工業(yè)機器人22手部設(shè)計-23腕部設(shè)計課件

SIWR-Ⅰ型和Ⅱ型水下作業(yè)機械手模擬試驗裝置2.2手部設(shè)計SIWR-Ⅰ型和Ⅱ型水下作業(yè)機械手模擬試驗裝置2.2手部2.2手部設(shè)計新松的裝配機器人2.2手部設(shè)計新松的裝配機器人2.2手部設(shè)計2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計2.2.2吸盤式手部的設(shè)計2.2.3類人機器人的手部

——關(guān)節(jié)式手指2.2手部設(shè)計2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計2.2手部設(shè)計習(xí)題：設(shè)計一手部結(jié)構(gòu)，用來抓取盤中的蘋果。要求：畫出結(jié)構(gòu)，并給出關(guān)鍵尺寸。說明其驅(qū)動方式及計算增力比N/P。2.2手部設(shè)計習(xí)題：設(shè)計一手部結(jié)構(gòu)，用來抓取盤中的蘋果。

機器人的手部是重要的執(zhí)行機構(gòu)。從其功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。前者應(yīng)用較多，也比較成熟，后者正處于深入研究階段。工業(yè)機器人的手部是用來抓取工件或工具的部件。由于被抓取的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)等的不同，手部的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的。各種手部的工作原理不同，結(jié)構(gòu)型式各異。常用的手部按其握持原理的不同可分為兩類，即鉗爪式和吸附式。2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計機器人的手部是重要的執(zhí)行機構(gòu)。從其功能和2.2手部設(shè)計2.2手部設(shè)計2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計

鉗爪式手部的組成一般的鉗爪式手部由以下三部分組成：手指：傳動機構(gòu)：驅(qū)動裝置：此外，還有連接和支撐元件，將上述各部分連接成一個整體，以及實現(xiàn)手部與機器人的腕部的連接。2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計鉗爪式手部的組成2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計一、手指2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計一、手指2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計斜楔杠桿式手部二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計滑槽杠桿式手部二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計雙支點連桿杠桿式手部二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計齒條齒輪杠桿式手部二、傳動機構(gòu)——回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計二、傳動機構(gòu)——平移型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計直線平移型手部二、傳動機構(gòu)——平移型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計二、傳動機構(gòu)——平移型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計四連桿機構(gòu)平移型手部二、傳動機構(gòu)——平移型傳動機構(gòu)2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計1-齒條2-齒輪3-工件齒輪齒條移動式手爪1322.2.1鉗爪式手部的設(shè)計二、傳動機構(gòu)——其它結(jié)構(gòu)型式1-齒條2-齒輪3-工件1322.2.1鉗爪式手重力式手爪二、傳動機構(gòu)——其它結(jié)構(gòu)型式重力式手爪二、傳動機構(gòu)——其它結(jié)構(gòu)型式撥桿杠桿式鉗爪二、傳動機構(gòu)——其它結(jié)構(gòu)型式撥桿杠桿式鉗爪二、傳動機構(gòu)——其它結(jié)構(gòu)型式內(nèi)撐式三指鉗爪二、傳動機構(gòu)——其它結(jié)構(gòu)型式內(nèi)撐式三指鉗爪二、傳動機構(gòu)——其它結(jié)構(gòu)型式三、鉗爪式手部的設(shè)計要點2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計應(yīng)具有足夠的夾緊力應(yīng)具有足夠的張開角應(yīng)能保證工件的可靠定位應(yīng)具有足夠的強度和剛度應(yīng)適應(yīng)被抓取對象的要求應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高應(yīng)具有一定的通用性和可互換性三、鉗爪式手部的設(shè)計要點2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)舉例以及夾緊力的分析計算2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計

手部機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式不同，其特點也各不相同，下面僅舉幾個結(jié)構(gòu)實例及其夾緊力的計算公式供設(shè)計時參考。鉗爪式手部機構(gòu)夾持工件的夾緊力是通過驅(qū)動裝置(液壓、氣動或電動)所產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)過手部機構(gòu)的傳遞而產(chǎn)生的。四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)舉例以及夾緊力的分析計算2.2.1鉗爪四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例

齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)注：①兩手指平移②增力比（N/P）小N=P/2NNP2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例齒輪齒條式手部結(jié)四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例平行連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC桿長，l＝AB桿長；②兩手指保持平行；③當(dāng)α角較小時，可獲得較大的力比。NNPABCEαβγ2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例平行連桿杠桿式手部四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例

連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)αφPNNcbN=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ注：①手指開閉角較?。虎诋?dāng)取較小的α?xí)r，可獲得較大的增力比（即N／P）2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例連桿杠桿式手部結(jié)四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)PcbPNN=Pcctgα/2Nα2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)PNNαbN＝Pc/2b2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)

吸附類手部也主要分為兩種，即氣吸式和磁吸式兩種。氣吸式是指用負壓吸盤吸附工件，按負壓產(chǎn)生的方式不同，可分為擠壓式和真空式兩種。磁吸式手部是在手腕部裝上電磁鐵，通過電磁吸力把工件吸住。2.2.2吸附式手部的設(shè)計2.2.2吸附式手部的設(shè)計一、氣吸式手部的種類真空吸盤系統(tǒng)2.2.2吸附式手部的設(shè)計一、氣吸式手部的種類真空吸盤系統(tǒng)2.2.2吸附式手部的設(shè)一、氣吸式手部的種類123451-電機2-真空泵3,4-電磁閥5-吸盤真空吸盤控制系統(tǒng)42.2.2吸附式手部的設(shè)計一、氣吸式手部的種類123451-電機2-真空泵3,4-一、氣吸式手部的種類氣流負壓噴嘴吸盤結(jié)構(gòu)原理圖擠壓負壓式吸盤2.2.2吸附式手部的設(shè)計一、氣吸式手部的種類氣流負壓噴嘴吸盤結(jié)構(gòu)原理圖擠壓吸力大小與吸盤的直徑大小，吸盤內(nèi)的真空度(或負壓大小)以及吸盤的吸附面積的大小有關(guān)。工件被吸附表面的形狀和表面不平度也對其有一定的影響，設(shè)計時要充分考慮上述各種因素，以保證有足夠的吸附力。應(yīng)根據(jù)被抓取工件的要求確定吸盤的形狀。由于氣吸式手部多吸附薄片狀的工件，故可用耐油橡膠壓制不同尺寸的盤狀吸頭。二、氣吸式手部的設(shè)計要素2.2.2吸附式手部的設(shè)計吸力大小與吸盤的直徑大小，吸盤內(nèi)的真空度(或負壓大小)以及吸三、氣吸式手部的吸力計算2.2.2吸附式手部的設(shè)計

吸盤吸力的大小主要取決于真空度(或負壓的大小)與吸附面積的大小。

真空吸盤吸力F計算公式：三、氣吸式手部的吸力計算2.2.2吸附式手部的設(shè)計

磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力來吸取工件。磁吸式手部只能對鐵磁物體起作用；另外，對某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸式手部的使用有一定的局限性。2.2.2吸附式手部的設(shè)計四、磁吸式手部的原理與應(yīng)用磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的設(shè)計電磁鐵工作原理五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的設(shè)計電磁鐵工作原理五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的設(shè)計盤狀磁吸附手部結(jié)構(gòu)五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的設(shè)計盤狀磁吸附手部結(jié)五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的設(shè)計幾種電磁式吸盤工作示意圖五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的設(shè)計幾種電磁式吸盤工應(yīng)具有足夠的電磁吸引力。應(yīng)根據(jù)被吸附工件的形狀、大小來確定電磁吸盤的形狀、大小，吸盤的吸附面應(yīng)與工件的被吸附表面形狀一致。電磁吸力的計算a.直流電磁鐵的吸力計算：b.交流電磁鐵的吸力計算：2.2.2吸附式手部的設(shè)計六、磁吸式手部的設(shè)計要點及計算1234567891011磁盤；2－防塵蓋；3－線圈；4－外殼體；5－螺母；6－防塵螺母；7，9－墊圈；8－螺母；10－軸承；11－出導(dǎo)線孔2.2.2吸附式手部的設(shè)計六、磁吸式手部的設(shè)計要點及計算2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計

帶“眼睛”（機器視覺系統(tǒng)）的件箱拆垛手爪；工料定位精度≤mm，負載能力≥100kg；物料最大尺寸：1000mm×600mm,可2件或3件一起抓取。

帶“眼睛”（機器視覺系統(tǒng)）的輔料堆垛手爪;工料識別準(zhǔn)確率：100%，工料定位精度≤1mm，負載能力≥125kg;物料最大尺寸：600mm×500mm

件箱堆垛手爪：負載能力≥100kg,物料最大尺寸：1000mm×600mm

帶傳感器識別、抓取薄膜的拆包手爪：識別定位精度≤0.5mm，帶抓取、剪斷鋼質(zhì)捆扎帶機構(gòu)。

煙包搬運機械手：搬運負載能力≥300kg,帶取夾板輔助功能。2.2.1鉗爪式手部的設(shè)計帶“眼睛”（機器視覺系

大部分的工業(yè)機器人的手部只有兩個手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。為了使機器人的手臂能完成各種不同的工作，有更大的適應(yīng)性和通用性，除了要使臂部具有更大的空間活動范圍外，還要在其上安裝一個更靈巧的手，即類人手。這種手是由若干帶有關(guān)節(jié)的手指構(gòu)成。

2.2.3類人機器人的手部—關(guān)節(jié)式手指

大部分的工業(yè)機器人的手部只有兩個手指，而且類人機器人的手部具有多關(guān)節(jié)的三指手類人機器人的手部具有多關(guān)節(jié)的三指手類人機器人的手部1,9-適應(yīng)彈簧2,3,8-連桿4－食指5－中指6－無名指7－小指10－蝸輪11－驅(qū)動桿貝爾格萊德手1234567891011類人機器人的手部1,9-適應(yīng)彈簧2,3,8-連桿4－

在張啟先院士的主持下，北京航空航天大學(xué)機器人研究所于80年代末開始靈巧手的研究與開發(fā)。靈巧手有三個手指，每個手指有3個關(guān)節(jié)，3個手指共9個自由度，微電機放在靈巧手的內(nèi)部，各關(guān)節(jié)裝有關(guān)節(jié)角度傳感器，指端配有三維力傳感器，采用兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng)。北航研制的BH-3靈巧手北航研制的BH-4靈巧手BH-4型靈巧手有四個手指，每個手指有4個關(guān)節(jié)，4個手指共16個自由度，其關(guān)節(jié)由齒輪傳動，包括直流伺服電機、行星減速器和光碼盤在內(nèi)的電機單元驅(qū)動。光碼盤用于測量電機軸相對轉(zhuǎn)角，關(guān)節(jié)軸絕對轉(zhuǎn)角由電位計測量。在張啟先院士的主持下，北京航空航天大學(xué)機器人研究所于8四指每個手指三個自由度，末端兩關(guān)節(jié)耦合

腱和滑輪傳動直線電機驅(qū)動指端力/力矩傳感器位置傳感器關(guān)節(jié)力矩傳感器哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT-1手四指哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT-1手哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT/DLR手四指每個手指三個自由度，基關(guān)節(jié)兩個，上面兩個關(guān)節(jié)通過連桿耦合齒輪系、諧波齒輪傳動無刷直流電機驅(qū)動指端力/力矩傳感器位置傳感器關(guān)節(jié)力矩傳感器傳感器處理電路，電機驅(qū)動電路實現(xiàn)手指集成化哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT/DLR手四指我校研制的三指靈巧手

三指手指三自由度斜齒輪傳動直流電機驅(qū)動位置傳感器指端三維力傳感器我校研制的三指靈巧手

三指美國麻省理工學(xué)院Utah/MIT靈巧手

Utah/MIT型靈巧手外形與人手更接近。該手包括3個具有4自由度的手指和一個拇指，其幾何尺寸和人手接近。該手由4個具有4自由度的手指模塊組成，每個模塊由腱、滑輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動。美國麻省理工學(xué)院Utah/MIT靈巧手Utah/Stanford/JPL靈巧手Stanford/JPL型靈巧手有三個手指，每個手指有3個自由度和4根控制線，整個手由12個直流伺服電機組成的驅(qū)動塊驅(qū)動。該手的控制實驗主要集中在手指尖的抓取。Stanford/JPL靈巧手Stanford/JPL德國宇航中心研制的DLR手DLR-II手DLR-I手DLR-II手的精確操作DLR-II手的強力抓取德國宇航中心研制的DLR手DLR-II手DLR-I手DLR-

“海溝號”無人潛水器“海溝號”無人潛水器在大海中“海溝號”無人潛水器“海溝號”無人潛摘西紅柿機器人摘西紅柿機器人2.3腕部設(shè)計2.3.1概述2.3.2腕部的設(shè)計要點2.3.3典型的腕部結(jié)構(gòu)2.3腕部設(shè)計2.3.1概述2.3.1概述

機器人操作臂將末端工具置于其工作的三維空間內(nèi)的任意點需要三個自由度。為了進行實際操作，它還應(yīng)該能夠?qū)⒐ぞ咧糜谌我獾姆轿唬@還需要一個腕部，它一般還需要有三個自由度，即回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度。2.3.1概述機器人操作臂將末端工具置于其工2.3.1概述具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度的手腕回轉(zhuǎn)擺動手腕俯仰2.3.1概述具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度的手腕回轉(zhuǎn)擺2.3.1概述

(a)是一種翻轉(zhuǎn)(Roll)關(guān)節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸線形式，這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大，可達到360°以上。

(b)(c)是一種折曲(Bend)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直。這種B關(guān)節(jié)因為受到結(jié)構(gòu)上的干涉，轉(zhuǎn)角度小，大大限制了方向角。這和人的手腕差不多.

（d）所示為移動關(guān)節(jié)，也叫T關(guān)節(jié)．2.3.1概述(a)是一種翻轉(zhuǎn)(Roll)關(guān)節(jié)，它把2.3.1概述二自由度手腕可以由一個R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)節(jié)組成BR手腕(a),也可以由兩個B關(guān)節(jié)組成BB手腕(b)。但是，不能由兩個R關(guān)節(jié)組成RR手腕，因為兩個R關(guān)節(jié)共軸線，所以退化了一個自由度，實際只構(gòu)成了單自由度手腕(c).2.3.1概述二自由度手腕可以由一個R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)2.3.1概述三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式。此外，B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同，也會產(chǎn)生不同的效果，也產(chǎn)生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊，通常把兩個B關(guān)節(jié)安裝在一個十字接頭上，這對于BBR手腕來說大大減小了手腕縱向尺寸。2.3.1概述三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許2.3.1概述2.3.1概述2.3.1概述2.3.1概述2.3.1概述2.3.1概述2.3.2腕部的設(shè)計要點結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊、重量輕要適應(yīng)工作環(huán)境的要求要綜合考慮各方面要求，合理布局

2.3.2腕部的設(shè)計要點結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊、重量輕2.3.3典型的腕部結(jié)構(gòu)一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)

A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)2.3.3典型的腕部結(jié)構(gòu)一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)具有回轉(zhuǎn)缸的腕部結(jié)構(gòu)腕部回轉(zhuǎn)手部夾持A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)具有回轉(zhuǎn)缸的腕部結(jié)構(gòu)腕部回轉(zhuǎn)手部夾2.3.3典型的腕部結(jié)構(gòu)一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)

A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)

B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu)2.3.3典型的腕部結(jié)構(gòu)一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu)具有回轉(zhuǎn)與擺動的腕部結(jié)構(gòu)腕部擺動腕部回轉(zhuǎn)腕部回轉(zhuǎn)缸腕部擺動缸B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu)具有回轉(zhuǎn)與擺動的腕部結(jié)構(gòu)腕部2.3.3典型的腕部結(jié)構(gòu)一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)

A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)

B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu)二、具有機械傳