机器人系统设计中如何开展机械运动系统的设计？

运动系统包括简易的平面台架到多自由度的复杂机械臂。机器人系统设计研发需要丰富的经验，对其通常产生的问题及最佳相关解决方案需要有深度的了解。

针对机械设计，IDC设计工程师Nick Brown，在下文中提出了5个关键的考虑要素。

1、马达的选择

选择马达，最关键的两个要素是它的扭矩与转速。基于运转该运动系统的目标加速度和速度所需力的大小，上述数据很容易通过计算得出。另一较易被忽略但关键的要素是，马达转子及需转动载荷之间的惯性比值。假如载荷惯性远大于马达惯性，那么要实现一个具有快速的安定时间且稳定的控制系统则几乎不可能。

2、开环和闭环控制

简易的运动系统通常使用步进马达作为其主要驱动，如3D打印机。步进马达通常在开环控制配置中使用，该控制器发送命令至马达，使其以一定速度运动至一定位置。马达不会就完成的命令进行反馈，假如系统能够符合性能目标且该系统运动准确性并非至关重要时，这是能够接受的。

假如性能要求超过开环控制配置的步进马达系统，则需使用闭环PID控制的伺服？电机。在闭环系统中，控制器命令马达以具备一定加速度的速度运转至一定位置，马达轴上的编码器给控制器发送报告，反馈其准确速度及位置。控制器基于位置和速度的错误，决定马达是否需要增加或减少？功率以满足命令要求的位置和速度。

一款PID控制环能够实现更快，定位更准确的运动系统，同时满足命令运动的实现。但相比简易的开环系统，它的控制器则更复杂。

3、机械设计控制避免背隙和自由运动

在一个有明显背隙和自由运动的机械系统中，研发先进控制系统及指定电机与顶部的范围编码器是没有任何意义的，因为结果是系统不准确、低可重复性，看着与用着都不精确。

在运动系统中，形成自由运动的两大基本原因是轴承的排布与齿轮的背隙（其他系统特定因素）。齿轮的背隙通过妥善的元件选择能够避免，例如：应变波齿轮没有背隙，精确行星齿轮组背隙极小。另外，虽然并非所有情况都适用，但直接驱动系统也可以完全避免这个两个问题。

来自轴承接合处的自由运动，通过元件的准确规格和预载的应用可以避免。使用预加载角接触球轴承可以消除关节臂的所有自由运动，使用弹簧加载聚合物轴承可以使直线滑块和导轨感觉坚固。

机械强度及对齐：一个运动系统越精确或其性能越高，就越需要重视部件的机械强度和装配的几何公差，以保证其性能。例如一个简单的XY运动系统，在一对直线导轨上采用了紧密配合的聚合物轴承，这些轨道的微小偏差将导致系统的干扰，在制造、装配或由于正常工作负载导致的变形中出现偏差。

4、摩擦、疲劳和使用寿命

由于相对运动导致的部件磨损会随着时间的推移导致其性能变化，甚至是灾难性的故障。金属滚子轴承和聚合物轴承的设计都强调轴承寿命，以确定维修时间间隔，及对使用寿命进行评估。在设计那些使用寿命长、维修不频繁的系统时，聚合物轴承比钢轴承有更大优势。钢轴承依靠润滑来限制或消除金属表面的磨损，当润滑剂被污染、摩擦增加时，性能就会降低。干运转聚合物轴承能够在其使用寿命期间保持相同的摩擦特性。

运动系统设计的最佳建议

1、选择马达时，马达转子与负载之间的惯性系数也应考虑在内；

2、开环与闭环控制系统：开环系统是否已经足够满足性能要求？是否需要借助闭环系统实现更快速度及精确定位要求？

3、为避免系统中出现由于轴承和齿轮这类普通要素导致的自由运动和背隙，应当细致地对机械设计进行计划；

4、考虑元件的机械强度、几何公差及其匹配性以实现最佳系统性能；

5、设计系统时，了解元件的摩擦、疲劳及使用寿命。要考虑：是否需要实现一个使用寿命长、性能优秀的解决方案，该系统维修是否频繁等等因素。