第四章 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重要部分，其它系统的设计应有自己的独立要求，但还必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。虽然工业机器人不同于专用设备，它具有较强的灵活性，但是，要设计和制造什么活都能干的机器人是不现实的。不同应用领域的工业机器人机械系统设计上的差异比工业机器人其它系统设计上的差异大得多。因此，使用要求是工业机器人机械系统设计的出发点。动力源是单独被划分出来的，并且考虑到电动驱动、液压驱动、气动驱动已在其它课程中进行了学习，所以，动力源设计在此不再讲述了。
§ 4一 l工业机器人总体设计
一、主体结构设计
工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛使用的工业机器人坐标形式有 2直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式 (极坐标式 )、关节坐标式 (包括平面关节式 )。
1.直角坐标式机器人
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，大约占工业机器人总数的 14%左右。一般直角坐标式机器人的手臂能垂直主下移动 (Z方向运动 ),并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动 (X和 y方向运动 )。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用途而定。
直角坐标式机器人的优点是：
(1)结构简单。
(2)容易编程。
(3)采用直线滚动导轨后,速度高,定位精度高。
(4)在 X,Y和 Z三个坐标轴方向上的运动没有桐合作用，对控制系统设计相对容易些。但是，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，带来许多问题，其主要缺点是：
(1)导轨丽的防护比较困难,不能像转动关节的轴承那样密封得很好。
(2)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。
(3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨,价格高。
(4)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,增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。
近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标式机器人中的比重正在增加 (见图
4-1)。在像装配飞机构件这样的大车间中，这种起重机台架式直角坐标机器人的 X和 y坐标轴方向移动距离分别可达 100m和 40m，沿 Z坐标轴方向可达 5m，成为目前最大的机器人。并且，因为仅仅台架的立柱占据了安装位置，所以它能很好地利用车间的空间。
2.圆柱坐标式机器人
圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕通常采用两个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，如图
4-2所示，则使机器人自由度总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自卢度有部分重复。此类工业机器人大约占工业机器人总数的 47%左右。
圆柱坐标式机器人的优点：
(1)巴户的“抓一放”作业外还可以用在许多其它生产领域,与直角坐标式机器人相比增加了通用性。
(2)结构紧凑。
(3)在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学载荷。
圆柱坐标式机器人的缺点是由于机身结构的缘故,
手臂不能抵达底部,减少了机器人的工作范围。不过，
当手腕具有像图 4-2所示的第四个转动关节时，在一定程度上弥补了这个缺陷。
3.球面坐标式机器人
球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人，它具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约占工业机器人总数的 13%。在这类机器人中最出名的一种产品是美国 Unimadon公司的 Unmation2000型和
4000型机器人，它的结构简图如图 4-3所示。机器人主题结构有三个自由度，绕垂直轴线 (柱身 )和水平轴线
(关节 6)的转动均采用了液压伺服驱动，转角范围分别为 200。左右和 50。左右，手臂伸缩采用液压驱动的穆辅失节 (2与 3)，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手腕上的末端操作器才能维持应有的姿态。
4.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、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，它是一种广泛使用的拟人化的机器人，大约占工业机器人总数的 25%左右。图 1-13所示为在航天工业方面使用的 RMS机械臂,它是最大的关节坐标式机器人。平面关节式机器人的主体结构有三个转动关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向，
因此可认为是此类机器人的一个特例。
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积小。
(2)具有很高的可达性。关节坐标式机器人可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标式机器人不能进行此类作业。
(3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。
(4)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：
(1)肘关节和肩关节轴线是平行的，当大小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点,但是机器人结构刚度比较低。
(2)机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。
二、传动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的连接形式和驱动方式。基本的连 ;接形式和驱动方式如图 4-4所示,有如下几种：
(1)这杰连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。
(2)远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。
(3)间接驱动。驱动源经一个速比远大于 1的机械传动装置与关节相连。
(4)直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于 1
的机械传动这样的中间环节与关节相连。
以上四种传动方式具体分析如下：
1.直接连接传动
直接连接传动的特点是驱动电机 (或带有传动 i装置 )
直接装在关节上，结构紧凑。但是，电机比较重，当电机带有机械传动装置时便会更重。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电机也随之运动。这不仅增加了能量消耗，而且增大了转动惯量，从动力学来看对系统很有损害。克服的办法是把肘关节电机、肩关节电机都放到机器人的基础部件陆蝙过远距离的机械传动把电机动力传给肘和肩关节。
2.远距离连接传动
图 4-5所示为一种远距离连接传动的机器人示意图。
远距离连接传动机器人的主要优点：
(1)克服了直接连接传动的缺点。
(2)可以把电机作为一个平衡质量,矿获得平衡性良好的机器人主体结构。
远距离连接传动机器人的主要缺点：
(1)远距离传动产生额外的间隙和柔性，影响机器人的精度。
(2)增加能量消耗。
(3)结构庞大，传动装置占据了机器人其它子系统所需要的空间。
图 1-9所示的 SCARA机器人采用了一种折衷的方案：因为手腕离机器人基础件最远，把手腕电机 3从手腕处移到基础件附近；
中间采用同步带传动；因基础件附近空间已经比较狭窄，并且臂 1
的刚性也比较好，肘关节电机 2就直接装在肘关节上。
3.间接驱动机器人
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 1的机械传动装置。使用机械传动装置的理由是：
(1)工业机器人与其它机械设备相比，关节转轴的速度并不很高，而关节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。
(2)用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经开发出来，但是由于应用了昂贵的稀土永磁材料，电机价格高，并且转矩 /体积比和转矩 /重量比还比较小。
(3)直接驱动对载荷变化十分敏感。
(4)采用机械传动装置后，可选用高速低转矩电机，对制动器设计和选用十分有利，制动器尺寸小。
(5)可以通过机械传动装置解决可能出现的倾斜轴之间、平行袖之间以及转动一移动之间的运动转换 。
4.直接驱动机器人直接驱动机器人也叫作 DD机器人
(DirectDriveRobot)，简称 DDR。 DD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 1的钢带传动的直接驱动机器人 (见图 4-6)。
DD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。目前中小型机器人一般采用普通的直流伺服、交流伺服电机或步进电机作为机器人的执行电机比较多，由于速度较高，所以需配以大速比减速装置，
进行间接传动。但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸。
DD机器人与间接驱动机器人相比，有如下优点：
(1)机械传动精度高。
(2)振动小，结构刚度好。
(3)机械传动损耗小。
(4)结构紧凑，可靠性高。
(5)电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时间内可以产生很大转矩，响应速度 i快，调速范围宽。
日本、美国等工业发达国家已经开发；出性能优异的 Dpm器人。美国 Adept公司研制出带有视觉功能的四自由度平面关节型 DD机器人。日本大日机工公司研制成 (功了五自由度关节型 DD-600V机器人,其 i性能指标为：最大工作范围 1.2m；可搬重量 5kg，最大运动速度 8.2m/s，重复定位 i精度士 0.05mm。
DD机器人是一种极有发展前途的机器人，许多国家为实现工业机器人高精度、高速化和去智能化对 DD机器人投入了大量的研究和开发。目前主要存在的问题是：
(1)载荷变化、精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盘杂。
(2)对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求，传感器精度为带减速装置 (速比为 K)二间接驱动的 K倍以上。
(3)电机的转矩 /重量比，转矩 /体积比不大，需开发小型实用的 DD电机。
(4)电机成本高。
DD机器人把电机直接安装在关节上，增加了臂的总质量，并且对下一个关节产生干扰，使 DD机器人的负载能力和效率下降。
美国 Adept机器人在主体结构设计上作了重大改进，如 1图 4-6所示,
把直接驱动电机安装在基础件上，采用传动比为 1:1的绷紧钢带远距离传动，在克服上述缺点的同时保留了直接驱动的诸多优点。
三、模块化结构设计
1.模块化工业机器人模块化机器人是由一些标准化、
系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积术拼搭的方式组成一个工业机器人系统。模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。图 4-7所示为单轴模块的二维、三维组装方式。机械委北京机电研究所和日本科希公司协作开发成功的模块化机械手是一种教学、
科研、生产等多用途的机械手。每一个自由度轴为一单独模块，由独立的 1单片机控制。结构简单，组合方便,用户可按自己的用途进行组装，最多可达 16根轴的运动系统。每个自由度轴模块的机械移动行程有从
200mm起的一系列规格，位置由光码盘检测，每转 200
个脉冲，丝杠导程是 2.0mm，脉冲当量为 0.01mm，位置的重复精度是士 0.1mm。在传 i动轴的两端各加有光电限位开关和机械限位开关的双重保险。
2.模块化工业机器人的特点
(1)经济性。设计和制造通用性很强的工业机器人是很不经济的，价格昂贵。用户希望厂商能为诸多的作业岗位提供可选择的，自由度尽可能少，控制和编程简单，实用性强的专用机器人。机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，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本功能金的要求。
(2)灵活性。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量，机器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴模块,工业机器人成为移动式机器人。②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。图 4-8所示是一种多关节多臂检测机器人，不仅多臂模块组合成的手臂很长，而且手臂可作波浪运动。③能不断对现役模块化工业机器人更新改造。比如，用户可以选用伸缩套筒式手臂模块来更替原有固定长度的模块；随着控制技术和传感技术的发展，可更换更高性能的控制模块和更高精度的传感器模块；更换新模块来进行工业机器人的维修保养。
3.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较差。
因为模块之间的结合是可方便拆卸的，尽管在设计上已经注意到了标准机械接口的高精度要求，但实际制造仍会存在误差，所以与整体结构相比刚度相对地差些。
(2)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。
(3)虽然功能模块的形式有多种多样，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和设计。
四、材料的选择
结构件材料选择是工业机器人机械系统设计中的重要问题之一。正确选用结构件材料不仅可降低工业机器人的成本价格，更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力及动力特性要求。随着材料工业的发展，新材料的出现给工业机器人的发展提供了宽广的道路。
1.材料选择的基本要求
与一般机械设备相比，机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：
(1)强度高。机器人的臂,尧直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。
(2)弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度
(或变形量 )与材料的弹性模量 E,G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料：的改性对弹性模量却没有多大差别。比如，普通结构钢的强度极限为 420MPa，
高合金结构钢豆的强度极限为 2000~2300MPa，但是二者的弹性模量 E 却没有多大变化，均为 2.1× 105MPa。
因此，还应寻找其它提高构件刚度的途径。
(3)重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量 E 大而密度 ρ也大的材料是不合理的。因此，
提出了选用高弹性模量低密度材料的要求，可用 E /ρ指标来衡量。
表 4-1列出了几种材料的应 E,ρ和 E / ρ值,供参考。
(4)阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大，
重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬时，构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。
(5)材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如棚纤维增强铝合金、
石墨纤维增强筷合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。
2.结构件材料介绍
(1)碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了 4至 5倍,弹性模量 E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。
(2)铝、铝合金及其它轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹量模量 E并不大，但二是材料密度小,故 E /ρ比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加了 3.2%重量的惶的铝合金弹性模量增加了 14%,E/ρ比增加 16%。
(3)纤维增强合金：如棚纤维增强铝合金
(boron-fiber-reinforcedaluminum)、石墨纤维增强筷合金
(graphite-fiber-reinforcedmagnesium)，其 E/ρ比分别达到
11.4× 107m2/s2和 8.9X107m2/s2。这种纤维增强金属材料具有非常高的 E/ ρ比，而且没有无机复合材料的缺钱，
但价格昂贵。
(4)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，
不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂的样品。
(5)纤维增强复合材料：这类材料具有极好的 E/ρ比，
但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大的优点，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。所以,在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等使其具有最大阻尼值。
(6)粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理
(constrainedlayerdampingtreatment)，如图 4-9所示。吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明：机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为土 0.30mm，处理后为士 0.16mm，残余振动时间在阻尼处理前、后分别为 0.9s和 0.5s。
五、平衡系统设计
工业机器人平衡系统的作用工业机器人是一个多刚体搞合系统，系统的平衡性是极其重要的，在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是：
(1)安全。根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩包括重力矩项，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。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“倒”的趋势。
(2)借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起关节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精合项和非线性项，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的不良影响。
(6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。
2.平衡系统设计的主要途径尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面“倒塌”的趋势，可采用不可逆转机构或制动闹。但是，在工业机器人日趋高速化之时，工业机器人平衡系统的良好设计是非常重要的，其设计途径有三条：
(1)质量平衡技术；
(2)弹簧力平衡技术；
(3)可控力平衡技术。
如图 4-10所示是一种质量平衡；技术中最经常使用的平行四边形平衡机构。图中 L2,L3和 G2,G3分别代表下臂和上臂的长度与质心,m2,m3和 2,3分别代表它们的质量与转角。为为可移动的平衡质量，它用来平衡下臂和上臂的质量。杆 SA,AB与上臂、下臂饺接构成一个平行四边形平衡系统。经过简单推导卡可知，只要满足下面两个方程式，平行四边形机构就可取得平衡，
即：

式中,O3G3为关节 O3与质心 G3的距离； O2G2为关节
O2与质心 G2的距离； O2O3为关节 O2与 O3的距离； SV为平衡质量 m与关节 V的距离,,O2V为关节 O2与关节 V的距离。
公式表明，平衡与否只与可移动平衡质量 m的大小和位置有关，与 2,3无关，这说明该平衡系统在机械臂的任何构形下都是平衡的。

§ 4-2传动部件设计图 4-11所示的一台工业机器人，具有移动关节 (关节 1,3)和转动关节 (关节 2,4,5)两种关共五个自由度。驱动源通过传动部件来驱动这些关节从而实现机身、手臂和手腕的运各动。
因此，传动部件是构成工业机器人的重要部件。
用户要求机器人速度高、加速度 (减速度 )特性好、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，
所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。本节将介绍工业机器人传动部件的结构和设计特点，以帮助设计者合理选用。
一、移动关节导轨及转动关节轴承,
(一 )移动关节导轨
l.工业机器人对移动导轨的要求 i移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向，
对机器人移动导轨有如下几点要求：
(1)间隙小或能消除间隙；
(2)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；
(4)离阻尼；
(5)移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。
移动关节导轨有五种：普通滑动导轨、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。前两种具有结构简单、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；
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 (速度时快时慢 )等缺点。第三种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，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。
最近，有人在静压润滑系统中采用了高粘度的润滑剂 (如油脂 )，并已用到机器人的机械系统中。第四种气浮导轨是不需回收润滑油的，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 (过滤和干燥 )
要求较高，不过由于其摩擦系数低 (大约为 0.0001)，估计将来是会采用的。而目前，第五种滚动导轨在工业机器人中应用最为广泛，因为它具有很多优点：①摩擦小，特别是不随速度变化，②尺寸小，③刚度高，
承载能力大；④精度和精度保持性高,⑤ 润滑简单；⑥
容易制造成标准件，⑦滚动导轨易加预载，消除间隙、
增加刚度斗但是，滚动导轨用在机器人机械系统中也存在着缺点：①阻尼低，②对脏物比较敏感。
2.应用实例
图 4-12(a)所示为包容式滚动导轨的结构，用支承座支承，可以方便地与任何平面相连，这种情况下，
套筒必须是开式的，嵌入在滑枕中，既增强刚度也方便了与其它元件的连接。由于 1滑桃的影响，套筒各个方向的刚度是不一样的，如图 4-12(b)所示。
另一种工业机器人经常采用的滚动导轨，如图 4-
13所示。在图 4-13(a)中，液子安装在定轴上，移动件 3
沿垂直立柱 5移动，固定轴滚动体 2和 4支承在移动件的两个凸台上，移动件 1沿与立柱 5相连的轨道 l移动。图
4-13(b)所示的结构中，导轨上的三个滚动体 7沿移动件
6滚动，移动件 6的转动是由滚动体 8限制。
(二 )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。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。图 4-14(a)为普通向心球轴承；图 4-14(b)
为向心推力球轴承。这两种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触 (一点与内滚道，另一点与外滚道 )。为了预载，此种轴承必须成对使用。图 4-14(c)为“四点接触”球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此，此种轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高 1.5倍，缺点，是价格较高。