五自由度机器人毕业论文 - 图文

2 五自由度装配加工机器人设计

并且使电机后置，平衡了机器人以基座为轴线两端的质量，所以选择方案（b）的传动方案与布置形式。

方案（b）腰部关节由伺服电机经过谐波减速器驱动回转台转动，结构简单，通用性强，安装和拆卸方便，便于维修。五自由度装配加工机器人的直线移动关节采用摩擦小，刚度高，承载能力大的直线组件，由交流伺服电机带动大臂、小臂、手腕移动，满足机器人工作空间高度上的要求。机器人小臂和手腕的摆动均是通过同步带传动，由于大臂小臂均是一端固定在直线组件上一端悬空，设计中为了平衡机器人两端的质量，减少由于末端重量太大，产生一定的力矩，对系统的影响，参照已有的机器人综合考虑把小臂旋转关节的伺服电机和手腕伺服电机均配置在大臂接近于基座轴线。手腕的俯仰，因为需要的扭矩较小，所需要的电机质量小，按照就近放置的原则，把伺服电机放在手腕的末端直接带动手腕的俯仰【13】。各关节回转运动都采用交流伺服电机与谐波减速器连接的传动方式实现，谐波减速器承载能力强、旋转精度高、小体积、大转矩、高减速比，可以获得较大的输出转矩的优点。直线采用带抱闸的伺服电机直接驱动具有自锁功能的直线组件，结构简单。机械系统主要构件包括基座、支架、腰部、大臂、小臂、腕关节、电主轴支架、交流伺服电机、谐波减速器等【14】。

参考已有同类机器人的参数，结合实际的工作情况，机器人的技术参数如表2-2

表2-2 五自由度装配加工机器人技术参数 Table 2-2 5-DOF serial robot technology parameters

结 构 形 式 自由度

腰部回转关节 直线关节

关节速度

小臂回转关节 手腕回转关节 末端执行器俯仰关节 腰部回转关节 直线关节

各关节运动范围

小臂回转关节 手腕回转关节 末端执行器回转关节

大臂关节

几何尺寸

直线关节 小臂关节

串联型

5（4个回转一个移动）

90?/s

125mms

90?/s

180?/s 180?/s ?180?

600mm ?90? ?90?

?90? 800mm 1000mm

400mm

11

西安理工大学硕士学位论文

2.2机器人基本结构设计

机器人的机械系统是机器人的重要组成部分，也是基础组成部分，一般的机器人由基座、腰部、臂部、腕部、末端执行器等几部分组成，每一部分都可以包含有若干个零件，每个零件可以有多个自由度，把他们连接起来就构成一个具有多自由度机械系统。机器人常见的结构形式是用其坐标系描述的，分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、开链连杆式关节型机器人及移动型机器人，在何部位采用何种关节，则要求他做何种运动而决定，机器人的关节保证了机器人各部位的可动性。机器人机械部分设计的合理性和可靠性直接影响整个机器人的综合性能和控制精度，所以机械部分的设计对于整个系统来说具有至关重要的作用。

机器人的基座，支撑着机器人上部所有的质量，所以要求基座的接触面要足够大，具有足够的刚度和稳定性，一般机器人的基座有固定式和移动式两种【15】。

机器人的臂部，相当于人类的胳膊，上接腰身，下连手腕，通常由大臂和小臂组成，一般带动末端执行器做平面运动。

机器人的腕部，一般有二个转动自由度，以实现末端执行器必要的姿态，但对于复杂的作业，如焊接和喷漆往往需要三个转动自由度。

末端执行器，是工业机器人和大多数服务型机器人直接从事工作的部分，根据机器人的类型，可以设计成夹持型的夹爪，也可以是某种工具，也可以是非夹持型的。

采用模块化设计还可以有效地提高设计的重用性，增加系统的可靠性，并能根据客户需要对系统进行合理配置从而满足市场的不同需求，五自由度装配加工机器人基本的结构设计包括回转台设计、直线组件的设计、大臂和小臂、手腕等。这一节我们将采用模块化设计的思想对回转台、直线组件、大臂、小臂及其驱动装置进行设计。

2.2.1回转台机械结构设计

回转台又称机器人的基座，是机器人重要的组成部分，用来实现腰部关节的回转运动，腰部轴系及传动链的精度和腰部零件的刚度对末端执行器的运动精度有很大的影响。因此腰座与其连接的手臂要有可靠的定位基准面。基座承受装配加工机器人臂部及后面杆件的全部重量、工作中的工作载荷和外载荷，安装机器人的回转台的安装面要足够大【15】。

在设计中，采用十字交叉滚子轴承为机器人基座的支承元件，十字交叉滚子轴承是一种圆柱滚子在轴承内外圈之间垂直交叉排列的轴承，其单个轴承能够承受径向力、轴向力、倾覆力矩和其他联合载荷单独作用或者联合作用。本文腰关节的回转由安川交流伺服电机作为输入把HD谐波减速器柔轮输出的回转运动带动与之相固联的基座回转【16】。机器人的腰关节模块外形图如图2-5所示。由于交叉滚子轴承内圈回转的精度比外环回转的精度高，故本文选择交叉滚子轴承内圈回转的方式。图2-6表示了采用十字交叉圆柱滚子轴承内圈回转时的安装方式。

12

2 五自由度装配加工机器人设计

图2-5 五自由度装配加工机器人的回转台模块 Fig.2-5 The model of 5-DOF assembly processing robot’s waist

图2-6 交叉滚子轴承的安装方式

Fig 2.6 Cross cylindrical roller bearing installation method

1-回转台，2,6-内六角螺钉，3-上压圈，4-基座，5-下压圈，7-交叉滚子轴承

2.2.2直线组件的设计选择

常用的直线驱动机构主要有普通滑动导轨、液压导轨、气浮导轨、滚动导轨【17】。前面两种结构简单成本低，但是导轨的摩擦系数随速度变化，低速时容易产生爬行现象，磨损大，通常用于对精度要求低的场合。气浮导轨刚度和阻尼低，对制造精度和环境空气条件要求较高。滚动导轨在工业机器人中应用最广泛，因为具有摩擦小、刚度高、承载能力大、精度高，容易制造成标准件。因此，本设计中我们采用南京工艺装备制造公司的DZHK-600精密工作台为五自由度装配加工机器人的升降关节。

（1）此直线导轨副采用滚珠丝杠副，并且工作台由FFB型滚珠丝杠副和GGB船型直线滚动导轨组成，并且施加一定的预载荷，消除了间隙，提高了接触刚度和定位精度，可实现无间隙运动，具有高效率、高精度、寿命长、磨损小、简洁等优点。

（2）本文所采用的滚珠丝杠副轴承采用常见的一端固定，另一端简支的支承形式，这样可以释放丝杠由于受热而发生的变形，减少热变形对丝杠导轨精度的影响。从而提高了导轨副的运动精度。

（3）工作台整体刚性较强，根据功能要求的不同，参照工作台的的承载能力可以进行各种组合使用。

13

西安理工大学硕士学位论文

主要技术参数：如表2-3

表2-3精密线性模组技术参数 Table 2-3 Precision linear model technical data

工作台型号

搭载重量（N）

工作台高度(mm)

DZHK

2500

120

405*380

600

台面尺寸(mm)

工作行程(mm)

公称直径(mm) 25

导程(mm) 5

滚珠丝杠副

滚动导轨副 公称尺寸(mm) 35

2.2.3支架结构设计

五自由度装配加工机器人一般通过机架或者基座安装在固定地点或安装在自动导航车上组成移动式机器人。机架或基座是装配加工机器人重要的组成部分，其结构设计的合理性直接关系到机器人的整机性能和运动精度。所以，在进行基座或机架设计时应尽量选择合理的材料及结构，减少对机器人的影响，尽量满足以下基本要求【18】：

1) 机架应具有足够的接触面积、足够的刚度来承载机器人本体的所有重量和一些未知的外载荷。

2) 机架应具有较好的稳定性，受外界因素影响小、抵抗震动，并尽量减少热载荷对机架的影响。

3) 若作为装配加工机器人的支架，要尽量减小机架的重量，对于基座来说支架也是负载，满足要求的情况下尽量降低成本。

铸造弯板一般用于零部件的检测和机械加工中的装夹，也可以用来支撑一些工作台。具有刚性好、、成本低、位置精度高、生产周期短等优点。因此本文采用铸铁弯板机架来支撑机器人直线关节及大臂等部分。图2-7是设计的5自由度装配加工机器人支架的三维模型。

图2-7 五自由度装配加工机器人机架的三维模型

Fig.2-7 The 3-dimension model of 5-DOF assembly processing robot’s rack

14