2.1　工业机器人总体设计

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、自动控制等多方面内容。在设计工业机器人时要从总体出发研究工业机器人各个组成部分之间及外部环境之间的相互关系。

机器人总体设计一般分为系统设计和技术设计两大步骤。

2.1.1　系统设计

机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要使一个生产过程实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，以确定使用的机器人是否合适。确定使用机器人，设计人员一般要先做好如下工作。

①根据机器人的使用场合，明确机器人的目的和任务。

②分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有设备的兼容性。

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目、信息的存储容量、计算机功能、动作速度、定位精度、抓取质量、容许的空间结构，以及温度、振动等环境条件的适用性。再进一步根据被抓取、搬运物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，确定机器人末端操作器的形式及抓取工件的部位和握力大小。

④进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料，进行综合分析，找出可借鉴之处，了解设计过程中需要注意的问题。

2.1.2　技术设计

（1）机器人基本参数的确定

在系统分析的基础上，具体确定机器人的自由度数目、作业范围、承载能力、运动速度及定位精度等基本参数。

①自由度数目的确定　自由度是机器人的一个重要技术参数，由机器人的机械结构形式决定。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要六个自由度。但是，机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能少于六个自由度，也可能多于六个自由度。例如A4020型装配机器人具有四个自由度，可以在印制电路板上接插电子器件；三菱重工的PA-10型机器人具有七个自由度，可以进行全方位打磨工作。在满足机器人工作要求的前提下，为简化机器人的结构和控制，应使自由度数且最少。工业机器人的自由度一般为四至六个。自由度数目的选择也与生产要求有关。如果生产批量大、操作可靠性要求高、运行速度快、周围设备构成比较复杂、所抓取的工件质量较小，机器人的自由度数目可少一些；如果要便于产品更换、增加柔性，则机器人的自由度数目要多一些。

②作业范围的确定　机器人的作业范围需根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一条运动轨迹往往是由几个动作合成的。在确定作业范围时，可将运动轨迹分解成单个动作，由单个动作的行程确定机器人的最大行程。为便于调整，可适当加大行程数值。各个动作的最大行程确定之后，机器人的作业范围也就定下来了。但要注意的是，作业范围的形状和尺寸会影响机器人的坐标形式、自由度数目、各手臂关节轴线间的距离和各关节轴转角的大小及变动范围。作业范围大小不仅与机器人各杆件的尺寸有关，而且与它的总体构形有关。在作业范围内要考虑杆件自身的干涉，也要防止构件与作业环境发生碰撞。此外，还应注意在作业范围内某些位置（如边界）机器人可能达不到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓作业范围的奇异性。

③运动速度的确定　确定机器人各动作的最大行程之后，可根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而确定完成各动作时机器人的运动速度。如两个机器人要完成某一工件的上料过程，需完成夹紧工件及手臂升降、伸缩、回转等一系列动作，这些动作都应该在工作节拍所规定的时间内完成。至于各动作的时间究竟应如何分配，则取决于很多因素，不是通过一般的计算就能确定的。要根据各种因素反复考虑，并试制订各动作的分配方案，比较动作时间的平衡后才能确定。节拍较短时，更需仔细考虑。机器人的总动作时间应小于或等于工作节拍。如果两个动作同时进行，要按时间较长的计算。一旦确定了最大行程的动作时间，其运动速度也就确定下来了。

④承载能力的确定　承载能力指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。目前，对专用机械手来说，其承载能力主要根据被抓取物体的质量来定，其安全系数一般可在1.5～3.0之间选取。对工业机器人来说，臂力要根据被抓取、搬运物体的质量的变化范围来确定。

⑤定位精度的确定　机器人的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人本身所能达到的定位精度则取决于机器人的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、所采取的缓冲方式等因素。

工艺过程的不同对机器人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表2-1所示。

当机器人达到所要求的定位精度有困难时，可采用辅助工、夹具协助定位，即机器人把被抓取物体先送到工、夹具进行粗定位，然后利用工、夹具的夹紧动作实现工件的最后定位。采用这种办法既能保证工艺要求，又可降低机器人的定位要求。

（2）机器人运动形式的选择

根据主要的运动参数选择运动形式是机械结构设计的基础。常见机器人的运动形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球（极）坐标型、关节坐标型和SCARA型五种。为适应不同生产工艺的需要，同一种运动形式的机器人可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据工艺要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况分析比较、择优选取。

为了满足特定工艺要求，专用的机械手一般只要求有二至三个自由度，而通用机器人必须具有四至六个自由度，以满足不同产品的不同工艺要求。所选择的运动形式，在满足需要的情况下，应以使自由度最少、结构最简单为宜。

（3）拟订检测传感系统框图

确定机器人的运动形式后，还需拟订检测传感系统框图，选择合适的传感器，以便在进行结构设计时考虑安装位置。关于传感器的内容将在后面章节中介绍。

（4）确定控制系统总体方案，绘制框图

按工作要求选择机器人的控制方式，确定控制系统类型，设计计算机控制硬件电路并编制相应控制软件。最后确定控制系统总体方案，绘制出控制系统框图，并选择合适的电气元件。

（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零部件图。