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1、1,機器人工程及應用,2,,機器人的基本組成及技術參數(shù) 機器人總體設計 機器人機械系統(tǒng)設計 傳動部件設計 行走機構設計 機身設計 臂部設計 手腕設計 手部設計,第二講：機器人的總體和機械結構設計,3,2.1 機器人的基本組成及技術參數(shù),,機器人設計包括機械結構設計，檢測傳感系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)設計等，是機械、電子、檢測、控制和計算機技術的綜合應用。為了明確機器人的設計任務和過程，我們以工業(yè)機器人為例對機器人的組成和技術參數(shù)進行一些介紹。,4,2.1.1 機器人的基本組成,,如圖所示，機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成。這三大部分可分成驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人環(huán)境交互

2、系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)。,圖2-1 機器人的基本組成,5,2.1.2 機器人技術參數(shù),,機器人技術參數(shù)是機器人制造商在產品供貨時所提供的技術數(shù)據(jù)，不同的機器人其技術參數(shù)不一樣。但是，工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)一般都應有：自由度、定位精度、重復定位精度、工作范圍、最大工作速度、承載能力等。,6,圖2-2 PUMA 562型機器人,圖2-3 Stewart機構,1、自由度,7,2、定位精度與重復定位精度,機器人精度是指定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人重復定位其手部于同一目標位置的能力，可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示

3、。它是衡量一系列誤差值的密集度，即重復度。如下圖所示。,8,(a) 重復定位精度的測定； (b) 合理定位精度，良好重復定位精度； (c) 良好定位精度很差重復定位精度； (d) 很差定位精度，良好重復定位精度。,圖2-4 機器人精度和重復精度的典型情況,9,3、工作范圍,工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。因為末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了真實反映機器人的特征參數(shù)，所以是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。,圖2-5 PUMA 機器人工作范圍,10,4、最大工作速度,通常指機器人手臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率，因此提高機器人的加速減速

4、能力，保證機器人加速減速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。,11,5、承載能力,承載能力是指機器人在工作范圍內的任何位姿上所能承受的最大質量。機器人的載荷不僅取決于負載的質量，而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。為了安全起見，承載能力是指高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅要考慮負載，而且還要考慮機器人末端操作器的質量。,12,2.2 機器人總體設計,,機器人總體設計的主要內容有：確定基本參數(shù)，選擇運動方式，手臂配置形式，位置檢測，驅動和控制方式等。在結構設計的同時，對各部件的強度、剛度做必要的驗算。機器人總體設計步驟分以下幾個部分。,13,2.2.1 系統(tǒng)分析,,機器人是實現(xiàn)生產過

5、程自動化、提高勞動生產率的有力工具。首先確定使用機器人是否需要與合適，決定采用后需要做如下分析工作： (1)明確采用機器人的目的和任務。 (2)分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括設備兼容性等。 (3)認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機器人的基本功能和方 案。如機器人的自由度數(shù)、信息的存儲容量、定位精度、抓取重量 (4)進行必要的調查研究，搜集國內外的有關技術資料。,14,2.2.2 技術設計,,(1)機器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運動速度及定位精度等。 舉例：定位精度的確定 機器人或機器手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機器人或機器手本身所能達到的定位精度取決于定

6、位方式、運動速度、控制方式、臂部剛性、驅動方式、緩沖方式等。 工藝過程的不同，對機器人或機器手重復定位精度的要求也不同，不同工藝過程所要求的定位精度如下： 金屬切削機床上下料：(0.05-1.00) mm 沖床上下料：1 mm 模鍛： (0.1-2.0) mm 點焊： 1 mm 裝配、測量： (0.01-0.50) mm 噴涂： 3 mm 當機器人或機器手本身所能達到的定位精度有困難時，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機器人實現(xiàn)粗定位、工夾具實現(xiàn)精定位。,15,,(2) 機器人運動形式的選擇。 常見機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關節(jié)型和SCA

7、RA型。 (3) 擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖。選擇合適的傳感器，以便結構設計時考慮安裝位置。 (4) 確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖。 (5) 機械結構設計。確定驅動方式，選擇運動部件和設計具體結構，繪制機器人總裝圖及主要部件零件圖。,16,2.2.3 仿真分析,,,(1)運動學計算。分析是否達到要求的速度、加速度、位置。 (2)動力學計算。計算關節(jié)驅動力的大小，分析驅動裝置是否滿足要求。 (3)運動的動態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來，實現(xiàn)機器人的運動仿真。 (4)性能分析。建立機器人數(shù)學模型，對機器人動態(tài)性能進行仿真計算。 (5)方案和參數(shù)修改。運用仿真分析的結果對所設計的方案、結

8、構、尺寸和參數(shù)進行修改，加以完善。 機器人機械系統(tǒng)設計是機器人設計的重要部分。其他系統(tǒng)的設計盡管有各自的獨立性，但都必須與機械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構成一個完整的機器人系統(tǒng)。,17,2.3 機器人機械系統(tǒng)設計,,在確定機器人運動形式的基礎上，機器人機械系統(tǒng)設計還包括確定機器人驅動方式、關節(jié)驅動方式、材料選擇、平衡系統(tǒng)設計和零部件設計。,18,2.4 傳動部件設計,,機器人是運動的，各個部位都需要能源和動力，因此設計和選擇良好的傳動部件是非常重要的。這涉及到關節(jié)形式的確定，傳動方式以及傳動部件的定位和消隙等多個方面。 (1) 關節(jié)(如轉動關節(jié)與移動關節(jié)) (2) 傳動件的定位和消隙 (3)

9、機器人傳動機構(如齒輪、繩與鋼帶傳動等),19,2.5 行走機構設計,,機器人可分成固定式和行走式兩種。一般的機器人多為固定式，但隨著海洋科學、原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，移動機器人、自動行走機器人的應用也越來越多。列舉如下： (1) 車輪式行走機器人 (2) 腳式行走機器人 (3) 履帶式行走機器人 (4) 其他行走機器人,20,2.6 機身設計,,機器人機械結構有三大部分：機身、手臂(包括手腕)、手部。機身，又稱為立拄，是支撐臂部的部件，并能實現(xiàn)手臂的升降、回轉或俯仰運動機器人必須有一個便于安裝的基礎件，這就是機器人的機座機座往往與機身做成一體。,21,2.7 臂部設計,,2.8 手腕設計,2.9 手部設計 機器人手也叫末端操作器，相當于人的手抓。主要作用是夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的工作。 手抓用于抓取物體，并進行細微的操作。人的五指有20個自由度，通過關節(jié)的伸曲，可以進行各種復雜的動作。 手部設計的主要研究方向是柔性化、標準化、智能化。,