1、第三講 機器人的機械結(jié)構(gòu),機器人的主要技術(shù)參數(shù) 機身和臂部機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu),機器人的機械機構(gòu)（一）,第一節(jié) 機器人的主要技術(shù)參數(shù),自由度 操作機的自由度多，機構(gòu)運動的靈活性大，通用性強，但機構(gòu)的結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，剛性變差。機構(gòu)的自由度多于為完成生產(chǎn)任務(wù)所必需的自由度時，多余的自由度稱為冗余自由度。設(shè)置冗余自由度使操作機具有一定的避障能力，在進行運動逆解時，使各關(guān)節(jié)的運動具有優(yōu)選的條件。工業(yè)機器人一般多為46個自由度。,第一節(jié) 機器人的主要技術(shù)參數(shù),工作空間 機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安置點所能達到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達到的區(qū)域。 工作空間的形狀取決于機器人的構(gòu)型，工作空間的大

2、小取決于組成機器人各部件的自身尺寸和運動尺寸。,第一節(jié) 機器人的主要技術(shù)參數(shù),工作速度 工作速度是指機器人在工作載荷條件下，勻速運動過程，機械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。 工作載荷 機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負載量（包括手部）。用質(zhì)量、力矩、慣性矩來表示。,第一節(jié) 機器人的主要技術(shù)參數(shù),控制方式 機器人用于控制軸的方式，使伺服還是非伺服，伺服控制方式是實現(xiàn)連續(xù)軌跡還是點到點的運動。 驅(qū)動方式 指的是關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動力源形式：電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、其它驅(qū)動形式。,第一節(jié) 機器人的主要技術(shù)參數(shù),精度、重復(fù)精度和分辨率 精度、重復(fù)精度、和分辨

3、率用來定義機器人手部的定位能力。 精度 是一個位置量相對于其參照系的絕對度量。 重復(fù)精度 指在相同的運動位置命令下，機器人連續(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量。,第一節(jié) 機器人的主要技術(shù)參數(shù),分辨率 是指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。,分辨率、精度、重復(fù)精度的關(guān)系,第二節(jié) 機身和臂部機構(gòu),機身 起連接、支承和傳動的作用 既可以是固定式的，也可以是行走式的,臂部 支承腕部和手部，并帶動它們在空間運動 在工作中直接承受腕、手和工件的靜、動載荷，自身運動又較多，故受力復(fù)雜。,一、機身和臂部的作用,機器人的機械機構(gòu)（一）,二、機身的典型結(jié)構(gòu),采用哪種自由度形式由

4、機器人的總體設(shè)計來定,直角坐標(biāo)型,機器人的機械機構(gòu)（一）,控制簡單； 剛性最大（龍門式）； 容易達到高精度； 操作范圍??； 占地面積大； 運動速度低； 密封性差；,二、機身的典型結(jié)構(gòu),圓柱坐標(biāo)型,機器人的機械機構(gòu)（一）,工作范圍可以擴大； 計算簡單； 動力輸出較大； 手臂可達空間受到限制； 直線驅(qū)動部分難以密封； 安全性差；,二、機身的典型結(jié)構(gòu),球坐標(biāo)式,機器人的機械機構(gòu)（一）,中心支架附近的工作范圍大； 工作空間大； 坐標(biāo)系復(fù)雜，難以控制； 存在工作死區(qū)； 密封性較差；,二、機身的典型結(jié)構(gòu),平面多關(guān)節(jié)型,機器人的機械機構(gòu)（一）,垂直方向上剛度高； 水平面內(nèi)動作靈活； 適于孔軸裝配工作；,二、

5、機身的典型結(jié)構(gòu),垂直多關(guān)節(jié)型,機器人的機械機構(gòu)（一）,動作靈活； 工作空間大； 易密封； 工作條件要求低； 適合用電機驅(qū)動； 計算量大； 輸出動力不大；,機身的典型結(jié)構(gòu),回轉(zhuǎn)與升降機身 回轉(zhuǎn)與俯仰機身,機器人的機械機構(gòu)（一）,齒條活塞油缸驅(qū)動的回轉(zhuǎn)型機身,升降回轉(zhuǎn)臺,升降缸體,活塞,活塞桿,固定導(dǎo)套,齒輪套筒,齒條缸,固定立柱,齒條活塞油缸驅(qū)動的回轉(zhuǎn)型機身,1、活塞 2、花鍵套 3、花鍵軸 4、升降油缸 5、擺動油缸 6、擺動缸定片 7、擺動缸動片,鏈條鏈輪型回轉(zhuǎn)機身,回轉(zhuǎn)與俯仰機身,采用尾部耳環(huán)或中部銷軸與立柱連接,鉸鏈連接,三、臂部的典型機構(gòu),臂部伸縮機構(gòu) 臂部俯仰運動機構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)與升降

6、機構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu)通常是通過臂部相對于立柱的運動機構(gòu)來實現(xiàn)。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)。,機器人的機械機構(gòu)（一）,機器人的機械機構(gòu)（一）,機器人的機械機構(gòu)（一）,四、機身與臂部的配置形式,（1.）橫梁式,機身設(shè)計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機器人大都為 移動式。,（2.）立柱式,立柱式機器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運動形式， 是一種常見的配置形式。,（3.）機座式,機身設(shè)計成機座式，這種機器人可以使獨立的、自成系統(tǒng)， 的完整裝置，可以隨意安放和搬動。,（4.）屈伸式,屈伸式機器人的臂部可以有大

7、小臂組成，大小臂間有相對 運動，成為屈伸臂。,五、機身和臂部設(shè)計應(yīng)注意的問題,根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 采用封閉型空心截面的結(jié)構(gòu)作為臂桿 適當(dāng)減小壁厚，加大輪廓尺寸 提高支承剛度和接觸剛度 支座的結(jié)構(gòu)形狀、底板的連接形式 提高配合面間的接觸剛度，即保證配合表面的加工精度和表面粗糙度 合理布置作用力的位置和方向,剛度,機器人的機械機構(gòu)（一）,四、機身和臂部設(shè)計應(yīng)注意的問題,精度(手部位置精度),剛度,各運動部件的制造和裝配精度,臂部和機身運動的導(dǎo)向裝置和定位方式,手部或腕部在臂上的定位和連接方式,四、機身和臂部設(shè)計應(yīng)注意的問題,平穩(wěn)性,臂部和機身的運動部件應(yīng)力求緊湊、質(zhì)量 輕，以

8、減少慣性力。 鋁合金或非金屬材料,必須注意運動部件各部分的質(zhì)量對轉(zhuǎn)軸或支承的分布情況，即重心的布置。,四、機身和臂部設(shè)計應(yīng)注意的問題,其他,傳動系統(tǒng)應(yīng)力求簡短，以提高傳動精度和效率。,各驅(qū)動裝置、傳動件、管線系統(tǒng)及各個運動的測、控元件等布置要合理緊湊，操作維護要方便。,對于在特殊條件下工作的機器人，設(shè)計時要有針對性地采取措施： 防熱輻射、防腐、防塵、防爆,腰部機構(gòu)的設(shè)計注意事項,機械手的腰部包括機座和腰關(guān)節(jié)，機座承受機器人全部重量，要有足夠的強度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼制造， 機座要有一定的尺寸以保證操作機的穩(wěn)定，并滿足驅(qū)動裝置及電纜的安裝。 腰關(guān)節(jié)是負載最大的運動軸，對末端執(zhí)行器運動精度影響

9、最大，故設(shè)計精度要求高。,腰部機構(gòu)的設(shè)計注意事項,腰關(guān)節(jié)的軸可采用普通軸承的支承結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、安裝調(diào)整方便，但腰部高度較高。 現(xiàn)在大多數(shù)機器人的腰關(guān)節(jié)均采用大直徑交叉滾子軸承支承的結(jié)構(gòu)，既可使機座高度大大降低，又具有更好的支承剛度。,臂部機構(gòu)的設(shè)計注意事項,臂部的作用是連結(jié)腰部和腕部，實現(xiàn)操作機在空間中的運動。 手臂的長度尺寸要滿足工作空間的要求，由于手臂的剛度、強度直接影響機器人的整體運動剛度，同時又要靈活運動，故應(yīng)盡可能選用高強度輕質(zhì)材料，減輕其重量。 在臂體設(shè)計中，也應(yīng)盡量設(shè)計成封閉形和局部帶加強肋的結(jié)構(gòu)，以增加剛度和強度。,1大錐齒輪 2小錐齒輪 3大臂 4小臂電動機 5驅(qū)動

10、軸 6偏心套 7小齒輪 8大齒輪 9偏心套 10小臂,第三節(jié) 驅(qū)動機構(gòu),直線驅(qū)動機構(gòu),齒輪齒條裝置,效率低 回差大 有噪聲,滾珠絲杠螺母副,滾動摩擦,傳動效率高 無低速爬行現(xiàn)象 雙螺母預(yù)緊,消除回差,液壓驅(qū)動,運動速度,驅(qū)動力,運動方向,進油方向,進油壓力,進油流量,容易自動控制 精度高(液體的不可壓縮性) 壽命長(液體的潤滑功能) 功率大,油滲漏 液壓油黏度隨溫度而變化需要供油系統(tǒng) 高溫易爆,氣壓驅(qū)動,壓縮空氣粘度小，速度高 壓縮空氣的壓力低，出力小，功率小 由于空氣可壓縮性，工作不平穩(wěn)，精度低 防水問題(生銹導(dǎo)致機器人失靈),機器人的機械機構(gòu)（一）,第三節(jié) 驅(qū)動機構(gòu),步進電機或伺服電機,傳

11、動機構(gòu),負載(關(guān)節(jié)),降低轉(zhuǎn)速 提高轉(zhuǎn)矩,機器人的機械機構(gòu)（一）,第三節(jié) 驅(qū)動機構(gòu),旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu),齒輪鏈,降低了轉(zhuǎn)動慣量,但同時帶來了噪聲,第三節(jié) 驅(qū)動機構(gòu),同步皮帶(齒形帶),2,3（聚氨酯） 1（鋼絲繩或玻璃纖維繩）,結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低 傳動不打滑 傳動效率高(99.5%) 最高線速度(80/s),第三節(jié) 驅(qū)動機構(gòu),同時有多個齒嚙合,剛度高 傳動精度高,回差小 齒輪減速比較大,諧波齒輪,第三節(jié) 驅(qū)動機構(gòu),直線驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的選用和制動,多選用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由步進電機或伺服電機驅(qū)動,各關(guān)節(jié)處要安裝制動器 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。,機器人的機械機構(gòu)（一）,第五節(jié) 腕部機構(gòu),腕部是臂部與手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動，即具有偏轉(zhuǎn)（Yaw）、俯仰（Pitch）和回轉(zhuǎn)（Roll）三個自由度。,機器人的機械機構(gòu)（一）,第五節(jié) 腕部結(jié)構(gòu),手腕按自由度個數(shù)可分單自由度手腕，二自由度手腕和三自由度手腕采用幾個自由度