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定位，后两个自由度用来实现手爪的空间姿态定向[15]。 2.1.1 腰部回转运动原有结构的分析
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全气动关节型机器人的前三个自由度用来实现气动机器人手臂末端的空间位置
本课题主要研究全气动机器人的腰部回转机构的结构优化设计，下面对原有系统的结构进行分析。
SMC南京技术中心研制的气动机器人的回转部分的组件如图 2.2所示。
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1－立柱组件；2－定位块；3－转动平台；4－齿条；5－ML2B缸体；
6－轴承座；7－齿轮；8－转轴；9－底座
图 2.2 腰关节回转组件装配示意图
齿条4通过螺钉固定在ML2B缸体5上，齿轮7通过平键与转轴8配合，转轴8通过两套轴承与轴承座6相连，轴承座6通过螺钉与底座9固定。转轴8通过平键与转动平台3配合，转动平台3通过螺钉与立柱组件1相连。传动原理为：ML2B缸体5作直线运动时，通过齿条齿轮机构传动使转轴8转动，带动转动平台3和立柱组件1一起转动。
通过以上结构可以发现气动机器人是通过一组齿轮齿条将气缸的直线运动转化为腰部关节的回转运动。通过观察机器人的工作特性，该转换结构在定位时很难保证定位的精度，长时间运行后齿轮齿条的中心距就会被拉大，齿侧间隙就会变大，系统也没有设计相应的结构来调整，这样就给机器人的定位带来误差，而且大大增加了系统的冲击，使得整个系统运行时很不平稳。齿轮与齿条的接触面积小受力大，齿轮齿条磨损加剧，传动误差不断加大。
通过分析研究发现，出现气动机器人回转运动精度不高，以及振动冲击过大的原因有：
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（2）机器人工作部分转动惯量过大；
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（1）齿轮齿条转换机构的装配精度不高，导致齿侧间隙过大；
（3）气缸本身由于气体的压缩性，在末端定位时出现超调。 2.1.2 直线运动转换为旋转运动的几种形式
对于气动执行元件而言，用得最多的就是直线气缸，规格和型号也最齐全。对于气动机器人而言，需要对其进行精确的位置控制，目前直线气缸的伺服控制技术已经比较成熟，而对旋转气缸的伺服控制目前还比较困难，所以直线伺服气缸是一个很好的选择，但是需要设计一个比较好的直线运动转换为旋转运动的方案。下面对几种典型的转换形式进行分析比较。
（1）齿轮齿条传动
齿轮齿条传动如图 2.3所示，其中齿轮作旋转运动，齿条作直线运动。
图 2.3 齿轮齿条传动结构
齿条直线运动的速度v(mm/s)与齿轮分度圆直径d，转速n之间的关系是：
式中：d—齿轮分度圆直径(mm)
n—齿轮转速(r/min)
齿条与齿轮正确啮合的条件是基圆齿距相等，齿条基圆齿距是其两相邻同侧直线齿廓的垂直距离。安装时正确安装是保证安装中心距[16]。
齿轮齿条传动结构紧凑，传动精度高，但是对安装精度要求严格，传动时齿轮齿条副的齿侧间隙会使机器人在定位时存在较大的振动。因此需做到无齿隙传动，但对齿轮齿条的加工和装配精度要求较高，成本较大。
（2）杠杆式传动机构
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杠杆式转换机构其实是一组平面杆结构，其原理图如图 2.4所示[30]
A
图 2.4 杠杆式传动
C
气缸伸出时，AB杆长度变长，由于BC 和AC距离不变，根据三角形余弦定理，
BC2?AC2?AB2cos?ACB?
2BC?AC(2.2)
由式2.2可知，其旋转角度和气缸位移输出量之间是比较复杂的数学关系，会给机器人的控制带来困难，并且旋转的角度较小，无法满足机器人工作空间大的要求。
（3）带传动结构
利用带传动作为转化结构时，带作直线运动，带轮作旋转运动，如图 2.5所示。
无杆气缸
图 2.5 带传动结构
普通平带传动由于利用摩擦力来传递运动和力，所以会产生弹性滑动和打滑，因此瞬时传动比不准确，不能用于要求传动比精确的场合。
除了普通的平带传动外，同步带传动是传统带传动领域中一种新型的传动形式，它是通过带齿与轮齿的啮合传递运动和动力，因此，它不仅具有带传动的特点，而且又具有齿轮传动和链传动的特点，能够保证准确的传动比[17]。因而本课题将着重研究同步带传动。
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2.1.3 齿侧间隙
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齿轮齿条作为齿轮传动一种特殊形式，其装配精度的测定与普通齿轮传动一样。本课题中由于原系统在运用齿轮齿条传动时受影响最大的就是齿侧间隙，所以简单介绍一下齿侧间隙的概念[16,24]。
在一对装配好的齿轮副中，侧隙j是相啮齿轮之间的间隙，它是在节圆上齿槽宽度超过相啮轮齿齿厚的量。
侧隙受一对齿轮运行时的中心距以及每个齿轮的实际齿厚控制。运行时还受速度、温度、负载等的变化而变化。在静态可测量的条件下，必须有足够的侧隙，以保证在带负载运行最不利的情况下仍有足够的侧隙。
对于机器人而言，如果采用齿轮齿条传动就要求侧隙量不能过大，最好做到无齿隙传动。但是由于加工成本和装配精度问题，很难做到，并且由于气压传动本身有很大的振动，中心距有可能不断加大，侧隙也会不断增大，导致传动精度不断降低。
因此选择一种不受齿轮传动副侧隙影响，并能减小气缸振动影响，传动精度高的传动方式是本课题要达到的目标，为此本课题根据以上各种结构的传动特点，选择了圆弧齿同步带传动来替代原有的齿轮齿条传动。
2.2 系统结构优化总体技术方案
2.2.1 同步带传动
同步带传动（图 2.6）是近几十年发展起来的一种新型传动方式,它综合了带传动、链传动和齿轮传动的优点。由于带的工作面呈齿形，与带轮的齿槽作啮合运动，并由带的抗拉层承受负载，以保持带的节线长度不变，故带与带轮之间没有相对滑动，可以实现带与带轮之间的同步传动。同步带除了传递运动动力以外，还可以进行高精度的定位运动，精密输送等[18]。本课题正是运用了同步带传动的这种优良的传动特性。
图 2.6 同步带传动
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2.2.2 同步带的分类
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（1）梯形齿同步带传动。它主要用于中、小功率的同步带传动，如各种仪器、计算机、轻工机械中均采用这种同步带传动。
（2）高转矩同步带传动 又称HTD带(High Torque Drive)或STPD带传动(Super Torque Positive Drive)。由于其齿形呈圆弧状，通称为圆弧齿同步带传动，其齿面形状如图 2.7所示[21]。
图 2.7 圆弧齿同步带
2.2.3 同步带传动的优点
为了说明同步带传动的优点，现将同步带传动与其他传动作一比较[17]，如表2.1所示：
表2.1同步带与其他传动方式的比较
性能 传动的准确性 瞬时速度均匀性 速比范围 允许线速度 传动噪声 功率/质量的比值 传动功率 效率 初张紧力 轴承压力 耐冲击性能 维修 防污染和灰尘 安装误差对传动性能的影响 同步带 同步 均匀 大 高 小 大 中 98%~99.5% 小 小 中 简便 好 大 三角带 有滑移 不均匀 大 中 小 中 中 85%~95% 大 大 好 简便 好 中 平带 有滑移 不均匀 中 中 小 中 中 85%~95% 大 大 好 简便 好 小 链条 同步 不均匀 大 低 大 小 中 96%~98% 小 小 差 尚方便 中 中 齿轮 同步 均匀 中 中 中 中 大 98%~99% 无 小 中 不方便 差 大