第4章機器人本體

1、 機器人本體結(jié)構(gòu)基本上是由連桿和關(guān)節(jié)組成； 連桿又可以分為長連桿與短連桿（見機器人實物圖）； 關(guān)節(jié)又可以分為移動關(guān)節(jié)與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 1，剛度高有利于提高手臂端點的定位精度和跟蹤精度，這在離線編程時是至關(guān)重要的。 2，剛度高還可降低對控制系統(tǒng)的要求和系統(tǒng)造價。 3，較好的剛度還可以增加機械系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，比如在選擇傳感器安裝位置時，剛度高的結(jié)構(gòu)允許傳感器放在離執(zhí)行器較遠的位置上，減少了設(shè)計方面的限制。 盡可能提高機器人結(jié)構(gòu)固有頻率的目的在于避開機器人的工作頻率。 通 常機器人的低階固有頻率為525Hz，以中等速度運動時，輸入信號的脈沖 延續(xù)時間約在0.051s，振蕩頻率相當(dāng)于在120Hz，因而機械

2、系統(tǒng)可能會因此激發(fā)振蕩。 動態(tài)剛度高可以減小定位時的超調(diào)量，縮短達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間，從而提高機器人的使用性能。 機器人的結(jié)構(gòu)特點與一般的機械有所不同，后面的桿件和關(guān)節(jié)的重量是前面關(guān)節(jié)的負(fù)載，對于活動構(gòu)件，盡量選擇較輕的材料； F=kX; 精密機器人對于機器人的剛度有一定的要求，即對材料的剛度有要求。剛度設(shè)計時要考慮靜剛度和動剛度，即要考慮振動問題。從材料角度看，控制振動涉及減輕重量和抑制振動兩方面，其本質(zhì)就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)。mk /mk / 另外，家用和服務(wù)機器人的外觀與傳統(tǒng)機械大有不同，故將會出現(xiàn)比傳統(tǒng)工業(yè)材料更富有美感的機器人本體材料。從這一點看，機

3、器人材料又應(yīng)具備柔軟和外表美觀等特點。 正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低機器人的成本價格，更重要的是可適應(yīng)機器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力學(xué)及動力學(xué)特性要求。 隨著材料工業(yè)的發(fā)展，新材料的出現(xiàn)給機器人的發(fā)展提供了寬廣的空間 (1) 強度高。機器人臂是直接受力的構(gòu)件，高強度材料不僅能滿足機器人臂的強度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。 (2) 彈性模量大。彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為20002300MPa，但是二者的彈性模量E卻沒有多大變化，均為2.1MPa。因此，還應(yīng)尋找其他提高構(gòu)件剛度的途徑。 (3

4、) 重量輕。機器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說，為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了選用高彈性模量、低密度材料的要求。 (4) 阻尼大。選擇機器人的材料時不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來吸收能量。 (5) 材料經(jīng)濟性。材料價格是機器人成本價格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等用來作為機器人臂的材料是很理想的，但價格昂貴。 1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 這類材料強度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強度增大了45倍，彈性模量E大，抗

5、變形能力強，是應(yīng)用最廣泛的材料。 2鋁、鋁合金及其他輕合金材料 這類材料的共同特點是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，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纖維增強合金 這類合金如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等，其E/比分別達到和。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/比，而且沒有無機復(fù)合材料的缺點，但價格昂貴。4陶瓷陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臂樣

6、品。5纖維增強復(fù)合材料這類材料具有極好的E/比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎浺约芭c金屬件連接困難等問題。這類材料不但重量輕，剛度大，而且還具有十分突出的大阻尼的優(yōu)點。傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼，所以在高速機器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多。疊層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進行優(yōu)化，改進疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼值。6粘彈性大阻尼材料增大機器人連桿件的阻尼是改善機器人動態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理。吉林工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)進行了粘彈性大阻尼材料在柔性機

7、械臂振動控制中應(yīng)用的實驗，結(jié)果表明，機械臂的重復(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。 機器人必須有一個 便于安裝的基礎(chǔ)件機 座或行走機構(gòu)。機座 往往與機身做成一體。 機身和臂部相連，機身 支承臂部，臂部又支承 腕部和手部。機身和臂 部運動的平穩(wěn)性也是應(yīng) 重點注意的問題。 4.2.1 機器人機身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 機器人機身(或稱立柱)是支承臂部及手部的部件。 一、機身的典型結(jié)構(gòu) 1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。因擺動油缸安置在升降活塞桿的上方，故活塞桿的尺寸要加大。 (2

8、) 回轉(zhuǎn)運動采用擺動油缸驅(qū)動，回轉(zhuǎn)油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動力矩要設(shè)計得大一些。 (3) 鏈輪傳動機構(gòu)。鏈條鏈輪傳動是將鏈條的直線運動變?yōu)殒溳喌幕剞D(zhuǎn)運動，它的回轉(zhuǎn)角度可大于360。圖4.1(a)所示為氣動機器人采用單桿活塞氣缸驅(qū)動鏈條鏈輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)機身的回轉(zhuǎn)運動(見K向視圖)。此外，也有用雙桿活塞氣缸驅(qū)動鏈條鏈輪回轉(zhuǎn)的方式，如圖4.1(b)所示。 2回轉(zhuǎn)與俯仰機身 三、機身設(shè)計要注意的問題 (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) 驅(qū)動方式適宜。 (4) 結(jié)構(gòu)布置合理。 機器人的手臂由大臂、小臂(或多臂)所組成。手臂的驅(qū)動方式

9、主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動幾種形式，其中電動形式最為通用。 一、臂部的典型機構(gòu) 1臂部伸縮機構(gòu) 行程小時，采用油(氣)缸直接驅(qū)動；行程較大時，可采用油(氣)缸驅(qū)動齒 條傳動的倍增機構(gòu)或步進電動機及伺服電動機驅(qū)動，也可采用絲杠螺母或滾 珠絲杠傳動。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運動時繞軸線轉(zhuǎn)動或產(chǎn) 生變形，臂部伸縮機構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、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。 二、機器人手臂材料的選擇 機器人手臂材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件

10、，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。 機器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。 綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯(PEH)和碳素纖維等；金屬材料以輕合金(特別是鋁合金)為主。(1) 承載能力足。不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮運動時的動載荷

11、。(2) 剛度高。為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)合理選擇手臂的截面形狀。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)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼制作支承板。(3) 導(dǎo)向性能好，動作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。為防止手臂在直線運動過程中沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運動速度越高，定位前慣性力引起的沖擊也就越大，運動不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。(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

12、，以減少整個手臂對回轉(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，而且還直接影響機器人的外觀。 機身和臂部的運動較多，質(zhì)量較大，如果運動速度和負(fù)載又較大，當(dāng)運動狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生沖擊和振動。這將不僅影響機器人的精確定位，甚至?xí)蛊洳荒苷＿\轉(zhuǎn)。為了提高工作平穩(wěn)性，在設(shè)計時應(yīng)采取有效的緩沖裝置吸收能量。從減少能量產(chǎn)生的方面來看，一般應(yīng)注意以下幾點： (1) 要求機身和臂部運動部件緊湊，質(zhì)量輕，以減少慣性力。例如，臂部構(gòu)件采用鋁合金或非金屬材料制作。 (2) 運動部件各部分的質(zhì)量對轉(zhuǎn)軸或支承的分布情況，即重心的布置。如重心與轉(zhuǎn)軸不重

13、合，將增大轉(zhuǎn)動慣量，同時會使轉(zhuǎn)軸受到附加的動壓力，其方向在臂部轉(zhuǎn)動過程中是不斷變化的。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高以及速度變化劇烈時，將有較大的沖擊和振動。 臂桿作為主要的運動部件需要重點考慮。為了減小驅(qū)動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進行動力平衡。 只有當(dāng)負(fù)載較小，臂桿的質(zhì)量較輕，關(guān)節(jié)力矩不大和驅(qū)動裝置有足夠的容量時，才可以省去動力平衡裝置。從機械驅(qū)動的合理性和安全性角度出發(fā)，機器人臂桿的平衡還有助于在動力被突然切斷時降低對剎車裝置的要求。 總之，臂桿平衡技術(shù)對提高操作機的整體性能和動態(tài)特性十分重要，也是簡化編程和控制的重要措施。 常見操作機臂桿的平衡技術(shù)有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或

14、液壓平衡法和采用平衡電動機。 4.3 腕部及手部結(jié)構(gòu) 人類的手是最靈活的肢體部分，能完成各種各樣的動作和任務(wù)。同樣機器人的手部作為末端執(zhí)行器是完成抓握工件或執(zhí)行特定作業(yè)的重要部件，也需要有多種結(jié)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。目前，RRR型三自由度手腕應(yīng)用較普遍。 4.3.1 機器人腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 腕部是機器人的小臂與末端執(zhí)行器(手部或稱手爪)之間的連接部件，其作用是利用自身的活動度確定手部的空間姿態(tài)。對于一般的機器人，與手部相連接的手腕都具有獨驅(qū)自轉(zhuǎn)的功能，若手腕能在空間取任意方位，那么與之相連的手部就可在空間取任意姿態(tài)，即達到完全靈活。 從驅(qū)動方式

15、看，手腕一般有兩種形式，即遠程驅(qū)動和直接驅(qū)動。直接驅(qū)動是指驅(qū)動器安裝在手腕運動關(guān)節(jié)的附近直接驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，因而傳動路線短，傳動剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大，慣量大。遠程驅(qū)動方式的驅(qū)動器安裝在機器人的大臂、基座或小臂遠端上，通過連桿、鏈條或其他傳動機構(gòu)間接驅(qū)動腕部關(guān)節(jié)運動，因而手腕的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對改善機器人的整體動態(tài)性能有好處，但傳動設(shè)計復(fù)雜，傳動剛度也降低了。 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?？梢宰C明，三自由度手腕能使手部取得空間任意姿態(tài)。 腕部實際所需要的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機器人的工作性能要求來確定。在有些情況下，腕部具有兩個自由度，即翻轉(zhuǎn)和俯仰或翻

16、轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。一些專用機械手甚至沒有腕部，但有些腕部為了滿足特殊要求還有橫向移動自由度。 由圖4.15可知，當(dāng)S軸不轉(zhuǎn)而B軸回轉(zhuǎn)時，B軸除帶動手腕繞A軸上下擺動外，還帶動錐齒輪4也繞A軸作轉(zhuǎn)動。由于5軸不轉(zhuǎn)，故錐齒輪3不轉(zhuǎn)，但錐齒輪4與3相嚙合，因此，迫使錐齒輪4繞C軸線有一個附加的自轉(zhuǎn)，即為手腕的附加回轉(zhuǎn)運動。因手腕俯仰運動引起的手腕附加回轉(zhuǎn)運動被稱為誘導(dǎo)運動，這在考慮手腕的回轉(zhuǎn)運動時應(yīng)予以注意。 這種傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，傳動扭矩大，能提高機器人的工作性能。在示敏型機器人中較多地采用這類傳動機構(gòu)作為手腕結(jié)構(gòu)。但該結(jié)構(gòu)的缺點是手腕有一個誘導(dǎo)運動，設(shè)計時要注意采取補償措施，消除誘導(dǎo)運動的影響。

17、圖4.17所示為齒輪鏈輪傳動實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)三個自由度運動的手腕原理圖。齒輪鏈輪傳動三自由度手腕在圖4.15所示手腕的基礎(chǔ)上增加了一個360偏轉(zhuǎn)運動。其工作原理如下：當(dāng)油缸1中的活塞作左右移動時，通過鏈條、鏈輪2、錐齒輪3和4帶動花鍵軸5和6轉(zhuǎn)動，而花鍵軸6與行星架9連成一體，因而也就帶動行星架作偏轉(zhuǎn)運動，即為手腕所增加的360偏轉(zhuǎn)運動。由于增加了T軸(即花鍵軸6)的偏轉(zhuǎn)運動，將誘使手腕產(chǎn)生附加俯仰和附加回轉(zhuǎn)運動。這兩個誘導(dǎo)運動產(chǎn)生的原因是當(dāng)傳動軸B和花鏈軸5不動時，齒輪21和23是相對不動的，由于行星架9的回轉(zhuǎn)運動，勢必引起齒輪22繞齒輪21和齒輪11繞齒輪23的轉(zhuǎn)動，齒輪22的自轉(zhuǎn)通過

18、錐齒輪20、16、17、18傳遞到擺動軸19，引起手腕的誘導(dǎo)俯仰運動。而齒輪11的自轉(zhuǎn)通過錐齒輪12、13、14、15傳遞到手部夾緊缸的殼體，使手腕作誘導(dǎo)回轉(zhuǎn)運動。同樣當(dāng)S、T軸不動時，B軸的轉(zhuǎn)動也會誘使手部夾緊缸的殼體作附加回轉(zhuǎn)運動。設(shè)計時要注意采取補償措施消除誘導(dǎo)運動的影響。 四、設(shè)計腕部時一般應(yīng)注意的問題 (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)動裝置的布局和安裝。 手腕結(jié)構(gòu)是機器人中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動系統(tǒng)互相干擾，更增加了手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。對腕部的設(shè)計要求是質(zhì)量輕，滿足作業(yè)對手部

19、姿態(tài)的要求，并留有一定的裕量(約510)；傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。一般來說，由于手腕處在開式連桿系末端的特殊位置，它的尺寸和質(zhì)量對操作機的動態(tài)特性和使用性能影響很大。因此，除了要求其動作靈活、可靠外，還應(yīng)使其結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，質(zhì)量盡可能小。而在所有的三自由度手腕結(jié)構(gòu)中，RRR型三自由度手腕構(gòu)造較簡單，應(yīng)用較普遍。 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，手爪與傳感器集成成為智能化手爪。手爪設(shè)計和選用時最主要的是滿足功能上的要求，具體來說要圍繞以下幾個方面進行調(diào)查，提出設(shè)

20、計參數(shù)和要求。1被抓握的對象物手爪設(shè)計和選用時首先要考慮的是要抓握什么樣的工件，因此，必須充分了解工件的幾何參數(shù)及機械特性。1) 幾何參數(shù)(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 與機器人配合工作的物料饋送器或儲存裝置對手爪最小和最大爪鉗之間的必需距離以及夾緊力都有要求，同時，還應(yīng)了解其他可能的不確定因素對手爪工作的影響。 3機器人作業(yè)順序 一臺機

21、器人在齒輪箱裝配作業(yè)中需要搬運齒輪和軸，并進行裝配。雖然手部可以既抓握齒輪也可以夾持軸，但是，不同零件所需的夾緊力和爪鉗張開距離是不同的，手部設(shè)計時應(yīng)考慮被夾持對象物的順序。必要的時候可采用多指手爪，以增加手部作業(yè)的柔性。 4手爪和機器人匹配 手爪一般用法蘭式機械接口與手腕相連接，手爪自重也增加了機械臂的負(fù)載，這兩個問題必須給予仔細考慮。手爪是可以更換的，手爪形式可以不同，但是與手腕的機械接口必須相同，這就是接口匹配。手爪自重不能太大，機器人能抓取工件的重量是機器人承載能力減去手爪重量。手爪自重要與機器人承載能力匹配。 5環(huán)境條件 作業(yè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況很重要，比如高溫、水、油等不同環(huán)境會影響手

22、爪的工作。一個鍛壓機械手要從高溫爐內(nèi)取出紅熱的鍛件坯必須保證手爪的開合、驅(qū)動在高溫環(huán)境中均能正常工作。 四、手爪的典型結(jié)構(gòu) 1機械手爪 1) 驅(qū)動 機械式手爪通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅(qū)動手指的開合。氣動手爪目前得到廣泛的應(yīng)用，這是因為氣動手爪有許多突出的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，容易維修，而且開合迅速，重量輕。其缺點是空氣介質(zhì)的可壓縮性使爪鉗位置控制比較復(fù)雜。液壓驅(qū)動手爪成本稍高一些。電動手爪的優(yōu)點是手指開合電動機的控制與機器人控制可以共用一個系統(tǒng)，但是夾緊力比氣動手爪、液壓手爪小，開合時間比它們長。電磁手爪控制信號簡單，但是電磁夾緊力與爪鉗行程有關(guān)，因此，只用在開合距離小的場合。圖4.

23、23所示為一種氣動手爪，氣缸4中壓縮空氣推動活塞3使連桿齒條2作往復(fù)運動，經(jīng)扇形齒輪1帶動平行四邊形機構(gòu)，使爪鉗5平行地快速開合。 3) 傳動 驅(qū)動源的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力。機械手爪還常以傳動機構(gòu)來命名，如平行連桿式手爪(見圖4.23)、齒輪齒條式手爪見 圖4.25(a)、撥桿杠桿式手爪見圖4.25(b)、滑槽式手爪見圖4.25(c)、重力式手爪見圖4.25(d)等。對于傳動機構(gòu)有運動要求和夾緊力要求。圖4.23所示的平行連桿式手爪及圖4.25(a)所示的齒輪齒條式手爪可保持爪鉗平行 運動，夾持寬度變化大。對夾緊力的要求是爪鉗開合度不同時夾緊力能保持不變。 2磁力吸盤 磁

24、力吸盤有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。磁力吸盤是在手部裝上電磁鐵，通過磁場吸力把工件吸住。圖4.26所示為電磁吸盤的結(jié)構(gòu)示意圖。在線圈通電的瞬時，由于空氣間隙的存在，磁阻很大，線圈的電感和啟動電流很大，這時產(chǎn)生磁性吸力將工件吸住，一旦斷電，磁吸力消失，工件松開。若采用永久磁鐵作為吸盤，則必須強迫性地取下工件。電磁吸盤只能吸住鐵磁材料制成的工件(如鋼鐵件)，吸不住有色金屬和非金屬材料的工件。磁力吸盤的缺點是被吸取工件有剩磁，吸盤上常會吸附一些鐵屑，致使不能可靠地吸住工件，而且只適用于工件要求不高或有剩磁也無妨的場合。對于不允許有剩磁的工件(如鐘表零件及儀表零件)，不能選用磁力吸盤，可用真空吸盤。另外鋼

25、、鐵等磁性物質(zhì)在溫度為723以上時磁性就會消失，故高溫條件下不宜使用磁力吸盤。 磁力吸盤要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附。磁力吸盤的計算主要是電磁吸盤中電磁鐵吸力的計算以及鐵心截面積、線圈導(dǎo)線直徑和線圈匝數(shù)等參數(shù)的設(shè)計。要根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境選擇工作情況系數(shù)和安全系數(shù)。 機器人是運動的，各個部位都需要能源和動力，因此設(shè)計和選擇良好的傳動部件是非常重要的。本節(jié)主要介紹關(guān)節(jié)、常用的傳動機構(gòu)以及傳動部件的定位和消隙。 機器人可分成固定式和行走式兩種，一般的工業(yè)機器人多為固定式。但是，隨著海洋科學(xué)、原子能科學(xué)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，可以預(yù)見，具有智能的可移動機器人是今后機器人的發(fā)展方向。比如，

26、美國研制的“探索者”輪式機器人已成功用于火星探測。 4.4.1 機器人傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 傳動機構(gòu)用來把驅(qū)動器的運動傳遞到關(guān)節(jié)和動作部位，這涉及關(guān)節(jié)形式的確定、傳動方式以及傳動部件的定位和消隙等多個方面的內(nèi)容。 一、關(guān)節(jié) 機器人中連接運動部分的機構(gòu)稱為關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動型和移動型，分別稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。 1轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)就是在機器人中被簡稱為關(guān)節(jié)的連接部分，它既連接各機構(gòu)，又傳遞各機構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運動(或擺動)，用于基座與臂部、臂部之間、臂部和手部等連接部位。關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)組成。 (1) 驅(qū)動機構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸式。這種形式直接驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸，有較高的定位精度。但是，為減輕

27、重量，要選擇小型減速器并增加臂部的剛性。它適用于水平多關(guān)節(jié)型機器人。 (2) 驅(qū)動機構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸正交式。重量大的減速機構(gòu)安放在基座上，通過臂部的齒輪、鏈條傳遞運動。這種形式適用于要求臂部結(jié)構(gòu)緊湊的場合。 (3) 外部驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動臂部的形式。這種形式適合于傳遞大扭矩的回轉(zhuǎn)運動，采用的傳動機構(gòu)有滾珠絲杠、液壓缸和氣缸。 (4) 驅(qū)動電動機安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式。這種方式稱為直接驅(qū)動方式。 2移動關(guān)節(jié) 移動關(guān)節(jié)由直線運動機構(gòu)和在整個運動范圍內(nèi)起直線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成。導(dǎo)軌部分分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和磁性懸浮導(dǎo)軌等形式。 一般，要求機器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂直于運動方向上要求剛度

28、高，摩擦系數(shù)小且不隨速度變化，并且有高阻尼、小尺寸和小慣量。通常，由于機器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用結(jié)構(gòu)緊湊且價格低廉的滾動導(dǎo)軌。 滾動導(dǎo)軌可以按直線導(dǎo)軌的種類、軌道形狀和滾動體分為: (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。 這些滾動導(dǎo)軌各有各的特點，裝有滾珠的滾動導(dǎo)軌適用于中小載荷和小摩擦的場合；裝有滾柱的滾動導(dǎo)軌適用于重載和高剛性的場合。受輕載的滾柱的特性接近于線性彈簧，呈硬彈簧特性；而滾珠的特性接近于非線性彈簧，剛性要求高時應(yīng)施加一定的預(yù)緊力。 重復(fù)完成簡單動作的搬運機器人(固定程

29、序機器人)中廣泛采用桿、連桿與凸輪機構(gòu)，例如，從某位置抓取物體放在另一位置上的作業(yè)。連桿機構(gòu)的特點是用簡單的機構(gòu)可得到較大的位移，而凸輪機構(gòu)具有設(shè)計靈活，可靠性高和形式多樣等特點，外凸輪機構(gòu)是最常見的機構(gòu)，它借助于彈簧可得到較好的高速性能；內(nèi)凸輪驅(qū)動時要求有一定的間隙，其高速性能劣于前者；圓柱凸輪用于驅(qū)動擺桿，而擺桿在與凸輪回轉(zhuǎn)方向平行的面內(nèi)擺動。設(shè)計凸輪機構(gòu)時，應(yīng)選用適應(yīng)大負(fù)載的凸輪曲線(修正梯形和修正正弦曲線等)，如圖4.43和圖4.44 所示。 6流體傳動 流體傳動分為液壓傳動和氣壓傳動。液壓傳動由液壓泵、液壓馬達或液壓缸組成，可得到高扭矩-慣性比。氣壓傳動比其他傳動運動精度差，但由于容

30、易達到高速，多數(shù)用在完成簡易作業(yè)的搬運機器人上。液壓、氣壓傳動中，模塊化和小型化的機構(gòu)較易得到應(yīng)用。例如，驅(qū)動機器人端部手爪上由多個伸縮動作氣缸集成的內(nèi)裝式移動模塊；氣缸與基座或滑臺一體化設(shè)計，并由滾動導(dǎo)軌引導(dǎo)移動支承在轉(zhuǎn)動部分的基座和滑臺內(nèi)的后置式模塊等。 三、傳動件的定位和消隙 1傳動件的定位 機器人的重復(fù)定位精度要求較高，設(shè)計時應(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關(guān)定位、機械擋塊定位和伺服定位。 1) 電氣開關(guān)定位 電氣開關(guān)定位是利用電氣開關(guān)(有觸點或無觸點)作行程檢測元件。當(dāng)機械手運行到定位點時，行程開關(guān)發(fā)出信號，切斷動力源或接通制動器，從而使機械手獲得定位。液

31、壓驅(qū)動的機械手運行至定位點時，行程開關(guān)發(fā)出信號，電控系統(tǒng)使電磁換向閥關(guān)閉油路而實現(xiàn)定位。電動機驅(qū)動的機械手需要定位時，行程開關(guān)發(fā)信號，電氣系統(tǒng)激勵電磁制動器進行制動而定位。使用電氣開關(guān)定位的機械手，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維修方便，但由于受慣性力、油溫波動和電控系統(tǒng)誤差等因素的影響，其重復(fù)定位精度比較低，一般為(35) mm。 3) 伺服定位 電氣開關(guān)定位與機械擋塊定位這兩種定位方法只適用于兩點或多點定位。而在任意點定位時，要使用伺服定位系統(tǒng)。伺服定位系統(tǒng)可以輸入指令控制位移的變化，從而獲得良好的運動特性。它不僅適用于點位控制，而且也適用于連續(xù)軌跡控制。 開環(huán)伺服定位系統(tǒng)沒有行程檢測及反饋裝置，是一種直接用脈沖頻率變化和脈沖數(shù)量控制機器人速度和位移的定位方式。這種定位方式抗干擾能力差，定位精度較低。如果需要較高的定位精度(如0.2 mm)，則一定要降低機器人關(guān)節(jié)軸的平均速度。 閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，抗干擾能力強，反應(yīng)速度快，容易實現(xiàn)任意點定位。 2傳動件的消隙 傳動機構(gòu)存在間隙，也叫側(cè)隙。就齒輪傳動而言，齒輪傳動的側(cè)隙是指一對齒輪中一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠獲得的最大角位移。傳動間隙影響了