第3章机器人机械系统2.ppt

第第3章章 工业机器人机械系统设计（二）工业机器人机械系统设计（二）主要内容：主要内容：1、工业机器人基座及腰部设计、电机布置电机布置、诱导速度、减速比计算；2、工业机器人臂部结构形式、导向装置及驱动计算；3、工业机器人平衡装置平衡装置的类型、设计要点；4、工业机器人腕部典型结构典型结构及回转力矩的计算；5、工业机器人手部工作原理及驱动力计算、常见驱动机构；6、真空吸附真空吸附手部的工作原理及设计要点；7、流行工业机器人机械结构特点流行工业机器人机械结构特点、关节布置方案关节布置方案、常见故障-以安川及ABB机器人为例，对机械结构的特点及设计要点进行案例分析。.2 2.3.3 机身和臂部设计机身和臂部设计机器人的机械系统通常由机身机身（含基座）、臂部臂部（含手腕）和手部手部三大部分组成。基座：整个机械手的支持部分，是安装动力源、手臂等其它执行机构部件的支架，主要有固定式和移动式两种。该部件必须具有足够的刚度和稳定性。具有行走机构的工业机器人.过顶轨道安装.2 2.3.1.3.1 机身设计机身设计机身是支承臂部的部件，机座往往与机身做成一体。机身和臂部相连，机身支承臂部，臀部又支承腕部和手部。机身一般实现回转、升降和仰俯等运动，常有13个自由度。如图：关节型机器人，机身的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。是执行机构的关键部件，制造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响。.腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾覆力矩，且应具有较高的运动精度和刚度。腰关节多采用高刚性的RV减速机传动。为方便走线，常采用中空型RV。p腰关节电机RV减速器减速比的计算？.回转与升降机身回转与升降机身回转运动在下，升降运动在上链条链轮传动实现机身回转的原理图（a）单杆活塞气缸（b）双杆活塞气缸.回转与俯仰机身回转与俯仰机身液压驱动.5DOF关节型机器人陈光标秀秀砸“大奔”.三一重工62米混凝土泵车.机身设计时要注意下列问题机身设计时要注意下列问题p 机身驱动力（力矩）计算（略）机身驱动力（力矩）计算（略）n要有足够的刚度、强度和稳定性；n运动要灵活，升降运动的导向套长度不宜过短，避免发生卡死现象；n驱动方式要适宜；n结构布置要合理。.2 2.3.2.3.2 臂部设计臂部设计臂部：连接机身和腕部，通常由大臂和小臂组成，用以带动腕部作平面运动。一般具有2个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，影响定位的准确性。.臂部设计要求：臂部设计要求：要求手臂应具有足够的承载能力和刚性；要求手臂应具有足够的承载能力和刚性；导向性要好导向性要好；质量和运动惯量要小质量和运动惯量要小；减小偏心力矩的方法：尽量减小臂部运动部分的质量；使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；采取“配重”的方法来减小和消除偏重力矩。运动要平稳、定位精度要高。运动要平稳、定位精度要高。影响因素：惯性冲击的影响；定位方法的影响；结构刚性的影响；控制及驱动系统的影响等。.平衡机器人手臂的重力矩优点如下：平衡机器人手臂的重力矩优点如下：n如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。n使驱动器基本上只需克服机器人运动时的惯性力，而忽略重力矩的影响。故可选用体积较小、功耗较小的驱动器。n免除了机器人手臂在自重下落下伤人的危险。n在伺服控制中因减少了负载变化的影响，因而可实现更精确的伺服控制。一般机器人因1轴机身旋转，故不要平衡，4、5、6轴的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3轴手臂的重力矩。.1）配重平衡机构：这种平衡机构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了手臂的惯量和关节的负载，适用于不平衡力矩较小的情况。p 各种重力平衡机构各种重力平衡机构.2）弹簧平衡机构：结构简单，平衡效果也较好，工作可靠，不会增加关节转动惯量，适用于中小负载，但平衡范围较小。.3）液（气）缸平衡机构：液（气）缸平衡机构多用在重载搬运和点焊机器人操作机上。液压的体积小，平衡力大；气动的具有很好的阻尼作用，但体积较大。.肩、肘关节承受很大扭矩（肩关节同时承受来自平衡装置的弯矩）且应具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的RV减速器传动。p肩、肘关节肩、肘关节.p平行四杆机构的肩、肘关节（点焊、码垛）平行四杆机构的肩、肘关节（点焊、码垛）肩关节肘关节.臂部的常用其他结构臂部的常用其他结构利用齿轮齿条液压缸实现手臂作回转运动的结构气压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结构。手臂的行程和速度均为活塞杆3的行程和速度的两倍。.p L轴轴为肩关节：交流伺服电机-谐波齿轮减速器-大臂相对于腰部摆动大臂相对于腰部摆动。pU轴轴为肘关节：交流伺服电机-RV摆线针轮传动减速器-小臂相对于大臂摆动。小臂相对于大臂摆动。p S轴轴为腰关节：交流伺服电机-RV摆线针轮传动减速器-机身回转机身回转运动运动。MOTOMAN-SV3X机器人的机身与臂部.u电机减速器安装在机器人底座内部u电机与减速器壳连成一体，并与转动体连接。u减速器输出盘与底座连接u当电机转动，由于输出盘不动，迫使电机减速器带动转动体转动。u旋转体与固定底座间用推力向心交叉短园柱滚子轴承。u两个极限开关及死挡铁限制其极限位置。S轴结构轴结构.S轴传动原理.u图左侧为图左侧为L L轴电动机轴电动机u机器人下臂下端左侧与减速器输机器人下臂下端左侧与减速器输出盘连接出盘连接u右侧固连的小轴通过轴承支承在右侧固连的小轴通过轴承支承在U U轴连杆内轴连杆内u减速器装在旋转体上减速器装在旋转体上u极限位置安装极限挡块极限位置安装极限挡块u图右侧为图右侧为U U轴电动机轴电动机u减速器输出转盘与连杆连接减速器输出转盘与连杆连接u下臂、上臂、拉杆和连杆构成平下臂、上臂、拉杆和连杆构成平行四边形机构行四边形机构u铰链中用园锥滚子轴承铰链中用园锥滚子轴承u用闷盖调整轴承间隙、并密封用闷盖调整轴承间隙、并密封L轴和轴和U轴结构轴结构.n采用有限元、模态分析和仿真设计等现代设计方法；n采用新的高强度轻质材料，进一步提高机器人结构的负载/自重比，使机器人机构进一步紧凑，速度和范围指标进一步提高；n将并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，如德国KUKA公司的机器人；n机器人机构向模块化，可重构方向发展，伺服电机、减速器和检测系统三位一体化，形成关节模块，将关节模块和连杆模块用重组的方式构造整机，从而实现机器人本体的模块化n采用RV减速器和交流伺服系统，使机器人本体几乎成为免维护系统机器人机械结构设计的发展方向机器人机械结构设计的发展方向.ABB的IRB4400ABB的IRB4600采用优化设计，开链结构.2.4 2.4 腕部设计（腕部设计（Wrist DesignWrist Design）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姿态。腕部一般应有23个DOF，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用独立传动。手腕的DOF2.4.1 2.4.1 腕部的作用与腕部的作用与DOFDOF.单自由度2.4.2 手腕的分类手腕的分类按自由度数目：可分为单自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。二自由度.三自由度第四种(RBR型)结构应用最为广泛，它适应于各种工作场合。其次是3R型的手腕结构，主要应用在喷涂行业等。其他结构应用范围相对较窄。.PUMA262型机器人的手腕采用了RRR结构形式，MOTOMANSV3型机器人的手腕采用了RBR结构形式。仿人手腕应用的最多.Euler腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后(J4，J5)，可将安装，可将安装腕关节上之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如腕关节上之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如Fig-所所示。示。RBR结构形式的手腕的特点三个轴中心相交于一点，与Euler角旋转的定义相同，角旋转的定义相同，又称为Euler腕关节。腕关节。.对小负载机器人，5、6关节电机一般配置在小臂内部，5、6关节传动链之间有交叉耦合。p 4、5、6关节电机配置关节电机配置对大负载机器人，4、5、6关节电机一般配置在肘关节附近，4、5、6关节传动链之间有交叉耦合。.上臂前段用两圆锥滚子轴承支承于后段内；上臂前段用两圆锥滚子轴承支承于后段内；电机及减速器装于后段内，输出转盘与上臂前段连接；电机及减速器装于后段内，输出转盘与上臂前段连接；调节螺母用来调整轴承间隙。调节螺母用来调整轴承间隙。pR轴（轴（4关节）典型结构关节）典型结构前段后段电机轴承.B轴：B轴电机装于上臂前段内部 手腕用一对园锥滚子轴承支承在上臂前部 B轴电机锥齿轮同步齿形带谐波减速器手腕 锥齿轮轴和B轴由向心球轴承支承T轴：T轴电机锥齿轮同步齿形带锥齿轮谐波减速器手腕 手腕轴由一对园锥滚子轴承支承在手腕体内 手腕法兰连接未端执行器pB轴、轴、T轴（轴（5、6关节）典型结构关节）典型结构B轴和T轴结构B轴电机T轴电机.腕部关节用到了两个谐波减速器,两个同步齿型带传动输入,中间还用到了一对锥齿轮副传动。B轴T轴.p3R手腕的典型结构手腕的典型结构主要应用在喷涂行业减少喷涂系统中空压机到机器人之间的辅助压缩空气管道杜绝喷枪软管和喷涂对象之间干涉减少附着在软管上的涂料的滴落中空3R手腕.摆动油缸工作原理 手腕的其他几种结构手腕的其他几种结构.p T轴的轴线与B轴垂直，由交流伺服电机-谐波齿轮减速器-法兰盘(末端执行器机械接口单元)绕T轴转动。驱动电机直接安装在腕部。末端执行器通过法兰盘，安装在机械手末端。MOTOMAN-SV3X机器人的腕部结构R轴、B轴和T轴组成腕关节p R轴：小臂中心线为轴线，由交流伺服电机-齿形带-RV减速器-小臂绕R轴旋转。其中为了减小转动惯量，电机安装在肘关节处，即和L轴的电机交错安装。p B轴的轴线和R轴轴线垂直，由交流伺服电机-齿形带-谐波齿轮减速器-驱动腕关节作俯仰运动。交流伺服电机安装在小臂内部末端。.R轴图Motoman机器人的R、B、T轴B轴T轴.问题：为什么一般情况下将减速器配置在关节传动问题：为什么一般情况下将减速器配置在关节传动链的最末端？链的最末端？减小细长轴（或套管）及有关传动齿轮的传递扭矩;有利于减小输出轴转角误差(末端减速器对前端传动链的转角误差有均化作用)。转角误差的来源？1、细长轴扭转角2、齿轮齿侧间隙造成的回差.J4、J5和J6:3轴轴线相交于一点相交于一点；J2轴线前置；轴线前置；J3和和J4轴线十字垂直轴线十字垂直，而不是平行，因J4轴电机要尽量后移。总结：总结：目前各大工业机器人厂商提供的6轴关节机器人结构从外观上看大同小异，相差不大，从本质上来说，其结构应该都是一致的，结构特点如下：J1、J2和J3：3个基本轴-位置J4、J5和J6：3个辅助轴-姿态J1、J4和J6：3个回转轴J2、J3和J5：3个摆动轴.采用该种结构的工业机器人可以使得其运动学算法最为简单可靠。设计的机器人要保证高的定位精度，就必须尽可能的满足上述条件，通过机械加工及装配精度来保证最终的机器人运行精度控制在一定范围内。如果机器人的结构与此差别较大的话，机器人的运动学算法就不能或很难用DH算法求出逆向运动学的封闭解，而得另辟蹊径，也许可以写出新的算法，但算法可能会较DH算法复杂，运行效率不高，难以满足实际的生产应用的需求。.2.5.1 手部的特点手部的特点手部是工业机器人直接与工件、工具等接触的部件。它能执行人手的部分功能。2 2.5.5 手部设计手部设计特点特点：手部与手腕相连处可拆卸；手部是工业机器人末端操作器；手部的通用性比较差；手部是一个独立的部件。.2.5.2 手部的分类手部的分类根据被抓取工件、工具等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面光洁度的不同，在工业生产中使用着各种形式的手部机构。p机械钳爪式p吸附式按照夹持原理磁力吸附式真空吸附式.p 钳爪式手部结构钳爪式手部结构1.手指手指：直接与工件接触的部件。二手指、三手指、多手指。结构形状取决于被夹持工件的形状和特性。手指形状v平面指vV形指v尖指v特形指.2 2.传动机构传动机构：向手指传递运动和动力、以实现夹紧和松开动作的机构。传动机构形式v 斜楔杠杆式v 滑槽杠杆式v 连杆杠杆式v 齿轮齿条杠杆式.斜楔杠杆式.滑槽杠杆式.连杆杠杆式.齿轮齿条杠杆式.1.磁力吸附式磁吸式手都是在手腕部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。p吸附式手部结构吸附式手部结构 电磁吸盘的工作原理.2.真空吸附式（真空吸附式（VacuumVacuum SuctionSuction）真空吸附式是利用橡胶皮腕或软性塑料腕中形成真空或负压而把工伴吸住的。对干一些薄片状工件，如薄铁片、矽钢片、板材、纸张、薄而易碎的玻璃器皿和弧形壳体零件等，适用于用气吸式吸盘对玻璃器皿及金属薄片等的抓取，效果更为明显。真空吸附的应用.真空吸附技术的应用.p真空源p吸盘真空吸附系统p真空泵p真空发生器真空泵的吸附系统真空发生器（拉法尔管）.各种类型的吸盘纸张、薄板的吸附.Insert into LoadPressurize and Lift.UniversalRoboticGripper.TheEnd谢谢！.