第四章 機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)(1)

1、n機(jī)器人本體是機(jī)器人的重要組成部分，所有的計(jì)算、分析和編程最終要通過本體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作完成特定的任務(wù)。機(jī)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。管內(nèi)機(jī)器人管內(nèi)機(jī)器人隧道鑿巖隧道鑿巖機(jī)器人機(jī)器人大型噴漿大型噴漿機(jī)器人機(jī)器人室外保安室外保安機(jī)器人機(jī)器人德國排爆機(jī)器人德國排爆機(jī)器人消防消防機(jī)器人機(jī)器人防暴防暴機(jī)器人機(jī)器人n關(guān)節(jié)型機(jī)器關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)人本體基本結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的主要特點(diǎn)是模仿人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu)。本體結(jié)構(gòu)通常包括機(jī)座、機(jī)身（腰部+立柱）、大臂、小臂、手腕和末端執(zhí)行器(手爪)，以人體構(gòu)造形象命名。部分之間的劃分一般以關(guān)節(jié)為界，把從機(jī)座開始的前一個(gè)關(guān)節(jié)劃入對(duì)應(yīng)的

2、構(gòu)件。 分析問題時(shí)，機(jī)器人簡(jiǎn)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(gè)開式連桿系。連桿系的開端安裝有末端執(zhí)行器。 n組成機(jī)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(zhǎng)連桿，也稱臂桿臂桿，其產(chǎn)生主運(yùn)動(dòng)，是機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)；另一類是組成手腕的短連桿短連桿，它實(shí)際上是一組位于臂桿端部的關(guān)節(jié)組，是機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。 末端執(zhí)行器(手部)是機(jī)器人直接參與工作的部分。手部可以是各種夾持器，也可以是各種工具，如焊槍、噴頭等。， 綜合以上特點(diǎn)可見，合理的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)使其機(jī)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(dòng)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(dòng)態(tài)性

3、能。 結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)剛度高有利于提高手臂端點(diǎn)的定位精度和對(duì)編程軌跡的跟蹤精度。剛度高還可降低對(duì)控制系統(tǒng)的要求和系統(tǒng)造價(jià)。機(jī)器人具有較好的剛度還可以增加機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，剛度高的結(jié)構(gòu)允許傳感器放在離執(zhí)行器較遠(yuǎn)的位置上，減少了設(shè)計(jì)方面的限制。 提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)固有頻率的目的在于避開機(jī)器人的工作頻率。通常機(jī)器人的低階固有頻率為525Hz，以中等速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸入信號(hào)的脈沖頻率相當(dāng)于在120Hz，可能會(huì)激發(fā)振蕩。提高機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。運(yùn)動(dòng)速度變化時(shí)振蕩的振幅和衰減時(shí)間是衡量機(jī)器人動(dòng)力學(xué)性能好壞的重要指標(biāo)。動(dòng)態(tài)剛度高可以減小定位時(shí)的超調(diào)量，縮短達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，從而提高機(jī)器人的使用性能

4、。4.1.2 4.1.2 機(jī)器人本體材料的選擇（見機(jī)器人本體材料的選擇（見P102P102） 機(jī)器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料。但另一方面，機(jī)器人本體又不單是固定結(jié)構(gòu)件，機(jī)器人臂是運(yùn)動(dòng)的，機(jī)器人整體也是運(yùn)動(dòng)的，所以，運(yùn)動(dòng)部分的材料質(zhì)量應(yīng)輕。精密機(jī)器人對(duì)于機(jī)器人的剛度有一定的要求，即對(duì)材料的剛度有要求。剛度設(shè)計(jì)時(shí)要考慮靜剛度和動(dòng)剛度，即要考慮振動(dòng)問題。從材料角度看，控制振動(dòng)涉及減輕重量和抑制振動(dòng)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，家用和服務(wù)機(jī)器人的外觀與傳統(tǒng)機(jī)械大有不同，故將會(huì)出現(xiàn)比傳統(tǒng)工業(yè)材料更富有美感的機(jī)器人本體材料。 正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低

5、機(jī)器人的成本價(jià)格，更重要的是可適應(yīng)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化要求?；疽螅?1) 強(qiáng)度高。高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人臂的強(qiáng)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，剛度越大。不同材料彈性模量的差異比較大，而同一種材料的改性對(duì)彈性模量卻沒有太多改變。 3) 重量輕。機(jī)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。 4) 阻尼大。選擇機(jī)器人的材料時(shí)不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)

6、性來考慮，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振動(dòng)能量。 5) 材料經(jīng)濟(jì)性。n機(jī)器人常用材料簡(jiǎn)介機(jī)器人常用材料簡(jiǎn)介 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼這類材料強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度增大了45倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。適合制造傳動(dòng)件、連接件、連桿體支承件骨架等。 2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料這類材料的共同特點(diǎn)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。適合制造連桿體等。 3）纖維增強(qiáng)合金這類合金如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金等。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/比，而且沒有無機(jī)復(fù)合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。適合制造連桿

7、體等 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(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計(jì)。 5）纖維增強(qiáng)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(diǎn)。在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來越多。適合制造連桿體等 6）粘彈性大阻尼材料增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)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(jī)器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理。適合制造連桿體等“材料是制造業(yè)的基礎(chǔ)，決定著整個(gè)國家的強(qiáng)富與貧窮。強(qiáng)國夢(mèng)

8、，材料不可或缺?！?013年3月23日，中國“材料之父”、兩院資深院士師昌緒在中國科技館作了題為材料與社會(huì)的報(bào)告，探討中國夢(mèng)實(shí)現(xiàn)之路。4.2 4.2 機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)4.2.1 4.2.1 機(jī)身和臂部的作用機(jī)身和臂部的作用 機(jī)身是直接連接、支承和傳動(dòng)臂部及底座（或行走機(jī)構(gòu)）的部件，是臂部連接、支承和傳動(dòng)手腕的部件。有些情況下，實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置和一部分傳動(dòng)件安裝在機(jī)身上。 實(shí)現(xiàn)手腕多個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置和一部分傳動(dòng)件安裝在臂部，臂部和手腕的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身和臂部的結(jié)構(gòu)和受力愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機(jī)構(gòu)，可沿地面或

9、架空軌道運(yùn)行。機(jī)身和臂部是長(zhǎng)連桿，其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)主要決定了手部的位置。 1 大臂；大臂；2 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)1電機(jī)；電機(jī)；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 氣動(dòng)閥；氣動(dòng)閥； 6 立柱；立柱；7 直齒輪；直齒輪； 8 中間齒輪；中間齒輪；9 機(jī)座；機(jī)座； 10 主齒輪；主齒輪；11 管形連接軸；管形連接軸；12 手腕手腕4.2.2 4.2.2 機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)n機(jī)身的典型結(jié)構(gòu)l機(jī)身結(jié)構(gòu)一般由機(jī)器人總體設(shè)計(jì)確定。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有：l升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人把臂部的回轉(zhuǎn)與升降這兩個(gè)自由度歸屬于機(jī)身；。 l俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)型機(jī)器人把臂部回轉(zhuǎn)與俯仰這兩個(gè)自

10、由度歸屬于機(jī)身； l回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人把臂部回轉(zhuǎn)自由度歸屬于機(jī)身； l直移型機(jī)身結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)型機(jī)器人有時(shí)把臂部升降或水平移動(dòng)自由度歸屬于機(jī)身。 l類人機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)。類人機(jī)器人的機(jī)身上除裝有驅(qū)動(dòng)臂部的運(yùn)動(dòng)裝置外，還應(yīng)裝有驅(qū)動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)的裝置和腰部關(guān)節(jié)。腰部關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)左右和前后的俯仰和人身軸線方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。l機(jī)身運(yùn)動(dòng)多采用液壓（氣）缸和電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源。液壓（氣）驅(qū)動(dòng)適合中等載荷以上機(jī)器人；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)適合輕載機(jī)器人。 l機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可采用：回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸直接驅(qū)動(dòng)；直線液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)鏈（齒輪齒條、鏈條鏈輪）；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和蝸輪蝸桿傳動(dòng)。l機(jī)身的升降運(yùn)動(dòng)可以采用：直線液壓（氣）

11、缸直接驅(qū)動(dòng)；直線液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)的連桿式升降臺(tái)；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。l俯仰運(yùn)動(dòng)大多采用擺式直線液壓（氣）驅(qū)動(dòng)，液壓（氣）驅(qū)動(dòng)齒條齒輪或四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)；也有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和蝸輪蝸桿傳動(dòng)。l直移型機(jī)器人多為懸掛式的，其機(jī)身實(shí)際上就是懸掛手臂的橫梁。為使手臂能沿橫梁平移，除了要有驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外，導(dǎo)軌是一個(gè)重要的構(gòu)件。 圖41 鏈條鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)身回轉(zhuǎn)的原理圖（P104）（a)單桿活塞氣缸驅(qū)動(dòng)鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）（b)雙桿活塞氣缸驅(qū)動(dòng)鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可采用：回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸直接驅(qū)動(dòng)；直線液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)鏈（齒輪齒條、鏈條鏈輪）；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪和蝸輪蝸桿傳動(dòng)。l直移型機(jī)器人的機(jī)身

12、實(shí)際上就是懸掛手臂的橫梁。為使手臂能沿橫梁平移，除了要有驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外，導(dǎo)軌是一個(gè)重要的構(gòu)件。圖42 回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身（具體介紹見P105）機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞油（氣）缸與連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)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，如圖所示。此外有時(shí)也采用無桿活塞缸驅(qū)動(dòng)齒條齒輪或四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可機(jī)身回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可采用采用：回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸直接驅(qū)動(dòng)；直線液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)鏈（齒輪齒條、鏈條鏈輪）；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)。關(guān)節(jié)是操作機(jī)各桿件間的結(jié)合部分，有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)兩種類關(guān)節(jié)是操作

13、機(jī)各桿件間的結(jié)合部分，有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)兩種類型。工業(yè)機(jī)器人前三關(guān)節(jié)通常稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，型。工業(yè)機(jī)器人前三關(guān)節(jié)通常稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，它們構(gòu)成了操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)。后面關(guān)節(jié)構(gòu)成了操作機(jī)的姿它們構(gòu)成了操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)。后面關(guān)節(jié)構(gòu)成了操作機(jī)的姿態(tài)機(jī)構(gòu)，稱作腕部。下面分別討論這些關(guān)節(jié)的構(gòu)造和傳動(dòng)配態(tài)機(jī)構(gòu)，稱作腕部。下面分別討論這些關(guān)節(jié)的構(gòu)造和傳動(dòng)配置。置。一、腰關(guān)節(jié)一、腰關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，腰關(guān)節(jié)既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，且具有較高的運(yùn)動(dòng)精度和剛度。多采用高剛性的且具有較高的運(yùn)動(dòng)精度和剛度。多采用高剛性的RV減速器減速器減速，也可采用諧

14、波傳動(dòng)、擺線針輪或蝸桿減速器。減速，也可采用諧波傳動(dòng)、擺線針輪或蝸桿減速器。 補(bǔ)充：工業(yè)機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)（腰、肩、肘補(bǔ)充：工業(yè)機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)（腰、肩、肘關(guān)節(jié)）的構(gòu)造及其傳動(dòng)配置關(guān)節(jié)）的構(gòu)造及其傳動(dòng)配置腰關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)1 電機(jī)電機(jī) ；2 齒輪；齒輪；3 立柱；立柱；4 結(jié)合螺栓結(jié)合螺栓2134腰關(guān)節(jié)的構(gòu)造主要是兩種類型：使用交叉滾子或四點(diǎn)接腰關(guān)節(jié)的構(gòu)造主要是兩種類型：使用交叉滾子或四點(diǎn)接觸式軸承的同軸式平行軸式。前者結(jié)構(gòu)緊湊，腰關(guān)節(jié)高度觸式軸承的同軸式平行軸式。前者結(jié)構(gòu)緊湊，腰關(guān)節(jié)高度尺寸小尺寸小(使用特制軸承的緣故使用特制軸承的緣故)，但后面關(guān)節(jié)的各種電纜走線，但后面關(guān)節(jié)的各種電纜走線比較困難，

15、大多是在固定的中間柱體外面留有較大的環(huán)形比較困難，大多是在固定的中間柱體外面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的形式松松地套在中間柱體上，當(dāng)腰空間，使電纜以盤旋的形式松松地套在中間柱體上，當(dāng)腰支架等機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對(duì)支架等機(jī)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對(duì)于平行軸式腰關(guān)節(jié)，電纜則可方便地通過中空軸，聯(lián)接于于平行軸式腰關(guān)節(jié)，電纜則可方便地通過中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。支座的固定接線板上。二、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)二、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié) 對(duì)于開式連桿結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)位于腰部的支座上，多采用高對(duì)于開式連桿結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)位于腰部的支座上，多采用高剛性的剛性的RV減速器減速，也可

16、采用諧波傳動(dòng)或擺線針輪。減速器減速，也可采用諧波傳動(dòng)或擺線針輪。 肘關(guān)節(jié)位于大臂與小臂的聯(lián)接處。其結(jié)構(gòu)形式有偏置式或肘關(guān)節(jié)位于大臂與小臂的聯(lián)接處。其結(jié)構(gòu)形式有偏置式或同軸式配置，多采用諧波傳動(dòng)、擺線針輪、齒輪傳動(dòng)等。同軸式配置，多采用諧波傳動(dòng)、擺線針輪、齒輪傳動(dòng)等。三、三、直動(dòng)關(guān)節(jié)直動(dòng)關(guān)節(jié) 直動(dòng)關(guān)節(jié)可有兩種類型；電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。前者多采直動(dòng)關(guān)節(jié)可有兩種類型；電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。前者多采用滾動(dòng)絲杠和導(dǎo)柱用滾動(dòng)絲杠和導(dǎo)柱(軌軌)式；后者可采用油缸驅(qū)動(dòng)齒輪的倍速式；后者可采用油缸驅(qū)動(dòng)齒輪的倍速移動(dòng)結(jié)構(gòu)。移動(dòng)結(jié)構(gòu)。1 大臂；大臂；2 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)1電機(jī)；電機(jī)；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂

17、；5 氣動(dòng)閥；氣動(dòng)閥； 6 立柱；立柱；7 直齒輪；直齒輪； 8 中間齒輪；中間齒輪；9 機(jī)座；機(jī)座； 10 主齒輪；主齒輪；11 管形連接軸；管形連接軸；12 手腕手腕n 機(jī)身驅(qū)動(dòng)力(力矩)計(jì)算（略）n 機(jī)身設(shè)計(jì)要求（參見機(jī)身設(shè)計(jì)要求（參見P107P107） 1) 機(jī)身承受機(jī)器人全部重力和工作載荷，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度。 合理選擇截面形狀和尺寸。封閉的空心截面在兩個(gè)互相垂直的方向上抗彎剛度較大，抗扭剛度較實(shí)心和開口截面大?？招膬?nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及管線等，使整體結(jié)構(gòu)緊湊，外形整齊。 提高接觸剛度，要保證配合表面的加工精度和表面粗糙度。 采用滾動(dòng)導(dǎo)軌或滾動(dòng)軸承時(shí)，應(yīng)考慮施加預(yù)緊力，

18、提高接觸剛度。 合理布置作用力的位置和方向，設(shè)法使各作用力的變形相抵消。 因?yàn)樽冃螘?huì)使末端執(zhí)行器的位置精度下降。 2）機(jī)座軸系及傳動(dòng)鏈的精度對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度影響最大。要有調(diào)整軸承間隙和傳動(dòng)間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。各主要傳動(dòng)、導(dǎo)向部件的制造和裝配精度、耐磨性對(duì)機(jī)器人的精度影響也很大。 3）機(jī)座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性。 4) 運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死。 5) 驅(qū)動(dòng)方式適宜。 6) 結(jié)構(gòu)布置合理。各驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)件、管線系統(tǒng)及各個(gè)運(yùn)動(dòng)的測(cè)、控元件等布置要合理緊湊，操作維護(hù)要方便。 7）傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)力求簡(jiǎn)短，有利提高傳動(dòng)精度和效率 8）在特殊條件下工作的機(jī)器人，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有

19、針對(duì)性地采取措施。4.2.2 4.2.2 機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)（機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)（P107P107） 手臂由大臂、小臂手臂由大臂、小臂( (或多臂或多臂) )所組成所組成。手臂的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)幾種形式。 n 臂部的典型機(jī)構(gòu)臂部的典型機(jī)構(gòu)l臂部伸縮行程小時(shí)，采用油(氣)缸直接驅(qū)動(dòng)；行程較大時(shí)，可采用油(氣)缸或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條傳動(dòng)的倍增機(jī)構(gòu)，也可采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)。為了增加手臂的剛性，防止繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)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、導(dǎo)軌等。l手臂轉(zhuǎn)動(dòng)通常采用擺式直線液壓（氣）驅(qū)動(dòng)、鉸鏈連桿

20、機(jī)構(gòu)傳動(dòng)；回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸直接驅(qū)動(dòng)；回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)；回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪桿傳動(dòng)。圖4.4 四導(dǎo)向柱式臂部伸縮機(jī)構(gòu)（詳細(xì)見P108）手臂的垂直伸縮運(yùn)動(dòng)由油缸3驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是行程長(zhǎng)，抓重大。工件形狀不規(guī)則時(shí)，為防止產(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。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)： 通常采用擺臂油（氣）缸驅(qū)動(dòng)、鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰，如圖4.5所示。 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)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，如圖所示。此外有時(shí)也采用無桿活塞缸驅(qū)動(dòng)齒條齒輪或四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)

21、。圖4.5 擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)連桿俯仰臂機(jī)構(gòu)（見P108）n 機(jī)器人手臂材料的選擇機(jī)器人手臂材料的選擇 (見P109)n l機(jī)器人手臂在關(guān)節(jié)帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，重量和質(zhì)量是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，材料應(yīng)是輕型材料。手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼綜合考慮，以提高動(dòng)態(tài)性能（抗振性）。l機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)不應(yīng)有變形和斷裂，即要具有一定的強(qiáng)度。l綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料，其中，非金屬綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料，其中，非金屬材料有尼龍材料有尼龍6 6、聚乙烯、聚乙烯(PEH)(PEH)和碳素纖維等；金屬材料以和碳素纖維等；金屬材

22、料以輕合金輕合金( (特別是鋁合金特別是鋁合金) )為主為主。手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求： 1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足作業(yè)工作空間要求。 2）防止臂部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的變形，根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。 采用空心的薄壁矩形框體或圓管，以提高其抗彎剛度和抗扭剛度，減小自身的質(zhì)量。內(nèi)部可以方便地安置驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)等部件。 3）承載能力足夠。不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮自身、腕部重量和運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷。 4）導(dǎo)向性能好，動(dòng)作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。 5）為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)過程中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置。定位前慣性力引起的沖擊大，造成運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，定位精度下降，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。 6)盡量減小手臂質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)荷，減少動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。 7) 減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。 8) 合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位。以下為幾個(gè)機(jī)身和臂部實(shí)際結(jié)構(gòu)：以下為幾個(gè)機(jī)身和臂部實(shí)際結(jié)構(gòu)：諧波減速器n 如圖所示，波發(fā)生器凸輪2(H)，在高速軸