工業(yè)機器人技術02

1、 王丹 工業(yè)機器人機械部分的設計是工業(yè)機器人設計的重要部分。不同應用領域的工業(yè)機器人在機械系統設計上的差異比其他系統設計差異大得多。使用要求是工業(yè)機器人機械系統設計的出發(fā)點。機械部分的組成：末端操作器手腕手臂機座2.1 2.1 機器人末端操作器機器人末端操作器2.2 2.2 機器人手腕機器人手腕2.3 2.3 機器人手臂機器人手臂2.4 2.4 機器人機座機器人機座2.5 2.5 工業(yè)機器人工業(yè)機器人的驅動與傳動的驅動與傳動習題習題 機器人必須有“手”，才能執(zhí)行“命令”所相應的動作。“手”功能：一個執(zhí)行命令的結構具有識別的功能機器人的手一般由方形的手掌和節(jié)狀的手指組成。裝有帶彈性觸點的觸敏元件

2、和精巧的電位器?，F在機器人的手已經具備了人手的許多功能。圖 2.1 人類手腕的兩個B關節(jié) 2.1 2.1 機器人末端操作器機器人末端操作器 圖2.1所示為人類手腕的兩個B關節(jié)。實際中, 不一定需要這樣復雜的多節(jié)人工指,而只需能從各種不同的角度觸及并搬動物體的鉗形指即可。2.1 2.1 機器人末端操作器機器人末端操作器用在工業(yè)上的機器人的手我們一般稱之為末端操作器, 它是機器人直接用于抓取和握緊(吸附)專用工具(如噴槍、扳手、 焊具、 噴頭等)進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能, 并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、 重量、 材質及表面狀態(tài)等不同,大致可分為以下幾類: (1

3、) 夾鉗式取料手；(2) 吸附式取料手；(3) 專用操作器及轉換器；(4) 仿生多指靈巧手。 （一）夾鉗式取料手夾鉗式手部與人手相似, 是工業(yè)機器人廣為應用的一種手部形式。能通過手爪的開閉動作實現對物體的夾持。它一般由手指(手爪)和驅動機構、傳動機構及連接與支承元件組成, 如圖2.2所示:圖 2.2 夾鉗式手部的組成 1. 手指直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件, 就是通過手指的張開與閉合來實現的。機器人的手部一般有兩個手指, 也有三個或多個手指,其結構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。 1)指端的形狀V型指、平面指、尖指、薄指、長指圖 2.4 夾鉗式手的指端 2）指面的形狀根據工件形

4、狀、大小及其被夾持部位材料質軟硬、表面性質等的不同，手指指面常有光滑指面、齒形指面和柔性指面等。3）手指的材料手指材料選用恰當與否，對機器人的使用效果有很大的影響。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結構鋼。2. 傳動機構向手指傳遞運動和動力, 以實現夾緊和松開動作的機構。根據手指開合的動作特點分為回轉型（又分為一支點回轉和多支點回轉）和平移型。根據手爪夾緊是擺動還是平動,又可分為擺動回轉型和平動回轉型。 (1) 回轉型傳動機構。夾鉗式手部中較多的是回轉型手部, 手指就是一對杠桿,一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構組成復合式杠桿傳動機構, 用以改變傳動比和運動方向

5、等。 圖 2.5 斜楔杠桿式手部 圖 2.6 滑槽式杠桿回轉型手部 圖 2.7 雙支點連桿杠桿式手部 圖 2.8 齒條齒輪杠桿式手部 (2) 平移型傳動機構。通過手指的指面作直線往復運動或平面移動來實現張開或閉合動作的, 常用于夾持具有平行平面的工件(如冰箱等)。 其結構較復雜,不如回轉型手部應用廣泛。平移型傳動機構據其結構大致分為： 直線往復移動機構:實現直線往復移動的機構很多, 常用的斜楔傳動、齒條傳動、螺旋傳動等均可應用于手部結構。 平面平行移動機構:實現手指平移的機構很多, 常用的齒條齒輪、蝸桿蝸輪、連桿斜滑槽的傳動方法等均可應用于手部結構。圖 2.9 直線平移型手部 圖 2.10 四

6、連桿機構平移型手部結構 （二）吸附式取料手靠吸附力取料，根據吸附力的不同分為：氣吸附和礠吸附兩種。1. 氣吸附式取料手利用吸盤內的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。與夾鉗式取料手相比, 具有結構簡單,重量輕, 吸附力分布均勻等優(yōu)點,對于薄片狀物體的搬運更有其優(yōu)越性(如板材、紙張等物體),廣泛應用于非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物體表面較平整光滑, 無孔無凹槽。按形成壓力差的方法,可分為真空吸附、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸式等幾種。 1) 真空吸附取料手圖2.11所示為真空吸附取料手的結構原理。其真空的產生是利用真空泵, 真空度較高。主要零件為碟形橡膠吸盤1, 通過固定環(huán)2安裝在

7、支承桿4上, 支承桿由螺母5固定在基板6上。真空吸附取料手有時還用于微小無法抓取的零件, 如圖2.12所示。真空吸附取料工作可靠，吸附力大，但需要有真空系統，成本較高。 圖 2.11 真空吸附取料手 圖 2.12 微小零件取料手(a) 墊圈取料手； (b) 鋼球取料手 圖 2.13 各種真空吸附取料手 2) 氣流負壓吸附取料手氣流負壓吸附取料手如圖2.14所示。氣流負壓吸附取料手是利用流體力學的原理, 當需要取物時, 壓縮空氣高速流經噴嘴5時, 其出口處的氣壓低于吸盤腔內的氣壓, 于是腔內的氣體被高速氣流帶走而形成負壓, 完成取物動作;當需要釋放時, 切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣,

8、工廠里較易取得,故成本較低。 圖 2.14 氣流負壓吸附取料手 3) 擠壓排氣式取料手擠壓排氣式取料手如圖2.15所示。其工作原理為: 取料時吸盤壓緊物體, 橡膠吸盤變形, 擠出腔內多余的空氣,取料手上升, 靠橡膠吸盤的恢復力形成負壓, 將物體吸住; 釋放時,壓下拉桿3, 使吸盤腔與大氣相連通而失去負壓。 該取料手結構簡單, 但吸附力小, 吸附狀態(tài)不易長期保持。 圖 2.15 擠壓排氣式取料手 2. 磁吸附式取料手利用電磁鐵通電后產生的電磁吸力取料, 因此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。磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。比氣吸收式手部：有較大的單位面積吸力，

9、對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。電磁鐵工作原理如圖2.16(a)所示。當線圈1通電后, 在鐵心2內外產生磁場, 磁力線穿過鐵心, 空氣隙和銜鐵3被磁化并形成回路, 銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住。圖 2.16 電磁鐵工作原理 圖 2.17 盤狀磁吸附取料手結構 圖 2.18 幾種電磁式吸盤吸料示意圖 (三)專用操作器及轉換器1. 1. 專用末端操作器專用末端操作器機器人是一種通用性很強的自動化設備,可根據作業(yè)要求完成各種動作, 再配上各種專用的末端操作器后,就能完成各種動作。如在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人, 安裝擰螺母機則成為一臺裝配機器人。目前有許多由專用電動、氣

10、動工具改型而成的操作器, 如圖2.19所示, 有擰螺母機、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機等。 所形成的一整套系列供用戶選用, 使機器人能勝任各種工作。 圖 2.19 各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器 2. 2. 換接器或自動手爪更換裝置換接器或自動手爪更換裝置使用一臺通用機器人,要在作業(yè)時能自動更換不同的末端操作器, 就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成: 換接器插座和換接器插頭, 分別裝在機器腕部和末端操作器上,能夠實現機器人對末端操作器的快速自動更換。 專用末端操作器換接器的要求主要有:同時具備氣源、電源及信號的快速聯接與切換; 能承受末端操作器的工作載荷;

11、 在失電、 失氣情況下, 機器人停止工作時不會自行脫離;具有一定的換接精度等。 圖 2.20 氣動換接器與專用末端操作器庫 圖 2.21 專用末端操作器庫 3. 3. 多工位換接裝置多工位換接裝置某些機器人的作業(yè)任務相對較為集中,需要換接一定量的末端操作器, 又不必配備數量較多的末端操作器庫。這時， 可以在機器人手腕上設置一個多工位換接裝置。例如,在機器人柔性裝配線某個工位上,機器人要依次裝配如墊圈、螺釘等幾種零件, 裝配采用多工位換接裝置,可以從幾個供料處依次抓取幾種零件, 然后逐個進行裝配, 既可以節(jié)省幾臺專用機器人,也可以避免通用機器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時間。 圖 2.22 多

12、工位末端操作器換接裝置(a) 棱錐型； (b) 棱柱型 ( (四四) )仿生多指靈巧手仿生多指靈巧手1. 1. 柔性手柔性手為了能對不同外形的物體實施抓取, 并使物體表面受力比較均勻, 因此研制出了柔性手。如圖2.23所示為多關節(jié)柔性手腕,每個手指由多個關節(jié)串聯而成。圖2.24所示為用柔性材料做成的柔性手。此種柔性手適用于抓取輕型、圓形物體, 如玻璃器皿等。 圖2.23多關節(jié)柔性手腕圖 2.24 柔性手 2. 2. 多指靈巧手多指靈巧手機器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。 如圖2.25所示,多指靈巧手有多個手指, 每個手指有3個回轉關節(jié), 每一個關節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此

13、,幾乎人手指能完成的各種復雜動作它都能模仿,諸如擰螺釘、彈鋼琴、 作禮儀手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器, 將會使多指靈巧手達到更完美的程度。多指靈巧手的應用前景十分廣泛,可在各種極限環(huán)境下完成人無法實現的操作, 如核工業(yè)領域、宇宙空間作業(yè), 在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。 圖 2.25 多指靈巧手 （五）（五） 其它手其它手1. 1. 彈性力手爪彈性力手爪彈性力手爪的特點是其夾持物體的抓力是由彈性元件提供的,不需要專門的驅動裝置, 在抓取物體時需要一定的壓入力, 而在卸料時, 則需要一定的拉力。 圖2.26所示為幾種彈性力手爪的結構原理圖。圖2.26(a)所示的手爪有一

14、個固定爪, 另一個活動爪6靠壓簧4提供抓力, 活動爪繞軸5回轉, 空手時其回轉角度由平面2、3限制。抓物時,爪6在推力作用下張開,靠爪上的凹槽和彈性力抓取物體; 卸料時, 需固定物體的側面,手爪用力拔出即可。 圖 2.26 彈性力手爪 2. 2. 擺動式手爪擺動式手爪擺動式手爪的特點是在手爪的開合過程中, 其爪的運動狀態(tài)是繞固定軸擺動的, 結構簡單,使用較廣,適合于圓柱表面物體的抓取。 圖2.27所示為一種擺動式手爪的結構原理圖。這是一種連桿擺動式手爪, 活塞桿移動, 并通過連桿帶動手爪回繞同一軸擺動, 完成開合動作。 圖 2.27 擺動式手爪的結構原理圖 圖 2.28 自重式手部結構 圖 2

15、.29 彈簧外卡式手部結構 3. 3. 勾托式手部勾托式手部圖2.30所示為勾托式手部結構示意圖。勾托式手部并不靠夾緊力來夾持工件, 而是利用工件本身的重量, 通過手指對工件的勾、托、捧等動作來托持工件。應用勾托方式可降低對驅動力的要求,簡化手部結構, 甚至可以省略手部驅動裝置。該手部適用于在水平面內和垂直面內搬運大型笨重的工件或結構粗大而質量較輕且易變形的物體。 勾托式手部又有手部無驅動裝置和驅動裝置兩種類型。 圖 2.30 勾托式手部示意圖(a) 無驅動裝置的手部； (b) 有驅動裝置的手部 l 手腕手腕是是連接末端操作器和手臂的部件連接末端操作器和手臂的部件，l 作用：作用：是調整或改變

16、末端操作器方位和姿態(tài)是調整或改變末端操作器方位和姿態(tài)l 組成：組成：三個獨立的回轉關節(jié)。三個獨立的回轉關節(jié)。p繞小臂軸線繞小臂軸線X X旋轉的臂轉旋轉的臂轉p相對于小臂擺動的腕擺相對于小臂擺動的腕擺p繞自身軸線旋轉的手轉繞自身軸線旋轉的手轉圖 2.31 手腕的自由度 ( (一一) )手腕的分類手腕的分類1. 1. 按自由度數目來分按自由度數目來分手腕按自由度數目來分, 可分為單自由度手腕、 二自由度手腕和三自由度手腕。 (1) 單自由度手腕如圖2.32所示。 圖2.32(a)是一種翻轉(Roll)關節(jié), 它把手臂縱軸線和手腕關節(jié)軸線構成共軸形式。 這種R關節(jié)旋轉角度大, 可達到360以上。 圖

17、2.32(b)、 (c)是一種折曲(Bend)關節(jié)(簡稱B關節(jié)), 關節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直。 這種B關節(jié)因為受到結構上的干涉, 旋轉角度小, 大大限制了方向角。 圖2.31(d)所示為移動關節(jié)。 圖 2.32 單自由度手腕(a) R手腕； (b) B手腕; (c) Y手腕； (d) T手腕 (2) 二自由度手腕如圖2.33所示。二自由度手腕可以由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)組成BR手腕(見圖2.33(a)，也可以由兩個B關節(jié)組成BB手腕(見圖2.33(b)。但是, 不能由兩個R關節(jié)組成RR手腕, 因為兩個R共軸線, 所以退化了一個自由度, 實際只構成了單自由度手腕(見圖2.33(c)。

18、 圖 2.33 二自由度手腕(a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕 (3) 三自由度手腕如圖2.34所示。三自由度手腕可以由B關節(jié)和R關節(jié)組成許多種形式。圖2.34(a)所示是通常見到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏轉和翻轉運動, 即RPY運動。圖2.34(b)所示是一個B關節(jié)和兩個R關節(jié)組成的BRR手腕, 為了不使自由度退化, 使手部產生RPY運動,第一個R關節(jié)必須進行如圖所示的偏置。圖2.34(c)所示是三個R關節(jié)組成的RRR手腕,它也可以實現手部RPY運動。圖2.34(d)所示是BBB手腕, 很明顯, 它已退化為二自由度手腕,只有PY運動,實際上不采用這種手腕。 此

19、外, B關節(jié)和R關節(jié)排列的次序不同,也會產生不同的效果,同時產生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結構緊湊, 通常把兩個B關節(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。 圖 2.34 三自由度手腕(a) BBR手腕; (b) BRR手腕; (c) RRR手腕; (d) BBB手腕 2. 2. 按驅動方式來分按驅動方式來分手腕按驅動方式來分,可分為直接驅動手腕和遠距離傳動手腕。 圖2.35所示為Moog公司的一種液壓直接驅動BBR手腕, 設計緊湊巧妙。M1、M2、M3是液壓馬達, 直接驅動手腕的偏轉、俯仰和翻轉三個自由度軸。圖2.36所示為一種遠距離傳動的RBR手

20、腕。軸的轉動使整個手腕翻轉,即第一個R關節(jié)運動。軸的轉動使手腕獲得俯仰運動, 即第二個B關節(jié)運動。軸的轉動即第三個R關節(jié)運動。當c軸一離開紙平面后, RBR手腕便在三個自由度軸上輸出RPY運動。這種遠距離傳動的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅動源放在遠離手腕處, 有時放在手臂的后端作平衡重量用,這不僅減輕了手腕的整體重量, 而且改善了機器人的整體結構的平衡性。 圖 2.35 液壓直接驅動BBR手腕 圖 2.36 遠距離傳動RBR手腕 （二）手腕的典型結構（二）手腕的典型結構設計手腕時除應滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外, 還要求手腕結構簡單,緊湊輕巧,避免干涉,傳動靈活; 多數情況下，要求

21、將腕部結構的驅動部分安排在小臂上, 使外形整齊; 設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉的心軸和多層套筒上去, 運動傳入腕部后再分別實現各個動作。下面介紹幾個常見的機器人手腕結構。 圖2.37所示為雙手懸掛式機器人實現手腕回轉和左右擺動的結構圖。 A-A剖面所表示的是油缸外殼轉動而中心軸不動, 以實現手腕的左右擺動；B-B剖面所表示的是油缸外殼不動而中心軸回轉, 以實現手腕的回轉運動。 其油路的分布如圖2.37所示。 圖 2.37 手腕回轉和左右擺動的結構圖 圖2.38所示為PT600型弧焊機器人手腕部結構圖和傳動原理圖。由圖可以看出, 這是一個具有腕擺與手轉兩個自由度的手腕結構, 其傳動路線為

22、: 腕擺電動機通過同步齒形帶傳動帶動腕擺諧波減速器7, 減速器的輸出軸帶動腕擺框1實現腕擺運動; 手轉電動機通過同步齒形帶傳動帶動手轉諧波減速器10, 減速器的輸出通過一對錐齒輪9實現手轉運動。需要注意的是, 當腕擺框擺動而手轉電動機不轉時, 聯接末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動, 將產生附加的手轉運動, 在控制上要進行修正。 圖 2.38 PT-600型弧焊機器人手腕結構圖 圖2.39所示為KUKA IR-662100型機器人的手腕傳動原理圖。這是一個具有3個自由度的手腕結構, 關節(jié)配置形式為臂轉、 腕擺、 手轉結構。 其傳動鏈分成兩部分: 一部分在機器人小臂殼內, 3個電動機的輸出通過

23、帶傳動分別傳遞到同軸傳動的心軸、 中間套、 外套筒上; 另一部分傳動鏈安排在手腕部, 圖2.40所示為手腕部分的裝配圖。 其傳動路線為: 圖 2.39 KUKA IR-662/100型機器人手腕傳動圖 圖 2.40 KUKA IR-662/100型機器人手腕裝配圖 (1) 臂轉運動。臂部外套筒與手腕殼體7通過端面法蘭聯接,外套筒直接帶動整個手腕旋轉完成臂轉運動。 (2) 腕擺運動。臂部中間套通過花鍵與空心軸4聯接, 空心軸另一端通過一對錐齒輪12、13帶動腕擺諧波減速器的波發(fā)生器16, 波發(fā)生器上套有軸承和柔輪14,諧波減速器的定輪10與手腕殼體相聯, 動輪11通過蓋18和腕擺殼體19相固接,

24、 當中間套帶動空心軸旋轉時, 腕擺殼體作腕擺運動。 (3) 手轉運動。臂部心軸通過花鍵與腕部中心軸2聯接, 中心軸的另一端通過一對錐齒輪45、46帶動花鍵軸41, 花鍵軸的一端通過同步齒形帶傳動44、36帶動花鍵軸35, 再通過一對錐齒輪傳動33、17帶動手轉諧波減速器的波發(fā)生器25, 波發(fā)生器上套有軸承和柔輪29, 諧波減速器的定輪31通過底座34與腕擺殼體相聯,動輪24通過安裝架23與聯接手部的法蘭盤30相固定, 當臂部心軸帶動腕部中心軸旋轉時, 法蘭盤作手轉運動。 （三）柔順手腕結構（三）柔順手腕結構在用機器人進行的精密裝配作業(yè)中,當被裝配零件之間的配合精度相當高, 由于被裝配零件的不一

25、致性,工件的定位夾具、機器人手爪的定位精度無法滿足裝配要求時,會導致裝配困難, 因而,柔順性裝配技術有兩種。一種是從檢測、控制的角度, 采取各種不同的搜索方法,實現邊校正邊裝配;有的手爪還配有檢測元件,如視覺傳感器(如圖2.41所示)、力傳感器等, 這就是所謂主動柔順裝配。另一種是從結構的角度, 在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié),以滿足柔順裝配的需要, 這種柔順裝配技術稱為被動柔順裝配。 圖 2.41 帶檢測元件的手 圖2.42所示是具有移動和擺動浮動機構的柔順手腕。水平浮動機構由平面、鋼球和彈簧構成,實現在兩個方向上進行浮動; 擺動浮動機構由上、下球面和彈簧構成, 實現兩個方向的擺動。在裝配作業(yè)中,

26、如遇夾具定位不準或機器人手爪定位不準時, 可自行校正。其動作過程如圖2.43所示, 在插入裝配中工件局部被卡住時,將會受到阻力, 促使柔順手腕起作用, 使手爪有一個微小的修正量,工件便能順利插入。圖2.44所示是另一種結構形式的柔順手腕, 其工作原理與上述柔順手腕相似。 圖2.45所示是采用板彈簧作為柔性元件組成的柔順手腕, 在基座上通過板彈簧1、2聯接框架, 框架另兩個側面上通過板彈簧3、4聯接平板和軸,裝配時通過4塊板彈簧的變形實現柔順性裝配。圖2.46所示是采用數根鋼絲彈簧并聯組成的柔順手腕。 圖 2.42 移動擺動柔順手腕 圖 2.43 柔順手腕動作過程 圖 2.44 柔順手腕 圖 2

27、.45 板彈簧柔順手腕 圖 2.46 鋼絲彈簧柔順手腕 l 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。l 組成：大臂和小臂l 功能：完成伸縮運動、回轉、升降或上下擺動運動。l 作用：是把物料運送到工作范圍內的給定位置上。l 手臂結構形式的選取需考慮機器人的抓取物料重量、運動方式、速度、自由度數等。l 手臂的驅動方式：液壓驅動、氣壓驅動、電力驅動及復合驅動等。它不僅僅承受被抓取工件的重量,而且承受末端執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。 手臂的結構、 工作范圍、 靈活性、抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影響機器人的工作性能。 按手臂的結構形式區(qū)分, 手臂有單臂式、 雙臂式及懸掛式

28、, 如圖2.47所示。 圖 2.47 手臂的結構形式(a)、 (b) 單臂式; (c) 雙臂式； (d) 懸掛式 1. 1. 手臂的直線運動機構手臂的直線運動機構機器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動均屬于直線運動, 而實現手臂往復直線活塞和連桿機構等運動的機構形式較多,常用的有活塞油(氣)缸,活塞缸和齒輪齒條機構, 絲杠螺母機構等。 直線往復運動可采用液壓或氣壓驅動的活塞油(氣)缸。 由于活塞油 (氣)缸的體積小,重量輕, 因而在機器人手臂結構中應用較多。 圖2.48所示為雙導向桿手臂的伸縮結構。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端, 當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時, 則推動

29、活塞桿2(即手臂)做往復直線移動。 導向桿3在導向套4內移動,以防手臂伸縮時的轉動(并兼作手腕回轉缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道)。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩根導向桿之間,由導向桿承受彎曲作用, 活塞桿只受拉壓作用, 故受力簡單,傳動平穩(wěn),外形整齊美觀, 結構緊湊。 圖 2.48 雙導向桿手臂的伸縮結構 2. 2. 手臂回轉運動機構手臂回轉運動機構實現機器人手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的,常用的有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構和連桿機構。下面以齒輪傳動機構中活塞缸和齒輪齒條機構為例說明手臂的回轉。 齒輪齒條機構是通過齒條的往復移動,帶動與手臂聯接的齒輪作往復回轉, 即可實現手

30、臂的回轉運動。帶動齒條往復移動的活塞缸可以由壓力油或壓縮氣體驅動。圖2.49所示為手臂作升降和回轉運動的結構。圖 2.49 手臂升降和回轉運動的結構圖2.50所示為采用活塞缸和連桿機構的一種雙臂機器人手臂的結構圖, 手臂的上下擺動由鉸接活塞油缸和連桿機構來實現。 當鉸接活塞油缸1的兩腔通壓力油時, 通過連桿2帶動曲桿3(即手臂)繞軸心O做90的上下擺動(如雙點劃線所示位置)。 手臂下擺到水平位置時, 其水平和側向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來調節(jié)。此手臂結構具有傳動結構簡單、湊緊和輕巧等特點。 圖 2.50 雙臂機器人的手臂結構 3. 3. 手臂俯仰運動機構手臂俯仰運動機構機器人手臂的俯

31、仰運動一般采用活塞油(氣)缸與連桿機構聯用來實現。手臂的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聯接, 如圖2.51、圖2.52所示。此外,還有采用無桿活塞缸驅動齒輪齒條或四連桿機構實現手臂的俯仰運動。 圖 2.51 手臂俯仰驅動缸安置示意圖 圖 2.52 鉸接活塞缸實現手臂俯仰運動結構示意圖 4. 4. 手臂復合運動機構手臂復合運動機構 1) 手臂的復合運動圖2.53(a)所示為曲線凹槽機構手臂結構。 當活塞油缸1通入壓力油時, 推動銑有N型凹槽的活塞桿2右移, 由于銷軸6固定在前蓋3上, 因此, 滾套7在活塞桿的N形凹槽內滾動,

32、 迫使活塞桿2既做移動又做回轉運動, 以實現手臂4的復合運動?；钊麠U2上的凹槽展開圖見圖2.53(b)所示。其中, L1直線段為機器人取料過程; L曲線段為機器人送料回轉過程;L2直線段為機器人向卡盤內送料過程。當機床扣盤夾緊工件后立即發(fā)出信號,使活塞桿反向運動,退至原位等待上料, 從而完成自動上料。 圖2.53用曲線凹槽機構實現手臂復合運動的結構圖 2.54 用行星機構實現手臂和手腕同時回轉的結構手臂和手腕的結構圖; (b) 手臂的結構圖; (c) 手臂運動簡圖； (d) 手臂向量圖 1. 1. 固定式機器人固定式機器人固定式機器人的機座直接聯接在地面基礎上,也可固定在機身上。如圖2.55所

33、示的美國PUMA-262型垂直多關節(jié)型機器人, 其基座與立柱結構如圖2.56所示, 主要包括立柱回轉(第一關節(jié))的二級齒輪減速傳動, 減速箱體即為基座。 圖 2.55 PUMA-262型機器人 傳動路線為:電動機11輸出軸上裝有電磁制動閘16, 然后聯接軸齒輪18, 軸齒輪與雙聯齒輪20嚙合, 雙聯齒輪的另一端與大齒輪4嚙合,電動機轉動時,通過二級齒輪傳動使主軸6回轉。 基座2是一個整體鋁鑄件, 電動機通過聯接板12與基座固定, 軸齒輪通過軸承和固定套17與基座相連, 雙聯齒輪安裝在中間軸19上, 中間軸通過2個軸承安裝在基座上。主軸是個空心軸, 通過2個軸承、立柱7和壓環(huán)5與基座固定。立柱是

34、1個薄壁鋁管, 主軸上方安裝大臂部件,基座上還裝有小臂零位定位用的支架9, 2個控制末端操作器手爪動作的空氣閥門15和氣管接頭14等。 圖 2.56 基座與立柱結構圖 2. 2. 移動式機器人移動式機器人行走機構分為固定軌跡式和無固定軌跡式。無固定軌跡式又分為與地面連續(xù)接觸（包括輪式和履帶式）和與地面間斷接觸（步行式）。（1 1）輪車機器人）輪車機器人二輪車的速度、傾斜度等物理精度不高, 而若將其進行機器人化,則引進簡單、便宜、可靠性高的傳感器也很難。此外,二輪車制動及低速行走時極不穩(wěn)定, 目前正在進行穩(wěn)定化試驗。圖2.57所示為利用陀螺儀的二輪車。人們在駕駛兩輪車時, 依靠手的操作和體重的移

35、動力求穩(wěn)定行走,這種陀螺二輪車, 把與車體傾斜成比例的力矩作用在軸系上,利用陀螺效果使車體穩(wěn)定。 圖 2.57 利用陀螺儀的二輪車 （2 2）由三組輪子組成的輪系）由三組輪子組成的輪系三輪移動機構是車輪型機器人的基本移動機構。目前, 作為移動機器人移動機構的三輪機構的原理如圖2.58所示。 圖 2.58 三輪車型移動機器人機構 圖2.59所示的三組輪是由美國Unimationstanford 行走機器人課題研究小組設計研制的。 它采用了三組輪子, 呈等邊三角形分布在機器人的下部。 圖 2.59 三組輪 在該輪系中,每組輪子由若干個滾輪組成。這些輪子能夠在驅動電機的帶動下自由地轉動,使機器人移動

36、。驅動電機控制系統既可以同時驅動所有三組輪子,也可以分別驅動其中兩組輪子,這樣,機器人就能夠在任何方向上移動。 該機器人行走部分設計得非常靈活, 它不但可以在工廠地面上運動,而且能夠沿小路行駛。存在的問題是,機器人的穩(wěn)定性不夠,容易傾倒, 而且運動穩(wěn)定性隨著負載輪子的相對位置不同而變化。 另外， 在輪子與地面的接觸點從一個滾輪移到另一個滾輪上的時候, 還會出現顛簸。 為了改進該機器人的穩(wěn)定性, Unimationstanford研究小組重新設計了一種三輪機器人。改進后的特點是使用長度不同的兩種滾輪： 長滾輪呈錐形, 固定在短滾輪的凹槽里。這樣可大大減小滾輪之間的間隙, 減小了輪子的厚度, 提高

37、了機器人的穩(wěn)定性。 此外, 滾輪上還附加了軟橡皮, 具有足夠的變形能力, 可使?jié)L輪的接觸點在相互替換時不發(fā)生顛簸。 （3 3）四輪機器人）四輪機器人四輪車的驅動機構和運動基本上與三輪車相同。 圖2.60(a)所示為兩輪獨立驅動, 前后帶有輔助輪的方式。 與圖2.58(a)相比, 當旋轉半徑為0時, 由于能繞車體中心旋轉, 因此有利于在狹窄場所改變方向。 圖2.60(b)是所謂汽車方式, 適合于高速行走, 但用于低速的運輸搬運時, 費用不合算, 所以小型機器人不大采用。 圖 2.60 四輪車的驅動機構和運動 圖 2.61 火星探測用小漫游車 圖2.62所示為四輪防爆機器人, 該輪系由于采用了四組

38、輪子, 運動穩(wěn)定性有很大提高。但是,要保證四組輪子同時和地面接觸, 必須使用特殊的輪系懸掛系統。它需要四個驅動電機, 控制系統也比較復雜, 造價也較高。 圖 2.62 四輪防爆機器人 （4 4）三角輪系統）三角輪系統圖2.63所示為三角輪系的機構圖。這是日本東京大學研制的一種機器人輪系, 它所裝備的機器人用于核電廠的自動檢測和維修。該機器人除了采用三角輪系外, 還具有一個傳感器系統和一個計算機控制系統。該輪系使機器人不但能在地面上運動, 而且還能夠爬樓梯。 圖 2.63 三角輪系的機構圖 （5 5）全方位移動機器人）全方位移動機器人過去的車輪式移動機構基本上是2自由度的, 因此不可能簡單地實現

39、任意的定位和定向。 機器人的定位, 用四輪構成的車可通過控制各輪的轉向角來實現。自由度多、能簡單設定機器人所需位置及方向的移動車稱為全方位移動車。圖2.64是表示全方位移動車移動方式的各車輪的轉向角。 圖 2.64 全方位移動車的移動方式(a) 全方位方式； (b) 轉彎方式; (c) 旋轉方式; (d) 制動方式 （6 6）兩足步行式機器人）兩足步行式機器人車輪式行走機構只有在平坦堅硬的地面上行駛才有理想的運動特性。如果地面凸凹程度和車輪直徑相當, 或地面很軟, 則它的運動阻力將大增。 足式步行機構有很大的適應性, 尤其在有障礙物的通道(如管道、 臺階或樓梯)上或很難接近的工作場地更有優(yōu)越性

40、。 足式步行機構有兩足、 三足、 四足、 六足、 八足等形式, 其中兩足步行機器人具有最好的適應性, 也最接近人類, 故也稱之為類人雙足行走機器人。 類人雙足行走機構是多自由度的控制系統, 是現代控制理論很好的應用對象。 這種機構除結構復雜外, 在靜/動狀態(tài)下的行走性能、穩(wěn)定性和高速運動等都不是很理想。 如圖2.65所示, 兩足步行機器人行走機構是一空間連桿機構。在行走過程中, 行走機構始終滿足靜力學的靜平衡條件,也就是機器人的重心始終落在支持地面的一腳上。 圖 2.65 兩足步行式行走機構原理圖 兩足步行機器人的動步行有效地利用了慣性力和重力。 人的步行就是動步行, 動步行的典型例子是踩高蹺

41、。 高蹺與地面只是單點接觸, 兩根高蹺不動時在地面站穩(wěn)是非常困難的, 要想原地停留,必須不斷踏步,不能總是保持步行中的某種瞬間姿態(tài)。 圖2.66所示為北京漢庫科技公司研制的雙足機器人。該機器人全部采用國產元件, 驅動部分采用23個直流伺服電機, 行走平穩(wěn),能直立,前進,后退,單腿站立, 原地旋轉,跳舞, 打太極拳等。其中，二足共有10個自由度， 由腰部、 大腿、 小腿和腳掌組成，髖部有前向和側向關節(jié)各一對，膝部有前向關節(jié)一對，踝部有前向關節(jié)和側向關節(jié)各一對。前向關節(jié)用來實現重心在前進方向上的運動。側向關節(jié)用來實現重心的側向運動。 KAMRO機器人是Karlsrube大學開發(fā)的自治式行走機器人,

42、 如圖2.67所示。該機器人用在柔性制造單元中進行工件搬運和裝配作業(yè)。 KAMRO機器人從材料儲存系統中挑選所需的零件并把它搬運到裝配站, 零件準備好以后, 機器人的兩個手臂在傳感器系統監(jiān)控下把零件裝配成成品件。手部具有裝配工作不可少的力和力矩傳感器,以便測量裝配過程中零件之間的碰撞和力; 由視覺系統監(jiān)視裝配過程, 即超聲波傳感器探測可能存在的障礙物, 并避開障礙物尋找安全路徑。 圖 2.66 漢庫科技公司的雙足機器人 圖 2.67 KAMRO機器人 （7 7）履帶行走機器人）履帶行走機器人履帶式機構的最大特征是將圓環(huán)狀的無限軌道帶卷繞在多個車輪上, 使車輪不直接與路面接觸。 利用履帶可以緩沖

43、路面狀態(tài), 因此可以在各種路面條件下行走。 機器人采用履帶方式有以下一些優(yōu)點: 1）能登上較高的臺階; 2）由于履帶的突起, 路面保持力強, 因此適合在荒地上移動; 3）能夠原地旋轉; 4）重心低, 穩(wěn)定。 圖 2.68 履帶機器人 通過進一步采用適應地形的履帶, 可產生更有效地利用履帶特性的方法。 圖2.69是適應地形的履帶的例子。 圖 2.69 適應地形的履帶 （一）驅動（一）驅動驅動裝置驅動裝置是使機器人各個關節(jié)運行起來的裝置。機器人的驅動方式：機器人的驅動方式：l 液壓驅動液壓驅動l 氣壓驅動氣壓驅動l 電動驅動電動驅動1 1液壓驅動器類型和特點液壓驅動器類型和特點 液壓驅動器的優(yōu)點是

44、功率大，可省去減速裝置而直接與被液壓驅動器的優(yōu)點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產生液體泄漏，不適有較高的精度。但需要增設液壓源，易產生液體泄漏，不適合高、低溫及有潔凈要求的場合。故液壓驅動器目前多用于合高、低溫及有潔凈要求的場合。故液壓驅動器目前多用于特大功率的操作機器人系統或機器人化工程機械。特大功率的操作機器人系統或機器人化工程機械。 液壓驅動器可分為以下幾種類型。液壓驅動器可分為以下幾種類型。液壓驅動液壓驅動 液壓馬達液壓馬達 液壓缸液壓缸 回轉馬

45、達回轉馬達 擺動馬達擺動馬達液壓馬達液壓馬達液壓擺動馬達液壓擺動馬達液壓控制閥液壓控制閥液壓泵液壓泵液壓缸液壓缸2氣動驅動器類型及特點氣動驅動器類型及特點 氣動驅動器的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作氣動驅動器的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但也需要增設氣壓源，且與液壓驅動器相比，功率較用。但也需要增設氣壓源，且與液壓驅動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高、但有潔凈、防爆等要求的點位控制機器人。高、但有潔凈、防爆等要求的點位控制機器人。 氣動驅動器可分為以下幾種類型。氣動驅動器可分為以下幾種類型。

46、氣動驅動氣動驅動 氣動馬達氣動馬達 氣缸氣缸 回轉馬達回轉馬達 擺動馬達擺動馬達氣動回轉馬達氣動回轉馬達氣動擺動馬達氣動擺動馬達氣缸氣缸氣泵氣泵氣動三大件氣動三大件氣動控制閥氣動控制閥3 3電動驅動器類型和特點電動驅動器類型和特點 電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，轉電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，轉動慣性小，速度和位置精度都很高，但它們多與減速裝置動慣性小，速度和位置精度都很高，但它們多與減速裝置相聯，直接驅動比較困難。相聯，直接驅動比較困難。 電動驅動器的類型很多，可分為以下幾種類型。電動驅動器的類型很多，可分為以下幾種類型。力矩電機力矩電機電驅動電驅動 交流伺服

47、電機驅動交流伺服電機驅動 直流伺服電機驅動（包括直線電機）直流伺服電機驅動（包括直線電機） 步進電機步進電機伺服驅動伺服驅動 舵機舵機驅動驅動 有刷有刷無刷無刷舵機舵機交流伺服電機交流伺服電機步進電機步進電機直流伺服電機直流伺服電機（二）傳動（二）傳動傳動裝置傳動裝置是傳動動力和運動的裝置。機器人的傳動機構：機器人的傳動機構：l 直線傳動直線傳動l 旋轉傳動旋轉傳動1. 1. 直線傳動裝置直線傳動裝置 （1 1）齒輪齒條裝置）齒輪齒條裝置組成：齒條、齒輪、拖板、導向桿齒條、齒輪、拖板、導向桿原理：通常,齒條是固定不動的；齒輪傳動時, 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動；齒輪的旋轉運動就轉換成為

48、拖板的直線運動。如圖2.70所示。特點：該裝置的回差較大。 圖 2.70 齒輪齒條裝置 （2 2）普通絲杠）普通絲杠普通絲杠驅動是由一個旋轉的精密絲杠驅動一個螺母沿絲杠軸向移動。 特點：由于普通絲杠的摩擦力較大, 效率低, 慣性大, 在低速時容易產生爬行現象, 而且精度低, 回差大。應用：在機器人上很少采用。 （3 3）滾珠絲杠）滾珠絲杠組成：絲杠、螺母、滾珠、回程引導裝置原理：滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來, 進入經過研磨的導槽, 轉動23圈以后, 返回鋼套管。如圖2.71所示特點：傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦, 可極大地減小摩擦力，摩擦力很??；運動響應速度快；傳動效率高,達到90%。

49、圖 2.71 滾球絲杠副 應用：機器人上經常用。 2. 2. 旋轉傳動裝置旋轉傳動裝置（1 1）齒輪鏈）齒輪鏈組成：由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構。特點：不但可以傳遞運動角位移和角速度, 而且可以傳遞力和力矩。 原理：以具有兩個齒輪的齒輪鏈為例，如圖2.73所示。其中一個齒輪裝在輸入軸上, 另一個齒輪裝在輸出軸上。圖 2.73 齒輪鏈機構使用注意： 齒輪鏈的引入會改變系統的等效轉動慣量, 從而使驅動電機的響應時間減小, 這樣伺服系統就更加容易控制。輸出軸轉動慣量轉換到驅動電機上, 等效轉動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數的平方成正比。 在引入齒輪鏈的同時, 由于齒輪間隙誤差, 將會導致機器人

50、手臂的定位誤差增加; 而且, 假如不采取一些補救措施, 齒隙誤差還會引起伺服系統的不穩(wěn)定性。 常用的幾種類型：（2 2）同步皮帶）同步皮帶組成：具有許多型齒的皮帶、具有型齒的同步皮帶輪齒特點：具有柔性好, 價格便宜兩大優(yōu)點；被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況；同步皮帶比齒輪鏈價格低得多, 加工也容易得多。 齒輪鏈和同步皮帶結合起來使用更為方便。 （3 3）諧波齒輪）諧波齒輪組成：由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成原理：諧波發(fā)生器驅動柔性齒輪旋轉并使之發(fā)生塑性變形。轉動時,具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內齒轉動，且柔性齒輪的橢圓形端部只有少數齒與剛性齒輪嚙合, 只有這樣,柔性齒

51、輪才能相對于剛性齒輪自由地轉過一定的角度。見圖2.74。特點：傳動精度高，回差小應用：目前, 機器人的旋轉關節(jié)有6070都使用諧波齒輪。圖 2.74 諧波齒輪傳動 （三）驅動方式的選用（三）驅動方式的選用 在廉價的計算機問世以前, 旋轉運動計算量大, 認為采用直線驅動方式比較好。 直流伺服電機是一種較理想的旋轉驅動元件, 但需要通過較昂貴的伺服功率放大器來進行精確的控制。 今天, 許多機器人公司在制造和設計新機器人時, 都選用了旋轉關節(jié)。 然而也有許多情況采用直線驅動更為合適,有些要求精度高的地方也要選用直線驅動。因此，直線氣缸仍是目前所有驅動裝置中最廉價的動力源。（四）工業(yè)機器人的傳動系統要

52、求（四）工業(yè)機器人的傳動系統要求l結構緊湊、 重量輕、 轉動慣量和體積??；l消除傳動間隙, 提高其運動和位置精度。 表2.1為工業(yè)機器人常用傳動方式的比較與分析。 表表2.1 工業(yè)機器人常用傳動方式的比較與分析工業(yè)機器人常用傳動方式的比較與分析 表表2.1 工業(yè)機器人常用傳動方式的比較與分析工業(yè)機器人常用傳動方式的比較與分析 （五）制動器（五）制動器許多機器人的機械臂都需要在各關節(jié)處安裝制動器。作用: 在機器人停止工作時, 保持機械臂的位置不變; 在電源發(fā)生故障時, 保護機械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。通常是按失效抱閘方式工作的, 即要松開制動器就必須接通電源,否則,各關節(jié)不能產生相對運動。 主要目的：在電源出現故障時起保護作用。缺點：在工作期間要不斷通電使制動器松開。圖 2.75 三菱裝配機器人肩部制動閘安裝圖 （六）新型的驅動方式（六）新型的驅動方式1. 1. 磁致伸縮驅動磁致伸縮驅動鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變, 其長度和體積都要發(fā)生微小的變化, 這種現象稱為磁致伸縮。 這一現象已用于制造具有微英寸量級位移能力的直線電機。美國波士頓大學已經研制出了一臺使用壓電微電機驅動的機器人“機