工業(yè)機器人技術(shù)及應(yīng)用 課件 項目2.1.3 臂部

項目2工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)《工業(yè)機器人技術(shù)及應(yīng)用》2.1工業(yè)機器人本體機械結(jié)構(gòu)——2.1.3臂部工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)2.1工業(yè)機器人本體機械結(jié)構(gòu)

機器人本體的結(jié)構(gòu)形式機器人本體機械機構(gòu)驅(qū)動裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)手部（操作器）腕部臂部腰部電驅(qū)動裝置液壓驅(qū)動裝置氣壓驅(qū)動裝置處理器關(guān)節(jié)伺服控制器內(nèi)部傳感器外部傳感器

基座（固定或移動）傳動裝置2.1.3臂部工業(yè)機器人的臂部由大臂、小臂(或多臂)所組成，一般具有2~3個自由度，完成伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降動作，是工業(yè)機器人的主要執(zhí)行部件，用于支撐手部和腕部，并改變手部的空間位置。

臂部運動部分零件重量直接影響臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強度，同時由于其承受運動過程中的動、靜載荷和慣性力較大，還影響著機器人定位的準(zhǔn)確性。2.1.3臂部手臂：是支持末端執(zhí)行器和手腕的部件，是機械操作臂中的重要部件。組成：大臂和小臂功能：完成伸縮運動、回轉(zhuǎn)、升降或上下擺動運動。作用：是把物料運送到工作范圍內(nèi)的給定位置上。2.1.3臂部臂部結(jié)構(gòu)的形式取決于機器人的運動形式、抓取動作自由度和運動精度等。一般需要注意以下幾點要求：臂部的設(shè)計要求2.1.3臂部1．承載能力足：手臂是支承手腕的部件，設(shè)計時不僅要考慮抓取物體的重量或攜帶工具的重量，還要考慮運動時的動載荷及轉(zhuǎn)動慣性。2.1.3臂部2．剛度高：

為了防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。

工字型截面的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。2.1.3臂部工字鋼（GB706-88）：1、工字鋼的型號與高度尺寸h有關(guān)，如：10號工字鋼即指其高度尺寸為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計手冊。3、工字鋼的長度按長度系列購買。如：5~19m。2.1.3臂部槽鋼（GB707-88）1、槽鋼的型號與高度尺寸h有關(guān)，如：10號槽鋼即指其高度尺為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計手冊。2.1.3臂部3、導(dǎo)向性能好，定位精度高：

為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置。2.1.3臂部4．重量輕、轉(zhuǎn)動慣量?。?/p>

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。2.1.3臂部5．合理設(shè)計與腕部和機身的連接部位：

臂部的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，而且還直接影響到機器人的外觀。2.1.3臂部臂部運動速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊就越大，因此要采用一定的緩沖措施。工業(yè)機器人常用的緩沖裝置有彈性緩沖元件、液壓(氣)缸端部緩沖裝置、緩沖回路和液壓緩沖器等。按照在機器人或機械手結(jié)構(gòu)中設(shè)置位置的不同，可分為內(nèi)部緩沖器裝置和外部緩沖裝置兩類。臂部的設(shè)計要求jiz2.1.3臂部機械臂的幾種運動形式直角坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型關(guān)節(jié)型

2.1.3臂部1．直角坐標(biāo)型：

結(jié)構(gòu)簡單，運動位置精度高。但所占空間較大，工作范圍相對較小。通常把x水平移動的自由度歸為臂部部分。2.1.3臂部2．圓柱坐標(biāo)型：

具有三個自由度：一個回轉(zhuǎn)運動腰轉(zhuǎn)及兩個直線移動升降運動及手臂伸縮運動。相對來說，所占空間較小，工作范圍較大.

手臂伸縮運動通常由臂部來實現(xiàn)。2.1.3臂部3．關(guān)節(jié)型：

由動力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和大、小兩臂組成。關(guān)節(jié)型機器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標(biāo)。動作靈活，所占空間小，工作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。

三個自由度均為回轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成機器人的回轉(zhuǎn)運動、俯仰運動和偏轉(zhuǎn)運動。通常把肩、肘回轉(zhuǎn)運動歸結(jié)為臂部。2.1.3臂部典型的臂部結(jié)構(gòu)

手臂結(jié)構(gòu)形式的選取需考慮機器人的抓取物料重量、運動方式、速度、自由度數(shù)等。手臂的驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電力驅(qū)動及復(fù)合驅(qū)動等。2.1.3臂部手臂的常用結(jié)構(gòu)直線運動機構(gòu)液壓缸齒輪齒條機構(gòu)絲杠螺母機構(gòu)連桿機構(gòu)回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)葉片式回轉(zhuǎn)缸齒輪傳動機構(gòu)鏈輪傳動機構(gòu)活塞缸連桿機構(gòu)2.1.3臂部1．手臂直線運動機構(gòu)

常見方式：

行程小時：采用油缸或汽缸直接驅(qū)動；當(dāng)行程較大時：可采用油缸或汽缸驅(qū)動齒條傳動的倍增機構(gòu)或采用步進電機或伺服電機驅(qū)動，并通過絲桿螺母來轉(zhuǎn)換為直線運動。典型結(jié)構(gòu)：油缸驅(qū)動的手臂伸縮運動結(jié)構(gòu)電機驅(qū)動的絲桿螺母直線運動結(jié)構(gòu)2.1.3臂部2.1.3臂部電機驅(qū)動絲桿螺母直線運動結(jié)構(gòu)圖例：2.1.3臂部2．手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)常見方式：

常見的有齒輪傳動機構(gòu)，鏈輪傳動機構(gòu)，活塞及連桿傳動機構(gòu)等。曲柄滑塊機構(gòu)：假設(shè)滑塊是主動件，當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動時，可以推動曲柄做擺動或圓周運動。典型機構(gòu)：

液壓缸—連桿回轉(zhuǎn)機構(gòu)：齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)：2.1.3臂部平面四桿機構(gòu)圖例：平面四桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)2.1.3臂部平面四桿機構(gòu)演變圖例：曲柄滑塊機構(gòu)2.1.3臂部搖桿AB為原動件，通過連桿BC帶動從動件CD也作往復(fù)擺動，虛線AB1、AB2為搖桿AB的兩極限位置，也是當(dāng)搖桿AB為原動件時，機構(gòu)的兩死點位置。2.1.3臂部當(dāng)曲柄AB為原動件作勻速回轉(zhuǎn)時，曲柄CD跟隨作周期性的勻速圓周回轉(zhuǎn)，2.1.3臂部2.1.3臂部因?qū)返闹芯€通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心而得名。該機構(gòu)能把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為往復(fù)直線運動或作相反的轉(zhuǎn)變2.1.3臂部因?qū)返闹芯€不通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心而得名。2.1.3臂部雙臂機器人手臂結(jié)構(gòu)圖例：

運動特點：手臂關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運動是通過液壓缸-連桿機構(gòu)實現(xiàn)?？刂苹钊男谐叹涂刂屏耸直蹟[角的大小。2.1.3臂部齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖例：2.1.3臂部3．關(guān)節(jié)型機械臂的結(jié)構(gòu)（1）

存在的運動型式：

機身的旋轉(zhuǎn)運動；肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的擺動；腕關(guān)節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)運動；各運動的協(xié)調(diào)：

稱為5軸關(guān)節(jié)型機器人。

2.1.3臂部五軸關(guān)節(jié)型機器人手臂運動圖例（1）：腰轉(zhuǎn)肩轉(zhuǎn)肘轉(zhuǎn)俯仰偏轉(zhuǎn)腰轉(zhuǎn)姿態(tài)2.1.3臂部五軸關(guān)節(jié)型機器人手臂運動圖例（2）：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)與手腕的協(xié)調(diào)2.1.3臂部3．關(guān)節(jié)型機械臂的結(jié)構(gòu)（2）

各運動的實現(xiàn)：腕部的旋轉(zhuǎn)：電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉(zhuǎn)運動n5腕部俯仰：電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n4肘關(guān)節(jié)擺動：電機M3→兩級同步帶傳動B3、B3′→減速器R3→肘關(guān)節(jié)擺動n3肩關(guān)節(jié)的擺動：電機M2→同步帶傳動B2→減速器R2→肩關(guān)節(jié)擺動n2

2.1.3臂部關(guān)節(jié)型機器人傳動系統(tǒng)圖：2.1.3臂部腕部旋轉(zhuǎn)局部圖例：電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉(zhuǎn)運動n52.1.3臂部腕部俯仰局部圖例：電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n42.1.3臂部肘關(guān)節(jié)局部圖例：電機