機器人本體結(jié)構(gòu)

1、機器人主要由驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四個系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)又叫操作機，是工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)。可分成基座、腰部、臂部、腕部和手部。6.1 6.1 概概 述述一、機器人結(jié)構(gòu)特點1.工業(yè)機器人操作機可以簡化成各連桿首尾相接、末端開放的一個開式運動鏈，操作機的結(jié)構(gòu)剛度差，并隨空間位姿的變化而變化。2. 操作機的每個連桿都具有獨立的驅(qū)動器，連桿的運動各自獨立，運動更為靈活。 一般的連桿機構(gòu)，有1-2個原動件，各連桿間的運動是互相約束的。3. 連桿驅(qū)動扭矩變化復(fù)雜，和執(zhí)行件位姿相關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制，因而對機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。4. 操作機的受力狀態(tài)、剛度

2、條件和動態(tài)性能隨位姿變化而變化，極易發(fā)生振動或其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。二、本體基本結(jié)構(gòu)要求 1. 機械系統(tǒng)抓重一自重比盡量大臂桿的質(zhì)量小有利于改善操作機工作的動態(tài)性能，抓重一自重比大意味著工作效率高，造價低。人類手臂的抓重大約為自重的34倍，從統(tǒng)計資料看，操作機的抓重一自重比約為120115，與人類手臂相比，相去甚遠。2. 結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度盡可能好結(jié)構(gòu)靜動態(tài)剛度好有利于提高手臂端點的定位精度和對編程軌跡的跟蹤精度，對離線編程至關(guān)重要。操作機具有較好的剛度，可以增加設(shè)計的靈活性。比如在選擇傳感器安裝位置時，剛度好的結(jié)構(gòu)允許傳感器放在離執(zhí)行件較遠的位置。3. 提高系統(tǒng)的固有頻率，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。機器人

3、以中等速度運動時，工作頻率范圍1Hz一20Hz，機器人的低階固有頻率5Hs一25Hs，有可能會共振。盡可能提高操作機結(jié)構(gòu)的固有頻率，避開機器人工作時的工作頻率。小臂小臂大臂大臂腰部腰部腕部腕部基基 座座手部手部機器人本體結(jié)構(gòu)：機械結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)。包括： 傳動部件 機身及行走機構(gòu) 臂部 腕部 手部 6.2 6.2 機身及臂部結(jié)構(gòu)機身及臂部結(jié)構(gòu)機器人機身又稱為立柱，是支撐臂部的部件，能實現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運動。機器人必須有一個便于安裝的基礎(chǔ)件，這就是機器人的機座，機座往往與機身做成一體。機身設(shè)計要求： (1) 剛度和強度大，穩(wěn)定性好。 (2) 運動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死。 (3)

4、驅(qū)動方式適宜。 (4) 結(jié)構(gòu)布置合理。一、機身的典型結(jié)構(gòu)一、機身的典型結(jié)構(gòu)機身結(jié)構(gòu)一般由機器人總體設(shè)計確定。1回轉(zhuǎn)與升降機身回轉(zhuǎn)與升降機身(1) 回轉(zhuǎn)運動采用擺動油缸驅(qū)動 升降油缸在下，回轉(zhuǎn)油缸在上，升降活塞桿桿的尺寸要加大。 回轉(zhuǎn)油缸在下，升降油缸在上，回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動力矩要設(shè)計得大一些。PqgF為啟動時的總慣性力(N)；W為運動部件的總重力(N) 。qmgPFFWmF為各支承處的摩擦力(N)；qmgMMMg0MJtmM為總摩擦阻力矩(Nm)；gM為回轉(zhuǎn)運動部件的總慣性力矩 (Nm)iiiG LLG偏重力矩：是指臂部全部零部件與工件的總重量對機身回轉(zhuǎn)軸的靜力矩。當(dāng)手臂懸伸為最大行程時，其偏重力

5、矩為最大。偏重力臂L ：手臂總重量的重心位置距機身立柱軸的距離，根據(jù)靜力平衡計算。偏重力矩為WL偏重力矩對升降運動的靈活性影響如果偏重力矩過大，使支承導(dǎo)套與立柱之間的摩擦力過大，出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。如果依靠自重下降，避免立柱卡死自鎖根據(jù)平衡條件可知：N1F hWLm1m2N122LWFFFfWfh不卡死的條件為2hfL工業(yè)機器人的臂部臂部總重量較大，受力復(fù)雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其高速運動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性力矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。臂部設(shè)計要求：1） 剛度高 手臂截面形狀防止臂部過大的變形。 工字形截面 圓截面大， 空心管 實心軸 鋼管作

6、臂桿及導(dǎo)向桿，工字鋼和槽鋼制作支承板。2）導(dǎo)向性能好 設(shè)置導(dǎo)向裝置，或采用方形、花鍵等形式，防止手臂沿軸線相對轉(zhuǎn)動。3）運動要平穩(wěn)、定位精度高臂部高速運動，慣性力引起的沖擊大，運動不平穩(wěn)，定位精度也不高，采用緩沖措施。4）重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。5）合理設(shè)計與腕和機身的連接部位。臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機器人的強度、剛度和承載能力，還直接影響機器人的外觀。油(氣)缸直接驅(qū)動 行程小時；油(氣)缸驅(qū)動齒條傳動的倍增機構(gòu) 行程較大時 ；絲杠螺母或滾珠絲杠傳動。為了增加手臂的剛性，臂部伸縮機構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方

7、形、花鍵等形式的臂桿。常用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿和雙導(dǎo)向桿等，可根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素選取。圖示為采用四根導(dǎo)向柱的臂部伸縮結(jié)構(gòu)。手臂垂直運動由油缸驅(qū)動，行程長，抓重大。2手臂俯仰運動機構(gòu)通常采用擺臂油(氣)缸驅(qū)動、鉸鏈連桿機構(gòu)傳動實現(xiàn)手臂的俯仰。 1手部； 2夾緊缸； 3升降缸； 4小臂； 5、7擺動油缸； 6大臂； 8立柱3手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨驅(qū)動，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動馬達-錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。平衡系統(tǒng)作用：1）防止機器人在切斷電源后因重力而失去穩(wěn)定；2）降低機器人的構(gòu)形變化；3）降低因機器人運動，導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩

8、峰值的變化；4）減小機械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。常采用平行四邊形機構(gòu)構(gòu)成平衡系統(tǒng)。在系統(tǒng)中增加一個質(zhì)量，形成一個力的平衡，該平衡系統(tǒng)不隨機器人位置的變化而失去平衡。若滿足333m O GSVm2223332m O Gm O GO Vm0M 則總力矩：01sinMFr22sin(90)cossinrrll0()Fk ll01 20()cosk ll rrMl手腕結(jié)構(gòu)是機器人中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因傳動系統(tǒng)互相干擾，增加了手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。腕部設(shè)計要求：(1) 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。(2) 動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高。(3) 強度、剛度高。(4) 合理設(shè)計與臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動裝置的布局

9、和安裝。為了保證具有足夠大的驅(qū)動力，同時也為了減輕手腕的重量，采用遠距離的驅(qū)動方式。單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。腕部的三個自由度： 翻轉(zhuǎn)R（Roll） 俯仰P（Pitch） 偏轉(zhuǎn)Y（Yaw）翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)俯仰俯仰偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn) 滾轉(zhuǎn)：能實現(xiàn)360旋轉(zhuǎn)，常用R標(biāo)記。 彎轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)動角度一般小于360，常用B標(biāo)記。單自由度手腕： 翻轉(zhuǎn)（R關(guān)節(jié)）：手腕的關(guān)節(jié)軸線與Z軸線共線，回轉(zhuǎn)角度不受結(jié)構(gòu)限制，轉(zhuǎn)360。 俯仰（B關(guān)節(jié)）：手腕關(guān)節(jié)軸線與Y軸線共線，轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制，小于360。偏轉(zhuǎn)（B關(guān)節(jié)）：手腕關(guān)節(jié)軸線與X軸線共線；轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制，小于360。T手腕BR手腕BB手腕R

10、R手腕(屬于單自由度)二自由度手腕圖例：三自由度手腕的結(jié)合方式：RRR型手腕結(jié)構(gòu)示意RRR型手腕，制造簡單，機械效率高，應(yīng)用普遍好處：把尺寸、重量都較大的驅(qū)動放在遠離手腕的手臂后端，作平衡重量用，減輕手腕重量，改善了機器人結(jié)構(gòu)的平衡性。二、腕部的典型結(jié)構(gòu)二、腕部的典型結(jié)構(gòu)1.單自由度回轉(zhuǎn)運動手腕回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動的單自由度腕部結(jié)構(gòu)1回轉(zhuǎn)油缸；2定片；3腕回轉(zhuǎn)軸；4動片；5手腕采用輪系實現(xiàn)手腕翻轉(zhuǎn)和俯仰手腕的翻轉(zhuǎn)：S軸傳遞，手腕與錐齒輪4為一體。手腕的俯仰：傳動軸B 錐齒輪5、6 傳動軸A，手腕的殼體與A 連接為一體。誘導(dǎo)運動： S軸不動傳動軸B 運動3 3三自由度手腕三自由度手腕1）液壓直接驅(qū)動

11、三自由度BBR手腕M1、M2、M3是液壓馬達，直接驅(qū)動手腕，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、俯仰和翻轉(zhuǎn)三個自由度。關(guān)鍵是設(shè)計和加工出尺寸小、重量輕、驅(qū)動力矩大，驅(qū)動特性好的液壓驅(qū)動馬達。2) 齒輪-鏈輪傳動三自由度RBR腕部齒輪鏈輪傳動三自由度手腕原理圖齒輪鏈輪傳動三自由度手腕原理圖1油缸；油缸；2鏈輪；鏈輪；3、4錐齒輪；錐齒輪；5、6花鍵軸花鍵軸T；7傳動軸傳動軸S；8腕架；腕架；9行星架；行星架；10、11、22、24圓柱齒輪；圓柱齒輪；12、13、14、15、16、17、18、20錐齒輪；錐齒輪；19擺動軸；擺動軸；21、23雙聯(lián)圓柱齒輪；雙聯(lián)圓柱齒輪；25傳動軸傳動軸B偏轉(zhuǎn)運動偏轉(zhuǎn)運動在上圖示兩自由度手腕

12、增加一個偏轉(zhuǎn)運動。油缸1活塞移動鏈輪2 錐齒輪3、4 花鍵軸5、6轉(zhuǎn)動，花鍵軸6與行星架9連成一體，行星架作偏轉(zhuǎn)運動。回轉(zhuǎn)運動：回轉(zhuǎn)運動： 軸S旋轉(zhuǎn)Z10/Z23、Z23/Z11Z12、Z13Z14、Z15 手腕與錐齒輪Z15為一體手腕實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動俯仰運動：俯仰運動： 軸B旋轉(zhuǎn)Z24/Z21，Z21/Z22Z20、Z16 Z16、Z17Z17、Z18軸19旋轉(zhuǎn) 手腕殼體與軸19固聯(lián)，實現(xiàn)手腕的俯仰運動誘導(dǎo)運動：誘導(dǎo)運動：軸B、軸S不轉(zhuǎn)而T軸回轉(zhuǎn)軸B、軸S不轉(zhuǎn)齒輪Z23、Z21不轉(zhuǎn)1. T軸回轉(zhuǎn)行星架回轉(zhuǎn)齒輪Z22繞齒輪Z21的過程中自轉(zhuǎn) Z20、Z16、Z17、Z18 實現(xiàn)附加俯仰運動2. T

13、軸回轉(zhuǎn)行星架回轉(zhuǎn)齒輪Z11繞齒輪Z23的過程中自轉(zhuǎn)經(jīng)過Z12、Z13、Z14、Z15 實現(xiàn)附加回轉(zhuǎn)運動三、機器人手部機器人的手部也叫做末端執(zhí)行器，裝在機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。手部是完成作業(yè)好壞以及作業(yè)柔性好壞的關(guān)鍵部件之一。 1. 特點： (1) 手部與手腕相連處可拆卸。 (2) 手部是機器人末端執(zhí)行器。 (3) 手部的通用性比較差。 2. 手部的設(shè)計要求：手部的設(shè)計要求：（1）具有足夠的夾持力。（2）保證適當(dāng)?shù)膴A持精度：手指應(yīng)能順應(yīng)被夾持工件的形狀，應(yīng)對被夾持工件形成所要求的約束。（3）手部自身的大小、形狀、機構(gòu)和運動自由度：主要是根據(jù)作業(yè)對象的大小、形狀、位置、姿態(tài)、重量

14、、硬度和表面質(zhì)量等來綜合考慮。（4）智能化手部還應(yīng)配有相應(yīng)的傳感器：由于感知手爪和物體之間的接觸狀態(tài)、物體表面狀況和夾持力的大小等，以便根據(jù)實際工況進行調(diào)整等。 3. 手部的分類按用途分 手爪：抓住工件，握持工件，釋放工件 工具：進行某種作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等 機械式手爪設(shè)計驅(qū)動：氣動、液動、電動傳動：運動要求和夾緊力要求爪鉗：形狀、材料、與工件的接觸面積磁力吸盤設(shè)計不需夾具，要求工件表面清潔、平整、干燥只適合對工件要求不高或不考慮剩磁的影響，不適合高溫真空式吸盤設(shè)計要求工件表面清潔、平整、干燥、能氣密按手指或吸盤數(shù)目分(1) 手指數(shù)目：二指手爪及多指手爪。(2) 手指關(guān)節(jié)：單關(guān)節(jié)手

15、指手爪及多關(guān)節(jié)手指手爪。(3) 吸盤式手爪：單吸盤式手爪及多吸盤式手爪。 按手爪的運動形式分：回轉(zhuǎn)型：當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型：手指由平行四桿機構(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動?；剞D(zhuǎn)動力源1和6驅(qū)動構(gòu)件2和5順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，通過平行四邊形機構(gòu)帶動手指3和4作平動，夾緊或釋放工件。手爪裝有限位開關(guān)5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的過程中，限位開關(guān)檢測手爪與工件的相對位置。當(dāng)工件接觸限位開關(guān)時發(fā)信號，汽缸通過連桿3驅(qū)動指爪夾緊工件。手爪移動手爪移動量大。量大。 適用范圍：適用

16、范圍： 適用于用鐵磁材料做成的工件；不適合于由有色金屬和非金屬材料制成的工件。 適合于被吸附工件上有剩磁也不影響其工作性能的工件。 適合于定位精度要求不高的工件。 適合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會消失。利用吸盤內(nèi)壓力和大氣壓力差工作，要求物體利用吸盤內(nèi)壓力和大氣壓力差工作，要求物體表面平整光滑，無透氣空隙。表面平整光滑，無透氣空隙。形成壓力差方式：真空吸附、氣流負(fù)壓吸附、形成壓力差方式：真空吸附、氣流負(fù)壓吸附、擠壓吸附擠壓吸附壓縮空氣高速流經(jīng)噴壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴，腔內(nèi)氣體被高速嘴，腔內(nèi)氣體被高速氣流帶走形成負(fù)壓，氣流帶走形成負(fù)壓，完成取物；完成取物；切斷氣源即釋放；切斷氣源即釋放

17、；方便，成本低方便，成本低取料時吸盤壓緊物體，吸盤變形，擠出多余氣體，手部取料時吸盤壓緊物體，吸盤變形，擠出多余氣體，手部上升靠吸盤恢復(fù)力形成負(fù)壓將物體吸住；上升靠吸盤恢復(fù)力形成負(fù)壓將物體吸??；壓下推桿連同大氣釋放；結(jié)構(gòu)簡單，吸附力小，防止漏壓下推桿連同大氣釋放；結(jié)構(gòu)簡單，吸附力小，防止漏氣，不宜長期保持。氣，不宜長期保持。1吸盤架；吸盤架；2壓蓋；壓蓋；3密封墊；密封墊；4吸盤；吸盤；5工件工件直線導(dǎo)軌滾珠絲杠6.4 6.4 機器人傳動及行走機構(gòu)機器人傳動及行走機構(gòu)機器人傳動機構(gòu)的基本要求：機器人傳動機構(gòu)的基本要求：(1) 結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕；結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最

18、輕；(2) 傳動剛度大，即承受扭矩時角度變形要小，以傳動剛度大，即承受扭矩時角度變形要小，以提高整機的固有領(lǐng)率，降低整機的低頻振動；提高整機的固有領(lǐng)率，降低整機的低頻振動；(3) 回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，以得回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，以得到較高的位置控制精度；到較高的位置控制精度；(4) 壽命長、價格低。壽命長、價格低。機器人常用傳動機構(gòu)齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同 步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動等。其中：腰關(guān)節(jié)最常用諧波傳動、齒輪/蝸輪傳動；臂關(guān)節(jié)最常用諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。腕關(guān)節(jié)最常用齒輪傳動、諧波傳動、同步帶傳動和綱繩傳動。1齒輪

19、傳動齒輪傳動常用行星齒輪傳動機構(gòu)和諧波傳動機構(gòu)。常用行星齒輪傳動機構(gòu)和諧波傳動機構(gòu)。最優(yōu)傳動比：最優(yōu)傳動比： manJJi/ 微電機微電機+減速器減速器微小型減速器微小型減速器122112zznnnniHHHKHV 型2. 漸開線少齒差行星傳動漸開線少齒差行星傳動2212122121zzzzzzzziH 212221zzziiiHHHV 齒數(shù)差齒數(shù)差Z1-Z2越小，傳動比越小，傳動比iHV越大越大當(dāng)當(dāng)Z1-Z2=1時，傳動比出現(xiàn)最大值，時，傳動比出現(xiàn)最大值， iHV=-Z2一齒差行星傳動輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)向相反。一齒差行星傳動輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)向相反。3. 諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動

20、：諧波齒輪行星傳動的簡稱。 少齒差行星傳動由剛性圓柱齒輪1、柔性圓柱齒輪2、波發(fā)生器H和柔性軸承等零部件構(gòu)成。 齒輪齒輪1為剛輪，為剛輪，齒數(shù)為齒數(shù)為z1，相當(dāng)，相當(dāng)于中心輪于中心輪H為波發(fā)生器，為波發(fā)生器，相當(dāng)于行星輪系相當(dāng)于行星輪系中的系桿，運動中的系桿，運動輸入。輸入。齒輪齒輪2為柔輪，齒為柔輪，齒數(shù)為數(shù)為z2，可產(chǎn)生較，可產(chǎn)生較大的彈性變形，大的彈性變形，相當(dāng)于行星輪，相當(dāng)于行星輪，運動由此輸出。運動由此輸出。諧波齒輪傳動的諧波齒輪傳動的傳動比與少齒差傳動比與少齒差行星傳動的計算行星傳動的計算公式完全一樣。公式完全一樣。諧波齒輪傳動中，剛輪齒數(shù)z1略大于柔輪齒數(shù)z2，齒數(shù)差應(yīng)等于波數(shù)或

21、波數(shù)的整數(shù)倍目前多用雙波和三波傳動。波發(fā)生器的長度比未變形的柔輪內(nèi)圓直徑大。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪輪齒插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時：迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形，使兩輪輪齒在進行嚙入、嚙合、嚙出、脫開的過程中，不斷改變各自的工作狀態(tài)，產(chǎn)生了錯齒運動，實現(xiàn)主動波發(fā)生器與柔輪的運動傳遞。2112ZZZiH2121ZZZiH例 有一諧波齒輪傳動，剛輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為l98，若:(1)剛輪固定，柔輪輸出，求該諧波傳動的傳動比。 (2)柔輪固定，剛輪輸出，求該諧波傳動的傳動比。解： (1)剛輪固定，柔輪輸出，速比為：負(fù)號表示柔輪輸出轉(zhuǎn)向與發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反。(2)柔輪固定，剛輪輸出，速比為：正號表示剛輪輸出轉(zhuǎn)向與發(fā)生器轉(zhuǎn)向相同9921