工业机器人机械系统标准设计.doc

工业机器人机械系统设计
机器人技术是利用计算机记忆功效、编程功效来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务高新技术，是当今各国竞相发展高技术内容之一。它是综合了现代机构运动学和动力学、精密机械设计发展起来产物，是经典机电一体化产品，工业机器人由操作机和控制器两大部分组成。操作机按计算机指令运动，可实现无人操作；控制器中计算机程序可依加工对象不一样而从新设计，从而满足柔性生产需要。
机器人应用领域广泛，包含建筑、医疗、采矿、核能、农牧渔业、航空航天、水下作业、救火、环境卫生、教育、娱乐、办公、家用、军用等方面，工业机器人在中国关键应用于危险、有毒、有害工作环境和产品质量要求高（超洁、同一性）反复性作业场所，如焊接、喷涂上下料、插件、防爆等。
一、 工业机器人总体设计
1．主体结构设计
工业机器人主体结构设计关键问题是选择由连杆件和运动副组成坐标形式。工业机器人坐标形式关键有直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式等。
直角坐标式机器人关键用于生产设备上下料，也可用于高精度装配和检测作业。
圆柱坐标式机器人关键有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕常采取两个自由度，绕手臂纵向轴转动和垂直水平轴线转动。手腕若采取三个自由度，机器人总自由度达成六个。
球面坐标式机器人也叫极坐标式机器人，含有较大工作范围，设计和控制系统比较复杂。
关节坐标式主体结构三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕三个自由度上转动关节（俯仰、偏转和翻转）用来最终确定末端操作器姿态，它是一个惯犯使用拟人化机器人。

6自由度机器人

6自由度机器人

Cobra Series
桌面机器人
Reach:600mm/800mm
Payload:5.5kg
Repeatability:0.02mm
Weight:34/35kg
Desingn Life:
60 Million Cycles
SmartModules 框架机器人

Mas Stroke:mm
Min Stroke:130mm
Number of Axis:　1 to 3
Max Payload:60kg
Max speed:1200mm/sec
Repeatability:0.01mm
Design Life:5000km
Cartesian Robots

Size:600*450mm
Payload:5.5kg
Accuracy:0.025mm
Weight:54kg
Design Life:5000km
直角坐标机器人工作台：

2．传动方法
传动方法选择是指选择驱动源及传动装置和关节部件连接形式和驱动形式，关键包含：
直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接和关节相连。
远距离连接传动。驱动源经过远距离机械传动后和关节相连。
间接驱动。驱动源经一个速比远大于1机械装置和关节相连。
直接传动。驱动源不经过中间步骤或经过一个速比等于1机械传动这么中间步骤和关节相连。
3．模块化结构设计
模块化机器人是有部分标准化、系列化模块件经过含有特殊功效结合部用积木拼接方法组成一个工业机器人系统。模块化设计是指基础模块设计和结合部设计。
模块化工业机器人关键特点是：经济性、灵活性
4．材料选择
和通常机械设备相比，机器人结构动力特征是十分关键，这是材料选择出发点。材料选择基础要求是：强度高、弹性模量大、重量轻、阻尼大、材料价格低。
5．平衡系统设计
工业机器人是一个多刚体耦合系统，系统平衡性是极其关键，在工业中采取平衡系统理由是：安全、借助平衡系统能降低因机器人结构改变而造成重力引发关节驱动力矩改变峰值、借助平衡系统能降低因机器人运动而造成惯性力矩引发关节驱动力矩改变峰值、借助平衡系统能降低动力学方程中内部耦合项和非线性项，改善机器人动力特征、借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引发不良影响、借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。
二、传动部件设计
传动部件是驱动源和机器人各个关节连接桥梁，是工业机器人关键部件。机器人运动速度、加速度（减速度）特征、运动平稳性、精度、承载能力很大程度上是取决于传动部件设计合理性和优劣。所以，关节传动部件设计是工业机器人设计关键之一。
(一)．移动关节导轨
工业机器人对移动导轨要求
移动关节导轨目标是在运动过程中确保位置精度和导向,对移动导轨有以下要求:
1． 间隙小或能消除间隙；
2． 再垂直于运动方向上刚度高；
3． 摩擦系数低并不随速度改变;
4． 高阻尼；
5． 移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。
移动关节导轨关键分类：一般滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。
上面介绍导轨中，前两种含有结果结构简单、成本低特点，不过必需有间隙方便润滑，不过间隙存在又将会引发坐标改变和有效负载改变，在低速时候轻易产生爬行现象。第三种静压滑动导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，含有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，不过它需要单独液压系统和回收润滑油机构。第四种气浮导轨不需要回收润滑油机构，不过刚度和阻尼较低。第五种滚动导轨在工业机器人导轨种用是最广泛，含有很多优点 :1摩擦小,尤其是不随速度改变;2尺寸小;3刚度高承载能力大;4精度和精度保持度高;5润滑简单;6轻易制造成标准件;7易加预载，消除间隙，增加刚度等等。不过,滚动导轨用在机器人机械系统也存在着缺点:1阻尼低;2对脏物比较敏感.
（二）．转动关节轴承
转动关节轴承关键用是球轴承，它能承受轴向和径向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座刚度不敏感。关键分向心推力球轴承和“四点接触”球轴承。
（三）．.传动件定位及消隙
传动件定位关键有：
1． 电气开关定位
2． 机械挡块定位
3． 伺服定位系统定位
传动件消隙关键有：
1． 消隙齿轮
2． 柔性齿轮消隙
3． 对称传动消隙
4． 偏心机构消隙
5． 齿廓弹性覆层消隙
（四）． 协波传动
要求：
１． 伺运动精度高，间隙小，能实现较高反复定位精度。
２． 回转速度稳定，无波动，运动副键摩擦小，效率高。
３． 体积小，重量轻，传动扭矩大。
常见减速机构是行星齿轮机构友好波传动机构
（五）．.丝杠螺母副和滚珠丝杠传动
丝杠传动机构是将旋转运动变成直线运动关键传动部件，其优点是不会产生冲击，传动平稳，无噪声，能自锁，由较小扭矩产生较大牵引力；缺点是传动效率底下。采取滚珠丝杠传动则能处理这种问题，而且传动精度和定位精度全部很高，在传动时灵敏和平稳性很好，磨损小，使用寿命比较长。
１． 活塞缸和齿轮齿条机构
２． 链传动，皮带传动，绳传动
３． 钢带传动
三、臂部设计
工业机器人臂部设计基础要求：
１．刚度高。为了预防臂部在运动过程中产生过大变形，手臂截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度通常比截面大；空心管弯曲刚度和扭转刚度全部比实心轴大得多，所以常见钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。
２．导向性好。为预防手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形，花键等形式臂杆。
３．重量轻。为提升机器人运动速度，要尽可能减小臂部运动部分重量，以减小整个手臂对回转轴转动惯量。
４．运动平稳定位精度高。
除了臂部设计上要求努力争取结构紧凑，重量轻外，同时要采取一定形式缓冲方法。
常见臂部结构有：
1．手部直线运动机构；
机器人手臂伸缩，横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动机构形式比较多，常见有活塞油（气）缸，齿轮齿条机构，丝杠螺母机构和连杆机构等。因为活塞（气）缸体积小，重量轻，所以在机器人结构中应用比较多。
２． 手臂回转运动机构
实现机器人手臂回转运动机构形式是多样，常见有叶片式回转缸，齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞缸和连杆机构等。

一类新奇致动设备(比如致动器、发动机、发电机等)正在步入商业化。它们基于在受到电刺激时会改变形状聚合物。 　　
　　数十年前，构建致动器或致动设备工程师就已经为肌肉找到了一个人造替换物。作为对神经刺激响应，肌肉只须改变长度就能够正确地控制其施加力量，比如眨眼睛或举起杠铃。同时，肌肉还表现出百分比恒定属性：对于多种尺寸大小肌肉，其机理全部一样，相同肌肉组织既能够给昆虫、也能够为大象给予力量。所以，对于难以制作电动马达驱动设备，某种类似肌肉东西可能会有用武之地。 　　
EPAs号称要成为未来人造肌肉。研究人员已经在雄心勃勃地工作，期望能够为很多现代技术寻求基于EPA可选方案，而且不害怕将她们发明物和自然物竞争。几年前，有多个人，包含来自美国加州帕萨迪纳喷气推进试验室(JPL)高级科学家Yoseph Bar-Cohen，向电活化聚合物研究团体提议了一项挑战，以激发大家对该领域爱好：展开一项竞赛，看谁能够最先制造出EAP驱动机器人手臂，而且必需在和人手臂一对一掰手腕比赛中取胜。
　　 在压电材料中，机械应力可造成晶体电极化，而且反之亦然。用电流刺激这种材料将使其变形；经过改变其形状能够产生电。 　　
塑料对电反应 　　
响应电流而改变形状聚合物可分为两类：离子型和电子型，其优势和劣势恰好互补。 　　
离子型EAPs(包含离子聚合物凝胶体、离子性高分子如金属复合材料、导电性高分子和碳纳米管)是在电化学基础上工作——即正负离子移 动和扩散。它们能够直接用电池带动，因为即便一个个位(single-digit)电压也能够使它们大幅度弯曲。不足之处于于，离子型EAPs通常必需是湿，所以应该密封在挠性薄层中。很多离子型EAPs另一个关键缺点在于只要电流接通，该材料就会一直运动，假如电压超出一定值，将会产生电解，从而给材料造成无法修复损坏。　　
相反，电子型EAPs(比如铁电聚合物、电介体、电绝缘橡胶和电致伸缩移植橡胶)则由电场驱动。它们需要相对较高电压，所以会产生让人不舒适电击。不过，作为回报，电子型EPAs能够快速作出响应，而且传输较强机械力。它们不需要保护薄层，而且几乎不需要电流就能够保持某个定位。 　　
SPR人造肌肉材料属于电子型EAP类型。它成功开发经历了漫长曲折道路，而且多少带有部分偶然性，能够称得上是奇思怪想式技术创新一个经典范例。
四、机身及行走机构设计
人下肢关键功效是承受体重和走路。对于静止直立时支承体重这一要求，机器人还轻易做到，而在像人那样用两足交替行走时，平衡体重就存在着相当复杂技术问题了。首先让我们分析一下人步行情况。走路时，人重心是在变动，人重心在垂直方向上时而升高，时而下降；在水平方向上亦伴随左。右脚交替着地而相对应地左、右摇动。人重心变动大小是随人腿迈步大小、速度而改变。当重心发生改变时，若不立即调整姿势，人就会因失去平衡而跌倒。人在运动时，内耳平衡器官能感受到改变情况，继而通知人大脑立即调感人体其它部分肌肉运动,巧妙地保持人体平衡.而人能在不一样路面条件下(包含登高、下坡、高低不平、软硬不一地面等）走路，是因为人能经过眼睛来观察地面情况，最终由大脑来决议走路方法，指挥相关肌肉动作。从而能够看出，要使机器人能像人一样，在重心不停改变情况下仍能稳定步行，那是困难。同简化人手功效制造机器人上肢方法一样，其下肢没有必需根据人样式全盘模拟。只要能达成移动目标，我们能够采取多个形式：用足走路是一个形式，还能够像汽车、坦克那样用车轮或履带（以滚动方法）来移动。
怎样正确引导机器人移动：
移动机器人导向从大方面来分，有轨道式和无轨道式两种。轨道式是检测机器人和轨道相对位置进行导向；无轨道式则是检测机器人在移动环境中位置进行导向。
用轨道来引导机器人移动方法有多个：一是像铁路铺轨道一样，机器人轮子在轨道上滚动，由轨道引导到各工作位置。在车间地面下浅层snun－10mm处敷设电缆，通人数千HZ（赫芝）高频交流电，使之产生磁场；在移动机器人身上安装两个测向线圈检测磁场信号，进行移动导向。移动路线由所敷设电缆决定。电缆敷好以后，要改变导向路线就很困难，但可靠性高，大多数工厂车间内全部采取这种方法。也有把金属箔带或白色带子沿着机器人必需行走路线贴在地面上，当光线照在地面上时，用电视摄像机或光电管判别白带反射光谱来进行导向。这种方法比起敷设电缆，改变移动路线要轻易部分。更方便方法是激光导向，即在机器需要经过道路上用激光照射，依靠移动机器人身上安装激光测定器来测定其移动方向，控制指挥机器人移动。
无轨道式导向关键用于自动移动机器人，它要求机器人能自动识别本身所处位置，选择移动路线而自主运动。所以，机器人必需装有视觉、触觉等装置，用来辨识环境和道路情况，测出自己位置和方向，经过计算机控制本身运动。常见最简单方法是超声导向方法。众所周知，振幅眼睛在夜里是看不见东西，但它能从体内发出并接收超声波，依靠超声波在夜间飞行。利用这一原理，给机器人配置超声波发射器及接收器，移动前先发射超声波，接收器依据超声波反射波情况，测出机器人和壁式障碍物间相对距离及道路情况，从而决定其运动方向，控制机器人移动。假如再加上摄像机视觉引导，机器人移动就愈加自如。
采取无轨道式导向装置，检测时需用较复杂装置，价格昂贵，可靠性还存在问题，但其灵活性则远比轨道式大。深入完善后，完全有可能替换轨道式导向控制，在生产车间内应用。
五、机器人嗅觉
给机器人装上鼻子就要用到嗅觉传感器，使它能感受多种气味，从而用来识别其所在环境中有害气体，并测定有害气体含量。现在还做不到让机器人像人一样闻出多个气味机器鼻子。常见嗅觉传感器是半导体气体传感器，它是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体物理性质改变，借以测定某种特定气体成份及其含量。大气中气味多种多样，而现在研制出气体传感器只能识别像H2 、C2 、CO、NO等少数气体。所以，除特殊需要安装探测特定气体气体传感器外，通常机器人基础上没有嗅觉。
六、机器人触觉
触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激总称。多数动物触觉器是遍布全身，像人皮肤在人体表，依靠表皮游离神经末梢能感受温度。痛觉、触觉等多个感觉 ，所以，对人来说，除了视觉以外，触觉接收外界信息量最多。不过昆虫或甲壳类动物触觉器官却集中在头部触角中。像蟋蟀和虾触须有身体长度2．5－3倍。依靠长触须可确定远处物体所在位置 ，判别其大小 。要使机器人含有动物那样敏感慨觉是相当困难，机器人装上触觉传感器目标是检测机器人一些部位（如手或足）和外界物体是否接触，识别物体形状和在空间位置，确保机器人手能牢靠地抓住物体，或确保其足能稳稳地踩在地面上。即使这些事情大多数全部能够用视觉传感器来处理，但视觉系统造价昂贵，控制复杂，尤其是在暗处，或障碍物存在于视觉传感器和对象物之间，就无法取得视觉信息。和视觉系统相比，触觉系统要简单得多，价钱也廉价得多，这就是广泛使用触觉传感器原因所在。所以，给机器安装上合适触觉传感器，使机器人含有一定触觉知能，就有更关键意义了。
机器人触觉集中在手上，因为它关键是用手指来接触物体。要想取得较多触觉信息，最好在手指表面大范围地分布相同触觉传感器；用像人皮肤那样柔软而富有弹性材料制作机器人手，藉以增大和物体接触面，牢靠地握住物体。另外，还期望触觉传感器形体小、重量轻、灵敏度高、集成度高、可靠性高。
七、机器人视觉
机器人视觉系统关键应用于以下三方面：
1．用视觉进行产品检验，替换人目检。包含：形状检验棗检验和测量零件几何尺寸。形状和位置；缺点检验检验零件是否损坏，划伤；齐全检验棗检验部件上零件是否齐全。
2．在机器人进行装配、搬运等工作时，用视觉系统对一组需装配零、部件逐一进行识别，并确定它在空间位置和方向，引导机器人手正确地抓取所需零件，并放到指定位置，完成份类、搬运和装配任务。
3．为移动机器人进行导航。利用视觉系统为移动机器人提供它所在环境外部信息，使机器人能自主地计划它行进路线，回避障碍物，安全抵达目标地，并完成指令工作任务。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０１机电３班
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　张　浩