第4章 工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)《工業(yè)機器人》教學(xué)課件

《工業(yè)機器人》?精品課件合集第四章工業(yè)機器人的基本結(jié)構(gòu)

4.1工業(yè)機器人的主體結(jié)構(gòu)4.2工業(yè)機器人的臂部結(jié)構(gòu)4.3工業(yè)機器人的腕部和手部結(jié)構(gòu)4.4移動式機器人工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)，包括機器人的機體結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)。1.機器人的機械系統(tǒng)是機器人的本體，機器人需要通過本體的運動和動作來完成特定的任務(wù)；

工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)，包括機器人的機體結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)。1.機器人的機械系統(tǒng)是機器人的本體，機器人需要通過本體的運動和動作來完成特定的任務(wù)；2.不同應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)存在著較大差異；

工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)，包括機器人的機體結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)。1.機器人的機械系統(tǒng)是機器人的本體，機器人需要通過本體的運動和動作來完成特定的任務(wù)；2.不同應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)存在著較大差異；3.從機器人基本組成的主體結(jié)構(gòu)、臂部結(jié)構(gòu)、手腕部結(jié)構(gòu)和常見移動機器人機構(gòu)等角度出發(fā)，了解和掌握常見機構(gòu)在機器人設(shè)計中的應(yīng)用。在推演過程中一般進行簡化處理，常見的簡化方法有以下幾種：（1）向心力和哥氏力只有當(dāng)機器人高速運動時才有意義，否則它們造成的誤差很小。也就是說，在非高速運動情況下，可以不考慮系數(shù)在推演過程中一般進行簡化處理，常見的簡化方法有以下幾種：（1）向心力和哥氏力只有當(dāng)機器人高速運動時才有意義，否則它們造成的誤差很小。也就是說，在非高速運動情況下，可以不考慮系數(shù)（2）慣量項和重力項在機器人控制中特別重要，它們直接影響機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定位精度。但當(dāng)各連桿的質(zhì)量相距較大時，對于質(zhì)量很輕的連桿，動力學(xué)方程中的重力矩項可以忽略。4.1工業(yè)機器人的主體結(jié)構(gòu)

機械系統(tǒng)通常包括機座、立柱、腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪等，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。4.1.1主體結(jié)構(gòu)的基本形式常見的主體結(jié)構(gòu)形式有：直角坐標(biāo)形式、圓柱坐標(biāo)形式、球面坐標(biāo)形式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。下面分別就四種形式進行介紹。1.直角坐標(biāo)形式機器人圖4.1直角坐標(biāo)機器人直角坐標(biāo)形式機器人具有如下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單。（2）編程容易，在X，Y，Z三個方向的運動沒有耦合，便于控制系統(tǒng)的設(shè)計。（3）直線運動速度快，定位精度高，避障性能較好。缺點和問題：（1）動作范圍小，靈活性較差。（2）導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護比較困難，導(dǎo)軌暴露面大，不如轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)密封性好。（3）結(jié)構(gòu)尺寸較大，占地面積較大。（4）移動部分慣量較大，增加了對驅(qū)動性能的要求。2.圓柱坐標(biāo)形式機器人圖4.2圓柱坐標(biāo)機器人圓柱坐標(biāo)形式機器人主要有如下優(yōu)點：（1）控制精度較高，控制較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。（2）對比直角坐標(biāo)形式，在垂直和徑向的兩個往復(fù)運動可以采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)，在腰部轉(zhuǎn)動時可以把手臂縮回去，從而減小了轉(zhuǎn)動慣量，改善了力學(xué)負(fù)載。主要缺點：由于機身結(jié)構(gòu)的原因，手臂不能到達底部，減小了機器人的工作范圍，同時結(jié)構(gòu)也較龐大。3.球面坐標(biāo)形式機器人圖4.3球面坐標(biāo)機器人美國Unimation公司的Unimation系列機器人就是球面坐標(biāo)形式的代表。球面坐標(biāo)形式機器人的特點是：占地面積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，但避障性能較差，存在平衡問題。4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機器人圖4.4關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機器人主要有以下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。（2）靈活性好，手部到達位置好，具有較好的避障性能。（3）沒有移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)密封性能好，摩擦小，慣量小。（4）關(guān)節(jié)驅(qū)動力小，能耗較低。關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機器人的缺點有：（1）運動過程中存在平衡問題，控制存在耦合。（2）當(dāng)大臂和小臂舒展開時，機器人結(jié)構(gòu)剛度較低。4.1.2主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計工業(yè)機器人主體結(jié)構(gòu)及其機身設(shè)計時的注意事項：1.作為整個機器人支撐的主體應(yīng)該具有足夠大的剛度、強度和穩(wěn)定性；2.主體結(jié)構(gòu)自身應(yīng)該保證運動靈活，避免在結(jié)構(gòu)設(shè)計上出現(xiàn)自鎖卡死的問題，選擇合適的驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)布置合理。機器人主體結(jié)構(gòu)材料的選擇4.2工業(yè)機器人的臂部結(jié)構(gòu)手臂的作用：將抓取的工件運送到給定的位置上，因而一般機器人的手臂有3個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運動。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影響機器人的工作性能，所以必須根據(jù)機器人的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度以及定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)形式。4.2.1臂部結(jié)構(gòu)的基本形式按手臂的結(jié)構(gòu)形式區(qū)分:手臂有單臂、雙臂及懸掛式，如圖4.5所示。（a）單臂機器人（b）雙臂機器人（c）單臂結(jié)構(gòu)（d）雙臂結(jié)構(gòu)圖4.5單臂、雙臂結(jié)構(gòu)機器人按機械手手臂的運動形式分:有直線運動、回轉(zhuǎn)運動和復(fù)合運動等不同的運動方式，對應(yīng)不同的機械手臂部的結(jié)構(gòu)。直線運動有手臂的伸縮、升降以及橫向（或縱向）移動；回轉(zhuǎn)運動有手臂的左右回轉(zhuǎn)、上下擺動（俯仰）；復(fù)合運動是既有直線運動又有回轉(zhuǎn)運動。1.手臂的直線運行結(jié)構(gòu)機械手的伸縮、升降及橫向（或縱向）運動的機構(gòu)實現(xiàn)形式較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)等。圖4.6臂部伸縮結(jié)構(gòu)機器人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2.手臂回轉(zhuǎn)和俯仰運行機構(gòu)實現(xiàn)機械手回轉(zhuǎn)運動的常見機構(gòu)有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈傳達機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。圖4.7油缸鉸鏈結(jié)構(gòu)的俯仰機器人3.手臂的復(fù)合運動機構(gòu)手臂的復(fù)合運動多數(shù)用于動作程序固定不變的專用機器人，它不僅使機器人的傳動結(jié)構(gòu)簡單，而且可簡化驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并使機器人傳動準(zhǔn)確、工作可靠，因而在生產(chǎn)中應(yīng)用比較多。除手臂實現(xiàn)復(fù)合運動外，手腕和手臂的運動亦能組成復(fù)合運動。手臂（或手腕）和手臂的復(fù)合運動，可以由動力部件（如活塞缸、回轉(zhuǎn)缸、齒條活塞缸等）與常用機構(gòu)（如凹槽機構(gòu)、連桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等）按照手臂的運動軌跡（即路線）或手臂和手腕的動作要求進行組合。4.2.2臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計工業(yè)機器人的臂部由大臂、小臂所組成，一般具有2～3個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或者俯仰。手臂的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電驅(qū)動幾種形式，其中電驅(qū)動最為通用。1.臂部設(shè)計的特點和要求對機械手臂的設(shè)計要求有：（1）手臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足機器人作業(yè)空間的要求。（2）合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料。工字形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，所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼制作支承板。（3）盡量減小手臂重量和整個手臂相對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，以減小運動時的動載荷與沖擊。（4）合理設(shè)計與腕和機身的連接部位。臂部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，而且還直接影響機器人的外觀。2.臂部材料選擇應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料制作手臂，其中非金屬材料有尼龍

6、聚乙烯（PEH）和碳素纖維等；金屬材料以輕合金（特別是鋁合金）為主。4.3工業(yè)機器人的腕部和手部結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人的腕部起到支承手部的作用，機器人一般具有6個自由度才能使手部（末端操作器）達到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)，手腕上的自由度主要是實現(xiàn)所期望的姿態(tài)。4.3.1腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點手腕具有獨立的自由度一般需要3個自由度，由3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成。組合的方式多種多樣，常用的如圖

4.8

所示。圖4.8手腕回轉(zhuǎn)運動的形式手腕各回轉(zhuǎn)方向的定義分別如下：（1）繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱為臂轉(zhuǎn)。（2）使末端執(zhí)行器相對于手臂進行的擺動稱為腕擺。（3）末端執(zhí)行器（手部）繞自身軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱為手轉(zhuǎn)。1.手腕運動的分類按轉(zhuǎn)動特點的不同，用于手腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動又可細(xì)分為滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)兩種。圖4.9（a）所示為滾轉(zhuǎn)，其特點是相對轉(zhuǎn)動的兩個零件的回轉(zhuǎn)軸線重合，因而能實現(xiàn)360

無障礙旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)運動，滾轉(zhuǎn)通常用R來標(biāo)記。圖4.9（b）所示為彎轉(zhuǎn)，其特點是兩個零件的轉(zhuǎn)動軸線相互垂直，這種運動會受到結(jié)構(gòu)的限制，相對轉(zhuǎn)動角度一般小于360

，彎轉(zhuǎn)通常用B來標(biāo)記。（a）滾轉(zhuǎn)（b）彎轉(zhuǎn)圖4.9滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)圖4.10所示為3自由度手腕的幾種結(jié)合方式。圖4.103自由度手腕的組合形式2.常見的腕部結(jié)構(gòu)圖4.11RRR型3自由度手腕圖4.122自由度手腕的復(fù)合運動圖4.133自由度手腕的復(fù)合運動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B4.3.2手部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點如圖4.14所示，機械手模仿人手的抓取功能，分別實現(xiàn)無手指關(guān)節(jié)的簡單夾持、固定手指關(guān)節(jié)的夾持和有手指關(guān)節(jié)的夾持抓取等幾種類型。圖4.14末端手部的幾種形式工業(yè)機器人的手部（hand）也叫做末端操作器（end-effector），它是裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。1.機械手常見類型和結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人末端執(zhí)行器大致可分為以下幾類：夾鉗式取料手；吸附式取料手；仿生多指靈巧手。手爪的典型結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）機械手爪。機械手爪通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅(qū)動手指的開合。（2）磁力吸盤。磁力吸盤有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。（3）仿生多指靈巧手。2.工業(yè)機器人手部的一般特點（1）手部與手腕相連處可拆卸。手部與手腕有機械接口，當(dāng)機器人作業(yè)對象不同時，可以方便地拆卸和更換手部。（2）手部是工業(yè)機器人的末端操作器。它可以像人手那樣具有手指，也可以是不具備手指的手；可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，比如裝在機器人手腕的噴漆槍、焊接工具等。（3）手部的通用性比較差。工業(yè)機器人手部通常是專用的裝置，比如一種手爪往往只能抓握一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近似的工件，一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。（4）手部是—個獨立的部件。假如把手腕歸屬十手臂，那么工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的三大件就是機身、手臂和手部（末端操作器）。手部對于整個工業(yè)機器人來說是完成作業(yè)好壞、作業(yè)柔性好壞的關(guān)鍵部件之一。具有復(fù)雜感知能力的智能化手爪的出現(xiàn)，增加了工業(yè)機器人作業(yè)的靈活性和可靠性。3.設(shè)計機械手時需要注意的問題（1）手部設(shè)計需要注意的問題：考慮被抓握的對象物體的幾何參數(shù)和機械特性?？紤]手爪和機器人匹配。考慮環(huán)境條件。（2）手腕設(shè)計需要注意的問題：需要考慮到機械手操作力（如最大拿舉力）、速度（如最大操作速度）、大小、重量的限制、安全性（對發(fā)熱或過負(fù)荷的安全性）、具體工作場合下動力源選擇的方便性等。4.4移動式機器人行走部分機構(gòu)：行走式機器人的重要執(zhí)行部件，由行走部的驅(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。行走部分機構(gòu)按其運動軌跡可分為：固定軌跡式和無固定軌跡式。固定軌跡式行走機構(gòu)主要用于工業(yè)機器人，如橫梁式機器人。無固定軌跡式行走部按其行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點分為輪式行走部、履帶式行走部和關(guān)節(jié)式行走部。固定軌跡式行走機構(gòu)與地面連續(xù)接觸，其形態(tài)為運行車式，該機構(gòu)用得比較多，多用于野外、較大型作業(yè)場所，也比較成熟；無固定軌跡式行走機構(gòu)與地面為間斷接觸，為人類（或動物）的腿腳式，該機構(gòu)正在發(fā)展和完善中。4.4.1機器人行走機構(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)一方面支撐機器人的機身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動機器人實現(xiàn)在更廣闊空間內(nèi)的運動。1.固定軌跡式移動機器人2.無固定軌跡式移動機器人改善機器人行走性能的常用方法：一是增加機器人移動車輛的重量和剛性，二是進行實時計算和施加所需要的平衡力。4.4.2機器人典型行走機構(gòu)1.全輪偏轉(zhuǎn)式移動機構(gòu)2.兩足步行式機器人步行機器人最常見的傳動方式主要有：（1）鋼絲繩傳動。（2）人工肌肉傳動。（3）履帶式行走機器人。（4）車輪