1. 操作機(jī)整機(jī)設(shè)計原則
(1)最小運動慣量原則 由于操作機(jī)運動部件多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動，采用最小運動慣量原則，可增加操作機(jī)運動平穩(wěn)性，提高操作機(jī)動力學(xué)特性。為此，在設(shè)計時應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質(zhì)量，并注意運動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。
(2)尺度規(guī)劃優(yōu)化原則當(dāng)設(shè)計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機(jī)剛度的提高，使運動慣量進(jìn)一步降低。
(3)高強(qiáng)度材料選用原則 由于操作機(jī)從手腕、小臂、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的，選用高強(qiáng)度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。
(4)剛度設(shè)計的原則 操作機(jī)設(shè)計中，剛度是比強(qiáng)度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。
(5)可靠性原則 機(jī)器人操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設(shè)計方法設(shè)計出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性。
(6)工藝性原則 機(jī)器人操作機(jī)是一種高精度、高集成度的自動機(jī)械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計時要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計而無良好的工藝性，必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高。
2.操作機(jī)的設(shè)計方法和步驟
(1)確定工作對象和工作任務(wù) 開始設(shè)計操作機(jī)之前，首先要確定工作對象、工作任務(wù)。
1)焊接任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體，工作任務(wù)是對其進(jìn)行弧焊或點焊，則要求機(jī)器人的制造精度很高，弧焊任務(wù)對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性有很高的要求，點焊任務(wù)對機(jī)器人的位姿精度有很高的要求，兩種任務(wù)都要求機(jī)器人具備擺弧的功能，同時要能在狹小的空間內(nèi)自由地運動，具備防碰撞功能，故機(jī)器人的自由度至少為六個。
2)噴漆任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體，工作任務(wù)是噴涂汽車的內(nèi)部和車門或是復(fù)雜曲面物體的表面，則要求機(jī)器人手腕要靈活，能夠在狹小的空間內(nèi)自由地運動，具備防碰撞功能;要求機(jī)器人能夠在長時間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作;同時要求機(jī)器人具備光滑的流線型外表面，漆、氣管線最好能從其橫臂和手腕內(nèi)部通過，使機(jī)器人外表不易積漆積灰，不會污染已噴好的工作對象，且漆、氣管線也不易損壞;因噴漆機(jī)器人是在易燃易爆的工作環(huán)境中工作，故要具備防爆的功能。同時對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性也有較高的要求。機(jī)器人的自由度至少應(yīng)為六個。
3)搬運任務(wù)：如果工作對象比較笨重，工作任務(wù)是定點搬運，定位精度要求高，則對機(jī)器人的承載能力和定位精度有高的要求。如果工作對象比較輕巧，工作任務(wù)也是定點搬運，但要求輕拿輕放，且定位精度要求高，則對機(jī)器人的速度穩(wěn)定和定位精度有高的要求。
4)裝配任務(wù)：對機(jī)器人的速度穩(wěn)定密和位姿精度有很高的要求。
有些機(jī)器人能完成多種工作任務(wù)，如MOTOMAN-SKI20系列機(jī)器人，既可以用于搬運也可以用于點焊，具有快速、精巧、強(qiáng)有力和安全性高的特點;另一種MOTOMAN-SK6/SK16系列機(jī)器人，可以完成弧焊、搬運、涂膠、噴釉和裝配多種任務(wù)，具有高速、精巧和可靠性高的特點。
設(shè)計新型機(jī)器人時，要充分考慮以上諸多因素，并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，參考其設(shè)計參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)研究和比較，確定出所要機(jī)械部分的特點，定出設(shè)計方案。
下面以一臺六自由度交流伺服通用機(jī)器人為例講一下設(shè)計過程，如圖14所示。
(2)確定設(shè)計要求
1)負(fù)載：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的負(fù)載。一般噴漆和弧焊機(jī)器人的負(fù)載為5～6kg。
2)精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人未端的最大復(fù)合速度和機(jī)器人各單軸的最大角速度。
3)精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度、如弧焊機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.4mm，abb公司開發(fā)的Model 5003型噴漆機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±1mm。同時要確定構(gòu)成機(jī)器人的零件的精度、臂體的尺寸精度、形位精度和傳動鏈的間隙，如齒輪的精度和傳動間隙;還要確定機(jī)器人上所用的元器件的精度，如減速器的傳動精度、軸承的精度等等。
4)示教方式：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，確定機(jī)器人的示教方式。一般機(jī)器人的示教方式有下列幾種：
?、匐x線示教(離線編程);
?、谑窘毯惺窘?
?、廴斯な职咽质窘?。
如果是噴漆機(jī)器人，就應(yīng)該具備人工手把手示教的功能，而對于其他機(jī)器人，有前兩種功能就可以了。
5)工作空間：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的工作空間的大小和形狀。
6)尺寸規(guī)劃：根據(jù)對工作空間的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的臂桿長度和臂桿轉(zhuǎn)角，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化。
(3)機(jī)器人運動的耦合分析 對大多數(shù)非直接驅(qū)動的機(jī)器人而言，前面關(guān)節(jié)的運動會引起后面關(guān)節(jié)的附加運動，產(chǎn)生運動耦合效應(yīng)。比如將六個軸的電動機(jī)均裝在機(jī)器人的轉(zhuǎn)塔內(nèi)，通過鏈條、連桿或齒輪傳動其他關(guān)節(jié)的設(shè)計，再比如同心的齒輪套傳動腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計，都會產(chǎn)生運動耦合效應(yīng)。為了解耦，在編機(jī)器人運動學(xué)控制軟件時，后面的關(guān)節(jié)要多轉(zhuǎn)一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)來補(bǔ)償。對一臺六自由度的機(jī)器人來講，如果從2、3軸之間開始就有運動耦合，且3、4、5、6軸之間都有運動耦合，那么3、4、5、6軸電動機(jī)就必須多轉(zhuǎn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)(有時是正轉(zhuǎn)，有時是反轉(zhuǎn)，依結(jié)構(gòu)而定)，來消除運動耦合的影響，3軸要消除2軸的，4軸要消除2軸和3軸的，依此類推，如果都要正轉(zhuǎn)，到了6軸，電動機(jī)就必須有相當(dāng)高的速度來消除那么多軸的影響，有時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會不夠，且有運動耦合關(guān)系的軸太多，機(jī)器人的運動學(xué)分析和控制就會很麻煩。故設(shè)計六自由度的交流伺服機(jī)器人，一般情況下，前4個軸的運動都設(shè)計成是相對獨立的，而運動耦合只發(fā)生在4、5、6軸之間，即5軸的運動受到4軸運動的影響，6軸的運動受到4軸和5軸運動的影響。這樣做，既能保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊，又不會使有耦合關(guān)系的軸大多。
(4)機(jī)器人手臂的平衡 平衡機(jī)器人操作手臂的重力矩優(yōu)點如下：
·如果是噴漆機(jī)器人，則便于人工手把手示教。
·使驅(qū)動器基本上只需克服機(jī)器人運動時的慣性力，而忽略重力矩的影響。故可選用體積較小、功耗較小的驅(qū)動器。
·免除了機(jī)器人手臂在自重下落下傷人的危險。
·在伺服控制中因減少了負(fù)載變化的影響，因而可實現(xiàn)更精確的伺服控制。
一般機(jī)器人操作機(jī)因1軸轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)，故不要平衡，4、5、6軸的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3軸手臂的重力矩。
(1)最小運動慣量原則 由于操作機(jī)運動部件多，運動狀態(tài)經(jīng)常改變，必然產(chǎn)生沖擊和振動，采用最小運動慣量原則，可增加操作機(jī)運動平穩(wěn)性，提高操作機(jī)動力學(xué)特性。為此，在設(shè)計時應(yīng)注意在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減小運動部件的質(zhì)量，并注意運動部件對轉(zhuǎn)軸的質(zhì)心配置。
(2)尺度規(guī)劃優(yōu)化原則當(dāng)設(shè)計要求滿足一定工作空間要求時，通過尺度優(yōu)化以選定最小的臂桿尺寸，這將有利于操作機(jī)剛度的提高，使運動慣量進(jìn)一步降低。
(3)高強(qiáng)度材料選用原則 由于操作機(jī)從手腕、小臂、大臂到機(jī)座是依次作為負(fù)載起作用的，選用高強(qiáng)度材料以減輕零部件的質(zhì)量是十分必要的。
(4)剛度設(shè)計的原則 操作機(jī)設(shè)計中，剛度是比強(qiáng)度更重要的問題，要使剛度最大，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇桿件剖面形狀和尺寸，提高支承剛度和接觸剛度，合理地安排作用在臂桿上的力和力矩，盡量減少桿件的彎曲變形。
(5)可靠性原則 機(jī)器人操作機(jī)因機(jī)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)較多，可靠性問題顯得尤為重要。一般來說，元器件的可靠性應(yīng)高于部件的可靠性，而部件的可靠性應(yīng)高于整機(jī)的可靠性?？梢酝ㄟ^概率設(shè)計方法設(shè)計出可靠度滿足要求的零件或結(jié)構(gòu)，也可以通過系統(tǒng)可靠性綜合方法評定操作機(jī)系統(tǒng)的可靠性。
(6)工藝性原則 機(jī)器人操作機(jī)是一種高精度、高集成度的自動機(jī)械系統(tǒng)，良好的加工和裝配工藝性是設(shè)計時要體現(xiàn)的重要原則之一。僅有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計而無良好的工藝性，必然導(dǎo)致操作機(jī)性能的降低和成本的提高。
2.操作機(jī)的設(shè)計方法和步驟
(1)確定工作對象和工作任務(wù) 開始設(shè)計操作機(jī)之前，首先要確定工作對象、工作任務(wù)。
1)焊接任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體，工作任務(wù)是對其進(jìn)行弧焊或點焊，則要求機(jī)器人的制造精度很高，弧焊任務(wù)對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性有很高的要求，點焊任務(wù)對機(jī)器人的位姿精度有很高的要求，兩種任務(wù)都要求機(jī)器人具備擺弧的功能，同時要能在狹小的空間內(nèi)自由地運動，具備防碰撞功能，故機(jī)器人的自由度至少為六個。
2)噴漆任務(wù)：如果工作對象是一輛汽車或是一個復(fù)雜曲面的物體，工作任務(wù)是噴涂汽車的內(nèi)部和車門或是復(fù)雜曲面物體的表面，則要求機(jī)器人手腕要靈活，能夠在狹小的空間內(nèi)自由地運動，具備防碰撞功能;要求機(jī)器人能夠在長時間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定可靠地工作;同時要求機(jī)器人具備光滑的流線型外表面，漆、氣管線最好能從其橫臂和手腕內(nèi)部通過，使機(jī)器人外表不易積漆積灰，不會污染已噴好的工作對象，且漆、氣管線也不易損壞;因噴漆機(jī)器人是在易燃易爆的工作環(huán)境中工作，故要具備防爆的功能。同時對機(jī)器人的軌跡精度和位姿精度及速度穩(wěn)定性也有較高的要求。機(jī)器人的自由度至少應(yīng)為六個。
3)搬運任務(wù)：如果工作對象比較笨重，工作任務(wù)是定點搬運，定位精度要求高，則對機(jī)器人的承載能力和定位精度有高的要求。如果工作對象比較輕巧，工作任務(wù)也是定點搬運，但要求輕拿輕放，且定位精度要求高，則對機(jī)器人的速度穩(wěn)定和定位精度有高的要求。
4)裝配任務(wù)：對機(jī)器人的速度穩(wěn)定密和位姿精度有很高的要求。
有些機(jī)器人能完成多種工作任務(wù)，如MOTOMAN-SKI20系列機(jī)器人，既可以用于搬運也可以用于點焊，具有快速、精巧、強(qiáng)有力和安全性高的特點;另一種MOTOMAN-SK6/SK16系列機(jī)器人，可以完成弧焊、搬運、涂膠、噴釉和裝配多種任務(wù)，具有高速、精巧和可靠性高的特點。
設(shè)計新型機(jī)器人時，要充分考慮以上諸多因素，并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，參考其設(shè)計參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)研究和比較，確定出所要機(jī)械部分的特點，定出設(shè)計方案。
下面以一臺六自由度交流伺服通用機(jī)器人為例講一下設(shè)計過程，如圖14所示。
(2)確定設(shè)計要求
1)負(fù)載：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的負(fù)載。一般噴漆和弧焊機(jī)器人的負(fù)載為5～6kg。
2)精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人未端的最大復(fù)合速度和機(jī)器人各單軸的最大角速度。
3)精度：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的重復(fù)定位精度、如弧焊機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±0.4mm，abb公司開發(fā)的Model 5003型噴漆機(jī)器人的重復(fù)定位精度為±1mm。同時要確定構(gòu)成機(jī)器人的零件的精度、臂體的尺寸精度、形位精度和傳動鏈的間隙，如齒輪的精度和傳動間隙;還要確定機(jī)器人上所用的元器件的精度，如減速器的傳動精度、軸承的精度等等。
4)示教方式：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，確定機(jī)器人的示教方式。一般機(jī)器人的示教方式有下列幾種：
?、匐x線示教(離線編程);
?、谑窘毯惺窘?
?、廴斯な职咽质窘?。
如果是噴漆機(jī)器人，就應(yīng)該具備人工手把手示教的功能，而對于其他機(jī)器人，有前兩種功能就可以了。
5)工作空間：根據(jù)用戶工作對象和工作任務(wù)的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的工作空間的大小和形狀。
6)尺寸規(guī)劃：根據(jù)對工作空間的要求，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，確定機(jī)器人的臂桿長度和臂桿轉(zhuǎn)角，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化。
(3)機(jī)器人運動的耦合分析 對大多數(shù)非直接驅(qū)動的機(jī)器人而言，前面關(guān)節(jié)的運動會引起后面關(guān)節(jié)的附加運動，產(chǎn)生運動耦合效應(yīng)。比如將六個軸的電動機(jī)均裝在機(jī)器人的轉(zhuǎn)塔內(nèi)，通過鏈條、連桿或齒輪傳動其他關(guān)節(jié)的設(shè)計，再比如同心的齒輪套傳動腕部關(guān)節(jié)的設(shè)計，都會產(chǎn)生運動耦合效應(yīng)。為了解耦，在編機(jī)器人運動學(xué)控制軟件時，后面的關(guān)節(jié)要多轉(zhuǎn)一個相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)來補(bǔ)償。對一臺六自由度的機(jī)器人來講，如果從2、3軸之間開始就有運動耦合，且3、4、5、6軸之間都有運動耦合，那么3、4、5、6軸電動機(jī)就必須多轉(zhuǎn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)數(shù)(有時是正轉(zhuǎn)，有時是反轉(zhuǎn)，依結(jié)構(gòu)而定)，來消除運動耦合的影響，3軸要消除2軸的，4軸要消除2軸和3軸的，依此類推，如果都要正轉(zhuǎn)，到了6軸，電動機(jī)就必須有相當(dāng)高的速度來消除那么多軸的影響，有時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會不夠，且有運動耦合關(guān)系的軸太多，機(jī)器人的運動學(xué)分析和控制就會很麻煩。故設(shè)計六自由度的交流伺服機(jī)器人，一般情況下，前4個軸的運動都設(shè)計成是相對獨立的，而運動耦合只發(fā)生在4、5、6軸之間，即5軸的運動受到4軸運動的影響，6軸的運動受到4軸和5軸運動的影響。這樣做，既能保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊，又不會使有耦合關(guān)系的軸大多。
(4)機(jī)器人手臂的平衡 平衡機(jī)器人操作手臂的重力矩優(yōu)點如下：
·如果是噴漆機(jī)器人，則便于人工手把手示教。
·使驅(qū)動器基本上只需克服機(jī)器人運動時的慣性力，而忽略重力矩的影響。故可選用體積較小、功耗較小的驅(qū)動器。
·免除了機(jī)器人手臂在自重下落下傷人的危險。
·在伺服控制中因減少了負(fù)載變化的影響，因而可實現(xiàn)更精確的伺服控制。
一般機(jī)器人操作機(jī)因1軸轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)，故不要平衡，4、5、6軸的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3軸手臂的重力矩。
