工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),任務(wù)1：工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì),任務(wù)2：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動,任務(wù)3：機(jī)身和臂部設(shè)計(jì),任務(wù)4：腕部設(shè)計(jì),任務(wù)5：手部設(shè)計(jì),2,任務(wù)1 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)的步驟 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動方式選擇 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 材料選擇 平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì),3,1、系統(tǒng)分析,機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提高勞動生產(chǎn)率的有力工具。首先確定使用機(jī)器人是否需要與合適，決定采用后需要做如下分析工作： (1)明確采用機(jī)器人的目的和任務(wù)。 (2)分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括設(shè)備兼容性等。 (3)認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方 案。如機(jī)器人的自由度數(shù)、信息的存儲容量、定位精度、抓取重量 (4)進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料。,總體設(shè)計(jì)的步驟,4,2、技術(shù)設(shè)計(jì),(1)機(jī)器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運(yùn)動速度及定位精度等。 舉例：定位精度的確定 機(jī)器人或機(jī)械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機(jī)器人或機(jī)械手本身所能達(dá)到的定位精度取決于定位方式、運(yùn)動速度、控制方式、臂部剛性、驅(qū)動方式、緩沖方式等。 工藝過程的不同，對機(jī)器人或機(jī)械手重復(fù)定位精度的要求也不同，不同工藝過程所要求的定位精度如下： 金屬切削機(jī)床上下料：(0.05-1.00) mm 沖床上下料：1 mm 模鍛： (0.1-2.0) mm 點(diǎn)焊： 1 mm 裝配、測量： (0.01-0.50) mm 噴涂： 3 mm 當(dāng)機(jī)器人或機(jī)械手本身所能達(dá)到的定位精度有困難時(shí)，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即機(jī)器人實(shí)現(xiàn)粗定位、工夾具實(shí)現(xiàn)精定位。,5,(2) 機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇。 常見機(jī)器人的運(yùn)動形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。 (3) 擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖。選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝位置。 (4) 確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖。 (5) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定驅(qū)動方式，選擇運(yùn)動部件和設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)器人總裝圖及主要部件零件圖。,6,3、仿真分析,(1)運(yùn)動學(xué)計(jì)算。分析是否達(dá)到要求的速度、加速度、位置。 (2)動力學(xué)計(jì)算。計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動力的大小，分析驅(qū)動裝置是否滿足要求。 (3)運(yùn)動的動態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動仿真。 (4)性能分析。建立機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，對機(jī)器人動態(tài)性能進(jìn)行仿真計(jì)算。 (5)方案和參數(shù)修改。運(yùn)用仿真分析的結(jié)果對所設(shè)計(jì)的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進(jìn)行修改，加以完善。 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分。其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)盡管有各自的獨(dú)立性，但都必須與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)。,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇由連桿件和運(yùn)動副組成的坐標(biāo)形式 （1）直角坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為伸縮 （2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，腰轉(zhuǎn)、升降、伸縮 （3）球面坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動和伸縮 （4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人。主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為轉(zhuǎn)動,傳動方式選擇 （1）選擇驅(qū)動源和傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接、驅(qū)動方式 （2）工業(yè)機(jī)器人的傳動形式,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模塊化工業(yè)機(jī)器人。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)合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。模塊化工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn) (1)經(jīng)濟(jì)性。 設(shè)計(jì)和制造通用性很強(qiáng)的工業(yè)機(jī)器人是很不經(jīng)濟(jì)的，價(jià)格昂貴。用戶希望廠商能為諸多的作業(yè)崗位提供可選擇的，自由度盡可能少，控制和編程簡單，實(shí)用性強(qiáng)的專用機(jī)器人。 機(jī)器人制造廠家也希望改變設(shè)計(jì)和制造模式，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： 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。比如，用戶要求機(jī)器人能為多臺設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時(shí)，可增選一個(gè)底座移動軸模塊或其它行走軸模塊,工業(yè)機(jī)器人成為移動式機(jī)器人。 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。下圖所示是一種多關(guān)節(jié)多臂檢測機(jī)器人，不僅多臂模塊組合成的手臂很長，而且手臂可作波浪運(yùn)動。 能不斷對現(xiàn)役模塊化工業(yè)機(jī)器人更新改造。比如，用戶可以選用伸縮套筒式手臂模塊來更替原有固定長度的模塊；隨著控制技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，可更換更高性能的控制模塊和更高精度的傳感器模塊；更換新模塊來進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的維修保養(yǎng)。,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。因?yàn)槟K之間的結(jié)合是可方便拆卸的，盡管在設(shè)計(jì)上已經(jīng)注意到了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口的高精度要求，但實(shí)際制造仍會存在誤差，所以與整體結(jié)構(gòu)相比剛度相對地差些。 (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)雖然功能模塊的形式有多種多樣，但是尚未真正做到根據(jù)作業(yè)對象就可以合理進(jìn)行模塊化分析和設(shè)計(jì)。,機(jī)器人本體材料的選擇,材料選擇 基本要求,(1)強(qiáng)度高。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(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。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(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 卻沒有多大變化，均為210000MPa。因此，還應(yīng)尋找其它提高構(gòu)件剛度的途徑。,(3)重量輕。在機(jī)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，可用E /指標(biāo)來衡量。下表列出了幾種材料的應(yīng)E、和E / 值,供參考。,(4)阻尼大。工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的臂經(jīng)過運(yùn)動后，要求能平穩(wěn)地停下來。可是由于在構(gòu)件終止運(yùn)動的瞬時(shí)，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(jià)格低。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如棚纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來作機(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、合金結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4至5倍,彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。 (2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：這類材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈量模量E并不大，但是材料密度小,故E /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，例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金彈性模量增加了14%，E/比增加16%。 (3)纖維增強(qiáng)合金：如棚纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，其E/比分別達(dá)到11.4107m2/s2和8.9X107m2/s2。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/ 比，而且沒有無機(jī)復(fù)合材料的缺陷，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)器人臂的樣品。 (5)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類材料具有極好的E/比，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(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)例越來越多。疊層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進(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(jī)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(jìn)行約束層阻尼處理，如下圖所示。吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動控制中應(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土0.30mm，處理后為士0.16mm，殘余振動時(shí)間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。,工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)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(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)器人動力學(xué)方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩包括重力矩項(xiàng)，即各連桿質(zhì)量對關(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，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)器人因動力源中斷而失穩(wěn)，引起向地面“倒”的趨勢。,平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì),(2)借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)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。 (3)借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)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(xiàng)和非線性項(xiàng)，改進(jìn)機(jī)器人動力特性。 (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。,平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要途徑 盡管為了防止因動力源中斷機(jī)器人有向地面“倒塌”的趨勢，可采用不可逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或制動閥。但是，在工業(yè)機(jī)器人日趨高速化之時(shí)，工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)是非常重要的，其設(shè)計(jì)途徑有三條： (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)。,25,任務(wù)2：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動,機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu) 傳動部件的設(shè)計(jì) 驅(qū)動裝置的類型和特點(diǎn) 新型驅(qū)動方式,26,機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu),1、驅(qū)動機(jī)構(gòu)的形式,齒條固定不動，當(dāng)齒輪傳動時(shí), 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動 拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械摹?該裝置的回差較大。,（1）直線驅(qū)動機(jī)構(gòu) （a）齒輪齒條裝置,齒輪齒條裝置,普通絲杠驅(qū)動是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動一個(gè)螺母沿絲杠軸向移動。 摩擦力較大, 效率低, 慣性大, 精度低, 回差大,容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象, 而且因此在機(jī)器人上很少采用。,機(jī)械學(xué)中的爬行現(xiàn)象,在滑動摩擦副中從動件在勻速驅(qū)動和一定摩擦條件下產(chǎn)生的周期性時(shí)停時(shí)走或時(shí)慢時(shí)快的運(yùn)動現(xiàn)象。,絲杠螺母傳動的手臂升降機(jī)構(gòu) 1電動機(jī)；2蝸桿；3臂架；4絲杠；5蝸輪；6箱體；7花鍵套,（b） 普通絲杠,（c）滾珠絲杠 滾珠絲杠在絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠,傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦, 可極大地減小摩擦力,因此傳動效率高,消除了低速運(yùn)動時(shí)的爬行現(xiàn)象。,滾球絲杠副,30,（d）液壓傳動（直接平移）,31,（e）氣壓傳動（直接平移）,（2） 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu),（a）齒輪鏈 齒輪鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)或兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動機(jī)構(gòu)。它不但可以傳遞運(yùn)動角位移和角速度, 而且可以傳遞力和力矩。 現(xiàn)以具有兩個(gè)齒輪的齒輪鏈為例, 說明其傳動轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中一個(gè)齒輪裝在輸入軸上, 另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上, 如圖所示。,齒輪鏈機(jī)構(gòu),使用齒輪鏈機(jī)構(gòu)應(yīng)注意的問題 齒輪鏈的引入會改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量, 從而使驅(qū)動電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間減小, 這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。 輸出軸轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動電機(jī)上, 等效轉(zhuǎn)動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。 由于齒輪間隙誤差, 將會導(dǎo)致機(jī)器人手臂的定位誤差增加; 而且, 假如不采取一些補(bǔ)救措施, 齒隙誤差還會引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。,(a) 圓柱齒輪; (b) 斜齒輪; (c) 錐齒輪; (d) 蝸輪蝸桿; (e) 行星輪系,常用的齒輪鏈,35,(b) 同步皮帶,同步皮帶的特點(diǎn) 同步帶相當(dāng)于柔軟的齒輪, 具有柔性好, 價(jià)格便宜、加工也容易。 同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況。只要同步皮帶足夠長,使皮帶的扭角誤差不太大, 則同步皮帶仍能夠正常工作。 在伺服系統(tǒng)中, 如果輸出軸的位置采用碼盤測量, 則輸入傳動的同步皮帶可以放在伺服環(huán)外面, 這對系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)性不會有影響, 重復(fù)精度可以達(dá)到1 mm以內(nèi)。 有時(shí), 齒輪鏈和同步皮帶結(jié)合起來使用更為方便。,諧波齒輪傳動,（c）諧波齒輪,傳動部件設(shè)計(jì),機(jī)器人是運(yùn)動的，各個(gè)部位都需要能源和動力，因此設(shè)計(jì)和選擇良好的傳動部件是非常重要的。這涉及到關(guān)節(jié)形式的確定，傳動方式以及傳動部件的定位和消隙等多個(gè)方面。 (1) 關(guān)節(jié)(如轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與移動關(guān)節(jié)) (2) 傳動件的定位和消隙 (3) 機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)(如齒輪、繩與鋼帶傳動等),1. 關(guān)節(jié),（1）轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式,（a）轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式,40,（b）軸承 機(jī)器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感。,圖4.34 基本耐磨球軸承,2移動關(guān)節(jié) 移動關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動范圍內(nèi)起直線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成。 導(dǎo)軌部分分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(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)動方向上要求剛度高，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)格低廉的滾動導(dǎo)軌。,42,滾動導(dǎo)軌可以按直線導(dǎo)軌的種類、軌道形狀和滾動體分為: (1) 按滾動體分類球、圓柱滾子和滾針。 (2) 按軌道分類圓軸式、平面式和滾道式。 (3) 按滾動體是否循環(huán)分類循環(huán)式、非循環(huán)式。,直線導(dǎo)軌,滾珠絲杠,2. 機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu),（1）齒輪傳動,行星齒輪傳動,諧波齒輪傳動,采用液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧波傳動 1凸輪 2柔輪 3小孔,（2）絲杠傳動,滾動絲杠的基本組成 1絲杠；2螺母； 3滾珠；4導(dǎo)向槽,絲杠螺母傳動的手臂升降機(jī)構(gòu) 1電動機(jī)；2蝸桿；3臂架；4絲杠；5蝸輪；6箱體；7花鍵套,（4）帶傳動與鏈傳動,齒形帶形狀,鋼帶傳動,（5）繩傳動與鋼帶傳動,（6） 桿、連桿與凸輪傳動,凸輪機(jī)構(gòu),連桿機(jī)構(gòu),采用鋼帶傳動的ADEPT機(jī)器人,（7）流體傳動,油缸和齒輪齒條手臂機(jī)構(gòu),氣缸和齒輪齒條增倍手臂機(jī)構(gòu) 1運(yùn)動齒條；2齒輪；3活塞桿,3. 傳動件的定位和消隙 （1）傳動件的定位,利用插銷定位的結(jié)構(gòu) 1行程節(jié)流閥 2定位圓盤 3插銷 4定位油缸,（2）傳動件的消隙,1）消隙齒輪,50,2）柔性齒輪消隙,3）對稱傳動消隙,雙諧波傳動消隙方法,1電動機(jī)；2小齒輪； 3 ，3減速傳動齒輪； 4 ，4軸；5，5齒輪；6齒輪,1，2齒輪箱；3，4，5齒輪；6電動機(jī)； 7同步帶；8壓緊輪；9同步帶傳動,4）偏心機(jī)構(gòu)消隙,5）齒廓彈性覆層消隙,偏心消隙機(jī)構(gòu) 齒廓彈性覆層消隙,1電動驅(qū)動裝置 電動驅(qū)動裝置的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。 電動驅(qū)動裝置又可分為直流 (DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。 直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機(jī)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。,驅(qū)動裝置的類型和特點(diǎn),直流電機(jī)（有刷）,步進(jìn)電機(jī),盤式無刷直流電機(jī),交流伺服電機(jī),54,2. 液壓驅(qū)動裝置 優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。 缺點(diǎn)：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。,液壓馬達(dá),液壓擺動馬達(dá),液壓控制閥,液壓泵,55,3氣動驅(qū)動裝置 氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。,氣動馬達(dá),氣動擺動馬達(dá),氣缸,氣泵,氣動三大件,氣動控制閥,56,驅(qū)動裝置的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 一般說來，目前負(fù)荷為100 kg以下的,可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動裝置。 只須點(diǎn)位控制且負(fù)荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要求者，可采用氣動驅(qū)動裝置。 負(fù)荷很大或機(jī)器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采用液壓驅(qū)動裝置。 對于驅(qū)動裝置來說，最重要的指標(biāo)要求是起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。,4驅(qū)動裝置的選擇原則,新型的驅(qū)動方式 1. 磁致伸縮驅(qū)動 鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變, 其長度和體積都要發(fā)生微小的變化, 這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。,58,形狀記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn),原始形狀,拉直,加熱后恢復(fù)變形前形狀,2. 形狀記憶合金,59,60,形狀恢復(fù)完全可逆需具備以下條件： 馬氏體相變是熱彈性的； 母相和馬氏體呈現(xiàn)有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)； 馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\生，亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e(cuò)； 馬氏體相變在晶體學(xué)上是可逆的。,61,隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng)。 溫度場可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，磁場、應(yīng)力場等也可誘導(dǎo)馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。,傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金,磁誘導(dǎo)形狀記憶合金,Magnetic field,62,左圖是一個(gè)雙程CuZnAl記憶合金彈簧，它是SMA用作驅(qū)動器的典型形式。該彈簧是隨溫度變化自行伸縮的感溫驅(qū)動元件。采用CuZnAl記憶合金絲，表面鍍錫，以熱水或熱風(fēng)為熱源，典型伸縮溫度為6585，自由狀態(tài)為45mm，伸長狀態(tài)為200mm。 可見其形變量較大，可以產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力。,利用記憶合金在加熱時(shí)形狀恢復(fù)的同時(shí)其回復(fù)力可對外作功的特性，能夠制成各種驅(qū)動元件。這種驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，可靠性好。,形狀記憶合金驅(qū)動器,3. 靜電驅(qū)動器 圖2.77是一個(gè)帶有電阻器移動子的三相靜電驅(qū)動器的工作原理圖。,圖 2.77 三相靜電驅(qū)動器工作原理,這種執(zhí)行器有下列特征: (1) 因?yàn)橐苿幼又袥]有電極, 所以不必確定與定子的相對位置, 定子電極的間距可以非常小。 (2) 因?yàn)轵?qū)動時(shí)會產(chǎn)生浮力,所以摩擦力小,在停止時(shí)由于存在著吸引力和摩擦力, 因此可以獲得比較大的保持力。 (3) 因?yàn)闃?gòu)造簡單, 所以可以實(shí)現(xiàn)以薄膜為基礎(chǔ)的大面積多層化結(jié)構(gòu)。 基于上述各點(diǎn), 把這種執(zhí)行器作為實(shí)現(xiàn)人工筋肉的一種方法, 受到了人們的關(guān)注。,4. 超聲波電機(jī) 超聲波電機(jī)的工作原理是用超聲波激勵(lì)彈性體定子， 使其表面形成橢圓運(yùn)動， 由于其上與轉(zhuǎn)子(或滑塊)接觸， 在摩擦的作用下轉(zhuǎn)子獲得推力輸出。 如圖2.78所示， 可以認(rèn)為定子按照角頻率0， 進(jìn)行超聲波振動， 在預(yù)壓W作用下， 轉(zhuǎn)子被推動。 超聲波電機(jī)的負(fù)載特性與DC電機(jī)相似， 相對于負(fù)載增加， 轉(zhuǎn)速有垂直下降的趨勢， 將超聲波電機(jī)與DC電機(jī)進(jìn)行比較， 它的特點(diǎn)有： 可望達(dá)到低速、 高效率； 同樣的尺寸， 能得到大的轉(zhuǎn)矩； 能保持大轉(zhuǎn)矩； 無電磁噪聲； 易控制； 外形的自由度大等。,圖 2.78 超聲波電機(jī)的工作原理圖,01,02,03,編織式氣動肌肉,網(wǎng)孔式氣動肌肉,嵌入式氣動肌肉,氣動肌肉,按結(jié)構(gòu)形式可將氣動肌肉分為三類：,氣動肌肉驅(qū)動器(Pneumatic MuscleActuator，PMA)，以下簡稱氣動肌肉，是一種新型的拉伸型氣動驅(qū)動器，通常由一段包裹纖維網(wǎng)的橡膠筒和兩端的接頭附件連接組成，能夠像生物肌肉那樣產(chǎn)生很大的收縮力。,編織式氣動肌肉,編織式氣動肌肉主要由氣密彈性管和套在它外面的編織套組成,網(wǎng)孔式氣動肌肉,網(wǎng)孔式氣動肌肉是網(wǎng)狀式氣動肌肉，網(wǎng)孔比較大，纖維比較稀疏，網(wǎng)是系結(jié)而成的，這種肌肉只能在較低的壓力下工作。,嵌入式氣動肌,氣動肌肉承受負(fù)載的構(gòu)件(絲、纖維) 嵌入到彈性薄膜里。,氣動肌肉原理,氣動肌肉的結(jié)構(gòu)雖然很多，但原理上基本類似。其核心是個(gè)可膨脹的薄壁囊，外部為限制變形的支撐材料，兩端使用連接件固定。對橡膠筒套充氣時(shí)，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，直徑變大，長度縮短。此時(shí)，如果將氣動人工肌肉與負(fù)載相聯(lián)，就會產(chǎn)生收縮力；反之，當(dāng)放氣時(shí)氣動人工肌肉彈性回縮，直徑變細(xì)，長度增加，收縮力減小。,氣動肌肉關(guān)節(jié)模型,氣動肌肉和生物肌肉的工作原理是一樣的，都是通過收縮產(chǎn)生的力來帶動負(fù)載，一個(gè)氣動肌肉收縮，另一個(gè)伸長，從而帶動關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動。,常用安裝方式,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,直線運(yùn)動,氣動肌肉的特性,低成本、清潔安全、安裝簡便； 高功率/質(zhì)量比和高功率/體積比； 具有柔性結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與生物肌肉相似，應(yīng)用前景良好。,行程較??； 其充氣變形為強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)精確控制； 柔性也使得精度和重復(fù)性受到了限制。,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),理療康復(fù),該機(jī)器腳踝特別的地方是它的人工肌肉實(shí)際上是一系列氣動管； 膝蓋上超靈敏的傳感器告訴它們?nèi)绾涡袆訒r(shí)，它們會擴(kuò)張和收縮。,機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),任務(wù)3 機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu),機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,77,1、機(jī)身與臂部的配置形式,機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),2. 機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),（1）回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身,單桿活塞氣缸 驅(qū)動鏈傳動機(jī)構(gòu),雙桿活塞氣缸 驅(qū)動鏈傳動機(jī)構(gòu),（2）回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,3. 機(jī)身驅(qū)動力(力矩)計(jì)算,（2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計(jì)算,（1）垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計(jì)算,（3）升降立柱下降不卡死 (不自鎖)的條件計(jì)算,偏重力臂的大小,偏重力矩,根據(jù)升降立柱平衡條件有,升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件,即：,4. 機(jī)身設(shè)計(jì)要注意的問題,83,1. 臂部的典型機(jī)構(gòu),（1）臂部伸縮機(jī)構(gòu),1手部 2夾緊缸 3油缸 4 導(dǎo)向柱 5運(yùn)行架 6行走車輪 7軌道 8支座,四導(dǎo)向柱式臂伸縮機(jī)構(gòu),臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),（2）手臂俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu),1 手部 2 夾緊缸 3 升降缸 4 小臂 5，7 擺動缸 6 大臂 8 立柱,擺動缸驅(qū)動連桿俯仰臂機(jī)構(gòu),（3）手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu),手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨(dú)驅(qū)動，適用于升降行程短而回轉(zhuǎn)角度小于360的情況，也有采用升降缸與氣馬達(dá)-錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。,2. 機(jī)器人手臂材料的選擇,優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍、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。,3. 臂部設(shè)計(jì)要注意的問題,機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,1. 質(zhì)量平衡方法,2. 彈簧力平衡方法,90,任務(wù)4 腕部設(shè)計(jì) 腕部自由度 腕部典型結(jié)構(gòu) 柔性手腕 腕部設(shè)計(jì)注意的問題,（1）手腕關(guān)節(jié)的滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn),1. 腕部自由度,手腕的坐標(biāo)系和自由度,6種3自由度手腕的結(jié)合方式示意圖,（2）RRR手腕,3R手腕關(guān)節(jié)遠(yuǎn)程傳動示意,3R手腕結(jié)構(gòu)示意,2. 腕部的典型結(jié)構(gòu) （1）單自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動手腕,1回轉(zhuǎn)缸；2 定片；3 腕回轉(zhuǎn)軸；4 動片；5 手部,回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動的單自由度腕部結(jié)構(gòu),（2）二自由度手腕 1）雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動的腕部,l手部 2中心軸 3固定中心軸 4定片 5擺動回轉(zhuǎn)缸 6動片 7回轉(zhuǎn)軸 8回轉(zhuǎn)缸,具有回轉(zhuǎn)與擺動的二自由度腕部結(jié)構(gòu),2）齒輪傳動二自由度腕部,齒輪傳動回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理,1，2，3，4，5，6錐齒輪 7殼體 8手腕 9手爪,（3）三自由度手腕 1）液壓直接驅(qū)動三自由度手腕,2）齒輪鏈輪傳動三自由度腕部,1油缸；2鏈輪；3，4錐齒輪；5，6花鍵軸T；7傳動軸S；8腕架; 9行星架；10，11，22，24圓柱齒輪；12，13，14，15，16，17，18，20錐齒輪；19擺動軸；21，23雙聯(lián)圓柱齒輪；25傳動軸B,4 柔順手腕結(jié)構(gòu) 柔順性裝配技術(shù)。主動柔順裝配是從檢測、 控制的角度出發(fā), 采取各種不同的搜索方法, 實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配; 有的手爪還配有檢測元件, 如視覺傳感器力傳感器等。,移動擺動柔順手腕,被動柔順裝配。從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā), 在手腕部配置一個(gè)柔順環(huán)節(jié), 以滿足柔順裝配的需要。,圖 2.43 柔順手腕動作過程,圖 2.44 柔順手腕,圖 2.45 板彈簧柔順手腕,圖 2.46 鋼絲彈簧柔順手腕,5. 設(shè)計(jì)腕部時(shí)應(yīng)注意的問題,107,任務(wù)5 手部設(shè)計(jì) 機(jī)器人手部的特點(diǎn) 手部的分類 手爪的設(shè)計(jì)和選用要求 典型的手抓結(jié)構(gòu),1. 機(jī)器人手部的特點(diǎn),2. 手部的分類 （1）按用途,平面鉗爪夾持圓柱零件,專用工具: 噴槍，焊具,（2）按夾持原理,（3）按手指或吸盤數(shù)目,三指手爪,柔性手指手爪,（4）按智能化,3. 手爪設(shè)計(jì)和選用的要求,夾鉗式取料手 夾鉗式手部與人手相似, 是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。 它一般由手指(手爪)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)、 傳動機(jī)構(gòu)及連接與支承元件組成, 能通過手爪的開閉動作實(shí)現(xiàn)對物體的夾持。,1. 手指 手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件, 就是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人的手部一般有兩個(gè)手指, 也有三個(gè)或多個(gè)手指,其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。 指端的形狀通常有兩類: V型指和平面指。如圖2.3所示的三種V型指的形狀, 用于夾持圓柱形工件。,(a) 固定V型； (b) 滾柱V型； (c) 自定位式V型,圖 2.4 夾鉗式手的指端 (a)平面指 （b）尖指 （c）特型指,如圖2.4所示的平面指為夾鉗式手的指端,一般用于夾持方形工件(具有兩個(gè)平行平面), 板形或細(xì)小棒料。另外，尖指和薄、長指一般用于夾持小型或柔性工件。 其中, 薄指一般用于夾持位于狹窄工作場地的細(xì)小工件, 以避免和周圍障礙物相碰; 長指一般用于夾持熾熱的工件, 以免熱輻射對手部傳動機(jī)構(gòu)的影響。,指面的形狀常有光滑指面、齒形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑, 用來夾持已加工表面, 避免已加工表面受損。 齒形指面的指面刻有齒紋, 可增加夾持工件的磨擦力,以確保夾緊牢靠, 多用來夾持表面粗糙的毛坯或半成品。 柔性指面內(nèi)鑲橡膠、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保護(hù)工件表面、 隔熱等作用, 一般用于夾持已加工表面、熾熱件,也適于夾持薄壁件和脆性工件。,2. 傳動機(jī)構(gòu) 傳動機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動和動力, 以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動作的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動還是平動,又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。 (1) 回轉(zhuǎn)型傳動機(jī)構(gòu)。夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部, 其手指就是一對杠桿,一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動機(jī)構(gòu), 用以改變傳動比和運(yùn)動方向等。,圖 2.5 斜楔杠桿式手部,圖2.5(a)所示為單作用斜楔式回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)簡圖。 斜楔向下運(yùn)動, 克服彈簧拉力, 使杠桿手指裝著滾子的一端向外撐開, 從而夾緊工件; 斜楔向上移動, 則在彈簧拉力作下使手指松開。 手指與斜楔通過滾子接觸可以減少摩擦力, 提高機(jī)械效率, 有時(shí)為了簡化, 也可讓手指與斜楔直接接觸。 也有如圖2.5(b)所示的結(jié)構(gòu)。,圖 2.6 滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部,圖2.6所示為滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部簡圖, 杠桿形手指4的一端裝有V形指5,另一端則開有長滑槽。 驅(qū)動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi), 當(dāng)驅(qū)動連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運(yùn)動時(shí), 即可撥動兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn)(鉸銷3)作相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動, 從而實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。,圖 2.7 雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部,圖2.7所示為雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部簡圖。 驅(qū)動桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接, 當(dāng)驅(qū)動桿2作直線往復(fù)運(yùn)動時(shí), 則通過連桿推動兩桿手指各繞其支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動, 從而使手指松開或閉合。,圖 2.8 齒條齒輪杠桿式手部,圖2.8所示為齒輪齒條直接傳動的齒輪杠桿式手部的結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動桿2末端制成雙面齒條,與扇齒輪4相嚙合, 而扇齒輪4與手指5固連在一起, 可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。驅(qū)動力推動齒條作直線往復(fù)運(yùn)動, 即可帶動扇齒輪回轉(zhuǎn), 從而使手指松開或閉合。,(2) 平移型傳動機(jī)構(gòu)。平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動或平面移動來實(shí)現(xiàn)張開或閉合動作的, 常用于夾持具有平行平面的工件(如冰箱等)。 其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。 直線往復(fù)型 復(fù)移動機(jī)構(gòu):實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)移動的機(jī)構(gòu)很多, 常用的斜楔傳動、齒條傳動、螺旋傳動等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu)。 它們既可是雙指型的, 也可是三指(或多指)型的; 既可自動定心, 也可非自動定心。,圖 2.9 直線平移型手部 (a)為斜楔平移機(jī)構(gòu), (b)為連桿杠桿平移結(jié)構(gòu), (c)為螺旋斜楔平移結(jié)構(gòu), 平面平行移動機(jī)構(gòu)：圖2.10所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部的簡圖。 它們的共同點(diǎn)是: 都采用平行四邊形的鉸鏈機(jī)構(gòu)雙曲柄鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu), 以實(shí)現(xiàn)手指平移。其差別在于分別采用齒條齒輪、 蝸桿蝸輪、 連桿斜滑槽的傳動方法。,圖 2.10 四連桿機(jī)構(gòu)平移型手部結(jié)構(gòu),2007年機(jī)器人大賽,2.1.2 吸附式取料手 1. 氣吸附式取料手 氣吸附式取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。 按形成壓力差的方法,可分為真空吸附、氣流負(fù)壓氣吸、擠壓排氣負(fù)壓氣吸式等幾種。 氣吸式取料手與夾鉗式取料手相比, 具有結(jié)構(gòu)簡單,重量輕, 吸附力分布均勻等優(yōu)點(diǎn),對于薄片狀物體的搬運(yùn)更有其優(yōu)越性(如板材、 紙張、 玻璃等物體), 廣泛應(yīng)用于非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物體表面較平整光滑, 無孔無凹槽。,1) 真空吸附取料手 圖2.11所示為真空吸附取料手的結(jié)構(gòu)原理。其真空的產(chǎn)生是利用真空泵, 真空度較高。主要零件為碟形橡膠吸盤1, 通過固定環(huán)2安裝在支承桿4上, 支承桿由螺母5固定在基板6上。 取料時(shí), 碟形橡膠吸盤與物體表面接觸, 橡膠吸盤在邊緣既起到密封作用,又起到緩沖作用, 然后真空抽氣,吸盤內(nèi)腔形成真空, 吸取物料。放料時(shí), 管路接通大氣, 失去真空, 物體放下。為避免在取、 放料時(shí)產(chǎn)生撞擊, 有的還在支承桿上配有彈簧緩沖。為了更好地適應(yīng)物體吸附面的傾斜狀況,有的在橡膠吸盤背面設(shè)計(jì)有球鉸鏈。真空吸附取料手有時(shí)還用于微小無法抓取的零件, 如圖2.12所示。,圖 2.11 真空吸附取料手,圖 2.12 微小零件取料手 (a) 墊圈取料手； (b) 鋼球取料手,圖 2.13 各種真空吸附取料手,圖2.13所示為各種真空吸附取料手。,2) 氣流負(fù)壓吸附取料手 氣流負(fù)壓吸附取料手如圖2.14所示。氣流負(fù)壓吸附取料手是利用流體力學(xué)的原理, 當(dāng)需要取物時(shí), 壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴5時(shí), 其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓, 于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓, 完成取物動作;當(dāng)需要釋放時(shí), 切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣,工廠里較易取得,故成本較低。,圖 2.14 氣流負(fù)壓吸附取料手,3) 擠壓排氣式取料手 擠壓排氣式取料手如圖2.15所示。其工作原理為: 取料時(shí)吸盤壓緊物體, 橡膠吸盤變形, 擠出腔內(nèi)多余的空氣,取料手上升, 靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負(fù)壓, 將物體吸住; 釋放時(shí),壓下拉桿3, 使吸盤腔與大氣相連通而失去負(fù)壓。 該取料手結(jié)構(gòu)簡單, 但吸附力小, 吸附狀態(tài)不易長期保持。,圖 2.15 擠壓排氣式取料手,2. 磁吸附式取料手 磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料, 因此只能對鐵磁物體起作用; 另外,對某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以, 磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。 電磁鐵工作原理如圖2.16(a)所示。當(dāng)線圈1通電后, 在鐵心2內(nèi)外產(chǎn)生磁場, 磁力線穿過鐵心, 空氣隙和銜鐵3被磁化并形成回路, 銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住。實(shí)際使用時(shí), 往往采用如圖2.16(b)所示的盤式電磁鐵, 銜鐵是固定的, 銜鐵內(nèi)用隔磁材料將磁力線切斷, 當(dāng)銜鐵接觸磁鐵物體零件時(shí), 零件被磁化形成磁力線回路,并受到電磁吸力而被吸住。,圖 2.16 電磁鐵工作原理,圖2.17所示為盤狀磁吸附取料手的結(jié)構(gòu)圖。鐵心1和磁盤3之間用黃銅焊料焊接并構(gòu)成隔磁環(huán)2,既焊為一體又將鐵心和磁盤分隔, 這樣使鐵心1成為內(nèi)磁極, 磁盤3成為外磁極。其磁路由殼體6的外圈, 經(jīng)磁盤3、 工件和鐵心, 再到殼體內(nèi)圈形成閉合回路, 以此吸附工件。鐵心、磁盤和殼體均采用810號低碳鋼制成, 可減少剩磁, 并在斷電時(shí)不吸或少吸鐵屑。蓋5為用黃銅或鋁板制成的隔磁材料,用以壓住線圈11, 防止工作過程中線圈的活動。擋圈7、8用以調(diào)整鐵心和殼體的軸向間隙, 即磁路氣隙,在保證鐵心正常轉(zhuǎn)動的情況下,氣隙越小越好,氣隙越大， 則電磁吸力會顯著地減小,因此, 一般取0.10.3 mm。 在機(jī)器人手臂的孔內(nèi)可做軸向微量地移動, 但不能轉(zhuǎn)動。鐵心1和磁盤3一起裝在軸承上, 用以實(shí)現(xiàn)在不停車的情況下自動上下料。,圖 2.17 盤狀磁吸附取料手結(jié)構(gòu),圖 2.18 幾種電磁式吸盤吸料示意圖 (a) 吸附滾動軸承底座的電磁式吸盤； (b) 吸取鋼板的電磁式吸盤； (c) 吸取齒輪用的電磁式吸盤； (d) 吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤,2.1.3 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 1. 專用末端操作器 機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動作, 再配上各種專用的末端操作器后,就能完成各種動作。如在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機(jī)器人, 安裝擰螺母機(jī)則成為一臺裝配機(jī)器人。目前有許多由專用電動、氣動工具改型而成的操作器, 如圖2.19所示, 有擰螺母機(jī)、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機(jī)等。 所形成的一整套系列供用戶選用, 使機(jī)器人能勝任各種工作。,圖2.19還有一個(gè)裝有電磁吸盤式換接器的機(jī)器人手腕, 電磁吸盤直徑60 mm, 質(zhì)量為1 kg,吸力1100 N, 換接器可接通電源、信號、壓力氣源和真空源,電插頭有18芯,氣路接頭有5路。為了保證聯(lián)接位置精度,設(shè)置了兩個(gè)定位銷。在各末端操作器的端面裝有換接器座,平時(shí)陳列于工具架上,需要使用時(shí)機(jī)器人手腕上的換接器吸盤可從正面吸牢換接器座,接通電源和氣源, 然后從側(cè)面將末端操作器退出工具架, 機(jī)器人便可進(jìn)行作業(yè)。,圖 2.19 各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器,2. 換接器或自動手爪更換裝置 使用一臺通用機(jī)器人,要在作業(yè)時(shí)能自動更換不同的末端操作器, 就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成: 換接器插座和換接器插頭, 分別裝在機(jī)器腕部和末端操作器上,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對末端操作器的快速自動更換。 專用末端操作器換接器的要求主要有:同時(shí)具備氣源、電源及信號的快速聯(lián)接與切換; 能承受末端操作器的工作載荷; 在失電、 失氣情況下, 機(jī)器人停止工作時(shí)不會自行脫離;具有一定的換接精度等。,圖2.20所示為氣動換接器和專用末端操作器庫。該換接器也分成兩部分: 一部分裝在手腕上, 稱為換接器; 另一部分裝在末端操作器上, 稱為配合器。利用氣動鎖緊器將兩部分進(jìn)行聯(lián)接, 并具有就位指示燈以表示電路、 氣路是否接通。 具體實(shí)施時(shí), 各種末端操作器放在工具架上, 組成一個(gè)專用末端操作器庫, 如圖2.21所示。,圖 2.20 氣動換接器與專用末端操作器庫,圖 2.21 專用末端操作器庫,3. 多工位換接裝置 某些機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)相對較為集中,需要換接一定量的末端操作器, 又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫。這時(shí)， 可以在機(jī)器人手腕上設(shè)置一個(gè)多工位換接裝置。例如,在機(jī)器人柔性裝配線某個(gè)工位上,機(jī)器人要依次裝配如墊圈、螺釘?shù)葞追N零件, 裝配采用多工位換接裝置,可以從幾個(gè)供料處依次抓取幾種零件, 然后逐個(gè)進(jìn)行裝配, 既可以節(jié)省幾臺專用機(jī)器人,也可以避免通用機(jī)器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時(shí)間。,多工位換接裝置如圖2.22所示, 就像數(shù)控加工中心的刀庫一樣, 可以有棱錐型和棱柱型兩種形式。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和手腕軸線一致, 受力較合理,但其傳動機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜;棱柱型換接器傳動機(jī)構(gòu)較為簡單, 但其手爪軸線和手腕軸線不能保持一致, 受力不良。,圖 2.22 多工位末端操作器換接裝置 (a) 棱錐型； (b) 棱柱型,2.1.4 仿生多指靈巧手 1. 柔性手 為了能對不同外形的物體實(shí)施抓取, 并使物體表面受力比較均勻, 因此研制出了柔性手。如圖2.23所示為多關(guān)節(jié)柔性手腕,每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成,每個(gè)手指由兩根鋼絲繩牽引, 一側(cè)為握緊, 另一側(cè)為放松。 驅(qū)動源可采用電機(jī)驅(qū)動或液壓、氣動元件驅(qū)動。 柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物體受力較為均勻。 圖2.24所示為用柔性材料做成的柔性手。一端固定,一端為自由端的雙管合一的柔性管狀手爪, 當(dāng)一側(cè)管內(nèi)充氣體或液體、另一側(cè)管內(nèi)抽氣或抽液時(shí)形成壓力差,柔性手爪就向抽空側(cè)彎曲。此種柔性手適用于抓取輕型、圓形物體, 如玻璃器皿等。,圖2.23多關(guān)節(jié)柔性手腕,圖 2.24 柔性手,2. 多指靈巧手 機(jī)器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。 如圖2.25所示,多指靈巧手有多個(gè)手指, 每個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié), 每一個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的。因此,幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜動作它都能模仿,諸如擰螺釘、彈鋼琴、 作禮儀手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器, 將會使多指靈巧手達(dá)到更完美的程度。多指靈巧手的應(yīng)用前景十分廣泛,可在各種極限環(huán)境下完成人無法實(shí)現(xiàn)的操作, 如核工業(yè)領(lǐng)域、宇宙空間作業(yè), 在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。,圖 2.25 多指靈巧手,靈巧手的設(shè)計(jì),靈巧手一般選取3-5個(gè)手指,2.1.5 其它手 1. 彈性力手爪 彈性力手爪的特點(diǎn)是其夾持物體的抓力是由彈性元件提供的,不需要專門的驅(qū)動裝置, 在抓取物體時(shí)需要一定的壓入力, 而在卸料時(shí), 則需要一定的拉力。 圖2.26所示為幾種彈性力手爪的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2.26(a)所示的手爪有一個(gè)固定爪, 另一個(gè)活動爪6靠壓簧4提供抓力, 活動爪繞軸5回轉(zhuǎn), 空手時(shí)其回轉(zhuǎn)角度由平面2、3限制。 抓物時(shí),爪6在推力作用下張開,靠爪上的凹槽和彈性力抓取物體; 卸料時(shí), 需固定物體的側(cè)面,手爪用力拔出即可。,圖 2.26 彈性力手爪,2. 擺動式手爪 擺動式手爪的特點(diǎn)是在手爪的開合過程中, 其爪的運(yùn)動狀態(tài)是繞固定軸擺動的, 結(jié)構(gòu)簡單,使用較廣,適合于圓柱表面物體的抓取。 圖2.27所示為一種擺動式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖。這是一種連桿擺動式手爪, 活塞桿移動, 并通過連桿帶動手爪回繞同一軸擺動, 完成開合動作。,圖 2.27 擺動式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖,圖2.28所示為自重式手部結(jié)構(gòu), 要求工件對手指的作用力的方向應(yīng)在手指回轉(zhuǎn)軸垂直線的外側(cè), 使手指趨向閉合。 用這種手部結(jié)構(gòu)來夾緊工件是依靠工件本身的重量來實(shí)現(xiàn)的, 工件越重,握力越大。手指的開合動作由鉸接活塞油缸實(shí)現(xiàn)。 該手部結(jié)構(gòu)適用于傳輸垂直上升或水平移動的重型工件。,圖 2.28 自重式手部結(jié)構(gòu),圖2.29所示為彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu)。手指1的夾放動作是依靠手臂的水平移動而實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)頂桿2與工件端面相接觸時(shí), 壓縮彈簧3, 并推動拉桿4向右移動, 使手指1繞支承軸回轉(zhuǎn)而夾緊工件。卸料時(shí)手指1與卸料槽口相接觸, 使手指張開, 頂桿2在彈簧3的作用下將工件推入卸料槽內(nèi)。這種手部適用于抓取輕小環(huán)形工件, 如軸承內(nèi)座圈等。,圖 2.29 彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu),3. 勾托式手部 圖2.30所示為勾托式手部結(jié)構(gòu)示意圖。勾托式手部并不靠夾緊力來夾持工件, 而是利用工件本身的重量, 通過手指對工件的勾、托、捧等動作來托持工件。應(yīng)用勾托方式可降低對驅(qū)動力的要求,簡化手部結(jié)構(gòu), 甚至可以省略手部驅(qū)動裝置。該手部適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運(yùn)大型笨重的工件或結(jié)構(gòu)粗大而質(zhì)量較輕且易變形的物體。 勾托式手部又有手部無驅(qū)動裝置和驅(qū)動裝置兩種類型。,圖 2.30 勾托式手部示意圖 (a) 無驅(qū)動裝置的手部； (b) 有驅(qū)動裝置的手部,綜合實(shí)例雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人,下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機(jī)器人的系統(tǒng)分析方法。 明確機(jī)器人的目的和任務(wù)： 從傳送帶拾取一個(gè)雞蛋； 把蛋置于強(qiáng)光下照射，測定蛋是否透光（有無胚胎生長）； 根據(jù)蛋有無胚胎，把蛋放入廢品箱或包裝箱內(nèi)。,舉例示圖1：基本工作流程,舉例示圖2：機(jī)器人與環(huán)境的關(guān)系,分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境：包括工作車間的平面布置，相互間的位置關(guān)系等。,分析系統(tǒng)的工作要求： 循環(huán)時(shí)間3.0s 每次循環(huán)有三種不同的運(yùn)動： 移動到傳送帶并拾取一只雞蛋； 移動到照射位置； 把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū)。 一個(gè)循環(huán)中需要三次暫停： 閉合手爪0.2s；完成照射0.05s；開啟手爪放蛋0.2s 每只雞蛋重量85g；手爪重量369g 位置分辨率最低為1.27mm,確定機(jī)器人的自由度及運(yùn)動范圍：,初步分析：機(jī)器人滿足上面提出的條件，應(yīng)該具備一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和兩個(gè)直線運(yùn)動。 仔細(xì)分析：還應(yīng)該有一個(gè)附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以對蛋進(jìn)行定向排列。因?yàn)楫?dāng)受臂移動和轉(zhuǎn)動時(shí)，雞蛋的取向會發(fā)生改變。 確定技術(shù)參數(shù)為： 伸縮運(yùn)動：45.761.0cm 腰部旋轉(zhuǎn)： 90 腕部旋轉(zhuǎn)：360 腕部垂直移動：50.8cm,1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（1）：,自由度的確定：在系統(tǒng)分析時(shí)已經(jīng)確定了。 臂力的確定： 對于專用機(jī)器人來說：是針對專門的工作對象來設(shè)計(jì)的，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量確定，取1.53.0的安全系數(shù)。 對于工業(yè)機(jī)器人來說：具有一定的通用性，臂力要根據(jù)被抓取物體的重量變化來確定。 工作范圍的確定： 要根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動的軌跡來確定,二、技術(shù)設(shè)計(jì),1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（2）：,運(yùn)動速度的確定： 主要是根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每個(gè)動作的時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)機(jī)械手各部位的運(yùn)動行程確定其運(yùn)動速度。 定位精度的確定： 機(jī)器人的定位精度是根據(jù)使用要求確定的。而要達(dá)到這樣的精度取決于機(jī)器人的定位方式、運(yùn)動速度、控制方式、臂部剛度、驅(qū)動方式、緩沖方法等。,夾緊工件,手臂升降,伸縮運(yùn)動,回轉(zhuǎn)運(yùn)動,工作節(jié)拍5分鐘,每一個(gè)動作都由5個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同完成,綜合分配每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度,運(yùn)動速度確定舉例,2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇,直角坐標(biāo)型：機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)都是移動關(guān)節(jié)。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，剛度高。 關(guān)節(jié)之間運(yùn)動相互獨(dú)立，沒有耦合作用。 占地面積大，導(dǎo)軌面防護(hù)比較困難。,圓柱坐標(biāo)型：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)、升降和伸縮。亦即具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和兩個(gè)直線運(yùn)動。 特點(diǎn)： 通用性較強(qiáng)； 結(jié)構(gòu)緊湊； 機(jī)器人腰轉(zhuǎn)時(shí)將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動慣量。 受結(jié)構(gòu)限制，手臂不能抵達(dá)底部，減少了工作范圍。,球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)）： 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個(gè)直線運(yùn)動。 特點(diǎn)： 工作范圍較大； 占地面積??； 控制系統(tǒng)復(fù)雜,SCARA機(jī)器人：有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)是移動關(guān)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)輕便，響應(yīng)快； 適用于平面定位和在垂直方向進(jìn)行作的場合。,2機(jī)器人運(yùn)動形式的選擇（6）：,關(guān)節(jié)式機(jī)器人：關(guān)節(jié)式機(jī)器人的主體結(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)動關(guān)節(jié)。 特點(diǎn)：動作靈活，工作空間大；關(guān)節(jié)運(yùn)動部位密封性好；運(yùn)動學(xué)復(fù)雜，不便于控制。,207,初步確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)：,圖例：傳感系統(tǒng)框圖：,圖例：控制系統(tǒng)總體方案,