机器人学_第2章_机器人机械结构

null第2章 机器人的机械结构第2章 机器人的机械结构2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件 2.1 机身和臂部2.1 机身和臂部一.机身和臂部的作用 机身是直接连接支承传动手臂和行走机构的部件，机身可以是固定的，也可以是行走式的 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部（包括工件和工具），并带动它们在空间运动二.机身和臂部设计应注意问题二.机身和臂部设计应注意问题1.刚度：抵抗变形的能力 （1）合理选择截面形状和轮廓尺寸--封闭空心截面抗弯抗扭能力较实心和开口截面大；工字钢的抗弯强度比园截面大 （2）提高支承刚度和接触刚度 （3）合理布置作用力的位置和方向-减小弯曲变形 2.精度 影响因素：装配精度，导向精度，刚度，耐磨性 3.平稳性： （1）应结构紧凑，质量轻，减少惯性力 （2）注意重心的位置 4.其他：传动链力求简短；元件布置合理紧凑 三.机身和臂部的配置形式三.机身和臂部的配置形式1.横梁式 机身设计成横梁式，用于悬挂手臂，直移式运动，占地面积小，能有效的利用空间 （1）单臂悬挂式 手臂可沿横梁移动，也可上下伸缩 （2）双臂悬挂式（a）（2）双臂悬挂式（a）a.双臂平行布置，上料道与下料道分别设在机床的两侧，双臂能同时动作，两臂同步沿横梁移动，缩短辅助时间b.双臂交叉配置，两臂轴线交于机床的中心，两臂交错伸缩进行上下料，并同时沿横梁移动c.双臂交叉配置，悬伸梁式，横梁长度较a,b短，双臂位于横梁的同一侧(2).双臂悬挂式（b）(2).双臂悬挂式（b）双臂回转型，双臂交叉且绕同轴回转，分别负责上下料（主要是盘状零件），只需一个动力源，结构紧凑，动作范围大2.立柱式2.立柱式（1）单臂配置 固定的立柱上配置单个臂，一般臂部水平或倾斜安装在立柱的顶部。右图为立柱式浇注机器人，以平行四边形铰接的四连杆机构作为臂部，实现俯仰运动。浇包始终铅垂，该装置结构简单，稳定可靠null右图为铣端面，打中心孔机 床的上料机器人，臂架2带动 臂3绕机身立柱1回转，同时， 通过行星齿轮使臂3绕臂架2的 轴线回转，手部夹持中心的轨 迹为一空间曲线，能迅速地将 工件从料架送到机床的夹具上， 但惯性较大，适用于中小型工件 （2）双臂配置（2）双臂配置双臂同步升降和回转机器人，两臂互成直角，当两臂下降时，上料手在料道上取料，下料手从机床两顶尖取下工件。两臂上升后转900再下降，上料手将毛坯放到顶尖间，下料手放工件双臂同步回转机器人，两臂的伸缩分别驱动用来完成较大行程的提升与转位工作，双臂对称布置，较平稳双臂水平交叉配置机器人，它通过两臂同时升降，交错伸缩，实现一手上料，一手下料null双臂立柱式机器人，双臂 位于机身的前后两侧，可 同时绕立柱轴线回转和绕 水平轴作方向相反的俯仰 运动。 3.机座式（1）3.机座式（1）机座式（2）机座式（2）可将几台机器围绕机器人布置，该机器人负责传送工件4.屈伸式4.屈伸式大小臂在垂直于机床轴线的平面上运动，借助腕部旋转900，把工件放到机床顶尖间大小臂回转平面垂直四.机身的结构形式四.机身的结构形式1.升降回转型机身结构2.升降台式2.升降台式活塞杆11带动 下移轴 8左右移动，通过连杆 使平台升降 2.俯仰式2.俯仰式4是回转油缸， 7是俯仰油缸 null3.直移型机身结构 直移型型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是手臂的横梁 4.类人机器人机身4.类人机器人机身它没有直移型的升降装置，而是靠腿部和腰部的屈伸运动实现升降。须有驱动肩关节，腰关节，腿部的驱动装置 五.机械臂的典型结构五.机械臂的典型结构1.手臂直线运动的机构 常见方式： 行程小时：采用油缸或气缸直接驱动； 当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动齿条传动的倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换为直线运动。 典型结构： 电机驱动的丝杆螺母直线结构 电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例2．手臂的回转运动机构2．手臂的回转运动机构常见方式： 常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。 曲柄滑块机构： 典型机构： 液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构： null双臂机器人手臂结构图例：双臂机器人手臂结构图例：运动特点： 手臂关节的回转运动是通过液压缸-连杆机构实现。控制活塞的行程就控制了手臂摆角的大小。1—铰接活塞缸 2—连杆 3—手臂 4—支承架齿轮传动机构（1）齿轮传动机构（1）齿轮传动机构（2）齿轮传动机构（2）3．关节型机械臂的结构（1） 3．关节型机械臂的结构（1） 存在的运动型式： 机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动； 5轴关节型机器人。 五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：腰转肩转肘转俯仰偏转腰转姿态五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：肩关节、肘关节与手腕的协调3．关节型机械臂的结构（2）3．关节型机械臂的结构（2）各运动的实现： 腕部的旋转： 电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5 腕部俯仰： 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4 肘关节摆动： 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3 肩关节的摆动： 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2 null关节型机器人传动 系统图：腕部的旋转腕部俯仰肘关节摆动肩关节的摆动null腕部旋转局部图例：电机M5→减速器R5→链轮 副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5 null电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4腕部俯仰局部图例：null电机M3 →两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3肘关节局部图例：null肩关节局部图例：电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2 2.2 腕部和手部结构2.2 腕部和手部结构一.腕部 是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态的作用。 为了使手部能处于空间任意方向，腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。 手腕自由度图例：手腕自由度图例：腕部坐标系手腕的偏转手腕的俯仰手腕的回转二.手腕的设计要求二.手腕的设计要求结构紧凑、重量轻； 动作灵活、平稳，定位精度高； 强度、刚度高； 与臂部及手部的连接部位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。 三.手腕的分类三.手腕的分类1．按自由度的数目分（1）： 单自由度手腕： 手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下单一功能： 单一的翻转功能：手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线，常回转角度不受结构限制，可以回转360°以上。该运动用翻转关节（R关节）实现。 单一的俯仰功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直，转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现。 单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现。 Ｔ手腕－移动关节(Translation) 单自由度手腕图例：R手腕B手腕B手腕T手腕单自由度手腕图例：1．按自由度的数目分（2）：1．按自由度的数目分（2）：二自由度手腕： 可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。 二自由度手腕图例：BR手腕BB手腕RR手腕(属于单自由度)二自由度手腕图例：1．按自由度的数目分（3）：1．按自由度的数目分（3）：三自由度手腕： 有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。 三自由度手腕图例：BBR手腕BBR手腕B三自由度手腕图例：2．按手腕的驱动方式分： 2．按手腕的驱动方式分： 直接驱动手腕： 驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。 远距离传动手腕： 有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。 1）液压直接驱动BBR手腕图例：1）液压直接驱动BBR手腕图例：RBB偏转俯仰回转null2）. 单回转腕部结构示例3）双回转油缸驱动手腕3）双回转油缸驱动手腕结构特点： 采用双回转油缸驱动，一个带动手腕作俯仰运动，另一个油缸带动手腕作回转运动。 V-V视图示的回转缸中动片带动回转油缸的刚体，定片与固定中心轴联结实现俯仰运动；L-L视图表示回转缸中动片与回转中心轴联结，定片与油缸缸体联结实现回转运动。 双回转油缸驱动手腕图例：双回转油缸驱动手腕图例：4）轮系驱动的二自由度BR手腕：4）轮系驱动的二自由度BR手腕：结构特点： 由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动，其中手腕的回转运动由传动轴S传递，手腕的俯仰运动由传动轴B传递。 轮系驱动二自由度手腕图例（1）轮系驱动二自由度手腕图例（1）回转运动： 轴S旋转→锥齿轮副Z1、Z2→锥齿轮副Z3、Z4→手腕与锥齿轮Z4为一体→手腕实现绕C轴的旋转运动 俯仰回转轮系驱动二自由度手腕图例（2）：轮系驱动二自由度手腕图例（2）：俯仰运动： 轴B旋转→锥齿轮副Z5、Z6→轴A旋转→手腕壳体7与轴A固联→手腕实现绕A轴的俯仰运动 轮系驱动二自由度手腕图例（3）： 轮系驱动二自由度手腕图例（3）： 附加回转运动： 轴S不转而B轴回转→锥齿轮Z3不转→锥齿轮Z3、Z4相啮合→迫使Z4绕C轴线有一个附加的自转，即为附加回转运动。 附加回转运动在实际使用时应予以考虑。必要时应加以利用或补偿。 附加运动动作分解：附加运动动作分解：轴主动齿轮固定不动行星运动5）轮系驱动的RBR手腕：5）轮系驱动的RBR手腕：结构特点： 该机构为由齿轮、链轮传动实现的回转、俯仰和360度回转运动的RBR手腕结构。 轮系驱动三自由度手腕图例（1）：轮系驱动三自由度手腕图例（1）：回转运动： 轴S旋转→齿轮副Z10/Z23、Z23/Z11→锥齿轮副Z12、Z13→锥齿轮副Z14、Z15→手腕与锥齿轮Z15为一体→手腕实现旋转运动俯仰回转360度回转轮系驱动三自由度手腕图例（2）：轮系驱动三自由度手腕图例（2）：俯仰运动： 轴B旋转→齿轮副Z24/Z21，Z21/Z22→齿轮副Z20、Z16→齿轮副Z16、Z17→齿轮副Z17、Z18→轴19旋转→手腕壳体与轴19固联→实现手腕的俯仰运动 轮系驱动三自由度手腕图例（3）：轮系驱动三自由度手腕图例（3）：360度回转运动： 油缸1中的活塞左右移动→带动链轮2旋转→锥齿轮副Z3/Z4→带动花键轴5、6旋转→花键轴6与行星架9连在一起→带动行星架及手腕作360度回转运动 轮系驱动三自由度手腕图例（4）：轮系驱动三自由度手腕图例（4）：附加俯仰运动： 轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架回转时→迫使齿轮Z22绕齿轮Z21的过程中自转→经过Z20、Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动 轮系驱动三自由度手腕图例（5）：轮系驱动三自由度手腕图例（5）：附加回转运动： 轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架回转时→迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、Z13、Z14、Z15实现附加回转运动 null思考题： 1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？ 2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？ 3、齿轮17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试其运动。 2.3 手部结构2.3 手部结构一、手部的特点 手部是一个独立的部件，手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。 1.手部与手腕相连处可拆卸： 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。null手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。 2．手部是末端操作器：可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。 3．手部的通用性比较差：工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。 二、手部的设计要求二、手部的设计要求应具有一定的开闭范围 从手指张开的极限位置到闭合夹紧时手指位置的变动量,开闭范围太小,影响通用性. 回转:角度 平移:距离 具有足够的夹持力 N=(2-3)G 保证运动过程工件不脱落,但夹紧力过大,损坏工件 保证工件在手指内的定位精度 根据工件形状.加工精度和装配精度的要求,选择适当的手指形状和手部结构 结构紧凑,重量轻,效率高 选择轻质材料 通用性和互换性 提高通用化程度 三.手部的分类三.手部的分类1.按夹持方式分： 外夹式： 手部与被夹件的外表面相接触。 内撑式： 手部与工件的内表面相接触。 内外夹持式： 手部与工件的内、外表面相接触夹持方式图例夹持方式图例2．按手爪的运动形式分：2．按手爪的运动形式分：回转型： 当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。 平动型： 手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指的姿态不变，作平动。 平移型： 当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。 回转型图例：回转型图例：平动型图例：平动型图例：平移型图例：平移型图例：该丝杆的螺纹具有什么特点？3．按夹持原理分：3．按夹持原理分：手指式： 外夹式、内撑式、内外夹持式。 平移式、平动式、旋转式。 二指式、多指式。 单关节式、多关节式。 吸盘式： 负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。 磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。四.典型结构四.典型结构1．机械式手爪结构： 气动驱动手爪： 气缸驱动活塞平移→齿条移动→扇形齿轮摆动→连杆机构摆动→手爪平动 斜楔杠杆式手部： 其它四种机械式手爪机构： 气动手爪图例：气动手爪图例：斜楔杠杆式手部：斜楔杠杆式手部：注意考虑： 传力比：N／P 效率 传动比 斜楔驱动行程 手指开闭范围机械手爪图例：机械手爪图例：齿轮齿条式手爪重力式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪2．电磁吸盘(1)：2．电磁吸盘(1)：电磁吸盘的结构： 主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。 工作原理：线圈通电→空气间隙的存在→线圈产生大的电感和启动电流→周围产生磁场（通电导体会在周围产生磁场）→吸附工件null适用范围： 适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。 适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。 适合于定位精度要求不高的工件。 适合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。 3．真空式吸盘：3．真空式吸盘：构成: 由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。 工作原理： 形成真空吸附工件： 电机→真空泵→3＃电磁阀左侧→从吸盘5处抽气 释放工件： 电机、泵停转→大气经6＃口→ 4＃电磁阀左侧→ 3＃电磁阀右侧→送气至吸盘5处 1DT2DT真空吸盘结构图例：真空吸盘结构图例：4．自适应吸盘：4．自适应吸盘：结构特点： 该吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化。5．异形吸盘：5．异形吸盘：结构特点： 可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等物件。扩大了真空吸盘在机器人上的应用。6．喷气式吸盘6．喷气式吸盘当压缩空气刚进入时，由于喷嘴口逐渐缩小，致使气流速度逐渐增加。当管路截面收缩到最小处时，气流速度达到临界速度，然后喷嘴管路的截面逐渐增加，使与橡胶皮碗相连的吸气口处，造成很高的气流速度而形成负压。7．挤气式吸盘：7．挤气式吸盘：五.手指的形状五.手指的形状夹持旋转工件,定位精度较差夹持圆柱体,定位精度高夹持具有平行平面的工件尖指: 狭窄空间细小工件 长指: 夹持炽热工件不规则工件,专用的手指具自定位能力,接触好2.3 传动部件设计2.3 传动部件设计一.传动的方式： 直线驱动：齿轮齿条装置，滚珠丝杠，液压气压驱动 旋转驱动：齿轮，链，同步带，钢带,谐波齿轮 二.钢带传动二.钢带传动传动比精确 传动件质量小，惯性小 传动参数稳定 柔性好 不需要润滑 强度高 钢带传动结构是把钢带末端紧固在驱动轮和从动轮上，摩擦力不是传动的重要因素。钢带传动方式适合于有限行程的传动。三.谐波传动三.谐波传动谐波齿轮传动是谐波齿轮行星传动的简称。是一种少齿差行星传动。通常由刚性圆柱齿轮G、柔性圆柱齿轮R、波发生器H和柔性轴承等零部件构成。 柔轮和刚轮的齿形有直线三角齿形和渐开线齿形两种，以后者应用较多 。 谐波传动特点谐波传动特点谐波齿轮传动既可用做减速器，也可用做增速器。柔轮、刚轮、波发生器三者任何一个均可固定，其余二个一为主动，另一个为从动。 传动比大，且外形轮廓小，零件数目少，传动效率高。效率高达92％-96％，单级传动比可达50-4000。 承载能力较高：柔轮和刚轮之间为面接触多齿啮合，且滑动速度小，齿面摩损均匀。 柔轮和刚轮的齿侧间隙是可调：当柔轮的扭转刚度较高时，可实现无侧隙的高精度啮合。 工作原理工作原理谐波齿轮传动中，刚轮的齿数zG略大于柔轮的齿数zR，其齿数差要根据波发生器转一周柔轮变形时与刚轮同时啮合区域数目来决定。即zG-zR=u。错齿是运动产生的原因 null波发生器的长度比未变形的柔轮内圆直径大：当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮轮齿插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。 当波发生器连续转动时：迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。 1．刚轮固定—柔轮输出：1．刚轮固定—柔轮输出：波发生器主动，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，应用极广，i=75-500。 2．柔轮固定—刚轮输出：2．柔轮固定—刚轮输出：波发生器主动，单级减速，结构简单，传动比范围较大，效率较高，可用于中小型减速器，i=75~500。 3．波发生器固定—刚轮输出：3．波发生器固定—刚轮输出： 柔轮主动，单级微小减速，传动比准确，适用于高精度微调传动装置，i=1.002~1.015。 波发生器种类 波发生器种类 凸轮式滚轮式偏心盘式传动件传动间隙的消除传动件传动间隙的消除消隙措施：提高制造精度；提高装配精度；设计可调隙机构；设置弹性补偿零件。 消隙齿轮(半齿宽齿轮、柔性齿轮) 同步皮带 偏心机构消隙 齿廓弹性覆层消隙机器人制造材料 ——以结构件材料为例机器人制造材料 ——以结构件材料为例材料要求： 强度高——高强度材料可以减小直接受力的机器人臂部截面尺寸。 弹性模量大——弹性模量E大的材料变形量小，刚度大。 重量轻——选择E/ρ小的材料有利于减小惯性力，从而减小变形。 阻尼大——大阻尼构件有利于吸收能量，提高传动精度和平稳性。 价格相对低——硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金价格高。结构件常用材料： 合金结构钢——是碳素结构钢强度的4-5倍。 铝合金和其它轻合金——E并不大，但重量轻。例如添加3.2%锂的铝合金E值增加14%，E/ρ增加了16%。 纤维增强合金——E/ρ高。 陶瓷——具有良好的品质，但脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属件连接的结合部需要特殊设计。 纤维增强复合材料——E/ρ高，阻尼大，但存在老化、蠕变、高温热膨胀和与金属件连接困难等问题。 粘弹性大的阻尼材料——改善机器人动态特性。