第五章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要內(nèi)容,5.1工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 5.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì) 5.3臂部設(shè)計(jì) 5.4手腕設(shè)計(jì) 5.5手部設(shè)計(jì) 5.6機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),5.1工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì),一、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)形式有： 直角坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)式 球面坐標(biāo)式(極坐標(biāo)式) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式。,1.直角坐標(biāo)式機(jī)器人,一般直角坐標(biāo)式機(jī)器人的手臂能垂直上下移動(dòng)(Z方向運(yùn)動(dòng))，并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進(jìn)行水平面內(nèi)二維移動(dòng)(x和y方向運(yùn)動(dòng))。 直角坐標(biāo)式機(jī)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(cè)作業(yè)。 直角坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，而手腕自由度的多少可視用途而定。,直角坐標(biāo)機(jī)器人演示,直角坐標(biāo)機(jī)器人應(yīng)用,直角坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是： (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 (2)容易編程。 (3)采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后，速度高，定位精度高。 (4)在x，y和z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)沒有耦合作用，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)容易些。,直角坐標(biāo)式機(jī)器人主要缺點(diǎn)是： (1)導(dǎo)軌面的防護(hù)比較困難。 (2)導(dǎo)軌的支承結(jié)構(gòu)增加了機(jī)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(dòng)導(dǎo)軌，價(jià)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(dòng)部件的慣量比較大，增加了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和能量消耗。,起重機(jī)臺(tái)架式直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來越多，在直角坐標(biāo)機(jī)器人中的比重正在增加。,2圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人,圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)，升降，手臂伸縮。 手腕通常采用兩（三）個(gè)自由度，繞手臂縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和與其垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。,圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)： （1）除了簡(jiǎn)單的“抓一放”作業(yè)外還可以用在許多其它生產(chǎn)領(lǐng)域。 (2)結(jié)構(gòu)緊湊。 (3)在垂直方向和徑向有兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人開始腰轉(zhuǎn)時(shí)可把手臂縮進(jìn)去，在很大程度上減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善動(dòng)力學(xué)載荷。,圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的缺點(diǎn)：主要是由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的緣故，手臂不能抵達(dá)底部，減少了機(jī)器人的工作范圍。,3球面坐標(biāo)式機(jī)器人,球面坐標(biāo)式機(jī)器人具有較大的工作范圍，設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。 在這類機(jī)器人中最出名的一種產(chǎn)品是美國unimation公司的Unimation 機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示。 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，繞垂直軸線(柱身)轉(zhuǎn)動(dòng)、水平軸線(關(guān)節(jié)6) 的轉(zhuǎn)動(dòng)、手臂伸縮的移動(dòng)關(guān)節(jié)2，其最大行程決定了球面最大半徑，機(jī)器人實(shí)際工作范圍的形狀是個(gè)不完全的球缺。,4關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人,關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)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(dòng)關(guān)節(jié)，手腕的三個(gè)自由度上的轉(zhuǎn)動(dòng)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)。,關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)： （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(dá)性。 (3)因?yàn)闆]有移動(dòng)關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。 (4)所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗較少。,關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的缺點(diǎn)： (1)肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)軸線是平行的，當(dāng)大小臂舒展成直線時(shí)雖能抵達(dá)很遠(yuǎn)的工作點(diǎn)，但是機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度比較低。 (2)機(jī)器人手部在工作范圍邊界上工作時(shí)有運(yùn)動(dòng)學(xué)上的退化行為。,二、傳送方式的選擇,傳動(dòng)方式選擇是指選擇驅(qū)動(dòng)源及傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式。 基本的連接形式和驅(qū)動(dòng)方式有如下幾種： （1）直接連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源或帶有機(jī)械傳動(dòng)裝置直接與關(guān)節(jié)相連。 （2）遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源通過遠(yuǎn)距離機(jī)械傳動(dòng)后與關(guān)節(jié)相連。 （3）間接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源經(jīng)一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連。 （4）直接驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)源不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)或經(jīng)過一個(gè)速比等于1的機(jī)械傳動(dòng)這樣的中間環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)相連。,1直接連接傳動(dòng)的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接裝在關(guān)節(jié)上、結(jié)構(gòu)緊湊。 缺點(diǎn)：電機(jī)比較重，腰轉(zhuǎn)時(shí)大臂關(guān)節(jié)電機(jī)和小臂關(guān)節(jié)電機(jī)隨之運(yùn)動(dòng)；大臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)小臂關(guān)節(jié)電機(jī)也隨之運(yùn)動(dòng)。不僅增加了能量消耗，而且增大了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來看對(duì)系統(tǒng)相有損害。 克服的辦法：把肘關(guān)節(jié)電機(jī)、肩關(guān)節(jié)電機(jī)都放到機(jī)器人的基礎(chǔ)部件上，通過遠(yuǎn)距離的機(jī)械傳動(dòng)把電機(jī)動(dòng)力傳給肘和肩關(guān)節(jié)。,2遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng),遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)： (1)克服了直接連接傳動(dòng)的缺點(diǎn)。 (2)可以把電機(jī)作為一個(gè)平衡質(zhì)量，獲得平衡性良好的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)。,2遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng),遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)機(jī)器人的主要缺點(diǎn)： (1)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)產(chǎn)生額外的間隙和柔性，影響機(jī)器人的精度。 (2)增加能量消耗。 （3）結(jié)構(gòu)龐大，傳動(dòng)裝置占據(jù)了機(jī)器人其它子系統(tǒng)所需要的空間。,圖所示SCARA機(jī)器人采用了一種折哀的方案： 因?yàn)槭滞箅x機(jī)器人基礎(chǔ)件最遠(yuǎn)，把手腕電機(jī)從手腕處移到基礎(chǔ)件附近安裝，中間采用同步帶傳動(dòng)； 因基礎(chǔ)件附近空間已經(jīng)比較狹窄，并且臂1的剛性也比較好，肘關(guān)節(jié)電機(jī)就直接裝在肘關(guān)節(jié)上。,3間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間有一個(gè)速比遠(yuǎn)大于1的機(jī)械傳動(dòng)裝置。 使用機(jī)械傳動(dòng)裝置的理由是： (1)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的速度不高，而關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩要求比較大。一般電機(jī)滿足不了這個(gè)要求，所以需要采用速比較大、傳動(dòng)效率較高的機(jī)械傳動(dòng)裝置作為電機(jī)和關(guān)節(jié)之間傳遞力矩和速度的中間環(huán)節(jié)。 (2)用于直接驅(qū)動(dòng)的高轉(zhuǎn)矩低速電機(jī)雖然已經(jīng)開發(fā)出來，但是電機(jī)價(jià)格高，并且轉(zhuǎn)矩體積比和轉(zhuǎn)矩重量比還比較小。,3間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,(3)直接驅(qū)動(dòng)對(duì)載荷變化十分敏感。 (4)采用機(jī)械傳動(dòng)裝置后，可選用高速低轉(zhuǎn)矩電機(jī)，對(duì)制動(dòng)器設(shè)計(jì)和選用十分有利，制動(dòng)器尺寸小。 (5)可以通過機(jī)械傳動(dòng)裝置解決可能出現(xiàn)的傾斜軸之間、平行軸之間以及轉(zhuǎn)動(dòng)-移動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。,4直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人也叫作DD機(jī)器人(Direct Drive Robot)簡(jiǎn)稱DDR。 DD機(jī)器人一般指驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接，也包括一種采用速比等于l的鋼帶傳動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。 DD機(jī)器人的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。,DD機(jī)器人與間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相比如下優(yōu)點(diǎn)： (1)機(jī)械傳動(dòng)精度高。 (2)振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛度好。 (3)機(jī)械傳動(dòng)損耗小。 (4)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高。 (5)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩大，電氣時(shí)間常數(shù)小，短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬。,目前主要存在的問題是： (1)載荷變化、耦合轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和復(fù)雜。 (2)對(duì)位置、速度的傳感元件提出了相當(dāng)高的要求。 (3)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩重量比，轉(zhuǎn)矩體積比不大，需開發(fā)小型實(shí)用的DD電機(jī)。 (4)電機(jī)成本高。,三、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1.模塊化工業(yè)機(jī)器人 模塊化機(jī)器人是由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭的方式組成一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。 模塊化設(shè)計(jì)是指基本模塊設(shè)計(jì)和結(jié)合部設(shè)計(jì)。,模塊化機(jī)器人演示,2模塊化工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn),(1)經(jīng)濟(jì)性： 采用批量制造技術(shù)來生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化系列化的工業(yè)機(jī)器人模塊，自由拼裝工業(yè)機(jī)器人，滿足用戶經(jīng)濟(jì)性好和基本功能全的要求。 (2)靈活性。 其主要體現(xiàn)在： 1)可根據(jù)工業(yè)機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能來決定模塊的數(shù)量，機(jī)器人的自由度可以方便地增減。 2)為了擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的工作范圍，可更換具有更長長度的手臂模塊或加接手臂模塊。 3)能不斷對(duì)現(xiàn)規(guī)模塊化工業(yè)機(jī)器人更新改造。,機(jī)器人演示,3.模塊化工業(yè)機(jī)器人所存在的問題,(1)模塊化工業(yè)機(jī)器人整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的剛度比較差。 (2)因?yàn)橛性S多機(jī)械接口及其它連接附件，所以模塊化工業(yè)機(jī)器人的整體重量有可能增加。 (3)雖然功能模塊有多種多樣，但是尚未真正做到根據(jù)作業(yè)對(duì)象就可以合理進(jìn)行模塊化分析和設(shè)計(jì)。,四、材料的選擇,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，滿足其靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性要求。,選擇的基本要求：,強(qiáng)度高。 彈性模量大。 重量輕。 阻尼大。 材料價(jià)格低。,五.平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì),1工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用 在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用平衡系統(tǒng)的理由是： (1)安全。 根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩項(xiàng)包括重力矩項(xiàng)，即各連桿質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩。 因?yàn)橹亓κ怯篮愕?，即使機(jī)器人停止了運(yùn)動(dòng)重力矩項(xiàng)仍然存在。這樣，當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)切斷電源后，機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)因重力而失去穩(wěn)定。 平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動(dòng)力源中斷而失穩(wěn)，引起向地面“例塌”的趨勢(shì)。,1工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用 (2)借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。 (3)借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。 (4)借助平衡系統(tǒng)能減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非線性項(xiàng)，改進(jìn)機(jī)器人動(dòng)力特性。 (5)借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)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(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，降低地面安裝要求。,2平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要途徑 （1） 質(zhì)量平衡技術(shù)； （2） 彈簧力平衡技術(shù)； （3） 可控力平衡技術(shù)。,（1) 質(zhì)量平衡技術(shù) 通常采用平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)成平衡系統(tǒng)。其原理是在系統(tǒng)中增加一個(gè)質(zhì)量，與原構(gòu)件的質(zhì)量形成一個(gè)力的平衡，該平衡系統(tǒng)不隨機(jī)器人位姿的變化而失去平衡。,5.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),用戶要求機(jī)器人速度高、加速度(減速度)特性好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、精度高、承載能力大。這在很大程度上決定于傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)的合理性和優(yōu)劣，所以，關(guān)節(jié)傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。,5.2傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),一、移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及傳動(dòng)關(guān)節(jié)軸承 (一)移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌 1工業(yè)機(jī)器人對(duì)移動(dòng)導(dǎo)軌的要求 (1)間隙小或能消除間隙； (2)在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的剛度高； (3)摩擦系數(shù)低并不隨速度變化， (4)高阻尼； (5)移動(dòng)導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低。,移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌有五種： (1)普通滑動(dòng)導(dǎo)軌 (2)液壓動(dòng)壓滑動(dòng)導(dǎo)軌 (3)液壓靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌 (4)氣浮導(dǎo)軌 (5) 滾動(dòng)導(dǎo)軌。,普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓動(dòng)壓滑動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)： 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn) 但是它必須留有間隙以便潤滑，而機(jī)器人載荷的大小和方向變化很快，間隙的存在又將會(huì)引起坐標(biāo)位置的變化和有效載荷的變化； 另外這種導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化，在低速時(shí)，容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象等缺點(diǎn),液壓靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)： 靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點(diǎn)，但是它需要單獨(dú)的液壓系統(tǒng)和回收潤滑油的機(jī)構(gòu)。,氣浮導(dǎo)軌的特點(diǎn)： 不需回收潤滑油的，但是它的剛度和阻尼較低，并且對(duì)制造精度和環(huán)境的空氣條件(過濾和干燥)要求較高。,滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)： 1）摩擦小，特別是不隨速度變化； 2）尺寸??； 3）剛度高，承載能力大； 4）精度和精度保持性高； 5）潤滑簡(jiǎn)單； 6）容易制造成標(biāo)準(zhǔn)件； 7）滾動(dòng)導(dǎo)軌易加頂載，消除間隙、增加剛度。,滾動(dòng)導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中也存在缺點(diǎn)： （1）阻尼低； （2）對(duì)臟物比較敏感。,(二)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承,球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。它能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對(duì)軸和軸承座的剛度不敏感。,二、傳動(dòng)件的定位及消隙,(一) 傳動(dòng)件的定位 目前常用的定位方法： 電氣開關(guān)定位 機(jī)械擋塊定位 伺服定位,1電氣開關(guān)定位,電氣開關(guān)定位是利用電氣開關(guān)(有觸點(diǎn)或無觸點(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)，行程開關(guān)發(fā)信號(hào)，切斷動(dòng)力源或接通制動(dòng)器，從而使機(jī)械手運(yùn)行到定位點(diǎn)。 使用電氣開關(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，重復(fù)定位精度比較低。,2機(jī)械擋塊定位,機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)機(jī)械手減速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)緊靠擋塊而定位。 若定位前緩沖較好、定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在驅(qū)動(dòng)壓力下將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械擋塊上，或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達(dá)到較高的定位精度。 若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)油路、去掉驅(qū)動(dòng)壓力，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)件不能緊靠在機(jī)械擋塊上，定位精度就會(huì)減低，其減低的程度與定位前的緩沖效果和機(jī)械手的結(jié)構(gòu)剛性等因素有關(guān)。,3伺服定位系統(tǒng),伺服系統(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。 開環(huán)伺服定位系統(tǒng)沒有行程檢測(cè)及反饋，是一種直接用脈沖頻率變化和脈沖數(shù)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。 閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，其抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)定位。,(二)傳動(dòng)件的消隙,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在有間隙、也叫側(cè)隙。 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)齒輪能夠作出的最大的角位移。 傳動(dòng)的間隙，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)來說，傳動(dòng)間隙導(dǎo)致顯著的非線性變化、振動(dòng)和不穩(wěn)定。,傳動(dòng)間隙產(chǎn)生的主要原因有： 由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙； 為適應(yīng)熱膨脹而特意留出的間隙。 消除傳動(dòng)間隙的主要途徑有： 提高制造和裝配精度； 設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)； 設(shè)置彈性補(bǔ)償零件。,1.消隙齒輪,消隙齒輪由具有相同齒輪參數(shù)的并只有一半齒寬的兩個(gè)薄齒輪組成，利用彈簧的壓力使它們與配對(duì)的齒輪兩側(cè)齒廓相接觸，完全消除了齒側(cè)間隙。,1.消隙齒輪,圖(b)用螺釘3將兩個(gè)薄齒輪1和2連接在一起，代替(a)中的彈簧。,2柔性齒輪消隙,圖（a）所示為一種具有彈性的柔性齒輪，在裝配時(shí)對(duì)它稍許加些預(yù)載就能引起輪殼的變形從而使每個(gè)輪齒的雙側(cè)齒廓都能嚙合，消除了側(cè)隙。,2柔性齒輪消隙,圖(b)所示為采用了徑向柔性齒輪，輪殼和齒圈是剛性的，但與齒輪圈連接處具有彈性。,3偏心機(jī)構(gòu)消隙,如圖所示的偏心機(jī)構(gòu)實(shí)際上是中心距調(diào)整機(jī)構(gòu)。特別是齒輪磨損等原因造成傳動(dòng)間隙增加時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是調(diào)整中心距。,偏心消隙機(jī)構(gòu),4齒廓彈性覆層消隙,齒廓表面覆蓋有薄薄一層彈性很好的橡膠層，相嚙合的一對(duì)齒輪加以預(yù)載，可以完全消除嚙合側(cè)隙，如圖所示。,三、諧波傳動(dòng),機(jī)器人對(duì)減速器的要求如下： (1)運(yùn)動(dòng)精度高，間隙小，以實(shí)現(xiàn)較高的重復(fù)定位精度； (2)回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，無波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副間摩擦小，效率高; (3)體積小，重量輕，傳動(dòng)扭矩大。,減速器減速比n的選擇應(yīng)當(dāng)能最大限度地利用電機(jī)功率，即機(jī)械阻抗匹配。 工作臂的慣性矩 電機(jī)的慣性矩,三、諧波傳動(dòng),從現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人來看，所選的電機(jī)功率總是偏大，減速比也過大。 當(dāng)減速比大時(shí)，工作臂的慣性對(duì)電機(jī)影響小，但電機(jī)速度容易飽和； 當(dāng)減速比小時(shí)，工作臂運(yùn)動(dòng)的反作用力對(duì)電機(jī)影響大，這需要進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算。 常用的減速器是行星齒輪機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。,圖5.35 行星齒輪傳動(dòng),圖5.35所示為行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。行星齒輪傳動(dòng)尺寸小，慣量低；一級(jí)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊；載荷分布在若干個(gè)行星齒輪上，內(nèi)齒輪也具有較高的承載能力。,行星齒輪傳動(dòng)動(dòng)畫演示,圖5.36 諧波傳動(dòng),1剛輪；2剛輪內(nèi)齒圈；3輸入軸；4諧波發(fā)生器； 5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,諧波發(fā)生器是在橢圓型凸輪的外周嵌入薄壁軸承制成的部件。軸承內(nèi)圈固定在凸輪上，外圈依靠鋼球發(fā)生彈性變形，一般與輸入軸相連。,三、諧波傳動(dòng),圖5.36 諧波傳動(dòng),1剛輪；2剛輪內(nèi)齒圈；3輸入軸；4諧波發(fā)生器； 5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,柔輪是杯狀薄壁金屬彈性體，杯口外圓切有齒，底部稱為柔輪底，用來與輸出軸相連。,三、諧波傳動(dòng),圖5.36 諧波傳動(dòng),1剛輪；2剛輪內(nèi)齒圈；3輸入軸；4諧波發(fā)生器； 5軸；6柔輪；7柔輪齒圈,工作原理：由于諧波發(fā)生器4的轉(zhuǎn)動(dòng)使柔輪6上的柔輪齒圈7與剛輪1上的剛輪內(nèi)齒圈2相嚙合。輸入軸為3，如果剛輪1固定，則軸5為輸出軸；如果軸5固定，則剛輪1的軸為輸出軸。,諧波傳動(dòng)演示,如果剛輪1不轉(zhuǎn)動(dòng)( )，諧波發(fā)生器 為輸入，柔輪軸 為輸出，速比為 式中：負(fù)號(hào)表示柔輪向諧波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)方向的反向旋轉(zhuǎn)。 代表輸入、輸出軸的角速度； 為剛輪(圓形花鍵輪)內(nèi)齒圈2的齒數(shù)， 為柔輪齒圈7的齒數(shù)。,三、諧波傳動(dòng),如果柔輪6靜止不轉(zhuǎn)動(dòng)( )，諧波發(fā)生器 為 輸入，則剛輪(圓形花鍵輪)1的軸 為輸出，速比為,三、諧波傳動(dòng),諧波傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是： 尺寸小，慣量低； 因?yàn)檎`差均布在多個(gè)嚙合點(diǎn)上，傳動(dòng)精度高； 因?yàn)榧宇A(yù)載嚙合，傳動(dòng)側(cè)隙非常?。?因?yàn)槎帻X嚙合，傳動(dòng)具有高阻尼特性。,三、諧波傳動(dòng),諧波傳動(dòng)的缺點(diǎn)是： 柔輪的疲勞問題； 扭轉(zhuǎn)剛度低； 以輸入軸速度2、4、6倍的嚙合頻率產(chǎn)生振動(dòng)； 諧波傳動(dòng)與行星傳動(dòng)相比具有較小的傳動(dòng)間隙和較輕的重量，但是剛度比行星減速器差。,例：有一諧波齒輪傳動(dòng)，鋼輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為198，剛輪固定，柔輪輸出，求該諧波傳動(dòng)的傳動(dòng)比。,課堂練習(xí)：有一諧波齒輪傳動(dòng)，鋼輪齒數(shù)為200，柔輪齒數(shù)為198，柔輪固定，剛輪輸出，求該諧波傳動(dòng)的傳動(dòng)比。,四、絲杠螺母副及滾珠絲杠傳動(dòng),滑動(dòng)式絲杠螺母機(jī)構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪聲，并且能自鎖。因絲杠的螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動(dòng)力矩可獲得較大的牽引力。 絲杠螺母螺旋面之間的摩擦為滑動(dòng)摩擦，故傳動(dòng)效率低。 滾珠絲杠傳動(dòng)效率高，而且傳動(dòng)精度和定位精度均很高，傳動(dòng)時(shí)靈敏度和平穩(wěn)性好。由于磨損小，滾珠絲桿的使用壽命比較長，但成本較高。,圖5.38為滾珠絲杠的基本組成：導(dǎo)向槽4連接螺母的第一圈和最后一圈，使其形成滾動(dòng)體可以連續(xù)循環(huán)的導(dǎo)槽。,圖5.38 滾珠絲杠的基本組成 1絲杠；2螺母；3滾珠；4導(dǎo)向槽,滾珠絲杠演示,圖5.39 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu),圖5.39所示為采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)。由電動(dòng)機(jī)1帶動(dòng)蝸桿2使蝸輪5回轉(zhuǎn)，依靠蝸輪內(nèi)孔的螺紋帶動(dòng)絲杠4作升降運(yùn)動(dòng)。為了防止絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲杠上端銑有花鍵與固定在箱體6上的花鍵套7組成導(dǎo)向裝置。,1電動(dòng)機(jī)；2蝸桿；3臂架；4絲杠；5蝸輪；6箱體；7花鍵套,五、其他傳動(dòng),1.活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu) 齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)移動(dòng)，帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,1.活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu),圖所示為手臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)?；钊透變汕环謩e進(jìn)壓力油推動(dòng)齒條活塞作往復(fù)移動(dòng)，與齒條嚙合的齒輪即作往復(fù)回轉(zhuǎn)。由于齒輪與手臂固聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。,圖所示為氣壓傳動(dòng)的齒輪齒條式增倍機(jī)構(gòu)的手臂結(jié)構(gòu)?；钊麠U3左移時(shí)，與活塞桿3相聯(lián)接的齒輪2也左移，并使運(yùn)動(dòng)齒條l一起左移，由于齒輪2與固定齒條相嚙合，因而齒輪2在移動(dòng)的同時(shí)又在固定齒條上滾動(dòng)，并將此運(yùn)動(dòng)傳給1，從而使1又向左移動(dòng)一距離。因手臂固聯(lián)于齒條1上，所以手臂的行程和速度均為活塞桿3的行程和速度的兩倍。,圖5.46 氣缸和齒輪齒條增倍手臂機(jī)構(gòu) 1運(yùn)動(dòng)齒條；2齒輪；3活塞桿,2帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng),1) 同步帶傳動(dòng) 同步帶的傳動(dòng)面上有與帶輪嚙合的梯形齒。同步帶傳動(dòng)時(shí)無滑動(dòng)，初始張力小，被動(dòng)軸的軸承不易過載。因無滑動(dòng)，它除了用做動(dòng)力傳動(dòng)外還適用于定位。,圖5.40 同步帶形狀,2) 滾子鏈傳動(dòng),滾子鏈傳動(dòng)屬于比較完善的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于噪聲小，效率高，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 但是，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)滾子與鏈輪之間的碰撞會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，只有在低速時(shí)才能得到滿意的效果。,3繩傳動(dòng)與鋼帶傳動(dòng),1) 繩傳動(dòng) 繩傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人的手爪開合傳動(dòng)，特別適合有限行程的運(yùn)動(dòng)傳遞。 繩傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：鋼絲繩強(qiáng)度大，各方向上的柔軟性好，尺寸小，預(yù)載后有可能消除傳動(dòng)間隙。,繩傳動(dòng)的主要缺點(diǎn)是： 1)不加預(yù)載時(shí)存在傳動(dòng)間隙； 2)因?yàn)槔K索的蠕變和索夾的松弛使傳動(dòng)不穩(wěn)定； 3)多層纏繞后，在內(nèi)層繩索及支承中損耗能量；效率低； 4)易積塵垢 .,2) 鋼帶傳動(dòng) 鋼帶末端緊固在驅(qū)動(dòng)輪和被驅(qū)動(dòng)輪上，因此，摩擦力不是傳動(dòng)的重要要素。鋼帶傳動(dòng)適合于有限行程的傳動(dòng)。,圖5.41 鋼帶傳動(dòng),鋼帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)比精確，傳動(dòng)件質(zhì)量小，慣量小，傳動(dòng)參數(shù)穩(wěn)定，柔性好，不需潤滑，強(qiáng)度高。,5.3臂部設(shè)計(jì),一、臂部設(shè)計(jì)的基本要求 1.剛度要求高 2導(dǎo)向性要好 3.重量要輕 4運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高,二、手臂的常用結(jié)構(gòu),1.手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)器人手臂的伸縮、橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。 常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。 由于活塞油(氣)缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。,2手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等.,三、臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算,計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力(包括力矩)時(shí)，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。 機(jī)器人工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。,1.臂部水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 臂部作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力，包括油(氣)缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動(dòng)過程中的慣性力。 其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算：,三、臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算,-各支承處的摩擦阻力(N),-啟動(dòng)過程中的慣性力(N)，其大小可按下式估算,M手臂伸縮部件的總質(zhì)量(kg)； a-啟動(dòng)過程中的平均加速度。 平均加速度可按下式計(jì)算：,一速度增量(ms)。如果臂部從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度v時(shí)，則這個(gè)過程的速度變化量就等于臂部的工作速度；,升降速過程所用時(shí)間(s) 。,2臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算,臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計(jì)算。由于升速過程一般不是等加速運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。,-各支承處的總摩擦力矩(Nm)；,-啟動(dòng)時(shí)慣性力矩(Nm)，一般按下式計(jì)算：,2臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算,式中：J手臂部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；,回轉(zhuǎn)臂的工作角速度(rads)；,回轉(zhuǎn)臂升速時(shí)間(s)。,5.4手腕設(shè)計(jì),一、概述 工業(yè)機(jī)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(jī)器人一般具有六個(gè)自由度才能使手部(末端操作器)達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)，手腕上的自由度主要是實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個(gè)自由度，如圖536所示。通常也把手腕的翻轉(zhuǎn)用R表示；把手腕的俯仰用P表示；把手腕的偏轉(zhuǎn)用Y表示。,二、手腕的分類,按自由度數(shù)目來分類 手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。 (1)單自由度手腕,(2)二自由度手腕 二自由度手腕:BR手腕,BB手腕。 不能由兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成RR手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)共軸線。所以退化了一個(gè)自由度，實(shí)際只構(gòu)成了單自由度手腕。,(3)三自由度手腕,三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式 。,5.5機(jī)器人手部設(shè)計(jì),人的手有兩種定義：第一種定義是醫(yī)學(xué)上把包括上臂、手腕在內(nèi)的整體叫做手；第二種定義是把手掌和手指部分叫做手。 機(jī)器人的手部也叫做末端執(zhí)行器，它是裝在機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。,5.5機(jī)器人手部設(shè)計(jì),一、機(jī)器人手部的特點(diǎn) (1) 手部與手腕相連處可拆卸。手部與手腕有機(jī)械接口，也可能有電、氣、液接頭。 (2) 手部是機(jī)器人末端執(zhí)行器。 (3) 手部的通用性比較差。 (4) 手部是一個(gè)獨(dú)立的部件。,彈鋼琴的機(jī)器人,二、手部的分類,1按用途分 1) 手爪 主要功能是：抓住工件，握持工件，釋放工件。 抓住在給定的目標(biāo)位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件在手爪內(nèi)必須具有可靠的定位，保持工件與手爪之間準(zhǔn)確的相對(duì)位姿，并保證機(jī)器人后續(xù)作業(yè)的準(zhǔn)確性。 握持確保工件在搬運(yùn)過程位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性。 釋放在指定點(diǎn)上除去手爪和工件之間的約束關(guān)系。,二、手部的分類,2) 工具 工具是進(jìn)行某種作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等，如圖5.19所示。,2按夾持原理分,按夾持原理手爪可分為機(jī)械手爪、磁力類手爪和真空類手爪三種。,3按手指或吸盤數(shù)目分,(1) 按手指數(shù)目分:二指手爪、多指手爪。 (2) 按手指關(guān)節(jié)分：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)手指手爪、多關(guān)節(jié)手指手爪。 (3) 吸盤式手爪按吸盤數(shù)目分：?jiǎn)挝P式手爪、多吸盤式手爪。,4按智能化分,(1) 普通式手爪。 (2) 智能化手爪。,三、手爪設(shè)計(jì)和選用的要求,1被抓握的對(duì)象物 幾何參數(shù)： 工件尺寸、 可能抓握表面的數(shù)目、位置和方向、 夾持表面之間的距離、 夾持表面的幾何形狀。 機(jī)械特性： 質(zhì)量、 材料、 表面狀態(tài)、 工件溫度等。,2物料儲(chǔ)存裝置 與機(jī)器人配合工作的物料儲(chǔ)存裝置對(duì)手爪最小和最大爪鉗之間的距離以及必需的夾緊力都有要求。,3機(jī)器人作業(yè)順序 一臺(tái)機(jī)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夾持軸，但是，不同零件所需的夾緊力和爪鉗張開距離是不同的，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)問題必須給予仔細(xì)考慮。 接口匹配：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。 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。,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)影響手爪的工作。,四、普通手爪設(shè)計(jì),1機(jī)械式手爪設(shè)計(jì) 1) 驅(qū)動(dòng) 機(jī)械式手爪通常采用氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和電磁來驅(qū)動(dòng)手指的開合。 氣動(dòng)手爪的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易維修，而且開合迅速，重量輕。 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。,圖5.23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快速開合。,圖5.23 氣動(dòng)手爪 1扇形齒輪；2齒條； 3活塞；4氣缸；5爪鉗,2) 爪鉗 爪鉗是與工件直接接觸的部分，它們的形狀和材料對(duì)夾緊力有很大影響。 夾緊工件的接觸點(diǎn)越多，所要求的夾緊力越小，對(duì)夾持工件來說顯得更安全。 圖所示是具有V形爪鉗表面的手爪，其有四條折線與工件相接觸，形成力封閉形式的夾持狀態(tài)，比平面爪鉗夾持安全可靠很多。,2磁力吸盤設(shè)計(jì),磁力吸盤有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。磁力吸盤是在手部裝上電磁鐵，通過磁場(chǎng)吸力把工件吸住。 圖5.26所示為電磁吸盤的結(jié)構(gòu)示意圖。,圖5.26 電磁吸盤結(jié)構(gòu) l電磁吸盤；2防塵蓋；3線圈；4外殼體,3真空式吸盤設(shè)計(jì),真空式吸盤主要用于搬運(yùn)體積大，重量輕的零件。 真空式吸盤要求工件表面平整光滑、干燥清潔，同時(shí)氣密性要好。 根據(jù)真空產(chǎn)生的原理真空式吸盤可分為： 1) 真空吸盤 2) 氣流負(fù)壓吸盤 3) 擠氣負(fù)壓吸盤,1) 真空吸盤 吸盤吸力在理論上決定于吸盤與工件表面的接觸面積和吸盤內(nèi)、外壓差，但實(shí)際上其與工件表面狀態(tài)有十分密切的關(guān)系，工作表面狀態(tài)影響負(fù)壓的泄漏。 采用真空泵能保證吸盤內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生負(fù)壓，所以這種吸盤比其他形式吸盤的吸力大。,圖5.27 真空吸盤控制系統(tǒng) 1電動(dòng)機(jī)；2真空泵；3、4電磁閥；5吸盤；6通大氣,2) 氣流負(fù)壓吸盤,氣流負(fù)壓吸盤的工作原理如圖5.28所示，壓縮空氣進(jìn)入噴嘴后，使橡膠皮腕內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。,圖5.28 氣流負(fù)壓吸盤,3) 擠氣負(fù)壓吸盤,圖5.29所示為擠氣負(fù)壓吸盤的結(jié)構(gòu)。,圖5.29 擠氣負(fù)壓吸盤 1吸盤架；2壓蓋；3密封墊；4吸盤；5工件,3) 擠氣負(fù)壓吸盤,工作原理：吸盤壓向工件表面時(shí)，將吸盤內(nèi)的空氣擠出；松開時(shí)，吸盤恢復(fù)彈性變形使吸盤內(nèi)腔形成負(fù)壓，將工件牢牢吸住，機(jī)械手即可進(jìn)行工件搬運(yùn)；到達(dá)目標(biāo)位置后，用碰撞力P使壓蓋2動(dòng)作，破壞吸盤腔內(nèi)的負(fù)壓，釋放工件。,4真空吸盤的新設(shè)計(jì),(1) 自適應(yīng)吸盤。 圖5.31所示自適應(yīng)吸盤具有一個(gè)球關(guān)節(jié)，使吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。,4真空吸盤的新設(shè)計(jì),(2) 異形吸盤。 圖5.32所示異形吸盤為異形吸盤中的一種。通常吸盤只能吸附一般的平整工件，而該異形吸盤可用來吸附雞蛋等物件，擴(kuò)大了真空吸盤在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用。,5.6機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)有三大部分：機(jī)身、手臂(包括手腕)、手部。,一、機(jī)身設(shè)計(jì),機(jī)身是支承臂部的部件。一般實(shí)現(xiàn)升降、回轉(zhuǎn)和仰俯等運(yùn)動(dòng)，常有1至3個(gè)自由度。 機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)要注意下列問題： (1)要有足夠的剛度和穩(wěn)定性； (2)運(yùn)動(dòng)要靈活，升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長度不宜過短，避免發(fā)生卡死現(xiàn)象，一般要有導(dǎo)向裝置； （3)結(jié)構(gòu)布置要合理。,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) 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)。,(3) 鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。鏈條鏈輪傳動(dòng)是將鏈條的直線運(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。,2回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞油(氣)缸與連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 手臂俯仰運(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)方式與立柱連接。,3.機(jī)身驅(qū)動(dòng)力(力矩)計(jì)算,（1）垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦力之外，還要克服機(jī)身自身運(yùn)動(dòng)部件的重力和其支承的手臂、手腕、手部及工件的總重力以及升降運(yùn)動(dòng)的全部部件慣性力，故其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算：,為各支承處的摩擦力(N)；,為啟動(dòng)時(shí)的總慣性力(N)；,W為運(yùn)動(dòng)部件的總重力(N)；對(duì)于式中的正、負(fù)號(hào)，上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。,（2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算,回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩只包括兩項(xiàng)：回轉(zhuǎn)部件的摩擦總力矩；機(jī)身自身運(yùn)動(dòng)部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的總慣性力矩，故驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：,：為總摩擦阻力矩(Nm)；,：為各回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的總慣性力矩 (Nm)。,式中：為升速或制動(dòng)過程中的角速度增量 (rad/s)； t為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)升速過程或制動(dòng)過程的時(shí)間； J0為全部回轉(zhuǎn)零部件對(duì)機(jī)身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。,二、行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),1.概述 機(jī)器人可分成固定式和行走式兩種。 行走機(jī)構(gòu)由行走的驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件、傳感器、電纜及管路等組成。 行走機(jī)構(gòu)按其行走運(yùn)動(dòng)軌跡可分為固定軌跡式和無固定軌跡式。 固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)主要用于工業(yè)機(jī)器人。 無固定軌跡行走方式，按其行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為輪式、履帶式和步行式。,2固定軌道可移動(dòng)機(jī)器人 該機(jī)器人機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人沿絲杠縱向移動(dòng)。 這種可移動(dòng)機(jī)器人主要用在作業(yè)區(qū)域大的場(chǎng)合。,3.無固定軌跡式行走機(jī)器人,無軌行走機(jī)器人必須具備功能完備的外部傳感器，能對(duì)環(huán)境進(jìn)行了解和判斷，能對(duì)環(huán)境中發(fā)生的事件進(jìn)行監(jiān)視和反應(yīng)機(jī)器人具備自我規(guī)劃能力，包括任務(wù)分解，任務(wù)排序，信息資源管理，以及幾何規(guī)劃等。,（1）典型行走機(jī)構(gòu),圖5.54 具有三組輪子的輪系,2) 具有四組輪子的輪系 具有四組輪子的輪系其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有很大提高。但是，要保證四組輪子同時(shí)和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。,3) 兩足步行式機(jī)器人 步行式行走機(jī)構(gòu)有兩足、三足、四足、六足、八足等形式，其中兩足步行式機(jī)器人具有最好的適應(yīng)性，也最接近人類，故也稱之為類人雙足行走機(jī)器人。,圖5.55 兩足步行式機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)原理圖,雙足機(jī)器人,四足機(jī)器人,六足機(jī)器人,4) 履帶式行走機(jī)器人,履帶式行走的特點(diǎn)：可以在有些凹凸的地面上行走；可以跨越障礙物；能爬梯度不太高的臺(tái)階。 缺點(diǎn)：由于沒有自定位輪，沒有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，只能靠左右兩個(gè)履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。,5) 其他行走機(jī)器人,圖5.61 能在壁面上爬行的機(jī)器人,