第4章機(jī)器人本體

1、 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)基本上是由連桿和關(guān)節(jié)組成； 連桿又可以分為長(zhǎng)連桿與短連桿（見(jiàn)機(jī)器人實(shí)物圖）； 關(guān)節(jié)又可以分為移動(dòng)關(guān)節(jié)與轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 1，剛度高有利于提高手臂端點(diǎn)的定位精度和跟蹤精度，這在離線(xiàn)編程時(shí)是至關(guān)重要的。 2，剛度高還可降低對(duì)控制系統(tǒng)的要求和系統(tǒng)造價(jià)。 3，較好的剛度還可以增加機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，比如在選擇傳感器安裝位置時(shí)，剛度高的結(jié)構(gòu)允許傳感器放在離執(zhí)行器較遠(yuǎn)的位置上，減少了設(shè)計(jì)方面的限制。 盡可能提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)固有頻率的目的在于避開(kāi)機(jī)器人的工作頻率。 通 常機(jī)器人的低階固有頻率為525Hz，以中等速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸入信號(hào)的脈沖 延續(xù)時(shí)間約在0.051s，振蕩頻率相當(dāng)于在120Hz，因而機(jī)械

2、系統(tǒng)可能會(huì)因此激發(fā)振蕩。 動(dòng)態(tài)剛度高可以減小定位時(shí)的超調(diào)量，縮短達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，從而提高機(jī)器人的使用性能。 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與一般的機(jī)械有所不同，后面的桿件和關(guān)節(jié)的重量是前面關(guān)節(jié)的負(fù)載，對(duì)于活動(dòng)構(gòu)件，盡量選擇較輕的材料； F=kX; 精密機(jī)器人對(duì)于機(jī)器人的剛度有一定的要求，即對(duì)材料的剛度有要求。剛度設(shè)計(jì)時(shí)要考慮靜剛度和動(dòng)剛度，即要考慮振動(dòng)問(wèn)題。從材料角度看，控制振動(dòng)涉及減輕重量和抑制振動(dòng)兩方面，其本質(zhì)就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問(wèn)題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)。mk /mk / 另外，家用和服務(wù)機(jī)器人的外觀(guān)與傳統(tǒng)機(jī)械大有不同，故將會(huì)出現(xiàn)比傳統(tǒng)工業(yè)材料更富有美感的機(jī)器人本體材料。從這一點(diǎn)看，機(jī)

3、器人材料又應(yīng)具備柔軟和外表美觀(guān)等特點(diǎn)。 正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低機(jī)器人的成本價(jià)格，更重要的是可適應(yīng)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿(mǎn)足其靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性要求。 隨著材料工業(yè)的發(fā)展，新材料的出現(xiàn)給機(jī)器人的發(fā)展提供了寬廣的空間 (1) 強(qiáng)度高。機(jī)器人臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿(mǎn)足機(jī)器人臂的強(qiáng)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。彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為20002300MPa，但是二者的彈性模量E卻沒(méi)有多大變化，均為2.1MPa。因此，還應(yīng)尋找其他提高構(gòu)件剛度的途徑。 (3

4、) 重量輕。機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說(shuō)，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。 (4) 阻尼大。選擇機(jī)器人的材料時(shí)不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來(lái)吸收能量。 (5) 材料經(jīng)濟(jì)性。材料價(jià)格是機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金等用來(lái)作為機(jī)器人臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。 1碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 這類(lèi)材料強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度增大了45倍，彈性模量E大，抗

5、變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。 2鋁、鋁合金及其他輕合金材料 這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加3.2(重量百分比)鋰的鋁合金，彈性模量增加了14，E/比增加了16。 3纖維增強(qiáng)合金 這類(lèi)合金如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金等，其E/比分別達(dá)到和。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/比，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。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(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂樣

6、品。5纖維增強(qiáng)復(fù)合材料這類(lèi)材料具有極好的E/比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎浺约芭c金屬件連接困難等問(wèn)題。這類(lèi)材料不但重量輕，剛度大，而且還具有十分突出的大阻尼的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼，所以在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多。疊層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶(hù)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)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(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理。吉林工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)

7、械臂振動(dòng)控制中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為0.30mm，處理后為0.16mm；殘余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前后分別為0.9s和0.5s。 機(jī)器人必須有一個(gè) 便于安裝的基礎(chǔ)件機(jī) 座或行走機(jī)構(gòu)。機(jī)座 往往與機(jī)身做成一體。 機(jī)身和臂部相連，機(jī)身 支承臂部，臂部又支承 腕部和手部。機(jī)身和臂 部運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性也是應(yīng) 重點(diǎn)注意的問(wèn)題。 4.2.1 機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn) 機(jī)器人機(jī)身(或稱(chēng)立柱)是支承臂部及手部的部件。 一、機(jī)身的典型結(jié)構(gòu) 1回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身 (1) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)，升降油缸在下，回轉(zhuǎn)油缸在上。因擺動(dòng)油缸安置在升降活塞桿的上方，故活塞桿的尺寸要加大。 (2

8、) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩要設(shè)計(jì)得大一些。 (3) 鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。鏈條鏈輪傳動(dòng)是將鏈條的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)殒溳喌幕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它的回轉(zhuǎn)角度可大于360。圖4.1(a)所示為氣動(dòng)機(jī)器人采用單桿活塞氣缸驅(qū)動(dòng)鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)K向視圖)。此外，也有用雙桿活塞氣缸驅(qū)動(dòng)鏈條鏈輪回轉(zhuǎn)的方式，如圖4.1(b)所示。 2回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身 三、機(jī)身設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題 (1) 剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好。 (2) 運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過(guò)短，避免卡死。 (3) 驅(qū)動(dòng)方式適宜。 (4) 結(jié)構(gòu)布置合理。 機(jī)器人的手臂由大臂、小臂(或多臂)所組成。手臂的驅(qū)動(dòng)方式

9、主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)幾種形式，其中電動(dòng)形式最為通用。 一、臂部的典型機(jī)構(gòu) 1臂部伸縮機(jī)構(gòu) 行程小時(shí)，采用油(氣)缸直接驅(qū)動(dòng)；行程較大時(shí)，可采用油(氣)缸驅(qū)動(dòng)齒 條傳動(dòng)的倍增機(jī)構(gòu)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可采用絲杠螺母或滾 珠絲杠傳動(dòng)。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn) 生變形，臂部伸縮機(jī)構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 常用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿和雙導(dǎo)向桿等，可根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素 選取。 二、機(jī)器人手臂材料的選擇 機(jī)器人手臂材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件

10、，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。 機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。 綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金屬材料有尼龍6、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。(1) 承載能力足。不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷

11、。(2) 剛度高。為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，應(yīng)合理選擇手臂的截面形狀。工字形截面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，所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼制作支承板。(3) 導(dǎo)向性能好，動(dòng)作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。為防止手臂在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿運(yùn)動(dòng)軸線(xiàn)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，定位前慣性力引起的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。(4) 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

12、，以減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(5) 合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位。臂部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，而且還直接影響機(jī)器人的外觀(guān)。 機(jī)身和臂部的運(yùn)動(dòng)較多，質(zhì)量較大，如果運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載又較大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。這將不僅影響機(jī)器人的精確定位，甚至?xí)蛊洳荒苷＿\(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效的緩沖裝置吸收能量。從減少能量產(chǎn)生的方面來(lái)看，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1) 要求機(jī)身和臂部運(yùn)動(dòng)部件緊湊，質(zhì)量輕，以減少慣性力。例如，臂部構(gòu)件采用鋁合金或非金屬材料制作。 (2) 運(yùn)動(dòng)部件各部分的質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)軸或支承的分布情況，即重心的布置。如重心與轉(zhuǎn)軸不重

13、合，將增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)軸受到附加的動(dòng)壓力，其方向在臂部轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中是不斷變化的。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高以及速度變化劇烈時(shí)，將有較大的沖擊和振動(dòng)。 臂桿作為主要的運(yùn)動(dòng)部件需要重點(diǎn)考慮。為了減小驅(qū)動(dòng)力矩和增加運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進(jìn)行動(dòng)力平衡。 只有當(dāng)負(fù)載較小，臂桿的質(zhì)量較輕，關(guān)節(jié)力矩不大和驅(qū)動(dòng)裝置有足夠的容量時(shí)，才可以省去動(dòng)力平衡裝置。從機(jī)械驅(qū)動(dòng)的合理性和安全性角度出發(fā)，機(jī)器人臂桿的平衡還有助于在動(dòng)力被突然切斷時(shí)降低對(duì)剎車(chē)裝置的要求。 總之，臂桿平衡技術(shù)對(duì)提高操作機(jī)的整體性能和動(dòng)態(tài)特性十分重要，也是簡(jiǎn)化編程和控制的重要措施。 常見(jiàn)操作機(jī)臂桿的平衡技術(shù)有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動(dòng)或

14、液壓平衡法和采用平衡電動(dòng)機(jī)。 4.3 腕部及手部結(jié)構(gòu) 人類(lèi)的手是最靈活的肢體部分，能完成各種各樣的動(dòng)作和任務(wù)。同樣機(jī)器人的手部作為末端執(zhí)行器是完成抓握工件或執(zhí)行特定作業(yè)的重要部件，也需要有多種結(jié)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。目前，RRR型三自由度手腕應(yīng)用較普遍。 4.3.1 機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn) 腕部是機(jī)器人的小臂與末端執(zhí)行器(手部或稱(chēng)手爪)之間的連接部件，其作用是利用自身的活動(dòng)度確定手部的空間姿態(tài)。對(duì)于一般的機(jī)器人，與手部相連接的手腕都具有獨(dú)驅(qū)自轉(zhuǎn)的功能，若手腕能在空間取任意方位，那么與之相連的手部就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活。 從驅(qū)動(dòng)方式

15、看，手腕一般有兩種形式，即遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)。直接驅(qū)動(dòng)是指驅(qū)動(dòng)器安裝在手腕運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的附近直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因而傳動(dòng)路線(xiàn)短，傳動(dòng)剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大，慣量大。遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)器安裝在機(jī)器人的大臂、基座或小臂遠(yuǎn)端上，通過(guò)連桿、鏈條或其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動(dòng)腕部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因而手腕的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對(duì)改善機(jī)器人的整體動(dòng)態(tài)性能有好處，但傳動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，傳動(dòng)剛度也降低了。 手腕按自由度個(gè)數(shù)可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕?？梢宰C明，三自由度手腕能使手部取得空間任意姿態(tài)。 腕部實(shí)際所需要的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來(lái)確定。在有些情況下，腕部具有兩個(gè)自由度，即翻轉(zhuǎn)和俯仰或翻

16、轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。一些專(zhuān)用機(jī)械手甚至沒(méi)有腕部，但有些腕部為了滿(mǎn)足特殊要求還有橫向移動(dòng)自由度。 由圖4.15可知，當(dāng)S軸不轉(zhuǎn)而B(niǎo)軸回轉(zhuǎn)時(shí)，B軸除帶動(dòng)手腕繞A軸上下擺動(dòng)外，還帶動(dòng)錐齒輪4也繞A軸作轉(zhuǎn)動(dòng)。由于5軸不轉(zhuǎn)，故錐齒輪3不轉(zhuǎn)，但錐齒輪4與3相嚙合，因此，迫使錐齒輪4繞C軸線(xiàn)有一個(gè)附加的自轉(zhuǎn)，即為手腕的附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因手腕俯仰運(yùn)動(dòng)引起的手腕附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被稱(chēng)為誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，這在考慮手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)予以注意。 這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，傳動(dòng)扭矩大，能提高機(jī)器人的工作性能。在示敏型機(jī)器人中較多地采用這類(lèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為手腕結(jié)構(gòu)。但該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是手腕有一個(gè)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意采取補(bǔ)償措施，消除誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的影響。

17、圖4.17所示為齒輪鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的手腕原理圖。齒輪鏈輪傳動(dòng)三自由度手腕在圖4.15所示手腕的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)360偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其工作原理如下：當(dāng)油缸1中的活塞作左右移動(dòng)時(shí)，通過(guò)鏈條、鏈輪2、錐齒輪3和4帶動(dòng)花鍵軸5和6轉(zhuǎn)動(dòng)，而花鍵軸6與行星架9連成一體，因而也就帶動(dòng)行星架作偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即為手腕所增加的360偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于增加了T軸(即花鍵軸6)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將誘使手腕產(chǎn)生附加俯仰和附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因是當(dāng)傳動(dòng)軸B和花鏈軸5不動(dòng)時(shí)，齒輪21和23是相對(duì)不動(dòng)的，由于行星架9的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，勢(shì)必引起齒輪22繞齒輪21和齒輪11繞齒輪23的轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪22的自轉(zhuǎn)通過(guò)

18、錐齒輪20、16、17、18傳遞到擺動(dòng)軸19，引起手腕的誘導(dǎo)俯仰運(yùn)動(dòng)。而齒輪11的自轉(zhuǎn)通過(guò)錐齒輪12、13、14、15傳遞到手部夾緊缸的殼體，使手腕作誘導(dǎo)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同樣當(dāng)S、T軸不動(dòng)時(shí)，B軸的轉(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)誘使手部夾緊缸的殼體作附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)要注意采取補(bǔ)償措施消除誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的影響。 四、設(shè)計(jì)腕部時(shí)一般應(yīng)注意的問(wèn)題 (1) 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 (2) 動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高。 (3) 強(qiáng)度、剛度高。 (4) 合理設(shè)計(jì)與臂和手部的連接部位以及傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的布局和安裝。 手腕結(jié)構(gòu)是機(jī)器人中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。對(duì)腕部的設(shè)計(jì)要求是質(zhì)量輕，滿(mǎn)足作業(yè)對(duì)手部

19、姿態(tài)的要求，并留有一定的裕量(約510)；傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并有利于小臂對(duì)整機(jī)的靜力平衡。一般來(lái)說(shuō)，由于手腕處在開(kāi)式連桿系末端的特殊位置，它的尺寸和質(zhì)量對(duì)操作機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和使用性能影響很大。因此，除了要求其動(dòng)作靈活、可靠外，還應(yīng)使其結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，質(zhì)量盡可能小。而在所有的三自由度手腕結(jié)構(gòu)中，RRR型三自由度手腕構(gòu)造較簡(jiǎn)單，應(yīng)用較普遍。 4按智能化分 (1) 普通式手爪。這類(lèi)手爪不具備傳感器。 (2) 智能化手爪。這類(lèi)手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺(jué)傳感器及滑覺(jué)傳感器等，手爪與傳感器集成成為智能化手爪。手爪設(shè)計(jì)和選用時(shí)最主要的是滿(mǎn)足功能上的要求，具體來(lái)說(shuō)要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行調(diào)查，提出設(shè)

20、計(jì)參數(shù)和要求。1被抓握的對(duì)象物手爪設(shè)計(jì)和選用時(shí)首先要考慮的是要抓握什么樣的工件，因此，必須充分了解工件的幾何參數(shù)及機(jī)械特性。1) 幾何參數(shù)(1) 工件尺寸。(2) 可能給予抓握表面的數(shù)目。(3) 可能給予抓握表面的位置和方向。(4) 夾持表面之間的距離。(5) 夾持表面的幾何形狀。2) 機(jī)械特性(1) 質(zhì)量。(2) 材料。(3) 固有穩(wěn)定性。(4) 表面質(zhì)量和品質(zhì)。(5) 表面狀態(tài)。(6) 工件溫度。 2物料饋送器或儲(chǔ)存裝置 與機(jī)器人配合工作的物料饋送器或儲(chǔ)存裝置對(duì)手爪最小和最大爪鉗之間的必需距離以及夾緊力都有要求，同時(shí)，還應(yīng)了解其他可能的不確定因素對(duì)手爪工作的影響。 3機(jī)器人作業(yè)順序 一臺(tái)機(jī)

21、器人在齒輪箱裝配作業(yè)中需要搬運(yùn)齒輪和軸，并進(jìn)行裝配。雖然手部可以既抓握齒輪也可以?shī)A持軸，但是，不同零件所需的夾緊力和爪鉗張開(kāi)距離是不同的，手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮被夾持對(duì)象物的順序。必要的時(shí)候可采用多指手爪，以增加手部作業(yè)的柔性。 4手爪和機(jī)器人匹配 手爪一般用法蘭式機(jī)械接口與手腕相連接，手爪自重也增加了機(jī)械臂的負(fù)載，這兩個(gè)問(wèn)題必須給予仔細(xì)考慮。手爪是可以更換的，手爪形式可以不同，但是與手腕的機(jī)械接口必須相同，這就是接口匹配。手爪自重不能太大，機(jī)器人能抓取工件的重量是機(jī)器人承載能力減去手爪重量。手爪自重要與機(jī)器人承載能力匹配。 5環(huán)境條件 作業(yè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況很重要，比如高溫、水、油等不同環(huán)境會(huì)影響手

22、爪的工作。一個(gè)鍛壓機(jī)械手要從高溫爐內(nèi)取出紅熱的鍛件坯必須保證手爪的開(kāi)合、驅(qū)動(dòng)在高溫環(huán)境中均能正常工作。 四、手爪的典型結(jié)構(gòu) 1機(jī)械手爪 1) 驅(qū)動(dòng) 機(jī)械式手爪通常采用氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和電磁來(lái)驅(qū)動(dòng)手指的開(kāi)合。氣動(dòng)手爪目前得到廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)闅鈩?dòng)手爪有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易維修，而且開(kāi)合迅速，重量輕。其缺點(diǎn)是空氣介質(zhì)的可壓縮性使爪鉗位置控制比較復(fù)雜。液壓驅(qū)動(dòng)手爪成本稍高一些。電動(dòng)手爪的優(yōu)點(diǎn)是手指開(kāi)合電動(dòng)機(jī)的控制與機(jī)器人控制可以共用一個(gè)系統(tǒng)，但是夾緊力比氣動(dòng)手爪、液壓手爪小，開(kāi)合時(shí)間比它們長(zhǎng)。電磁手爪控制信號(hào)簡(jiǎn)單，但是電磁夾緊力與爪鉗行程有關(guān)，因此，只用在開(kāi)合距離小的場(chǎng)合。圖4.

23、23所示為一種氣動(dòng)手爪，氣缸4中壓縮空氣推動(dòng)活塞3使連桿齒條2作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)扇形齒輪1帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)，使爪鉗5平行地快速開(kāi)合。 3) 傳動(dòng) 驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)使爪鉗開(kāi)合并產(chǎn)生夾緊力。機(jī)械手爪還常以傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)命名，如平行連桿式手爪(見(jiàn)圖4.23)、齒輪齒條式手爪見(jiàn) 圖4.25(a)、撥桿杠桿式手爪見(jiàn)圖4.25(b)、滑槽式手爪見(jiàn)圖4.25(c)、重力式手爪見(jiàn)圖4.25(d)等。對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)要求和夾緊力要求。圖4.23所示的平行連桿式手爪及圖4.25(a)所示的齒輪齒條式手爪可保持爪鉗平行 運(yùn)動(dòng)，夾持寬度變化大。對(duì)夾緊力的要求是爪鉗開(kāi)合度不同時(shí)夾緊力能保持不變。 2磁力吸盤(pán) 磁

24、力吸盤(pán)有電磁吸盤(pán)和永磁吸盤(pán)兩種。磁力吸盤(pán)是在手部裝上電磁鐵，通過(guò)磁場(chǎng)吸力把工件吸住。圖4.26所示為電磁吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖。在線(xiàn)圈通電的瞬時(shí)，由于空氣間隙的存在，磁阻很大，線(xiàn)圈的電感和啟動(dòng)電流很大，這時(shí)產(chǎn)生磁性吸力將工件吸住，一旦斷電，磁吸力消失，工件松開(kāi)。若采用永久磁鐵作為吸盤(pán)，則必須強(qiáng)迫性地取下工件。電磁吸盤(pán)只能吸住鐵磁材料制成的工件(如鋼鐵件)，吸不住有色金屬和非金屬材料的工件。磁力吸盤(pán)的缺點(diǎn)是被吸取工件有剩磁，吸盤(pán)上常會(huì)吸附一些鐵屑，致使不能可靠地吸住工件，而且只適用于工件要求不高或有剩磁也無(wú)妨的場(chǎng)合。對(duì)于不允許有剩磁的工件(如鐘表零件及儀表零件)，不能選用磁力吸盤(pán)，可用真空吸盤(pán)。另外鋼

25、、鐵等磁性物質(zhì)在溫度為723以上時(shí)磁性就會(huì)消失，故高溫條件下不宜使用磁力吸盤(pán)。 磁力吸盤(pán)要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附。磁力吸盤(pán)的計(jì)算主要是電磁吸盤(pán)中電磁鐵吸力的計(jì)算以及鐵心截面積、線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)直徑和線(xiàn)圈匝數(shù)等參數(shù)的設(shè)計(jì)。要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境選擇工作情況系數(shù)和安全系數(shù)。 機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)的，各個(gè)部位都需要能源和動(dòng)力，因此設(shè)計(jì)和選擇良好的傳動(dòng)部件是非常重要的。本節(jié)主要介紹關(guān)節(jié)、常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)部件的定位和消隙。 機(jī)器人可分成固定式和行走式兩種，一般的工業(yè)機(jī)器人多為固定式。但是，隨著海洋科學(xué)、原子能科學(xué)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，具有智能的可移動(dòng)機(jī)器人是今后機(jī)器人的發(fā)展方向。比如，

26、美國(guó)研制的“探索者”輪式機(jī)器人已成功用于火星探測(cè)。 4.4.1 機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位，這涉及關(guān)節(jié)形式的確定、傳動(dòng)方式以及傳動(dòng)部件的定位和消隙等多個(gè)方面的內(nèi)容。 一、關(guān)節(jié) 機(jī)器人中連接運(yùn)動(dòng)部分的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型，分別稱(chēng)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。 1轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)就是在機(jī)器人中被簡(jiǎn)稱(chēng)為關(guān)節(jié)的連接部分，它既連接各機(jī)構(gòu)，又傳遞各機(jī)構(gòu)間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(或擺動(dòng))，用于基座與臂部、臂部之間、臂部和手部等連接部位。關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。 (1) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)軸同軸式。這種形式直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸，有較高的定位精度。但是，為減輕

27、重量，要選擇小型減速器并增加臂部的剛性。它適用于水平多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 (2) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)軸正交式。重量大的減速機(jī)構(gòu)安放在基座上，通過(guò)臂部的齒輪、鏈條傳遞運(yùn)動(dòng)。這種形式適用于要求臂部結(jié)構(gòu)緊湊的場(chǎng)合。 (3) 外部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)臂部的形式。這種形式適合于傳遞大扭矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有滾珠絲杠、液壓缸和氣缸。 (4) 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部的形式。這種方式稱(chēng)為直接驅(qū)動(dòng)方式。 2移動(dòng)關(guān)節(jié) 移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起直線(xiàn)導(dǎo)向作用的直線(xiàn)導(dǎo)軌部分組成。導(dǎo)軌部分分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和磁性懸浮導(dǎo)軌等形式。 一般，要求機(jī)器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上要求剛度

28、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(jī)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(jià)格低廉的滾動(dòng)導(dǎo)軌。 滾動(dòng)導(dǎo)軌可以按直線(xiàn)導(dǎo)軌的種類(lèi)、軌道形狀和滾動(dòng)體分為: (1) 按滾動(dòng)體分類(lèi)球、圓柱滾子和滾針。 (2) 按軌道分類(lèi)圓軸式、平面式和滾道式。 (3) 按滾動(dòng)體是否循環(huán)分類(lèi)循環(huán)式、非循環(huán)式。 這些滾動(dòng)導(dǎo)軌各有各的特點(diǎn)，裝有滾珠的滾動(dòng)導(dǎo)軌適用于中小載荷和小摩擦的場(chǎng)合；裝有滾柱的滾動(dòng)導(dǎo)軌適用于重載和高剛性的場(chǎng)合。受輕載的滾柱的特性接近于線(xiàn)性彈簧，呈硬彈簧特性；而滾珠的特性接近于非線(xiàn)性彈簧，剛性要求高時(shí)應(yīng)施加一定的預(yù)緊力。 重復(fù)完成簡(jiǎn)單動(dòng)作的搬運(yùn)機(jī)器人(固定程

29、序機(jī)器人)中廣泛采用桿、連桿與凸輪機(jī)構(gòu)，例如，從某位置抓取物體放在另一位置上的作業(yè)。連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)可得到較大的位移，而凸輪機(jī)構(gòu)具有設(shè)計(jì)靈活，可靠性高和形式多樣等特點(diǎn)，外凸輪機(jī)構(gòu)是最常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)，它借助于彈簧可得到較好的高速性能；內(nèi)凸輪驅(qū)動(dòng)時(shí)要求有一定的間隙，其高速性能劣于前者；圓柱凸輪用于驅(qū)動(dòng)擺桿，而擺桿在與凸輪回轉(zhuǎn)方向平行的面內(nèi)擺動(dòng)。設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)選用適應(yīng)大負(fù)載的凸輪曲線(xiàn)(修正梯形和修正正弦曲線(xiàn)等)，如圖4.43和圖4.44 所示。 6流體傳動(dòng) 流體傳動(dòng)分為液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)由液壓泵、液壓馬達(dá)或液壓缸組成，可得到高扭矩-慣性比。氣壓傳動(dòng)比其他傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度差，但由于容

30、易達(dá)到高速，多數(shù)用在完成簡(jiǎn)易作業(yè)的搬運(yùn)機(jī)器人上。液壓、氣壓傳動(dòng)中，模塊化和小型化的機(jī)構(gòu)較易得到應(yīng)用。例如，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人端部手爪上由多個(gè)伸縮動(dòng)作氣缸集成的內(nèi)裝式移動(dòng)模塊；氣缸與基座或滑臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，并由滾動(dòng)導(dǎo)軌引導(dǎo)移動(dòng)支承在轉(zhuǎn)動(dòng)部分的基座和滑臺(tái)內(nèi)的后置式模塊等。 三、傳動(dòng)件的定位和消隙 1傳動(dòng)件的定位 機(jī)器人的重復(fù)定位精度要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ环椒āＤ壳俺Ｓ玫亩ㄎ环椒ㄓ须姎忾_(kāi)關(guān)定位、機(jī)械擋塊定位和伺服定位。 1) 電氣開(kāi)關(guān)定位 電氣開(kāi)關(guān)定位是利用電氣開(kāi)關(guān)(有觸點(diǎn)或無(wú)觸點(diǎn))作行程檢測(cè)元件。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)行到定位點(diǎn)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，切斷動(dòng)力源或接通制動(dòng)器，從而使機(jī)械手獲得定位。液

31、壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手運(yùn)行至定位點(diǎn)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，電控系統(tǒng)使電磁換向閥關(guān)閉油路而實(shí)現(xiàn)定位。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要定位時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)信號(hào)，電氣系統(tǒng)激勵(lì)電磁制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)而定位。使用電氣開(kāi)關(guān)定位的機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，維修方便，但由于受慣性力、油溫波動(dòng)和電控系統(tǒng)誤差等因素的影響，其重復(fù)定位精度比較低，一般為(35) mm。 3) 伺服定位 電氣開(kāi)關(guān)定位與機(jī)械擋塊定位這兩種定位方法只適用于兩點(diǎn)或多點(diǎn)定位。而在任意點(diǎn)定位時(shí)，要使用伺服定位系統(tǒng)。伺服定位系統(tǒng)可以輸入指令控制位移的變化，從而獲得良好的運(yùn)動(dòng)特性。它不僅適用于點(diǎn)位控制，而且也適用于連續(xù)軌跡控制。 開(kāi)環(huán)伺服定位系統(tǒng)沒(méi)有行程檢測(cè)及反饋裝置，是一種直接用脈沖頻率變化和脈沖數(shù)量控制機(jī)器人速度和位移的定位方式。這種定位方式抗干擾能力差，定位精度較低。如果需要較高的定位精度(如0.2 mm)，則一定要降低機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的平均速度。 閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)定位。 2傳動(dòng)件的消隙 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在間隙，也叫側(cè)隙。就齒輪傳動(dòng)而言，齒輪傳動(dòng)的側(cè)隙是指一對(duì)齒輪中一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠獲得的最大角位移。傳動(dòng)間隙影響了機(jī)器人的重復(fù)定位精度和平穩(wěn)性。對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)間隙