第七章 机器人的机结构的总体设计.ppt

山东大学创新教育通识核心课程 人工智能与机器人 cyj@sdu.edu.cn 88399323 山东大学 7.1.1主体结构设计要求 对于机器人的设计与大多数机械设计过程相同: 首先要知道为什么要设计?机器人？ 机器人能实现哪些功能？ 活动空间（有效工作范围）有多大？ 了解基本的要求后，接下来的工作就好作了。 首先是根据基本要求确定机器人的种类： 是工业机器人？还是农业机器人？ 是竞赛机器人？还是娱乐机器人？ 是固定机器人？还是行走机器人？ 是提升（举升）机械臂？还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。 选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。接下来的要做的就是设计任务的确定。 这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的： 第一步是将设计要求明确的规定下来； 第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表，初步确定传动功率、控制流程和方式； 第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制、软件设计等； 第四步是综合审核各方面的内容，确认制作。 第五步是加工制作、安装、装配、编程、调试 、完善等。 例如：一台完整的工业机器人由以下几个部分组成：操作机、驱动系统、控制系统以及可更换的末端执行器。 ? 操作机是工业机器人的机械主体，是被控制用来完成各种作业的执行机械。它因作业任务不同而有各种结构形式和尺寸。 7.1.2 机器人主体结构设计的主要问题： 机器人的“柔性”除体现在其控制装置可重复编程方面外，主要还和机器人机械机构和结构形式有很大关系。机器人中普遍采用的关节型结构，具有类似人体腰、肩和腕等的仿生结构即坐标形式。 所以，主体结构设计的主要问题：是选择机械机构由连杆件和运动副组成的坐标形式。 机器人的坐标形式主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式等。 一、机器人结构坐标形式的适用范围 1．直角坐标型操作机： 直角坐标式机器人主要用于 生产设备的上下料，也可用 于高精度的装配和检测作业。 2、 圆柱坐标式机器人：主要有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕常采用两个自由度，绕手臂纵向轴转动与垂直的水平轴线转动。手腕采用三个自由度，机器人总自由度达到六个。圆柱坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内， 必须有沿轴线前后方向的移动空间， 空间利用率较低。主要用于重物的 装卸、搬运等作业。著名的Versatran 机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。 3、球面坐标式机器人：也叫极坐标式机器人，具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所 占空间体积小于直角坐标和柱面坐 标机器人，但仍大于多关节型机器 人。 4、多关节关节机器人：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，手腕的三个自由度上的转动关节（俯仰、偏转和翻转）用来最后确定末端操作器的姿态。由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种， 因此这类机器人又可分为垂直多关 节机器人和水平多关节机器人。如 日本山梨大学研制的机器人SCARA 则是一种典型的水平多关节机器人。 选择好机器人结构的坐标形式，那么就要看看整机设计原则和设计方法，就准备机器人机械机构的设计准备工作。 三．机器人操作机整机设计原则和设计方法 （2）尺度规划优化原则 当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，