機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

1、第5章 機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu),本體結(jié)構(gòu)：機(jī)體結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動系統(tǒng)， 也是機(jī)器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。,5.1 概 述,5.1.1 機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式 一、機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu) (1) 傳動部件。 (2) 機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)。 (3) 臂部。 (4) 腕部。 (5) 手部。,機(jī)座,腰部,大臂,大臂,位置機(jī)構(gòu),姿態(tài)機(jī)構(gòu),上述操作機(jī)的分類是按位置機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式分的。,二、機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)的舉例,1個腰關(guān)節(jié),1個肩關(guān)節(jié),1個肘關(guān)節(jié),3個腕關(guān)節(jié),關(guān)節(jié):工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動副。,本體基本結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)： (1)開式運(yùn)動鏈：結(jié)構(gòu)剛度不高 。 (2) 相對機(jī)架：獨(dú)立驅(qū)動器，運(yùn)動靈活。 (3) 扭矩變化非常復(fù)雜：對剛

2、度、間隙和運(yùn)動精度都有較高的要求。 (4) 動力學(xué)參數(shù)（力、剛度、動態(tài)性能）都是隨位姿的變化而變化：易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。,本體基本結(jié)構(gòu)要求： 1）自重?。焊纳茩C(jī)器人操作的動態(tài)性能； 2）靜動態(tài)剛度高：提高定位精度和跟蹤精度；增加機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的靈活性；減小定位時的超調(diào)量穩(wěn)定時間，降低對控制系統(tǒng)的要求和系統(tǒng)造價； 3）固有頻率高：避開機(jī)器人的工作頻率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。,5.1.2 機(jī)器人本體材料的選擇,一、材料選擇的基本要求 (1)強(qiáng)度高:減輕重量。 (2)彈性模量大:剛度大。 但是用合金鋼代替碳結(jié)構(gòu)鋼不增加剛度。 普通碳結(jié)構(gòu)鋼：b= 420MPa， E =2.1105MPa 高合金

3、結(jié)構(gòu)鋼：b= 2000MPa， E =2.1105MPa (3)密度?。褐亓枯p。 (4)阻尼大：減小穩(wěn)定時間。 (5) 經(jīng)濟(jì)性。,二、機(jī)器人常用材料簡介 1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 強(qiáng)度好；E大；應(yīng)用最廣泛。 2鋁、鋁合金及其他輕合金材料 重量輕，彈性模量E不大；E/之比仍可與鋼材相比。稀貴鋁合金：例如添加3.2(重量百分比)鋰的鋁合金，彈性模量增加了14，E/比增加了16。 3. 纖維增強(qiáng)合金 E/非常高,但價格昂貴。 如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金等，其E/比分別達(dá)到11.4107和8.9107 。,4. 陶瓷 脆性大。 5纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 E/高，易老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?金 屬件

4、連接困難等問題。重量輕，剛度大，大阻尼。 6粘彈性大阻尼材料 吉林工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動控制中應(yīng)用的實驗，結(jié)果表明，機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為0.30mm，處理后為0.16mm；殘余振動時間在阻尼處理前后分別為0.9s和0.5s。,5.2 機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu),5.2.1 機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),一、機(jī)身的典型結(jié)構(gòu) 機(jī)身結(jié)構(gòu)一般由機(jī)器人總體設(shè)計確定。 1回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身 (1) 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。 (2) 油缸驅(qū)動，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。,(3) 鏈輪傳動機(jī)構(gòu)?；?/p>

5、轉(zhuǎn)角度可大于360。,鏈條鏈輪傳動實現(xiàn)機(jī)身回轉(zhuǎn)的原理圖,2回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,1.垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力 的計算 摩擦力/總重力/慣性力:,為啟動時的總慣性力(N)；,為運(yùn)動部件的總重力(N) 。,為各支承處的摩擦力(N)；,二、機(jī)身驅(qū)動力(力矩)計算,2.回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計算,為總摩擦阻力矩(Nm)；,為回轉(zhuǎn)運(yùn)動部件的總慣性力矩 (Nm),3.升降立柱下降不卡死(不自鎖)的條件計算,三、機(jī)身設(shè)計要注意的問題 (1) 剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。 (2) 運(yùn)動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死。 (3) 驅(qū)動方式適宜。 (4) 結(jié)構(gòu)布置合理。,5.2.2 機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),大臂、

6、小臂(或多臂)，主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動（最為通用）。 一、臂部的典型機(jī)構(gòu) 1臂部伸縮機(jī)構(gòu),四導(dǎo)向柱式臂部伸縮機(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,2手臂俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu),通常采用擺臂油(氣)缸驅(qū)動、鉸鏈連桿機(jī)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(jī)構(gòu) 常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨(dú)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(dá)-錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。,三、臂部設(shè)計需注意的問題 承載能力足。 剛度高。 導(dǎo)向性能好。 重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小。 合理設(shè)計

7、與腕和機(jī)身的連接部位。,5.2.3 機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,一、質(zhì)量平衡方法,若滿足,則總力矩：,二、彈簧平衡方法,三、氣動和液壓平衡方法 氣動和液壓平衡的原理和彈簧平衡的原理很相似 優(yōu)點(diǎn): 1)平衡缸中的壓力是恒定的； 2)同時平衡缸的壓力很容易得到調(diào)節(jié)和控制. 缺點(diǎn)： 1）需要動力源和儲能器，系統(tǒng)比較復(fù)雜 2）需考慮動力源一旦中斷時的防范措施。,5.3 腕部及手部結(jié)構(gòu),5.3.1 機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),驅(qū)動方式：遠(yuǎn)程驅(qū)動和直接驅(qū)動。 直接驅(qū)動：驅(qū)動器安裝在手腕運(yùn)動關(guān)節(jié)的附近 傳動路線短，傳動剛度好，尺寸和質(zhì)量大，慣量大。 遠(yuǎn)程驅(qū)動：驅(qū)動器安裝在機(jī)器人的大臂、基座或小臂遠(yuǎn)端上

8、，通過連桿、鏈條或其他傳動機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動腕部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，但傳動設(shè)計復(fù)雜，傳動剛度也降低了。,滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn) 滾轉(zhuǎn)：能實現(xiàn)360無障礙旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)運(yùn)動，通常用R來標(biāo)記。 彎轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)動角度一般小于360。彎轉(zhuǎn)通常用B來標(biāo)記。,一、腕部的自由度,手腕按自由度個數(shù)可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。,6種三自由度手腕的結(jié)合方式示意圖,二、RRR型手腕,1. RRR型手腕結(jié)構(gòu)示意,制造簡單，潤滑條件好，機(jī)械效率高，應(yīng)用較為普遍。,RRR型手腕關(guān)節(jié)遠(yuǎn)程傳動示意圖,三、腕部的典型結(jié)構(gòu),1.單自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)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

9、手腕,2.齒輪傳動二自由度腕部,齒輪傳動回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理,1手腕；2中心軸；3固定中心軸；4定片；5擺動回轉(zhuǎn)油缸；6動片；7回轉(zhuǎn)軸；8回轉(zhuǎn)油缸,具有回轉(zhuǎn)與擺動的二自由度腕部結(jié)構(gòu),3三自由度手腕,1) 液壓直接驅(qū)動三自由度手腕,2) 齒輪鏈輪傳動三自由度腕部,齒輪鏈輪傳動三自由度手腕原理圖 1油缸；2鏈輪；3、4錐齒輪；5、6花鍵軸T；7傳動軸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擺動軸； 21、23雙聯(lián)圓柱齒輪；25傳動軸B,5.3.2 機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),一、機(jī)器人手部的特點(diǎn) (1) 手部與手腕相連處

10、可拆卸。 (2) 手部是機(jī)器人末端執(zhí)行器。 (3) 手部的通用性比較差。 (4) 手部是一個獨(dú)立的部件。,二、手部的分類,2) 工具,1) 手爪,1按用途分,2按夾持原理分,3按手指或吸盤數(shù)目分 (1) 按手指數(shù)目可分為二指手爪及多指手爪。 (2) 按手指關(guān)節(jié)可分為單關(guān)節(jié)手指手爪及多關(guān)節(jié)手指手爪。 (3) 吸盤式手爪按吸盤數(shù)目可分為單吸盤式手爪及多吸盤式手爪。,柔性手指手爪,三指手爪,4按智能化分 (1) 普通式手爪。這類手爪不具備傳感器。 (2) 智能化手爪。這類手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺傳感器及滑覺傳感器等。,三、手爪設(shè)計和選用的要求 1.被抓握的對象物 1) 幾何參數(shù) (

11、1) 工件尺寸。(2) 可能給予抓握表面的數(shù)目。(3) 可能給予抓握表面的位置和方向。 (4) 夾持表面之間的距離。(5) 夾持表面的幾何形狀。 2) 機(jī)械特性 (1) 質(zhì)量。(2) 材料。(3) 固有穩(wěn)定性。(4) 表面質(zhì)量和品質(zhì)。(5) 表面狀態(tài)。(6) 工件溫度。 2.物料饋送器或儲存裝置 3.機(jī)器人作業(yè)順序 4.手爪和機(jī)器人匹配 5.環(huán)境條件,四、手爪的典型結(jié)構(gòu) 1機(jī)械手爪,氣動手爪 1扇形齒輪；2齒條； 3活塞；4氣缸；5爪鉗,V形爪鉗,四種手爪傳動機(jī)構(gòu),2磁力吸盤,電磁吸盤結(jié)構(gòu) l電磁吸盤；2防塵蓋；3線圈；4外殼體,3真空式吸盤,1電動機(jī)；2真空泵；3、4電磁閥；5吸盤；6通大氣

12、,氣流負(fù)壓吸盤,1吸盤架；2壓蓋；3密封墊；4吸盤；5工件,擠氣負(fù)壓吸盤,工作原理,自適應(yīng)吸盤,異形吸盤,4真空吸盤的新設(shè)計,2）軸承,2移動關(guān)節(jié) (1) 按滾動體分類球、圓柱滾子和滾針。 (2) 按軌道分類圓軸式、平面式和滾道式。 (3) 按滾動體是否循環(huán)分類循環(huán)式、非循環(huán)式。,二、機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu),1齒輪傳動 常用行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)和諧波傳動機(jī)構(gòu)。 最優(yōu)傳動比。,Ja為工作臂的慣性矩； Jm 為電動機(jī)的慣性矩。,行星齒輪傳動,1剛輪；2剛輪內(nèi)齒圈；3輸入軸； 4諧波發(fā)生器；5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,諧波傳動,如果剛輪(圓形花鍵輪)1不轉(zhuǎn)動,如果柔輪6靜止,1剛輪；2剛輪內(nèi)齒圈；3輸入軸； 4諧

13、波發(fā)生器；5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,諧波傳動,如果剛輪(圓形花鍵輪)1不轉(zhuǎn)動,如果柔輪6靜止,諧波傳動的優(yōu)點(diǎn)： 尺寸小慣量低； 誤差均布在多個嚙合點(diǎn)上傳動精度高； 加預(yù)載嚙合傳動側(cè)隙非常??； 多齒嚙合傳動具有高阻尼特性。 諧波傳動的缺點(diǎn)： 柔輪的疲勞問題； 扭轉(zhuǎn)剛度低； 以2、4、6倍輸入軸速度的嚙合頻率產(chǎn)生振動； 諧波傳動與行星傳動相比具有較小的傳動間隙和較輕的重量，但是剛度比行星減速器差,液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧波傳動,1凸輪；2柔輪；3小孔,2絲杠傳動,滾珠絲杠的基本組成 1絲杠；2螺母；3滾珠；4導(dǎo)向槽,1電動機(jī)； 2蝸桿； 3臂架； 4絲杠； 5蝸輪； 6箱體； 7花鍵套,絲杠螺母傳動

14、的手臂升降機(jī)構(gòu),3帶傳動與鏈傳動,4繩傳動與鋼帶傳動,ADEPT機(jī)器人,5連桿與凸輪傳動,重復(fù)完成簡單動作的搬運(yùn)機(jī)器人中廣泛采用連桿與凸輪 機(jī)構(gòu)，例如，從某位置抓取物體放在另一位置上的作業(yè)。,凸輪機(jī)構(gòu),連桿機(jī)構(gòu),6流體傳動,液壓傳動由液壓泵、液壓馬達(dá)或液壓缸組成，可得到高扭矩-慣性比。 氣壓傳動比其他傳動運(yùn)動精度差，但由于容易達(dá)到高速，多數(shù)用在完成簡易作業(yè)的搬運(yùn)機(jī)器人上。 液壓、氣壓傳動中，模塊化和小型化的機(jī)構(gòu)較易得到應(yīng)用。,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)動齒條；2齒輪；3活塞桿,三、傳動件的定位和消隙,1傳動件的定位,1) 電氣開關(guān)定位,2) 機(jī)械擋塊定位,利用機(jī)械插銷定位的結(jié)構(gòu) 1節(jié)流閥；2圓盤；3插銷；4定位油缸；,3) 伺服定位,2傳動件的消隙,1、2薄齒輪；3螺釘,消隙齒輪,柔性齒輪消隙,5.4.2 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它由驅(qū)動裝置、傳動機(jī)構(gòu)、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。,行走機(jī)構(gòu)可分為固定軌跡式和無固定軌跡式。,絲杠螺母驅(qū)動，整個機(jī)器人沿絲杠縱向移動。 也可采用類似起重機(jī)梁行走方式：主要用在作業(yè)區(qū)域大的場合，比如大型設(shè)備裝配，立體化倉庫中的材料搬運(yùn)、材料堆垛和儲運(yùn)及大面積噴涂等。,一、固定軌跡可移動機(jī)器人,二、無固定軌跡式行走機(jī)器人,1對行走機(jī)器人的一般要求,1）移動,2）自行