機器人本體結(jié)構(gòu)課件

1、第5章 機器人本體基本結(jié)構(gòu)本體結(jié)構(gòu)：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)。 5.1 概 述5.1.1 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)(1) 傳動部件。(2) 機身及行走機構(gòu)。(3) 臂部。(4) 腕部。(5) 手部。第5章 機器人本體基本結(jié)構(gòu)本體結(jié)構(gòu)：機體結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)機座腰部大臂大臂腕部末桿+手部位置機構(gòu)姿態(tài)機構(gòu)上述操作機的分類是按位置機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式分的。二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)的舉例機座腰部大臂大臂腕部末桿+位置機構(gòu)姿態(tài)機構(gòu)上述操作機的分類是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)機器人的運動副。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):

2、工業(yè)機器人的運本體基本結(jié)構(gòu)的主要特點：(1)開式運動鏈：結(jié)構(gòu)剛度不高 。(2) 相對機架：獨立驅(qū)動器，運動靈活。(3) 扭矩變化非常復(fù)雜：對剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。(4) 動力學參數(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：避開機器人的工作頻率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。本體基本結(jié)構(gòu)的主要特點：本體基本結(jié)構(gòu)要求：5.1.2 機器人本體材料的選擇一、材料選擇的

3、基本要求(1)強度高: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高合金結(jié)構(gòu)鋼：b= 2000MPa， E =2.1105MPa (3)密度小：重量輕。(4)阻尼大：減小穩(wěn)定時間。(5) 經(jīng)濟性。5.1.2 機器人本體材料的選擇一、材料選擇的基本要求二、機器人常用材料簡介1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼強度好；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. 纖維增強合金E/非

4、常高,但價格昂貴。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11.4107和8.9107 。二、機器人常用材料簡介4. 陶瓷脆性大。5纖維增強復(fù)合材料E/高，易老化、蠕變、高溫熱膨脹/金 屬件連接困難等問題。重量輕，剛度大，大阻尼。6粘彈性大阻尼材料吉林工業(yè)大學和西安交通大學進行了粘彈性大阻尼材料在柔性機械臂振動控制中應(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。4. 陶瓷5.2 機身及臂部結(jié)構(gòu)5.2.1 機器人機身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點一、機身的典型結(jié)構(gòu)機身結(jié)構(gòu)一般由機器人總體設(shè)計

5、確定。1回轉(zhuǎn)與升降機身(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。5.2 機身及臂部結(jié)構(gòu)5.2.1 機器人機身結(jié)構(gòu)的基本形(3) 鏈輪傳動機構(gòu)?；剞D(zhuǎn)角度可大于360。鏈條鏈輪傳動實現(xiàn)機身回轉(zhuǎn)的原理圖(3) 鏈輪傳動機構(gòu)?；剞D(zhuǎn)角度可大于360。鏈條鏈輪傳動實2回轉(zhuǎn)與俯仰機身 回轉(zhuǎn)與俯仰機身2回轉(zhuǎn)與俯仰機身 回轉(zhuǎn)與俯仰機身1.垂直升降運動驅(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)；為運動部件的總重力(N) 。為各支承處的摩擦力(N)；二、機身驅(qū)動力(力矩)計算1.垂直升降

6、運動驅(qū)動力 的計算為啟動時的總慣性力(N2.回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算為總摩擦阻力矩(Nm)；為回轉(zhuǎn)運動部件的總慣性力矩 (Nm)2.回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算為總摩擦阻力矩(Nm)；為回轉(zhuǎn)運3.升降立柱下降不卡死(不自鎖)的條件計算3.升降立柱下降不卡死(不自鎖)的條件計算三、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。三、機身設(shè)計要注意的問題5.2.2 機器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點大臂、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、臂部的典型機構(gòu)1臂部伸縮機構(gòu)四導(dǎo)向柱式臂部伸縮機

7、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5.2.2 機器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點大臂、小臂(或多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。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)3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-錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。3手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(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)計與腕和機身的連接部位。

8、三、臂部設(shè)計需注意的問題5.2.3 機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法一、質(zhì)量平衡方法若滿足則總力矩：5.2.3 機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法一、質(zhì)量平衡方法若二、彈簧平衡方法 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: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：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。三、氣動和液壓平衡方法5.3 腕部及手部結(jié)構(gòu)5.3.1 機器人腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 驅(qū)動方式：遠程驅(qū)動和直接驅(qū)動。 直接驅(qū)動：驅(qū)動器安裝在手腕運動關(guān)節(jié)的附近 傳動路線短，傳動剛度好，尺寸

9、和質(zhì)量大，慣量大。 遠程驅(qū)動：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)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。5.3 腕部及手部結(jié)構(gòu)5.3.1 機器人腕部結(jié)構(gòu)的基本形滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)滾轉(zhuǎn)：能實現(xiàn)360無障礙旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)運動，通常用R來標記。彎轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)動角度一般小于360。彎轉(zhuǎn)通常用B來標記。滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)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。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6種三自由度手腕的結(jié)合方式示意圖6種三自由度手腕的結(jié)合方式示意圖機器人本體結(jié)構(gòu)課件機器人本體結(jié)構(gòu)課件二

10、、RRR型手腕1. RRR型手腕結(jié)構(gòu)示意制造簡單，潤滑條件好，機械效率高，應(yīng)用較為普遍。二、RRR型手腕1. RRR型手腕結(jié)構(gòu)示意制造簡單，潤滑條RRR型手腕關(guān)節(jié)遠程傳動示意圖RRR型手腕關(guān)節(jié)遠程傳動示意圖三、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手腕三、腕部的典型結(jié)構(gòu)1.單自由度回轉(zhuǎn)運動手腕回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動的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

11、腕部結(jié)構(gòu)1手腕；2中心軸；3固定中心軸；4定片；5擺動回轉(zhuǎn)3三自由度手腕1) 液壓直接驅(qū)動三自由度手腕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B2) 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5.3.2 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(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

12、。(3) 手部的通用性比較差。 (4) 手部是一個獨立的部件。5.3.2 機器人手部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點一、機器人手部的二、手部的分類 2) 工具1) 手爪1按用途分二、手部的分類 2) 工具1)2按夾持原理分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。3按手指或吸盤數(shù)目分 柔性手指手爪三指手爪 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

13、覺傳感器等。4按智能化分三、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)(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3.機器人作業(yè)順序4.手爪和機器人匹配5.環(huán)境條件三、手爪設(shè)計和選用的要求四、手爪的典型結(jié)構(gòu)1機械手爪 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、手爪的典型結(jié)構(gòu) 氣動手爪 四種手爪傳動機構(gòu)四種手爪傳動機構(gòu)2

14、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2磁力吸盤 電磁吸盤結(jié)構(gòu)3真空式吸盤1電動機；2真空泵；3、4電磁閥；5吸盤；6通大氣3真空式吸盤1電動機；2真空泵；3、4電磁閥；5吸氣流負壓吸盤氣流負壓吸盤1吸盤架；2壓蓋；3密封墊；4吸盤；5工件擠氣負壓吸盤1吸盤架；2壓蓋；3密封墊；4吸盤；5工件擠氣負壓工作原理工作原理 自適應(yīng)吸盤異形吸盤4真空吸盤的新設(shè)計 自適應(yīng)吸盤異形吸盤4真空吸盤的新設(shè)計2）軸承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、機器人傳動機構(gòu)1齒輪傳動常

15、用行星齒輪傳動機構(gòu)和諧波傳動機構(gòu)。最優(yōu)傳動比。Ja為工作臂的慣性矩； Jm 為電動機的慣性矩。2移動關(guān)節(jié)二、機器人傳動機構(gòu)1齒輪傳動Ja為工作臂的慣性行星齒輪傳動行星齒輪傳動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；諧波傳動如果剛輪(圓形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；諧波傳動如果剛輪(圓形諧波傳動的優(yōu)點：尺寸小慣量低；誤差均布在多個嚙合點上傳動精度高；加預(yù)載

16、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：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諧波傳動的優(yōu)點：液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧波傳動 1凸輪；2柔輪；3小孔液壓靜壓諧波發(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2絲杠傳動 滾珠絲杠的基本組成1電動機；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的手臂升降機構(gòu)絲杠螺母傳動的手臂升降機構(gòu)3帶傳動與鏈傳動4繩傳動與鋼帶傳動3帶傳動與鏈傳動4繩傳動與鋼帶傳

17、動ADEPT機器人ADEPT機器人5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)。 凸輪機構(gòu)5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連桿連桿機構(gòu)連桿機構(gòu)6流體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。 6流體傳動液壓傳動由液壓泵、液壓馬達或液壓缸組成，可得到高油缸和齒輪齒條手臂機構(gòu)油缸和齒輪齒條手臂機構(gòu)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

18、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1傳動件的定位1) 電氣開關(guān)定位2) 機械擋塊定位利用機械插銷定位的結(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)2傳動件的消隙1、2薄齒輪；3螺釘消隙齒輪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柔性齒輪消隙5.4.2 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、電纜及管路等組成。 行走機構(gòu)可分為固定軌跡式和無固定軌跡式。 絲杠螺母驅(qū)動，整個機器人沿絲杠縱向移動。也可采用類似起重機梁行走方式：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、材料堆垛和儲運及大面積噴涂等。一、固定軌跡可移動機器人5.4.2 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)是行二、無固定軌跡式行走機器人1對行走機器人的一般要求1）移動 2）自行重新定位（可用計算機視覺系統(tǒng)定位) 3）自身要平衡 4）有足夠的強度和剛度。 二、無固定軌跡式行走機器人1對行走機器人的一般要求1）移動2典型行走機構(gòu)1）具有三組輪子的輪系2) 具有四組輪子的輪系2典型行走機構(gòu)1）具有三組輪子的輪系2)