機器人結構設計ppt課件

.,工業(yè)機器人的本體結構設計,任務1：工業(yè)機器人的總體設計,任務2：工業(yè)機器人的驅動與傳動,任務3：機身和臂部設計,任務4：腕部設計,任務5：手部設計,.,2,任務1工業(yè)機器人總體設計總體設計的步驟主體結構設計傳動方式選擇模塊化結構設計材料選擇平衡系統(tǒng)設計,.,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。(2)分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括設備兼容性等。(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)外的有關技術資料。,總體設計的步驟,.,4,2、技術設計,(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：1mm模鍛：(0.1-2.0)mm點焊：1mm裝配、測量：(0.01-0.50)mm噴涂：3mm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，以便結構設計時考慮安裝位置。(4)確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖。(5)機械結構設計。確定驅動方式，選擇運動部件和設計具體結構，繪制機器人總裝圖及主要部件零件圖。,.,6,3、仿真分析,(1)運動學計算。分析是否達到要求的速度、加速度、位置。(2)動力學計算。計算關節(jié)驅動力的大小，分析驅動裝置是否滿足要求。(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。運用仿真分析的結果對所設計的方案、結構、尺寸和參數(shù)進行修改，加以完善。機器人機械系統(tǒng)設計是機器人設計的重要部分。其他系統(tǒng)的設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，構成一個完整的機器人系統(tǒng)。,.,主體結構設計主體結構設計的關鍵是選擇由連桿件和運動副組成的坐標形式（1）直角坐標機器人。主體結構有三個自由度，全為伸縮（2）圓柱坐標機器人。主體結構有三個自由度，腰轉、升降、伸縮（3）球面坐標機器人。主體結構有三個自由度，轉動、轉動和伸縮（4）關節(jié)坐標機器人。主體結構有三個自由度，全為轉動,.,傳動方式選擇（1）選擇驅動源和傳動裝置與關節(jié)部件的連接、驅動方式（2）工業(yè)機器人的傳動形式,.,模塊化結構設計模塊化工業(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計和制造模式，采用批量制造技術來生產(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節(jié)多臂檢測機器人，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；隨著控制技術和傳感技術的發(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。因為模塊之間的結合是可方便拆卸的，盡管在設計上已經(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，所以與整體結構相比剛度相對地差些。(2)因為有許多機械接口及其它連接附件，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計。,.,機器人本體材料的選擇,材料選擇基本要求,.,(1)強度高。機器人的臂是直接受力的構件，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。從材料力學公式可知，構件剛度(或變形量)與材料的彈性模量E、G有關，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。比如，普通結構鋼的強度極限為420MPa，高合金結構鋼的強度極限為20002300MPa，但是二者的彈性模量E卻沒有多大變化，均為210000MPa。因此，還應尋找其它提高構件剛度的途徑。,.,(3)重量輕。在機器人手臂構件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構件的質量有關。也就是說，為了提高構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?？墒怯捎谠跇嫾K止運動的瞬時，構件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構件自身又具有彈性，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)碳素結構鋼、合金結構鋼：強度好，特別是合金結構鋼強度增大了4至5倍,彈性模量E大，抗變形能力強，是應用最廣泛的材料。(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11.4107m2/s2和8.9X107m2/s2。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/比，而且沒有無機復合材料的缺陷，但價格昂貴。,.,(4)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質，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,在高速機器人上應用復合材料的實例越來越多。疊層復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構件材料的阻尼，其中最適合機器人結構采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構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用的實驗，結果表明：機械臂的重復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)機器人設計中采用平衡系統(tǒng)的理由是：(1)安全。根據(jù)機器人動力學方程知道，關節(jié)驅動力矩包括重力矩項，即各連桿質量對關節(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)設計,.,(2)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人構形變化而導致重力引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值。(3)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人運動而導致慣性力矩引起關節(jié)驅動力矩變化的峰值。(4)借助平衡系統(tǒng)能減少動力學方程中內(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)能減小機械臂結構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，可采用不可逆轉機構或制動閥。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)的良好設計是非常重要的，其設計途徑有三條：(1)質量平衡技術；(2)彈簧力平衡技術；(3)可控力平衡技術。,.,25,任務2：工業(yè)機器人的驅動與傳動,機器人驅動機構傳動部件的設計驅動裝置的類型和特點新型驅動方式,.,26,機器人驅動機構,.,1、驅動機構的形式,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桿或導軌支承的。該裝置的回差較大。,（1）直線驅動機構（a）齒輪齒條裝置,齒輪齒條裝置,.,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。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。,機械學中的爬行現(xiàn)象,在滑動摩擦副中從動件在勻速驅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1電動機；2蝸桿；3臂架；4絲杠；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置了許多滾珠,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）旋轉驅動機構,（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。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?，F(xiàn)以具有兩個齒輪的齒輪鏈為例,說明其傳動轉換關系。其中一個齒輪裝在輸入軸上,另一個齒輪裝在輸出軸上,如圖所示。,齒輪鏈機構,.,使用齒輪鏈機構應注意的問題齒輪鏈的引入會改變系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)的平方成正比。由于齒輪間隙誤差,將會導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,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,如果輸出軸的位置采用碼盤測量,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)的定位精度和重復性不會有影響,重復精度可以達到1mm以內(nèi)。有時,齒輪鏈和同步皮帶結合起來使用更為方便。,.,諧波齒輪傳動,（c）諧波齒輪,.,傳動部件設計,機器人是運動的，各個部位都需要能源和動力，因此設計和選擇良好的傳動部件是非常重要的。這涉及到關節(jié)形式的確定，傳動方式以及傳動部件的定位和消隙等多個方面。(1)關節(jié)(如轉動關節(jié)與移動關節(jié))(2)傳動件的定位和消隙(3)機器人傳動機構(如齒輪、繩與鋼帶傳動等),.,1.關節(jié),（1）轉動關節(jié),轉動關節(jié)由回轉軸、軸承和驅動機構組成。,轉動關節(jié)的形式,（a）轉動關節(jié)的形式,.,40,（b）軸承機器人中軸承起著相當重要的作用，用于轉動關節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機器人和機械手結構中最常用的軸承。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移動關節(jié)移動關節(jié)由直線運動機構和在整個運動范圍內(nèi)起直線導向作用的直線導軌部分組成。導軌部分分為滑動導軌、滾動導軌、靜壓導軌和磁性懸浮導軌等形式。一般，要求機器人導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，故一般采用結構緊湊且價格低廉的滾動導軌。,.,42,滾動導軌可以按直線導軌的種類、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。,直線導軌,滾珠絲杠,.,2.機器人傳動機構,（1）齒輪傳動,行星齒輪傳動,諧波齒輪傳動,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導向槽,絲杠螺母傳動的手臂升降機構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,連桿機構,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,氣缸和齒輪齒條增倍手臂機構1運動齒條；2齒輪；3活塞桿,.,3.傳動件的定位和消隙（1）傳動件的定位,利用插銷定位的結構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,.,4）偏心機構消隙,5）齒廓彈性覆層消隙,偏心消隙機構齒廓彈性覆層消隙,.,1電動驅動裝置電動驅動裝置的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅動比較困難。電動驅動裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機驅動和步進電機驅動。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用。步進電機驅動多為開環(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)。,驅動裝置的類型和特點,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.液壓驅動裝置優(yōu)點：功率大，可省去減速裝置直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。缺點：需要增設液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。,液壓馬達,液壓擺動馬達,液壓控制閥,液壓泵,.,55,3氣動驅動裝置氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅動裝置相比，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,驅動裝置的選擇應以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術水平為評價標準。一般說來，目前負荷為100kg以下的,可優(yōu)先考慮電動驅動裝置。只須點位控制且負荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要求者，可采用氣動驅動裝置。負荷很大或機器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采用液壓驅動裝置。對于驅動裝置來說，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驅動裝置的選擇原則,.,新型的驅動方式1.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(xiàn)象稱為磁致伸縮。,.,58,形狀記憶效應實驗,原始形狀,拉直,加熱后恢復變形前形狀,2.形狀記憶合金,.,59,.,60,形狀恢復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)有序的點陣結構；馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結構為孿晶或層錯；馬氏體相變在晶體學上是可逆的。,.,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。溫度場可以誘導形狀記憶效應，磁場、應力場等也可誘導馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應。,傳統(tǒng)熱誘導形狀記憶合金,磁誘導形狀記憶合金,Magneticfield,.,62,左圖是一個雙程CuZnAl記憶合金彈簧，它是SMA用作驅動器的典型形式。該彈簧是隨溫度變化自行伸縮的感溫驅動元件。采用CuZnAl記憶合金絲，表面鍍錫，以熱水或熱風為熱源，典型伸縮溫度為6585，自由狀態(tài)為45mm，伸長狀態(tài)為200mm?？梢娖湫巫兞枯^大，可以產(chǎn)生足夠的驅動力。,利用記憶合金在加熱時形狀恢復的同時其回復力可對外作功的特性，能夠制成各種驅動元件。這種驅動機構結構簡單，靈敏度高，可靠性好。,形狀記憶合金驅動器,.,3.靜電驅動器圖2.77是一個帶有電阻器移動子的三相靜電驅動器的工作原理圖。,圖2.77三相靜電驅動器工作原理,.,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置,定子電極的間距可以非常小。(2)因為驅動時會產(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)因為構造簡單,所以可以實現(xiàn)以薄膜為基礎的大面積多層化結構?；谏鲜龈鼽c,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，由于其上與轉子(或滑塊)接觸，在摩擦的作用下轉子獲得推力輸出。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，在預壓W作用下，轉子被推動。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，能得到大的轉矩；能保持大轉矩；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,按結構形式可將氣動肌肉分為三類：,氣動肌肉驅動器(PneumaticMuscleActuator，PMA)，以下簡稱氣動肌肉，是一種新型的拉伸型氣動驅動器，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)是系結而成的，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件(絲、纖維)嵌入到彈性薄膜里。,.,氣動肌肉原理,氣動肌肉的結構雖然很多，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。,.,氣動肌肉關節(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，從而帶動關節(jié)臂轉動。,.,常用安裝方式,旋轉運動,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/質量比和高功率/體積比；具有柔性結構、力學性能與生物肌肉相似，應用前景良好。,行程較?。黄涑錃庾冃螢閺姺蔷€性環(huán)節(jié)，難以實現(xiàn)精確控制；柔性也使得精度和重復性受到了限制。,優(yōu)點,缺點,.,理療康復,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；膝蓋上超靈敏的傳感器告訴它們?nèi)绾涡袆訒r，它們會擴張和收縮。,.,機身結構的基本形式和特點,臂部結構的基本形式和特點,任務3機身及臂部結構,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,機身結構的基本形式和特點,.,2.機身的典型結構,（1）回轉與升降機身,單桿活塞氣缸驅動鏈傳動機構,雙桿活塞氣缸驅動鏈傳動機構,.,（2）回轉與俯仰機身,.,3.機身驅動力(力矩)計算,（2）回轉運動驅動力矩的計算,（1）垂直升降運動驅動力的計算,.,（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,偏重力矩,根據(jù)升降立柱平衡條件有,升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件,即：,.,4.機身設計要注意的問題,.,83,.,1.臂部的典型機構,（1）臂部伸縮機構,1手部2夾緊缸3油缸4導向柱5運行架6行走車輪7軌道8支座,四導向柱式臂伸縮機構,臂部結構的基本形式和特點,.,（2）手臂俯仰運動機構,1手部2夾緊缸3升降缸4小臂5，7擺動缸6大臂8立柱,擺動缸驅動連桿俯仰臂機構,.,（3）手臂回轉與升降機構,手臂回轉與升降機構常采用回轉缸與升降缸單獨驅動，適用于升降行程短而回轉角度小于360的情況，也有采用升降缸與氣馬達-錐齒輪傳動的結構。,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.臂部設計要注意的問題,.,機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,1.質量平衡方法,.,2.彈簧力平衡方法,.,90,任務4腕部設計腕部自由度腕部典型結構柔性手腕腕部設計注意的問題,.,（1）手腕關節(jié)的滾轉和彎轉,1.腕部自由度,.,手腕的坐標系和自由度,.,6種3自由度手腕的結合方式示意圖,.,（2）RRR手腕,3R手腕關節(jié)遠程傳動示意,3R手腕結構示意,.,2.腕部的典型結構（1）單自由度回轉運動手腕,1回轉缸；2定片；3腕回轉軸；4動片；5手部,回轉油缸直接驅動的單自由度腕部結構,.,（2）二自由度手腕1）雙回轉油缸驅動的腕部,l手部2中心軸3固定中心軸4定片5擺動回轉缸6動片7回轉軸8回轉缸,具有回轉與擺動的二自由度腕部結構,.,2）齒輪傳動二自由度腕部,齒輪傳動回轉和俯仰型腕部原理,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;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柔順手腕結構柔順性裝配技術。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。從結構的角度出發(fā),在手腕部配置一個柔順環(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2.46鋼絲彈簧柔順手腕,.,5.設計腕部時應注意的問題,.,107,任務5手部設計機器人手部的特點手部的分類手爪的設計和選用要求典型的手抓結構,.,1.機器人手部的特點,.,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,三指手爪,柔性手指手爪,.,（4）按智能化,3.手爪設計和選用的要求,.,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。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,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,其結構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.傳動機構傳動機構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。該機構根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉型和平移型?；剞D型又分為一支點回轉和多支點回轉。根據(jù)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,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組成復合式杠桿傳動機構,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回轉型手部結構簡圖。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)所示的結構。,.,圖2.6滑槽式杠桿回轉型手部,.,圖2.6所示為滑槽式杠桿回轉型手部簡圖,杠桿形手指4的一端裝有V形指5,另一端則開有長滑槽。驅動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi),當驅動連桿同圓柱銷一起作往復運動時,即可撥動兩個手指各繞其支點(鉸銷3)作相對回轉運動,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。驅動桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接,當驅動桿2作直線往復運動時,則通過連桿推動兩桿手指各繞其支點作回轉運動,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構。驅動桿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。驅動力推動齒條作直線往復運動,即可帶動扇齒輪回轉,從而使手指松開或閉合。,.,(2)平移型傳動機構。平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復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)。其結構較復雜,不如回轉型手部應用廣泛。直線往復型復移動機構:實現(xiàn)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。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,(b)為連桿杠桿平移結構,(c)為螺旋斜楔平移結構,.,平面平行移動機構：圖2.10所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部的簡圖。它們的共同點是:都采用平行四邊形的鉸鏈機構雙曲柄鉸鏈四連桿機構,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2.10四連桿機構平移型手部結構,.,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、玻璃等物體),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。,.,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(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。為了更好地適應物體吸附面的傾斜狀況,有的在橡膠吸盤背面設計有球鉸鏈。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構圖。鐵心1和磁盤3之間用黃銅焊料焊接并構成隔磁環(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810號低碳鋼制成,可減少剩磁,并在斷電時不吸或少吸鐵屑。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0.10.3mm。在機器人手臂的孔內(nèi)可做軸向微量地移動,但不能轉動。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構,.,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60mm,質量為1kg,吸力1100N,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)接位置精度,設置了兩個定位銷。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(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(shù)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?shù)葞追N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。,.,多工位換接裝置如圖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。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和手腕軸線一致,受力較合理,但其傳動機構較為復雜;棱柱型換接器傳動機構較為簡單,但其手爪軸線和手腕軸線不能保持一致,受力不良。,.,圖2.22多工位末端操作器換接裝置(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所示為多關節(jié)柔性手腕,每個手指由多個關節(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,一側為握緊,另一側為放松。驅動源可采用電機驅動或液壓、氣動元件驅動。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,一端為自由端的雙管合一的柔性管狀手爪,當一側管內(nèi)充氣體或液體、另一側管內(nèi)抽氣或抽液時形成壓力差,柔性手爪就向抽空側彎曲。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個回轉關節(jié),每一個關節(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(xiàn)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,.,靈巧手的設計,.,.,.,.,.,.,.,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.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所示為自重式手部結構,要求工件對手指的作用力的方向應在手指回轉軸垂直線的外側,使手指趨向閉合。用這種手部結構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)。該手部結構適用于傳輸垂直上升或水平移動的重型工件。,.,圖2.28自重式手部結構,.,圖2.29所示為彈簧外卡式手部結構。手指1的夾放動作是