第八章機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)例

1、2.原始機(jī)構(gòu)選擇 行星傳動(dòng)的選擇外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)。 組成結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)原理 如圖71所示為外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)模型和傳動(dòng)原理圖。外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)是由三部分組成：外激波器H由內(nèi)輪廓偏心套和轉(zhuǎn)臂滾針軸承組成；活齒輪G是由活齒架和一組擺動(dòng)活齒組成，相當(dāng)于內(nèi)齒行星輪，活齒架為具有等分駐齒槽的筒狀構(gòu)件，與機(jī)架固聯(lián)或與輸出軸固聯(lián)；中心輪K為外齒輪，齒形為擺動(dòng)活齒幾何中心運(yùn)動(dòng)軌跡的內(nèi)等距線，與輸出軸固聯(lián)或與機(jī)架固聯(lián)。 圖71外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)模型和傳動(dòng)原理圖 傳動(dòng)比計(jì)算。 外齒中心輪的齒形綜合。 外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。 帶傳動(dòng)的選擇 帶傳動(dòng)由帶輪、帶和支承件組成。利用張緊在帶輪上的帶和帶輪間

2、的摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、能緩和沖擊和過(guò)載打滑，缺點(diǎn)是傳動(dòng)比較小且不準(zhǔn)確，且在結(jié)構(gòu)上從動(dòng)帶輪占據(jù)的空間沒(méi)有充分利用。 3.活齒減速帶輪的形成 由外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)與帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的從動(dòng)帶輪合二為一形成的行星減速帶輪，是一種新型減速裝置。它具有帶傳動(dòng)可靠性高、減振能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又保持了擺動(dòng)活齒傳動(dòng)無(wú)W輸出機(jī)構(gòu)帶來(lái)的一系列優(yōu)點(diǎn)，并成功地克服了外激波擺動(dòng)活齒傳動(dòng)外激波器尺寸大帶來(lái)的動(dòng)平衡性能差的缺點(diǎn)。 帶輪與外激波器的組合 帶輪激波器使繞固定軸傳動(dòng)的帶輪成為外激波器的一部分 卸荷帶輪設(shè)計(jì) 第二節(jié)同軌跡連桿機(jī)構(gòu)第二節(jié)同軌跡連桿機(jī)構(gòu)同軌跡四連桿機(jī)構(gòu)是指自由度 F相同、輸入構(gòu)

3、件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同、輸出構(gòu)件上的一點(diǎn)軌跡相同的一組連桿機(jī)構(gòu)，但這組連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)尺寸不同，所以其受力狀態(tài)、動(dòng)態(tài)性能有巨大差異。因而，同軌跡連桿機(jī)構(gòu)的形成方法是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要方法之一。 形成同軌跡連桿機(jī)構(gòu)的羅伯特契貝謝夫定理是由美國(guó)數(shù)學(xué)家薩姆爾羅伯特于1875年和俄國(guó)學(xué)者契貝謝夫于1878年分別發(fā)現(xiàn)的，因此稱為“羅伯特契貝謝夫定理”。該定理的內(nèi)容是：由一個(gè)四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)發(fā)生的一條連桿曲線，還可以由另外兩個(gè)四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)發(fā)生出來(lái)。或表述為同一連桿曲線，可以用三個(gè)不同的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.1.連桿點(diǎn)連桿點(diǎn)K K位于連桿兩鉸鏈連線上的同跡連桿機(jī)構(gòu)位于連桿兩鉸鏈連線上的同跡連桿機(jī)構(gòu)圖形縮放原理如下圖72a所

4、示為一平行四邊形機(jī)構(gòu)，由平行四邊形OBKD與機(jī)架在O點(diǎn)鉸接而成。A點(diǎn)為BK桿延長(zhǎng)線上的一點(diǎn)。連接AO得交點(diǎn)C。當(dāng)A點(diǎn)沿任意給定軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，C點(diǎn)將給出與A點(diǎn)相似但縮小了的軌跡。AO除以CO與AB除以KB的值是相等的為常數(shù)m（射線定理）。當(dāng)此四邊形作為一剛體繞O轉(zhuǎn)動(dòng)一角度時(shí)，A點(diǎn)轉(zhuǎn)到A，按射線定理有AA與CC的比值與AO與CO的比例等于常數(shù)m。A點(diǎn)的一切運(yùn)動(dòng)都是這兩部分運(yùn)動(dòng)的合成。因此C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是以縮小的比例模擬A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，反之亦然。 第一個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖72b所示，在原始機(jī)構(gòu)上作平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)BODK。曲柄C0CDO為所示的第一個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)，K為連桿CD延長(zhǎng)線上的點(diǎn)。所示曲柄拉搖桿機(jī)

5、構(gòu)的尺寸，如圖中下面的公式。 第二個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖72c所示，在原始機(jī)構(gòu)上作平行四邊形導(dǎo)引機(jī)構(gòu)A0AKE。雙搖桿機(jī)構(gòu)A0EFCO為所求的第二個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)。 第三個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖72d所示，CO是兩具同跡連桿機(jī)構(gòu)中共同的新機(jī)架的固定鉸鏈點(diǎn)，機(jī)架的三個(gè)固定鉸鏈點(diǎn)A0與O，A0與CO，O與CO。2.2.任意連桿點(diǎn)任意連桿點(diǎn) K K的同跡連桿機(jī)構(gòu)的同跡連桿機(jī)構(gòu)在圖73a中，四桿機(jī)構(gòu)A0A1B1B0為A1B1上有附加連桿點(diǎn)K的原始機(jī)構(gòu)。由羅伯特契貝謝夫定理決定的另兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)為A0A2C2C0和B0B3C3C0。在這3個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)中有四個(gè)相似三角形；有三個(gè)不同的平行四邊形。獲得兩個(gè)同跡連

6、桿機(jī)構(gòu)尺寸的A凱萊作圖法：想象73a中機(jī)架鉸鏈A0、B0、C0沒(méi)有結(jié)牢，隨后拉動(dòng)A0、B0、C0互相脫開(kāi)，直到各個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的曲柄、連桿和從動(dòng)件形成一條直線，便得到圖73b，后者的機(jī)架距離不等于前者，但兩圖中所有活動(dòng)構(gòu)件的長(zhǎng)度是正確的，所有的角度也是正確的。對(duì)于任一給定的帶連桿點(diǎn)的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，都可以作出如圖73b這樣一個(gè)圖形而獲得它的另外兩個(gè)同跡連桿機(jī)構(gòu)的尺寸。圖73圖74的左上圖就不能用A凱萊作圖法，因?yàn)槿齻€(gè)連桿機(jī)構(gòu)壓縮成一條直線。把O1ABO2作為一個(gè)原始機(jī)構(gòu)，為了找到連桿AB延長(zhǎng)線上K點(diǎn)的同軌跡機(jī)構(gòu)，在機(jī)架O1O2 的延長(zhǎng)線上作O3，使O1O2：O2O3AB：BK，然后，依次作三個(gè)平行四

7、邊形。于是得到了同跡四桿機(jī)構(gòu) O2O3B2C2，C2B2延長(zhǎng)線上點(diǎn)K與原始機(jī)構(gòu)中的K點(diǎn)軌跡相同。 圖74的左上的a、b兩圖是描繪同一連桿曲線的四桿機(jī)構(gòu)和六桿機(jī)構(gòu)。還可求出另兩個(gè)同跡六桿機(jī)構(gòu)，如圖74的下面兩圖。圖743.3.應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例圖75是車輪六桿懸掛裝置。第三節(jié)新型內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)第三節(jié)新型內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)1.1.往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)矛盾往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)矛盾：工作機(jī)構(gòu)及氣閥控制機(jī)構(gòu)組成復(fù)雜，零件多。曲軸等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝性差。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)慣性力大，因此增大軸承慣性載荷，使系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生振動(dòng)，也限制了輸出軸轉(zhuǎn)速的提高。曲軸回轉(zhuǎn)兩周才又一次動(dòng)力輸出，效率低。2.2.無(wú)曲軸式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)曲軸式活塞發(fā)

8、動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：利用機(jī)構(gòu)等效代換原理。以反凸輪機(jī)構(gòu)代還原發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。使零件減少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本降低。運(yùn)動(dòng)原理運(yùn)動(dòng)原理：活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由推桿端部的滑塊在凸輪槽中滑動(dòng)致使凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩。性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)：系統(tǒng)中不需要飛輪，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)；通過(guò)改變凸輪輪廓形狀可以改變輸出軸轉(zhuǎn)速，達(dá)到減速增矩的目的。應(yīng)用應(yīng)用：重型機(jī)械、船舶、建筑機(jī)械等。3.3.旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)（直接將燃料的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輸出）組成情況組成情況：橢圓形汽缸，三角形轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子的內(nèi)孔上有齒），外齒輪，吸氣口，排氣口，火花塞。工作原理工作原理：吸氣、壓縮、燃爆、排氣。隨著這四個(gè)物理功能致使三角形轉(zhuǎn)

9、子與橢圓汽缸之間的空腔體積發(fā)生變化，則轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。性能特點(diǎn)性能特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量比往復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)少40%，體積減少50%，重量下降1/2到2/3；但存在汽缸上產(chǎn)生振紋的問(wèn)題。其原因是與密封片的材料與形狀有關(guān)。運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)：三角轉(zhuǎn)子相當(dāng)于行星內(nèi)齒輪2，系桿H是發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸，1為中心輪，并且：z2/z1=1.5,則：nH/n2=3 。見(jiàn)下頁(yè)圖。12H3AAAABBBB第四節(jié)聯(lián)軸器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)第四節(jié)聯(lián)軸器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)1.1.聯(lián)軸器的分類聯(lián)軸器的分類根據(jù)聯(lián)軸器是否補(bǔ)償兩軸位移的偏移，是否具有彈性元件，可作圖79所示的分類。下面通過(guò)對(duì)機(jī)床行業(yè)對(duì)聯(lián)軸器的需求情況和發(fā)展趨勢(shì)的分析，僅對(duì)可移式聯(lián)軸器進(jìn)行

10、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及對(duì)現(xiàn)有可移式聯(lián)軸器進(jìn)行抽象分析，可知聯(lián)軸器總功能為聯(lián)接兩軸并傳遞扭矩T及轉(zhuǎn)速n；分功能為聯(lián)接功能、傳遞功能、補(bǔ)償調(diào)節(jié)功能、潤(rùn)滑密封功能、吸震緩沖功能、維修再生功能等。2.2.創(chuàng)新構(gòu)思創(chuàng)新構(gòu)思工作原理的創(chuàng)新構(gòu)思工作原理的創(chuàng)新構(gòu)思 利用機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)基本原理將聯(lián)軸器的主要分功能作為可變?cè)?，運(yùn)用各種創(chuàng)造技法對(duì)可變?cè)剡M(jìn)行變化，列出形態(tài)矩陣表，從表中組合，獲得新方案。確定元素為：A聯(lián)接功能；B傳遞功能；C補(bǔ)償調(diào)節(jié)功能，運(yùn)用智力激勵(lì)法、相似類比法等創(chuàng)造技法，對(duì)可變?cè)剡M(jìn)行變化，分析如下：實(shí)現(xiàn)聯(lián)接的作用效應(yīng)有形聯(lián)接、力聯(lián)接、化學(xué)分子聯(lián)接等。聯(lián)接性質(zhì)：剛性、彈性。實(shí)現(xiàn)傳遞功能。作

11、用效應(yīng)有：摩擦效應(yīng)、嚙合效應(yīng)、磁效應(yīng)、粘附效應(yīng)等。措施有：齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、摩擦輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)等。實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償調(diào)節(jié)功能。作用效應(yīng)：構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)、構(gòu)件變形等。措施：增加元件的活動(dòng)度，加入中間元件、增加彈性元件等結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)思結(jié)構(gòu)創(chuàng)新構(gòu)思 將結(jié)構(gòu)中完成主要功能的主要零件的主要表面（功能面）進(jìn)行變型，功能面變形的主要參數(shù)是形狀、大小、位置、順序、材料。聯(lián)軸器的主要功能面是左、右聯(lián)軸器和中間元件的配合面。變化可變?cè)兀瑢⒐ぷ髟砗徒Y(jié)構(gòu)中的可變?cè)氐淖兓谐尚螒B(tài)矩陣表，見(jiàn)圖710及圖711上圖。新型聯(lián)軸器構(gòu)思新型聯(lián)軸器構(gòu)思理論上從圖710中組合構(gòu)思，可獲得多種聯(lián)軸器方案。其中有多種是可行的

12、方案，包括現(xiàn)有的聯(lián)軸器方案和具有創(chuàng)新原理結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸器方案，舉例說(shuō)明如圖711下圖所示的一款新結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸器，還有圖712所示的上、下兩款不同的新款結(jié)構(gòu)的聯(lián)軸器。圖710圖711圖712第五節(jié)過(guò)載保護(hù)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第五節(jié)過(guò)載保護(hù)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.偏心輪連桿機(jī)構(gòu)圖713所示的偏心輪連桿機(jī)構(gòu)。主動(dòng)輪1通過(guò)偏心輪2驅(qū)動(dòng)連桿頭3。連桿4將運(yùn)動(dòng)傳遞給搖臂5，從而驅(qū)動(dòng)從動(dòng)軸6。要求設(shè)計(jì)一個(gè)功能可靠、制造方便的過(guò)載保護(hù)裝置，它可使得當(dāng)從動(dòng)軸過(guò)載時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞中斷，但主動(dòng)軸仍可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，要求過(guò)載中斷以后，該裝置容易恢復(fù)到先前狀態(tài)。過(guò)載精度為3%，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速50r/min，轉(zhuǎn)矩400Nm

13、，生產(chǎn)批量2臺(tái)。2.2.過(guò)載保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)在以上偏心輪中設(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案有許多。從功能結(jié)構(gòu)層次上看，可將過(guò)載保護(hù)裝置安置在不同的構(gòu)件上，比如可以安置在主動(dòng)軸上、連桿鉸鏈、從動(dòng)軸上。這里只討論過(guò)載保護(hù)裝置安置于主動(dòng)軸的情況。從物理原理層次上看，有機(jī)械式、電動(dòng)式、液壓式、氣壓式和電磁式等多種方式，這里只討論簡(jiǎn)單的機(jī)械式。盡管如此限制設(shè)計(jì)方案空間，但通過(guò)功能分析，仍可得到8種基本結(jié)構(gòu)方案（見(jiàn)圖714）。圖714以可靠的功能，方便裝配、調(diào)節(jié)，較少的磨損和較低的噪聲等為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，從上述8個(gè)可能性方案中優(yōu)選出圖714d、f、h所示3種較好的結(jié)構(gòu)方案。以此3種方案作為基本結(jié)構(gòu)，運(yùn)

14、用變?cè)?，?duì)每個(gè)基本結(jié)構(gòu)再作變化，又可得到8種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新方案（如圖715）。上述過(guò)載保護(hù)裝置的16種結(jié)構(gòu)方案從物理原理的角度看，不外乎是變形和摩擦兩種，絕大部分的差異僅僅是結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上的差異。圖715c（上）在16個(gè)方案中是最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但通過(guò)變?cè)ǎ钥衫^續(xù)改進(jìn)，如圖715下a-e五個(gè)結(jié)構(gòu)。圖715第九章第九章 機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)例機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)例 9.1 機(jī)器人的研制機(jī)器人的研制 9.2 自行車的演變與發(fā)展自行車的演變與發(fā)展9.1 機(jī)器人的研制機(jī)器人的研制1. 機(jī)器人簡(jiǎn)介機(jī)器人簡(jiǎn)介機(jī)器人是20世紀(jì)中后期發(fā)展起來(lái)的一個(gè)跨學(xué)科的高科技產(chǎn)品，它涉及到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳感、控制、驅(qū)動(dòng)、材料、人工智能

15、等多門學(xué)科，已形成機(jī)器人工程這一專門研究領(lǐng)域。機(jī)器人的“成長(zhǎng)”過(guò)程就是計(jì)算機(jī)、傳感器、和各種機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)的創(chuàng)造、改進(jìn)與綜合配置的過(guò)程。（1）機(jī)器人的）機(jī)器人的“大腦大腦”機(jī)器人的“大腦”就是計(jì)算機(jī)，或稱電腦?，F(xiàn)在廣為使用的電腦屬于具有邏輯思維能力的計(jì)算機(jī)，也就是說(shuō)目前機(jī)器人的大腦僅具有邏輯思維能力。但現(xiàn)在關(guān)于形象思維能力的計(jì)算機(jī)研制已經(jīng)有所突破，即被稱為神經(jīng)計(jì)算機(jī)。若機(jī)器人采用了具有邏輯思維和形象思維的兩種計(jì)算機(jī)，其大腦就會(huì)像人一樣產(chǎn)生靈感、直覺(jué)和感情，就會(huì)成為高級(jí)智能機(jī)器人。（2）機(jī)器人的手臂和手）機(jī)器人的手臂和手機(jī)器人的手和手臂是機(jī)器人最早發(fā)展部位。它雖然沒(méi)有人手靈活，但發(fā)展趨勢(shì)其功能卻會(huì)超

16、過(guò)人手。因其手指可以設(shè)計(jì)成任意指數(shù)；其手臂可以設(shè)計(jì)成任意長(zhǎng)度或節(jié)數(shù)；握力和臂力也可以根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；觸覺(jué)與靈巧性也在不斷提高?，F(xiàn)在已經(jīng)研制出三指九關(guān)節(jié)靈巧手，它可完成復(fù)雜、精密的裝配，進(jìn)行細(xì)微的操作。（3）機(jī)器人的行走）機(jī)器人的行走機(jī)器人的行走方式有輪式、履帶式和步行式。前兩種適合較好路面，而后一種適合較差路面。為適應(yīng)各種情況，可采用幾種方式并行。機(jī)器人雖處于學(xué)步階段，但已顯示出超越人的行走能力的特征。它可以在垂直平面上，天花板上行走。當(dāng)然這種在壁面上行走要具備吸附功能與移動(dòng)功能，目前吸附多采用真空吸附與電磁吸附。我國(guó)哈爾濱科技大學(xué)研制了一種永磁吸附輪、履帶復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。（4）機(jī)器人的

17、眼睛）機(jī)器人的眼睛研究機(jī)器人的眼睛有兩種方法：研究機(jī)器人的眼睛有兩種方法：用攝像機(jī)輸入圖像，然后用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行圖像識(shí)別與分析；建立模擬生物眼系統(tǒng)，這是與神經(jīng)計(jì)算機(jī)相配合的視覺(jué)系統(tǒng)。硅視網(wǎng)膜是新型機(jī)器眼，硅視網(wǎng)膜由一系列光學(xué)傳感器組成，每個(gè)傳感器覆蓋一小部分圖像區(qū)，其功能與人眼的功能十分相似。（5）機(jī)器人的鼻子）機(jī)器人的鼻子嗅覺(jué)研究難度較大，因它不僅與探測(cè)的化學(xué)組成有關(guān)，還與環(huán)境有關(guān)，而環(huán)境是隨時(shí)變化的。但近幾年已有所突破，現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的鼻子是依靠以電子芯片為基礎(chǔ)的大量聚合物來(lái)鑒別各種氣味，并給出數(shù)字顯示的結(jié)果。它對(duì)每種氣味都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的“鑒別圖譜”，并以此作為判別各種氣味的依據(jù)，而不必分析其化學(xué)

18、成分。 2. 工業(yè)機(jī)器人概述工業(yè)機(jī)器人概述（1）工業(yè)機(jī)器人的組成（2）工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（3）工業(yè)機(jī)器人的基本參數(shù)及其特性（4）工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式（5）工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)（6）工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)元件（1）工業(yè)機(jī)器人的組成機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)又稱為操作系統(tǒng)，是工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？煞譃榛?、腰部、臂部、腕部、和手部（末端）。分析時(shí)可簡(jiǎn)化為連桿與關(guān)節(jié)。末端即手部是直接參加工作部分，可以使用各種夾持器，也可以用各種工具，如焊槍、噴頭等。工作不僅要求末端達(dá)到指定的位置，還要求具有正確的方向 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)組成，一般分為兩個(gè)部分：一部分是控制計(jì)算機(jī)，他在系統(tǒng)軟件的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用軟

19、件的編譯，相鄰基點(diǎn)的差補(bǔ)運(yùn)算，各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)綜合，對(duì)操作及作業(yè)對(duì)象的信息采集處理，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障檢測(cè)診斷和預(yù)報(bào)。另一部分是伺服控制器，他接受位移、速度及驅(qū)動(dòng)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)臂桿的加速和閉環(huán)伺服控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)器：電機(jī)驅(qū)動(dòng)（直流伺服電機(jī)、 交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)）；液壓氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)器人對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，無(wú)間隙，反應(yīng)快的特點(diǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)種類很多，安性能可分為：固定速比式和無(wú)極變速式；按運(yùn)動(dòng)方式可分為：回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)直線，直線回轉(zhuǎn)，直線直線。v現(xiàn)代機(jī)器人除以上三大部分外，還應(yīng)包括智能系統(tǒng)，它由感知和決策兩部

20、分組成。前者主要是傳感器組，后者靠運(yùn)行軟件實(shí)現(xiàn)。 （2）工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)可以簡(jiǎn)化為開(kāi)式連桿機(jī)構(gòu)）操作機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差。操作機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差。因?yàn)檫B桿系末端是無(wú)法加以支承的，并且隨連桿系在空間位姿的變化而變化。操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)靈活。操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)靈活。因?yàn)槊總€(gè)連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，各連桿之間的運(yùn)動(dòng)各自獨(dú)立，互不約束。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度要求高。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度要求高。因?yàn)檫B桿的控制屬于伺服控制型，連桿驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)過(guò)程的變化是非常復(fù)雜的，并且與執(zhí)行件反饋信號(hào)有關(guān)。極容易發(fā)生振動(dòng)與不穩(wěn)定現(xiàn)象。極容易發(fā)生振動(dòng)與不穩(wěn)定現(xiàn)象。因?yàn)檫B桿的

21、受力狀態(tài)、剛度條件、和動(dòng)態(tài)性能都隨位姿的變化而變化。機(jī)器人性能良好的體現(xiàn)機(jī)器人性能良好的體現(xiàn)（抓重（抓重/ /自重）盡量大。自重）盡量大。人類：手臂質(zhì)量為49kg，抓重為1525kg，則（抓重/自重）=34。但機(jī)器人： （抓重/自重）=1/20結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度盡可能好。結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度盡可能好。有利于提高末端的定位精度，對(duì)編程軌跡的跟蹤精度，降低對(duì)控制系統(tǒng)的要求與造價(jià)等。盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。其目的在于避開(kāi)機(jī)器人的工作頻率，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。 （3 3）工業(yè)機(jī)器人的基本參數(shù)及其特性）工業(yè)機(jī)器人的基本參數(shù)及其特性工作空間工作空間: :指機(jī)

22、器人臂桿特定部位在一定條件下所能達(dá)到空間位置的集合。自由度自由度：F=fi （式中fi為每個(gè)關(guān)節(jié)的自由度，末端自由度不計(jì)）一般工業(yè)用機(jī)器人具有4至6個(gè)自由度。當(dāng)自由度增加到超過(guò)末端定位需要時(shí)，便出現(xiàn)了冗余自由度。冗余自由度的存在增加了工作的靈活性，但也增加了編成的難度，并使機(jī)器的結(jié)構(gòu)剛度與運(yùn)動(dòng)精度下降。（下頁(yè)圖例）具有冗余自由度的操作機(jī)構(gòu)的應(yīng)用有效負(fù)載有效負(fù)載：指操作機(jī)在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)物體的重量或所能承受的力及轉(zhuǎn)矩。機(jī)器人的有效負(fù)載除受到驅(qū)動(dòng)功率的限制外，還受到材料、環(huán)境、運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如速度、加速度及其方向）的限制。如下頁(yè)圖示的加拿大手臂，用于航天飛機(jī)上的機(jī)器人，額定搬運(yùn)質(zhì)量為14500kg

23、，在運(yùn)動(dòng)速度較低情況下能達(dá)到29500kg。然而，這種負(fù)荷能力只有在太空中失重條件下才有可能達(dá)到。在地球上，該手臂本身重量達(dá)410kg，連自重引起的臂桿變形都無(wú)法承受。運(yùn)動(dòng)精度運(yùn)動(dòng)精度：機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)精度涉及位置精度、重復(fù)位置精度和系統(tǒng)分辨率。位置精度是指操作機(jī)臂端定位誤差的大小，它與系統(tǒng)分辨率、機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)間隙、臂桿變形等有關(guān)；重復(fù)位置精度是指手臂端點(diǎn)實(shí)際到達(dá)位置分布曲線的寬度；系統(tǒng)分辨率主要取決于反饋傳感器的分辨率，它代表了所能識(shí)別的可控制運(yùn)動(dòng)變化的最小單位。速度速度：速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。最大加速度受到驅(qū)動(dòng)功率和系統(tǒng)剛度的限制。動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性：結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)常用質(zhì)

24、量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動(dòng)模態(tài)來(lái)表征。（4）工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型：又稱為直移型。其三個(gè)基本關(guān)節(jié)均為移動(dòng)關(guān)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)升降、伸縮和平移動(dòng)作。其末端軌跡可以是直線、矩形、或長(zhǎng)方體。該結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，便于提高精度。但占據(jù)空間大，工作范圍小。約占機(jī)器人總產(chǎn)量的14%左右。圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型：又稱為回轉(zhuǎn)型。其三個(gè)基本關(guān)節(jié)中，兩個(gè)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，一個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。其末端軌跡可以是圓弧、扇形平面、圓柱面或空心圓柱面。該結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，占據(jù)空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大。但受升降機(jī)構(gòu)的限制，一般不能提升地面上較低位置的工件。約占機(jī)器人總產(chǎn)量的47%左右。球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型

25、：又稱為俯仰型。其三個(gè)基本關(guān)節(jié)中，兩個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，一個(gè)為移動(dòng)關(guān)節(jié)。其末端軌跡是一個(gè)空心球體。該結(jié)構(gòu)與圓柱型相比，在占據(jù)同樣空間下工作范圍擴(kuò)大了，由于具有俯仰自由度，可以完成從地面提取工件。但運(yùn)動(dòng)直觀性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臂端位置誤差會(huì)隨臂的伸長(zhǎng)而放大。約占機(jī)器人總產(chǎn)量的13%左右。關(guān)節(jié)坐標(biāo)型關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：其主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)。它是一種廣泛化使用的擬人化機(jī)器人。該結(jié)構(gòu)占據(jù)空間小，而工作范圍最大。其末端軌跡為球體。它還可以繞過(guò)障礙物提取和運(yùn)送工件。但運(yùn)動(dòng)直觀性差，驅(qū)動(dòng)控制較復(fù)雜。約占機(jī)器人總產(chǎn)量的25 %左右。（5）工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)v平移關(guān)節(jié)： 要求：無(wú)間隙、高剛度、摩 擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊。 類型：滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、直線軸承、滾珠花鍵、固定軸滾動(dòng)支撐v轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)： 要求：無(wú)間隙、高剛度、摩 擦系數(shù)小、慣量小、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊。 類型：滾動(dòng)軸承（要求滾道合理，質(zhì)量輕，強(qiáng)度好，彈性模量高，精度高）小位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)器人工作中有許多頻繁小位移運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，為適應(yīng)這一條件，并保持較高的位置精度，小位移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必