第三講工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu).ppt

1、第三講 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)身和臂部機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,第一節(jié) 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),自由度 操作機(jī)的自由度多，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的靈活性大，通用性強(qiáng)，但機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，剛性變差。機(jī)構(gòu)的自由度多于為完成生產(chǎn)任務(wù)所必需的自由度時(shí)，多余的自由度稱為冗余自由度。設(shè)置冗余自由度使操作機(jī)具有一定的避障能力，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)逆解時(shí)，使各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)具有優(yōu)選的條件。工業(yè)機(jī)器人一般多為46個(gè)自由度。,第一節(jié) 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),工作空間 機(jī)器人的工作空間是指機(jī)器人手臂或手部安置點(diǎn)所能達(dá)到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達(dá)到的區(qū)域。 工作空間的形狀取決于機(jī)器人的構(gòu)型，工作空間的大

2、小取決于組成機(jī)器人各部件的自身尺寸和運(yùn)動(dòng)尺寸。,第一節(jié) 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),工作速度 工作速度是指機(jī)器人在工作載荷條件下，勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 工作載荷 機(jī)器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處能承受的最大負(fù)載量（包括手部）。用質(zhì)量、力矩、慣性矩來(lái)表示。,第一節(jié) 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),控制方式 機(jī)器人用于控制軸的方式，使伺服還是非伺服，伺服控制方式是實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡還是點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)方式 指的是關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動(dòng)力源形式：電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、其它驅(qū)動(dòng)形式。,第一節(jié) 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),精度、重復(fù)精度和分辨率 精度、重復(fù)精度、和分辨

3、率用來(lái)定義機(jī)器人手部的定位能力。 精度 是一個(gè)位置量相對(duì)于其參照系的絕對(duì)度量。 重復(fù)精度 指在相同的運(yùn)動(dòng)位置命令下，機(jī)器人連續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量。,第一節(jié) 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),分辨率 是指機(jī)器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動(dòng)距離或最小轉(zhuǎn)動(dòng)角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。,分辨率、精度、重復(fù)精度的關(guān)系,第二節(jié) 機(jī)身和臂部機(jī)構(gòu),機(jī)身 起連接、支承和傳動(dòng)的作用 既可以是固定式的，也可以是行走式的,臂部 支承腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng) 在工作中直接承受腕、手和工件的靜、動(dòng)載荷，自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。,一、機(jī)身和臂部的作用,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,二、機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),采用哪種自由度形式由

4、機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)來(lái)定,直角坐標(biāo)型,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,控制簡(jiǎn)單； 剛性最大（龍門式）； 容易達(dá)到高精度； 操作范圍??； 占地面積大； 運(yùn)動(dòng)速度低； 密封性差；,二、機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),圓柱坐標(biāo)型,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,工作范圍可以擴(kuò)大； 計(jì)算簡(jiǎn)單； 動(dòng)力輸出較大； 手臂可達(dá)空間受到限制； 直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封； 安全性差；,二、機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),球坐標(biāo)式,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,中心支架附近的工作范圍大； 工作空間大； 坐標(biāo)系復(fù)雜，難以控制； 存在工作死區(qū)； 密封性較差；,二、機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),平面多關(guān)節(jié)型,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,垂直方向上剛度高； 水平面內(nèi)動(dòng)作靈活； 適于孔軸裝配工作；,二、

5、機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),垂直多關(guān)節(jié)型,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,動(dòng)作靈活； 工作空間大； 易密封； 工作條件要求低； 適合用電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 計(jì)算量大； 輸出動(dòng)力不大；,機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身 回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,齒條活塞油缸驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)型機(jī)身,升降回轉(zhuǎn)臺(tái),升降缸體,活塞,活塞桿,固定導(dǎo)套,齒輪套筒,齒條缸,固定立柱,齒條活塞油缸驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)型機(jī)身,1、活塞 2、花鍵套 3、花鍵軸 4、升降油缸 5、擺動(dòng)油缸 6、擺動(dòng)缸定片 7、擺動(dòng)缸動(dòng)片,鏈條鏈輪型回轉(zhuǎn)機(jī)身,回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,采用尾部耳環(huán)或中部銷軸與立柱連接,鉸鏈連接,三、臂部的典型機(jī)構(gòu),臂部伸縮機(jī)構(gòu) 臂部俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)與升降

6、機(jī)構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu)通常是通過(guò)臂部相對(duì)于立柱的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。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)。,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,四、機(jī)身與臂部的配置形式,（1.）橫梁式,機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機(jī)器人大都為 移動(dòng)式。,（2.）立柱式,立柱式機(jī)器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運(yùn)動(dòng)形式， 是一種常見(jiàn)的配置形式。,（3.）機(jī)座式,機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這種機(jī)器人可以使獨(dú)立的、自成系統(tǒng)， 的完整裝置，可以隨意安放和搬動(dòng)。,（4.）屈伸式,屈伸式機(jī)器人的臂部可以有大

7、小臂組成，大小臂間有相對(duì) 運(yùn)動(dòng)，成為屈伸臂。,五、機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題,根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 采用封閉型空心截面的結(jié)構(gòu)作為臂桿 適當(dāng)減小壁厚，加大輪廓尺寸 提高支承剛度和接觸剛度 支座的結(jié)構(gòu)形狀、底板的連接形式 提高配合面間的接觸剛度，即保證配合表面的加工精度和表面粗糙度 合理布置作用力的位置和方向,剛度,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,四、機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題,精度(手部位置精度),剛度,各運(yùn)動(dòng)部件的制造和裝配精度,臂部和機(jī)身運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向裝置和定位方式,手部或腕部在臂上的定位和連接方式,四、機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題,平穩(wěn)性,臂部和機(jī)身的運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)力求緊湊、質(zhì)量 輕，以

8、減少慣性力。 鋁合金或非金屬材料,必須注意運(yùn)動(dòng)部件各部分的質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)軸或支承的分布情況，即重心的布置。,四、機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題,其他,傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)力求簡(jiǎn)短，以提高傳動(dòng)精度和效率。,各驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)件、管線系統(tǒng)及各個(gè)運(yùn)動(dòng)的測(cè)、控元件等布置要合理緊湊，操作維護(hù)要方便。,對(duì)于在特殊條件下工作的機(jī)器人，設(shè)計(jì)時(shí)要有針對(duì)性地采取措施： 防熱輻射、防腐、防塵、防爆,腰部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),機(jī)械手的腰部包括機(jī)座和腰關(guān)節(jié)，機(jī)座承受機(jī)器人全部重量，要有足夠的強(qiáng)度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼制造， 機(jī)座要有一定的尺寸以保證操作機(jī)的穩(wěn)定，并滿足驅(qū)動(dòng)裝置及電纜的安裝。 腰關(guān)節(jié)是負(fù)載最大的運(yùn)動(dòng)軸，對(duì)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)精度影響

9、最大，故設(shè)計(jì)精度要求高。,腰部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),腰關(guān)節(jié)的軸可采用普通軸承的支承結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)整方便，但腰部高度較高。 現(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人的腰關(guān)節(jié)均采用大直徑交叉滾子軸承支承的結(jié)構(gòu)，既可使機(jī)座高度大大降低，又具有更好的支承剛度。,臂部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),臂部的作用是連結(jié)腰部和腕部，實(shí)現(xiàn)操作機(jī)在空間中的運(yùn)動(dòng)。 手臂的長(zhǎng)度尺寸要滿足工作空間的要求，由于手臂的剛度、強(qiáng)度直接影響機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)剛度，同時(shí)又要靈活運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)盡可能選用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，減輕其重量。 在臂體設(shè)計(jì)中，也應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成封閉形和局部帶加強(qiáng)肋的結(jié)構(gòu)，以增加剛度和強(qiáng)度。,1大錐齒輪 2小錐齒輪 3大臂 4小臂電動(dòng)機(jī) 5驅(qū)動(dòng)

10、軸 6偏心套 7小齒輪 8大齒輪 9偏心套 10小臂,第三節(jié) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),齒輪齒條裝置,效率低 回差大 有噪聲,滾珠絲杠螺母副,滾動(dòng)摩擦,傳動(dòng)效率高 無(wú)低速爬行現(xiàn)象 雙螺母預(yù)緊,消除回差,液壓驅(qū)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速度,驅(qū)動(dòng)力,運(yùn)動(dòng)方向,進(jìn)油方向,進(jìn)油壓力,進(jìn)油流量,容易自動(dòng)控制 精度高(液體的不可壓縮性) 壽命長(zhǎng)(液體的潤(rùn)滑功能) 功率大,油滲漏 液壓油黏度隨溫度而變化需要供油系統(tǒng) 高溫易爆,氣壓驅(qū)動(dòng),壓縮空氣粘度小，速度高 壓縮空氣的壓力低，出力小，功率小 由于空氣可壓縮性，工作不平穩(wěn)，精度低 防水問(wèn)題(生銹導(dǎo)致機(jī)器人失靈),機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,第三節(jié) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī),傳

11、動(dòng)機(jī)構(gòu),負(fù)載(關(guān)節(jié)),降低轉(zhuǎn)速 提高轉(zhuǎn)矩,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,第三節(jié) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),齒輪鏈,降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,但同時(shí)帶來(lái)了噪聲,第三節(jié) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),同步皮帶(齒形帶),2,3（聚氨酯） 1（鋼絲繩或玻璃纖維繩）,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低 傳動(dòng)不打滑 傳動(dòng)效率高(99.5%) 最高線速度(80/s),第三節(jié) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),同時(shí)有多個(gè)齒嚙合,剛度高 傳動(dòng)精度高,回差小 齒輪減速比較大,諧波齒輪,第三節(jié) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),直線驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的選用和制動(dòng),多選用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),各關(guān)節(jié)處要安裝制動(dòng)器 在機(jī)器人停止工作時(shí)，保持機(jī)械臂的位置不變；在電源發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,第五節(jié) 腕部機(jī)構(gòu),腕部是臂部與手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有偏轉(zhuǎn)（Yaw）、俯仰（Pitch）和回轉(zhuǎn)（Roll）三個(gè)自由度。,機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)（一）,第五節(jié) 腕部結(jié)構(gòu),手腕按自由度個(gè)數(shù)可分單自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕采用幾個(gè)自由度