機器人簡圖分析 - 一篇文章帶您讀懂工業(yè)機器人的設(shè)計過程

　　那么對于我們這個機器人的簡圖，我們從哪里著手分析才合理呢？

　　首先，我們看一下設(shè)計任務(wù)書的內(nèi)容。從任務(wù)書中知道，六個軸中有三個軸是做旋轉(zhuǎn)運動的，其余作擺角運動。

　　結(jié)合任務(wù)書，我們看一下簡圖，是不是第1軸、第4軸和第六軸是做轉(zhuǎn)動的，也就是說我們要檢查一下我們所畫的簡圖是不是與任務(wù)書中的要求相符合，符合了也就代表我們的設(shè)計思路與要求（客戶要求）相同，可以進行下一步工作，如果不同，就得重新畫簡圖。

　　從簡圖知道，機器人的手臂伸縮范圍較大;如果把手臂全部伸直，而且我們假設(shè)地把它們看成同一鋼體，這樣就形成一端固定的懸臂梁。

　　應(yīng)用力學(xué)知識體系中的有關(guān)梁的分析我們知道，要搞清懸臂梁的變形量，首先要知道梁的重量和截面慣量。

　　由簡圖知道，由于有多個關(guān)節(jié)連接，要知道截面形狀和慣量不太容易，只有把所有的機構(gòu)都設(shè)計完成后才會知道想求的參數(shù)。

　　由簡圖看出，第二軸擔(dān)負著手臂的上下運動，而且手臂又比較長，在運動的過程中必然存在著慣性沖量，也就是說，當(dāng)大臂的運動速度很慢時，慣性就很小;如果速度加快，慣性就加大，這個慣性沖量是與速度有著線性關(guān)系;怎樣保持一定的速度，又不讓慣性隨著變化呢？大家都知道，增加阻尼，可有效消除這種關(guān)系。這樣，大家就可以理解簡圖上兩個彈簧的用意了。

　　即然是這樣，那我們就從手腕開始設(shè)計。也說是大家所說的從上到下的設(shè)計方法。

　　設(shè)計手腕要考慮哪些問題呢？可以知道的是有一把焊槍，焊槍的重量不是很重，同時要有夾持焊槍的手爪。也就是說手腕在轉(zhuǎn)動時的負載是不大的，選擇驅(qū)動功率不大的元件就行了。

　　要讓手腕在360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，而且后面緊跟著又有一個上下擺動的關(guān)節(jié);手腕又是在機器人手臂的最前端，當(dāng)然總體質(zhì)量不能太重。用什么樣的機構(gòu)最好呢？下面我們考慮幾個方案：

　　1.如簡圖所示，采用行星齒輪傳動。電機驅(qū)動太陽輪，行星輪繞太陽輪轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒輪經(jīng)行星輪減速與太陽輪反向運動，電機與太陽輪同軸安裝。

　　2.多級齒輪減速傳，電機安裝于手腕一側(cè)。

　　3.擺線針輪減速傳動，電機與偏心軸同軸安裝。

　　4.蝸輪蝸桿減速傳動，電機有兩種安裝方式;一種與輸出軸成90度安裝，另一種與輸出軸同軸線反向錯位安裝。

　　如上所述，還有很多種方式方法，到底選哪一種最好呢？這樣我們就要做比較了。從上面的方案里看，第2種方法是不行的;第4種方法如果采用，手腕的結(jié)構(gòu)就會很大，不利于機器人在運動時做精密定位。這樣我們?nèi)コ藘煞N方法，我們再比較一下第1種和第3種方法;

　　行星齒輪傳動，傳動比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪副配合有間隙，不能自鎖。如果采用就得提高齒輪精度，由于是精密傳動，齒輪材料也不能按常規(guī)齒輪選用材料，加工工藝相對常規(guī)齒輪相復(fù)雜的多。

　　擺線針輪傳動，傳動比大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動間隙小，可以自鎖。如果采用，手腕的尺寸不會太小，并且零件加工困難，精度不易保證。

　　比較各方面后，決定采用行星齒輪傳動機械結(jié)構(gòu)。行星齒輪在傳動的過程中有裝配間隙和機械磨損所造成的間隙;要消除這些機械間隙首先就要讓齒輪副的配合間隙要小，齒輪材料經(jīng)熱處理后表面要耐磨，因此行星齒輪副的設(shè)計計算不能按常規(guī)行星齒輪的設(shè)計方法去計算。機器人的手腕是很靈活的關(guān)節(jié)，而且是要做正反兩個方向的回轉(zhuǎn)。怎么樣安裝電機是一個問題;行星齒輪傳動機構(gòu)與手腕俯仰關(guān)節(jié)連接是一個問題。

　　還有，手腕的運動速可能是非等速的;怎么樣去控制電機？又怎么樣去采集反饋信號？發(fā)出的控制信號到執(zhí)行單元的過程中有沒外部干擾？它來自哪里？

　　再有，就是手腕在運動過程中的精度;手腕在空間做相對運動，怎樣去實現(xiàn)運動精度？影響運動精度的因素有哪些？

　　在設(shè)計手腕這前一定要搞清楚影響手腕的各方面的因素及內(nèi)容，問題得到解答后再真正開始手腕的設(shè)計。

　　下面給出伺服電機的的技術(shù)參數(shù)：

　　型號：MSMD04ZS1V

　　額定輸出功率：400W

　　額定轉(zhuǎn)矩：1.3N.m最大轉(zhuǎn)矩：3.8N.m

　　額定轉(zhuǎn)速/最高轉(zhuǎn)速：3000/5000rpm

　　電機慣量（有制動器）：1.7×10-4Kg.m2

　　變壓器容量：0.9KVA

　　編碼器：17位（分辨率：131072）.7線制增量式/絕對式。

　　適配驅(qū)動器型號：MBDDT2210

　　位置控制接線圖：

　　17位增量式/絕對式編碼器接線圖：

　　即然我們選用了行星齒輪傳動，那么我們就要進行行星齒輪的相關(guān)計算。

　　首先選定模數(shù)，由于機器人手腕部分結(jié)構(gòu)要求盡量的小，輸出的轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)不是很大，但是，它卻會在正反兩個方向上存在著高速換向的可能，也就是說在換向時齒輪要克服很大的慣性力，因此，模數(shù)的選擇計算要按輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)倍來計算，也就是說：在按強度計算模數(shù)時，安全系數(shù)選大些。同時由于結(jié)構(gòu)的限制，盡量選用小模數(shù)。有關(guān)齒輪的計算公式大家可以查閱《齒輪設(shè)計手冊》。這里我選用模數(shù)為：1m選定了模數(shù)，下面就要計算傳動比，有關(guān)行星齒輪傳動的計算大家可查閱《齒輪設(shè)計手冊》或《機械設(shè)計手冊》內(nèi)的《齒輪傳動部分》，里面有詳細的介紹和計算范例。在此不作介紹和引用。

　　行星齒輪傳動，必定有一個結(jié)構(gòu)是浮動的，在機器人手腕部分是不是也適用呢？哪一部分做輸了出？哪一部分浮動？

　　首先，機器人手腕做360度轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)又比較小，再者就是它的輸出部分是要有一個法蘭，用來安裝夾持執(zhí)行部件的。

　　如果讓行星架浮動，行星齒輪分布在太陽輪圓周上，讓它浮動時，在運轉(zhuǎn)過程中它不是繞定軸轉(zhuǎn)動，也就是說它不滿足輸出法蘭的轉(zhuǎn)動條件。

　　現(xiàn)在我們考慮一下讓內(nèi)齒轉(zhuǎn)動，法蘭固定在內(nèi)齒輪上，這樣就可以保證法蘭的轉(zhuǎn)動條件。

　　下面給出手腕的結(jié)構(gòu)圖，無浮動部件，內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動。