機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

1、第三章 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)本章主要內(nèi)容：1.機(jī)器人末端執(zhí)行器2.機(jī)器人手腕3.機(jī)器人手臂4.機(jī)器人基座5.機(jī)器人傳動(dòng)重點(diǎn)和難點(diǎn)：機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成和分類(lèi)。課后作業(yè)：查閱工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)零部件，論述其特點(diǎn)，圖文并茂以小論文形式上交。機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)能，完成規(guī)定的各種操作，包含手臂、手腕、手爪和行走機(jī)構(gòu)等部分。機(jī)器人的“身軀”一般是粗大的基座，或稱(chēng)機(jī)架。機(jī)器人的“手”則是多節(jié)杠桿機(jī)械機(jī)械手，用于搬運(yùn)物品、裝卸材料、組裝零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如讓機(jī)械手握住焊槍?zhuān)蛇M(jìn)行焊接；握住噴槍?zhuān)蛇M(jìn)行噴漆。使用機(jī)械手處理高溫、有毒產(chǎn)品的時(shí)候，它比人手更能適應(yīng)工作

2、。b5E2RGbCAP1.機(jī)器人末端執(zhí)行器用在工業(yè)上的機(jī)器人的手一般稱(chēng)之為末端操作器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊專(zhuān)用工具進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。機(jī)械手能根據(jù)電腦發(fā)出的命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，不僅是一個(gè)執(zhí)行命令的機(jī)構(gòu)，它還應(yīng)該具有識(shí)別的功能，也就是“感覺(jué)”。p1EanqFDPw末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類(lèi)： (1)夾鉗式取料手； (2)吸附式取料手； (3)專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器； (4)仿生多指靈巧手。（1）夾鉗式取料手夾鉗式取料手由手指(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，如圖所示。它通過(guò)手指的開(kāi)、合實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。DXDiT

3、a9E3d1）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)、四個(gè)或五個(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。RTCrpUDGiT2）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)型又分為單支點(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。斜楔杠桿式手部。5PCzVD7HxA（2）吸附式取料手吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手適應(yīng)于大平面、易碎(玻璃、磁盤(pán))、微

4、小的物體，因此使用面較廣。jLBHrnAILg1）氣吸附式取料手氣吸附式取料手與夾鉗式取料手指相比，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)更具有其優(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。xHAQX74J0X2）擠壓排氣吸附式取料手?jǐn)D壓排氣吸附式取料手如圖所示。其工作原理為：取料時(shí)吸盤(pán)壓緊物體，橡膠吸盤(pán)變形，擠出腔內(nèi)多余的空氣，取料手上升，靠橡膠吸盤(pán)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(pán)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。LDAY

5、tRyKfE3）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，但是對(duì)某些不允許有剩磁的零件禁止使用，所以磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。Zzz6ZB2Ltk（3）專(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器1）專(zhuān)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(zhuān)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。dvzfvkwMI12）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

6、：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。rqyn14ZNXI（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。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，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)

7、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。EmxvxOtOco2.機(jī)器人手腕（1）概述機(jī)器人手腕是在機(jī)器人手臂和手爪之間用于支撐和調(diào)整手爪的部件。機(jī)器人手腕主要用來(lái)確定被抓物體的姿態(tài)，一般采用三自由度多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和擺動(dòng)關(guān)節(jié)組成。SixE2yXPq5機(jī)器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。工業(yè)機(jī)器人一般具有六個(gè)自由度才能使手部(末端操作器)達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)，手腕上的自由度主要是實(shí)現(xiàn)所期望的姿態(tài)。6ewMyirQFL（2）手腕的分類(lèi)1）按自由度分手腕按自由度數(shù)目來(lái)分，可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。單自由度手腕，如圖所

8、示，圖( a )是一種翻轉(zhuǎn)( Roll )關(guān)節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸線形式，這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大，可達(dá)到360°以上。圖(b)、(c)是一種折曲( Bend )關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線與前后兩個(gè)連接件的軸線相垂直。這種B 關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)上的干涉，旋轉(zhuǎn)角度小，大大限制了方向角。kavU42VRUs二自由度手腕。二自由度手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成BR手腕( a )；也可以由兩個(gè)B 關(guān)節(jié)組成BB 手腕( b )。但是，不能由兩個(gè)R 關(guān)節(jié)組成RR手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)共軸線，所以退化了一個(gè)自由度，實(shí)際只構(gòu)成了單自由度手腕( c)。y6v3ALoS89三自由度手腕2）按驅(qū)動(dòng)方式

9、分油（氣）缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，直接用回轉(zhuǎn)油（氣）缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈巧等優(yōu)點(diǎn)。圖3.26所示的腕部結(jié)構(gòu)，采用回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。M2ub6vSTnP機(jī)械傳動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，如圖所示為具有三個(gè)自由度的機(jī)械傳動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)圖，是一個(gè)具有三根輸入軸的差動(dòng)輪系。腕部旋轉(zhuǎn)使得附加的腕部機(jī)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕。從運(yùn)動(dòng)分析的角度看，這是一種比較理想的三自由度腕，這種腕部可使手的運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)性廣。目前，它已成功地用于點(diǎn)焊、噴漆等通用機(jī)器人上。0YujCfmUCw3.機(jī)器人手臂手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受末端執(zhí)行器、手腕和手

10、臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影響機(jī)器人的工作性能，所以臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來(lái)確定。eUts8ZQVRd手臂特性如下： (1)剛度要求高，為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。sQsAEJkW5T (2)導(dǎo)向性要好，為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。GMsIasNXkA(3)重

11、量要輕，為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減小整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。TIrRGchYzg (4)運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高，由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計(jì)上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。7EqZcWLZNX（1）手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。lzq7IGf02E直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)可采用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞油（氣）缸。

12、由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)如圖3. 29所示。手臂和手腕是通過(guò)連接板安裝在升降油缸的上端。當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）做往復(fù)直線移動(dòng)；導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防手臂伸縮式的轉(zhuǎn)動(dòng)（并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在2根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、外形整齊美觀、結(jié)構(gòu)緊湊。zvpgeqJ1hk（2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、

13、連桿機(jī)構(gòu)。下面以齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)為例說(shuō)明手臂的回轉(zhuǎn)。NrpoJac3v1（3）手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用活塞油缸與連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷(xiāo)軸等方式與立柱聯(lián)接。1nowfTG4KI（4）手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂的復(fù)合運(yùn)動(dòng)多數(shù)用于動(dòng)作程序固定不變的專(zhuān)用機(jī)器人，它不僅使機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并使機(jī)器人傳動(dòng)準(zhǔn)確、工作可靠，因而在生產(chǎn)中應(yīng)用的比較多。除手臂實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)外，手腕和手臂的運(yùn)動(dòng)亦能組成復(fù)合運(yùn)動(dòng)。fjnFLDa5Zo手臂(或手腕)和手臂的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可以

14、由動(dòng)力部件(如活塞缸、回轉(zhuǎn)缸、齒條活塞缸等)與常用機(jī)構(gòu)(如凹槽機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等)按照手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡(即路線)或手臂和手腕的動(dòng)作要求進(jìn)行組合。tfnNhnE6e5（5）新型的蛇形機(jī)械手臂目前普通工業(yè)機(jī)器人都能夠達(dá)到0.1mm的重復(fù)精度，無(wú)論是直線運(yùn)動(dòng)，還是繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至是要進(jìn)行復(fù)雜的曲面移動(dòng)，現(xiàn)在一般的工業(yè)機(jī)器人都能夠很好的完成。一方面得益于機(jī)械加工精度的日益提高，另一方面依靠了現(xiàn)代化的控制技術(shù)保證了機(jī)器人定位的精確。HbmVN777sL蛇型手臂一般具有高度柔性，可深入裝配結(jié)構(gòu)當(dāng)中進(jìn)行均勻涂層，從而增加生產(chǎn)率，適用于在飛機(jī)翼盒的組裝探視工作及引擎組裝中進(jìn)行深度檢測(cè)等。V7l4jRB8H

15、s4.機(jī)器人基座機(jī)器人機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用，可分為固定式和移動(dòng)式兩種。一般工業(yè)機(jī)器人中的立柱式、機(jī)座式和屈伸式機(jī)器人大多是固定式的；但隨著海洋科學(xué)、原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)具有智能的、可移動(dòng)機(jī)器人是今后機(jī)器人的發(fā)展方向。83lcPA59W9（1）固定式機(jī)器人固定式機(jī)器人的機(jī)座既可直接聯(lián)接在地面基礎(chǔ)上，也可固定在機(jī)身上。美國(guó)PUMA-262型的垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人如圖3.36所示，其基座主要包括立柱回轉(zhuǎn)(第一關(guān)節(jié))的二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)，減速箱體即為基座。mZkklkzaaP（2）行走式機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)是行走式機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它由行走的驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件

16、、傳感器電纜及管路等組成。它一方面支承機(jī)器人的機(jī)身臂和手部，因而必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性；另一方面還根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，帶動(dòng)AVktR43bpw1）固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)固定軌跡式行走機(jī)器人的機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這是工廠中常見(jiàn)的一種配置形式。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。ORjBnOwcEd2）無(wú)固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)車(chē)輪式行走機(jī)構(gòu)在相對(duì)平坦的地面上，用車(chē)輪移動(dòng)方式行走是相當(dāng)優(yōu)越的。車(chē)輪式移動(dòng)機(jī)器人如圖所示。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。輪式行走機(jī)構(gòu)在野外或海底工作，遇到松軟地面時(shí)可能陷車(chē)，故宜采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。它是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車(chē)輪連續(xù)鋪路的作用。2MiJTy0dTT步行

17、式行走機(jī)構(gòu)與運(yùn)行車(chē)式機(jī)構(gòu)相比，步行式行走機(jī)構(gòu)，有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，可以在高低不平的地段上行走。第二，由于腳的主動(dòng)性，身體不隨地面晃動(dòng)。第三，在柔軟的地面上運(yùn)動(dòng)，效率并不顯著降低。5.機(jī)器人的傳動(dòng)（1）移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。它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。gIiSpiue7A（2）傳動(dòng)件的定位及消隙1）傳動(dòng)件的定位工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ环椒?。目前常用的定位方法有電氣開(kāi)關(guān)定位、機(jī)械擋塊定位和伺服定位。uEh0U1Yfmh2）傳動(dòng)件的消隙一般傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在有間隙

18、，也叫側(cè)隙。就齒輪傳動(dòng)而言，齒輪傳動(dòng)的側(cè)隙是指一對(duì)齒輪中一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠作出的最大的角位移。傳動(dòng)的間隙，影響了機(jī)器人的重復(fù)定位精度和平穩(wěn)性。對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)間隙導(dǎo)致顯著的非線性變化、振動(dòng)和不穩(wěn)定。但是，傳動(dòng)間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的主要原因有:由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙;為適應(yīng)熱膨脹而特意留出的間隙。消除傳動(dòng)間隙的主要途徑有:提高制造和裝配精度;設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu);設(shè)置彈性補(bǔ)償零件。下面介紹適合工業(yè)機(jī)器人采用的幾種常用的傳動(dòng)消隙方法。IAg9qLsgBX消除間隙齒輪柔性消除間隙齒輪對(duì)稱(chēng)傳動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)消除間隙齒廓彈性覆層消隙此種消隙是指齒廓表面覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧希鄧Ш系囊粚?duì)齒輪加以預(yù)載，可以完全消除嚙合側(cè)隙。齒輪幾何學(xué)上的齒面相對(duì)滑動(dòng)在橡膠層內(nèi)部發(fā)生剪切彈性流動(dòng)時(shí)被吸收，因此，像鋁合金，甚至石墨纖維增強(qiáng)塑料這種非常輕而不具備良好接觸和滑動(dòng)品質(zhì)的材料可用