哈尔滨工业大学：《机器人技术》课程PPT教学课件（机器人运动学）第二章 机器人的机械结构与设计

画第二章机器人的机橄结构与设计 2.1机器人机械设计的步骤 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、方案设计 (1)确定动力源 (2)确定机型 (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质量 (7)绘制机构运动简图

1 2.1 机器人机械设计的步骤 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、方案设计 （1）确定动力源 （2）确定机型 （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质量 （7）绘制机构运动简图  第二章 机器人的机械结构与设计

3、结构设计 包括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计, 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。 5、施工设计 成施工图设计,编制相关技术文件

2 3、结构设计 包括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计， 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。 5、施工设计 完成施工图设计，编制相关技术文件

22工业机器人的驱动与传动系统结构 2.2.1驱动—传动系统的构成 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。 机器人一般有两种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 一度、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

3 2.2 工业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。 机器人一般有两种运动关节——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、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

1—码盘; 2测速机; 3—电机; 联轴器 5—传动装置 6—转动关节; 3 一杆 8—电机 9—联轴器 10—螺旋副 11—移动关节 12—电位器 (或光栅尺) 9 12 4

4 1—码盘； 2 —测速机； 3 —电机； 4 —联轴器； 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)

2.2.2驱动器的类型和特点 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(DO)、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正逐渐 取代直流伺服电机而成为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, 多用于低精度小功率机器人系统

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正逐渐 取代直流伺服电机而成为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， 多用于低精度小功率机器人系统。 2.2.2 驱动器的类型和特点

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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 t 目前多用于特大功率的机器人系统

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

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

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

3.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、 (1

9 3．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

>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100kg以下的,可优先考虑电动驱动器;只须点位 控制且功率较小者,可采用气动驱动器;负荷较大或机 器人周围已有液压源的场合,可采用液压驱动器。 对于驱动器来说,最重要的是要求起动力矩大,调 速范围宽,惯量小,尺寸小,同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统。 10

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；只须点位 控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机 器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。 ➢ 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调 速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统