机器人技术第二章 机器人结构设计概论.ppt

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机器人本体设计的步骤
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、总体方案设计
(1)确定动力源
(2)确定构型和安装方式
(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量
(7)绘制机构运动简图
第二章机器人的机械结构与设计
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3、结构设计
包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计,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。
6、施工设计
完成施工图设计,编制相关技术文件。
5、优化设计
重复3、4。
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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。
机器人有两种最常用的运动关节——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(高一个数量级)、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。
驱动—传动系统的构成
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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)
伺服电机驱动关节——伺服电机+联轴节+传动装置+运动关节+反馈元件
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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已逐渐取代直流伺服电机而成为工业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。
驱动器的类型和特点
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直流伺服电机与驱动放大器
步进电机
步进电机驱动放大器
交流伺服电机
驱动放大器
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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,故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。
液压马达
液压摆动马达
液压控制阀
液压泵
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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。
气动马达
气动摆动马达
气缸
气泵
气动三大件
气动控制阀
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作为特殊的驱动装置,有压电晶体、形状记忆合金、人工肌肉(电活性聚合物)等。
压电微驱动并联机器人
形状记忆合金驱动机器人手
人工肌肉驱动的机械臂
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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。
对工业机器人关节驱动的电动机,要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。
特别是像机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电动机,尤其是要求快速响应时,伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性,且具有较大的短时过载能力