第二講 工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 引言： 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：確定基本參數(shù)，選擇運(yùn)動(dòng)方式，手臂配置形式，位置檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)和控制方式等。然后是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)，要對(duì)各部件的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行必要的驗(yàn)算。 一、系統(tǒng)分析1根據(jù)機(jī)器人的使用場(chǎng)合，明確所使用機(jī)器人的目的和任務(wù)。2分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機(jī)器人與已有設(shè)備的兼容性。3分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。 具體來(lái)說(shuō)，確定機(jī)器人的自由度數(shù)，信息的存儲(chǔ)容量，計(jì)算機(jī)的功能水平，機(jī)器人的動(dòng)作速度，定位精度，機(jī)器人容許的運(yùn)動(dòng)空間的大小，環(huán)境條件（如溫度、是否存在振動(dòng)），抓取工件的重量、外形尺寸的大小，生產(chǎn)批量等。 舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人（1） 下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機(jī)器人的系統(tǒng)分析方法。n明確機(jī)器人的目的和任務(wù)：n從傳送帶拾取一個(gè)雞蛋；n把蛋置于強(qiáng)光下照射，測(cè)定蛋是否透光（有無(wú)胚胎生長(zhǎng)）； n根據(jù)蛋有無(wú)胚胎，把蛋放入廢品箱或包裝箱內(nèi)。 舉例示圖1：基本工作流程 舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人（2）n分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境：包括工作車(chē)間的平面布置，相互間的位置關(guān)系等。 舉例示圖2：機(jī)器人與環(huán)境的關(guān)系 舉例：雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人（3）分析系統(tǒng)的工作要求：n循環(huán)時(shí)間3.0sn每次循環(huán)有三種不同的運(yùn)動(dòng)：n移動(dòng)到傳送帶并拾取一只雞蛋；n移動(dòng)到照射位置；n把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū)。n一個(gè)循環(huán)中需要三次暫停： n閉合手爪0.2s；完成照射0.05s；開(kāi)啟手爪放蛋0.2sn每只雞蛋重量85g；手爪重量369gn位置分辨率最低為1.27mm 確定機(jī)器人的自由度及運(yùn)動(dòng)范圍：n初步分析：機(jī)器人滿(mǎn)足上面提出的條件，應(yīng)該具備一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。n仔細(xì)分析：還應(yīng)該有一個(gè)運(yùn)動(dòng)以對(duì)蛋進(jìn)行定向排列。因?yàn)楫?dāng)受臂移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雞蛋的取向會(huì)發(fā)生改變。n確定技術(shù)參數(shù)為：n伸縮運(yùn)動(dòng)：45.761.0cm n腰部旋轉(zhuǎn)： 90n腕部旋轉(zhuǎn)：360 n腕部垂直移動(dòng)：50.8cm 初步確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)： 作業(yè)：根據(jù)雞蛋傳送分檢系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計(jì)一臺(tái)滿(mǎn)足動(dòng)作要求的機(jī)器人模型（用幾何模型圖表示），并對(duì)你的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)予以分析。 二、技術(shù)設(shè)計(jì) 1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（1）：n自由度的確定：在系統(tǒng)分析時(shí)已經(jīng)確定了。 n臂力的確定： n對(duì)于專(zhuān)用機(jī)器人來(lái)說(shuō)：是針對(duì)專(zhuān)門(mén)的工作對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)的，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量確定，取1.53.0的安全系數(shù)。n對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)：具有一定的通用性，臂力要根據(jù)被抓取物體的重量變化來(lái)確定。n工作范圍的確定： 要根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定 1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（2）：n運(yùn)動(dòng)速度的確定： 主要是根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)機(jī)械手各部位的運(yùn)動(dòng)行程確定其運(yùn)動(dòng)。n定位精度的確定： 機(jī)器人的定位精度是根據(jù)使用要求確定的。而要達(dá)到這樣的精度取決于機(jī)器人的定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方法等。 夾緊工件手臂升降伸縮運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)工作節(jié)拍5分鐘每一個(gè)動(dòng)作都由5個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同完成綜合分配每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度確定舉例 2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇（1）：n根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定其運(yùn)動(dòng)形式，然后才能確定其結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式有以下幾種： 2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇（2）：n直角坐標(biāo)型：機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)。n特點(diǎn)：n結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度高。n關(guān)節(jié)之間運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，沒(méi)有耦合作用。 n占地面積大，導(dǎo)軌面防護(hù)比較困難。 2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇（3）：n圓柱坐標(biāo)型：圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、升降和伸縮。亦即具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。n特點(diǎn)： n通用性較強(qiáng)；n結(jié)構(gòu)緊湊；n機(jī)器人腰轉(zhuǎn)時(shí)將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。n受結(jié)構(gòu)限制，手臂不能抵達(dá)底部，減少了工作范圍。 2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇（4）：n球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)）： 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。n特點(diǎn)： n工作范圍較大；n占地面積小；n控制系統(tǒng)復(fù)雜 2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇（5）：n SCARA機(jī)器人：有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)是移動(dòng)關(guān)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。n特點(diǎn)： n結(jié)構(gòu)輕便，響應(yīng)快；n適用于平面定位和在垂直方向進(jìn)行作的場(chǎng)合。 2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇（6）：n關(guān)節(jié)式機(jī)器人：關(guān)節(jié)式機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 n特點(diǎn)： n動(dòng)作靈活，工作空間大；n關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)部位密封性好；n運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜，不便于控制。 3擬定檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖： 圖例：傳感系統(tǒng)框圖： 4確定控制系統(tǒng)總體方案，給出框圖 圖例：控制系統(tǒng)總體方案 5機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三、機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式： 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種方式。一臺(tái)機(jī)器人可以只有一種驅(qū)動(dòng)方式，也可以是幾種方式的聯(lián)合。n液壓傳動(dòng)：具有較大的功率體積比，常用于大負(fù)載的場(chǎng)合。n氣壓傳動(dòng)：氣動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，適合于節(jié)拍快、負(fù)載小且精度要求不高的場(chǎng)合，常用于點(diǎn)位控制、抓取、彈性握持和真空吸附。 n電動(dòng)：適合于中等負(fù)載，特別適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人。 2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式（1）： 分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種方式。 n直接驅(qū)動(dòng)：直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人也叫DDR（Direct drive robot），一般指驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接。其特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒(méi)有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。這種驅(qū)動(dòng)方式具有以下特點(diǎn)： A機(jī)械傳動(dòng)精度高； B振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛性好； C結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高； D電機(jī)的重量會(huì)增加轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)擔(dān)。 關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)圖例： 2關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式（2）：n間接驅(qū)動(dòng)方式：大部分機(jī)器人是間接驅(qū)動(dòng)方式。由于驅(qū)動(dòng)器的輸出轉(zhuǎn)矩大大小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所要求的轉(zhuǎn)矩，所以必須使用減速器。n間接驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)：n可以獲得一個(gè)比較大的力矩； n可以減輕關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān)；n可以把電機(jī)作為一個(gè)平衡質(zhì)量；n增加了傳動(dòng)誤差；n結(jié)構(gòu)龐大。 間接驅(qū)動(dòng)方式圖例（1）： 間接驅(qū)動(dòng)方式圖例（2）： 間接驅(qū)動(dòng)方式圖例（3）： 3材料的選擇： 選擇機(jī)器人本體的材料，應(yīng)從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿(mǎn)足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造要求。如：n機(jī)器人的臂和機(jī)器人整體是運(yùn)動(dòng)的，則要求采用輕質(zhì)材料。n精密機(jī)器人，則要求材料具有較好的剛性。 n還要考慮材料的可加工性等。n機(jī)器人常用的材料有：碳素結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、硼纖維增強(qiáng)合金、陶瓷等。 4平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 的設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。平衡系統(tǒng)具有以下作用：n安全：防止機(jī)器人在切斷電源后因重力而失去穩(wěn)定。 n借助平衡系統(tǒng)能降低機(jī)器人的構(gòu)形變化。n借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩峰值的變化。 n借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。 平衡系統(tǒng)圖例 5平衡系統(tǒng)的工作原理n通常采用平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)成平衡系統(tǒng)。其原理是在系統(tǒng)中增加一個(gè)質(zhì)量，與原構(gòu)件的質(zhì)量形成一個(gè)力的平衡，該平衡系統(tǒng)不隨機(jī)器人位姿的變化而失去平衡。 圖例：平行四邊形平衡系統(tǒng)： 3332222 33 GOmGOmVmO BOmmSV 橫向力的平衡：縱向力的平衡： 5模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 將每一自由度的軸作為一個(gè)單獨(dú)模塊，并由獨(dú)立的單片機(jī)控制，然后用戶(hù)可根據(jù)自己的需要進(jìn)行多軸組裝。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有經(jīng)濟(jì)和靈活的特點(diǎn)。 圖例：模塊化設(shè)計(jì) 作業(yè)：n機(jī)器人關(guān)節(jié)的直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)各有何特點(diǎn)？