機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)ppt課件

.,工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),任務(wù)1：工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì),任務(wù)2：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng),任務(wù)3：機(jī)身和臂部設(shè)計(jì),任務(wù)4：腕部設(shè)計(jì),任務(wù)5：手部設(shè)計(jì),.,2,任務(wù)1工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)的步驟主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式選擇模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料選擇平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì),.,3,1、系統(tǒng)分析,機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有力工具。首先確定使用機(jī)器人是否需要與合適，決定采用后需要做如下分析工作：(1)明確采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。(2)分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括設(shè)備兼容性等。(3)認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度數(shù)、信息的存儲(chǔ)容量、定位精度、抓取重量(4)進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國(guó)內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料。,總體設(shè)計(jì)的步驟,.,4,2、技術(shù)設(shè)計(jì),(1)機(jī)器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運(yùn)動(dòng)速度及定位精度等。舉例：定位精度的確定機(jī)器人或機(jī)械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機(jī)器人或機(jī)械手本身所能達(dá)到的定位精度取決于定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、控制方式、臂部剛性、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式等。工藝過(guò)程的不同，對(duì)機(jī)器人或機(jī)械手重復(fù)定位精度的要求也不同，不同工藝過(guò)程所要求的定位精度如下：金屬切削機(jī)床上下料：(0.05-1.00)mm沖床上下料：1mm模鍛：(0.1-2.0)mm點(diǎn)焊：1mm裝配、測(cè)量：(0.01-0.50)mm噴涂：3mm當(dāng)機(jī)器人或機(jī)械手本身所能達(dá)到的定位精度有困難時(shí)，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機(jī)器人實(shí)現(xiàn)粗定位、工夾具實(shí)現(xiàn)精定位。,.,5,(2)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式的選擇。常見(jiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。(3)擬定檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖。選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝位置。(4)確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖。(5)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定驅(qū)動(dòng)方式，選擇運(yùn)動(dòng)部件和設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)器人總裝圖及主要部件零件圖。,.,6,3、仿真分析,(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。分析是否達(dá)到要求的速度、加速度、位置。(2)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的大小，分析驅(qū)動(dòng)裝置是否滿足要求。(3)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真。(4)性能分析。建立機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。(5)方案和參數(shù)修改。運(yùn)用仿真分析的結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進(jìn)行修改，加以完善。機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分。其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)盡管有各自的獨(dú)立性，但都必須與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)。,.,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式（1）直角坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為伸縮（2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，腰轉(zhuǎn)、升降、伸縮（3）球面坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮（4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為轉(zhuǎn)動(dòng),.,傳動(dòng)方式選擇（1）選擇驅(qū)動(dòng)源和傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接、驅(qū)動(dòng)方式（2）工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)形式,.,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化工業(yè)機(jī)器人。由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過(guò)具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)(1)經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)和制造通用性很強(qiáng)的工業(yè)機(jī)器人是很不經(jīng)濟(jì)的，價(jià)格昂貴。用戶希望廠商能為諸多的作業(yè)崗位提供可選擇的，自由度盡可能少，控制和編程簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)的專用機(jī)器人。機(jī)器人制造廠家也希望改變?cè)O(shè)計(jì)和制造模式，采用批量制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化系列化的工業(yè)機(jī)器人模塊，自由拼裝工業(yè)機(jī)器人，滿足用戶經(jīng)濟(jì)性好和基本功能全的要求。,.,(2)靈活性。其主要體現(xiàn)在：可根據(jù)工業(yè)機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)決定模塊的數(shù)量，機(jī)器人的自由度可以方便地增減。比如，用戶要求機(jī)器人能為多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時(shí)，可增選一個(gè)底座移動(dòng)軸模塊或其它行走軸模塊,工業(yè)機(jī)器人成為移動(dòng)式機(jī)器人。為了擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的工作范圍，可更換具有更長(zhǎng)長(zhǎng)度的手臂模塊或加接手臂模塊。下圖所示是一種多關(guān)節(jié)多臂檢測(cè)機(jī)器人，不僅多臂模塊組合成的手臂很長(zhǎng)，而且手臂可作波浪運(yùn)動(dòng)。能不斷對(duì)現(xiàn)役模塊化工業(yè)機(jī)器人更新改造。比如，用戶可以選用伸縮套筒式手臂模塊來(lái)更替原有固定長(zhǎng)度的模塊；隨著控制技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，可更換更高性能的控制模塊和更高精度的傳感器模塊；更換新模塊來(lái)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的維修保養(yǎng)。,.,.,3.模塊化工業(yè)機(jī)器人所存在的問(wèn)題(1)模塊化工業(yè)機(jī)器人整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的剛度比較差。因?yàn)槟K之間的結(jié)合是可方便拆卸的，盡管在設(shè)計(jì)上已經(jīng)注意到了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口的高精度要求，但實(shí)際制造仍會(huì)存在誤差，所以與整體結(jié)構(gòu)相比剛度相對(duì)地差些。(2)因?yàn)橛性S多機(jī)械接口及其它連接附件，所以模塊化工業(yè)機(jī)器人的整體重量有可能增加。(3)雖然功能模塊的形式有多種多樣，但是尚未真正做到根據(jù)作業(yè)對(duì)象就可以合理進(jìn)行模塊化分析和設(shè)計(jì)。,.,機(jī)器人本體材料的選擇,材料選擇基本要求,.,(1)強(qiáng)度高。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。(2)彈性模量大。從材料力學(xué)公式可知，構(gòu)件剛度(或變形量)與材料的彈性模量E、G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的改性對(duì)彈性模量卻沒(méi)有多大差別。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為20002300MPa，但是二者的彈性模量E卻沒(méi)有多大變化，均為210000MPa。因此，還應(yīng)尋找其它提高構(gòu)件剛度的途徑。,.,(3)重量輕。在機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說(shuō)，為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了選用高彈性模量低密度材料的要求，可用E/指標(biāo)來(lái)衡量。下表列出了幾種材料的應(yīng)E、和E/值,供參考。,.,(4)阻尼大。工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來(lái)?？墒怯捎谠跇?gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生“殘余振動(dòng)”。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)考慮，希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來(lái)吸收能量。(5)材料價(jià)格低。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如棚纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來(lái)作機(jī)器人臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。,.,.,(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4至5倍,彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：這類材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈量模量E并不大，但是材料密度小,故E/比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金彈性模量增加了14%，E/比增加16%。(3)纖維增強(qiáng)合金：如棚纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，其E/比分別達(dá)到11.4107m2/s2和8.9X107m2/s2。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/比，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的缺陷，但價(jià)格昂貴。,.,(4)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂的樣品。(5)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類材料具有極好的E/比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬件連接困難等問(wèn)題。這種材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼。所以,在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多。疊層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等使其具有最大阻尼值。,.,(6)粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理，如下圖所示。吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為土0.30mm，處理后為士0.16mm，殘余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。,.,.,工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)多剛體耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的，在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用平衡系統(tǒng)的理由是：(1)安全。根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩包括重力矩項(xiàng)，即各連桿質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩。因?yàn)橹亓κ怯篮愕?，即使機(jī)器人停止了運(yùn)動(dòng)，重力矩項(xiàng)仍然存在。這樣，當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)切斷電源后，機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)因重力而失去穩(wěn)定。平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動(dòng)力源中斷而失穩(wěn)，引起向地面“倒”的趨勢(shì)。,平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì),.,(2)借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。(3)借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。(4)借助平衡系統(tǒng)能減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非線性項(xiàng)，改進(jìn)機(jī)器人動(dòng)力特性。(5)借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。(6)借助平衡系統(tǒng)能使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，降低地面安裝要求。,.,平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要途徑盡管為了防止因動(dòng)力源中斷機(jī)器人有向地面“倒塌”的趨勢(shì)，可采用不可逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或制動(dòng)閥。但是，在工業(yè)機(jī)器人日趨高速化之時(shí)，工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)是非常重要的，其設(shè)計(jì)途徑有三條：(1)質(zhì)量平衡技術(shù)；(2)彈簧力平衡技術(shù)；(3)可控力平衡技術(shù)。,.,25,任務(wù)2：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng),機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置的類型和特點(diǎn)新型驅(qū)動(dòng)方式,.,26,機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),.,1、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式,齒條固定不動(dòng)，當(dāng)齒輪傳動(dòng)時(shí),齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動(dòng)拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械?。該裝置的回差較大。,（1）直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（a）齒輪齒條裝置,齒輪齒條裝置,.,普通絲杠驅(qū)動(dòng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺母沿絲杠軸向移動(dòng)。摩擦力較大,效率低,慣性大,精度低,回差大,容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象,而且因此在機(jī)器人上很少采用。,機(jī)械學(xué)中的爬行現(xiàn)象,在滑動(dòng)摩擦副中從動(dòng)件在勻速驅(qū)動(dòng)和一定摩擦條件下產(chǎn)生的周期性時(shí)停時(shí)走或時(shí)慢時(shí)快的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。,絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)1電動(dòng)機(jī)；2蝸桿；3臂架；4絲杠；5蝸輪；6箱體；7花鍵套,（b）普通絲杠,.,（c）滾珠絲杠滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動(dòng)過(guò)程中所受的摩擦力是滾動(dòng)摩擦,可極大地減小摩擦力,因此傳動(dòng)效率高,消除了低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象。,滾球絲杠副,.,30,（d）液壓傳動(dòng)（直接平移）,.,31,（e）氣壓傳動(dòng)（直接平移）,.,（2）旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),（a）齒輪鏈齒輪鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)或兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它不但可以傳遞運(yùn)動(dòng)角位移和角速度,而且可以傳遞力和力矩?，F(xiàn)以具有兩個(gè)齒輪的齒輪鏈為例,說(shuō)明其傳動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中一個(gè)齒輪裝在輸入軸上,另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上,如圖所示。,齒輪鏈機(jī)構(gòu),.,使用齒輪鏈機(jī)構(gòu)應(yīng)注意的問(wèn)題齒輪鏈的引入會(huì)改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間減小,這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上,等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。由于齒輪間隙誤差,將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人手臂的定位誤差增加;而且,假如不采取一些補(bǔ)救措施,齒隙誤差還會(huì)引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。,.,(a)圓柱齒輪;(b)斜齒輪;(c)錐齒輪;(d)蝸輪蝸桿;(e)行星輪系,常用的齒輪鏈,.,35,(b)同步皮帶,.,同步皮帶的特點(diǎn)同步帶相當(dāng)于柔軟的齒輪,具有柔性好,價(jià)格便宜、加工也容易。同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況。只要同步皮帶足夠長(zhǎng),使皮帶的扭角誤差不太大,則同步皮帶仍能夠正常工作。在伺服系統(tǒng)中,如果輸出軸的位置采用碼盤測(cè)量,則輸入傳動(dòng)的同步皮帶可以放在伺服環(huán)外面,這對(duì)系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)性不會(huì)有影響,重復(fù)精度可以達(dá)到1mm以內(nèi)。有時(shí),齒輪鏈和同步皮帶結(jié)合起來(lái)使用更為方便。,.,諧波齒輪傳動(dòng),（c）諧波齒輪,.,傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)的，各個(gè)部位都需要能源和動(dòng)力，因此設(shè)計(jì)和選擇良好的傳動(dòng)部件是非常重要的。這涉及到關(guān)節(jié)形式的確定，傳動(dòng)方式以及傳動(dòng)部件的定位和消隙等多個(gè)方面。(1)關(guān)節(jié)(如轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與移動(dòng)關(guān)節(jié))(2)傳動(dòng)件的定位和消隙(3)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如齒輪、繩與鋼帶傳動(dòng)等),.,1.關(guān)節(jié),（1）轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式,（a）轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式,.,40,（b）軸承機(jī)器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對(duì)軸和軸承座的剛度不敏感。,圖4.34基本耐磨球軸承,.,2移動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起直線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成。導(dǎo)軌部分分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和磁性懸浮導(dǎo)軌等形式。一般，要求機(jī)器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上要求剛度高，摩擦系數(shù)小且不隨速度變化，并且有高阻尼、小尺寸和小慣量。通常，由于機(jī)器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用結(jié)構(gòu)緊湊且價(jià)格低廉的滾動(dòng)導(dǎo)軌。,.,42,滾動(dòng)導(dǎo)軌可以按直線導(dǎo)軌的種類、軌道形狀和滾動(dòng)體分為:(1)按滾動(dòng)體分類球、圓柱滾子和滾針。(2)按軌道分類圓軸式、平面式和滾道式。(3)按滾動(dòng)體是否循環(huán)分類循環(huán)式、非循環(huán)式。,直線導(dǎo)軌,滾珠絲杠,.,2.機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu),（1）齒輪傳動(dòng),行星齒輪傳動(dòng),諧波齒輪傳動(dòng),采用液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧波傳動(dòng)1凸輪2柔輪3小孔,.,（2）絲杠傳動(dòng),滾動(dòng)絲杠的基本組成1絲杠；2螺母；3滾珠；4導(dǎo)向槽,絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)1電動(dòng)機(jī)；2蝸桿；3臂架；4絲杠；5蝸輪；6箱體；7花鍵套,.,（4）帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng),齒形帶形狀,鋼帶傳動(dòng),（5）繩傳動(dòng)與鋼帶傳動(dòng),.,（6）桿、連桿與凸輪傳動(dòng),凸輪機(jī)構(gòu),連桿機(jī)構(gòu),采用鋼帶傳動(dòng)的ADEPT機(jī)器人,.,（7）流體傳動(dòng),油缸和齒輪齒條手臂機(jī)構(gòu),氣缸和齒輪齒條增倍手臂機(jī)構(gòu)1運(yùn)動(dòng)齒條；2齒輪；3活塞桿,.,3.傳動(dòng)件的定位和消隙（1）傳動(dòng)件的定位,利用插銷定位的結(jié)構(gòu)1行程節(jié)流閥2定位圓盤3插銷4定位油缸,.,（2）傳動(dòng)件的消隙,1）消隙齒輪,.,50,2）柔性齒輪消隙,.,3）對(duì)稱傳動(dòng)消隙,雙諧波傳動(dòng)消隙方法,1電動(dòng)機(jī)；2小齒輪；3，3減速傳動(dòng)齒輪；4，4軸；5，5齒輪；6齒輪,1，2齒輪箱；3，4，5齒輪；6電動(dòng)機(jī)；7同步帶；8壓緊輪；9同步帶傳動(dòng),.,4）偏心機(jī)構(gòu)消隙,5）齒廓彈性覆層消隙,偏心消隙機(jī)構(gòu)齒廓彈性覆層消隙,.,1電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無(wú)刷直流電機(jī)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。,驅(qū)動(dòng)裝置的類型和特點(diǎn),直流電機(jī)（有刷）,步進(jìn)電機(jī),盤式無(wú)刷直流電機(jī),交流伺服電機(jī),.,54,2.液壓驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。缺點(diǎn)：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。,液壓馬達(dá),液壓擺動(dòng)馬達(dá),液壓控制閥,液壓泵,.,55,3氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動(dòng)裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。,氣動(dòng)馬達(dá),氣動(dòng)擺動(dòng)馬達(dá),氣缸,氣泵,氣動(dòng)三大件,氣動(dòng)控制閥,.,56,驅(qū)動(dòng)裝置的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般說(shuō)來(lái)，目前負(fù)荷為100kg以下的,可優(yōu)先考慮電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。只須點(diǎn)位控制且負(fù)荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要求者，可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。負(fù)荷很大或機(jī)器人周圍已有液壓源的常溫場(chǎng)合，可采用液壓驅(qū)動(dòng)裝置。對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)，最重要的指標(biāo)要求是起動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。,4驅(qū)動(dòng)裝置的選擇原則,.,新型的驅(qū)動(dòng)方式1.磁致伸縮驅(qū)動(dòng)鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變,其長(zhǎng)度和體積都要發(fā)生微小的變化,這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。,.,58,形狀記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn),原始形狀,拉直,加熱后恢復(fù)變形前形狀,2.形狀記憶合金,.,59,.,60,形狀恢復(fù)完全可逆需具備以下條件：馬氏體相變是熱彈性的；母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e(cuò)；馬氏體相變?cè)诰w學(xué)上是可逆的。,.,61,隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng)。溫度場(chǎng)可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等也可誘導(dǎo)馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。,傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金,磁誘導(dǎo)形狀記憶合金,Magneticfield,.,62,左圖是一個(gè)雙程CuZnAl記憶合金彈簧，它是SMA用作驅(qū)動(dòng)器的典型形式。該彈簧是隨溫度變化自行伸縮的感溫驅(qū)動(dòng)元件。采用CuZnAl記憶合金絲，表面鍍錫，以熱水或熱風(fēng)為熱源，典型伸縮溫度為6585，自由狀態(tài)為45mm，伸長(zhǎng)狀態(tài)為200mm?？梢?jiàn)其形變量較大，可以產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力。,利用記憶合金在加熱時(shí)形狀恢復(fù)的同時(shí)其回復(fù)力可對(duì)外作功的特性，能夠制成各種驅(qū)動(dòng)元件。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，可靠性好。,形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器,.,3.靜電驅(qū)動(dòng)器圖2.77是一個(gè)帶有電阻器移動(dòng)子的三相靜電驅(qū)動(dòng)器的工作原理圖。,圖2.77三相靜電驅(qū)動(dòng)器工作原理,.,這種執(zhí)行器有下列特征:(1)因?yàn)橐苿?dòng)子中沒(méi)有電極,所以不必確定與定子的相對(duì)位置,定子電極的間距可以非常小。(2)因?yàn)轵?qū)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浮力,所以摩擦力小,在停止時(shí)由于存在著吸引力和摩擦力,因此可以獲得比較大的保持力。(3)因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單,所以可以實(shí)現(xiàn)以薄膜為基礎(chǔ)的大面積多層化結(jié)構(gòu)?；谏鲜龈鼽c(diǎn),把這種執(zhí)行器作為實(shí)現(xiàn)人工筋肉的一種方法,受到了人們的關(guān)注。,.,4.超聲波電機(jī)超聲波電機(jī)的工作原理是用超聲波激勵(lì)彈性體定子，使其表面形成橢圓運(yùn)動(dòng)，由于其上與轉(zhuǎn)子(或滑塊)接觸，在摩擦的作用下轉(zhuǎn)子獲得推力輸出。如圖2.78所示，可以認(rèn)為定子按照角頻率0，進(jìn)行超聲波振動(dòng)，在預(yù)壓W作用下，轉(zhuǎn)子被推動(dòng)。超聲波電機(jī)的負(fù)載特性與DC電機(jī)相似，相對(duì)于負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速有垂直下降的趨勢(shì)，將超聲波電機(jī)與DC電機(jī)進(jìn)行比較，它的特點(diǎn)有：可望達(dá)到低速、高效率；同樣的尺寸，能得到大的轉(zhuǎn)矩；能保持大轉(zhuǎn)矩；無(wú)電磁噪聲；易控制；外形的自由度大等。,.,圖2.78超聲波電機(jī)的工作原理圖,.,01,02,03,編織式氣動(dòng)肌肉,網(wǎng)孔式氣動(dòng)肌肉,嵌入式氣動(dòng)肌肉,氣動(dòng)肌肉,按結(jié)構(gòu)形式可將氣動(dòng)肌肉分為三類：,氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器(PneumaticMuscleActuator，PMA)，以下簡(jiǎn)稱氣動(dòng)肌肉，是一種新型的拉伸型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，通常由一段包裹纖維網(wǎng)的橡膠筒和兩端的接頭附件連接組成，能夠像生物肌肉那樣產(chǎn)生很大的收縮力。,.,編織式氣動(dòng)肌肉,編織式氣動(dòng)肌肉主要由氣密彈性管和套在它外面的編織套組成,.,網(wǎng)孔式氣動(dòng)肌肉,網(wǎng)孔式氣動(dòng)肌肉是網(wǎng)狀式氣動(dòng)肌肉，網(wǎng)孔比較大，纖維比較稀疏，網(wǎng)是系結(jié)而成的，這種肌肉只能在較低的壓力下工作。,.,嵌入式氣動(dòng)肌,氣動(dòng)肌肉承受負(fù)載的構(gòu)件(絲、纖維)嵌入到彈性薄膜里。,.,氣動(dòng)肌肉原理,氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)雖然很多，但原理上基本類似。其核心是個(gè)可膨脹的薄壁囊，外部為限制變形的支撐材料，兩端使用連接件固定。對(duì)橡膠筒套充氣時(shí)，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長(zhǎng)度縮短。此時(shí)，如果將氣動(dòng)人工肌肉與負(fù)載相聯(lián)，就會(huì)產(chǎn)生收縮力；反之，當(dāng)放氣時(shí)氣動(dòng)人工肌肉彈性回縮，直徑變細(xì)，長(zhǎng)度增加，收縮力減小。,.,氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)模型,氣動(dòng)肌肉和生物肌肉的工作原理是一樣的，都是通過(guò)收縮產(chǎn)生的力來(lái)帶動(dòng)負(fù)載，一個(gè)氣動(dòng)肌肉收縮，另一個(gè)伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動(dòng)。,.,常用安裝方式,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),.,氣動(dòng)肌肉的特性,低成本、清潔安全、安裝簡(jiǎn)便；高功率/質(zhì)量比和高功率/體積比；具有柔性結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與生物肌肉相似，應(yīng)用前景良好。,行程較小；其充氣變形為強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)精確控制；柔性也使得精度和重復(fù)性受到了限制。,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),.,理療康復(fù),該機(jī)器腳踝特別的地方是它的人工肌肉實(shí)際上是一系列氣動(dòng)管；膝蓋上超靈敏的傳感器告訴它們?nèi)绾涡袆?dòng)時(shí)，它們會(huì)擴(kuò)張和收縮。,.,機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),任務(wù)3機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu),機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,.,77,1、機(jī)身與臂部的配置形式,機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),.,2.機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),（1）回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身,單桿活塞氣缸驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu),雙桿活塞氣缸驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu),.,（2）回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,.,3.機(jī)身驅(qū)動(dòng)力(力矩)計(jì)算,（2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算,（1）垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算,.,（3）升降立柱下降不卡死(不自鎖)的條件計(jì)算,偏重力臂的大小,偏重力矩,根據(jù)升降立柱平衡條件有,升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件,即：,.,4.機(jī)身設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題,.,83,.,1.臂部的典型機(jī)構(gòu),（1）臂部伸縮機(jī)構(gòu),1手部2夾緊缸3油缸4導(dǎo)向柱5運(yùn)行架6行走車輪7軌道8支座,四導(dǎo)向柱式臂伸縮機(jī)構(gòu),臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),.,（2）手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),1手部2夾緊缸3升降缸4小臂5，7擺動(dòng)缸6大臂8立柱,擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)連桿俯仰臂機(jī)構(gòu),.,（3）手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu),手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，適用于升降行程短而回轉(zhuǎn)角度小于360的情況，也有采用升降缸與氣馬達(dá)-錐齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)。,2.機(jī)器人手臂材料的選擇,優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍、聚乙烯（PEH）和碳素纖維等；金屬材料以輕合金（特別是鋁合金）為主。,.,3.臂部設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題,.,機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,1.質(zhì)量平衡方法,.,2.彈簧力平衡方法,.,90,任務(wù)4腕部設(shè)計(jì)腕部自由度腕部典型結(jié)構(gòu)柔性手腕腕部設(shè)計(jì)注意的問(wèn)題,.,（1）手腕關(guān)節(jié)的滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn),1.腕部自由度,.,手腕的坐標(biāo)系和自由度,.,6種3自由度手腕的結(jié)合方式示意圖,.,（2）RRR手腕,3R手腕關(guān)節(jié)遠(yuǎn)程傳動(dòng)示意,3R手腕結(jié)構(gòu)示意,.,2.腕部的典型結(jié)構(gòu)（1）單自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)手腕,1回轉(zhuǎn)缸；2定片；3腕回轉(zhuǎn)軸；4動(dòng)片；5手部,回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動(dòng)的單自由度腕部結(jié)構(gòu),.,（2）二自由度手腕1）雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)的腕部,l手部2中心軸3固定中心軸4定片5擺動(dòng)回轉(zhuǎn)缸6動(dòng)片7回轉(zhuǎn)軸8回轉(zhuǎn)缸,具有回轉(zhuǎn)與擺動(dòng)的二自由度腕部結(jié)構(gòu),.,2）齒輪傳動(dòng)二自由度腕部,齒輪傳動(dòng)回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理,1，2，3，4，5，6錐齒輪7殼體8手腕9手爪,.,（3）三自由度手腕1）液壓直接驅(qū)動(dòng)三自由度手腕,.,2）齒輪鏈輪傳動(dòng)三自由度腕部,1油缸；2鏈輪；3，4錐齒輪；5，6花鍵軸T；7傳動(dòng)軸S；8腕架;9行星架；10，11，22，24圓柱齒輪；12，13，14，15，16，17，18，20錐齒輪；19擺動(dòng)軸；21，23雙聯(lián)圓柱齒輪；25傳動(dòng)軸B,.,4柔順手腕結(jié)構(gòu)柔順性裝配技術(shù)。主動(dòng)柔順裝配是從檢測(cè)、控制的角度出發(fā),采取各種不同的搜索方法,實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配;有的手爪還配有檢測(cè)元件,如視覺(jué)傳感器力傳感器等。,.,移動(dòng)擺動(dòng)柔順手腕,被動(dòng)柔順裝配。從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),在手腕部配置一個(gè)柔順環(huán)節(jié),以滿足柔順裝配的需要。,.,圖2.43柔順手腕動(dòng)作過(guò)程,.,圖2.44柔順手腕,.,圖2.45板彈簧柔順手腕,.,圖2.46鋼絲彈簧柔順手腕,.,5.設(shè)計(jì)腕部時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題,.,107,任務(wù)5手部設(shè)計(jì)機(jī)器人手部的特點(diǎn)手部的分類手爪的設(shè)計(jì)和選用要求典型的手抓結(jié)構(gòu),.,1.機(jī)器人手部的特點(diǎn),.,2.手部的分類（1）按用途,平面鉗爪夾持圓柱零件,專用工具:噴槍，焊具,.,（2）按夾持原理,.,（3）按手指或吸盤數(shù)目,三指手爪,柔性手指手爪,.,（4）按智能化,3.手爪設(shè)計(jì)和選用的要求,.,夾鉗式取料手夾鉗式手部與人手相似,是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。它一般由手指(手爪)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接與支承元件組成,能通過(guò)手爪的開(kāi)閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。,.,1.手指手指是直接與工件接觸的部件。手部松開(kāi)和夾緊工件,就是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人的手部一般有兩個(gè)手指,也有三個(gè)或多個(gè)手指,其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。指端的形狀通常有兩類:V型指和平面指。如圖2.3所示的三種V型指的形狀,用于夾持圓柱形工件。,(a)固定V型；(b)滾柱V型；(c)自定位式V型,.,圖2.4夾鉗式手的指端(a)平面指（b）尖指（c）特型指,如圖2.4所示的平面指為夾鉗式手的指端,一般用于夾持方形工件(具有兩個(gè)平行平面),板形或細(xì)小棒料。另外，尖指和薄、長(zhǎng)指一般用于夾持小型或柔性工件。其中,薄指一般用于夾持位于狹窄工作場(chǎng)地的細(xì)小工件,以避免和周圍障礙物相碰;長(zhǎng)指一般用于夾持熾熱的工件,以免熱輻射對(duì)手部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響。,.,指面的形狀常有光滑指面、齒形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑,用來(lái)夾持已加工表面,避免已加工表面受損。齒形指面的指面刻有齒紋,可增加夾持工件的磨擦力,以確保夾緊牢靠,多用來(lái)夾持表面粗糙的毛坯或半成品。柔性指面內(nèi)鑲橡膠、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保護(hù)工件表面、隔熱等作用,一般用于夾持已加工表面、熾熱件,也適于夾持薄壁件和脆性工件。,.,2.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動(dòng)還是平動(dòng),又可分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型。(1)回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部,其手指就是一對(duì)杠桿,一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu),用以改變傳動(dòng)比和運(yùn)動(dòng)方向等。,.,圖2.5斜楔杠桿式手部,.,圖2.5(a)所示為單作用斜楔式回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。斜楔向下運(yùn)動(dòng),克服彈簧拉力,使杠桿手指裝著滾子的一端向外撐開(kāi),從而夾緊工件;斜楔向上移動(dòng),則在彈簧拉力作下使手指松開(kāi)。手指與斜楔通過(guò)滾子接觸可以減少摩擦力,提高機(jī)械效率,有時(shí)為了簡(jiǎn)化,也可讓手指與斜楔直接接觸。也有如圖2.5(b)所示的結(jié)構(gòu)。,.,圖2.6滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部,.,圖2.6所示為滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部簡(jiǎn)圖,杠桿形手指4的一端裝有V形指5,另一端則開(kāi)有長(zhǎng)滑槽。驅(qū)動(dòng)桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi),當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),即可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn)(鉸銷3)作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。,.,圖2.7雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部,.,圖2.7所示為雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部簡(jiǎn)圖。驅(qū)動(dòng)桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接,當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿2作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),則通過(guò)連桿推動(dòng)兩桿手指各繞其支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而使手指松開(kāi)或閉合。,.,圖2.8齒條齒輪杠桿式手部,.,圖2.8所示為齒輪齒條直接傳動(dòng)的齒輪杠桿式手部的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)桿2末端制成雙面齒條,與扇齒輪4相嚙合,而扇齒輪4與手指5固連在一起,可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)齒條作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),即可帶動(dòng)扇齒輪回轉(zhuǎn),從而使手指松開(kāi)或閉合。,.,(2)平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。平移型夾鉗式手部是通過(guò)手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)張開(kāi)或閉合動(dòng)作的,常用于夾持具有平行平面的工件(如冰箱等)。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。直線往復(fù)型復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu):實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)很多,常用的斜楔傳動(dòng)、齒條傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu)。它們既可是雙指型的,也可是三指(或多指)型的;既可自動(dòng)定心,也可非自動(dòng)定心。,.,圖2.9直線平移型手部(a)為斜楔平移機(jī)構(gòu),(b)為連桿杠桿平移結(jié)構(gòu),(c)為螺旋斜楔平移結(jié)構(gòu),.,平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)：圖2.10所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部的簡(jiǎn)圖。它們的共同點(diǎn)是:都采用平行四邊形的鉸鏈機(jī)構(gòu)雙曲柄鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)手指平移。其差別在于分別采用齒條齒輪、蝸桿蝸輪、連桿斜滑槽的傳動(dòng)方法。,.,圖2.10四連桿機(jī)構(gòu)平移型手部結(jié)構(gòu),.,2007年機(jī)器人大賽,.,.,.,.,2.1.2吸附式取料手1.氣吸附式取料手氣吸附式取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法,可分為真空吸附、氣流負(fù)壓氣吸、擠壓排氣負(fù)壓氣吸式等幾種。氣吸式取料手與夾鉗式取料手相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕,吸附力分布均勻等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于薄片狀物體的搬運(yùn)更有其優(yōu)越性(如板材、紙張、玻璃等物體),廣泛應(yīng)用于非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物體表面較平整光滑,無(wú)孔無(wú)凹槽。,.,1)真空吸附取料手圖2.11所示為真空吸附取料手的結(jié)構(gòu)原理。其真空的產(chǎn)生是利用真空泵,真空度較高。主要零件為碟形橡膠吸盤1,通過(guò)固定環(huán)2安裝在支承桿4上,支承桿由螺母5固定在基板6上。取料時(shí),碟形橡膠吸盤與物體表面接觸,橡膠吸盤在邊緣既起到密封作用,又起到緩沖作用,然后真空抽氣,吸盤內(nèi)腔形成真空,吸取物料。放料時(shí),管路接通大氣,失去真空,物體放下。為避免在取、放料時(shí)產(chǎn)生撞擊,有的還在支承桿上配有彈簧緩沖。為了更好地適應(yīng)物體吸附面的傾斜狀況,有的在橡膠吸盤背面設(shè)計(jì)有球鉸鏈。真空吸附取料手有時(shí)還用于微小無(wú)法抓取的零件,如圖2.12所示。,.,圖2.11真空吸附取料手,.,圖2.12微小零件取料手(a)墊圈取料手；(b)鋼球取料手,.,圖2.13各種真空吸附取料手,圖2.13所示為各種真空吸附取料手。,.,2)氣流負(fù)壓吸附取料手氣流負(fù)壓吸附取料手如圖2.14所示。氣流負(fù)壓吸附取料手是利用流體力學(xué)的原理,當(dāng)需要取物時(shí),壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴5時(shí),其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓,于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓,完成取物動(dòng)作;當(dāng)需要釋放時(shí),切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣,工廠里較易取得,故成本較低。,.,圖2.14氣流負(fù)壓吸附取料手,.,3)擠壓排氣式取料手?jǐn)D壓排氣式取料手如圖2.15所示。其工作原理為:取料時(shí)吸盤壓緊物體,橡膠吸盤變形,擠出腔內(nèi)多余的空氣,取料手上升,靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負(fù)壓,將物體吸住;釋放時(shí),壓下拉桿3,使吸盤腔與大氣相連通而失去負(fù)壓。該取料手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但吸附力小,吸附狀態(tài)不易長(zhǎng)期保持。,.,圖2.15擠壓排氣式取料手,.,2.磁吸附式取料手磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料,因此只能對(duì)鐵磁物體起作用;另外,對(duì)某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以,磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。電磁鐵工作原理如圖2.16(a)所示。當(dāng)線圈1通電后,在鐵心2內(nèi)外產(chǎn)生磁場(chǎng),磁力線穿過(guò)鐵心,空氣隙和銜鐵3被磁化并形成回路,銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住。實(shí)際使用時(shí),往往采用如圖2.16(b)所示的盤式電磁鐵,銜鐵是固定的,銜鐵內(nèi)用隔磁材料將磁力線切斷,當(dāng)銜鐵接觸磁鐵物體零件時(shí),零件被磁化形成磁力線回路,并受到電磁吸力而被吸住。,.,圖2.16電磁鐵工作原理,.,圖2.17所示為盤狀磁吸附取料手的結(jié)構(gòu)圖。鐵心1和磁盤3之間用黃銅焊料焊接并構(gòu)成隔磁環(huán)2,既焊為一體又將鐵心和磁盤分隔,這樣使鐵心1成為內(nèi)磁極,磁盤3成為外磁極。其磁路由殼體6的外圈,經(jīng)磁盤3、工件和鐵心,再到殼體內(nèi)圈形成閉合回路,以此吸附工件。鐵心、磁盤和殼體均采用810號(hào)低碳鋼制成,可減少剩磁,并在斷電時(shí)不吸或少吸鐵屑。蓋5為用黃銅或鋁板制成的隔磁材料,用以壓住線圈11,防止工作過(guò)程中線圈的活動(dòng)。擋圈7、8用以調(diào)整鐵心和殼體的軸向間隙,即磁路氣隙,在保證鐵心正常轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下,氣隙越小越好,氣隙越大，則電磁吸力會(huì)顯著地減小,因此,一般取0.10.3mm。在機(jī)器人手臂的孔內(nèi)可做軸向微量地移動(dòng),但不能轉(zhuǎn)動(dòng)。鐵心1和磁盤3一起裝在軸承上,用以實(shí)現(xiàn)在不停車的情況下自動(dòng)上下料。,.,圖2.17盤狀磁吸附取料手結(jié)構(gòu),.,圖2.18幾種電磁式吸盤吸料示意圖(a)吸附滾動(dòng)軸承底座的電磁式吸盤；(b)吸取鋼板的電磁式吸盤；(c)吸取齒輪用的電磁式吸盤；(d)吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤,.,2.1.3專用操作器及轉(zhuǎn)換器1.專用末端操作器機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動(dòng)作,再配上各種專用的末端操作器后,就能完成各種動(dòng)作。如在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺(tái)焊接機(jī)器人,安裝擰螺母機(jī)則成為一臺(tái)裝配機(jī)器人。目前有許多由專用電動(dòng)、氣動(dòng)工具改型而成的操作器,如圖2.19所示,有擰螺母機(jī)、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機(jī)等。所形成的一整套系列供用戶選用,使機(jī)器人能勝任各種工作。,.,圖2.19還有一個(gè)裝有電磁吸盤式換接器的機(jī)器人手腕,電磁吸盤直徑60mm,質(zhì)量為1kg,吸力1100N,換接器可接通電源、信號(hào)、壓力氣源和真空源,電插頭有18芯,氣路接頭有5路。為了保證聯(lián)接位置精度,設(shè)置了兩個(gè)定位銷。在各末端操作器的端面裝有換接器座,平時(shí)陳列于工具架上,需要使用時(shí)機(jī)器人手腕上的換接器吸盤可從正面吸牢換接器座,接通電源和氣源,然后從側(cè)面將末端操作器退出工具架,機(jī)器人便可進(jìn)行作業(yè)。,.,圖2.19各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器,.,2.換接器或自動(dòng)手爪更換裝置使用一臺(tái)通用機(jī)器人,要在作業(yè)時(shí)能自動(dòng)更換不同的末端操作器,就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成:換接器插座和換接器插頭,分別裝在機(jī)器腕部和末端操作器上,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端操作器的快速自動(dòng)更換。專用末端操作器換接器的要求主要有:同時(shí)具備氣源、電源及信號(hào)的快速聯(lián)接與切換;能承受末端操作器的工作載荷;在失電、失氣情況下,機(jī)器人停止工作時(shí)不會(huì)自行脫離;具有一定的換接精度等。,.,圖2.20所示為氣動(dòng)換接器和專用末端操作器庫(kù)。該換接器也分成兩部分:一部分裝在手腕上,稱為換接器;另一部分裝在末端操作器上,稱為配合器。利用氣動(dòng)鎖緊器將兩部分進(jìn)行聯(lián)接,并具有就位指示燈以表示電路、氣路是否接通。具體實(shí)施時(shí),各種末端操作器放在工具架上,組成一個(gè)專用末端操作器庫(kù),如圖2.21所示。,.,圖2.20氣動(dòng)換接器與專用末端操作器庫(kù),.,圖2.21專用末端操作器庫(kù),.,3.多工位換接裝置某些機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)相對(duì)較為集中,需要換接一定量的末端操作器,又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫(kù)。這時(shí)，可以在機(jī)器人手腕上設(shè)置一個(gè)多工位換接裝置。例如,在機(jī)器人柔性裝配線某個(gè)工位上,機(jī)器人要依次裝配如墊圈、螺釘?shù)葞追N零件,裝配采用多工位換接裝置,可以從幾個(gè)供料處依次抓取幾種零件,然后逐個(gè)進(jìn)行裝配,既可以節(jié)省幾臺(tái)專用機(jī)器人,也可以避免通用機(jī)器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時(shí)間。,.,多工位換接裝置如圖2.22所示,就像數(shù)控加工中心的刀庫(kù)一樣,可以有棱錐型和棱柱型兩種形式。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和手腕軸線一致,受力較合理,但其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜;棱柱型換接器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,但其手爪軸線和手腕軸線不能保持一致,受力不良。,.,圖2.22多工位末端操作器換接裝置(a)棱錐型；(b)棱柱型,.,.,.,2.1.4仿生多指靈巧手1.柔性手為了能對(duì)不同外形的物體實(shí)施抓取,并使物體表面受力比較均勻,因此研制出了柔性手。如圖2.23所示為多關(guān)節(jié)柔性手腕,每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。手指?jìng)鲃?dòng)部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成,每個(gè)手指由兩根鋼絲繩牽引,一側(cè)為握緊,另一側(cè)為放松。驅(qū)動(dòng)源可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓、氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)。柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物體受力較為均勻。圖2.24所示為用柔性材料做成的柔性手。一端固定,一端為自由端的雙管合一的柔性管狀手爪,當(dāng)一側(cè)管內(nèi)充氣體或液體、另一側(cè)管內(nèi)抽氣或抽液時(shí)形成壓力差,柔性手爪就向抽空側(cè)彎曲。此種柔性手適用于抓取輕型、圓形物體,如玻璃器皿等。,.,圖2.23多關(guān)節(jié)柔性手腕,.,圖2.24柔性手,.,2.多指靈巧手機(jī)器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。如圖2.25所示,多指靈巧手有多個(gè)手指,每個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),每一個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的。因此,幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜動(dòng)作它都能模仿,諸如擰螺釘、彈鋼琴、作禮儀手勢(shì)等動(dòng)作。在手部配置觸覺(jué)、力覺(jué)、視覺(jué)、溫度傳感器,將會(huì)使多指靈巧手達(dá)到更完美的程度。多指靈巧手的應(yīng)用前景十分廣泛,可在各種極限環(huán)境下完成人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的操作,如核工業(yè)領(lǐng)域、宇宙空間作業(yè),在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。,.,圖2.25多指靈巧手,.,靈巧手的設(shè)計(jì),.,.,.,.,.,.,.,靈巧手一般選取3-5個(gè)手指,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,2.1.5其它手1.彈性力手爪彈性力手爪的特點(diǎn)是其夾持物體的抓力是由彈性元件提供的,不需要專門的驅(qū)動(dòng)裝置,在抓取物體時(shí)需要一定的壓入力,而在卸料時(shí),則需要一定的拉力。圖2.26所示為幾種彈性力手爪的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2.26(a)所示的手爪有一個(gè)固定爪,另一個(gè)活動(dòng)爪6靠壓簧4提供抓力,活動(dòng)爪繞軸5回轉(zhuǎn),空手時(shí)其回轉(zhuǎn)角度由平面2、3限制。抓物時(shí),爪6在推力作用下張開(kāi),靠爪上的凹槽和彈性力抓取物體;卸料時(shí),需固定物體的側(cè)面,手爪用力拔出即可。,.,圖2.26彈性力手爪,.,2.擺動(dòng)式手爪擺動(dòng)式手爪的特點(diǎn)是在手爪的開(kāi)合過(guò)程中,其爪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是繞固定軸擺動(dòng)的,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用較廣,適合于圓柱表面物體的抓取。圖2.27所示為一種擺動(dòng)式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖。這是一種連桿擺動(dòng)式手爪,活塞桿移動(dòng),并通過(guò)連桿帶動(dòng)手爪回繞同一軸擺動(dòng),完成開(kāi)合動(dòng)作。,.,圖2.27擺動(dòng)式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖,.,圖2.28所示為自重式手部結(jié)構(gòu),要求工件對(duì)手指的作用力的方向應(yīng)在手指回轉(zhuǎn)軸垂直線的外側(cè),使手指趨向閉合。用這種手部結(jié)構(gòu)來(lái)夾緊工件是依靠工件本身的重量來(lái)實(shí)現(xiàn)的,工件越重,握力越大。手指的開(kāi)合動(dòng)作由鉸接活塞油缸實(shí)現(xiàn)。該手部結(jié)構(gòu)適用于傳輸垂直上升或水平移動(dòng)的重型工件。,.,圖2.28自重式手部結(jié)構(gòu),.,圖2.29所示為彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu)。手指1的夾放動(dòng)作是