《机器人结构设计》PPT课件.ppt

工业机器人的本体结构设计,任务1：工业机器人的总体设计,任务2：工业机器人的驱动与传动,任务3：机身和臂部设计,任务4：腕部设计,任务5：手部设计,2,任务1 工业机器人总体设计 总体设计的步骤 主体结构设计 传动方式选择 模块化结构设计 材料选择 平衡系统设计,3,1、系统分析,机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如下分析工作： (1)明确采用机器人的目的和任务。 (2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。 (3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方 案。如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重量 (4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。,总体设计的步骤,4,2、技术设计,(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、运动速度及定位精度等。 举例：定位精度的确定 机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚性、驱动方式、缓冲方式等。 工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同工艺过程所要求的定位精度如下： 金属切削机床上下料：(0.05-1.00) mm 冲床上下料：1 mm 模锻： (0.1-2.0) mm 点焊： 1 mm 装配、测量： (0.01-0.50) mm 喷涂： 3 mm 当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。,5,(2) 机器人运动形式的选择。 常见机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。 (3) 拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置。 (4) 确定控制系统总体方案，绘制框图。 (5) 机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。,6,3、仿真分析,(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。 (2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满足要求。 (3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实现机器人的运动仿真。 (4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿真计算。 (5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结构、尺寸和参数进行修改，加以完善。 机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅相成，构成一个完整的机器人系统。,主体结构设计 主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式 （1）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩 （2）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、伸缩 （3）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动和伸缩 （4）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动,传动方式选择 （1）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式 （2）工业机器人的传动形式,模块化结构设计 模块化工业机器人。由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。模块化工业机器人的特点 (1)经济性。 设计和制造通用性很强的工业机器人是很不经济的，价格昂贵。用户希望厂商能为诸多的作业岗位提供可选择的，自由度尽可能少，控制和编程简单，实用性强的专用机器人。 机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。,(2)灵活性。其主要体现在： 可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴模块,工业机器人成为移动式机器人。 为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的手臂模块或加接手臂模块。下图所示是一种多关节多臂检测机器人，不仅多臂模块组合成的手臂很长，而且手臂可作波浪运动。 能不断对现役模块化工业机器人更新改造。比如，用户可以选用伸缩套筒式手臂模块来更替原有固定长度的模块；随着控制技术和传感技术的发展，可更换更高性能的控制模块和更高精度的传感器模块；更换新模块来进行工业机器人的维修保养。,3.模块化工业机器人所存在的问题 (1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。因为模块之间的结合是可方便拆卸的，尽管在设计上已经注意到了标准机械接口的高精度要求，但实际制造仍会存在误差，所以与整体结构相比刚度相对地差些。 (2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工业机器人的整体重量有可能增加。 (3)虽然功能模块的形式有多种多样，但是尚未真正做到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。,机器人本体材料的选择,材料选择 基本要求,(1)强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。 (2)弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度(或变形量)与材料的弹性模量E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有多大差别。比如，普通结构钢的强度极限为420MPa，高合金结构钢的强度极限为20002300MPa，但是二者的弹性模量 E 却没有多大变化，均为210000MPa。因此，还应寻找其它提高构件刚度的途径。,(3)重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量 E 大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量低密度材料的要求，可用E /指标来衡量。下表列出了几种材料的应E、和E / 值,供参考。,(4)阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬时，构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生“残余振动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。 (5)材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如棚纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。,(1)碳素结构钢、合金结构钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了4至5倍,弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。 (2)铝、铝合金及其它轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻，弹量模量E并不大，但是材料密度小,故E /比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，例如添加了3.2%重量的锂的铝合金弹性模量增加了14%，E/比增加16%。 (3)纤维增强合金：如棚纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，其E/比分别达到11.4107m2/s2和8.9X107m2/s2。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/ 比，而且没有无机复合材料的缺陷，但价格昂贵。,(4)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂的样品。 (5)纤维增强复合材料：这类材料具有极好的E/比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大的优点，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。所以,在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等使其具有最大阻尼值。,(6)粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理，如下图所示。吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明：机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为土0.30mm，处理后为士0.16mm，残余振动时间在阻尼处理前、后分别为0.9s和0.5s。,工业机器人是一个多刚体耦合系统，系统的平衡性是极其重要的，在工业机器人设计中采用平衡系统的理由是： (1)安全。根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩包括重力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动，重力矩项仍然存在。这样，当机器人完成作业切断电源后，机器人机构会因重力而失去稳定。平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳，引起向地面“倒”的趋势。,平衡系统设计,(2)借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值。 (3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。 (4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性。 (5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。 (6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装要求。,平衡系统设计的主要途径 尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面“倒塌”的趋势，可采用不可逆转机构或制动阀。但是，在工业机器人日趋高速化之时，工业机器人平衡系统的良好设计是非常重要的，其设计途径有三条： (1)质量平衡技术； (2)弹簧力平衡技术； (3)可控力平衡技术。,25,任务2：工业机器人的驱动与传动,机器人驱动机构 传动部件的设计 驱动装置的类型和特点 新型驱动方式,26,机器人驱动机构,1、驱动机构的形式,齿条固定不动，当齿轮传动时, 齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动 拖板是由导杆或导轨支承的。 该装置的回差较大。,（1）直线驱动机构 （a）齿轮齿条装置,齿轮齿条装置,普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。 摩擦力较大, 效率低, 惯性大, 精度低, 回差大,容易产生爬行现象, 而且因此在机器人上很少采用。,机械学中的爬行现象,在滑动摩擦副中从动件在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期性时停时走或时慢时快的运动现象。,丝杠螺母传动的手臂升降机构 1电动机；2蜗杆；3臂架；4丝杠；5蜗轮；6箱体；7花键套,（b） 普通丝杠,（c）滚珠丝杠 滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦, 可极大地减小摩擦力,因此传动效率高,消除了低速运动时的爬行现象。,滚球丝杠副,30,（d）液压传动（直接平移）,31,（e）气压传动（直接平移）,（2） 旋转驱动机构,（a）齿轮链 齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。 现以具有两个齿轮的齿轮链为例, 说明其传动转换关系。其中一个齿轮装在输入轴上, 另一个齿轮装在输出轴上, 如图所示。,齿轮链机构,使用齿轮链机构应注意的问题 齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量, 从而使驱动电机的响应时间减小, 这样伺服系统就更加容易控制。 输出轴转动惯量转换到驱动电机上, 等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数的平方成正比。 由于齿轮间隙误差, 将会导致机器人手臂的定位误差增加; 而且, 假如不采取一些补救措施, 齿隙误差还会引起伺服系统的不稳定性。,(a) 圆柱齿轮; (b) 斜齿轮; (c) 锥齿轮; (d) 蜗轮蜗杆; (e) 行星轮系,常用的齿轮链,35,(b) 同步皮带,同步皮带的特点 同步带相当于柔软的齿轮, 具有柔性好, 价格便宜、加工也容易。 同步皮带还被用于输入轴和输出轴方向不一致的情况。只要同步皮带足够长,使皮带的扭角误差不太大, 则同步皮带仍能够正常工作。 在伺服系统中, 如果输出轴的位置采用码盘测量, 则输入传动的同步皮带可以放在伺服环外面, 这对系统的定位精度和重复性不会有影响, 重复精度可以达到1 mm以内。 有时, 齿轮链和同步皮带结合起来使用更为方便。,谐波齿轮传动,（c）谐波齿轮,传动部件设计,机器人是运动的，各个部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的传动部件是非常重要的。这涉及到关节形式的确定，传动方式以及传动部件的定位和消隙等多个方面。 (1) 关节(如转动关节与移动关节) (2) 传动件的定位和消隙 (3) 机器人传动机构(如齿轮、绳与钢带传动等),1. 关节,（1）转动关节,转动关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。,转动关节的形式,（a）转动关节的形式,40,（b）轴承 机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。,图4.34 基本耐磨球轴承,2移动关节 移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨部分组成。 导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁性悬浮导轨等形式。 一般，要求机器人导轨间隙小或能消除间隙；在垂直于运动方向上要求刚度高，摩擦系数小且不随速度变化，并且有高阻尼、小尺寸和小惯量。 通常，由于机器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用结构紧凑且价格低廉的滚动导轨。,42,滚动导轨可以按直线导轨的种类、轨道形状和滚动体分为: (1) 按滚动体分类球、圆柱滚子和滚针。 (2) 按轨道分类圆轴式、平面式和滚道式。 (3) 按滚动体是否循环分类循环式、非循环式。,直线导轨,滚珠丝杠,2. 机器人传动机构,（1）齿轮传动,行星齿轮传动,谐波齿轮传动,采用液压静压谐波发生器的谐波传动 1凸轮 2柔轮 3小孔,（2）丝杠传动,滚动丝杠的基本组成 1丝杠；2螺母； 3滚珠；4导向槽,丝杠螺母传动的手臂升降机构 1电动机；2蜗杆；3臂架；4丝杠；5蜗轮；6箱体；7花键套,（4）带传动与链传动,齿形带形状,钢带传动,（5）绳传动与钢带传动,（6） 杆、连杆与凸轮传动,凸轮机构,连杆机构,采用钢带传动的ADEPT机器人,（7）流体传动,油缸和齿轮齿条手臂机构,气缸和齿轮齿条增倍手臂机构 1运动齿条；2齿轮；3活塞杆,3. 传动件的定位和消隙 （1）传动件的定位,利用插销定位的结构 1行程节流阀 2定位圆盘 3插销 4定位油缸,（2）传动件的消隙,1）消隙齿轮,50,2）柔性齿轮消隙,3）对称传动消隙,双谐波传动消隙方法,1电动机；2小齿轮； 3 ，3减速传动齿轮； 4 ，4轴；5，5齿轮；6齿轮,1，2齿轮箱；3，4，5齿轮；6电动机； 7同步带；8压紧轮；9同步带传动,4）偏心机构消隙,5）齿廓弹性覆层消隙,偏心消隙机构 齿廓弹性覆层消隙,1电动驱动装置 电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。 电动驱动装置又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。 直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电机也得到了越来越广泛的应用。 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。,驱动装置的类型和特点,直流电机（有刷）,步进电机,盘式无刷直流电机,交流伺服电机,54,2. 液压驱动装置 优点：功率大，可省去减速装置直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。 缺点：需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。,液压马达,液压摆动马达,液压控制阀,液压泵,55,3气动驱动装置 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动装置相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。,气动马达,气动摆动马达,气缸,气泵,气动三大件,气动控制阀,56,驱动装置的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。 一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动装置。 只须点位控制且负荷较小者，或有防暴、清洁等特殊要求者，可采用气动驱动装置。 负荷很大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采用液压驱动装置。 对于驱动装置来说，最重要的指标要求是起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与之配套的数字控制系统。,4驱动装置的选择原则,新型的驱动方式 1. 磁致伸缩驱动 铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变, 其长度和体积都要发生微小的变化, 这种现象称为磁致伸缩。,58,形状记忆效应实验,原始形状,拉直,加热后恢复变形前形状,2. 形状记忆合金,59,60,形状恢复完全可逆需具备以下条件： 马氏体相变是热弹性的； 母相和马氏体呈现有序的点阵结构； 马氏体点阵的不变切变为孪生，亚结构为孪晶或层错； 马氏体相变在晶体学上是可逆的。,61,随着形状记忆材料研究的不断深入，发现不完全具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。 温度场可以诱导形状记忆效应，磁场、应力场等也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。,传统热诱导形状记忆合金,磁诱导形状记忆合金,Magnetic field,62,左图是一个双程CuZnAl记忆合金弹簧，它是SMA用作驱动器的典型形式。该弹簧是随温度变化自行伸缩的感温驱动元件。采用CuZnAl记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，典型伸缩温度为6585，自由状态为45mm，伸长状态为200mm。 可见其形变量较大，可以产生足够的驱动力。,利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其回复力可对外作功的特性，能够制成各种驱动元件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。,形状记忆合金驱动器,3. 静电驱动器 图2.77是一个带有电阻器移动子的三相静电驱动器的工作原理图。,图 2.77 三相静电驱动器工作原理,这种执行器有下列特征: (1) 因为移动子中没有电极, 所以不必确定与定子的相对位置, 定子电极的间距可以非常小。 (2) 因为驱动时会产生浮力,所以摩擦力小,在停止时由于存在着吸引力和摩擦力, 因此可以获得比较大的保持力。 (3) 因为构造简单, 所以可以实现以薄膜为基础的大面积多层化结构。 基于上述各点, 把这种执行器作为实现人工筋肉的一种方法, 受到了人们的关注。,4. 超声波电机 超声波电机的工作原理是用超声波激励弹性体定子， 使其表面形成椭圆运动， 由于其上与转子(或滑块)接触， 在摩擦的作用下转子获得推力输出。 如图2.78所示， 可以认为定子按照角频率0， 进行超声波振动， 在预压W作用下， 转子被推动。 超声波电机的负载特性与DC电机相似， 相对于负载增加， 转速有垂直下降的趋势， 将超声波电机与DC电机进行比较， 它的特点有： 可望达到低速、 高效率； 同样的尺寸， 能得到大的转矩； 能保持大转矩； 无电磁噪声； 易控制； 外形的自由度大等。,图 2.78 超声波电机的工作原理图,01,02,03,编织式气动肌肉,网孔式气动肌肉,嵌入式气动肌肉,气动肌肉,按结构形式可将气动肌肉分为三类：,气动肌肉驱动器(Pneumatic MuscleActuator，PMA)，以下简称气动肌肉，是一种新型的拉伸型气动驱动器，通常由一段包裹纤维网的橡胶筒和两端的接头附件连接组成，能够像生物肌肉那样产生很大的收缩力。,编织式气动肌肉,编织式气动肌肉主要由气密弹性管和套在它外面的编织套组成,网孔式气动肌肉,网孔式气动肌肉是网状式气动肌肉，网孔比较大，纤维比较稀疏，网是系结而成的，这种肌肉只能在较低的压力下工作。,嵌入式气动肌,气动肌肉承受负载的构件(丝、纤维) 嵌入到弹性薄膜里。,气动肌肉原理,气动肌肉的结构虽然很多，但原理上基本类似。其核心是个可膨胀的薄壁囊，外部为限制变形的支撑材料，两端使用连接件固定。对橡胶筒套充气时，橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大，长度缩短。此时，如果将气动人工肌肉与负载相联，就会产生收缩力；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，收缩力减小。,气动肌肉关节模型,气动肌肉和生物肌肉的工作原理是一样的，都是通过收缩产生的力来带动负载，一个气动肌肉收缩，另一个伸长，从而带动关节臂转动。,常用安装方式,旋转运动,直线运动,气动肌肉的特性,低成本、清洁安全、安装简便； 高功率/质量比和高功率/体积比； 具有柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，应用前景良好。,行程较小； 其充气变形为强非线性环节，难以实现精确控制； 柔性也使得精度和重复性受到了限制。,优点,缺点,理疗康复,该机器脚踝特别的地方是它的人工肌肉实际上是一系列气动管； 膝盖上超灵敏的传感器告诉它们如何行动时，它们会扩张和收缩。,机身结构的基本形式和特点,臂部结构的基本形式和特点,任务3 机身及臂部结构,机器人的平稳性和臂杆平衡方法,77,1、机身与臂部的配置形式,机身结构的基本形式和特点,2. 机身的典型结构,（1）回转与升降机身,单杆活塞气缸 驱动链传动机构,双杆活塞气缸 驱动链传动机构,（2）回转与俯仰机身,3. 机身驱动力(力矩)计算,（2）回转运动驱动力矩的计算,（1）垂直升降运动驱动力的计算,（3）升降立柱下降不卡死 (不自锁)的条件计算,偏重力臂的大小,偏重力矩,根据升降立柱平衡条件有,升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件,即：,4. 机身设计要注意的问题,83,1. 臂部的典型机构,（1）臂部伸缩机构,1手部 2夹紧缸 3油缸 4 导向柱 5运行架 6行走车轮 7轨道 8支座,四导向柱式臂伸缩机构,臂部结构的基本形式和特点,（2）手臂俯仰运动机构,1 手部 2 夹紧缸 3 升降缸 4 小臂 5，7 摆动缸 6 大臂 8 立柱,摆动缸驱动连杆俯仰臂机构,（3）手臂回转与升降机构,手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360的情况，也有采用升降缸与气马达-锥齿轮传动的结构。,2. 机器人手臂材料的选择,优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙、聚乙烯（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。,3. 臂部设计要注意的问题,机器人的平稳性和臂杆平衡方法,1. 质量平衡方法,2. 弹簧力平衡方法,90,任务4 腕部设计 腕部自由度 腕部典型结构 柔性手腕 腕部设计注意的问题,（1）手腕关节的滚转和弯转,1. 腕部自由度,手腕的坐标系和自由度,6种3自由度手腕的结合方式示意图,（2）RRR手腕,3R手腕关节远程传动示意,3R手腕结构示意,2. 腕部的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕,1回转缸；2 定片；3 腕回转轴；4 动片；5 手部,回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构,（2）二自由度手腕 1）双回转油缸驱动的腕部,l手部 2中心轴 3固定中心轴 4定片 5摆动回转缸 6动片 7回转轴 8回转缸,具有回转与摆动的二自由度腕部结构,2）齿轮传动二自由度腕部,齿轮传动回转和俯仰型腕部原理,1，2，3，4，5，6锥齿轮 7壳体 8手腕 9手爪,（3）三自由度手腕 1）液压直接驱动三自由度手腕,2）齿轮链轮传动三自由度腕部,1油缸；2链轮；3，4锥齿轮；5，6花键轴T；7传动轴S；8腕架; 9行星架；10，11，22，24圆柱齿轮；12，13，14，15，16，17，18，20锥齿轮；19摆动轴；21，23双联圆柱齿轮；25传动轴B,4 柔顺手腕结构 柔顺性装配技术。主动柔顺装配是从检测、 控制的角度出发, 采取各种不同的搜索方法, 实现边校正边装配; 有的手爪还配有检测元件, 如视觉传感器力传感器等。,移动摆动柔顺手腕,被动柔顺装配。从结构的角度出发, 在手腕部配置一个柔顺环节, 以满足柔顺装配的需要。,图 2.43 柔顺手腕动作过程,图 2.44 柔顺手腕,图 2.45 板弹簧柔顺手腕,图 2.46 钢丝弹簧柔顺手腕,5. 设计腕部时应注意的问题,107,任务5 手部设计 机器人手部的特点 手部的分类 手爪的设计和选用要求 典型的手抓结构,1. 机器人手部的特点,2. 手部的分类 （1）按用途,平面钳爪夹持圆柱零件,专用工具: 喷枪，焊具,（2）按夹持原理,（3）按手指或吸盘数目,三指手爪,柔性手指手爪,（4）按智能化,3. 手爪设计和选用的要求,夹钳式取料手 夹钳式手部与人手相似, 是工业机器人广为应用的一种手部形式。 它一般由手指(手爪)和驱动机构、 传动机构及连接与支承元件组成, 能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。,1. 手指 手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件, 就是通过手指的张开与闭合来实现的。机器人的手部一般有两个手指, 也有三个或多个手指,其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。 指端的形状通常有两类: V型指和平面指。如图2.3所示的三种V型指的形状, 用于夹持圆柱形工件。,(a) 固定V型； (b) 滚柱V型； (c) 自定位式V型,图 2.4 夹钳式手的指端 (a)平面指 （b）尖指 （c）特型指,如图2.4所示的平面指为夹钳式手的指端,一般用于夹持方形工件(具有两个平行平面), 板形或细小棒料。另外，尖指和薄、长指一般用于夹持小型或柔性工件。 其中, 薄指一般用于夹持位于狭窄工作场地的细小工件, 以避免和周围障碍物相碰; 长指一般用于夹持炽热的工件, 以免热辐射对手部传动机构的影响。,指面的形状常有光滑指面、齿形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑, 用来夹持已加工表面, 避免已加工表面受损。 齿形指面的指面刻有齿纹, 可增加夹持工件的磨擦力,以确保夹紧牢靠, 多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。 柔性指面内镶橡胶、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保护工件表面、 隔热等作用, 一般用于夹持已加工表面、炽热件,也适于夹持薄壁件和脆性工件。,2. 传动机构 传动机构是向手指传递运动和动力, 以实现夹紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动,又可分为摆动回转型和平动回转型。 (1) 回转型传动机构。夹钳式手部中较多的是回转型手部, 其手指就是一对杠杆,一般再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构, 用以改变传动比和运动方向等。,图 2.5 斜楔杠杆式手部,图2.5(a)所示为单作用斜楔式回转型手部结构简图。 斜楔向下运动, 克服弹簧拉力, 使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开, 从而夹紧工件; 斜楔向上移动, 则在弹簧拉力作下使手指松开。 手指与斜楔通过滚子接触可以减少摩擦力, 提高机械效率, 有时为了简化, 也可让手指与斜楔直接接触。 也有如图2.5(b)所示的结构。,图 2.6 滑槽式杠杆回转型手部,图2.6所示为滑槽式杠杆回转型手部简图, 杠杆形手指4的一端装有V形指5,另一端则开有长滑槽。 驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内, 当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时, 即可拨动两个手指各绕其支点(铰销3)作相对回转运动, 从而实现手指的夹紧与松开动作。,图 2.7 双支点连杆杠杆式手部,图2.7所示为双支点连杆杠杆式手部简图。 驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接, 当驱动杆2作直线往复运动时, 则通过连杆推动两杆手指各绕其支点作回转运动, 从而使手指松开或闭合。,图 2.8 齿条齿轮杠杆式手部,图2.8所示为齿轮齿条直接传动的齿轮杠杆式手部的结构。 驱动杆2末端制成双面齿条,与扇齿轮4相啮合, 而扇齿轮4与手指5固连在一起, 可绕支点回转。驱动力推动齿条作直线往复运动, 即可带动扇齿轮回转, 从而使手指松开或闭合。,(2) 平移型传动机构。平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的, 常用于夹持具有平行平面的工件(如冰箱等)。 其结构较复杂,不如回转型手部应用广泛。 直线往复型 复移动机构:实现直线往复移动的机构很多, 常用的斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等均可应用于手部结构。 它们既可是双指型的, 也可是三指(或多指)型的; 既可自动定心, 也可非自动定心。,图 2.9 直线平移型手部 (a)为斜楔平移机构, (b)为连杆杠杆平移结构, (c)为螺旋斜楔平移结构, 平面平行移动机构：图2.10所示为几种平面平行平移型夹钳式手部的简图。 它们的共同点是: 都采用平行四边形的铰链机构双曲柄铰链四连杆机构, 以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、 蜗杆蜗轮、 连杆斜滑槽的传动方法。,图 2.10 四连杆机构平移型手部结构,2007年机器人大赛,2.1.2 吸附式取料手 1. 气吸附式取料手 气吸附式取料手是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。 按形成压力差的方法,可分为真空吸附、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式等几种。 气吸式取料手与夹钳式取料手相比, 具有结构简单,重量轻, 吸附力分布均匀等优点,对于薄片状物体的搬运更有其优越性(如板材、 纸张、 玻璃等物体), 广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物体表面较平整光滑, 无孔无凹槽。,1) 真空吸附取料手 图2.11所示为真空吸附取料手的结构原理。其真空的产生是利用真空泵, 真空度较高。主要零件为碟形橡胶吸盘1, 通过固定环2安装在支承杆4上, 支承杆由螺母5固定在基板6上。 取料时, 碟形橡胶吸盘与物体表面接触, 橡胶吸盘在边缘既起到密封作用,又起到缓冲作用, 然后真空抽气,吸盘内腔形成真空, 吸取物料。放料时, 管路接通大气, 失去真空, 物体放下。为避免在取、 放料时产生撞击, 有的还在支承杆上配有弹簧缓冲。为了更好地适应物体吸附面的倾斜状况,有的在橡胶吸盘背面设计有球铰链。真空吸附取料手有时还用于微小无法抓取的零件, 如图2.12所示。,图 2.11 真空吸附取料手,图 2.12 微小零件取料手 (a) 垫圈取料手； (b) 钢球取料手,图 2.13 各种真空吸附取料手,图2.13所示为各种真空吸附取料手。,2) 气流负压吸附取料手 气流负压吸附取料手如图2.14所示。气流负压吸附取料手是利用流体力学的原理, 当需要取物时, 压缩空气高速流经喷嘴5时, 其出口处的气压低于吸盘腔内的气压, 于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压, 完成取物动作;当需要释放时, 切断压缩空气即可。这种取料手需要压缩空气,工厂里较易取得,故成本较低。,图 2.14 气流负压吸附取料手,3) 挤压排气式取料手 挤压排气式取料手如图2.15所示。其工作原理为: 取料时吸盘压紧物体, 橡胶吸盘变形, 挤出腔内多余的空气,取料手上升, 靠橡胶吸盘的恢复力形成负压, 将物体吸住; 释放时,压下拉杆3, 使吸盘腔与大气相连通而失去负压。 该取料手结构简单, 但吸附力小, 吸附状态不易长期保持。,图 2.15 挤压排气式取料手,2. 磁吸附式取料手 磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料, 因此只能对铁磁物体起作用; 另外,对某些不允许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。 电磁铁工作原理如图2.16(a)所示。当线圈1通电后, 在铁心2内外产生磁场, 磁力线穿过铁心, 空气隙和衔铁3被磁化并形成回路, 衔铁受到电磁吸力F的作用被牢牢吸住。实际使用时, 往往采用如图2.16(b)所示的盘式电磁铁, 衔铁是固定的, 衔铁内用隔磁材料将磁力线切断, 当衔铁接触磁铁物体零件时, 零件被磁化形成磁力线回路,并受到电磁吸力而被吸住。,图 2.16 电磁铁工作原理,图2.17所示为盘状磁吸附取料手的结构图。铁心1和磁盘3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2,既焊为一体又将铁心和磁盘分隔, 这样使铁心1成为内磁极, 磁盘3成为外磁极。其磁路由壳体6的外圈, 经磁盘3、 工件和铁心, 再到壳体内圈形成闭合回路, 以此吸附工件。铁心、磁盘和壳体均采用810号低碳钢制成, 可减少剩磁, 并在断电时不吸或少吸铁屑。盖5为用黄铜或铝板制成的隔磁材料,用以压住线圈11, 防止工作过程中线圈的活动。挡圈7、8用以调整铁心和壳体的轴向间隙, 即磁路气隙,在保证铁心正常转动的情况下,气隙越小越好,气隙越大， 则电磁吸力会显著地减小,因此, 一般取0.10.3 mm。 在机器人手臂的孔内可做轴向微量地移动, 但不能转动。铁心1和磁盘3一起装在轴承上, 用以实现在不停车的情况下自动上下料。,图 2.17 盘状磁吸附取料手结构,图 2.18 几种电磁式吸盘吸料示意图 (a) 吸附滚动轴承底座的电磁式吸盘； (b) 吸取钢板的电磁式吸盘； (c) 吸取齿轮用的电磁式吸盘； (d) 吸附多孔钢板用的电磁式吸盘,2.1.3 专用操作器及转换器 1. 专用末端操作器 机器人是一种通用性很强的自动化设备,可根据作业要求完成各种动作, 再配上各种专用的末端操作器后,就能完成各种动作。如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人, 安装拧螺母机则成为一台装配机器人。目前有许多由专用电动、气动工具改型而成的操作器, 如图2.19所示, 有拧螺母机、焊枪、电磨头、电铣头、抛光头、激光切割机等。 所形成的一整套系列供用户选用, 使机器人能胜任各种工作。,图2.19还有一个装有电磁吸盘式换接器的机器人手腕, 电磁吸盘直径60 mm, 质量为1 kg,吸力1100 N, 换接器可接通电源、信号、压力气源和真空源,电插头有18芯,气路接头有5路。为了保证联接位置精度,设置了两个定位销。在各末端操作器的端面装有换接器座,平时陈列于工具架上,需要使用时机器人手腕上的换接器吸盘可从正面吸牢换接器座,接通电源和气源, 然后从侧面将末端操作器退出工具架, 机器人便可进行作业。,图 2.19 各种专用末端操作器和电磁吸盘式换接器,2. 换接器或自动手爪更换装置 使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器, 就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成: 换接器插座和换接器插头, 分别装在机器腕部和末端操作器上,能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。 专用末端操作器换接器的要求主要有:同时具备气源、电源及信号的快速联接与切换; 能承受末端操作器的工作载荷; 在失电、 失气情况下, 机器人停止工作时不会自行脱离;具有一定的换接精度等。,图2.20所示为气动换接器和专用末端操作器库。该换接器也分成两部分: 一部分装在手腕上, 称为换接器; 另一部分装在末端操作器上, 称为配合器。利用气动锁紧器将两部分进行联接, 并具有就位指示灯以表示电路、 气路是否接通。 具体实施时, 各种末端操作器放在工具架上, 组成一个专用末端操作器库, 如图2.21所示。,图 2.20 气动换接器与专用末端操作器库,图 2.21 专用末端操作器库,3. 多工位换接装置 某些机器人的作业任务相对较为集中,需要换接一定量的末端操作器, 又不必配备数量较多的末端操作器库。这时， 可以在机器人手腕上设置一个多工位换接装置。例如,在机器人柔性装配线某个工位上,机器人要依次装配如垫圈、螺钉等几种零件, 装配采用多工位换接装置,可以从几个供料处依次抓取几种零件, 然后逐个进行装配, 既可以节省几台专用机器人,也可以避免通用机器人频繁换接操作器和节省装配作业时间。,多工位换接装置如图2.22所示, 就像数控加工中心的刀库一样, 可以有棱锥型和棱柱型两种形式。棱锥型换接装置可保证手爪轴线和手腕轴线一致, 受力较合理,但其传动机构较为复杂;棱柱型换接器传动机构较为简单, 但其手爪轴线和手腕轴线不能保持一致, 受力不良。,图 2.22 多工位末端操作器换接装置 (a) 棱锥型； (b) 棱柱型,2.1.4 仿生多指灵巧手 1. 柔性手 为了能对不同外形的物体实施抓取, 并使物体表面受力比较均匀, 因此研制出了柔性手。如图2.23所示为多关节柔性手腕,每个手指由多个关节串联而成。手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成,每个手指由两根钢丝绳牵引, 一侧为握紧, 另一侧为放松。 驱动源可采用电机驱动或液压、气动元件驱动。 柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物体受力较为均匀。 图2.24所示为用柔性材料做成的柔性手。一端固定,一端为自由端的双管合一的柔性管状手爪, 当一侧管内充气体或液体、另一侧管内抽气或抽液时形成压力差,柔性手爪就向抽空侧弯曲。此种柔性手适用于抓取轻型、圆形物体, 如玻璃器皿等。,图2.23多关节柔性手腕,图 2.24 柔性手,2. 多指灵巧手 机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。 如图2.25所示,多指灵巧手有多个手指, 每个手指有3个回转关节, 每一个关节的自由度都是独立控制的。因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿,诸如拧螺钉、弹钢琴、 作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器, 将会使多指灵巧手达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛,可在各种极限环境下完成人无法实现的操作, 如核工业领域、宇宙空间作业, 在高温、高压、高真空环境下作业等。,图 2.25 多指灵巧手,灵巧手的设计,灵巧手一般选取3-5个手指,2.1.5 其它手 1. 弹性力手爪 弹性力手爪的特点是其夹持物体的抓力是由弹性元件提供的,不需要专门的驱动装置, 在抓取物体时需要一定的压入力, 而在卸料时, 则需要一定的拉力。 图2.26所示为几种弹性力手爪的结构原理图。图2.26(a)所示的手爪有一个固定爪, 另一个活动爪6靠压簧4提供抓力, 活动爪绕轴5回转, 空手时其回转角度由平面2、3限制。 抓物时,爪6在推力作用下张开,靠爪上的凹槽和弹性力抓取物体; 卸料时, 需固定物体的侧面,手爪用力拔出即可。,图 2.26 弹性力手爪,2. 摆动式手爪 摆动式手爪的特点是在手爪的开合过程中, 其爪的运动状态是绕固定轴摆动的, 结构简单,使用较广,适合于圆柱表面物体的抓取。 图2.27所示为一种摆动式手爪的结构原理图。这是一种连杆摆动式手爪, 活塞杆移动, 并通过连杆带动手爪回绕同一轴摆动, 完成开合动作。,图 2.27 摆动式手爪的结构原理图,图2.28所示为自重式手部结构, 要求工件对手指的作用力的方向应在手指回转轴垂直线的外侧, 使手指趋向闭合。 用这种手部结构来夹紧工件是依靠工件本身的重量来实现的, 工件越重,握力越大。手指的开合动作由铰接活塞油缸实现。 该手部结构适用于传输垂直上升或水平移动的重型工件。,图 2.28 自重式手部结构,图2.29所示为弹簧外卡式手部结构。手指1的夹放动作是依靠手臂的水平移动而实现的。 当顶杆2与工件端面相接触时, 压缩弹簧3, 并推动拉杆4向右移动, 使手指1绕支承轴回转而夹紧工件。卸料时手指1与卸料槽口相接触, 使手指张开, 顶杆2在弹簧3的作用下将工件推入卸料槽内。这种手部适用于抓取轻小环形工件, 如轴承内座圈等。,图 2.29 弹簧外卡式手部结构,3. 勾托式手部 图2.30所示为勾托式手部结构示意图。勾托式手部并不靠夹紧力来夹持工件, 而是利用工件本身的重量, 通过手指对工件的勾、托、捧等动作来托持工件。应用勾托方式可降低对驱动力的要求,简化手部结构, 甚至可以省略手部驱动装置。该手部适用于在水平面内和垂直面内搬运大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的物体。 勾托式手部又有手部无驱动装置和驱动装置两种类型。,图 2.30 勾托式手部示意图 (a) 无驱动装置的手部； (b) 有驱动装置的手部,综合实例鸡蛋分检包装系统中的机器人,下面以鸡蛋分检包装系统为例，介绍机器人的系统分析方法。 明确机器人的目的和任务： 从传送带拾取一个鸡蛋； 把蛋置于强光下照射，测定蛋是否透光（有无胚胎生长）； 根据蛋有无胚胎，把蛋放入废品箱或包装箱内。,举例示图1：基本工作流程,举例示图2：机器人与环境的关系,分析机器人所在系统的工作环境：包括工作车间的平面布置，相互间的位置关系等。,分析系统的工作要求： 循环时间3.0s 每次循环有三种不同的运动： 移动到传送带并拾取一只鸡蛋； 移动到照射位置； 把鸡蛋放入纸箱或废品区。 一个循环中需要三次暂停： 闭合手爪0.2s；完成照射0.05s；开启手爪放蛋0.2s 每只鸡蛋重量85g；手爪重量369g 位置分辨率最低为1.27mm,确定机器人的自由度及运动范围：,初步分析：机器人满足上面提出的条件，应该具备一个旋转运动和两个直线运动。 仔细分析：还应该有一个附加旋转运动以对蛋进行定向排列。因为当受臂移动和转动时，鸡蛋的取向会发生改变。 确定技术参数为： 伸缩运动：45.761.0cm 腰部旋转： 90 腕部旋转：360 腕部垂直移动：50.8cm,1机器人基本参数的确定（1）：,自由度的确定：在系统分析时已经确定了。 臂力的确定： 对于专用机器人来说：是针对专门的工作对象来设计的，臂力主要根据被抓取物体的重量确定，取1.53.0的安全系数。 对于工业机器人来说：具有一定的通用性，臂力要根据被抓取物体的重量变化来确定。 工作范围的确定： 要根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定,二、技术设计,1机器人基本参数的确定（2）：,运动速度的确定： 主要是根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而根据机械手各部位的运动行程确定其运动速度。 定位精度的确定： 机器人的定位精度是根据使用要求确定的。而要达到这样的精度取决于机器人的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等。,夹紧工件,手臂升降,伸缩运动,回转运动,工作节拍5分钟,每一个动作都由5个关节协同完成,综合分配每个关节的运动速度,运动速度确定举例,2机器人运动形式的选择,直角坐标型：机器人的主体结构的关节都是移动关节。 特点： 结构简单，刚度高。 关节之间运动相互独立，没有耦合作用。 占地面积大，导轨面防护比较困难。,圆柱坐标型：圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩。亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。 特点： 通用性较强； 结构紧凑； 机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量。 受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围。,球面坐标式（极坐标）： 机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。 特点： 工作范围较大； 占地面积小； 控制系统复杂,SCARA机器人：有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个是移动关节。这种结构轻便、响应快。 特点： 结构轻便，响应快； 适用于平面定位和在垂直方向进行作的场合。,2机器人运动形式的选择（6）：,关节式机器人：关节式机器人的主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节。 特点：动作灵活，工作空间大；关节运动部位密封性好；运动学复杂，不便于控制。,207,初步确定机器人的结构：,图例：传感系统框图：,图例：控制系统总体方案,