機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

12021一、臂部設(shè)計(jì)的基本要求

220211．承載能力足

手臂是支承手腕的部件，設(shè)計(jì)時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。320212．剛度高

為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)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(shí)心軸大得多。

42021工字鋼（GB706-88）：1、工字鋼的型號(hào)與高度尺寸h有關(guān)，如：10號(hào)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(zhǎng)度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。3、工字鋼的長(zhǎng)度按長(zhǎng)度系列購買。如：5~19m。52021槽鋼（GB707-88）1、槽鋼的型號(hào)與高度尺寸h有關(guān)，如：10號(hào)槽鋼即指其高度尺為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長(zhǎng)度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。3、《鋼結(jié)構(gòu)》620213、導(dǎo)向性能好，定位精度高

為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)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。同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。720214．重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小

為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。820215．合理設(shè)計(jì)與腕部和機(jī)身的連接部位

臂部的安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機(jī)器人的外觀。92021二、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)形式

1020211．直角坐標(biāo)型

臂部由三個(gè)相互正交的移動(dòng)副組成。帶動(dòng)腕部分別沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的方向作直線移動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)位置精度高。但所占空間較大，工作范圍相對(duì)較小。1120212．圓柱坐標(biāo)型

臂部由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和兩個(gè)移動(dòng)副組成。相對(duì)來說，所占空間較小，工作范圍較大，應(yīng)用較廣泛。1220213．關(guān)節(jié)型

由動(dòng)力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和前、下兩臂組成。關(guān)節(jié)型機(jī)器人以臂部各相鄰部件的相對(duì)角位移為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。動(dòng)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。1320214．極坐標(biāo)型

臂部由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)移動(dòng)副組成。產(chǎn)生沿手臂軸X的直線移動(dòng)，繞基座軸Y的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞關(guān)節(jié)軸Z的擺動(dòng)。其手臂可作繞Z軸的俯仰運(yùn)動(dòng)，能抓取地面上的物體。142021三、典型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

1520211．手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

常見方式：

行程小時(shí)：采用油缸或氣缸直接驅(qū)動(dòng)；當(dāng)行程較大時(shí)：可采用油缸或氣缸驅(qū)動(dòng)齒條傳動(dòng)的倍增機(jī)構(gòu)或采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過絲桿螺母來轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。典型結(jié)構(gòu)：油缸驅(qū)動(dòng)的手臂伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲桿螺母直線運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)162021油缸—齒條機(jī)構(gòu)圖例：172021油缸驅(qū)動(dòng)的手臂伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖例：四根導(dǎo)向柱的臂部伸縮機(jī)構(gòu)：

手臂的垂直伸縮運(yùn)動(dòng)由油缸3驅(qū)動(dòng)。特點(diǎn)：工作行程長(zhǎng)，抓重大，適合于抓舉工件形狀不規(guī)則、有偏轉(zhuǎn)力矩的場(chǎng)合。1—手部2—夾緊缸；3—油缸；4—導(dǎo)向柱；5—運(yùn)行架；6—行走車輪；7—軌道；8—支座182021電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母直線運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖例：1920212．手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

常見方式：

常見的有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，活塞及連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：假設(shè)滑塊是主動(dòng)件，當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，可以推動(dòng)曲柄做擺動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)。典型機(jī)構(gòu)：

液壓缸—連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：202021平面四桿機(jī)構(gòu)圖例：平面四桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu)212021平面四桿機(jī)構(gòu)演變圖例：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)平面四桿機(jī)構(gòu)的的演變不僅要滿足運(yùn)動(dòng)方面的要求，而且要滿足受力和結(jié)構(gòu)上的要求。222021雙臂機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)圖例：

1—鉸接活塞缸2—連桿3—手臂4—支承架運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：手臂關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過液壓缸-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)?？刂苹钊男谐叹涂刂屏耸直蹟[角的大小。232021齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖例：2420213．關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)（1）

存在的運(yùn)動(dòng)型式：

機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)；腕關(guān)節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；各運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)：

稱為5軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人。

252021五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)圖例（1）：腰轉(zhuǎn)肩轉(zhuǎn)肘轉(zhuǎn)俯仰偏轉(zhuǎn)腰轉(zhuǎn)姿態(tài)262021五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)圖例（2）：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)與手腕的協(xié)調(diào)2720213．關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)（2）

各運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：腕部的旋轉(zhuǎn)：電機(jī)M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)n5腕部俯仰：電機(jī)M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運(yùn)動(dòng)n4肘關(guān)節(jié)擺動(dòng)：電機(jī)M3→兩級(jí)同步帶傳動(dòng)B3、B3′→減速器R3→肘關(guān)節(jié)擺動(dòng)n3肩關(guān)節(jié)的擺動(dòng)：電機(jī)M2→同步帶傳動(dòng)B2→減速器R2→肩關(guān)節(jié)擺動(dòng)n2282021關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)圖：292021關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部旋轉(zhuǎn)局部圖：電機(jī)M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)n5302021關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部俯仰局部圖：電機(jī)M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運(yùn)動(dòng)n4312021關(guān)節(jié)型機(jī)器人肘關(guān)節(jié)局部圖：電機(jī)M3→兩級(jí)同步帶傳動(dòng)B3、B3′→減速器R3→肘關(guān)節(jié)擺動(dòng)n3322021關(guān)節(jié)型機(jī)器人肩關(guān)節(jié)局部圖例：電機(jī)M2→同步帶傳動(dòng)B2→減速器R2→肩關(guān)節(jié)擺動(dòng)n2332021四、機(jī)械臂的控制3420211、伺服系統(tǒng)的分類液壓伺服系統(tǒng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)通常由液壓伺服閥控制液壓缸實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)伺服系統(tǒng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)通常由步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。352021伺服直線液壓缸圖例：3620