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全國應(yīng)用型高校工業(yè)機器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)
—項目3工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)
全國應(yīng)用型高校工業(yè)機器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機
項目3工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標】(1)熟悉工業(yè)機器人的本體基本結(jié)構(gòu)形式和材料(2)掌握工業(yè)機器人臂部基本結(jié)構(gòu)形式和特點(3)掌握工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)及手部結(jié)構(gòu)【知識要點】(1)掌握工業(yè)機器人的本體的基本結(jié)構(gòu)形式,并了解相對應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(2)熟練掌握機器人本體材料的相關(guān)特性(3)掌握工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(4)掌握工業(yè)機器人臂部質(zhì)量平衡方法(5)掌握工業(yè)機器人手部和腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點【訓(xùn)練項目】(1)工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點(2)機身及臂部結(jié)構(gòu)(3)腕部及手部結(jié)構(gòu)項目3工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標】2任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式工業(yè)機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標形式。最廣泛使用的工業(yè)機器人坐標形式有:直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式(極坐標式)、關(guān)節(jié)坐標式(包括平面關(guān)節(jié)式)。1.直角坐標式機器人直角坐標式機器人主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料,也可用于高精度的裝配和檢測作業(yè),大約占工業(yè)機器人總數(shù)的14%左右。一般直角坐標式機器人的手臂能垂直上下移動(Z方向運動),并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進行水平面內(nèi)二維移動(X、Y方向運動)。直角坐標式機器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度,而手腕自由度的多少可視用途而定。任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)3任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式直角坐標式機器人具有如下優(yōu)點:(1)結(jié)構(gòu)簡單。(2)容易編程。(3)采用直線滾動導(dǎo)軌后,速度高,定位精度高。(4)在X、Y和Z三個坐標軸方向上的運動沒有耦合作用,對控制系統(tǒng)設(shè)計相對容易些。但是,由于直角坐標式機器人必須采用導(dǎo)軌,帶來許多問題,其主要缺點如下:(1)導(dǎo)軌面的防護比較困難,不能像轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承那樣密封得很好。(2)導(dǎo)軌的支承結(jié)構(gòu)增加了機器人的重量,并減少了有效工作范圍。(3)為了減少摩擦需要用很長的直線滾動導(dǎo)軌,價格高。(4)結(jié)構(gòu)尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大。(5)移動部件的慣量比較大,增加了驅(qū)動裝置的尺寸和能量消耗。任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)4任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式近來一種起重機臺架式直角坐標機器人的應(yīng)用越來越多,在直角坐標式機器人中的比重正在增加(見圖3-1)。在像裝配飛機構(gòu)件這樣的大車間中,這種起重機臺架式直角坐標機器人的X、Y坐標軸方向移動距離分別可達100m和40m,沿Z坐標軸方向可達5m,成為目前最大的機器人。并且,因為僅僅臺架的立柱占據(jù)了安裝位置,所以它能很好地利用車間的空間。
3-1起重機臺架式直角坐標機器人任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)5任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點3.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式2.圓柱坐標式機器人圓柱坐標式機器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度:腰轉(zhuǎn)、升降、手臂伸縮。手腕通常采用兩個自由度,繞手臂縱向軸線轉(zhuǎn)動和與其垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動。手腕若采用三個自由度,如圖3-2所示,則使機器人自由度總數(shù)達到六個,但是手腕上的某個自由度將與主體上的回轉(zhuǎn)自由度有部分重復(fù)。此類工業(yè)機器人大約占工業(yè)機器人總數(shù)的47%左右。圓柱坐標式機器人的優(yōu)點如下:(1)除了簡單的“抓—放”作業(yè)外還可以用在許多其他生產(chǎn)領(lǐng)域,與直角坐標式機器人相比增加了通用性。(2)結(jié)構(gòu)緊湊。(3)在垂直方向和徑向有兩個往復(fù)運動,可采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)。當機器人開始腰轉(zhuǎn)時可把手臂縮進去,在很大程度上減少了轉(zhuǎn)動慣量,改善動力學(xué)載荷。圓柱坐標式機器人的缺點是由于機身結(jié)構(gòu)的緣故,手臂不能抵達底部,減少了機器人的工作范圍。不過,當手腕具有像圖3-2所示的第四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)時,在一定程度上彌補了這個缺陷。
圖3-2 六自由度圓柱坐標式機器人任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點3.1機器人本體的基本結(jié)6任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式3.球面坐標式機器人球面坐標式機器人也叫做極坐標式機器人,它具有較大的工作范圍,設(shè)計和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,大約占工業(yè)機器人總數(shù)的13%。在這類機器人中最出名的一種產(chǎn)品是美國Unimation公司的Unimation2000型和4000型機器人,它的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示。機器人主體結(jié)構(gòu)有三個自由度,繞垂直軸線(機身)和水平軸線(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))的轉(zhuǎn)動均采用了液壓伺服驅(qū)動,轉(zhuǎn)角范圍分別為200°左右和50°左右,手臂伸縮采用液壓驅(qū)動的移動關(guān)節(jié),其最大行程決定了球面最大半徑,機器人實際工作范圍的形狀是個不完全的球缺。手腕應(yīng)具有三個自由度,當機器人主體運動時,裝在手腕上的末端操作器才能維持應(yīng)有的姿態(tài)。
圖3-3 球面坐標式機器人任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)7任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式4.關(guān)節(jié)坐標式機器人關(guān)節(jié)坐標式機器人主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),手腕的三個自由度上的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(俯仰,偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn))用來最后確定末端操作器的姿態(tài),它是一種廣泛使用的擬人化的機器人,大約占工業(yè)機器人總數(shù)的25%左右。關(guān)節(jié)坐標式機器人的優(yōu)點如下:(1)結(jié)構(gòu)緊湊,工作范圍大而安裝占地面積小。(2)具有很高的可達性。關(guān)節(jié)坐標式機器人可以使其手部進入像汽車車身這樣一個封閉的空間內(nèi)進行作業(yè),而直角坐標式機器人不能進行此類作業(yè)。(3)因為沒有移動關(guān)節(jié),所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)容易密封,由于軸承件是大量生產(chǎn)的標準件,則摩擦小,慣量小,可靠性好。(4)所需關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩小,能量消耗較少。關(guān)節(jié)坐標式機器人的缺點如下:(1)肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)軸線是平行的,當大、小臂舒展成一直線時雖能抵達很遠的工作點,但機器人的結(jié)構(gòu)剛度比較低。(2)機器人手部在工作范圍邊界上工作時有運動學(xué)上的退化行為。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)8任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計中的重要問題之一。正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低工業(yè)機器人的成本價格,更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機器人的高速化、高載荷化及高精度化,滿足其靜力及動力特性要求。隨著材料工業(yè)的發(fā)展,新材料的出現(xiàn)給工業(yè)機器人的發(fā)展提供了寬廣的道路。1.材料選擇的基本要求與一般機械設(shè)備相比,機器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的,這是材料選擇的出發(fā)點。材料選擇的基本要求如下。(1)強度高。機器人的臂是直接受力的構(gòu)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。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選9任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇(2)彈性模量大。從材料力學(xué)公式可知,構(gòu)件剛度(或變形量)與材料的彈性模量E、G有關(guān),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(jié)構(gòu)鋼的強度極限為420MPa,高合金結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為2000~2300MPa,但是二者的彈性模量E卻沒有多大變化,均為2.1×105MPa。因此,還應(yīng)尋找其他提高構(gòu)件剛度的途徑。(3)重量輕。在機器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的,與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說,為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的。因此,提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求,可用E/ρ指標來衡量。表3-1列出了幾種材料的E、ρ和E/ρ值,供參考。
材料E/×105MPaρ/×103(kg/m3)(E/ρ)/×107(m2/s2)鋼、合金鋼2.107.82.7鋁、鋁合金0.722.82.6鈧鋁合金(62%Be)1.92.19.1鋰鋁合金(3.2%Li) 0.822.7153.02硼纖維增強鋁材2.92.5311.4任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選10任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇(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?gòu)件終止運動的瞬時,構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩,構(gòu)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(gòu)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。有些新材料如硼纖維增強鋁合金、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。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選11任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼:強度好,特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增大了4至5倍,彈性模量E大,抗變形能力強,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/ρ值仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善,例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金,彈性模量增加了14%,E/ρ值增加了16%。(3)纖維增強合金:如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金,其E/ρ值分別達到11.4×107m2/s2和8.9×107m2/s2。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/ρ值,而且沒有無機復(fù)合材料的缺點,但價格昂貴。(4)陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì),但是脆性大,不易加工成具有長孔的連桿,與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)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。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選12任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹(5)纖維增強復(fù)合材料:這類材料具有極好的E/ρ值,但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、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(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多。疊層復(fù)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(jié)構(gòu)件材料的阻尼,其中最適合機器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理(constrainedlayerdampingtreatment),如圖3-4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(yīng)用的實驗,結(jié)果表明:機械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為±0.30mm,處理后為±0.16mm;殘余振動時間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選13任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機器人機身結(jié)構(gòu)基本形式和特點機身是直接聯(lián)接、支承和傳動手臂及行走機構(gòu)的部件。它是由臂部運動(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。由于機器人的運動型式、使用條件、負載能力各不相同,所采用的驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、導(dǎo)向裝置也不同,致使機身結(jié)構(gòu)有很大差異。一般情況下,實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動愈多,機身的結(jié)構(gòu)和受力愈復(fù)雜。機身既可以是固定式的,也可以是行走式的,即在它的下部裝有能行走的機構(gòu),可沿地面或架空軌道運行。常用的機身結(jié)構(gòu):升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu),俯仰型機身結(jié)構(gòu),直移型機身結(jié)構(gòu),類人機器人機身結(jié)構(gòu)。
任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機器人機身結(jié)構(gòu)基本形式和特點14任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點工業(yè)機器人的臂部一般具有2~3個自由度,即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大,受力一般較復(fù)雜,在運動時,直接承受腕部、手部和工件(或工具)的靜、動載荷,尤其高速運動時,將產(chǎn)生較大的慣性力(或慣性力矩),引起沖擊,影響定位的準確性。
1、臂部設(shè)計的基本要求臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時,設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況,油(氣)缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求。(1)剛度要求高為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形,手臂的截面形狀要合理選擇。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)剛度都比實心軸大得多,所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼作支承板。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點15任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點1、臂部設(shè)計的基本要求(2)導(dǎo)向性要好為防止手臂在直線運動中,沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,或設(shè)置導(dǎo)向裝置,或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。(3)重量要輕為提高機器人的運動速度,要盡量減小臂部運動部分的重量,以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。(4)運動要平穩(wěn)、定位精度要高由于臂部運動速度越高,慣性力引起的定位前的沖擊也就越大,運動既不平穩(wěn),定位精度也不高。因此,除了臂部設(shè)計上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外,同時要采用一定形式的緩沖措施。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點16任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點2、手臂的常用結(jié)構(gòu)1)手臂直線運動機構(gòu)機器人手臂的伸縮、橫向移動均屬于直線運動。實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運動的機構(gòu)形式比較多,常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)以及連桿機構(gòu)等。由于活塞油(氣)缸的體積小、重量輕,因而在機器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。2)手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的,常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、活塞缸和連桿機構(gòu)等。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點17任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點2、手臂的常用結(jié)構(gòu)2)手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)圖3-5所示為采用活塞缸和連桿機構(gòu)的一種雙臂機器人手臂的結(jié)構(gòu)圖。手臂的上下擺動由鉸接活塞油缸和連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。當活塞油缸1的兩腔通壓力油時,通過連桿2帶動曲柄3(即手臂)繞軸心O作90°的上下擺動(如雙點畫線所示位置)。手臂下擺到水平位置時,其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動結(jié)構(gòu)簡單、緊湊和輕巧等特點。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點18任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機器人平衡系統(tǒng)的作用工業(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(shè)計中采用平衡系統(tǒng)的理由如下。(1)安全。根據(jù)機器人動力學(xué)方程知道,關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩包括重力矩項,即各連桿質(zhì)量對關(guān)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(gòu)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“倒塌”的趨勢。
(2)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法19任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機器人平衡系統(tǒng)的作用(3)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人運動而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值。(4)借助平衡系統(tǒng)能減少動力學(xué)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(jié)構(gòu)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。
任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法20任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.1機器人腕部結(jié)構(gòu)基本形式和特點1、概述工業(yè)機器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件,起支承手部的作用。機器人一般具有六個自由度才能使手部(末端操作器)達到目標位置和處于期望的姿態(tài),手腕上的自由度主要是實現(xiàn)所期望的姿態(tài)。為了使手部能處于空間任意方向,要求腕部能實現(xiàn)對空間三坐標軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動,即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)的三個自由度,如下圖所示:通常也把手腕的反轉(zhuǎn)叫做Roll,用R表示;把手腕的俯仰用Pitch,用P表示,把手腕的偏轉(zhuǎn)叫做Yaw,用Y表示。下圖手腕就可以實現(xiàn)PRY運動。
任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.1機器人腕部結(jié)構(gòu)基本形式和特點21任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點
工業(yè)機器人的手部也叫末端操作器,它直接裝在工業(yè)機器人的手腕上用于夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的工作。人體的手與末端執(zhí)行器的作用十分相似,所以人們更多地使用手部這個術(shù)語來代替末端執(zhí)行器。人的手有5根手指,它由許多關(guān)節(jié)組成,能巧妙地完成許多復(fù)雜的作業(yè)。人們用手完成的作業(yè)是各種各樣的,從制作物品、使用工具到對其他人做手勢等。在這些功能中,機器人技術(shù)更關(guān)心的是手的作業(yè)功能,而不在于它的信息傳遞功能。1、機器人的手部具有以下特點:(1)手部與手腕連接處可拆卸:手部與手腕處有可拆卸的機械接口:根據(jù)夾持對象的不同,首部結(jié)構(gòu)會有差異,通常一個機器人配有多個手部裝置或工具,因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。手部可能還有一些電、氣、液的接口:這是由于手部的驅(qū)動方式不同造成的。對這些部件的接口一定要求具有互換性。任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點22任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(2)手部是末端操作器可以具有手指,也可以不具有手指??梢杂惺肿?,也可以是專用工具。(3)手部是一個獨立的部件工業(yè)機器人通常分為三個大的部件:機身、手臂(含手腕)、手部。手部對整個工業(yè)機器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵作用,它直接關(guān)系著加持工件的定位精度、夾持力的大小等。(4)手部的通用性比較差工業(yè)機器人的手部通常是專用裝置:一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件;一種工具往往只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點23任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點2、機器人手部的分類(1)按用途分1)手爪:具有一定通用性。主要功能是:抓住工件、握持工件、釋放工件。抓住工件是指在給定的目標位置和期望姿態(tài)上上抓住工件,工件必須有可靠的定位,保持工件和手爪之間的準確的相對位置關(guān)系,以保持機器人后續(xù)作業(yè)的準確性;握住工件是指確保工件在搬運過程中定義的位置和姿態(tài)的準確性;釋放是指在指定位置結(jié)束手部和工件的約束關(guān)系。2)工具:進行作業(yè)的專用工具。任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點24任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點2、機器人手部的分類(2)按夾持方式分:1)外夾式(如圖3-8(a)):手部與被夾件的外表面相接觸2)內(nèi)撐式(如圖3-8(b)):手部與工件的內(nèi)表面相接觸3)內(nèi)外夾持式(如圖3-8(c)):手部與工件的內(nèi)、外表面相接觸任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點25任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點2、機器人手部的分類(3)按手爪的運動形式分:1)回轉(zhuǎn)型,當手爪加緊或松開物體時,手指作回轉(zhuǎn)運動。當被抓物體的直徑大小變化時,需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。2)平動型,手指由平行四桿機構(gòu)傳動,當手爪夾緊和松開物體時,手指姿態(tài)不變,作平動。3)平移型,當手爪加緊或松開物體時,手指作平移運動,并保持夾持中心固定不變,不受工件直徑變化的影響。任務(wù)三:腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點26習(xí)題及思考1、列表說明直角坐標式機器人、圓柱坐標式機器人、極坐標式機器人、關(guān)節(jié)坐標式(包括平面關(guān)節(jié))機器人的結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用特點及占工業(yè)機器人總數(shù)的比重。2、對工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)件材料的選用有哪些基本要求?3、為什么要選用彈性模量/密度比大的材料?4、材料阻尼大有什么好處?5、工業(yè)機器人手部的特點是什么?解釋“抓住”、“握持”、“釋放”。習(xí)題及思考1、列表說明直角坐標式機器人、圓柱坐標式機器人、極27全國應(yīng)用型高校工業(yè)機器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)
—項目3工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)
全國應(yīng)用型高校工業(yè)機器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機
項目3工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標】(1)熟悉工業(yè)機器人的本體基本結(jié)構(gòu)形式和材料(2)掌握工業(yè)機器人臂部基本結(jié)構(gòu)形式和特點(3)掌握工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)及手部結(jié)構(gòu)【知識要點】(1)掌握工業(yè)機器人的本體的基本結(jié)構(gòu)形式,并了解相對應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(2)熟練掌握機器人本體材料的相關(guān)特性(3)掌握工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(4)掌握工業(yè)機器人臂部質(zhì)量平衡方法(5)掌握工業(yè)機器人手部和腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點【訓(xùn)練項目】(1)工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點(2)機身及臂部結(jié)構(gòu)(3)腕部及手部結(jié)構(gòu)項目3工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標】29任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式工業(yè)機器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標形式。最廣泛使用的工業(yè)機器人坐標形式有:直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式(極坐標式)、關(guān)節(jié)坐標式(包括平面關(guān)節(jié)式)。1.直角坐標式機器人直角坐標式機器人主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料,也可用于高精度的裝配和檢測作業(yè),大約占工業(yè)機器人總數(shù)的14%左右。一般直角坐標式機器人的手臂能垂直上下移動(Z方向運動),并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進行水平面內(nèi)二維移動(X、Y方向運動)。直角坐標式機器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度,而手腕自由度的多少可視用途而定。任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)30任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式直角坐標式機器人具有如下優(yōu)點:(1)結(jié)構(gòu)簡單。(2)容易編程。(3)采用直線滾動導(dǎo)軌后,速度高,定位精度高。(4)在X、Y和Z三個坐標軸方向上的運動沒有耦合作用,對控制系統(tǒng)設(shè)計相對容易些。但是,由于直角坐標式機器人必須采用導(dǎo)軌,帶來許多問題,其主要缺點如下:(1)導(dǎo)軌面的防護比較困難,不能像轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承那樣密封得很好。(2)導(dǎo)軌的支承結(jié)構(gòu)增加了機器人的重量,并減少了有效工作范圍。(3)為了減少摩擦需要用很長的直線滾動導(dǎo)軌,價格高。(4)結(jié)構(gòu)尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大。(5)移動部件的慣量比較大,增加了驅(qū)動裝置的尺寸和能量消耗。任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)31任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式近來一種起重機臺架式直角坐標機器人的應(yīng)用越來越多,在直角坐標式機器人中的比重正在增加(見圖3-1)。在像裝配飛機構(gòu)件這樣的大車間中,這種起重機臺架式直角坐標機器人的X、Y坐標軸方向移動距離分別可達100m和40m,沿Z坐標軸方向可達5m,成為目前最大的機器人。并且,因為僅僅臺架的立柱占據(jù)了安裝位置,所以它能很好地利用車間的空間。
3-1起重機臺架式直角坐標機器人任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)32任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點3.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式2.圓柱坐標式機器人圓柱坐標式機器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度:腰轉(zhuǎn)、升降、手臂伸縮。手腕通常采用兩個自由度,繞手臂縱向軸線轉(zhuǎn)動和與其垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動。手腕若采用三個自由度,如圖3-2所示,則使機器人自由度總數(shù)達到六個,但是手腕上的某個自由度將與主體上的回轉(zhuǎn)自由度有部分重復(fù)。此類工業(yè)機器人大約占工業(yè)機器人總數(shù)的47%左右。圓柱坐標式機器人的優(yōu)點如下:(1)除了簡單的“抓—放”作業(yè)外還可以用在許多其他生產(chǎn)領(lǐng)域,與直角坐標式機器人相比增加了通用性。(2)結(jié)構(gòu)緊湊。(3)在垂直方向和徑向有兩個往復(fù)運動,可采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)。當機器人開始腰轉(zhuǎn)時可把手臂縮進去,在很大程度上減少了轉(zhuǎn)動慣量,改善動力學(xué)載荷。圓柱坐標式機器人的缺點是由于機身結(jié)構(gòu)的緣故,手臂不能抵達底部,減少了機器人的工作范圍。不過,當手腕具有像圖3-2所示的第四個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)時,在一定程度上彌補了這個缺陷。
圖3-2 六自由度圓柱坐標式機器人任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點3.1機器人本體的基本結(jié)33任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式3.球面坐標式機器人球面坐標式機器人也叫做極坐標式機器人,它具有較大的工作范圍,設(shè)計和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,大約占工業(yè)機器人總數(shù)的13%。在這類機器人中最出名的一種產(chǎn)品是美國Unimation公司的Unimation2000型和4000型機器人,它的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示。機器人主體結(jié)構(gòu)有三個自由度,繞垂直軸線(機身)和水平軸線(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))的轉(zhuǎn)動均采用了液壓伺服驅(qū)動,轉(zhuǎn)角范圍分別為200°左右和50°左右,手臂伸縮采用液壓驅(qū)動的移動關(guān)節(jié),其最大行程決定了球面最大半徑,機器人實際工作范圍的形狀是個不完全的球缺。手腕應(yīng)具有三個自由度,當機器人主體運動時,裝在手腕上的末端操作器才能維持應(yīng)有的姿態(tài)。
圖3-3 球面坐標式機器人任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)34任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式4.關(guān)節(jié)坐標式機器人關(guān)節(jié)坐標式機器人主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),手腕的三個自由度上的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(俯仰,偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn))用來最后確定末端操作器的姿態(tài),它是一種廣泛使用的擬人化的機器人,大約占工業(yè)機器人總數(shù)的25%左右。關(guān)節(jié)坐標式機器人的優(yōu)點如下:(1)結(jié)構(gòu)緊湊,工作范圍大而安裝占地面積小。(2)具有很高的可達性。關(guān)節(jié)坐標式機器人可以使其手部進入像汽車車身這樣一個封閉的空間內(nèi)進行作業(yè),而直角坐標式機器人不能進行此類作業(yè)。(3)因為沒有移動關(guān)節(jié),所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)容易密封,由于軸承件是大量生產(chǎn)的標準件,則摩擦小,慣量小,可靠性好。(4)所需關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩小,能量消耗較少。關(guān)節(jié)坐標式機器人的缺點如下:(1)肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)軸線是平行的,當大、小臂舒展成一直線時雖能抵達很遠的工作點,但機器人的結(jié)構(gòu)剛度比較低。(2)機器人手部在工作范圍邊界上工作時有運動學(xué)上的退化行為。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.1機器人本體的基本結(jié)35任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計中的重要問題之一。正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低工業(yè)機器人的成本價格,更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機器人的高速化、高載荷化及高精度化,滿足其靜力及動力特性要求。隨著材料工業(yè)的發(fā)展,新材料的出現(xiàn)給工業(yè)機器人的發(fā)展提供了寬廣的道路。1.材料選擇的基本要求與一般機械設(shè)備相比,機器人結(jié)構(gòu)的動力特性是十分重要的,這是材料選擇的出發(fā)點。材料選擇的基本要求如下。(1)強度高。機器人的臂是直接受力的構(gòu)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。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選36任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇(2)彈性模量大。從材料力學(xué)公式可知,構(gòu)件剛度(或變形量)與材料的彈性模量E、G有關(guān),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(jié)構(gòu)鋼的強度極限為420MPa,高合金結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為2000~2300MPa,但是二者的彈性模量E卻沒有多大變化,均為2.1×105MPa。因此,還應(yīng)尋找其他提高構(gòu)件剛度的途徑。(3)重量輕。在機器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的,與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說,為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的。因此,提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求,可用E/ρ指標來衡量。表3-1列出了幾種材料的E、ρ和E/ρ值,供參考。
材料E/×105MPaρ/×103(kg/m3)(E/ρ)/×107(m2/s2)鋼、合金鋼2.107.82.7鋁、鋁合金0.722.82.6鈧鋁合金(62%Be)1.92.19.1鋰鋁合金(3.2%Li) 0.822.7153.02硼纖維增強鋁材2.92.5311.4任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選37任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇(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?gòu)件終止運動的瞬時,構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩,構(gòu)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(gòu)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。有些新材料如硼纖維增強鋁合金、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。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選38任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼:強度好,特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增大了4至5倍,彈性模量E大,抗變形能力強,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/ρ值仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善,例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金,彈性模量增加了14%,E/ρ值增加了16%。(3)纖維增強合金:如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金,其E/ρ值分別達到11.4×107m2/s2和8.9×107m2/s2。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/ρ值,而且沒有無機復(fù)合材料的缺點,但價格昂貴。(4)陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì),但是脆性大,不易加工成具有長孔的連桿,與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)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。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選39任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹(5)纖維增強復(fù)合材料:這類材料具有極好的E/ρ值,但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、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(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多。疊層復(fù)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(jié)構(gòu)件材料的阻尼,其中最適合機器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理(constrainedlayerdampingtreatment),如圖3-4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(yīng)用的實驗,結(jié)果表明:機械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為±0.30mm,處理后為±0.16mm;殘余振動時間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。
任務(wù)一工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)及特點1.2機器人本體材料的選40任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機器人機身結(jié)構(gòu)基本形式和特點機身是直接聯(lián)接、支承和傳動手臂及行走機構(gòu)的部件。它是由臂部運動(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。由于機器人的運動型式、使用條件、負載能力各不相同,所采用的驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、導(dǎo)向裝置也不同,致使機身結(jié)構(gòu)有很大差異。一般情況下,實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動愈多,機身的結(jié)構(gòu)和受力愈復(fù)雜。機身既可以是固定式的,也可以是行走式的,即在它的下部裝有能行走的機構(gòu),可沿地面或架空軌道運行。常用的機身結(jié)構(gòu):升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu),俯仰型機身結(jié)構(gòu),直移型機身結(jié)構(gòu),類人機器人機身結(jié)構(gòu)。
任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機器人機身結(jié)構(gòu)基本形式和特點41任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點工業(yè)機器人的臂部一般具有2~3個自由度,即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大,受力一般較復(fù)雜,在運動時,直接承受腕部、手部和工件(或工具)的靜、動載荷,尤其高速運動時,將產(chǎn)生較大的慣性力(或慣性力矩),引起沖擊,影響定位的準確性。
1、臂部設(shè)計的基本要求臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時,設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況,油(氣)缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求。(1)剛度要求高為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形,手臂的截面形狀要合理選擇。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)剛度都比實心軸大得多,所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼作支承板。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點42任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點1、臂部設(shè)計的基本要求(2)導(dǎo)向性要好為防止手臂在直線運動中,沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,或設(shè)置導(dǎo)向裝置,或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。(3)重量要輕為提高機器人的運動速度,要盡量減小臂部運動部分的重量,以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。(4)運動要平穩(wěn)、定位精度要高由于臂部運動速度越高,慣性力引起的定位前的沖擊也就越大,運動既不平穩(wěn),定位精度也不高。因此,除了臂部設(shè)計上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外,同時要采用一定形式的緩沖措施。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點43任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點2、手臂的常用結(jié)構(gòu)1)手臂直線運動機構(gòu)機器人手臂的伸縮、橫向移動均屬于直線運動。實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運動的機構(gòu)形式比較多,常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)以及連桿機構(gòu)等。由于活塞油(氣)缸的體積小、重量輕,因而在機器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。2)手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的,常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、活塞缸和連桿機構(gòu)等。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點44任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點2、手臂的常用結(jié)構(gòu)2)手臂回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)圖3-5所示為采用活塞缸和連桿機構(gòu)的一種雙臂機器人手臂的結(jié)構(gòu)圖。手臂的上下擺動由鉸接活塞油缸和連桿機構(gòu)來實現(xiàn)。當活塞油缸1的兩腔通壓力油時,通過連桿2帶動曲柄3(即手臂)繞軸心O作90°的上下擺動(如雙點畫線所示位置)。手臂下擺到水平位置時,其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動結(jié)構(gòu)簡單、緊湊和輕巧等特點。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點45任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機器人平衡系統(tǒng)的作用工業(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(shè)計中采用平衡系統(tǒng)的理由如下。(1)安全。根據(jù)機器人動力學(xué)方程知道,關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩包括重力矩項,即各連桿質(zhì)量對關(guān)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(gòu)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“倒塌”的趨勢。
(2)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值。任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法46任務(wù)二:機身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機器人平衡系統(tǒng)的作用(3)借助平衡系統(tǒng)能降低因機器人運動而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化的峰值。(4)借助平衡系統(tǒng)能減少動力學(xué)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(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。(6)借助平衡系統(tǒng)能
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