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1、,第四講機(jī)器人手臂,引言, 手臂是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的部件, 作用是將被抓取的工件運(yùn)送到給定的位置上。 一般機(jī)器人手臂有3個(gè)自由度, 即手臂的伸縮、 左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)機(jī)座的立柱實(shí)現(xiàn)的, 立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn), 它不僅僅承受被抓取工件的重量,而且承受末端 執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。 手臂的結(jié)構(gòu)、 工作范圍、 靈活性、抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影響機(jī)器人的工作性能。 ,一、臂部設(shè)計(jì)的基本要求,,1承載能力足：,手臂是支承手腕的部件，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮抓取物體的重量或攜帶工具的重量，還要考

2、慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。,2剛度高：,為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字型截面的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。,,工字鋼（GB706-88）：,1、工字鋼的型號(hào)與高度尺寸h有關(guān)，如：10號(hào)工字鋼即指其高度尺寸為100mm。 2、其它參數(shù)如截面積、單位長(zhǎng)度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。 3、工字鋼的長(zhǎng)度按長(zhǎng)度系列購(gòu)買(mǎi)。如：519m。,,工字鋼,工字鋼也稱鋼梁，是截面為工字形的長(zhǎng)條鋼材。其規(guī)格以腰高( h)*腿寬(b)*腰厚(d)的毫數(shù)表示，如“工160*88*6”，即表示腰高為160毫米，腿寬為88毫米，

3、腰厚為6毫米的工字鋼。工字鋼的規(guī)格也可用型號(hào)表示，型號(hào)表示腰高的厘米數(shù)，如工16#。,槽鋼（GB707-88）,1、槽鋼的型號(hào)與高度尺寸h有關(guān)，如：10號(hào)槽鋼即指其高度尺為100mm。 2、其它參數(shù)如截面積、單位長(zhǎng)度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。,,3、導(dǎo)向性能好，定位精度高：,為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置。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?。?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，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)與腕部和機(jī)身的連接部位：,臂部的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，

4、而且還直接影響到機(jī)器人的外觀。,二、機(jī)械臂分類,按手臂的結(jié)構(gòu)形式區(qū)分, 手臂有單臂式、 雙臂式及懸掛式。,圖 1 手臂的結(jié)構(gòu)形式 (a)、 (b) 單臂式; (c) 雙臂式； (d) 懸掛式,三、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)形式,1直線運(yùn)動(dòng)型：手臂伸縮、升降、橫移 2、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型：手臂左右回轉(zhuǎn)、上下擺動(dòng)（俯仰） 3、復(fù)合運(yùn)動(dòng)型：直線--回轉(zhuǎn)、直線--直線、回轉(zhuǎn)--回轉(zhuǎn),1手臂的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),機(jī)器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線活塞和連桿機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式較多,常用的有活塞油(氣)缸,活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu), 絲杠螺母機(jī)構(gòu)等。,1手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)可采用液壓

5、或氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞油(氣)缸。 由于活塞油 (氣)缸的體積小,重量輕, 因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。,雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)圖例：,手臂和手腕是通過(guò)連接板安裝在升降油缸的上端, 當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí), 則推動(dòng)活塞桿2(即手臂)做往復(fù)直線移動(dòng)。 導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng),以防手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)(并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道)。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間,由導(dǎo)向桿承受彎曲作用, 活塞桿只受拉壓作用, 故受力簡(jiǎn)單,傳動(dòng)平穩(wěn),外形整齊美觀, 結(jié)構(gòu)緊湊。,圖 2.38：雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu),2手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),常見(jiàn)方式： 常見(jiàn)的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)

6、機(jī)構(gòu)，鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，活塞及連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)： 假設(shè)滑塊是主動(dòng)件，當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，可以推動(dòng)曲柄做擺動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)。 典型機(jī)構(gòu)： 液壓缸連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)： 齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：,,齒輪齒條機(jī)構(gòu)圖例：,齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過(guò)齒條的往復(fù)移動(dòng),帶動(dòng)與手臂聯(lián)接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn), 即可實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)齒條往復(fù)移動(dòng)的活塞缸可以由壓力油或壓縮氣體驅(qū)動(dòng)。圖2.39所示為手臂作升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。,圖 2.39 手臂升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu),圖例1：平面四桿機(jī)構(gòu),平面四桿機(jī)構(gòu),雙曲柄機(jī)構(gòu),雙搖桿機(jī)構(gòu),,圖例2：平面四桿機(jī)構(gòu)演變,曲柄滑塊機(jī)構(gòu),,圖2.40：雙臂機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu),1鉸接活塞缸 2連桿

7、3手臂 4支承架 5、6 定位鑼釘,,,,,,,,,,,,,,運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)： 手臂關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)液壓缸-連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。控制活塞的行程就控制了手臂擺角的大小。,,雙臂機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)圖,采用活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)的一種雙臂機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)圖, 手臂的上下擺動(dòng)由鉸接活塞油缸和連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)鉸接活塞油缸1的兩腔通壓力油時(shí), 通過(guò)連桿2帶動(dòng)曲桿3(即手臂)繞軸心O做90的上下擺動(dòng)(如雙點(diǎn)劃線所示位置)。 手臂下擺到水平位置時(shí), 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(lái)調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、湊緊和輕巧等特點(diǎn)。,絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)手臂升降機(jī)構(gòu),P47 圖2.41,3手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),機(jī)器人手

8、臂的俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞油(氣)缸與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的下方, 其活塞桿和手臂用鉸鏈連接, 缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱聯(lián)接, 如圖2.42、圖2.43所示。此外,還有采用無(wú)桿活塞缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條或四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。,圖 2.42 手臂俯仰驅(qū)動(dòng)缸安置示意圖,圖 2.43鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖,使用場(chǎng)合 實(shí)現(xiàn)方式,4手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),4手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),圖2.44 (a)所示為曲線凹槽機(jī)構(gòu)手臂結(jié)構(gòu)。 當(dāng)活塞油缸1通入壓力油時(shí), 推動(dòng)銑有N型凹槽的活塞桿2右移, 由于銷軸6固定在前蓋3上, 因此, 滾套7在活塞桿的N形凹槽內(nèi)滾動(dòng),

9、 迫使活塞桿2既做移動(dòng)又做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 以實(shí)現(xiàn)手臂4的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。 活塞桿2上的凹槽展開(kāi)圖見(jiàn)圖2.44 (b)所示。其中, L1直線段為機(jī)器人取料過(guò)程; L曲線段為機(jī)器人送料回轉(zhuǎn)過(guò)程;L2直線段為機(jī)器人向卡盤(pán)內(nèi)送料過(guò)程。當(dāng)機(jī)床扣盤(pán)夾緊工件后立即發(fā)出信號(hào),使活塞桿反向運(yùn)動(dòng),退至原位等待上料, 從而完成自動(dòng)上料。,圖2.44用曲線凹槽機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu),圖 2.45 (a) 用行星機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂和手腕同時(shí)回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)手臂和手腕的結(jié)構(gòu)圖; (b) 手臂的結(jié)構(gòu)圖; (c) 手臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖； (d) 手臂向量圖,5關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)（1）,存在的運(yùn)動(dòng)型式： 機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)； 腕關(guān)

10、節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； 各運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)： 稱為5軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人。,五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)圖例（1）：,,,,,,,腰轉(zhuǎn),肩轉(zhuǎn),肘轉(zhuǎn),俯仰,偏轉(zhuǎn),,腰轉(zhuǎn)姿態(tài),五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)圖例（2）：,肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)與手腕的協(xié)調(diào),5關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)（2）,各運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)： 腕部的旋轉(zhuǎn)： 電機(jī)M5減速器R5鏈輪副C5錐齒輪副G5旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)n5 腕部俯仰： 電機(jī)M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運(yùn)動(dòng)n4 肘關(guān)節(jié)擺動(dòng)： 電機(jī)M3兩級(jí)同步帶傳動(dòng)B3、B3減速器R3肘關(guān)節(jié)擺動(dòng)n3 肩關(guān)節(jié)的擺動(dòng)： 電機(jī)M2同步帶傳動(dòng)B2減速器R2肩關(guān)節(jié)擺動(dòng)n2,關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳動(dòng) 系統(tǒng)圖：,腕部旋轉(zhuǎn)局部圖例：,電機(jī)M5減速器R5鏈輪 副C5錐齒輪副G5旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)n5,,,腕部俯仰局部圖例：,,,電機(jī)M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運(yùn)動(dòng)n4,肘關(guān)節(jié)局部圖例：,,,電機(jī)M3兩級(jí)同步帶傳動(dòng)B3、B3減速器R3肘關(guān)節(jié)擺動(dòng)n3,肩關(guān)節(jié)局部圖例：,,,電機(jī)M2同步帶傳動(dòng)B2減速器R2肩關(guān)節(jié)擺動(dòng)n2,