‍【案例导入】‍

Liam拆解一台iPhone只要11秒。照此计算，一小时可以拆解350台手机，一年可以拆解120万台。Liam是一个大型机器人，它配有29只独立机械手臂，各个手臂用在不同的技能岗位上，Liam机器人的手臂结构如图2.1所示。

图2.1  Liam机器人手臂

1、总体设计的步骤

工业机器人的设计过程是跨学科的综合设计过程，涉及机械设计、传感技术、计算机应用和自动控制等多方面内容。应将工业机器人作为一个系统进行研究，从总体出发研究系统内部各组成部分之间及外部环境与系统之间的相互关系。机器人总体设计一般分为系统分析、技术设计和仿真分析三大步骤。

（1）系统分析

机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如下分析工作：

1)明确采用机器人的目的和任务。

2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。

3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重量……

4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。

（2）技术设计

 1)机器人基本参数的确定。

  确定自由度数目、臂力、工作范围、运动速度及定位精度等。

举例：定位精度的确定

 机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚性、驱动方式、缓冲方式等。

 工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同工艺过程所要求的定位精度如下：

 金属切削机床上下料：±(0.05-1.00) mm    冲床上下料：±1 mm

 模锻：         ±(0.1-2.0)  mm     点焊：    ±1 mm

 装配、测量：     ±(0.01-0.50) mm     喷涂：    ±3 mm

 当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。

 2) 机器人运动形式的选择。

常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。

 3) 拟定检测传感系统框图。

选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置。

 4) 确定控制系统总体方案，绘制框图。

 5) 机械结构设计。

确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。

（3）仿真分析

 1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。

 2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满足要求。

 3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实现机器人的运动仿真。

 4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿真计算。

 5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结构、尺寸和参数进行修改，加以完善。

 机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅相成，构成一个完整的机器人系统。

2、主体结构设计

主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式

（1）直角坐标机器人。

  主体结构有三个自由度，全为伸缩。

（2）圆柱坐标机器人。

  主体结构有三个自由度，腰转、升降、伸缩。

（3）球面坐标机器人。

  主体结构有三个自由度，转动、转动和伸缩。

（4）关节坐标机器人。

  主体结构有三个自由度，全为转动。

3、传动方式选择

 工业机器人的传动装置与一般机械的传动装置的选用和计算大致相同，但是工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小以提高其运动和位置精度。工业机器人传动装置除了齿轮传动、蜗轮传动、链传动和行星轮传动外，还常用滚珠丝杆、谐波齿轮、钢带、同步齿形带和绳轮传动。表2.2给出了工业机器人常用传动方式的比较与分析。

    表2.2  工业机器人常用传动方式的比较与分析

4、模块化结构设计

  模块化工业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木拼搭方式组成的工业机器人系统。

（1）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全的要求。

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。下图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。

（2）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。

5、机器人本体材料的选择

（1）材料选择基本要求

1)强度高

机器人的臂是直接受力的构件，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210000MPa。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2.3列出了几种材料的应 E、ρ和 E/ρ值,供参考。  

   表2.3  材料的弹性模量/密度比（E/ρ）

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、石墨纤维增强镁合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。

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%重量的锂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、石墨纤维增强镁合金，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陷，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。如下图所示。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。

6、平衡系统设计

工业机器人是一个多刚体耦合系统，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耦合项和非线性项，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。

7、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阀。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。