1.3　机器人系统的设计方法

机器人是一个完整的机电一体化系统，是一个包括机构、控制系统、感受系统等的整体系统。对于机器人这样一个复杂的系统，在设计时首先要考虑的是机器人的整体性、整体功能和整体参数，再对局部细节进行设计。

（1）准备事项

在设计之初，应当首先明确机器人的设计目的，即机器人的应用对象、应用领域和主要应用目的。然后，根据设计目的确定机器人的功能要求。在确定功能要求基础上，设计者可以明确机器人的设计参数，如机器人的自由度数、信息的存储容量、计算机功能、动作速度、定位精度、抓取重量、容许的空间结构尺寸以及温度、振动等环境条件的适用性等。将设计参数以集合的方式表示，则可以形成总体的设计方案。最后进行方案的比较，在初步提出的若干方案中，通过对工艺生产、技术和价值分析选择出最佳方案。

（2）机器人的详细设计

①在总体方案确定之后，首先根据总体的功能要求选择合适的控制方案。从控制器所能配置的资源来说，有两种控制方式：集中式和分布式。集中式是将所有的资源都集中在一个控制器上，而分布式则是让不同的控制器负责实现机器人不同的功能。

②在控制方案确定之后，根据选定的控制方案选择驱动方式。机器人的驱动方式主要有液压、气压、电气，以及新型驱动方式。设计者可以根据机器人的负载要求来进行选择，其中液压的负载最大，气动次之，电动最小。

③在控制系统的设计及驱动方式确定之后，就可以进行机械结构系统的设计。机器人的机械结构系统设计一般包括对末端执行器、臂部、腕部、机座和移动机构等的设计。

④机器人运动形式或移动机构的选择。根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见工业机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。常见移动机器人的移动机构有轮式、履带式和足式移动机构。

为适应不同的生产工艺或环境需要，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2个或3个自由度，而通用机器人必须具有4～6个自由度，才能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、结构最简单为准。

⑤传动系统设计的好坏，将直接影响机器人的稳定性、快速性和精确性等性能参数。机器人的传动系统除了常见的齿轮传动、链传动、蜗轮蜗杆传动和行星齿轮传动外，还广泛地采用滚珠丝杠、谐波减速装置和绳轮钢带等传动系统。

⑥在进行机械设计的过程中，最好能够使用Pro/E、UG、SolidWork等CAD/CAE软件建立三维实体模型，并在机器人上进行虚拟装配，然后进行运动学仿真，检查是否存在干涉和外观的不满意。也可以使用Adams等软件进行动力学仿真，从更深层次来发现设计中可能存在的问题。

（3）制造、安装、调试和编写设计文档

在详细设计完成之后，先筛选标准元器件，对自制的零件进行检查，对外购的设备器件进行验收；然后对各子系统调试后，进行总体安装，整机联调；最后编写设计文档。