机器人技术第二章-机器人结构设计概论(2013)PPT课件.ppt

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1、1,2.1 机器人本体设计的步骤,1、作业分析 作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。,2、总体方案设计 （1）确定动力源 （2）确定构型和安装方式 （3）确定自由度 （4）确定动力容量和传动方式 （5）优化运动参数和结构参数 （6）确定平衡方式和平衡量 （7）绘制机构运动简图,第二章 机器人的机械结构与设计,2,3、结构设计 包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口设计等。,4、动特性分析 估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真、分析，确定其结构固有频率和响应特性。,6、施工

2、设计 完成施工图设计，编制相关技术文件。,5、优化设计 重复3、4。,3,2.2 机器人的驱动与传动系统结构,在机器人机械系统中，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。 机器人有两种最常用的运动关节转动关节和移(直)动关节。 为了进行位置和速度控制，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（高一个数量级）、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，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。,2.2.1 驱动传动系统的构成,4,1码盘； 2 测速机； 3 电机； 4 联轴器；

3、5 传动装置； 6 转动关节； 7 杆,8 电机； 9 联轴器； 10 螺旋副； 11 移动关节； 12 电位器(或光栅尺),伺服电机驱动关节伺服电机+联轴节+传动装置+运动关节+反馈元件,5,1电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。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。 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已逐渐取代直流伺服电机而成为工业机器人的主要驱动器。 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小

4、功率机器人系统。,2.2.2 驱动器的类型和特点,6,直流伺服电机与驱动放大器,步进电机,步进电机驱动放大器,交流伺服电机,驱动放大器,7,2. 液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。,液压马达,液压摆动马达,液压控制阀,液压泵,8,3气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。,气动马达,气动摆动马

5、达,气缸,气泵,气动三大件,气动控制阀,9,4其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、人工肌肉(电活性聚合物)等。,压电微驱动并联机器人,形状记忆合金驱动机器人手,人工肌肉驱动的机械臂,10,驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。 一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器。 对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。 特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，且具有较

6、大的短时过载能力,5驱动器的选择原则,11,只须点位控制且功率较小者，或有防爆、清洁等特殊要求者，可采用气动驱动器。 负荷较大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采用液压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的指标要求是起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与之配套的数字控制系统。,5驱动器的选择原则,12,2.2.3 机器人的常用传动机构,1. 机器人传动机构的基本要求 (1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻； (2) 传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以提高整机的 固有领率，降低整机的低频振动； (3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位 置控制精度；

7、 (4) 寿命长、价格低。,微电机+减速器,微小型减速器,13,2. 机器人常用传动机构 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。,美国发明家 C. Walt Musser 马瑟于上世纪50年代中期发明,1926年德国人L.Brazen发明了摆线针轮减速器,14,15,其中腰关节最常用谐波传动、齿轮/蜗轮传动；臂关节最常用谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。腕关节最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。,16,关节是操作机各杆件间的结合部分，通常为转动和移动两种类型。 工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，它们决定了操作机的位置。后面关节决定了操作机的姿态，称

8、作腕部关节。,2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置,17,18,19,2.3.1 腰关节 腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，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减速器传动，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆传动。其转动副多采用薄壁轴承或四点接触轴承，有的还设计有调隙机构。 对于液压驱动关节，多采用回转缸+齿轮传动机构。,20,腰关节受力分析,M 腰关节合成扭矩； Mm 腰关节转动摩擦力矩； Mg 腰关节转动惯性力矩; J 机器人回转惯量； 腰关节回转速度； t 机器人回转启动时间。,Q 腰关节合重力； QP 腰部自身重力； QA 大臂部分的重力

9、； QE 前臂部分的重力； QW 腕部的重力； QH 手部重力（含负载）； 腰关节合重力偏距； MW腰关节倾覆力矩。,21,1 电机；2 RV减速器，3 支架，4 交叉滚子轴承；5 电缆 同轴式腰关节电机上置),22,同轴式腰关节 (电机下置),1腰部固定立柱壳体； 2 腰部回转壳体； 3 四点接触球轴承； 4 伺服电机组件； 5谐波减速器；,23,平行轴式腰关节,1 电机 ； 2 齿轮； 3 空心立柱； 4 轴承,24,由上面的图例可以看出，腰关节的回转副主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式或平行轴式。,同轴式腰关节结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制轴承的缘故)，但关节的各

10、种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。,25,2.3.2 肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节（大臂关节）位于腰部的支座上，多采用RV减速器传动、谐波传动或摆线针轮传动；也可采用滚动螺旋组合连杆机构或直接应用齿轮机构。 肘关节（小臂关节）位于大臂与小臂的联接处，多采用谐波传动、摆线针轮或齿轮传动等。,关节结构形式有： 1、同轴式配置 电机轴线与关节轴 线重合。 2、偏置式配置 电机轴线与关节轴 线偏离

11、一定距离。,同轴减速传动结构,26,同轴减速传动结构,1 腰支座； 2, 7 RV减速器； 3, 6 驱动电机； 4 大臂； 5 曲柄； 8 轴承。,27,1 大臂； 2 关节1电机； 3 小臂定位板； 4 小臂； 5 气动阀； 6 立柱； 7 直齿轮； 8 中间齿轮； 9 机座； 10 主齿轮； 11 管形连接轴； 12 手腕,偏置减速传动结构(PUMA),28,29,直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采用滚动丝杠和导柱(轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的移动结构。,30,多关节柔性臂 多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联而成，原来意义上的臂(大臂、小

12、臂) 已演化成一个节，节与节之间可以相对摆动。 严格讲，多关节柔性臂并不是全柔性的，称其为蛇型臂较为合适。由于柔性臂的关节多，能满足避障等特殊需要。,多级联动万向节柔性臂,31,多节万向节型柔性臂,32,脊骨式多节柔性臂,33,连杆式多节型柔性臂,1定长刚性臂； 2 并联机构柔性臂,34,2.3.3 手腕关节 1、单自由度手腕 SCARA水平关节装配机器人的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度，用于调整装配件的方位。,SCARA 机器人,传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机。,这种传动特点特别适合于电子线路板的插件作业。,3

13、5,2、两自由度手腕 两种常见的配置形式汇交式和偏置式。,1 法兰； 2 齿轮轴； 3 锥齿轮； 4 弹簧； 5 链轮； 6 轴承； 7 链轮； 8 弹簧； 9 轴承； 10 转壳,1 法兰；2 腕壳；3, 6 锥齿轮轴； 4 小臂；5, 7 链轮，8 链；9, 10 弹簧,汇交式两自由度手腕,偏置式两自由度手腕,36,两自由度手腕的另两种结构：谐波减速器前置的汇交型手腕；驱动电机与谐波减速器前置的偏置型手腕。,1 扁平谐波； 2 杯式谐波； 3 齿形带轮； 4 锥齿轮；5 腕壳 谐波前置汇交手腕,1 谐波减速； 2 马达； 3 链轮； 4 腕壳 电机前置偏置手腕,37,诱导运动 把某一杆件因

14、另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。,2 主动链轮；3、5 从动链轮 手腕传动示意图,38,3、三自由度手腕 三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度而形成的。 三自由度手腕是“万向”型手腕，结构形式繁多，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。,39,40,41,必须指出，若操作机为6自由度，当手腕为偏置式时，运动学反解得不出解析的显式，且动力学参数也是强耦合的。设计时必须给予充分注意。,42,KUKA IR662100机器人手碗传动图,KUKA IR66210

15、0机器人手碗结构图,Cincinnati Milacron T3 机器人腕部结构,43,PUMA一262 机器人手腕传动原理,44,4、柔顺手腕结构 机器人精密装配时，由于被装配零件的不一致性、工件定位夹具及机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难甚至失败。这就提出了装配动作的柔顺性要求。 柔顺装配技术有两种：一种是控制的角度，借助检测元件采取边校正、边装配的方式，称为“主动柔顺装配” ；另一种是从结构的角度在手腕部配置一 个柔顺环节，这种柔顺装配技术称为“被动柔顺装配 ”即RCC (Remote Center Compliance)。,柔顺手腕动作过程,45,板弹簧柔顺手腕,钢

16、丝弹簧柔顺手腕,46,2.4 机器人的手部,机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操作机构。因此有时也称为末端操作器。 由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物体等）， 手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和结构持点，大致可分成以下几类： 1卡爪式夹持器； 2吸附式取料手； 3专用操作器及换接器 4仿生多指灵巧手。,47,卡爪式夹持器通常有两个夹爪，分为弹力型、回转型和平移型三种类型。,2.4.1 卡爪式夹持器,几种弹力型夹持器,1、弹力型夹持器,48,2、回转型夹持器,开合占用空间较小，但是夹持中心变化。,49,3、平移型

17、夹持器,开合占用空间较大，但是夹持中心不变。,50,吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。,2.4.2 吸附式取料手,气吸附取料手是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。具有结构简单，重量轻，吸附力分布均匀等优点。 按形成压力的方法，可分成真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式儿种。,1、气吸附取料手,51,气流负压气吸盘,挤压排气吸盘,真空气吸盘,52,2、磁吸附取料手,53,3、专用操作器及换接器,54,人手是最灵巧的夹持器，如果模拟人手结构，就能制造出结构最优的夹持器。但由于人手自由度较多，驱动和控制都十分复杂，迄今为止，只

18、是制造出了一些原理样机，离工业应用还有一定的差距。,4、仿生多指灵巧手,UTACHMIT 多指手,三指手,双拇指手,55,最小的三指手,BHII 三指手,四指灵巧手,灵巧的双手,DLR多指手,哈工大多指手,56,手指关节的设计 手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式： 1) 腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是这种方式。 2) 齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间隙，占用空间大。 3) 连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，

19、高精度，能实现多种运动规律和轨迹的要求。但是设计复杂，不能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如Belgrade手，NASA手等。 4）欠驱动手指关节，可简化机械结构及控制，但需要满足一定的力学条件。,57,2.5 机器人的手臂结构及平衡,2.5.1 臂杆的结构及材料,臂杆多为带有筋板或肋的壳体结构。有中间是多层圆筒形套装梁结构，外形象一“哑铃”的组合结构；有箱形结构等。 就整体来说，比较复杂的箱体多用铸件。为了减轻整机的重量，特别是为了降低大臂、小臂的关节力矩，大、小臂多用轻合金铝铸件。,58,59,2.5.2 臂杆的平衡,1、小臂杆的平衡 小臂杆通常采用质量平衡法。其基本原理是合理地分布臂

20、杆质量，使臂杆重心尽可能地落在支点上，必要时甚至采用在适当位置上配置平衡质量的方法。 质量平衡法有结构自平衡和重块平衡两种方式。PUMA、KUKA机器人也是按这一原则配置的。但如果臂杆的后部长度(无效长度)太长，不利于机器人在狭窄环境中工作，所以单采用自重平衡对大负荷操作机还很难取得满意的结果。,机器人操作机手臂的结构设计中必须考虑臂杆的重力平衡。常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法如采用平衡电机等。,60,61,2、大臂杆的平衡,目前常用的有弹簧和汽缸两种平衡方式。 重力项在驱动扭矩中占有很大比例，因此对它进行平衡的意义很大。又因为重力项在运动中是随位置

21、角的正弦或余弦变化的，因此，应用弹簧平衡技术最为合适。弹簧结构简单，且无需增加动力源，应用最为普遍。,62,气动和液压力平衡的原理和弹簧力平衡的原理很相似，但它们在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的，不随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制，因此应用得十分广泛。 这种平衡技术的缺点是需要有动力源和储能器，因而系统比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量平衡那么简单。而且设计时，如采用这种方案，需考虑在动力源一旦中断时的防范措施，如手臂会因自重下滑等，以免发生事故。,63,并联机构在1965年由Stewart提出原是作为飞行模拟器用于训练飞行员的。机舱由6个液压

22、缸支撑和驱动，可以使机舱获得任何需要的位姿。 在串联机器人发展方兴未艾时，澳大利亚著名机构学教授 Hunt 在1978年提出。可以应用6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构。到80年代中期，国际上研究并联机器人的人还寥寥无几。到80年代末特别是90年代以来，并联式机器人才被广为主意，并成为了新的热点。,2.6 并联机器人机构,64,65,66,67,3RPS机构,6RSS机构,6SPS机构,6SPS双三角机构,68,6RSS机构,6PSS机构,6SPS单三角机构,3RRR球面机构,69,2.7 移动机器人机构,移动功能的机器人可认为是人类行走功能的模拟和扩展。一台完全意义上的自主式移动

23、机器人，除具备基本的移动机能外，还必须有移动控制功能、环境感知机能和规划决策机能。只有这样，机器人才有可能在非结构环境中自主地选择行走路径，避开障碍物，利用已有的知识系统进行必要的分析推理和决策，完成从出发地到目的地的自动移动任务。,移动机器人多是针对陆上表面环境的。其机构形式主要有： (1)车轮式移动机构； (2)履带式移动机构； (3)腿足式移动机构。 此外，近有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合。,70,2.7.1 轮式移动机构,轮式移动机构依据车轮的数目分为1轮、2轮、3轮、4轮、5轮、6轮以及多轮机构。,轮式移动系统机构简单，质量轻，

24、功耗小，控制方便，运动灵活。缺点是其越野能力较差，但可以通过选择合适的悬架系统来提高其地形适应能力。,71,72,73,74,75,轮-地接触简化力学模型,f滚动阻力系数,附着系数,硬地面,软地面,76,车轮类型：,77,转向方式：,（Ackerman 转向）,78,78,（全方位转向）,（差动转向）,79,轮系机构：,80,履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用，着地面积较大，压强较小，与路面的粘着力较强，能在不平和松软的路面上稳定移动，具有很强的越野能力，控制也简单。但功耗较大，运动灵活性差。,2.7.2 履带式移动机构,81,履带形式,82,越障,上、下台阶

25、,关节履带,83,履带张紧机构,84,2.7.3 腿足式移动机构,腿足式移动系统的特点是落足点为几个离散的位置点，能够自主选择有利的落足点，具有出色的地形适应能力 ；此外，能够自主隔振，保证系统沿平滑预定的轨迹运行。腿足式移动系统一直得到国内外的移动机器人研究者的广泛重视。但其机械结构和控制系统复杂，系统可靠性低；在松软沙地行走时，抗沉陷性较差，效率较低，功耗也大。,85,85,腿足结构形式,86,87,88,2.7.4 轮腿式移动机构,89,89,谐波传动：由波发生器、柔轮和刚轮组成。,钢轮、柔轮、波发生器,90,与一般齿轮传动和蜗杆传动不同，谐波传动其工作原理是基于一种变形原理，即通过柔轮

26、变形时其径向位移和切向位移间的转换关系，从而实现传动机构的力和运动的转换。 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。,91,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

27、，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。,92,与一般齿轮传动比较，它有以下特点：（1）传动比大，且范围广。单级传动的传动比为50320，复波传动的传动比可达107。（2）同时参加啮和的齿数多，承载能力高。传递公称力矩时，同时参加啮和的齿数可达到总齿数的30%40%。（3）体积小，重量轻。在传动比和承载条件相同的情况下，谐波齿轮传动比一般齿轮传动的体积和重量减小1/31/2左右。（4）运动精度高，回差小。（5）传动效率高，一般单

28、级传动效率为70%-90%。（6）可向密闭空间传递运动和动力，这一点是其它任何机械传动无法实现,93,93,RV摆线针轮行星传动：是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的。,RV摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大26倍，但重量也增加了13倍。,94,94,齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动应用于机器人传动机构时，须特别注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度要求。 对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。,95,95,滚动螺旋传动：在具有螺旋槽的

29、丝杠与螺母之间放入适当的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动，滚珠在工作过程中，顺螺旋槽(滚道)循环滚动。 为了消除回差(空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母等调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零。 必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合。 螺母两端及丝杠的外露部分必须密封。,1一齿轮； 2一返回装置； 3一键； 4一滚珠； 5一丝杠； 6一螺母； 7支座,96,思考题： 1、机器人驱动器的类型及选择原则。 2、机器人的常用传动机构及其特点。 3、机器人二自由度与三自由度手腕的结构类型，请举例 说明。 4、机器人手臂结构设计的特点。 5、机器人卡爪式夹持器的类型 。 6、机器人移动机构的主要类型及其特点。,