《機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計》PPT課件.ppt

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1、工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計 任務(wù) 1：工業(yè)機器人的總體設(shè)計 任務(wù) 2：工業(yè)機器人的驅(qū)動與傳動 任務(wù) 3：機身和臂部設(shè)計 任務(wù) 4：腕部設(shè)計 任務(wù) 5：手部設(shè)計 2 任務(wù) 1 工業(yè)機器人總體設(shè)計 總體設(shè)計的步驟 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 傳動方式選擇 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 材料選擇 平衡系統(tǒng)設(shè)計 3 1、系統(tǒng)分析 機器人 是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提高勞動生產(chǎn)率的有力工 具。首先確定使用機器人是否需要與合適，決定采用后需要做如 下分析工作： (1)明確采用機器人的目的和任務(wù) 。 (2)分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括 設(shè)備 兼容性 等。 (3)認真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機器人的基本功能和方 案 。 如機器人的自由度

2、數(shù)、信息的存儲容量、定位精度、抓取重 量 (4)進行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料 。 總體設(shè)計的步驟 4 2、技術(shù)設(shè)計 (1)機器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、 運動速度及定位精度等。 舉例：定位精度的確定 機器人或機械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機器人或機械 手本身所能達到的定位精度取決于定位方式、運動速度、控制方式、臂 部剛性、驅(qū)動方式、緩沖方式等。 工藝過程的不同，對機器人或機械手重復(fù)定位精度的要求也不同，不 同工藝過程所要求的定位精度如下： 金屬切削機床上下料： (0.05-1.00) mm 沖床上下料： 1 mm 模鍛： (0.1-2.0) mm 點

3、焊： 1 mm 裝配、測量： (0.01-0.50) mm 噴涂： 3 mm 當機器人或機械手本身所能達到的定位精度有困難時，可采用輔助 工夾具協(xié)助定位的辦法，即 機器人實現(xiàn)粗定位、工夾具實現(xiàn)精定位 。 5 (2) 機器人 運動形式的選擇。 常見機器人的運動形式 有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和 SCARA型 。 (3) 擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖。 選擇合適的傳感器，以便 結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮安裝位臵 。 (4) 確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖 。 (5) 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 。 確定驅(qū)動方式，選擇運動部件和設(shè) 計具體結(jié)構(gòu)，繪制機器人總裝圖及主要部件零件圖 。 6 3、仿真分析 (1)運動學(xué)

4、計算。分析是否達到要求的速度、加速度、位臵。 (2)動力學(xué)計算。計算關(guān)節(jié)驅(qū)動力的大小，分析驅(qū)動裝臵是否 滿足要求。 (3)運動的動態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來， 實現(xiàn)機器人的運動仿真。 (4)性能分析。建立機器人數(shù)學(xué)模型，對機器人動態(tài)性能進行 仿真計算。 (5)方案和參數(shù)修改。運用仿真分析的結(jié)果對所設(shè)計的方案、 結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進行修改，加以完善。 機器人機械系統(tǒng)設(shè)計是機器人設(shè)計的重要部分。其他系統(tǒng) 的設(shè)計盡管有各自的獨立性，但都必須與機械系統(tǒng)相匹配，相 輔相成，構(gòu)成一個完整的機器人系統(tǒng)。 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵 是 選擇由連桿件和運動副組成的坐標 形式 （ 1）直角坐標

5、機器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個自由度，全為 伸縮 （ 2）圓柱 坐標 機器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個自由度，腰轉(zhuǎn)、升降 、 伸縮 （ 3）球面坐標機器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個自由度，轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動 和 伸縮 （ 4）關(guān)節(jié) 坐標 機器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個自由度，全為轉(zhuǎn)動 傳動方式選擇 （ 1）選擇驅(qū)動源和傳動裝臵與關(guān)節(jié)部件的連接、驅(qū)動方式 （ 2）工業(yè)機器人的傳動形式 傳動形式 特征 優(yōu)點 缺點 直接連結(jié)傳動 直接裝在關(guān)節(jié)上 結(jié)構(gòu)緊湊 需考慮電機自重 ， 轉(zhuǎn)動慣量大 ， 能耗大 遠距離連結(jié)傳動 經(jīng)遠距離傳動裝臵與關(guān)節(jié)相連 不需考慮電機自重 ，平衡性良好 額外的間隙和柔性 ，結(jié)構(gòu)龐大 ， 能耗大 間接傳動 減速比遠

6、1的傳 動裝臵與關(guān)節(jié)相 連 經(jīng)濟 、 對載荷變化不 敏感 、 便于制動設(shè)計 、 方便一些運動轉(zhuǎn)換 傳動精度低 、 結(jié)構(gòu)不 緊湊 、 引入誤差 ， 降 低可靠性 直接驅(qū)動 不經(jīng)中間關(guān)節(jié)或 經(jīng)速比 =1的傳動 裝臵與關(guān)節(jié)相連 傳動精度高 ， 振動小 ， 傳動損耗小 ， 可靠性 高 ， 響應(yīng)快 控制系統(tǒng)設(shè)計困難 ， 對傳感元件要求高 ， 成本高 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 模塊化工業(yè)機器人 。 由一些標準化 、 系列化的模塊件通過具有 特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機器人系統(tǒng) 。 模塊化工業(yè)機器人的特點 (1)經(jīng)濟性。 設(shè)計和制造通用性很強的工業(yè)機器人是很不經(jīng)濟的，價格 昂貴。用戶希望廠商能為諸多的作

7、業(yè)崗位提供可選擇的，自由 度盡可能少，控制和編程簡單，實用性強的專用機器人。 機器人制造廠家也希望改變設(shè)計和制造模式，采用批量 制造技術(shù)來生產(chǎn)標準化系列化的工業(yè)機器人模塊，自由拼裝工 業(yè)機器人，滿足用戶經(jīng)濟性好和基本功能全的要求。 (2)靈活性。 其主要體現(xiàn)在： 可根據(jù)工業(yè)機器人所要實現(xiàn)的功能來決定模塊的數(shù)量 ， 機器人的自由度可以方便地增減 。 比如 ， 用戶要求機器人能為 多臺設(shè)備進行作業(yè)時 ， 可增選一個底座移動軸模塊或其它行走 軸模塊 ,工業(yè)機器人成為移動式機器人 。 為了 擴大工業(yè)機器人的工作范圍 ， 可更換具有更長長度 的手臂模塊或加接手臂模塊 。 下圖所示是一種多關(guān)節(jié)多臂檢測 機

8、器人 ， 不僅多臂模塊組合成的手臂很長 ， 而且手臂可作波浪 運動 。 能不斷對現(xiàn)役 模塊化工業(yè)機器人更新改造 。 比如 ， 用戶 可以選用伸縮套筒式手臂模塊來更替原有固定長度的模塊；隨 著控制技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展 ， 可更換更高性能的控制模塊和 更高精度的傳感器模塊；更換新模塊來進行工業(yè)機器人的維修 保養(yǎng) 。 3.模塊化工業(yè)機器人所存在的問題 (1)模塊化工業(yè)機器人整個機械系統(tǒng)的 剛度比較差 。 因為 模塊之間的結(jié)合是可方便拆卸的 ， 盡管在設(shè)計上已經(jīng)注意到了 標準機械接口的高精度要求 ， 但實際制造仍會存在誤差 ， 所以 與整體結(jié)構(gòu)相比剛度相對地差些 。 (2)因為有許多機械接口及其它連接

9、附件 ， 所以模塊化工業(yè) 機器人的 整體重量有可能增加 。 (3)雖然功能模塊的形式有多種多樣 ， 但是 尚未真正做到根 據(jù)作業(yè)對象就可以合理進行模塊化分析和設(shè)計 。 機器人本體材料的選擇 材料選擇 基本 要求 強度高 阻尼大 彈性模量大 重量輕 經(jīng)濟性好 (1)強度高 。機器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強度材料不 僅能滿足機器人臂的強度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸， 減輕重量。 (2)彈性模量大 。從材料力學(xué)公式可知，構(gòu)件剛度 (或變形量 ) 與材料的彈性模量 E、 G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度 越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的改性 對彈性模量卻沒有多大差別。

10、比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為 420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為 2000 2300MPa，但是二者 的彈性模量 E 卻沒有多大變化，均為 210000MPa。因此，還應(yīng)尋 找其它提高構(gòu)件剛度的途徑。 (3)重量輕 。 在機器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是 由于慣性力引起的 ， 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 。 因 此 ， 提出了選用高彈性模量低密度材料的要求 ， 可用 E / 指標 來衡量 。 下表列出了幾種材料的應(yīng) E、 和 E / 值 ,供參考 。 (4)阻尼大 。 工業(yè)機器人在選材時不僅要求剛度大 ， 重

11、 量輕 ， 而且希望材料的阻尼盡可能大 。 機器人的臂經(jīng)過運動 后 ， 要求能平穩(wěn)地停下來 。 可是由于在構(gòu)件終止運動的瞬時 ， 構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩 ， 構(gòu)件自身又具有彈性 ， 因 而會產(chǎn)生 “ 殘余振動 ” 。 從提高定位精度和傳動平穩(wěn)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 收能量 。 (5)材料價格低 。 材料價格是工業(yè)機器人成本價格的重要 組成部分 。 有些新材料如棚纖維增強鋁合金 、 石墨纖維增強 鎂合金 ， 用來作機器人臂的材料是很理想的 ， 但價格昂貴 。 (1)碳素結(jié)構(gòu)鋼 、 合金結(jié)構(gòu)鋼 ：強度好 ， 特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強 度增大了 4至 5倍 ,

12、彈性模量 E大 ， 抗變形能力強 ， 是應(yīng)用最廣泛的 材料 。 (2)鋁 、 鋁合金及其它輕合金材料 ：這類材料的共同特點是重 量輕 ， 彈量模量 E并不大 ， 但是材料密度小 ,故 E / 比仍可與鋼 材相比 。 有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善 ， 例如添加 了 3.2%重量的鋰的鋁合金彈性模量增加了 14%， E/ 比增加 16%。 (3)纖維增強合金 ：如棚纖維增強鋁合金 、 石墨纖維增強鎂合 金 ， 其 E/ 比分別達到 11.4 107m2/s2和 8.9X107m2/s2。 這種纖維 增強金屬材料具有非常高的 E/ 比 ， 而且沒有無機復(fù)合材料的 缺陷 ， 但價格昂貴 。

13、(4)陶瓷 ：陶瓷材料具有良好的品質(zhì) ， 但是脆性大 ， 不易加 工成具有長孔的連桿 ， 與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計 。 然而 ， 日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器 人臂的樣品 。 (5)纖維增強復(fù)合材料 ：這類材料具有極好的 E/ 比 ， 但存 在老化 、 蠕變 、 高溫熱膨脹 、 與金屬件連接困難等問題 。 這種 材料不但重量輕 、 剛度大 ， 而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu) 點 ， 傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼 。 所以 ,在高速機器 人上應(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多 。 疊層復(fù)合材料的制造工藝 還允許用戶進行優(yōu)化 ， 改進疊層厚度 、 纖維傾斜角 、 最佳橫斷

14、 面尺寸等使其具有最大阻尼值 。 (6)粘彈性大阻尼材料 ：增大機器人連桿件的阻尼是改善 機器人動態(tài)特性的有效方法 。 目前有許多方法來增加結(jié)構(gòu)件 材料的阻尼 ， 其中最適合機器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是 用粘 彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理 ， 如下圖所示 。 吉林工大和西安交大進行了粘彈性大阻尼材料在柔性機械 臂振動控制中應(yīng)用的實驗 ， 結(jié)果表明：機械臂的重復(fù)定位精 度在阻尼處理前為土 0.30mm， 處理后為士 0.16mm， 殘余振動 時間在阻尼處理前 、 后分別為 0.9s和 0.5s。 工業(yè)機器人是一個多剛體耦合系統(tǒng) ， 系統(tǒng)的平衡性是極其 重要的 ， 在工業(yè)機器人設(shè)計中 采

15、用平衡系統(tǒng)的理由 是： (1)安全 。 根據(jù)機器人動力學(xué)方程知道 ， 關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩包括 重力矩項 ， 即各連桿質(zhì)量對關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩 。 因為重力是永恒 的 ， 即使機器人停止了運動 ， 重力矩項仍然存在 。 這樣 ， 當機 器人完成作業(yè)切斷電源后 ， 機器人機構(gòu)會因重力而失去穩(wěn)定 。 平衡系統(tǒng)是為了防止機器人因動力源中斷而失穩(wěn) ， 引起向地面 “ 倒 ” 的趨勢 。 平衡系統(tǒng)設(shè)計 (2)借助平衡系統(tǒng)能 降低 因機器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致 重力 引起 關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化 的峰值 。 (3)借助平衡系統(tǒng)能 降低 因機器人運動而導(dǎo)致 慣性力矩 引起 關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化 的峰值 。 (4)借助平衡系統(tǒng)能減少動力

16、學(xué)方程中內(nèi)部耦合項和非 線性項 ， 改進機器人動力特性 。 (5)借助平衡系統(tǒng)能 減小機械臂結(jié)構(gòu)柔性 所引起的不良 影響 。 (6)借助平衡系統(tǒng)能使 機器人運行穩(wěn)定 ， 降低地面安裝 要求 。 平衡系統(tǒng)設(shè)計的主要途徑 盡管為了防止因動力源中斷機器人有向地面 “ 倒 塌 ” 的趨勢，可采用不可逆轉(zhuǎn)機構(gòu)或制動閥。但是， 在工業(yè)機器人日趨高速化之時，工業(yè)機器人平衡系統(tǒng) 的良好設(shè)計是非常重要的，其設(shè)計途徑有三條： (1)質(zhì)量平衡技術(shù)； (2)彈簧力平衡技術(shù)； (3)可控力平衡技術(shù)。 25 任務(wù) 2：工業(yè)機器人的驅(qū)動與傳動 機器人驅(qū)動機構(gòu) 傳動部件的設(shè)計 驅(qū)動裝臵的類型和特點 新型驅(qū)動方式 26 機器人

17、驅(qū)動機構(gòu) 1、驅(qū)動機構(gòu)的形式 齒條固定不動 ， 當齒輪 傳動時 , 齒輪軸連同拖板沿 齒條方向做直線運動 拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С?的 。 該裝臵的回差較大 。 （ 1） 直線驅(qū)動機構(gòu) （ a） 齒輪齒條裝臵 齒輪齒條裝置 普通絲杠驅(qū)動是由一個旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動一個螺母沿絲杠軸 向移動 。 摩擦力較大 , 效率低 , 慣性大 , 精度低 , 回差大 ,容易產(chǎn)生爬 行現(xiàn)象 , 而且因此 在機器人上很少采用 。 機械學(xué)中的爬行現(xiàn)象 ,在滑動摩擦副中從動件 在勻速驅(qū)動和一定摩擦條件下產(chǎn)生的周期性時 停時走或時慢時快的運動現(xiàn)象。 絲杠螺母傳動的手臂升降機構(gòu) 1 電動機； 2 蝸桿； 3 臂架； 4 絲杠

18、； 5 蝸輪； 6 箱體； 7 花鍵套 （ b） 普通絲杠 （ c） 滾珠絲杠 滾珠絲杠在 絲杠螺母的螺旋槽里放臵了許多滾珠 ,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 ,因此傳 動效率高 ,消除了低速運動時的爬行現(xiàn)象 。 滾球絲杠副 30 （ d）液壓傳動（直接平移） 31 （ e）氣壓傳動（直接平移） （ 2） 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu) （ a） 齒輪鏈 齒輪鏈是由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構(gòu) 。 它 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 。 現(xiàn)以具有兩個齒輪的齒輪鏈為例 , 說明其傳動轉(zhuǎn)換關(guān)系 。 其 中一個齒輪裝在輸入軸上 , 另一個齒輪裝在輸出軸上 ,

19、 如圖 所示 。 齒輪鏈機構(gòu) 使用齒輪鏈機構(gòu)應(yīng)注意的問題 齒輪鏈的引入會改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量 , 從而使驅(qū)動電機 的響應(yīng)時間減小 , 這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制 。 輸出軸轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動電機上 , 等效轉(zhuǎn)動慣量的下降與 輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比 。 由于齒輪間隙誤差 , 將會導(dǎo)致機器人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(tǒng) 的不穩(wěn)定性 。 (a) 圓柱齒輪 ; (b) 斜齒輪 ; (c) 錐齒輪 ; (d) 蝸輪蝸桿 ; (e) 行星輪系 常用的齒輪鏈 35 (b) 同步皮帶 同步皮帶的特點 同步帶相當于柔軟的齒輪 , 具有柔性好 ,

20、價格便宜 、 加工 也容易 。 同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況 。 只要 同步皮帶足夠長 ,使皮帶的扭角誤差不太大 , 則同步皮帶仍能 夠正常工作 。 在伺服系統(tǒng)中 , 如果輸出軸的位臵采用碼盤測量 , 則輸入 傳動的同步皮帶可以放在伺服環(huán)外面 , 這對系統(tǒng)的定位精度和 重復(fù)性不會有影響 , 重復(fù)精度可以達到 1 mm以內(nèi) 。 有時 , 齒輪鏈和同步皮帶結(jié)合起來使用更為方便 。 諧波齒輪傳動 （ c）諧波齒輪 傳動部件設(shè)計 機器人是運動的，各個部位 都 需要能源和動力， 因此設(shè)計和選擇良好的傳動部件是非常重要的 。 這 涉及到關(guān)節(jié)形式的確定，傳動方式以及傳動部件的 定位和消隙等

21、多個方面 。 (1) 關(guān)節(jié) (如轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與移動關(guān)節(jié) ) (2) 傳動件的定位和消隙 (3) 機器人傳動機構(gòu) (如齒輪、繩與鋼帶傳動等 ) 1. 關(guān)節(jié) （ 1） 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)組成 。 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式 （ a） 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式 40 （ b） 軸承 機器人中軸承起著相當重要的作用 ， 用于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承有 多種形式 ， 球軸承是機器人和機械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承 。 球軸承能承受徑向和軸向載荷 ， 摩擦較小 ， 對軸和軸承座的 剛度不敏感 。 圖 4.34 基本耐磨球軸承 2 移動關(guān)節(jié) 移動關(guān)節(jié)由直線運動機構(gòu)和在整個運動范圍內(nèi)起直 線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成 。 導(dǎo)軌

22、部分分為滑動導(dǎo)軌 、 滾動導(dǎo)軌 、 靜壓導(dǎo)軌和磁 性懸浮導(dǎo)軌等形式 。 一般 ， 要求機器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂 直于運動方向上要求剛度高 ， 摩擦系數(shù)小且不隨速 度變化 ， 并且有高阻尼 、 小尺寸和小慣量 。 通常 ， 由于機器人在速度和精度方面的要求很高 ， 故一般采用結(jié)構(gòu)緊湊且價格低廉的滾動導(dǎo)軌 。 42 滾動導(dǎo)軌可以按直線導(dǎo)軌的種類、軌道形狀和滾動 體分為 : (1) 按滾動體分類 球、圓柱滾子和滾針。 (2) 按軌道分類 圓軸式、平面式和滾道式。 (3) 按滾動體是否循環(huán)分類 循環(huán)式、非循環(huán)式。 直線導(dǎo)軌 滾珠絲杠 2. 機器人傳動機構(gòu) （ 1） 齒輪傳動 行星齒輪傳動 諧

23、波 齒輪 傳動 采用液壓靜壓諧波 發(fā)生器的諧波傳動 1 凸輪 2 柔輪 3 小孔 （ 2）絲杠傳動 滾動絲杠的基本組成 1 絲杠； 2 螺母； 3 滾珠； 4 導(dǎo)向槽 絲杠螺母傳動的手臂升降機構(gòu) 1 電動機； 2 蝸桿； 3 臂架； 4 絲杠； 5 蝸輪； 6 箱體； 7 花鍵套 （ 4） 帶傳動與鏈傳動 齒形帶形狀 鋼帶傳動 （ 5） 繩傳動與鋼帶傳動 （ 6） 桿 、 連桿與凸輪傳動 凸輪機構(gòu) 連桿機構(gòu) 采用鋼帶傳動的 ADEPT機器人 （ 7）流體傳動 油缸和齒輪齒條手臂機構(gòu) 氣缸和齒輪齒條增倍手臂機構(gòu) 1 運動齒條； 2 齒輪； 3 活塞桿 3. 傳動件的定位和消隙 （ 1） 傳動件的

24、定位 電氣開關(guān)定位 機械擋塊定位 伺服定位系統(tǒng) 利用插銷定位的結(jié)構(gòu) 1 行程節(jié)流閥 2 定位圓盤 3 插銷 4 定位油缸 （ 2） 傳動件的消隙 1）消隙齒輪 50 2）柔性齒輪消隙 3） 對稱傳動消隙 雙諧波傳動消隙方法 1 電動機； 2 小齒輪； 3 ， 3 減速傳動齒輪； 4 ， 4 軸； 5， 5 齒 輪； 6 齒輪 1， 2 齒輪箱； 3， 4， 5 齒輪； 6 電動機； 7 同步帶； 8 壓緊輪； 9 同步帶傳動 3 4） 偏心機構(gòu)消隙 5） 齒廓彈性覆層消隙 偏心消隙機構(gòu) 齒廓彈性覆層消隙 1電動驅(qū)動裝臵 電動驅(qū)動裝置的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精 度都很高。但

25、它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。 電動驅(qū)動裝置又可分為直流 (DC)、交流 (AC)伺服電機驅(qū)動和步進 電機驅(qū)動。 直流伺服電機電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機也得到了 越來越廣泛的應(yīng)用。 步進電機驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度 小功率機器人系統(tǒng)。 驅(qū)動裝臵的類型和特點 直流電機（有刷） 步進電機 盤式無刷直流電機 交流伺服電機 54 2. 液壓驅(qū)動裝臵 優(yōu)點：功率大，可省去減速裝置直接與 被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好 ，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。 缺點：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄 漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動 目前多用于特大功率的機器人系

26、統(tǒng)。 液壓馬達 液壓擺動馬達 液壓控制閥 液壓泵 55 3氣動驅(qū)動裝臵 氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單 ， 清潔 ， 動作靈敏 ， 具有緩沖作用 。 但與液壓驅(qū)動裝置相比 ， 功率較小 ， 剛度差 ， 噪音大 ， 速度 不易控制 ， 所以多用于精度不高的點位控制機器人 。 氣 動 馬 達 氣 動 擺 動 馬 達 氣 缸 氣 泵 氣 動 三 大 件 氣 動 控 制 閥 56 驅(qū)動裝置的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件， 以價格高低、技術(shù)水平為評價標準。 一般說來，目前負荷為 100 kg以下的 ,可優(yōu)先考慮電動驅(qū) 動裝置。 只須點位控制且負荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要 求者，可采用氣動驅(qū)動裝置。 負

27、荷很大或機器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采用 液壓驅(qū)動裝置。 對于驅(qū)動裝置來說，最重要的指標要求是起動力矩大， 調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好、與之 配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。 4驅(qū)動裝臵的選擇原則 新型的驅(qū)動方式 1. 磁致伸縮驅(qū)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(xiàn)象稱為磁致伸縮 。 58 形狀記憶效應(yīng)實驗 原始形狀 拉直 加熱后恢復(fù)變形 前形狀 2. 形狀記憶合金 59 60 形狀恢復(fù)完全可逆 需具備以下條件： 馬氏體相變是 熱彈性 的； 母相和馬氏體呈現(xiàn) 有序的點陣結(jié)構(gòu) ； 馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生 ， 亞結(jié)構(gòu)為孿晶或

28、層錯 ； 馬氏體相變在晶體學(xué)上是 可逆的 。 61 隨著形狀記憶材料研究的不斷深入 ， 發(fā)現(xiàn)不完全 具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng) 。 溫度場 可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng) ， 磁場 、 應(yīng)力場 等 也可誘導(dǎo)馬氏體相變 ， 出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng) 。 傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金 磁誘導(dǎo)形狀記憶合金 Magnetic field 62 左圖是一個雙程 CuZnAl記憶合 金彈簧，它是 SMA用作驅(qū)動器的 典型形式。 該彈簧是隨溫度變化 自行伸縮的感溫驅(qū)動元件 。采用 CuZnAl記憶合金絲，表面鍍錫， 以熱水或熱風(fēng)為熱源，典型伸縮 溫度為 6585 ，自由狀態(tài)為 45mm，伸長狀態(tài)為 200mm。 可見

29、 其形變量較大，可以產(chǎn)生足夠的 驅(qū)動力。 利用記憶合金在加熱時形狀恢復(fù)的同時其 回 復(fù)力可對外作功 的特性，能夠制成各種驅(qū)動元 件。這種驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，可靠 性好。 形狀記憶合金驅(qū)動器 3. 靜電驅(qū)動器 圖 2.77是一個帶有 電阻器移動子的三相靜 電驅(qū)動器的工作原理圖。 圖 2.77 三相靜電驅(qū)動器工作原理 這種執(zhí)行器有下列特征 : (1) 因為移動子中沒有電極 , 所以不必確定與定子的相對 位臵 , 定子電極的間距可以非常小 。 (2) 因為驅(qū)動時會產(chǎn)生浮力 ,所以摩擦力小 ,在停止時由于 存在著吸引力和摩擦力 , 因此可以獲得比較大的保持力 。 (3) 因為構(gòu)造簡單 , 所以

30、可以實現(xiàn)以薄膜為基礎(chǔ)的大面積 多層化結(jié)構(gòu) 。 基于上述各點 , 把這種執(zhí)行器作為實現(xiàn) 人工筋肉 的一種方 法 , 受到了人們的關(guān)注 。 4. 超聲波電機 超聲波電機的工作原理是用超聲波激勵彈性體定子， 使其表面形成橢圓運動， 由于其上與轉(zhuǎn)子 (或滑塊 )接觸， 在摩擦的作用下轉(zhuǎn)子獲得推力輸出。 如圖 2.78所示， 可 以認為定子按照角頻率 0， 進行超聲波振動， 在預(yù)壓 W作 用下， 轉(zhuǎn)子被推動。 超聲波電機的負載特性與 DC電機相似， 相對于負載增 加， 轉(zhuǎn)速有垂直下降的趨勢， 將超聲波電機與 DC電機進 行比較， 它的特點有： 可望達到低速、 高效率； 同樣的尺寸， 能得到大的轉(zhuǎn)矩； 能

31、保持大轉(zhuǎn)矩； 無電磁噪聲； 易控制； 外形的自由度大等。 圖 2.78 超聲波電機的工作原理圖 01 02 03 編織式氣動肌肉 網(wǎng)孔式氣動肌肉 嵌入式氣動肌肉 氣動肌肉 按結(jié)構(gòu)形式可將氣動肌肉分為三類： 氣動肌肉驅(qū)動器 (Pneumatic Muscle Actuator， PMA)， 以 下簡稱氣動肌肉，是一種新型的 拉伸型氣動驅(qū)動器 ，通常由 一段包裹纖維網(wǎng)的橡膠筒和兩端的接頭附件連接組成，能夠 像生物肌肉那樣產(chǎn)生很大的 收縮力 。 編織式氣動肌肉 編織式氣動肌肉主要由氣密彈性管和套 在它外面的編織套組成 網(wǎng)孔式氣動肌肉 網(wǎng)孔式氣動肌肉是網(wǎng)狀式氣動肌肉，網(wǎng)孔 比較大，纖維比較稀疏，網(wǎng)是系

32、結(jié)而成的 ，這種肌肉只能在較低的壓力下工作。 嵌入式氣動肌 氣動肌肉承受負載的構(gòu)件 (絲、纖維 ) 嵌入 到彈性薄膜里。 氣動肌肉原理 氣動肌肉的結(jié)構(gòu)雖然很多 ， 但原理上基本 類似 。 其核心是個 可膨脹的薄壁囊 ， 外 部為限制變形的 支撐材料 ， 兩端使用 連 接件 固定 。 對橡膠筒套 充氣 時 ， 橡膠筒套 因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng) ， 由于編織網(wǎng) 剛度很大 ， 限制其只能徑向變形 ， 直徑變 大 ， 長度縮短 。 此時 ， 如果將氣動人工 肌肉與負載相聯(lián) ， 就會 產(chǎn)生收縮力 ；反之 ， 當 放氣 時氣動人工肌肉彈性回縮 ， 直徑 變細 ， 長度增加 ， 收縮力減小 。 單向收縮

33、成對使用 充氣變形 可膨脹薄壁囊 支撐材料 連接件 放氣回縮 氣動肌肉關(guān)節(jié)模型 氣動肌肉和生物肌肉的工作原理是一樣 的 ， 都是通過收縮產(chǎn)生的力來帶動負載 ， 一個氣動肌肉收縮 ， 另一個伸長 ， 從 而帶動關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動 。 常用安裝方式 旋轉(zhuǎn)運動 直線運動 氣動肌肉的特性 低成本、清潔安全、安裝 簡便； 高功率 /質(zhì)量比和高功率 / 體積比； 具有柔性結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能 與生物肌肉相似，應(yīng)用前 景良好。 行程較??； 其充氣變形為強非線性環(huán) 節(jié)，難以實現(xiàn)精確控制； 柔性也使得精度和重復(fù)性 受到了限制。 優(yōu)點 缺點 理療康復(fù) 該機器腳踝特別的地方是它的 人工肌肉 實際上是一系列氣動管； 膝蓋上超靈敏的

34、傳感器告訴它們?nèi)绾涡?動時，它們會 擴張和收縮。 機身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 任務(wù) 3 機身及臂部結(jié)構(gòu) 機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法 77 1、機身與臂部的配置形式 機身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 2. 機身的典型結(jié)構(gòu) （ 1） 回轉(zhuǎn)與升降機身 單桿活塞氣缸 驅(qū)動鏈傳動機構(gòu) 雙桿活塞氣缸 驅(qū)動鏈傳動機構(gòu) （ 2） 回轉(zhuǎn)與俯仰機身 3. 機身驅(qū)動力 (力矩 )計算 （ 2） 回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 （ 1） 垂直升降運動驅(qū)動力的計算 q m g P F F W q m gM M M g0MJ t （ 3） 升降立柱下降不卡死 (不自鎖 )的條件計算 偏重力臂的大小 ii i G

35、LL G 偏重力矩 WL 根據(jù)升降立柱平衡條件 有 N1F h W L 升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件 m 1 m 2 N 122 LW F F F f W f h 2h fL 即： 4. 機身設(shè)計要注意的問題 （ 1） 剛度和強度大，穩(wěn)定性要好 （ 2） 運動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死 （ 3） 驅(qū)動方式適宜 （ 4） 結(jié)構(gòu)布置合理 83 1. 臂部的典型機構(gòu) （ 1） 臂部伸縮機構(gòu) 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 四導(dǎo)向柱式臂伸縮機構(gòu) 臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點 （ 2） 手臂俯仰運動機構(gòu) 1 手部 2 夾緊缸 3 升降缸

36、4 小臂 5， 7 擺動缸 6 大臂 8 立柱 擺動缸驅(qū)動連桿俯仰臂機構(gòu) （ 3） 手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨驅(qū)動 ， 適用于升 降行程短而回轉(zhuǎn)角度小于 360 的情況 ， 也有采用升降缸與氣馬達 - 錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu) 。 2. 機器人手臂材料的選擇 優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬 材料有尼龍、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。 3. 臂部設(shè)計要注意的問題 承載能 力 強 剛度高 導(dǎo)向性 能好 重量輕、 轉(zhuǎn)動慣 量小 合理設(shè)計 與腕和機 身的連接 部位 機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法 1. 質(zhì)

37、量平衡方法 3 3 3m O GSV m 2 2 2 3 3 32 m O G m O GOV m 0M 2. 彈簧力平衡方法 01 sinM F r 22si n ( 9 0 ) c o ssi n rr ll 0()F k l l 0 1 2 0 () c osk l l r rM l 90 任務(wù) 4 腕部設(shè)計 腕部自由度 腕部典型結(jié)構(gòu) 柔性手腕 腕部設(shè)計注意的問題 （ 1）手腕關(guān)節(jié)的滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn) 1. 腕部自由度 手腕的坐標系和自由度 6種 3自由度手腕的結(jié)合方式示意 圖 （ 2） RRR手腕 3R手腕關(guān)節(jié)遠程傳動示意 3R手腕結(jié)構(gòu)示意 2. 腕部的典型結(jié)構(gòu) （ 1） 單自由度回轉(zhuǎn)運動手腕

38、 1 回轉(zhuǎn)缸； 2 定片； 3 腕回轉(zhuǎn)軸； 4 動片； 5 手部 回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動的單自由度腕部結(jié)構(gòu) （ 2） 二自由度手腕 1） 雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動的腕部 l 手部 2 中心軸 3 固定中心軸 4 定片 5 擺動回轉(zhuǎn)缸 6 動片 7 回轉(zhuǎn)軸 8 回轉(zhuǎn)缸 具有回轉(zhuǎn)與擺動的二自由度腕部結(jié)構(gòu) 2） 齒輪傳動二自由度腕部 齒輪傳動回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理 1， 2， 3， 4， 5， 6 錐齒輪 7 殼體 8 手腕 9 手爪 （ 3） 三自由度手腕 1） 液壓直接驅(qū)動三自由度手腕 2） 齒輪鏈輪傳動三自由度腕部 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

39、; 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 B 4 柔順手腕結(jié)構(gòu) 柔順性裝配技術(shù) 。 主動柔順裝配 是從檢測 、 控制的角度 出發(fā) , 采取各種不同的搜索方法 , 實現(xiàn)邊校正邊裝配 ; 有的 手爪還配有檢測元件 , 如視覺傳感器力傳感器等 。 移動擺動柔順手腕 被動柔順裝配 。從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā) , 在手腕部配臵一個柔 順環(huán)節(jié) , 以滿足柔順裝配的需要。 圖 2.43 柔順手腕動作過程 圖 2.44 柔順手腕 圖 2.45 板彈簧柔順手腕 圖 2.4

40、6 鋼絲彈簧柔順手腕 5. 設(shè)計腕部 時應(yīng) 注意 的 問題 結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高 強度、剛度高 設(shè)計合理的與臂和手部的連接部位 107 任務(wù) 5 手部設(shè)計 機器人手部的特點 手部的分類 手爪的設(shè)計和選用要求 典型的手抓結(jié)構(gòu) 1. 機器人手部的特點 （ 1） 手部與手腕相連處可拆卸 （ 2） 手部是機器人末端操作器 （ 3） 手部的通用性比較差 （ 4） 手部是一個獨立的部件 2. 手部的分類 （ 1） 按用途 平面鉗爪夾持圓柱零件 專用工具 : 噴槍 ， 焊具 （ 2） 按夾持原理 （ 3） 按手指或吸盤數(shù)目 吸盤式手爪按吸盤數(shù)目 單吸盤式手爪 多吸盤式手爪 按手指關(guān)節(jié)

41、 單關(guān)節(jié)手指手爪 多關(guān)節(jié)手指手爪 按手指數(shù)目 二指手爪 多指手爪 三指手爪 柔性手指手爪 （ 4） 按智能 化 普通式 （無傳感器） 智能式 （有傳感器） 3. 手爪設(shè)計和選用的要求 手爪設(shè)計和選用的要求 被抓握的對象 幾何參數(shù) 工件尺寸 可能給予抓握表面的數(shù)目 可能給予抓握表面的位置和方向 夾持表面之間的距離 夾持表面的幾何形狀 機械特性 質(zhì)量 材料 固有穩(wěn)定性 表面質(zhì)量和品質(zhì) 表面狀態(tài) 工件溫度 物料饋送器或儲存裝置 機器人作業(yè)順序 手爪和機器人匹配 環(huán)境條件 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(yīng)用的一種 手部形式 。 它一般由手指 (手爪 )和驅(qū)動機構(gòu) 、 傳動機構(gòu)

42、及 連接與支承元件組成 , 能通過手爪的開閉動作實現(xiàn)對物體的 夾持 。 1. 手指 手指是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(xiàn)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(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件 的形狀和特性 。 指端的形狀通常有兩類 : V型指和平面指 。 如圖 2.3所示的 三種 V型指的形狀 , 用于夾持圓柱形工件 。 (a) 固定 V型； (b) 滾柱 V型； (c) 自定位式 V型 圖 2.4 夾鉗式手的指端 (a)平面指 （ b）尖指 （ c）特型指 如圖 2.4所示的平面指為夾鉗式手的指端 ,一般用于夾持方形

43、工件 (具有兩個平行平面 ), 板形或細小棒料。另外，尖指和 薄、長指一般用于夾持小型或柔性工件。 其中 , 薄指一般 用于夾持位于狹窄工作場地的細小工件 , 以避免和周圍障礙 物相碰 ; 長指一般用于夾持熾熱的工件 , 以免熱輻射對手部 傳動機構(gòu)的影響。 指面的形狀常有光滑指面 、 齒形指面和柔性指面等 。 光滑 指面平整光滑 , 用來夾持已加工表面 , 避免已加工表面受損 。 齒形指面的指面刻有齒紋 , 可增加夾持工件的磨擦力 ,以確保 夾緊牢靠 , 多用來夾持表面粗糙的毛坯或半成品 。 柔性指面 內(nèi)鑲橡膠 、 泡沫 、 石棉等物 ,有增加磨擦力 、 保護工件表面 、 隔熱等作用 , 一般

44、用于夾持已加工表面 、 熾熱件 ,也適于夾持 薄壁件和脆性工件 。 2. 傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu) 是向手指傳遞運動和動力 , 以實現(xiàn)夾緊和松開動 作的機構(gòu) 。 該機構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移 型 。 回轉(zhuǎn)型又分為一支點回轉(zhuǎn)和多支點回轉(zhuǎn) 。 根據(jù)手爪夾緊是 擺動還是平動 ,又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型 。 (1) 回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu) 。 夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部 , 其手指就是 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(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動機構(gòu) , 用以改變傳動 比和運動方向等 。 圖 2.5 斜楔杠桿式手部 圖 2.5(a)所示為單作用斜楔式

45、回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)簡 圖。 斜楔向下運動 , 克服彈簧拉力 , 使杠桿手指裝著滾 子的一端向外撐開 , 從而夾緊工件 ; 斜楔向上移動 , 則在 彈簧拉力作下使手指松開。 手指與斜楔通過滾子接觸可 以減少摩擦力 , 提高機械效率 , 有時為了簡化 , 也可讓 手指與斜楔直接接觸。 也有如圖 2.5(b)所示的結(jié)構(gòu)。 圖 2.6 滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部 圖 2.6所示為滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部簡圖 , 杠桿形手指 4 的一端裝有 V形指 5,另一端則開有長滑槽 。 驅(qū)動桿 1上的圓柱 銷 2套在滑槽內(nèi) , 當驅(qū)動連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運動時 , 即 可撥動兩個手指各繞其支點 (鉸銷 3)作相對回轉(zhuǎn)運動 ,

46、 從而實 現(xiàn)手指的夾緊與松開動作 。 圖 2.7 雙支點連桿杠桿式手部 圖 2.7所示為雙支點連桿杠桿式手部簡圖 。 驅(qū)動桿 2末端 與連桿 4由鉸銷 3鉸接 , 當驅(qū)動桿 2作直線往復(fù)運動時 , 則通過 連桿推動兩桿手指各繞其支點作回轉(zhuǎn)運動 , 從而使手指松開或 閉合 。 圖 2.8 齒條齒輪杠桿式手部 圖 2.8所示為齒輪齒條直接傳動的齒輪杠桿式手部的結(jié)構(gòu) 。 驅(qū)動桿 2末端制成雙面齒條 ,與扇齒輪 4相嚙合 , 而扇齒輪 4與手 指 5固連在一起 , 可繞支點回轉(zhuǎn) 。 驅(qū)動力推動齒條作直線往復(fù)運 動 , 即可帶動扇齒輪回轉(zhuǎn) , 從而使手指松開或閉合 。 (2) 平移型傳動機構(gòu) 。 平移型

47、夾鉗式手部是通過手指的指 面作直線往復(fù)運動或平面移動來實現(xiàn)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜 ,不如 回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛 。 直線往復(fù)型 復(fù)移動機構(gòu) :實現(xiàn)直線往復(fù)移動的機構(gòu)很多 , 常用的斜楔傳動 、 齒條傳動 、 螺旋傳動等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu) 。 它們既可是雙 指型的 , 也可是三指 (或多指 )型的 ; 既可自動定心 , 也可非自 動定心 。 圖 2.9 直線平移型手部 (a)為斜楔平移機構(gòu) , (b)為連桿杠桿平移結(jié)構(gòu) , (c)為螺旋斜楔平移結(jié)構(gòu) 平面平行移動機構(gòu)：圖 2.10所示為幾種平面平行平移 型夾鉗式手部的簡圖 。 它們的共同

48、點是 : 都采用平行四邊形 的鉸鏈機構(gòu) 雙曲柄鉸鏈四連桿機構(gòu) , 以實現(xiàn)手指平移 。 其差別在于分別采用齒條齒輪 、 蝸桿蝸輪 、 連桿斜滑槽的 傳動方法 。 圖 2.10 四連桿機構(gòu)平移型手部結(jié)構(gòu) 2007年機器人大賽 2.1.2 吸附式取料手 1. 氣吸附式取料手 氣吸附式取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力 差而工作的 。 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 。 氣吸式取料手與夾鉗式取料手相比 , 具有結(jié)構(gòu)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 、 玻璃等物體 ), 廣

49、泛應(yīng)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 。 1) 真空吸附取料手 圖 2.11所示為真空吸附取料手的結(jié)構(gòu)原理 。 其真空的產(chǎn)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安裝在支承桿 4上 , 支承桿由螺母 5固定在基板 6上 。 取料時 , 碟形橡膠吸盤與物體表面接觸 , 橡膠吸盤在邊緣既起 到密封作用 ,又起到緩沖作用 , 然后真空抽氣 ,吸盤內(nèi)腔形成真 空 , 吸取物料 。 放料時 , 管路接通大氣 , 失去真空 , 物體放下 。 為避免在取 、 放料時產(chǎn)生撞擊 , 有的還在支承桿上配有彈簧 緩沖

50、 。 為了更好地適應(yīng)物體吸附面的傾斜狀況 ,有的在橡膠吸 盤背面設(shè)計有球鉸鏈 。 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 。 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 圖 2.13所示為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(xué)的原理 , 當需要取物時 , 壓縮空氣高速流經(jīng)噴 嘴 5時 , 其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓 , 于是腔內(nèi)的氣 體被高速氣流帶走而形成負壓 , 完成取物動作 ;當

51、需要釋放時 , 切斷壓縮空氣即可 。 這種取料手需要壓縮空氣 ,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(nèi)多余的空氣 ,取料 手上升 , 靠橡膠吸盤的恢復(fù)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(jié)構(gòu)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 磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料 , 因此只能對鐵

52、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 , 磁吸附式取料手的使用有一定的局限性 。 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(nèi)外產(chǎn)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 。 實際使用 時 , 往往采用如圖 2.16(b)所示的盤式電磁鐵 , 銜鐵是固定的 , 銜鐵內(nèi)用隔磁材料將磁力線切斷 , 當銜鐵接觸磁鐵物體零件時 , 零件被磁化形成磁力線回路 ,并受到電磁吸力而被吸住 。 圖 2.16 電磁鐵工作原理 圖 2.17所示為盤狀磁吸附取料手的結(jié)構(gòu)圖 。

53、鐵心 1和磁盤 3 之間用黃銅焊料焊接并構(gòu)成隔磁環(huán) 2,既焊為一體又將鐵心和磁 盤分隔 , 這樣使鐵心 1成為內(nèi)磁極 , 磁盤 3成為外磁極 。 其磁路 由殼體 6的外圈 , 經(jīng)磁盤 3、 工件和鐵心 , 再到殼體內(nèi)圈形成閉 合回路 , 以此吸附工件 。 鐵心 、 磁盤和殼體均采用 8 10號低碳 鋼制成 , 可減少剩磁 , 。 蓋 5為用 黃銅或鋁板制成的隔磁材料 ,用以壓住線圈 11, 防止工作過程中 線圈的活動 。 擋圈 7、 8用以調(diào)整鐵心和殼體的軸向間隙 , 即磁 路氣隙 ,在保證鐵心正常轉(zhuǎn)動的情況下 ,氣隙越小越好 ,氣隙越 大 ， 則電磁吸力會顯著地減小 ,因此 , 一般取 0.

54、1 0.3 mm。 在機器人手臂的孔內(nèi)可做軸向微量地移動 , 但不能轉(zhuǎn)動 。 鐵心 1 和磁盤 3一起裝在軸承上 , 用以實現(xiàn)在不停車的情況下自動上下 料 。 圖 2.17 盤狀磁吸附取料手結(jié)構(gòu) 圖 2.18 幾種電磁式吸盤吸料示意圖 (a) 吸附滾動軸承底座的電磁式吸盤； (b) 吸取鋼板的電磁式吸盤； (c) 吸取齒輪用的電磁式吸盤； (d) 吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤 2.1.3 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 1. 專用末端操作器 機器人是一種通用性很強的自動化設(shè)備 ,可根據(jù)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

55、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還有一個裝有電磁吸盤式換接器的機器人手腕 , 電磁吸盤直徑 60 mm, 質(zhì)量為 1 kg,吸力 1100 N, 換接器可接 通電源 、 信號 、 壓力氣源和真空源 ,電插頭有 18芯 ,氣路接頭 有 5路 。 為了保證聯(lián)接位臵精度 ,設(shè)臵了兩個定位銷 。 在各末 端操作器的端面裝有換接器座 ,平時陳列于工具架

56、上 ,需要使 用時機器人手腕上的換接器吸盤可從正面吸牢換接器座 ,接通 電源和氣源 , 然后從側(cè)面將末端操作器退出工具架 , 機器人 便可進行作業(yè) 。 圖 2.19 各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器 2. 換接器或自動手爪更換裝臵 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 , 就需要配臵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?qū)崿F(xiàn)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(lián)接與切換 ; 能承受末端操作器的工作載荷 ; 在

57、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所示為氣動換接器和專用末端操作器庫 。 該換接器 也分成兩部分 : 一部分裝在手腕上 , 稱為換接器 ; 另一部分裝 在末端操作器上 , 稱為配合器 。 利用氣動鎖緊器將兩部分進行 聯(lián)接 , 并具有就位指示燈以表示電路 、 氣路是否接通 。 具體實施時 , 各種末端操作器放在工具架上 , 組成一 個專用末端操作器庫 , 如圖 2.21所示 。 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. 多工位換接裝臵 某些機器人的作業(yè)任務(wù)相對較為集中 ,需要換接一定量的 末端

58、操作器 , 又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫 。 這時 ， 可以在機器人手腕上設(shè)臵一個多工位換接裝臵 。 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?shù)?幾種零件 , 裝配采用多工位換接裝臵 ,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 。 多工位換接裝臵如圖 2.22所示 , 就像數(shù)控加工中心的刀庫 一樣 , 可以有棱錐型和棱柱型兩種形式 。 棱錐型換接裝臵可保 證手爪軸線和手腕軸線一致 , 受力較合理 ,但其傳動機構(gòu)較為復(fù) 雜 ;棱柱型換接器傳動機構(gòu)較為簡單

59、 , 但其手爪軸線和手腕軸線 不能保持一致 , 受力不良 。 圖 2.22 (a) 棱錐型； (b) 棱柱型 2.1.4 仿生多指靈巧手 1. 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(guān)節(jié)柔性手腕 , 每個手指由多個關(guān)節(jié)串聯(lián)而成 。 手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩 擦滾輪組成 ,每個手指由兩根鋼絲繩牽引 , 一側(cè)為握緊 , 另一側(cè) 為放松 。 驅(qū)動源可采用電機驅(qū)動或液壓 、 氣動元件驅(qū)動 。 柔性 手腕可抓取凹凸不平的外形并使物體受力較為均勻 。 圖 2.24所示為用柔性材料做成的柔性手 。 一端固定 ,一端為 自

60、由端的雙管合一的柔性管狀手爪 , 當一側(cè)管內(nèi)充氣體或液體 、 另一側(cè)管內(nèi)抽氣或抽液時形成壓力差 ,柔性手爪就向抽空側(cè)彎曲 。 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(guān)節(jié)柔性手腕 圖 2.24 柔性手 2. 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(zhuǎn)關(guān) 節(jié) , 每一個關(guān)節(jié)的自由度都是獨立控制的 。 因此 ,幾乎人手指 能完成的各種復(fù)雜動作它都能模仿 ,諸如擰螺釘 、 彈鋼琴 、 作 禮儀手勢等動作 。 在手部配臵 觸覺 、 力覺 、 視覺 、 溫度傳感器 ,

61、 將會使多指靈巧手達到更完美的程度 。 多指靈巧手的應(yīng)用前景 十分廣泛 ,可在各種極限環(huán)境下完成人無法實現(xiàn)的操作 , 如核 工業(yè)領(lǐng)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 靈巧手的設(shè)計 靈巧手一般選取 3-5個手指 2.1.5 其它手 1. 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(qū)動裝臵 , 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(jié)構(gòu)原理圖 。 圖 2.26(a)所 示的手爪有一個固定爪 , 另一個活動爪 6靠壓簧 4提供抓力

62、 , 活 動爪繞軸 5回轉(zhuǎn) , 空手時其回轉(zhuǎn)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(cè)面 ,手爪用力拔出即可 。 圖 2.26 彈性力手爪 2. 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)原理圖 圖 2.28所示為自重式手

63、部結(jié)構(gòu) , 要求工件對手指的作用 力的方向應(yīng)在手指回轉(zhuǎn)軸垂直線的外側(cè) , 使手指趨向閉合 。 用這種手部結(jié)構(gòu)來夾緊工件是依靠工件本身的重量來實現(xiàn)的 , 工件越重 ,握力越大 。 手指的開合動作由鉸接活塞油缸實現(xiàn) 。 該手部結(jié)構(gòu)適用于傳輸垂直上升或水平移動的重型工件 。 圖 2.28 自重式手部結(jié)構(gòu) 圖 2.29所示為彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu) 。 手指 1的夾放動作是 依靠手臂的水平移動而實現(xiàn)的 。 當頂桿 2與工件端面相接觸時 , 壓縮彈簧 3, 并推動拉桿 4向右移動 , 使手指 1繞支承軸回轉(zhuǎn)而 夾緊工件 。 卸料時手指 1與卸料槽口相接觸 , 使手指張開 , 頂 桿 2在彈簧 3的作用下將工件

64、推入卸料槽內(nèi) 。 這種手部適用于抓 取輕小環(huán)形工件 , 如軸承內(nèi)座圈等 。 圖 2.29 彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu) 3. 勾托式手部 圖 2.30所示為勾托式手部結(jié)構(gòu)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(yīng)用勾托方式可降低對驅(qū) 動力的要求 ,簡化手部結(jié)構(gòu) , 甚至可以省略手部驅(qū)動裝臵 。 該 手部適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運大型笨重的工件或結(jié)構(gòu) 粗大而質(zhì)量較輕且易變形的物體 。 勾托式手部又有手部無驅(qū)動裝臵和驅(qū)動裝臵兩種類型。 圖 2.30 勾托式手部示意圖 (a) 無驅(qū)動裝置的手部； (b) 有驅(qū)

65、動裝置的手部 綜合實例 雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機器人 下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機器 人的系統(tǒng)分析方法。 明確機器人的目的和任務(wù) ： 從傳送帶拾取一個雞蛋； 把蛋置于強光下照射，測定蛋是否透光（有 無胚胎生長）； 根據(jù)蛋有無胚胎，把蛋放入廢品箱或包裝箱 內(nèi)。 舉例示圖 1：基本工作流程 舉例示圖 2：機器人與環(huán)境的關(guān)系 分析機器人所在系 統(tǒng)的工作環(huán)境 ：包 括工作車間的平面 布置，相互間的位 置關(guān)系等。 分析系統(tǒng)的工作要求 ： 循環(huán)時間 3.0s 每次循環(huán)有三種不同的運動 ： 移動到傳送帶并拾取一只雞蛋； 移動到照射位置； 把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū) 。 一個循環(huán)中需要三次暫停 ： 閉合手爪

66、0.2s；完成照射 0.05s；開啟手爪放蛋 0.2s 每只雞蛋重量 85g； 手爪重量 369g 位置分辨率 最低為 1.27mm 確定機器人的自由度及運動范圍： 初步分析 ：機器人滿足上面提出的條件 ， 應(yīng)該具 備一個旋轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動 。 仔細分析 ：還應(yīng)該有一個 附加旋轉(zhuǎn) 運動以對蛋進 行定向排列 。 因為當受臂移動和轉(zhuǎn)動時 ， 雞蛋的取 向會發(fā)生改變 。 確定技術(shù)參數(shù)為 ： 伸縮運動 ： 45.761.0cm 腰部旋轉(zhuǎn) ： 90 腕部旋轉(zhuǎn) ： 360 腕部垂直移動 ： 50.8cm 1機器人基本參數(shù)的確定（ 1）： 自由度的確定： 在系統(tǒng)分析時已經(jīng)確定了。 臂力的確定： 對于專用機器人來說 ：是針對專門的工作對象來 設(shè)計的 ， 臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量確定 ， 取 1.53.0的安全系數(shù) 。 對于工業(yè)機器人來說 ：具有一定的通用性 ， 臂力 要根據(jù)被抓取物體的重量變化來確定 。 工作范圍的確定： 要根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定 二、技術(shù)設(shè)計 1機器人基本參數(shù)的確定（ 2）： 運動速度的確定： 主要是根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每 個動作的時間 ， 進而根據(jù)機械手各