运动方向和速度上具有较高的稳定性和准确性。

其力学特性主要包括质量分布、质心位置和惯性矩阵等。

1.1 质量分布机器人各个部件的质量分布对整体动力学性能有重要影响。

质量分布不均匀会导致不平衡力和力矩产生，从而影响机器人的稳定性和控制性能。

因此，设计中应尽量使质量分布均匀，减少不平衡力的影响。

1.2 质心位置机器人的质心位置决定了机器人的平衡性。

质心位置偏离中心轴线会导致机器人在运动时产生不平衡力矩，从而影响机器人的稳定性。

因此，在设计机器人时，应将质心位置尽量靠近中心轴线，以提高机器人的平衡性。

1.3 惯性矩阵机器人的惯性矩阵描述了机器人对外界力和力矩的响应能力。

通过计算机求解，可以得到机器人的惯性矩阵，从而评估机器人对外界干扰的敏感程度。

惯性矩阵的分析可以帮助设计师优化机器人的结构和参数，从而提高机器人的稳定性和控制性能。

二、关节驱动器的机器人关节驱动器的机器人是指通过关节驱动器实现机器人运动的一类机器人。

关节驱动器可以通过电机或液压系统驱动，根据机器人的需要提供所需的扭矩和速度。

关节驱动器的力学特性对机器人的动力学性能具有重要影响。

2.1 关节刚度关节刚度是指关节在受到外力作用下产生的位移与外力大小之间的比例关系。

关节刚度越大，机器人的刚性越高，对外界扰动的响应能力越强。

在设计机器人时，应根据实际需求选择适当的关节刚度，以提高机器人的控制精度和稳定性。

2.2 关节摩擦关节摩擦是关节驱动器中不可避免的现象，对机器人的运动精度和能耗有一定影响。

摩擦力会使机器人的关节运动受到阻尼，从而影响运动的准确性。

因此，在设计机器人时，应采取合适的摩擦补偿和控制策略，以减小摩擦对机器人性能的负面影响。

工业机器人第四章-工业机器人结构设计

优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一工业机器人总体设计
模块化结构设计模块化工业机器人由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。模块化工业机器人的特点经济性灵活性存在的问题刚度比较差整体重量偏重模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。

工业机器人结构设计ppt课件

2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ

可重构模块化机器人现状和发展

可重构模块化机器人现状和发展摘要：由于市场垒球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广．而每种机器人的构形仅船适应一定的有限范围，因此机器人的柔性不船满足市场变化的要求．解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统．本文介绍了可重构机器人的发展状况，分析了可重构机器人的研究内容和发展方向．关键词：重构性、机器人、摸块1 引言从理论上来讲，机器人是一种柔性设备，它能通过编程来适应新的工作，然而实际应用中很少使用这种情况．但传统的机器人都是根据特定的应用范围来开发的，虽然对那些任务明确的工业应用来讲，这种机器人已经足够满足实际需要了，然而由于市场全球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广，而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围，因此机器人的柔性不能满足市场变化的要求，解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统，它是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成，能够被装配成各种不同构形的机器人，以适应不同的工作．因此可重构机器人系统的研究已引起越来越多的研究者和工业应用的兴趣，本文在分析了可重构模块化机器人的发展状况后提出了今后需要研究的方向。

2 国内外研究状况国外对可重构机器人系统已经进行了大量的研究，目前已经开发的模块化机器人系统或可重构机器人系统主要有两类：一类是动态可重构机器人系统，另一类是静态可重构机器人系统．动态可重构机器人系统有：Pamecha 和Chirikjian～“的构形变化机器人系统（MetamorphicRobotic System）．它是由一套独立的机电模块组成的，每个模块都有连接．脱开及越过相邻模块的功能，每个模块设有动力，但允许动力和信息输入且可通过它输到相邻模块，构形改变是通过每个模块在相邻模块上的移动来实现的，这种系统具有动态自重构的能力．KotayC21]等人提出了分子（Mo[ecu[e）的概念，自重构机器人的模块称为分子，分子是建立自重构机器人的基础，分子和其它分子相连接且分子能够在其它分子上运动形成任意的三维结构，是一种动态的自重构系统．YimE 研究了一种动态可重构移动机器人，不用轮子和履带．而是通过称为多边形杆结构的模块从尾部移到前端，实现重心移动，即机器人的移动，并能通过不同的构形适应不同的环境．Murata一等人提出了一种三维自重构结构．其模块为一种齐次结构且仅一种模块，通过一个模块在另一个模块上的运动来动态的组成各种结构．静态可重构机器人系统有：Benhabih0。

Motoman工业机器人有限元静态分析及改进设计

中图分类号ｉＰ４．２２２Ｔ文献标识码：Ａ
Ｆｉｉｅｅｅｅｔｓａｉｎｌｓｓａｅｉｎｉｐｒｖｍｅｎｔｌｍｎｔｔｃａａｙｉｎｄｄｓｇｍｏｅｎｔ
ｆｒｍｏｏａｎｄｓｒａｏｏ０ｌｔｍｎｉｕｔｉｌｒｂｔ
ｉｇｉｅｉ，ｂｔａｓａｅｔｒｌｎｎｒｙａｄｒｄｃｄｔｅｃｓ．ｎｎｔａｕｌｏｓｖｄｍａｅｉｓａｄｅｅｇｎｅｕｅｈｏｔａ
合金材料并作相应结构改进后，机器人的最大等效应力、应变均比改进前有所减小 ’ 最大位移和改进前相比，
基本保持不变，满足Ｍｏｏｎ工业机器人用于焊接、漆等较轻载荷工况下的基本性能．种改进设计不能ｔｍａ喷这仅可以减轻工业机器人的本体重量，提高机器人的动态特性，小机器人的运动惯量，能节约材料，约能减还节源，低成本．降关键词；ｔｍａ业机器人；限元静态分析；进设计Ｍｏｏｎ工有改
ＸＩＡＯＨｉｏｇＺ — ｎ，ＤＵＡＮｉｎｚｏｇ，ＤＵｎｑａｇ，ＬＩＪａｙＪａ－ｈｎＸｉ— ｉｎｉｎ
（ｃｏｌｏｅｈｎｃｌＥｇｎｅｉｇ，ｎｘａＵｎｖｒｉＹｉｃｕｎ７０２，ｈｎ）ＳｈｏｆＭｃａｉａｎｉｅｒｎＮｉｇｉｉｅｓｔｙ，ｎｈａ５０１Ｃｉａ

机器人静力学,动力学,运动学的关系

机器人静力学,动力学,运动学的关系
机器人的静力学、动力学和运动学是机器人技术研究中三个重要领域，它们之间存在
着相互关联，协同工作，构成了机器人技术的核心。

首先，机器人静力学是指机器人操作过程中机械结构在不变的平衡状态下运动学位置
及实时运动状态估计分析，被誉为机器人外部力分析和内力传递分析的基础学科。

它主要
通过建立机器人机械结构模型，利用关节形变、外力以及内力等物理变量，计算求解机器
人的内外力特性、机构的端部间的平衡、受力特性、稳定性及物体约束特性等。

其次，机器人动力学是指机器人的运动发生时，所做动力学建模、分析及控制的研究，因此它探讨的是关节力学、碰撞识别等方面的有关问题，它主要是要求在运动过程中求解
系统运动参数或者特征值，实现机器人动态分析与控制，研究动力学模型对机器人系统动
态性能的影响。

最后，机器人运动学是指动作规划及机器人运动控制之间相关问题的研究，通过研究
机器人通过方向轮，电机和关节的作用实现有用运动的方法，涉及关节角度、运动轨迹、
几何关系、姿态成份的工程化方法。

它是对机器人机械结构分析和动力学建模的补充，探
讨机器人各关节及机构动作之间相互关系，以及机器人运动要求下，机器人运动解的计算
及实现方法，使得机器人拥有大量的姿态组合，增加机器人的全局适应性。

由此可以看出，机器人的静力学、动力学和运动学形成了一个完整的研究体系，它们
相互交织，共同工作，它们提供了对机器人运动的有效把握，从而实现机器人的运动目标。

因此，机器人的静力学、动力学和运动学十分重要，它们是实现机器人运动控制的基础，
也将在机器人研究中发挥重要作用。

工业机器人实训平台模块化可重构硬件系统研究

系列的研究ꎬ贾松敏等于２０１６年首次将模块划分技术应
用在机器人构造领域 [３] ꎮ
其次ꎬ从机械结构层、电气硬件层、嵌入式控制层展开模
０引言
目前ꎬ市场上常见的教育机器人受其构形限制ꎬ仅能
完成单种教学任务ꎬ无法满足学生对机器人系统的组成、
块化、可重构设计ꎬ实现基础底层的快速重构ꎮ ＰＩＲＡＮＦＡＳ
特征向量并对其进行归一化处理ꎮ
组合形成任务需求的新工装位置ꎻ夹具库子模块涵盖了所
关系不明确
联系紧密
１
求的工装位置ꎬ且可通过两个旋转工装子模块中的工装位
成各子模块的连接 [７] ꎮ
,33

D=

ú
Ｒ２ｍ ú
ú
Ｒ４ｍ ú
１
ú
１ úû
在构造关系矩阵进行判断时ꎬ由于构造过程中带有的
设计的基础ꎬ模块相对独立性是模块划分的基本要求ꎬ需
器人实训平台进行模块划分ꎬ得到最佳模块划分方案如
要将完成某一特定任务的实训平台划分为不可再分的基
本模块ꎬ这是一个粒度划分和模糊聚类的过程ꎮ 传统意义
的模块划分主要从功能相关性、装配相关性、空间相关性、
表２所示ꎮ
表２实训平台模块划分表
信息相关性四个方面进行划分 [６] :
硬件系统展开模块化可重构设计ꎬ实现基础底层的快速重构ꎮ 底层硬件系统的模块化可重构
设计为上位机可重构软件系统的开发奠定基础ꎬ为实现工业机器人实训平台的快速重构功能
提供技术基础ꎮ
关键词:工业机器人ꎻ实训平台ꎻ模块化可重构ꎻ硬件系统
中图分类号:ＴＰ２４２.２文献标志码:Ａ文章编号:１６７１￣５２７６(２０２２)０５￣０１４９￣０３

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能分析相结合的方法，完成５ｋ０ｇ负载工业机器人本体的构建，实现了工业机器人的可重构化。关键词：可重构；模块化；机器人；ｏｉｗｒｓＡＳｓｌｏｋ；ＮＹＳｄ【ｂｔａｔｅｏｇｒｂｅｍｄｌｄｓｒｌｏｏｓａｎｗｒｓａｃｉｃｉｒｅｅｅｔＡｓｃ】Ｒｃｎｕａｌｏｕａｉｕｔａｒｂｔｉｅｙｎ
刘爽殷国富李雪琴周晓军（四川大学制造科学与工程学院， ’ 成都６０６）ｚ１０５（成都广泰实业有限公司，成都６０６）１１５
ＣｏｆｒｔｎｏｎｕｔｉＩｏｏｓｂｓｄＯｅＯｆｕａＩｎｉａｉｆｉｄｓｒｂｔａｅｎｒｃｎｉｒｂｅｇｕｏａｒａ
ｒｂｔｓｅｅｒｈｅ，ｈｃｏｅａｄｏｎ￣ｉｎｉｍｄｌｄｖｉｄｍｄｌｍｔｎｌｎｉｈｅｏｏｉｓａｃｆｌｗｉｃｒｎｆｕｄｏｏｕｅｉｉｏａｏｕｅｏｉａｎｎｏｅ－ｃｒｉｄｈｓｓｎｎｏｐｇｆｔｒ
ｍＯｕａｒａｉｎａｎｓｓａｉｓａｎｌｓｓｄＩｉｔｄｉｔｔａｙｉｚＯｔｃ
ＬＵＳｕｎＹＩｏｆＬｅｑｎ，ＨＯＵＸｉｏｉＨＩｈａｇ，ＮＧｕ —ｕ。ＩＸｕ — ｉＺａ－Ｈ
第１期１２１年１０１１月
文章编号：０１３９（０）００ — ２１０ — ９７２１１－２５０１１
机械设计与制造
ＭａｈｎｒＤｅｉｎｃｉｅｙｓｇ＆Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ２０５
可重构模块化工业机器人构形及其静力学分析冰
ｃｒｇｒｂｅｍｄｌｄｓｉｂｔＴｅｃａａｔｉｉｓｒｃｎｇｒｌｍｄｌｒｎｕｔａｒｂｔａｅｎｏｆｕａｌｏｕａｉｕｔａｒｏ．ｈｈｃｅｓｃｅｏｆｕａｅｏｕａｄｓｉｏｓ — ｔｉｒｎｒｏｓｌｒｒｔｏｆｉｂｉｒｏａｌｒ
ａｚｄａｄｔｅｄｖｉｈｏｕｅｏＩｄｓｒｂｔｉｉｔｄｃｄｂｋｎｅ５ｋ－ｏｄｄｉｄｓｉｌｅ，ｉｉｏｏｅｍｄｌｆｎｕｔａｒｏｒｕｅｔｉｔ０ｇｌｅｕｔａｙｎｈｓｎｆｔｉｏｓｓｎｏｌｙａｇｈａｎｒｌ
ｐｅｂｕｅｓｅｔｈｏｇＤｍｏｅｉｇｂｓｄｏｏｉｗｒｓｏｂｎｎｒｃｕｅｅｒｎｃａｓｌｓａｏｔｈｕｃＴｒｕｈ３ｄｌａｅｎｓｌｏｋｍｉｉｓｕｔｒｐ￣ｍａｅａｌｉｔ．ｎｄｃｇｔｎｙｓｂｓｄｎＡＳＳａ０ｇＩａｅｄｓｉｂｔｓｏｓｕｔａｉｃｎｇｒｌｏｉｄｓｉｂｔａｅＮＹ，５ｋ－ｏｄｄｉｕｔａｒｏｎｔｃｄｔｒｌｚｒｏｕａｅｎｕｔａｒｏｏｎｒｏｉｃｒｅｏｅｅｅｆｂｌｉｆｒｏｓｌ
ｒｂｔａｓｃ．ｅａｈｍｏｕｅｏｎｕｔａｒｂｔｉｄｓｒｅｅｉｃｍｉｉｐｃｃｅａ－ｏｏ傩ｎｉｔｅｔｎｅｄｌｆｉｄｒｌｏｏｓｓｅｃｉｄｉｄｔｌｏｂｎｎｓｅｉ￣ｍｎａｎｈｃｓｉｂｎａｇｉｆ
／一十／，十４十ｄ ’ｄ＂十、 ’ 十一十ｄ｜、＋十十迪十／｛十ｄ十、．／— § 十一十ｄ＂十十 ● 十／十十一十／十ｄ
【摘
要】可重构模块化工业机器人是机器人学研究领域中兴起的一个新的研究方向，其核心和
基础内容是可重构工业机器人的模块划分和模块组合运动规划。分析可重构模块化工业机器人的特
点，５ｋ以０ｇ负载工业机器人为例，绍了工业机器人模块的划分，介结合课题所涉及的具体实例分别对
工业机器人的各个模块进行了详细的叙述。采用基于ＳｌＷｏｋ的三维建模和基于ＡＳＳ的结构性ｏｉｒｓｄＮＹ
（ｃｏｌｆｎｆｃｕｉｇＳｉｎｅａｄＥｇｅｒｇＳｃｕｎＵｉｅｓｙＣｅｇｕ６６，ｈｎ）ｈｏｏｕａｔｒｃｃｎｎｉｅｉ，ｉａｎｖｒｉ，ｈｎｄ０５ＣｉａＳＭａｎｅｎｎｈｔ１０（ＣｅｇｕＧｅｔｎｕｔａＣ．ｄ，ｈｎｄ５Ｃｉ）ｈｎｄｒａＩｄｓｉｏｔ．ｅｇｕ６，ｈｎｒｌＬＣ１１０６ａ
ＫｅｒｓＲｅｏｆｇｒｂｅＭｏｕａ；ｂｔＳｌｗｏｋ；ｙｗｏｄ：ｃｎｕａｌ；ｄｌｒＲｏｏ；ｏｉｉｄｒｓＡＮＳＹＳ