機器人本題基本結(jié)構(gòu)課件

1、第第4 4章章 機器人本體基本結(jié)構(gòu)機器人本體基本結(jié)構(gòu) 機器人的本體結(jié)構(gòu)指其機體結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)，也是機器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機構(gòu)。本章以工業(yè)機器人為主要對象，介紹機器人本體主要組成部分的特點和結(jié)構(gòu)形式。4.1 4.1 概概 述述機器人本體是機器人的重要部分，所有的計算、分析和編程最終要通過本體的運動和動作完成特定的任務(wù)。機器人本體各部分的基本結(jié)構(gòu)、材料的選擇將直接影響整體性能。4.1.1 4.1.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式一、機器人本體基本結(jié)構(gòu)一、機器人本體基本結(jié)構(gòu)機器人本體主要包括:(1) 傳動部件；(2) 機身及行走機構(gòu)；(3) 臂部；(4) 腕部；(5) 手部。

2、二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)的舉例（二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)的舉例（關(guān)節(jié)型機器人）關(guān)節(jié)型機器人的主要特點是模仿人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu)，因此本體結(jié)構(gòu)通常包括機器人的機座結(jié)構(gòu)及腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、大臂結(jié)構(gòu)及大臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、小臂結(jié)構(gòu)及小臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手腕結(jié)構(gòu)及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置和末端執(zhí)行器。目前，可以像人一樣行走的關(guān)節(jié)型機器人已經(jīng)取得成功，并正向具有高級智能的方向拓展。進(jìn)行機器人本體的運動學(xué)、動力學(xué)和其他相關(guān)分析時，一般將機器人簡化成由連桿、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器首尾相接，通過關(guān)節(jié)相連而構(gòu)成的一個開式連桿系。在連桿系的開端安裝有末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器是機器人直接參與工作的部分。手部可以是各種夾持器，也可以是各種

3、工具，如焊槍、噴頭等。操作時，往往要求手部不僅能到達(dá)指定的位置，而且要有正確的姿態(tài)。組成機器人的連桿和關(guān)節(jié)按功能可以分成兩類，一類是組成手臂的長連桿，也稱臂桿，其產(chǎn)生主運動，是機器人的位置機構(gòu)；另一類是組成手腕的短連桿，它實際上是一組位于臂桿端部的關(guān)節(jié)組，是機器人的姿態(tài)機構(gòu)，確定了手部執(zhí)行器在空間的方向。機器人本體基本結(jié)構(gòu)的特點主要可歸納為以下四點：(1) 一般可以簡化成各連桿首尾相接、末端無約束的開式連桿系，連桿系末端自由且無支承，這決定了機器人的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。(2) 開式連桿系中的每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器，屬于主動連桿系，連桿的運動各自獨立，不同連桿的運

4、動之間沒有依從關(guān)系，運動靈活。(3) 連桿驅(qū)動扭矩的瞬態(tài)過程在時域中的變化非常復(fù)雜，且和執(zhí)行器反饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，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) 連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。綜合可見，合理的機器人本體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)使其機械系統(tǒng)的工作負(fù)載與自重的比值盡可能大，結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度盡可能高，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。臂桿質(zhì)量?。河欣诟纳茩C器人操作的動態(tài)性能。結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)剛度高： 1.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; 2.可降低對控制系統(tǒng)的要

5、求和系統(tǒng)造價; 3.可增加機械系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。提高機器人結(jié)構(gòu)固有頻率:可避開機器人的工作頻率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。（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，因而機械系統(tǒng)可能會因此激發(fā)振蕩。運動速度變化時振蕩的振幅和衰減時間是衡量機器人動力學(xué)性能好壞的重要指標(biāo)。動態(tài)剛度高可以減小定位時的超調(diào)量，縮短達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間，從而提高機器人的使用性能。）4.1.2 4.1.2 機器人本體材料的選擇機器人本體材料的選擇選擇機器人本體材料應(yīng)從機器人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設(shè)計和制作要求。機器人本體用來支承、連接、固定機器

6、人的各部分，當(dāng)然也包括機器人的運動部分，這一點與一般機械結(jié)構(gòu)的特性相同。機器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料。但另一方面，機器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，所以，機器人運動部分的材料質(zhì)量應(yīng)輕。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)。另外，機器人材料應(yīng)具備柔軟和外表美觀等特點?？傊_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。一、材料

7、選擇的基本要求一、材料選擇的基本要求機器人結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性是材料選擇的出發(fā)點。(1) 強度高。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。構(gòu)件剛度與材料的彈性模量E、G有關(guān)。彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。(3) 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)。為了提高構(gòu)件剛度應(yīng)選用彈性模量E大且低密度的材料。(4) 阻尼大。機器人臂經(jīng)過運動后，要求能平穩(wěn)地停下來?？墒窃诮K止運動的瞬時構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會產(chǎn)生殘余振動。從提高定位精度和傳動平穩(wěn)性來考慮，應(yīng)采用大阻尼材料或采

8、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。二、機器人常用材料簡介二、機器人常用材料簡介1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼這類材料強度好，彈性模量E大，抗變形能力強，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。3纖維增強合金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。5纖維增強復(fù)合材料這類材料具有極好的E/比，而且具有大阻尼的優(yōu)點，但存在老化

9、、蠕變、高溫?zé)崤蛎浺约芭c金屬件連接困難等問題。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(jìn)行約束層阻尼處理。4.2 4.2 機身及臂部結(jié)構(gòu)機身及臂部結(jié)構(gòu) 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。另外，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 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)一、機身的典型結(jié)構(gòu)機身結(jié)構(gòu)一般由機器

10、人總體設(shè)計確定。比如，圓柱坐標(biāo)型機器人把回轉(zhuǎn)與升降這兩個自由度歸屬于機身；球坐標(biāo)型機器人把回轉(zhuǎn)與俯仰這兩個自由度歸屬于機身；關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機器人把回轉(zhuǎn)自由度歸屬于機身；直角坐標(biāo)型機器人有時把升降(Z軸)或水平移動(X軸)自由度歸屬于機身。現(xiàn)介紹回轉(zhuǎn)與升降機身和回轉(zhuǎn)與俯仰機身。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) 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

11、于360。圖4.1 鏈條鏈輪傳動實現(xiàn)機身回轉(zhuǎn)的原理圖2回轉(zhuǎn)與俯仰機身 機器人手臂的俯仰運動一般采用活塞油(氣)缸與連桿機構(gòu)實現(xiàn)。手臂俯仰運動用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接，如圖4.2所示。此外有時也采用無桿活塞缸驅(qū)動齒條齒輪或四連桿機構(gòu)實現(xiàn)手臂的俯仰運動。圖4.2 回轉(zhuǎn)與俯仰機身二、機身驅(qū)動力二、機身驅(qū)動力( (力矩力矩) )計算計算1垂直升降運動驅(qū)動力的計算作垂直運動時，除克服摩擦力之外，還要克服機身自身運動部件的重力和其支承的手臂、手腕、手部及工件的總重力以及升降運動的全部部件慣性力，故其驅(qū)動力P Pq可按下式計算：qmgPF

12、FW式中：F Fm為各支承處的摩擦力(N)；F Fg為啟動時的總慣性力(N)； W W為運動部件的總重力(N)；對于式中的正、負(fù)號，上升時為正，下降時為負(fù)。2回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩只包括兩項：回轉(zhuǎn)部件的摩擦總力矩和機身自身運動部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的總慣性力矩，故驅(qū)動力矩MqMq 可按下式計算：qmgMMM而0gMJt式中：為升速或制動過程中的角速度增量(rad/s)；t為回轉(zhuǎn)運動升速過程或制動過程的時間(s)；J0為全部回轉(zhuǎn)零部件對機身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量(kgm2)。3升降立柱下降不卡死(不自鎖)的條件計算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

13、矩。當(dāng)手臂懸伸為最大行程時，其偏重力矩為最大。故偏重力矩應(yīng)按懸伸最大行程且最大抓重時進(jìn)行計算。根據(jù)靜力學(xué)原理可求出手臂總重量的重心位置距機身立柱軸的距離L，亦稱做偏重力臂，如圖4.3所示。圖4.3 機器人手臂的偏重力矩偏重力臂的大小為iiiG LLG偏重力矩為MWL手臂在總重量W的作用下有一個偏重力矩，而立柱支承導(dǎo)套中有阻止手臂傾斜的力矩，顯然偏重力矩對升降運動的靈活性有很大影響。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，此時必須增大升降驅(qū)動力，相應(yīng)的驅(qū)動及傳動裝置的結(jié)構(gòu)龐大。如果依靠自重下降，立柱可能卡死在導(dǎo)套內(nèi)而不能作下降運動，這就是自鎖。故必須根據(jù)偏重力矩的大小決

14、定立柱導(dǎo)套的長短。根據(jù)升降立柱的平衡條件可知1NF hWL12LFNFNWh要使升降立柱在導(dǎo)套內(nèi)下降自由，臂部總重量W必須大于導(dǎo)套與立柱之間的摩擦力F Fm1及F Fm2，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件為12122mmNLWFFFfWfh即2hfL式中：h為導(dǎo)套的長度(m)；f為導(dǎo)套與立柱之間的摩擦系數(shù)，f=0.0150.1，一般取較大值；L為偏重力臂(m)。 假如立柱升降都是依靠驅(qū)動力進(jìn)行的，則不存在立柱自鎖(卡死)條件，升降驅(qū)動力計算中摩擦阻力按上式計算。三、機身設(shè)計要注意的問題三、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。(

15、3) 驅(qū)動方式適宜。(4) 結(jié)構(gòu)布置合理。4.2.2 4.2.2 機器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點機器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點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)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(jìn)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

16、等，可根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素選取。圖4.4所示為采用四根導(dǎo)向柱的臂部伸縮結(jié)構(gòu)。手臂的垂直伸縮運動由油缸3驅(qū)動，其特點是行程長，抓重大。工件形狀不規(guī)則時，為了防止產(chǎn)生較大的偏重力矩，可采用四根導(dǎo)向柱。這種結(jié)構(gòu)多用于箱體加工線上。圖4.4 四導(dǎo)向柱式臂部伸縮機構(gòu)1手部；2夾緊缸；3油缸；4導(dǎo)向柱；5運行架；6行走車輪；7軌道；8支座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，如圖4.5所示。3手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu)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(dá)-錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。圖4.5 擺動油

17、缸驅(qū)動連桿俯仰臂機構(gòu)1手部；2夾緊缸；3升降缸；4小臂；2、5、7擺動油缸；6大臂；8立柱二、機器人手臂材料的選擇二、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。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。另一方面，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，它應(yīng)是輕型材料。而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(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的

18、材料制作手臂。三、臂部設(shè)計需注意的問題三、臂部設(shè)計需注意的問題(1) 承載能力足。要考慮抓取物體的重量和運動時的動載荷。(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。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。(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。4.2.3 4.2.3 機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法機

19、器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法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。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。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。(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。盡量重心與轉(zhuǎn)軸重合。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(jìn)行動力平衡。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。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

20、衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電動機。一、質(zhì)量平衡方法一、質(zhì)量平衡方法臂桿質(zhì)量平衡的原理是合理地分布臂桿質(zhì)量，使臂桿重心盡可能落在支點上，必要時甚至采用在適當(dāng)位置配置平衡質(zhì)量(即配重)的方法，使臂桿的重心落在支點上。在關(guān)節(jié)型機器人的應(yīng)用中，由于小臂桿質(zhì)量對驅(qū)動扭矩的不利影響更大，因而在小臂桿上使用平衡技術(shù)更為普遍；對于大臂臂桿，主要使用彈簧力或其他可控力，如氣、液、電力等進(jìn)行平衡。圖4.6所示為一種在質(zhì)量平衡技術(shù)中最經(jīng)常使用的平行四邊形平衡機構(gòu)。圖4.6 機器人平行四邊形平衡機構(gòu)只要滿足3332223332m O Gm O Gm O GSVO Vmm就能保證0M 使平行四邊形機構(gòu)處于平衡狀態(tài)

21、。這說明該平衡系統(tǒng)在機械臂的任何構(gòu)形下都是平衡的。二、彈簧平衡方法二、彈簧平衡方法彈簧平衡一般可以使用長彈簧。如圖4.7所示，在工作位置上彈簧力產(chǎn)生的平衡力矩M M0 為圖4.7 彈簧平衡原理01sinMFr22sin 90cossinorrll0Fk ll由得01 20()cosk ll rrMl實際應(yīng)用時彈簧的剛度很難完全滿足要求的條件，此時，可通過適當(dāng)改變彈簧的長度和剛度加以修正。三、氣動和液壓平衡方法三、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：a.平衡缸中的壓力是恒定的，不會隨臂桿的位置變化而變化；b. 平衡缸的壓力很容易得到調(diào)節(jié)和控制，有利于提高整個機器人

22、的動態(tài)性能。缺點:需要動力源和儲能器，因而系統(tǒng)比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)比較龐大；而且設(shè)計時如果采用這種方案，需考慮動力源一旦中斷時(如手臂會因自重下滑等)的防范措施，以免發(fā)生事故。4.3 4.3 腕部及手部結(jié)構(gòu)腕部及手部結(jié)構(gòu)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，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 4.3.1 機器人腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點機器人腕部結(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)。從驅(qū)動方式看，手腕一般有兩種形式

23、: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(yuǎn)程驅(qū)動的驅(qū)動器安裝在機器人的大臂、基座或小臂遠(yuǎn)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。按轉(zhuǎn)動特點的不同，用于手腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動又可細(xì)分為:滾轉(zhuǎn)是能實現(xiàn)360無障礙旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)運動，通常用R來標(biāo)記。 彎轉(zhuǎn)相對轉(zhuǎn)動角度一般小于360。通常用B來標(biāo)記。一、腕部的自由度一、腕部的自由度機器人一般具有六個自由度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)。為了使手部能處于空間任意

24、方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個自由度，如圖4.9所示。圖4.9 手腕的坐標(biāo)系和自由度圖4.10 三自由度手腕的6種結(jié)合方式示意圖。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。三自由度手腕能使手部取得空間任意姿態(tài)。二、設(shè)計腕部時一般應(yīng)注意的問題二、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。4.3.2 4.3.2 機器人手部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點機器人手部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點一、機器人手部的特點

25、一、機器人手部的特點(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。(4) 手部是一個獨立的部件。二、手部的分類二、手部的分類1按用途分1) 手爪手爪具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。2) 工具工具是進(jìn)行某種作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等。 圖4.18 平面鉗爪夾持圓柱工件 圖4.19 專用工具(噴漆槍、焊具)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。圖4.21 三指

26、手爪 圖4.22 柔性手指手爪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，手爪與傳感器集成成為智能化手爪。三、手爪設(shè)計和選用的要求三、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) 2) 機械特性2物料饋送器或儲存裝置3機器人作業(yè)順序4手爪和機器人匹配 1）接口匹配。 2)承載能力匹配。5環(huán)境條件4.4 4.4 傳動及行走機構(gòu)傳動及行走機構(gòu)機器人是運動的，各個部位都需要能源和動力，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，因此設(shè)計和選擇良好的傳動部件是非常重要的。這涉及關(guān)節(jié)形式的確定、

27、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。4.4.1 4.4.1 機器人傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點機器人傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點圖4.33 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式一、關(guān)節(jié)一、關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)組成。1）轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式2）軸承機器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機器人和機械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感。圖4.34 基本耐磨球軸承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，

28、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。二、機器人傳動機構(gòu)二、機器人傳動機構(gòu)機器人中常用的傳動機構(gòu)有齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動及鏈傳動、流體傳動和連桿機構(gòu)與凸輪傳動。1齒輪傳動機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)是行星齒輪傳動機構(gòu)和諧波傳動機構(gòu)。主要完成速度和力矩的

29、變換與調(diào)節(jié)。電動機是高轉(zhuǎn)速、小力矩的驅(qū)動器，而機器人常要求低轉(zhuǎn)速、大力矩。1) 行星齒輪傳動機構(gòu)行星齒輪傳動尺寸小，慣量低；一級傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊；載荷分布在若干個行星齒輪上，內(nèi)齒輪也具有較高的承載能力。圖4.35 行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡圖2) 諧波傳動機構(gòu)諧波傳動在運動學(xué)上是一種具有柔性齒圈的行星傳動，諧波發(fā)生器是在橢圓型凸輪的外周嵌入薄壁軸承制成的部件。軸承內(nèi)圈固定在凸輪上，外圈依靠鋼球發(fā)生彈性變形，一般與輸入軸相連。柔輪是杯狀薄壁金屬彈性體，杯口外圓切有齒，底部稱為柔輪底，用來與輸出軸相連。剛輪內(nèi)圓有很多齒，齒數(shù)比柔輪多兩個，一般固定在殼體。輸入軸為3，如果剛輪1固定，則軸5為輸出軸；如果軸

30、5固定，則剛輪1的軸為輸出軸。圖4.36所示是諧波傳動的結(jié)構(gòu)簡圖。諧波傳動的優(yōu)點： 尺寸小，慣量低； 因為誤差均布在多個嚙合點上，傳動精度高； 因為為加預(yù)載嚙合，傳動側(cè)隙非常??； 因為為多齒嚙合，傳動具有高阻尼特性。諧波傳動的缺點： 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。2絲杠傳動 絲杠傳動有滑動式、滾珠式和靜壓式等。機器人傳動用的絲杠具備結(jié)構(gòu)緊湊，間隙小和傳動效率高等特點。滑動式絲杠螺母機構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產(chǎn)生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，并且能自鎖。因絲杠的螺旋升角較小

31、，所以用較小的驅(qū)動力矩可獲得較大的牽引力。但是，絲杠螺母螺旋面之間的摩擦為滑動摩擦，故傳動效率低。滾珠絲杠傳動效率高，而且傳動精度和定位精度均很高，傳動時靈敏度和平穩(wěn)性亦很好。由于磨損小，滾珠絲桿的使用壽命比較長，但成本較高。圖4.38 滾珠絲杠的基本組成1絲杠；2螺母；3滾珠；4導(dǎo)向槽圖4.39 絲杠螺母傳動的手臂升降機構(gòu)1電動機；2蝸桿；3臂架；4絲杠；5蝸輪；6箱體；7花鍵套3帶傳動與鏈傳動帶傳動和鏈傳動用于傳遞平行軸之間的回轉(zhuǎn)運動，或把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。機器人中的帶傳動和鏈傳動分別通過帶輪或鏈輪傳遞回轉(zhuǎn)運動，有時還用來驅(qū)動平行軸之間的小齒輪。1)同步帶傳動同步帶傳動屬于低慣性傳動

32、，適合于在電動機和高速比減速器之間使用。同步帶上安裝滑座可完成與齒輪齒條機構(gòu)同樣的功能。由于同步帶傳動慣性小，且有一定的剛度，所以適合于高速運動的輕型滑座。圖4.40 同步帶形狀2) 滾子鏈傳動滾子鏈傳動屬于比較完善的傳動機構(gòu)，由于噪聲小，效率高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是，高速運動時滾子與鏈輪之間的碰撞會產(chǎn)生較大的噪聲和振動，只有在低速時才能得到滿意的效果，即滾子鏈傳動適合于低慣性負(fù)載的關(guān)節(jié)傳動。鏈輪齒數(shù)少，摩擦力會增加，要得到平穩(wěn)運動，鏈輪的齒數(shù)應(yīng)大于17，并盡量采用奇數(shù)齒。4繩傳動與鋼帶傳動1) 繩傳動繩傳動廣泛應(yīng)用于機器人的手爪開合傳動，適合有限行程的運動傳遞。優(yōu)點：鋼絲繩強度大，各方

33、向上的柔軟性好，尺寸小，預(yù)載后有可能消除傳動間隙。缺點：不加預(yù)載時存在傳動間隙；因為繩索的蠕變和索夾的松弛使傳動不穩(wěn)定；多層纏繞后，在內(nèi)層繩索及支承中損耗能量；效率低；易積塵垢。2) 鋼帶傳動 鋼帶傳動的優(yōu)點是傳動比精確，傳動件質(zhì)量小，慣量小，傳動參數(shù)穩(wěn)定，柔性好，不需潤滑，強度高。5桿、連桿與凸輪傳動重復(fù)完成簡單動作的搬運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

34、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) 。圖4.43 凸輪機構(gòu)圖4.44 連桿機構(gòu)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(dá)或液壓缸組成，可得到高扭矩-慣性比。氣壓傳動運動精度差，但易達(dá)到高速，多數(shù)用在完成簡易作業(yè)的搬運機器人上。圖4.45 油缸和齒輪齒條手臂機構(gòu)圖4.46 氣缸和齒輪齒條增倍手臂機構(gòu)1運動齒條；2齒輪；3活塞桿三、傳動件的定位和消隙三、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āＤ壳俺Ｓ玫亩?/p>

35、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)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(jìn)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。2) 機械擋塊定位機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊，當(dāng)機械手減速運動到終點

36、時，緊靠擋塊而定位。若定位前緩沖較好，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在驅(qū)動壓力作用下將運動件壓在機械擋塊上，或驅(qū)動壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達(dá)到較高的定位精度，最高可達(dá)0.02mm。若定位時關(guān)閉驅(qū)動油路，去掉驅(qū)動壓力，機械手運動件不能緊靠在機械擋塊上，定位精度就會減低，其減低的程度與定位前的緩沖效果和機械手的結(jié)構(gòu)剛性等因素有關(guān)。圖4.47 利用機械插銷定位的結(jié)構(gòu)1行程節(jié)流閥；2定位圓盤；3插銷；4定位油缸3) 伺服定位前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

37、。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。傳動間隙影響機器人的重復(fù)定位精度和平穩(wěn)性。對機器人控制系統(tǒng)來說，傳動間隙導(dǎo)致顯著的非線性變化、振動和不穩(wěn)定。但是，傳動間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的主要原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙，為適應(yīng)熱膨脹而特意留出的間隙。消除傳動間隙的主要途徑有：提高制造和裝配精度，設(shè)計可調(diào)整傳動間隙的機構(gòu)，設(shè)置彈性補償元件。幾種常用傳動消隙方法：1) 消隙齒輪2) 柔性齒輪消隙3) 對稱傳動消隙4) 偏心機構(gòu)消隙5) 齒廓彈性覆層消隙4.4.2 4.4.2 機器人行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點機器人行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點行走機構(gòu)是行走機器人的重要執(zhí)行部件，它由驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組