工業(yè)機器人的機械結構

1、工業(yè)機器人的機械結構工業(yè)機器人的機械結構n手部機構手部機構n機器人的行走能力機器人的行走能力n機器人機械設計的基本要求及影響因素機器人機械設計的基本要求及影響因素第五節(jié)第五節(jié) 手部手部(末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器)機構機構 抓緊和握緊（吸附）工件或夾持專用工具抓緊和握緊（吸附）工件或夾持專用工具（如噴槍、扳手、焊槍）進行操作的部件，模（如噴槍、扳手、焊槍）進行操作的部件，模仿人手，裝在手臂前端。仿人手，裝在手臂前端。（1）夾鉗式取料手）夾鉗式取料手（2）吸附式取料手）吸附式取料手（3）專用操作器及轉換器）專用操作器及轉換器（4）仿生多指靈巧手）仿生多指靈巧手依興趣自學依興趣自學夾鉗式手部夾鉗式手部1

2、、手部的組成手部的組成夾鉗式手部夾鉗式手部2.夾鉗式手部設計的注意事項夾鉗式手部設計的注意事項手指應具有一定的開閉范圍手指應具有一定的開閉范圍開閉范圍太小，將限制手部的通用性，開閉范圍太小，將限制手部的通用性，甚至使手部不能完成正常的抓放工作甚至使手部不能完成正常的抓放工作手指應具有適當?shù)膴A緊力手指應具有適當?shù)膴A緊力N=(23)G要保證工件在手指內(nèi)的定位精度要保證工件在手指內(nèi)的定位精度結構緊湊，重量輕，效率高結構緊湊，重量輕，效率高通用性和可換性通用性和可換性(一一)手指手指n一般有兩個，三個或多個，其結構形式和材料常取決一般有兩個，三個或多個，其結構形式和材料常取決于被夾持工件的形狀和特性。

3、于被夾持工件的形狀和特性。 1）指端形狀）指端形狀直接與工件接觸，結構形式取決于工件形狀。直接與工件接觸，結構形式取決于工件形狀。V形指形指：圓柱形工件：圓柱形工件 平面指平面指：方形、板形工件和細小棒料：方形、板形工件和細小棒料尖指尖指：小型或柔性：小型或柔性工件工件薄指薄指：位于狹窄工：位于狹窄工作場地的細小工件作場地的細小工件長指長指：熾熱的工件：熾熱的工件特形指特形指：形狀不規(guī)則工件：形狀不規(guī)則工件2)指面形狀指面形狀根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材質(zhì)、軟硬、根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材質(zhì)、軟硬、表面性質(zhì)不同，指面有：表面性質(zhì)不同，指面有：A.光滑指面：夾持已加工表面，防止受傷

4、。光滑指面：夾持已加工表面，防止受傷。B.齒形指面：指面刻有齒紋，夾持表面粗糙的毛坯齒形指面：指面刻有齒紋，夾持表面粗糙的毛坯或半成品?；虬氤善贰.柔性指面：指面鑲襯橡膠、泡沫、石棉等物，夾柔性指面：指面鑲襯橡膠、泡沫、石棉等物，夾持已加工表面、熾熱件，薄壁件和脆性工件。持已加工表面、熾熱件，薄壁件和脆性工件。3)手指的材料手指的材料一般碳素鋼和合金結構鋼；一般碳素鋼和合金結構鋼；為使手指經(jīng)久耐用，指面可鑲嵌硬質(zhì)合金為使手指經(jīng)久耐用，指面可鑲嵌硬質(zhì)合金；高溫作業(yè)的手指，可選擇耐熱鋼；高溫作業(yè)的手指，可選擇耐熱鋼；在腐蝕性氣體環(huán)境下工作的手指，可鍍鉻或進行搪在腐蝕性氣體環(huán)境下工作的手指，可鍍鉻

5、或進行搪瓷處理，也可選用耐腐蝕的玻璃鋼或聚四氟乙烯。瓷處理，也可選用耐腐蝕的玻璃鋼或聚四氟乙烯。(二二)手部的傳動機構手部的傳動機構n向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作。作。n根據(jù)手指開合的動作特點分為：根據(jù)手指開合的動作特點分為：回轉型傳動機回轉型傳動機構構和和移動型傳動機構移動型傳動機構。斜楔杠桿式（回轉型）斜楔杠桿式（回轉型）斜楔驅(qū)動桿斜楔驅(qū)動桿滾子滾子圓柱銷圓柱銷拉簧拉簧鉸銷鉸銷手指手指工件工件承載能力較大承載能力較大適合夾持中小型工件適合夾持中小型工件圓柱銷圓柱銷鉸銷鉸銷 手指手指調(diào)整各桿之間角度或調(diào)整各桿之間角度或桿長，可改變握力的桿

6、長，可改變握力的大小及指間開度；結大小及指間開度；結構簡單動作靈活，夾構簡單動作靈活，夾持范圍大持范圍大無自鎖功能，精度問無自鎖功能，精度問題題滑槽杠桿式（回轉型）滑槽杠桿式（回轉型）連桿杠桿式（回轉型）連桿杠桿式（回轉型）1、承載能力大；、承載能力大；2、開閉范圍不大；、開閉范圍不大；3、用于夾持大型工件；、用于夾持大型工件；4、機構活動環(huán)節(jié)較多，定心精、機構活動環(huán)節(jié)較多，定心精度不如斜楔式度不如斜楔式齒條齒輪杠桿式（回轉型）齒條齒輪杠桿式（回轉型）平移型傳動機構平移型傳動機構n手指做直線往復運動或平面移動來實現(xiàn)張手指做直線往復運動或平面移動來實現(xiàn)張開與閉合；開與閉合；n用于夾持具有平行平面

7、的工件，結構復雜，用于夾持具有平行平面的工件，結構復雜，不如回轉型應用廣泛；不如回轉型應用廣泛；n承載能力大；承載能力大；n但開閉范圍不大；但開閉范圍不大；n可用于夾持大型工件；可用于夾持大型工件；1)平面平行移動機構平面平行移動機構構件多；構件多；傳動效率低；傳動效率低；2)直線往復移動機構直線往復移動機構斜楔式斜楔式杠桿式杠桿式2)直線往復移動機構直線往復移動機構齒輪齒條式齒輪齒條式螺旋式螺旋式其它結構形式的手部其它結構形式的手部n勾托式手部勾托式手部n氣吸式手部氣吸式手部n磁吸式手部磁吸式手部n撓性手部撓性手部n彈簧式手部彈簧式手部n類人式手部類人式手部勾托式手部勾托式手部n利用工件本身

8、的重量來托持工件利用工件本身的重量來托持工件,因此可因此可降低對驅(qū)動力的要求降低對驅(qū)動力的要求n其他自由度靠摩擦力限制其他自由度靠摩擦力限制n適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運大型適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運大型笨重的工件或結構粗大而質(zhì)量較輕且易笨重的工件或結構粗大而質(zhì)量較輕且易變形的工件變形的工件齒條齒條齒輪齒輪手指手指銷子銷子驅(qū)動油驅(qū)動油缸缸手指手指吸附式手部吸附式手部n靠靠吸附力吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附氣吸附(真空吸附真空吸附)和磁吸附兩種。和磁吸附兩種。適用適用于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎（玻璃、磁盤）、微小

9、（不易抓?。┑模úＡА⒋疟P）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w物體。n利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作；與利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作；與夾鉗式相比，具有結構簡單、重量輕、吸附力分布均夾鉗式相比，具有結構簡單、重量輕、吸附力分布均勻等優(yōu)點；勻等優(yōu)點；n廣泛適用于薄片狀的非金屬材料或不可有剩磁的材料廣泛適用于薄片狀的非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附，但要求物體表面平整光滑，無孔無凹槽。比的吸附，但要求物體表面平整光滑，無孔無凹槽。比如：板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙如：板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、紙張、塑料等。張、塑料等。氣吸附式氣吸附式氣吸附式手部氣吸附

10、式手部氣吸附式手部氣吸附式手部氣吸附式手部氣吸附式手部吸附式手部吸附式手部磁吸附式磁吸附式n利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁吸力取料，利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁吸力取料，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，所以具有一定的局限性有剩磁的零件要禁止使用，所以具有一定的局限性；n吸附頭上常吸附磁性鐵屑，會劃傷對象物，吸不平；吸附頭上常吸附磁性鐵屑，會劃傷對象物，吸不平；n723攝氏度以上時攝氏度以上時，磁性消失。磁性消失。撓性手部撓性手部n軟手爪；軟手爪；n由多個關節(jié)組成，每個關節(jié)都有伺服機構，在由多個關節(jié)組成，每

11、個關節(jié)都有伺服機構，在自動控制下產(chǎn)生彎曲運動而抓取物體。自動控制下產(chǎn)生彎曲運動而抓取物體。彈簧式手部彈簧式手部類人式手部類人式手部n常見的是三指或五指；常見的是三指或五指；n每個手指的關節(jié)通常通過鋼絲繩、記憶合金、人每個手指的關節(jié)通常通過鋼絲繩、記憶合金、人造肌纖維驅(qū)動；造肌纖維驅(qū)動；第六節(jié)第六節(jié) 機器人的行走能力機器人的行走能力n驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置n傳動機構傳動機構n位置檢測元件位置檢測元件n傳感器傳感器n電線及管路電線及管路n支承機器人的機身、臂支承機器人的機身、臂部和手部；部和手部；n帶動機器人實現(xiàn)在更廣帶動機器人實現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運動；闊的空間內(nèi)運動；組成：組成：作用：作用：行走機構分

12、類行走機構分類n固定軌跡式固定軌跡式 多見于工業(yè)機器人多見于工業(yè)機器人：機器人的機身底座安裝在一個可機器人的機身底座安裝在一個可移動的托板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動；起重機梁行走方移動的托板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動；起重機梁行走方式。式。n無固定軌跡式無固定軌跡式 與地面連續(xù)接觸：輪式、履帶式與地面連續(xù)接觸：輪式、履帶式 與地面間斷接觸：步行式與地面間斷接觸：步行式行走機構分類行走機構分類是機器人應用中最多的，是機器人應用中最多的，在相對平坦堅硬的地面上，在相對平坦堅硬的地面上，用車輪移動的行走方式是優(yōu)越的。用車輪移動的行走方式是優(yōu)越的。足式行走機構有很大的適應性；足式行走機構有很大的適應性；尤其適于在

13、有障礙物的通道行走；尤其適于在有障礙物的通道行走；車輪式行走機構車輪式行走機構足式行走機構足式行走機構對行走機器人的一般要求對行走機器人的一般要求n首先機器人能夠面對一個物體自行重新定位；首先機器人能夠面對一個物體自行重新定位；n行走機器人應能夠繞過其運行軌道上的障礙物；行走機器人應能夠繞過其運行軌道上的障礙物； 計算機視覺系統(tǒng)是提供上述能力的方法之一計算機視覺系統(tǒng)是提供上述能力的方法之一n能夠支持機器人的重量并具有保持穩(wěn)定的能力；能夠支持機器人的重量并具有保持穩(wěn)定的能力； 增加機器人移動機構的重量和剛性增加機器人移動機構的重量和剛性 進行實時計算和施加所需平衡力進行實時計算和施加所需平衡力n

14、靈活性靈活性車輪式行走機器人車輪式行走機器人（a a）（）（b b）兩個驅(qū)動輪和兩個自位輪）兩個驅(qū)動輪和兩個自位輪（c c）一個驅(qū)動系統(tǒng)和轉向輪）一個驅(qū)動系統(tǒng)和轉向輪（e）一個驅(qū)動系統(tǒng)和兩個轉向輪）一個驅(qū)動系統(tǒng)和兩個轉向輪（f）全部輪都裝有轉向機構）全部輪都裝有轉向機構車輪式行走機器人車輪式行走機器人n四個輪子全裝有轉向機四個輪子全裝有轉向機構，任何方向都能行走、構，任何方向都能行走、拐彎；拐彎；n行走和轉彎是相互獨立行走和轉彎是相互獨立的；的；全方位移動機器人全方位移動機器人搖動擺線移動機構搖動擺線移動機構如果機器人本體向前傾倒如果機器人本體向前傾倒時，車輪的接地點變得比時，車輪的接地點變得

15、比重心更靠前，所以能夠穩(wěn)重心更靠前，所以能夠穩(wěn)定站立定站立轉臂式階梯升降機構轉臂式階梯升降機構行走時車輪旋轉；行走時車輪旋轉；上下臺階時臂回轉；上下臺階時臂回轉；車輪式行走機器人車輪式行走機器人n每組輪子在各自的驅(qū)動電機每組輪子在各自的驅(qū)動電機的帶動下自由地轉動，使機的帶動下自由地轉動，使機器人移動；器人移動；n驅(qū)動電機控制系統(tǒng)可同時驅(qū)驅(qū)動電機控制系統(tǒng)可同時驅(qū)動三組輪子，也可分別驅(qū)動動三組輪子，也可分別驅(qū)動其中兩組輪子；其中兩組輪子；n機器人的穩(wěn)定性不夠，易傾機器人的穩(wěn)定性不夠，易傾倒，且運動穩(wěn)定性隨負載輪倒，且運動穩(wěn)定性隨負載輪子的相對位置不同而變化；子的相對位置不同而變化；具有三組輪子的輪

16、系具有三組輪子的輪系兩足步行式機器人兩足步行式機器人n結構簡單；結構簡單；n在動靜行走性能、穩(wěn)定性和高速運動方面，很困難；在動靜行走性能、穩(wěn)定性和高速運動方面，很困難；四足步行式機器人四足步行式機器人1、步行時，一只腳抬起，必須移動身體，讓重心落在、步行時，一只腳抬起，必須移動身體，讓重心落在另三只腳組成的三角形內(nèi)；另三只腳組成的三角形內(nèi)；2、改變步行方向和上下臺階，各腳需要三個自由度；、改變步行方向和上下臺階，各腳需要三個自由度；五腳機器人五腳機器人n在平地上靠腳尖上的輪在平地上靠腳尖上的輪子行走；子行走；n腿可以伸縮，使腳踏上腿可以伸縮，使腳踏上臺階，能升能降；臺階，能升能降；六腳步行機器

17、人六腳步行機器人12個自由度，只能前進，不能改變方向個自由度，只能前進，不能改變方向18個自由度，能前進，能改變方向個自由度，能前進，能改變方向履帶式行走機器人履帶式行走機器人n可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階；能爬梯度不太高的臺階；n沒有自位輪，沒有轉向機構，轉彎靠兩個履帶沒有自位輪，沒有轉向機構，轉彎靠兩個履帶的速度差；的速度差；n橫向和前進方向均會產(chǎn)生滑動，轉彎阻力大；橫向和前進方向均會產(chǎn)生滑動，轉彎阻力大；裝有轉向機構的履帶式機器人裝有轉向機構的履帶式機器人形狀可變式履帶機構形狀可變式履帶機構其它行走機器人其它行走機器

18、人其它行走機器人其它行走機器人n可以普通行走；可以普通行走；n在管內(nèi)把腳向上方伸，用管端面上的三個點支撐移動；在管內(nèi)把腳向上方伸，用管端面上的三個點支撐移動；n騎在管子上沿軸向或圓周移動；騎在管子上沿軸向或圓周移動；第七節(jié)第七節(jié) 機器人機械設計的基機器人機械設計的基 本要求及影響因素本要求及影響因素n提高機器人性能指標的基本要求提高機器人性能指標的基本要求n機構定位精度和重復精度的影響因素機構定位精度和重復精度的影響因素提高機器人性能指標的基本要求提高機器人性能指標的基本要求n保證工作循環(huán)的要求保證工作循環(huán)的要求n增加機器人驅(qū)動功率增加機器人驅(qū)動功率 選用輸出力矩大、力矩特性選用輸出力矩大、力矩特性好、質(zhì)量輕、慣量小的電機；好、質(zhì)量輕、慣量小的電機；n減小關節(jié)和連桿的質(zhì)量和轉動慣量減小關節(jié)和連桿的質(zhì)量和轉動慣量 合理地選擇機合理地選擇機器人手臂的形狀和材料；器人手臂的形狀和材料；n改進控制方法改進控制方法 采用最佳軌跡計算機控制方法；采用最佳軌跡計算機控制方法；提高機器人性能指標的基本要求提高機器人性能指標的基本要求n保證精度的要求保證精度的要求n結構設計方面；結構設計方面；n注意選材；注意選材；n