第3章 工业机器人机械结构

3.1　工业机器人本体结构

3.1.1　垂直串联结构

虽然工业机器人的形式有垂直串联、水平串联、并联等,但是,总体而言,它都是由关节和连杆按一定规律连接而成的,每一关节都由一台伺服电机通过减速器进行驱动。因此,如将机器人进一步分解,它便是由若干伺服电机经减速器减速后,驱动运动部件的机械运动机构的叠加和组合;机器人结构形态的不同,实质只是机械运动机构的叠加和组合形式的不同。

垂直串联是工业机器人最常见的形态,它被广泛用于加工、搬运、装配、包装等场合。垂直串联机器人的承载能力与结构有关,机器人本体的常用结构有以下几种。

(1)电机内置前驱结构

小规格、轻量级的6轴垂直串联机器人经常采用图3.1.1所示的电机内置前驱基本结构。这种机器人的外形简洁、防护性能好;传动系统结构简单、传动链短、传动精度高,它是小型机器人常用的结构。

6轴垂直串联机器人的运动主要包括腰回转轴S(J1)、下臂摆动轴L(J2)、上臂摆动轴U(J3)及手腕回转轴R(J4)、腕摆动轴B(J5)、手回转轴T(J6);每一运动轴都需要有相应的电机驱动。交流伺服电机是目前最常用的驱动电机,它具有恒转矩输出特性,其最高转速一般为3000~6000r/min,额定输出转矩通常在30N·m以下。由于机器人关节回转和摆动的负载惯量大、回转速度低(通常25~100r/min),加减速时的最大转矩需要达到数百甚至数万N·m。因此,机器人的所有回转轴,原则上都需要配套结构紧凑、承载能力强、传动精度高的大比例减速器,以降低转速、提高输出转矩。RV减速器、谐波减速器是目前工业机器人最常用的两种减速器,它是工业机器人最为关键的机械核心部件,本书后述的内容中,将对其进行详细阐述。

在图3.1.1所示的基本结构中,机器人的所有驱动电机均布置在机器人罩壳内部,故称为电机内置结构;而手腕回转、腕摆动、手回转的驱动电机均安装在手臂前端,故称为前驱结构。

(2)电机外置前驱结构

采用电机内置结构的机器人具有结构紧凑、外观简洁、运动灵活等特点,但驱动电机的安装空间受限、散热条件差、维修维护不便。此外,由于手回转轴的驱动电机直接安装在腕摆动体上,传动直接、结构简单,但它会增加手腕部件的体积和质量、影响手运动的灵活性。因此,通常只用于6kg以下小规格、轻量级机器人。

机器人的腰回转、上下臂摆动及手腕回转轴的惯量大、负载重,对驱动电机的输出转矩要求高,需要大规格电机驱动。为了保证驱动电机有足够的安装、散热空间,以方便维修维护,承载能力大于6kg的中小型机器人,通常需要采用图3.1.2所示的电机外置前驱结构。

在图3.1.2所示的机器人上,机器人的腰回转、上下臂摆动及手腕回转轴驱动电机均安装在机身外部,其安装、散热空间不受限制,故可提高机器人的承载能力,方便维修维护。

电机外置前驱结构的腕摆动轴B(J5)、手回转轴T(J6)的驱动电机同样安装在手腕前端(前驱),但是,其手回转轴T(J6)的驱动电机,也被移至上臂内腔,电机通过同步带、锥齿轮等传动部件,将驱动力矩传送至手回转减速器上,从而减小了手腕部件的体积和质量。因此,它是中小型垂直串联机器人应用最广的基本结构,本书将在后述的内容中,对其内部结构进行详细剖析。

(3)手腕后驱结构

大中型工业机器人对作业范围、承载能力有较高的要求,其上臂的长度、结构刚度、体积和质量均大于小型机器人,此时,如采用腕摆动、手回转轴驱动电机安装在手腕前端的前驱结构,不仅限制了驱动电机的安装散热空间,而且,手臂前端的质量将大幅增大,上臂摆动轴的重心将远离摆动中心,导致机器人重心偏高、运动稳定性较差。因此,大中型垂直串联工业机器人通常采用图3.1.3所示的腕摆动、手回转轴驱动电机后置的后驱结构。

在后驱结构的机器人上,手腕回转轴R(J4)、弯曲轴B(J5)及手回转轴T(J6)的驱动电机8、9、10并列布置在上臂后端,它不仅可增加驱动电机的安装和散热空间、便于大规格电机安装,而且,还可大幅度减小上臂体积和前端质量,使上臂重心后移,从而起到平衡上臂重力、降低机器人重心、提高机器人运动稳定性的作用。

后驱垂直串联机器人的腰回转、上下臂摆动轴结构,一般采用与电机外置前驱机器人相同的结构,驱动电机均安装在机身外部,因此,这是一种驱动电机完全外置的垂直串联机器人典型结构,在大中型工业机器人上应用广泛。

在图3.1.3所示的机器人上,腰回转轴S(J1)的驱动电机采用的是侧置结构,电机通过同步带与减速器连接,这种结构可增加腰回转轴的减速比、提高驱动转矩,并方便内部管线布置。为了简化腰回转轴传动系统结构,实际机器人也经常采用驱动电机和腰回转同轴布置、直接传动的结构形式,有关内容可参见后述。

手腕后驱结构的机器人,需要通过上臂内部的传动轴,将腕弯曲、手回转轴的驱动力传到手腕前端,其传动系统复杂、传动链较长、传动精度相对较低。

(4)连杆驱动结构

大型、重型工业机器人多用于大宗物品的搬运、码垛等平面作业,其手腕通常无需回转,但对机器人承载能力、结构刚度的要求非常高,如果采用通常的电机与减速器直接驱动结构,就需要使用大型驱动电机和减速器,从而大大增加机器人的上部质量,导致机器人重心高、运动稳定性差。因此,需要采用图3.1.4所示的平行四边形连杆驱动结构。

采用连杆驱动结构的机器人腰回转驱动电机以侧置的居多,电机和减速器间采用同步带连接;机器人的下臂摆动轴L(J2)、上臂摆动轴U(J3)或手腕弯曲轴B(J5)的驱动电机及减速器,安装在机器人腰身上;然后,通过2对平行四边形连杆机构,驱动下臂、上臂摆动或手腕弯曲运动。

采用平行四边形连杆驱动的机器人,不仅可加长上臂摆动、手腕弯曲轴的驱动力臂,放大驱动电机转矩、提高负载能力,而且还可将上臂摆动、手腕弯曲轴的驱动电机、减速器的安装位置下移至腰部,从而大幅度减小机器人上部质量、降低重心、增加运动稳定性。但是,由于结构限制,在上臂摆动、手腕弯曲轴上同时采用平行四边形连杆驱动的机器人,其手腕的回转运动(R轴回转)将无法实现,因此,通常只能采用无手腕回转的5轴垂直串联结构;部分大型、重型搬运、码垛作业的机器人,甚至同时取消手腕回转轴R(J4)、手回转轴T(J6),成为只有腰回转和上下臂、手腕摆动的4轴结构。

采用4轴、5轴简化结构的机器人,其作业灵活性必然受到影响。为此,对于需要有6轴运动的大型、重型机器人,有时也采用图3.1.5所示的仅上臂摆动采用平行四边形连杆驱动的单连杆驱动结构。

仅上臂摆动的采用平行四边形连杆驱动的机器人,具有通常6轴垂直串联机器人同样的运动灵活性。但是,由于大型、重型工业机器人的负载质量大,为了平衡上臂负载,平行四边形连杆机构需要有较长的力臂,从而导致下臂、连杆所占的空间较大,影响机器人的作业范围和运动灵活性。为此,大型、重型机器人有时也采用图3.1.5(b)所示的带重力平衡气缸的连杆驱动结构,以减小下臂、连杆的安装空间,增加作业范围和运动灵活性。

3.1.2　垂直串联手腕结构

(1)手腕基本形式

工业机器人的手腕主要用来改变末端执行器的姿态(working pose),进行工具作业点的定位,它是决定机器人作业灵活性的关键部件。

垂直串联机器人的手腕一般由腕部和手部组成。腕部用来连接上臂和手部;手部用来安装执行器(作业工具)。由于手腕的回转部件通常如图3.1.6所示、与上臂同轴安装、同时摆动,因此,它也可视为上臂的延伸部件。

为了能对末端执行器的姿态进行6自由度的完全控制,机器人的手腕通常需要有3个回转(roll)或摆动(bend)自由度。具有回转(roll)自由度的关节,能在4个象限、进行接近360°或大于等于360°回转,称R型轴;具有摆动(bend)自由度的关节,一般只能在3个象限以内进行小于270°的回转,称B型轴。这3个自由度可根据机器人不同的作业要求,进行图3.1.7所示的组合。

图3.1.7(a)是由3个回转关节组成的手腕,称为3R(RRR)结构。3R结构的手腕一般采用锥齿轮传动,3个回转轴的回转范围通常不受限制,这种手腕的结构紧凑、动作灵活、密封性好,但由于手腕上3个回转轴的中心线相互不垂直,其控制难度较大,因此,多用于油漆、喷涂等恶劣环境作业,对密封、防护性能有特殊要求的中小型涂装机器人;通用型工业机器人较少使用。

图3.1.7(b)为“摆动+回转+回转”或“摆动+摆动+回转”关节组成的手腕,称为BRR或BBR结构。BRR和BBR结构的手腕回转中心线相互垂直,并和三维空间的坐标轴一一对应,其操作简单、控制容易,而且密封、防护容易,因此,多用于大中型涂装机器人和重载的工业机器人。BRR和BBR结构手腕的外形较大、结构相对松散,在机器人作业要求固定时,也可被简化为BR结构的2自由度手腕。

图3.1.7(c)为“回转+摆动+回转”关节组成的手腕,称为RBR结构。RBR结构的手腕回转中心线同样相互垂直,并和三维空间的坐标轴一一对应,其操作简单、控制容易;且结构紧凑、动作灵活,它是目前工业机器人最为常用的手腕结构形式。

RBR结构的手腕回转驱动电机均可安装在上臂后侧,但手腕弯曲和手回转的电机可以置于上臂内腔(前驱),或者后置于上臂摆动关节部位(后驱)。前驱结构外形简洁、传动链短、传动精度高,但上臂重心离回转中心距离远、驱动电机安装及散热空间小,故多用于中小规格机器人;后驱结构的机器人结构稳定、驱动电机安装及散热空间大,但传动链长、传动精度相对较低,故多用于中大规格机器人。

(2)前驱RBR手腕

小型垂直串联机器人的手腕承载要求低、驱动电机的体积小、重量轻,为了缩短传动链、简化结构、便于控制,它通常采用图3.1.8所示的前驱RBR结构。

前驱RBR结构手腕有手腕回转轴R(J4)、腕摆动轴B(J5)和手回转轴T(J6)3个运动轴。其中,R轴通常利用上臂延伸段的回转实现,其驱动电机和主要传动部件均安装在上臂后端;B轴、T轴驱动电机直接布置于上臂前端内腔,驱动电机和手腕间通过同步带连接,3轴传动系统都有大比例的减速器进行减速。

(3)后驱RBR手腕

大中型工业机器人需要有较大的输出转矩和承载能力,B(J5)、T(J6)轴驱动电机的体积大、重量重。为保证电机有足够的安装空间和良好的散热,同时,能减小上臂的体积和重量、平衡重力、提高运动稳定性,机器人通常采用图3.1.9所示的后驱RBR结构,将手腕R、B、T轴的驱动电机均布置在上臂后端。然后,通过上臂内腔的传动轴,将动力传递到前端的手腕单元上,通过手腕单元实现R、B、T轴回转与摆动。

后驱结构不仅可解决前驱结构存在的B、T轴驱动电机安装空间小、散热差,检测、维修困难等问题,而且,还可使上臂结构紧凑、重心后移,提高机器人的作业灵活性和重力平衡性。由于后驱结构R轴的回转关节后,已无其他电气线缆,理论上R轴可无限回转。

后驱机器人的手腕驱动轴R/B/T的电机均安装在上臂后部,因此,需要通过上臂内腔的传动轴,将动力传递至前端的手腕单元;手腕单元则需要将传动轴的输出转成B、T轴回转驱动力,其机械传动系统结构较复杂、传动链较长,B、T轴传动精度不及前驱手腕。

后驱结构机器人的上臂结构通常采用图3.1.10所示的中空圆柱结构,臂内腔用来安装R、B、T传动轴。

上臂的后端为R、B、T轴同步带轮输入组件1,前端安装手腕回转的R轴减速器4,上臂体3可通过安装法兰2与上臂摆动体连接。R轴减速器应为中空结构,减速器壳体固定在上臂体3上,输出轴用来连接手腕单元,B轴5和T轴6布置在减速器的中空内腔。

后驱机器人的手腕单元结构一般如图3.1.11所示,它通常由B/T传动轴、B轴减速摆动、T轴中间传动、T轴减速输出4个组件及连接体、摆动体等部件组成,其内部传动系统结构较复杂。

连接体1是手腕单元的安装部件,它与上臂前端的R轴减速器输出轴连接后,可带动整个手腕单元实现R轴回转运动。连接体为中空结构,B/T传动轴组件安装在连接体内部;B/T传动轴组件的后端可用来连接上臂的B/T轴输入,前端安装有驱动B、T轴运动和进行转向变换的锥齿轮。

摆动体4是一个带固定臂和螺钉连接辅助臂的U形箱体,它可在B轴减速器的驱动下,在连接体1上摆动。

B轴减速摆动组件5是实现手腕摆动的部件,其内部安装有B轴减速器及锥齿轮等传动件。手腕摆动时,B轴减速器的输出轴可带动摆动体4及安装在摆动体上的T轴中间传动组件2、T轴减速输出组件3进行B轴摆动运动。

T轴中间传动组件2是将连接体1的T轴驱动力,传递到T轴减速输出部件的中间传动装置,它可随B轴摆动。T轴中间传动组件由2组采用同步带连接、结构相同的过渡轴部件组成;过渡轴部件分别安装在连接体1和摆动体2上,并通过两对锥齿轮完成转向变换。

T轴减速输出组件直接安装在摆动体上,组件的内部结构和前驱手腕类似,传动系统主要有T轴谐波减速器、工具安装法兰等部件。工具安装法兰上设计有标准中心孔、定位法兰和定位孔、固定螺孔,可直接安装机器人的作业工具。

3.1.3　SCARA、Delta结构

(1)SCARA结构

SCARA(selective compliance assembly robot arm,选择顺应性装配机器手臂)结构是日本山梨大学在1978年发明的一种建立在圆柱坐标上的特殊机器人结构形式。SCARA机器人的结构简单、外形轻巧、定位精度高、运动速度快,它特别适合于3C行业印刷电路板制作等平面定位、垂直装配作业。

SCARA机器人以小型居多,上下臂折叠式升降的大型双臂SCARA机器人通常只用于清洁房、太阳能电池板安装等特殊场合。小型SCARA机器人通过2~3个水平回转关节实现平面定位,结构类似于水平放置的垂直串联机器人,手臂为沿水平方向串联延伸、轴线相互平行的回转关节;驱动转臂回转的伺服电机可前置在关节部位(前驱),也可统一后置在基座部位(后驱)。

前驱SCARA机器人的典型结构如图3.1.12所示,机器人机身主要由基座1、后臂11、前臂5、升降丝杠7等部件组成。后臂11安装在基座1上,它可在C1轴驱动电机2、减速器3的驱动下水平回转。前臂5安装在后臂11的前端,它可在C2轴驱动电机10、减速器4的驱动下水平回转。

前驱SCARA机器人的执行器垂直升降通过滚珠丝杠7实现,丝杠安装在前臂的前端,它可在升降电机9的驱动下进行垂直上下运动;机器人使用的滚珠丝杠导程通常较大,而驱动电机的转速较高,因此,升降系统一般也需要使用减速器6进行减速。此外,为了减轻前臂的前端的质量和体积、提高运动稳定性、降低前臂驱动转矩,执行器升降电机9通常安装在前臂回转关节部位,电机和减速器6间通过同步带8连接。

前驱SCARA机器人的机械传动系统结构简单、层次清晰、装配方便、维修容易,它通常用于上部作业空间不受限制的平面装配、搬运和电气焊接等作业,但其转臂外形、体积、质量等均较大,结构相对松散;加上转臂的悬伸负载较重,对臂的结构刚性有一定的要求,因此,在多数情况下只有2个水平回转轴。

后驱SCARA机器人的结构如图3.1.13所示。这种机器人的悬伸转臂均为平板状薄壁,其结构非常紧凑。

后驱SCARA机器人前后转臂及工具回转的驱动电机均安装在升降套5上;升降套5可通过基座1内的滚珠丝杠(或气动、液压)升降机构升降。转臂回转减速的减速器均安装在回转关节上;安装在升降套5上的驱动电机,可通过转臂内的同步带连接减速器,以驱动前后转臂及工具的回转。

由于后驱SCARA机器人的结构非常紧凑,负载很轻、运动速度很快,因此,回转关节多采用结构简单、厚度小、重量轻的超薄型减速器进行减速。

后驱SCARA机器人结构轻巧、定位精度高、运动速度快,它除了作业区域外,几乎不需要额外的安装空间,故可在上部空间受限的情况下,进行平面装配、搬运和电气焊接等作业,因此,多用于3C行业的印刷电路板器件装配和搬运。

(2)Delta结构

并联机器人是机器人研究的热点之一,它有多种不同的结构形式;但是,由于并联机器人大都属于多参数耦合的非线性系统,其控制十分困难,正向求解等理论问题尚未完全解决;加上机器人通常只能倒置式安装,其作业空间较小等原因,因此,绝大多数并联机构都还处于理论或实验研究阶段,尚不能在实际工业生产中应用和推广。

目前,实际产品中所使用的并联机器人结构以Clavel发明的Delta机器人为主。Delta结构克服了其他并联机构的诸多缺点,它具有承载能力强、运动耦合弱、力控制容易、驱动简单等优点,因而在电子电工、食品药品等行业的装配、包装、搬运等场合得到了较广泛的应用。

从机械结构上说,当前实用型的Delta 机器人,总体可分为图3.1.14所示的回转驱动(rotary actuated Delta)和直线驱动(linear actuated Delta)两类。

图3.1.14(a)所示的回转驱动Delta机器人,其手腕安装平台的运动通过主动臂的摆动驱动,控制3个主动臂的摆动角度,就能使手腕安装平台在一定范围内运动与定位。旋转型Delta机器人的控制容易、动态特性好,但其作业空间较小、承载能力较低,故多用于高速、轻载的场合。

图3.1.14(b)所示的直线驱动Delta机器人,其手腕安装平台的运动通过主动臂的伸缩或悬挂点的水平、倾斜、垂直移动等直线运动驱动,控制3(或4)个主动臂的伸缩距离,同样可使手腕安装平台在一定范围内定位。与旋转型Delta机器人比较,直线驱动型Delta机器人具有作业空间大、承载能力强等特点,但其操作和控制性能、运动速度等不及旋转型Delta机器人,故多用于并联数控机床等场合。

Delta 机器人的机械传动系统结构非常简单。例如,回转驱动型机器人的传动系统是3组完全相同的摆动臂,摆动臂可由驱动电机经减速器减速后驱动,无需其他中间传动部件,故只需要采用类似前述垂直串联机器人机身、前驱SCARA机器人转臂等减速摆动机构便可实现;如果选配齿轮箱型谐波减速器,则只需进行谐波减速箱的安装和输出连接,无需其他任何传动部件。对于直线驱动型机器人,则只需要3组结构完全相同的直线运动伸缩臂,伸缩臂可直接采用传统的滚珠丝杠驱动,其传动系统结构与数控机床进给轴类似,本书不再对其进行介绍。