工业机器人操作机设计原则和设计方法

　　1. 操作机整机设计原则

　　(1)最小运动惯量原则 由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心配置。

　　(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，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。

　　(3)高强度材料选用原则 由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。

　　(4)刚度设计的原则 操作机设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。

　　(5)可靠性原则 机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。

　　(6)工艺性原则 机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致操作机性能的降低和成本的提高。

　　2.操作机的设计方法和步骤

　　(1)确定工作对象和工作任务 开始设计操作机之前，首先要确定工作对象、工作任务。

　　1)焊接任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是对其进行弧焊或点焊，则要求机器人的制造精度很高，弧焊任务对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性有很高的要求，点焊任务对机器人的位姿精度有很高的要求，两种任务都要求机器人具备摆弧的功能，同时要能在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能，故机器人的自由度至少为六个。

　　2)喷漆任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是喷涂汽车的内部和车门或是复杂曲面物体的表面，则要求机器人手腕要灵活，能够在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能;要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作;同时要求机器人具备光滑的流线型外表面，漆、气管线最好能从其横臂和手腕内部通过，使机器人外表不易积漆积灰，不会污染已喷好的工作对象，且漆、气管线也不易损坏;因喷漆机器人是在易燃易爆的工作环境中工作，故要具备防爆的功能。同时对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性也有较高的要求。机器人的自由度至少应为六个。

　　3)搬运任务：如果工作对象比较笨重，工作任务是定点搬运，定位精度要求高，则对机器人的承载能力和定位精度有高的要求。如果工作对象比较轻巧，工作任务也是定点搬运，但要求轻拿轻放，且定位精度要求高，则对机器人的速度稳定和定位精度有高的要求。

　　4)装配任务：对机器人的速度稳定密和位姿精度有很高的要求。

　　有些机器人能完成多种工作任务，如MOTOMAN-SKI20系列机器人，既可以用于搬运也可以用于点焊，具有快速、精巧、强有力和安全性高的特点;另一种MOTOMAN-SK6/SK16系列机器人，可以完成弧焊、搬运、涂胶、喷釉和装配多种任务，具有高速、精巧和可靠性高的特点。

　　设计新型机器人时，要充分考虑以上诸多因素，并应多参考国内外同类产品的先进机型，参考其设计参数，经过反复研究和比较，确定出所要机械部分的特点，定出设计方案。

　　下面以一台六自由度交流伺服通用机器人为例讲一下设计过程，如图14所示。

　　(2)确定设计要求

　　1)负载：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的负载。一般喷漆和弧焊机器人的负载为5～6kg。

　　2)精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人未端的最大复合速度和机器人各单轴的最大角速度。

　　3)精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的重复定位精度、如弧焊机器人的重复定位精度为±0.4mm，ABB公司开发的Model 5003型喷漆机器人的重复定位精度为±1mm。同时要确定构成机器人的零件的精度、臂体的尺寸精度、形位精度和传动链的间隙，如齿轮的精度和传动间隙;还要确定机器人上所用的元器件的精度，如减速器的传动精度、轴承的精度等等。

　　4)示教方式：根据用户工作对象和工作任务的要求，确定机器人的示教方式。一般机器人的示教方式有下列几种：

　　①离线示教(离线编程);

　　②示教盒示教;

　　③人工手把手示教。

　　如果是喷漆机器人，就应该具备人工手把手示教的功能，而对于其他机器人，有前两种功能就可以了。

　　5)工作空间：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的工作空间的大小和形状。

　　6)尺寸规划：根据对工作空间的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的臂杆长度和臂杆转角，并进行尺寸优化。

　　(3)机器人运动的耦合分析 对大多数非直接驱动的机器人而言，前面关节的运动会引起后面关节的附加运动，产生运动耦合效应。比如将六个轴的电动机均装在机器人的转塔内，通过链条、连杆或齿轮传动其他关节的设计，再比如同心的齿轮套传动腕部关节的设计，都会产生运动耦合效应。为了解耦，在编机器人运动学控制软件时，后面的关节要多转一个相应的转数来补偿。对一台六自由度的机器人来讲，如果从2、3轴之间开始就有运动耦合，且3、4、5、6轴之间都有运动耦合，那么3、4、5、6轴电动机就必须多转相应的转数(有时是正转，有时是反转，依结构而定)，来消除运动耦合的影响，3轴要消除2轴的，4轴要消除2轴和3轴的，依此类推，如果都要正转，到了6轴，电动机就必须有相当高的速度来消除那么多轴的影响，有时电动机的转速会不够，且有运动耦合关系的轴太多，机器人的运动学分析和控制就会很麻烦。故设计六自由度的交流伺服机器人，一般情况下，前4个轴的运动都设计成是相对独立的，而运动耦合只发生在4、5、6轴之间，即5轴的运动受到4轴运动的影响，6轴的运动受到4轴和5轴运动的影响。这样做，既能保证机械结构的紧凑，又不会使有耦合关系的轴大多。

　　(4)机器人手臂的平衡 平衡机器人操作手臂的重力矩优点如下：

　　·如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。

　　·使驱动器基本上只需克服机器人运动时的惯性力，而忽略重力矩的影响。故可选用体积较小、功耗较小的驱动器。

　　·免除了机器人手臂在自重下落下伤人的危险。

　　·在伺服控制中因减少了负载变化的影响，因而可实现更精确的伺服控制。

　　一般机器人操作机因1轴转塔旋转，故不要平衡，4、5、6轴的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3轴手臂的重力矩。