工业机器人机械系统设计.ppt

第五章第五章第五章第五章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计主要内容主要内容5.1工业机器人总体设计工业机器人总体设计5.2传动部件设计传动部件设计5.3臂部设计臂部设计5.4手腕设计手腕设计5.5手部设计手部设计5.6机身及行走机构设计机身及行走机构设计5.1工业机器人总体设计工业机器人总体设计一、主体结构设计一、主体结构设计工业机器人坐标形式有：工业机器人坐标形式有：直角坐标式直角坐标式圆柱坐标式圆柱坐标式球面坐标式球面坐标式(极坐标式极坐标式)关节坐标式。关节坐标式。1.直角坐标式机器人直角坐标式机器人 一般直角坐标式机器人的手臂能垂一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动直上下移动(Z方向运动方向运动)，并可沿滑架，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移和横梁上的导轨进行水平面内二维移动动(x和和y方向运动方向运动)。直角坐标式机器人主要用于生产设直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。和检测作业。直角坐标式机器人主体结构具有三直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。用途而定。直角坐标机器人演示直角坐标机器人演示直角坐标机器人应用直角坐标机器人应用直角坐标式机器人的优点是：直角坐标式机器人的优点是：(1)结构简单。结构简单。(2)容易编程。容易编程。(3)采用直线滚动导轨后，速度采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高。高，定位精度高。(4)在在x，y和和z三个坐标轴方向三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。系统设计相对容易些。直角坐标式机器人主要缺点是：直角坐标式机器人主要缺点是：(1)导轨面的防护比较困难。导轨面的防护比较困难。(2)导轨的支承结构增加了机器人的重量，并导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。减少了有效工作范围。(3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。价格高。(4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。(5)移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。的尺寸和能量消耗。起重机台架式直角坐标机器人的应用越来起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。2圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人主体结圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。升降，手臂伸缩。手腕通常采用两（三）个手腕通常采用两（三）个自由度，绕手臂纵向轴线自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴转动和与其垂直的水平轴线转动。线转动。圆柱坐标式机器人的优点：圆柱坐标式机器人的优点：（1）除了简单的）除了简单的“抓一放抓一放”作业外还可以用在许多其它生作业外还可以用在许多其它生产领域。产领域。(2)结构紧凑。结构紧凑。(3)在垂直方向和径向有两个在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学减少了转动惯量，改善动力学载荷。载荷。圆柱坐标式机器人的缺点：圆柱坐标式机器人的缺点：主要是由于机身结构的缘故，主要是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。机器人的工作范围。3球面坐标式机器人球面坐标式机器人 球面坐标式机器人具有较大的球面坐标式机器人具有较大的工作范围，设计和控制系统比较工作范围，设计和控制系统比较复杂。复杂。在这类机器人中最出名的一种在这类机器人中最出名的一种产品是美国产品是美国unimation公司的公司的Unimation 机器人，它的结构简图机器人，它的结构简图如图所示。如图所示。机器人主体结构有三个自由度，机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线绕垂直轴线(柱身柱身)转动、水平轴线转动、水平轴线(关节关节6)的转动、手臂伸缩的移动的转动、手臂伸缩的移动关节关节2，其最大行程决定了球面最，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。形状是个不完全的球缺。4关节坐标式机器人关节坐标式机器人 关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节上的转动关节(俯仰，偏转和翻转俯仰，偏转和翻转)用来最后确定末端用来最后确定末端操作器的姿态。操作器的姿态。关节坐标式机器人的优点：关节坐标式机器人的优点：（1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。积小。(2)具有很高的可达性。具有很高的可达性。(3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。因为没有移动关节，所以不需要导轨。(4)所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。关节坐标式机器人的缺点：关节坐标式机器人的缺点：(1)肘关节和肩关节轴线肘关节和肩关节轴线是平行的，当大小臂舒展是平行的，当大小臂舒展成直线时虽能抵达很远的成直线时虽能抵达很远的工作点，但是机器人结构工作点，但是机器人结构刚度比较低。刚度比较低。(2)机器人手部在工作范机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学围边界上工作时有运动学上的退化行为。上的退化行为。二、传送方式的选择二、传送方式的选择 传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。的连接形式和驱动方式。基本的连接形式和驱动方式有如下几种：基本的连接形式和驱动方式有如下几种：（1）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。与关节相连。（2）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。与关节相连。（3）间接驱动。驱动源经一个速比远大于）间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械传的机械传动装置与关节相连。动装置与关节相连。（4）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。的机械传动这样的中间环节与关节相连。(a)直接连接传动，间接驱动直接连接传动，间接驱动(b)直接连接传动，直接驱动直接连接传动，直接驱动(c)远距离连接传动，间接驱动远距离连接传动，间接驱动(d)远距离连接传动，直接驱动远距离连接传动，直接驱动1直接连接传动的特点直接连接传动的特点 优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相有损害。有损害。克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械传动把电机动力传给肘和肩关节。传动把电机动力传给肘和肩关节。2远距离连接传动远距离连接传动 远距离连接传动机器人远距离连接传动机器人的主要优点：的主要优点：(1)克服了直接连接克服了直接连接传动的缺点。传动的缺点。(2)可以把电机作为可以把电机作为一个平衡质量，获得平一个平衡质量，获得平衡性良好的机器人主体衡性良好的机器人主体结构。结构。2远距离连接传动远距离连接传动 远距离连接传动机器人远距离连接传动机器人的主要缺点：的主要缺点：(1)远距离传动产生额远距离传动产生额外的间隙和柔性，影响外的间隙和柔性，影响机器人的精度。机器人的精度。(2)增加能量消耗。增加能量消耗。（3）结构庞大，传动）结构庞大，传动装置占据了机器人其它装置占据了机器人其它子系统所需要的空间。子系统所需要的空间。图所示图所示SCARA机器人采用机器人采用了一种折哀的方案：了一种折哀的方案：因为手腕离机器人基础件因为手腕离机器人基础件最远，把手腕电机从手腕处最远，把手腕电机从手腕处移到基础件附近安装，中间移到基础件附近安装，中间采用同步带传动；采用同步带传动；因基础件附近空间已经比因基础件附近空间已经比较狭窄，并且臂较狭窄，并且臂1的刚性也的刚性也比较好，肘关节电机就直接比较好，肘关节电机就直接装在肘关节上。装在肘关节上。3间接驱动机器人间接驱动机器人 间接驱动机器人是驱动电机和关节之间间接驱动机器人是驱动电机和关节之间有一个速比远大于有一个速比远大于1的机械传动装置。的机械传动装置。使用机械传动装置的理由是：使用机械传动装置的理由是：(1)工业机器人关节转轴的速度不高，而关节工业机器人关节转轴的速度不高，而关节驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个要驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个要求，所以需要采用速比较大、传动效率较高的机求，所以需要采用速比较大、传动效率较高的机械传动装置作为电机和关节之间传递力矩和速度械传动装置作为电机和关节之间传递力矩和速度的中间环节。的中间环节。(2)用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经开发出来，但是电机价格高，并且转矩体积比开发出来，但是电机价格高，并且转矩体积比和转矩重量比还比较小。和转矩重量比还比较小。3间接驱动机器人间接驱动机器人 (3)直接驱动对载荷变化十分敏感。直接驱动对载荷变化十分敏感。(4)采用机械传动装置后，可选用高速低转矩采用机械传动装置后，可选用高速低转矩电机，对制动器设计和选用十分有利，制动器电机，对制动器设计和选用十分有利，制动器尺寸小。尺寸小。(5)可以通过机械传动装置解决可能出现的倾可以通过机械传动装置解决可能出现的倾斜轴之间、平行轴之间以及转动斜轴之间、平行轴之间以及转动-移动之间的移动之间的运动转换。运动转换。4直接驱动机器人直接驱动机器人 直接驱动机器人也叫作直接驱动机器人也叫作DD机器人机器人(Direct Drive Robot)简称简称DDR。DD机器人一般指驱动电机通过机械接口机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接，也包括一种采用速比等于直接与关节连接，也包括一种采用速比等于l的钢带传动的直接驱动机器人。的钢带传动的直接驱动机器人。DD机器人的特点是驱动电机和关节之间机器人的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。没有速度和转矩的转换。DD机器人与间接驱动机器人相比如下优点：机器人与间接驱动机器人相比如下优点：(1)机械传动精度高。机械传动精度高。(2)振动小，结构刚度好。振动小，结构刚度好。(3)机械传动损耗小。机械传动损耗小。(4)结构紧凑、可靠性高。结构紧凑、可靠性高。(5)电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速范间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速范围宽。围宽。目前主要存在的问题是：目前主要存在的问题是：(1)载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂。及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂。(2)对位置、速度的传感元件提出了相当高的对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求。要求。(3)电机的转矩重量比，转矩体积比不大，电机的转矩重量比，转矩体积比不大，需开发小型实用的需开发小型实用的DD电机。电机。(4)电机成本高。电机成本高。三、模块化结构设计三、模块化结构设计1.模块化工业机器人模块化工业机器人模块化机器人是由一些模块化机器人是由一些标准化、系列化的模块标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人式组成一个工业机器人系统。系统。模块化设计是指基本模模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。块设计和结合部设计。模块化机器人演示模块化机器人演示2模块化工业机器人的特点模块化工业机器人的特点(1)经济性：经济性：采用批量制造技术来生产标准化系列化的工业机器人采用批量制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼装工业机器人，满足用户经济性好和基模块，自由拼装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。本功能全的要求。(2)灵活性。灵活性。其主要体现在：其主要体现在：1)可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机器人的自由度可以方便地增减。量，机器人的自由度可以方便地增减。2)为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的手臂模块或加接手臂模块。长度的手臂模块或加接手臂模块。3)能不断对现规模块化工业机器人更新改造。能不断对现规模块化工业机器人更新改造。机器人演示机器人演示3.模块化工业机器人所存在的问题模块化工业机器人所存在的问题 (1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。较差。(2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。(3)虽然功能模块有多种多样，但是尚未真正虽然功能模块有多种多样，但是尚未真正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。和设计。四、材料的选择四、材料的选择 正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。特性要求。选择的基本要求：选择的基本要求：(1)强度高。强度高。(2)弹性模量大。弹性模量大。(3)重量轻。重量轻。(4)阻尼大。阻尼大。(5)材料价格低。材料价格低。五五.平衡系统设计平衡系统设计 1工业机器人平衡系统的作用工业机器人平衡系统的作用 在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是：在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是：(1)安全。安全。根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩项包括重根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩项包括重力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动重力矩因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动重力矩项仍然存在。这样，当机器人完成作业切断电源后，项仍然存在。这样，当机器人完成作业切断电源后，机器人机构会因重力而失去稳定。机器人机构会因重力而失去稳定。平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳，引平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳，引起向地面起向地面“例塌例塌”的趋势。的趋势。1工业机器人平衡系统的作用工业机器人平衡系统的作用(2)借助平衡系统能降低因机器人重力引起关节借助平衡系统能降低因机器人重力引起关节驱动力矩变化的峰值。驱动力矩变化的峰值。(3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。(4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性。项和非线性项，改进机器人动力特性。(5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。的不良影响。(6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。地面安装要求。2平衡系统设计的主要途径平衡系统设计的主要途径（1）质量平衡技术；质量平衡技术；（2）弹簧力平衡技术；弹簧力平衡技术；（3）可控力平衡技术。可控力平衡技术。（1)质量平衡技术质量平衡技术 通常采用平行四边形机构构成平衡系统。通常采用平行四边形机构构成平衡系统。其原理是在系统中增加一个质量，与原构件其原理是在系统中增加一个质量，与原构件的质量形成一个力的平衡，该平衡系统不随的质量形成一个力的平衡，该平衡系统不随机器人位姿的变化而失去平衡。机器人位姿的变化而失去平衡。5.2传动部件设计传动部件设计 用户要求机器人速度高、加速度用户要求机器人速度高、加速度(减速度减速度)特性特性好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。的关键之一。5.2传动部件设计传动部件设计 一、移动关节导轨及传动关节轴承一、移动关节导轨及传动关节轴承(一一)移动关节导轨移动关节导轨 1工业机器人对移动导轨的要求工业机器人对移动导轨的要求(1)间隙小或能消除间隙；间隙小或能消除间隙；(2)在垂直于运动方向上的刚度高；在垂直于运动方向上的刚度高；(3)摩擦系数低并不随速度变化，摩擦系数低并不随速度变化，(4)高阻尼；高阻尼；(5)移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。移动关节导轨有五种：移动关节导轨有五种：(1)普通滑动导轨普通滑动导轨(2)液压动压滑动导轨液压动压滑动导轨(3)液压静压滑动导轨液压静压滑动导轨(4)气浮导轨气浮导轨(5)滚动导轨。滚动导轨。普通滑动导轨、液压动压滑动导轨的特点：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨的特点：具有结构简单、成本低的优点具有结构简单、成本低的优点但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；起坐标位置的变化和有效载荷的变化；另外这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化另外这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时，容易产生爬行现象等缺点而变化，在低速时，容易产生爬行现象等缺点 液压静压滑动导轨的特点：液压静压滑动导轨的特点：静压导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，静压导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。气浮导轨的特点：气浮导轨的特点：不需回收润滑油的，但是它的刚度和阻尼较低，不需回收润滑油的，但是它的刚度和阻尼较低，并且对制造精度和环境的空气条件并且对制造精度和环境的空气条件(过滤和干过滤和干燥燥)要求较高。要求较高。滚动导轨的特点：滚动导轨的特点：1）摩擦小，特别是不随速）摩擦小，特别是不随速度变化；度变化；2）尺寸小；）尺寸小；3）刚度高，承载能力大；）刚度高，承载能力大；4）精度和精度保持性高；）精度和精度保持性高；5）润滑简单；）润滑简单；6）容易制造成标准件；）容易制造成标准件；7）滚动导轨易加顶载，消）滚动导轨易加顶载，消除间隙、增加刚度。除间隙、增加刚度。滚动导轨在工业机器人机械系统中也存在缺点：滚动导轨在工业机器人机械系统中也存在缺点：（1）阻尼低；）阻尼低；（2）对脏物比较敏感。）对脏物比较敏感。(二二)转动关节轴承转动关节轴承 球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。它能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和它能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。轴承座的刚度不敏感。二、传动件的定位及消隙二、传动件的定位及消隙(一一)传动件的定位传动件的定位 目前常用的定位方法：目前常用的定位方法：电气开关定位电气开关定位机械挡块定位机械挡块定位伺服定位伺服定位 1电气开关定位电气开关定位 电气开关定位是利用电气开关电气开关定位是利用电气开关(有触点或无有触点或无触点触点)作行程检测元件，当机械手运行到定位作行程检测元件，当机械手运行到定位点时，行程开关发信号，切断动力源或接通制点时，行程开关发信号，切断动力源或接通制动器，从而使机械手运行到定位点。动器，从而使机械手运行到定位点。使用电气开关定位的机械手其结构简单、工使用电气开关定位的机械手其结构简单、工作可靠、维修方便，但由于受惯性力、油温波作可靠、维修方便，但由于受惯性力、油温波动和电控系统误差等因素的影响，重复定位精动和电控系统误差等因素的影响，重复定位精度比较低。度比较低。2机械挡块定位机械挡块定位 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手减速运动到终点时紧靠挡块而定位。当机械手减速运动到终点时紧靠挡块而定位。若定位前缓冲较好、定位时驱动压力未撤除，若定位前缓冲较好、定位时驱动压力未撤除，在驱动压力下将运动件压在机械挡块上，或驱在驱动压力下将运动件压在机械挡块上，或驱动压力将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定动压力将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定位精度。位精度。若定位时关闭驱动油路、去掉驱动压力，机若定位时关闭驱动油路、去掉驱动压力，机械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果和机械手的结构刚性等因素有关。和机械手的结构刚性等因素有关。3伺服定位系统伺服定位系统 伺服系统可以输入指令控制位移的变化，从而伺服系统可以输入指令控制位移的变化，从而获得良好的运动特性。它不仅适用于点位控制，获得良好的运动特性。它不仅适用于点位控制，而且也适用于连续轨迹控制。而且也适用于连续轨迹控制。开环伺服定位系统没有行程检测及反馈，是一开环伺服定位系统没有行程检测及反馈，是一种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器人速种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器人速度和位移的定位方式。这种定位方式抗干扰能度和位移的定位方式。这种定位方式抗干扰能力差，定位精度较低。力差，定位精度较低。闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干扰能闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干扰能力强，反应速度快，容易实现任意点定位。力强，反应速度快，容易实现任意点定位。(二二)传动件的消隙传动件的消隙 传动机构存在有间隙、也叫侧隙。传动机构存在有间隙、也叫侧隙。齿轮传动的侧隙是指一对齿轮中一个齿轮固定齿轮传动的侧隙是指一对齿轮中一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大的角位移。不动，另一个齿轮能够作出的最大的角位移。传动的间隙，影响了机器人的重复定位精度和传动的间隙，影响了机器人的重复定位精度和平稳性。平稳性。对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的非线性变化、振动和不稳定。非线性变化、振动和不稳定。传动间隙产生的主要原因有：传动间隙产生的主要原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙；由于制造及装配误差所产生的间隙；为适应热膨胀而特意留出的间隙。为适应热膨胀而特意留出的间隙。消除传动间隙的主要途径有：消除传动间隙的主要途径有：提高制造和装配精度；提高制造和装配精度；设计可调整传动间隙的机构；设计可调整传动间隙的机构；设置弹性补偿零件。设置弹性补偿零件。1.消隙齿轮消隙齿轮 消隙齿轮由具有相同齿轮参数的并只有一半齿消隙齿轮由具有相同齿轮参数的并只有一半齿宽的两个薄齿轮组成，利用弹簧的压力使它们宽的两个薄齿轮组成，利用弹簧的压力使它们与配对的齿轮两侧齿廓相接触，完全消除了齿与配对的齿轮两侧齿廓相接触，完全消除了齿侧间隙。侧间隙。1.消隙齿轮消隙齿轮图图(b)用螺钉用螺钉3将两个薄齿轮将两个薄齿轮1和和2连接在一起，连接在一起，代替代替(a)中的弹簧。中的弹簧。2柔性齿轮消隙柔性齿轮消隙 图（图（a）所示为）所示为一种具有弹性一种具有弹性的柔性齿轮，的柔性齿轮，在装配时对它在装配时对它稍许加些预载稍许加些预载就能引起轮壳就能引起轮壳的变形从而的变形从而使每个轮齿的使每个轮齿的双侧齿廓都能双侧齿廓都能啮合，消除了啮合，消除了侧隙。侧隙。2柔性齿轮消隙柔性齿轮消隙 图图(b)所示为所示为采用了径向采用了径向柔性齿轮，柔性齿轮，轮壳和齿圈轮壳和齿圈是刚性的，是刚性的，但与齿轮圈但与齿轮圈连接处具有连接处具有弹性。弹性。3偏心机构消隙偏心机构消隙 如图所示的偏心机构实际上是中心距调整机构。如图所示的偏心机构实际上是中心距调整机构。特别是齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，特别是齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，最简单的方法是调整中心距。最简单的方法是调整中心距。偏心消隙机构偏心消隙机构 4齿廓弹性覆层消隙齿廓弹性覆层消隙 齿廓表面覆盖有薄薄一层弹性很好的橡胶层，齿廓表面覆盖有薄薄一层弹性很好的橡胶层，相啮合的一对齿轮加以预载，可以完全消除啮相啮合的一对齿轮加以预载，可以完全消除啮合侧隙，如图所示。合侧隙，如图所示。三、谐波传动三、谐波传动 机器人对减速器的要求如下：机器人对减速器的要求如下：(1)运动精度高，间隙小，以实现较高的重复定运动精度高，间隙小，以实现较高的重复定位精度；位精度；(2)回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小，回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小，效率高效率高;(3)体积小，重量轻，传动扭矩大。体积小，重量轻，传动扭矩大。减速器减速比减速器减速比n的选择应当能最大限度地利用的选择应当能最大限度地利用电机功率，即机械阻抗匹配。电机功率，即机械阻抗匹配。工作臂的惯性矩工作臂的惯性矩 电机的惯性矩电机的惯性矩 三、谐波传动三、谐波传动 从现有的工业机器人来看，所选的电机功率总从现有的工业机器人来看，所选的电机功率总是偏大，减速比也过大。是偏大，减速比也过大。当减速比大时，工作臂的惯性对电机影响小，当减速比大时，工作臂的惯性对电机影响小，但电机速度容易饱和；但电机速度容易饱和；当减速比小时，工作臂运动的反作用力对电机当减速比小时，工作臂运动的反作用力对电机影响大，这需要进行机构的动力学计算。影响大，这需要进行机构的动力学计算。常用的减速器是行星齿轮机构和谐波传动机构。常用的减速器是行星齿轮机构和谐波传动机构。图图5.35 行星齿轮传动行星齿轮传动 图图5.35所示为行星齿轮传动结构简图。行星齿轮传所示为行星齿轮传动结构简图。行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑；动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑；载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。高的承载能力。行星齿轮传行星齿轮传动动画演示动动画演示图图5.36 谐波传动谐波传动 1刚轮；刚轮；2刚轮内齿圈；刚轮内齿圈；3输入轴；输入轴；4谐波发生器；谐波发生器；5轴；轴；6柔轮；柔轮；7柔轮齿圈柔轮齿圈 谐波发生器是在椭圆型凸轮的外周嵌入薄壁轴承制成谐波发生器是在椭圆型凸轮的外周嵌入薄壁轴承制成的部件。轴承内圈固定在凸轮上，外圈依靠钢球发生弹的部件。轴承内圈固定在凸轮上，外圈依靠钢球发生弹性变形，一般与输入轴相连。性变形，一般与输入轴相连。三、谐波传动三、谐波传动 图图5.36 谐波传动谐波传动 1刚轮；刚轮；2刚轮内齿圈；刚轮内齿圈；3输入轴；输入轴；4谐波发生器；谐波发生器；5轴；轴；6柔轮；柔轮；7柔轮齿圈柔轮齿圈 柔轮是杯状薄壁金属弹性体，杯口外圆切有齿，底部柔轮是杯状薄壁金属弹性体，杯口外圆切有齿，底部称为柔轮底，用来与输出轴相连。称为柔轮底，用来与输出轴相连。三、谐波传动三、谐波传动 图图5.36 谐波传动谐波传动 1刚轮；刚轮；2刚轮内齿圈；刚轮内齿圈；3输入轴；输入轴；4谐波发生器；谐波发生器；5轴；轴；6柔轮；柔轮；7柔轮齿圈柔轮齿圈 工作原理：由于谐波发生器工作原理：由于谐波发生器4的转动使柔轮的转动使柔轮6上的柔轮齿上的柔轮齿圈圈7与刚轮与刚轮1上的刚轮内齿圈上的刚轮内齿圈2相啮合。输入轴为相啮合。输入轴为3，如果，如果刚轮刚轮1固定，则轴固定，则轴5为输出轴；如果轴为输出轴；如果轴5固定，则刚轮固定，则刚轮1的的轴为输出轴。轴为输出轴。谐波传动谐波传动演示演示如果刚轮如果刚轮1不转动不转动()，谐波发生器，谐波发生器 为输入，为输入，柔轮轴柔轮轴 为输出，速比为为输出，速比为式中：负号表示柔轮向谐波发生器旋转方向的反向旋式中：负号表示柔轮向谐波发生器旋转方向的反向旋转。转。代表输入、输出轴的角速度；代表输入、输出轴的角速度；为刚轮为刚轮(圆形花键圆形花键轮轮)内齿圈内齿圈2的齿数，的齿数，为柔轮齿圈为柔轮齿圈7的齿数。的齿数。三、谐波传动三、谐波传动 如果柔轮如果柔轮6静止不转动静止不转动()，谐波发生器，谐波发生器 为为 输入，则刚轮输入，则刚轮(圆形花键轮圆形花键轮)1的轴的轴 为输为输出，速比为出，速比为三、谐波传动三、谐波传动 谐波传动的优点是：谐波传动的优点是：尺寸小，惯量低；尺寸小，惯量低；因为误差均布在多个啮合点上，传动精度高；因为误差均布在多个啮合点上，传动精度高；因为加预载啮合，传动侧隙非常小；因为加预载啮合，传动侧隙非常小；因为多齿啮合，传动具有高阻尼特性。因为多齿啮合，传动具有高阻尼特性。三、谐波传动三、谐波传动 谐波传动的缺点是：谐波传动的缺点是：柔轮的疲劳问题；柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；扭转刚度低；以输入轴速度以输入轴速度2、4、6倍的啮合频率产生振倍的啮合频率产生振动；动；谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差。隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差。例：有一谐波齿轮传动，钢轮齿数为例：有一谐波齿轮传动，钢轮齿数为200，柔，柔轮齿数为轮齿数为198，刚轮固定，柔轮输出，求该谐，刚轮固定，柔轮输出，求该谐波传动的传动比。波传动的传动比。课堂练习：有一谐波齿轮传动，钢轮齿数为课堂练习：有一谐波齿轮传动，钢轮齿数为200，柔轮齿数为，柔轮齿数为198，柔轮固定，刚轮输出，柔轮固定，刚轮输出，求该谐波传动的传动比。求该谐波传动的传动比。四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动 滑动式丝杠螺母机构是连续的面接触，传滑动式丝杠螺母机构是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并且动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并且能自锁。因丝杠的螺旋升角较小，所以用较小能自锁。因丝杠的螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩可获得较大的牵引力。的驱动力矩可获得较大的牵引力。丝杠螺母螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，丝杠螺母螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动效率低。故传动效率低。滚珠丝杠传动效率高，而且传动精度和定滚珠丝杠传动效率高，而且传动精度和定位精度均很高，传动时灵敏度和平稳性好。由位精度均很高，传动时灵敏度和平稳性好。由于磨损小，滚珠丝杆的使用寿命比较长，但成于磨损小，滚珠丝杆的使用寿命比较长，但成本较高。本较高。图图5.38为滚珠丝杠的基本组成：导向槽为滚珠丝杠的基本组成：导向槽4连接连接螺母的第一圈和最后一圈，使其形成滚动体可螺母的第一圈和最后一圈，使其形成滚动体可以连续循环的导槽。以连续循环的导槽。图图5.38 滚珠丝杠的基本组成滚珠丝杠的基本组成1丝杠；丝杠；2螺母；螺母；3滚珠；滚珠；4导向槽导向槽滚珠丝杠演示滚珠丝杠演示图图5.39 丝杠螺母传动的手臂升降机构丝杠螺母传动的手臂升降机构图图5.39所示为采用丝所示为采用丝杠螺母传动的手臂升杠螺母传动的手臂升降机构。由电动机降机构。由电动机1带动蜗杆带动蜗杆2使蜗轮使蜗轮5回回转，依靠蜗轮内孔的转，依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠螺纹带动丝杠4作升作升降运动。为了防止丝降运动。为了防止丝杠的转动，在丝杠上杠的转动，在丝杠上端铣有花键与固定在端铣有花键与固定在箱体箱体6上的花键套上的花键套7组组成导向装置。成导向装置。1电动机；电动机；2蜗杆；蜗杆；3臂架；臂架；4丝杠；丝杠；5蜗蜗轮；轮；6箱体；箱体；7花键套花键套五、其他传动五、其他传动1.活塞缸和齿轮齿条机构活塞缸和齿轮齿条机构齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动，带动与齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动，带动与手臂连接的齿轮作往复回转，即实现手臂的回手臂连接的齿轮作往复回转，即实现手臂的回转运动。转运动。1.活塞缸和齿轮齿条机构活塞缸和齿轮齿条机构图所示为手臂作回转运动的图所示为手臂作回转运动的结构。活塞油缸两腔分别进结构。活塞油缸两腔分别进压力油推动齿条活塞作往复压力油推动齿条活塞作往复移动，与齿条啮合的齿轮即移动，与齿条啮合的齿轮即作往复回转。由于齿轮与手作往复回转。由于齿轮与手臂固联，从而实现手臂的回臂固联，从而实现手臂的回转运动。转运动。图所示为气压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结图所示为气压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结构。构。活塞杆活塞杆3左移时，与活塞杆左移时，与活塞杆3相联接的齿轮相联接的齿轮2也左移，并也左移，并使运动齿条使运动齿条l一起左移，由于齿轮一起左移，由于齿轮2与固定齿条相啮合，因而与固定齿条相啮合，因而齿轮齿轮2在移动的同时又在固定齿条上滚动，并将此运动传在移动的同时又在固定齿条上滚动，并将此运动传给给1，从而使，从而使1又向左移动一距离。因手臂固联于齿条又向左移动一距离。因手臂固联于齿条1上，上，所以手臂的行程和速度均为活塞杆所以手臂的行程和速度均为活塞杆3的行程和速度的两倍。的行程和速度的两倍。图图5.46 气缸和齿轮齿条增倍手臂机构气缸和齿轮齿条增倍手臂机构1运动齿条；运动齿条；2齿轮；齿轮；3活塞杆活塞杆2带传动与链传动带传动与链传动1)同步带传动同步带传动同步带的传动面上有与带轮啮合的梯形齿。同同步带的传动面上有与带轮啮合的梯形齿。同步带传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴步带传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。外还适用于定位。图图5.40 同步带形状同步带形状 2)滚子链传动滚子链传动滚子链传动属于比较完善的传动机构，由于噪滚子链传动属于比较完善的传动机构，由于噪声小，效率高，因此得到了广泛的应用。声小，效率高，因此得到了广泛的应用。但是，高速运动时滚子与链轮之间的碰撞会产但是，高速运动时滚子与链轮之间的碰撞会产生较大的噪声和振动，只有在低速时才能得到生较大的噪声和振动，只有在低速时才能得到满意的效果。满意的效果。3绳传动与钢带传动绳传动与钢带传动1)绳传动绳传动绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传动，特绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传动，特别适合有限行程的运动传递。别适合有限行程的运动传递。绳传动的主要优点是：钢丝绳强度大，各方向绳传动的主要优点是：钢丝绳强度大，各方向上的柔软性好，尺寸小，预载后有可能消除传上的柔软性好，尺寸小，预载后有可能消除传动间隙。动间隙。绳传动的主要缺点是：绳传动的主要缺点是：1)不加预载时存在传动间隙；不加预载时存在传动间隙；2)因为绳索的蠕变和索夹的松弛使传动不稳定；因为绳索的蠕变和索夹的松弛使传动不稳定；3)多层缠绕后，在内层绳索及支承中损耗能量；多层缠绕后，在内层绳索及支承中损耗能量；效率低；效率低；4)易积尘垢易积尘垢.2)钢带传动钢带传动 钢带末端紧固钢带末端紧固在驱动轮和被驱在驱动轮和被驱动轮上，因此，动轮上，因此，摩擦力不是传动摩擦力不是传动的重要要素。钢的重要要素。钢带传动适合于有带传动适合于有限行程的传动。限行程的传动。图图5.41 钢带传动钢带传动钢带传动的优钢带传动的优点是传动比精点是传动比精确，传动件质确，传动件质量小，惯量小