工业机器人机械系统设计.ppt

第五章 工业机器人机械系统设计,主要内容,5.1工业机器人总体设计 5.2传动部件设计 5.3臂部设计 5.4手腕设计 5.5手部设计 5.6机身及行走机构设计,5.1工业机器人总体设计,一、主体结构设计 工业机器人坐标形式有： 直角坐标式 圆柱坐标式 球面坐标式(极坐标式) 关节坐标式。,1.直角坐标式机器人,一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动(Z方向运动)，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动(x和y方向运动)。 直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。 直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。,直角坐标机器人演示,直角坐标机器人应用,直角坐标式机器人的优点是： (1)结构简单。 (2)容易编程。 (3)采用直线滚动导轨后，速度高，定位精度高。 (4)在x，y和z三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。,直角坐标式机器人主要缺点是： (1)导轨面的防护比较困难。 (2)导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。 (3)为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。 (4)结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。 (5)移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。,起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标机器人中的比重正在增加。,2圆柱坐标式机器人,圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。 手腕通常采用两（三）个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。,圆柱坐标式机器人的优点： （1）除了简单的“抓一放”作业外还可以用在许多其它生产领域。 (2)结构紧凑。 (3)在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善动力学载荷。,圆柱坐标式机器人的缺点：主要是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。,3球面坐标式机器人,球面坐标式机器人具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。 在这类机器人中最出名的一种产品是美国unimation公司的Unimation 机器人，它的结构简图如图所示。 机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线(柱身)转动、水平轴线(关节6) 的转动、手臂伸缩的移动关节2，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。,4关节坐标式机器人,关节坐标式机器人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，手腕的三个自由度上的转动关节(俯仰，偏转和翻转)用来最后确定末端操作器的姿态。,关节坐标式机器人的优点： （1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。 (2)具有很高的可达性。 (3)因为没有移动关节，所以不需要导轨。 (4)所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。,关节坐标式机器人的缺点： (1)肘关节和肩关节轴线是平行的，当大小臂舒展成直线时虽能抵达很远的工作点，但是机器人结构刚度比较低。 (2)机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。,二、传送方式的选择,传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动方式。 基本的连接形式和驱动方式有如下几种： （1）直接连接传动。驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。 （2）远距离连接传动。驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。 （3）间接驱动。驱动源经一个速比远大于1的机械传动装置与关节相连。 （4）直接驱动。驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于1的机械传动这样的中间环节与关节相连。,1直接连接传动的特点,优点：驱动电机直接装在关节上、结构紧凑。 缺点：电机比较重，腰转时大臂关节电机和小臂关节电机随之运动；大臂转动时小臂关节电机也随之运动。不仅增加了能量消耗，而且增大了转动惯量从动力学观点来看对系统相有损害。 克服的办法：把肘关节电机、肩关节电机都放到机器人的基础部件上，通过远距离的机械传动把电机动力传给肘和肩关节。,2远距离连接传动,远距离连接传动机器人的主要优点： (1)克服了直接连接传动的缺点。 (2)可以把电机作为一个平衡质量，获得平衡性良好的机器人主体结构。,2远距离连接传动,远距离连接传动机器人的主要缺点： (1)远距离传动产生额外的间隙和柔性，影响机器人的精度。 (2)增加能量消耗。 （3）结构庞大，传动装置占据了机器人其它子系统所需要的空间。,图所示SCARA机器人采用了一种折哀的方案： 因为手腕离机器人基础件最远，把手腕电机从手腕处移到基础件附近安装，中间采用同步带传动； 因基础件附近空间已经比较狭窄，并且臂1的刚性也比较好，肘关节电机就直接装在肘关节上。,3间接驱动机器人,间接驱动机器人是驱动电机和关节之间有一个速比远大于1的机械传动装置。 使用机械传动装置的理由是： (1)工业机器人关节转轴的速度不高，而关节驱动力矩要求比较大。一般电机满足不了这个要求，所以需要采用速比较大、传动效率较高的机械传动装置作为电机和关节之间传递力矩和速度的中间环节。 (2)用于直接驱动的高转矩低速电机虽然已经开发出来，但是电机价格高，并且转矩体积比和转矩重量比还比较小。,3间接驱动机器人,(3)直接驱动对载荷变化十分敏感。 (4)采用机械传动装置后，可选用高速低转矩电机，对制动器设计和选用十分有利，制动器尺寸小。 (5)可以通过机械传动装置解决可能出现的倾斜轴之间、平行轴之间以及转动-移动之间的运动转换。,4直接驱动机器人,直接驱动机器人也叫作DD机器人(Direct Drive Robot)简称DDR。 DD机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接，也包括一种采用速比等于l的钢带传动的直接驱动机器人。 DD机器人的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。,DD机器人与间接驱动机器人相比如下优点： (1)机械传动精度高。 (2)振动小，结构刚度好。 (3)机械传动损耗小。 (4)结构紧凑、可靠性高。 (5)电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速范围宽。,目前主要存在的问题是： (1)载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难和复杂。 (2)对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求。 (3)电机的转矩重量比，转矩体积比不大，需开发小型实用的DD电机。 (4)电机成本高。,三、模块化结构设计,1.模块化工业机器人 模块化机器人是由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭的方式组成一个工业机器人系统。 模块化设计是指基本模块设计和结合部设计。,模块化机器人演示,2模块化工业机器人的特点,(1)经济性： 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： 1)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。 2)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。 3)能不断对现规模块化工业机器人更新改造。,机器人演示,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。 (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。,四、材料的选择,正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。,选择的基本要求：,强度高。 弹性模量大。 重量轻。 阻尼大。 材料价格低。,五.平衡系统设计,1工业机器人平衡系统的作用 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，关节驱动力矩项包括重力矩项，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“例塌”的趋势。,1工业机器人平衡系统的作用 (2)借助平衡系统能降低因机器人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。,2平衡系统设计的主要途径 （1） 质量平衡技术； （2） 弹簧力平衡技术； （3） 可控力平衡技术。,（1) 质量平衡技术 通常采用平行四边形机构构成平衡系统。其原理是在系统中增加一个质量，与原构件的质量形成一个力的平衡，该平衡系统不随机器人位姿的变化而失去平衡。,5.2传动部件设计,用户要求机器人速度高、加速度(减速度)特性好、运动平稳、精度高、承载能力大。这在很大程度上决定于传动部件设计的合理性和优劣，所以，关节传动部件的设计是工业机器人设计的关键之一。,5.2传动部件设计,一、移动关节导轨及传动关节轴承 (一)移动关节导轨 1工业机器人对移动导轨的要求 (1)间隙小或能消除间隙； (2)在垂直于运动方向上的刚度高； (3)摩擦系数低并不随速度变化， (4)高阻尼； (5)移动导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低。,移动关节导轨有五种： (1)普通滑动导轨 (2)液压动压滑动导轨 (3)液压静压滑动导轨 (4)气浮导轨 (5) 滚动导轨。,普通滑动导轨、液压动压滑动导轨的特点： 具有结构简单、成本低的优点 但是它必须留有间隙以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化； 另外这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时，容易产生爬行现象等缺点,液压静压滑动导轨的特点： 静压导轨结构能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。,气浮导轨的特点： 不需回收润滑油的，但是它的刚度和阻尼较低，并且对制造精度和环境的空气条件(过滤和干燥)要求较高。,滚动导轨的特点： 1）摩擦小，特别是不随速度变化； 2）尺寸小； 3）刚度高，承载能力大； 4）精度和精度保持性高； 5）润滑简单； 6）容易制造成标准件； 7）滚动导轨易加顶载，消除间隙、增加刚度。,滚动导轨在工业机器人机械系统中也存在缺点： （1）阻尼低； （2）对脏物比较敏感。,(二)转动关节轴承,球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。它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。,二、传动件的定位及消隙,(一) 传动件的定位 目前常用的定位方法： 电气开关定位 机械挡块定位 伺服定位,1电气开关定位,电气开关定位是利用电气开关(有触点或无触点)作行程检测元件，当机械手运行到定位点时，行程开关发信号，切断动力源或接通制动器，从而使机械手运行到定位点。 使用电气开关定位的机械手其结构简单、工作可靠、维修方便，但由于受惯性力、油温波动和电控系统误差等因素的影响，重复定位精度比较低。,2机械挡块定位,机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手减速运动到终点时紧靠挡块而定位。 若定位前缓冲较好、定位时驱动压力未撤除，在驱动压力下将运动件压在机械挡块上，或驱动压力将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定位精度。 若定位时关闭驱动油路、去掉驱动压力，机械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果和机械手的结构刚性等因素有关。,3伺服定位系统,伺服系统可以输入指令控制位移的变化，从而获得良好的运动特性。它不仅适用于点位控制，而且也适用于连续轨迹控制。 开环伺服定位系统没有行程检测及反馈，是一种直接用脉冲频率变化和脉冲数控制机器人速度和位移的定位方式。这种定位方式抗干扰能力差，定位精度较低。 闭环伺服定位系统具有反馈环节，其抗干扰能力强，反应速度快，容易实现任意点定位。,(二)传动件的消隙,传动机构存在有间隙、也叫侧隙。 齿轮传动的侧隙是指一对齿轮中一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大的角位移。 传动的间隙，影响了机器人的重复定位精度和平稳性。 对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的非线性变化、振动和不稳定。,传动间隙产生的主要原因有： 由于制造及装配误差所产生的间隙； 为适应热膨胀而特意留出的间隙。 消除传动间隙的主要途径有： 提高制造和装配精度； 设计可调整传动间隙的机构； 设置弹性补偿零件。,1.消隙齿轮,消隙齿轮由具有相同齿轮参数的并只有一半齿宽的两个薄齿轮组成，利用弹簧的压力使它们与配对的齿轮两侧齿廓相接触，完全消除了齿侧间隙。,1.消隙齿轮,图(b)用螺钉3将两个薄齿轮1和2连接在一起，代替(a)中的弹簧。,2柔性齿轮消隙,图（a）所示为一种具有弹性的柔性齿轮，在装配时对它稍许加些预载就能引起轮壳的变形从而使每个轮齿的双侧齿廓都能啮合，消除了侧隙。,2柔性齿轮消隙,图(b)所示为采用了径向柔性齿轮，轮壳和齿圈是刚性的，但与齿轮圈连接处具有弹性。,3偏心机构消隙,如图所示的偏心机构实际上是中心距调整机构。特别是齿轮磨损等原因造成传动间隙增加时，最简单的方法是调整中心距。,偏心消隙机构,4齿廓弹性覆层消隙,齿廓表面覆盖有薄薄一层弹性很好的橡胶层，相啮合的一对齿轮加以预载，可以完全消除啮合侧隙，如图所示。,三、谐波传动,机器人对减速器的要求如下： (1)运动精度高，间隙小，以实现较高的重复定位精度； (2)回转速度稳定，无波动，运动副间摩擦小，效率高; (3)体积小，重量轻，传动扭矩大。,减速器减速比n的选择应当能最大限度地利用电机功率，即机械阻抗匹配。 工作臂的惯性矩 电机的惯性矩,三、谐波传动,从现有的工业机器人来看，所选的电机功率总是偏大，减速比也过大。 当减速比大时，工作臂的惯性对电机影响小，但电机速度容易饱和； 当减速比小时，工作臂运动的反作用力对电机影响大，这需要进行机构的动力学计算。 常用的减速器是行星齿轮机构和谐波传动机构。,图5.35 行星齿轮传动,图5.35所示为行星齿轮传动结构简图。行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑；载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。,行星齿轮传动动画演示,图5.36 谐波传动,1刚轮；2刚轮内齿圈；3输入轴；4谐波发生器； 5轴；6柔轮；7柔轮齿圈,谐波发生器是在椭圆型凸轮的外周嵌入薄壁轴承制成的部件。轴承内圈固定在凸轮上，外圈依靠钢球发生弹性变形，一般与输入轴相连。,三、谐波传动,图5.36 谐波传动,1刚轮；2刚轮内齿圈；3输入轴；4谐波发生器； 5轴；6柔轮；7柔轮齿圈,柔轮是杯状薄壁金属弹性体，杯口外圆切有齿，底部称为柔轮底，用来与输出轴相连。,三、谐波传动,图5.36 谐波传动,1刚轮；2刚轮内齿圈；3输入轴；4谐波发生器； 5轴；6柔轮；7柔轮齿圈,工作原理：由于谐波发生器4的转动使柔轮6上的柔轮齿圈7与刚轮1上的刚轮内齿圈2相啮合。输入轴为3，如果刚轮1固定，则轴5为输出轴；如果轴5固定，则刚轮1的轴为输出轴。,谐波传动演示,如果刚轮1不转动( )，谐波发生器 为输入，柔轮轴 为输出，速比为 式中：负号表示柔轮向谐波发生器旋转方向的反向旋转。 代表输入、输出轴的角速度； 为刚轮(圆形花键轮)内齿圈2的齿数， 为柔轮齿圈7的齿数。,三、谐波传动,如果柔轮6静止不转动( )，谐波发生器 为 输入，则刚轮(圆形花键轮)1的轴 为输出，速比为,三、谐波传动,谐波传动的优点是： 尺寸小，惯量低； 因为误差均布在多个啮合点上，传动精度高； 因为加预载啮合，传动侧隙非常小； 因为多齿啮合，传动具有高阻尼特性。,三、谐波传动,谐波传动的缺点是： 柔轮的疲劳问题； 扭转刚度低； 以输入轴速度2、4、6倍的啮合频率产生振动； 谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差。,例：有一谐波齿轮传动，钢轮齿数为200，柔轮齿数为198，刚轮固定，柔轮输出，求该谐波传动的传动比。,课堂练习：有一谐波齿轮传动，钢轮齿数为200，柔轮齿数为198，柔轮固定，刚轮输出，求该谐波传动的传动比。,四、丝杠螺母副及滚珠丝杠传动,滑动式丝杠螺母机构是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并且能自锁。因丝杠的螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩可获得较大的牵引力。 丝杠螺母螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动效率低。 滚珠丝杠传动效率高，而且传动精度和定位精度均很高，传动时灵敏度和平稳性好。由于磨损小，滚珠丝杆的使用寿命比较长，但成本较高。,图5.38为滚珠丝杠的基本组成：导向槽4连接螺母的第一圈和最后一圈，使其形成滚动体可以连续循环的导槽。,图5.38 滚珠丝杠的基本组成 1丝杠；2螺母；3滚珠；4导向槽,滚珠丝杠演示,图5.39 丝杠螺母传动的手臂升降机构,图5.39所示为采用丝杠螺母传动的手臂升降机构。由电动机1带动蜗杆2使蜗轮5回转，依靠蜗轮内孔的螺纹带动丝杠4作升降运动。为了防止丝杠的转动，在丝杠上端铣有花键与固定在箱体6上的花键套7组成导向装置。,1电动机；2蜗杆；3臂架；4丝杠；5蜗轮；6箱体；7花键套,五、其他传动,1.活塞缸和齿轮齿条机构 齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动，带动与手臂连接的齿轮作往复回转，即实现手臂的回转运动。,1.活塞缸和齿轮齿条机构,图所示为手臂作回转运动的结构。活塞油缸两腔分别进压力油推动齿条活塞作往复移动，与齿条啮合的齿轮即作往复回转。由于齿轮与手臂固联，从而实现手臂的回转运动。,图所示为气压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结构。活塞杆3左移时，与活塞杆3相联接的齿轮2也左移，并使运动齿条l一起左移，由于齿轮2与固定齿条相啮合，因而齿轮2在移动的同时又在固定齿条上滚动，并将此运动传给1，从而使1又向左移动一距离。因手臂固联于齿条1上，所以手臂的行程和速度均为活塞杆3的行程和速度的两倍。,图5.46 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,2带传动与链传动,1) 同步带传动 同步带的传动面上有与带轮啮合的梯形齿。同步带传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。,图5.40 同步带形状,2) 滚子链传动,滚子链传动属于比较完善的传动机构，由于噪声小，效率高，因此得到了广泛的应用。 但是，高速运动时滚子与链轮之间的碰撞会产生较大的噪声和振动，只有在低速时才能得到满意的效果。,3绳传动与钢带传动,1) 绳传动 绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传动，特别适合有限行程的运动传递。 绳传动的主要优点是：钢丝绳强度大，各方向上的柔软性好，尺寸小，预载后有可能消除传动间隙。,绳传动的主要缺点是： 1)不加预载时存在传动间隙； 2)因为绳索的蠕变和索夹的松弛使传动不稳定； 3)多层缠绕后，在内层绳索及支承中损耗能量；效率低； 4)易积尘垢 .,2) 钢带传动 钢带末端紧固在驱动轮和被驱动轮上，因此，摩擦力不是传动的重要要素。钢带传动适合于有限行程的传动。,图5.41 钢带传动,钢带传动的优点是传动比精确，传动件质量小，惯量小，传动参数稳定，柔性好，不需润滑，强度高。,5.3臂部设计,一、臂部设计的基本要求 1.刚度要求高 2导向性要好 3.重量要轻 4运动要平稳、定位精度要高,二、手臂的常用结构,1.手臂直线运动机构 机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。 常用的有活塞油(气)缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。 由于活塞油(气)缸的体积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用比较多。,2手臂回转运动机构 常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等.,三、臂部运动驱动力计算,计算臂部运动驱动力(包括力矩)时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。 机器人工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。,1.臂部水平伸缩运动驱动力的计算 臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油(气)缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。 其驱动力可按下式计算：,三、臂部运动驱动力计算,-各支承处的摩擦阻力(N),-启动过程中的惯性力(N)，其大小可按下式估算,M手臂伸缩部件的总质量(kg)； a-启动过程中的平均加速度。 平均加速度可按下式计算：,一速度增量(ms)。如果臂部从静止状态加速到工作速度v时，则这个过程的速度变化量就等于臂部的工作速度；,升降速过程所用时间(s) 。,2臂部回转运动驱动力矩的计算,臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于升速过程一般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。,-各支承处的总摩擦力矩(Nm)；,-启动时惯性力矩(Nm)，一般按下式计算：,2臂部回转运动驱动力矩的计算,式中：J手臂部件对其回转轴线的总转动惯量；,回转臂的工作角速度(rads)；,回转臂升速时间(s)。,5.4手腕设计,一、概述 工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。,为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴x、y、z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度，如图536所示。通常也把手腕的翻转用R表示；把手腕的俯仰用P表示；把手腕的偏转用Y表示。,二、手腕的分类,按自由度数目来分类 手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。 (1)单自由度手腕,(2)二自由度手腕 二自由度手腕:BR手腕,BB手腕。 不能由两个R关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线。所以退化了一个自由度，实际只构成了单自由度手腕。,(3)三自由度手腕,三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式 。,5.5机器人手部设计,人的手有两种定义：第一种定义是医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种定义是把手掌和手指部分叫做手。 机器人的手部也叫做末端执行器，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。,5.5机器人手部设计,一、机器人手部的特点 (1) 手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头。 (2) 手部是机器人末端执行器。 (3) 手部的通用性比较差。 (4) 手部是一个独立的部件。,弹钢琴的机器人,二、手部的分类,1按用途分 1) 手爪 主要功能是：抓住工件，握持工件，释放工件。 抓住在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件在手爪内必须具有可靠的定位，保持工件与手爪之间准确的相对位姿，并保证机器人后续作业的准确性。 握持确保工件在搬运过程位置和姿态的准确性。 释放在指定点上除去手爪和工件之间的约束关系。,二、手部的分类,2) 工具 工具是进行某种作业的专用工具，如喷漆枪、焊具等，如图5.19所示。,2按夹持原理分,按夹持原理手爪可分为机械手爪、磁力类手爪和真空类手爪三种。,3按手指或吸盘数目分,(1) 按手指数目分:二指手爪、多指手爪。 (2) 按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪。 (3) 吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。,4按智能化分,(1) 普通式手爪。 (2) 智能化手爪。,三、手爪设计和选用的要求,1被抓握的对象物 几何参数： 工件尺寸、 可能抓握表面的数目、位置和方向、 夹持表面之间的距离、 夹持表面的几何形状。 机械特性： 质量、 材料、 表面状态、 工件温度等。,2物料储存装置 与机器人配合工作的物料储存装置对手爪最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求。,3机器人作业顺序 一台机器人在齿轮箱装配作业中需要搬运齿轮和轴，并进行装配。虽然手部可以既抓握齿轮也可以夹持轴，但是，不同零件所需的夹紧力和爪钳张开距离是不同的，手部设计时应考虑被夹持对象物的顺序。必要的时候可采用多指手爪，以增加手部作业的柔性。,4手爪和机器人匹配 手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连接，手爪自重也增加了机械臂的负载，这两个问题必须给予仔细考虑。 接口匹配：手爪是可以更换的，手爪形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同。 手爪自重不能太大，机器人能抓取工件的重量是机器人承载能力减去手爪重量。,5环境条件 作业区域内的环境状况很重要，比如高温、水、油等不同环境会影响手爪的工作。,四、普通手爪设计,1机械式手爪设计 1) 驱动 机械式手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。 气动手爪的优点：结构简单，成本低，容易维修，而且开合迅速，重量轻。 缺点是空气介质的可压缩性使爪钳位置控制比较复杂。,图5.23所示为一种气动手爪，气缸4中压缩空气推动活塞3使连杆齿条2作往复运动，经扇形齿轮1带动平行四边形机构，使爪钳5快速开合。,图5.23 气动手爪 1扇形齿轮；2齿条； 3活塞；4气缸；5爪钳,2) 爪钳 爪钳是与工件直接接触的部分，它们的形状和材料对夹紧力有很大影响。 夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，对夹持工件来说显得更安全。 图所示是具有V形爪钳表面的手爪，其有四条折线与工件相接触，形成力封闭形式的夹持状态，比平面爪钳夹持安全可靠很多。,2磁力吸盘设计,磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。 图5.26所示为电磁吸盘的结构示意图。,图5.26 电磁吸盘结构 l电磁吸盘；2防尘盖；3线圈；4外壳体,3真空式吸盘设计,真空式吸盘主要用于搬运体积大，重量轻的零件。 真空式吸盘要求工件表面平整光滑、干燥清洁，同时气密性要好。 根据真空产生的原理真空式吸盘可分为： 1) 真空吸盘 2) 气流负压吸盘 3) 挤气负压吸盘,1) 真空吸盘 吸盘吸力在理论上决定于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内、外压差，但实际上其与工件表面状态有十分密切的关系，工作表面状态影响负压的泄漏。 采用真空泵能保证吸盘内持续产生负压，所以这种吸盘比其他形式吸盘的吸力大。,图5.27 真空吸盘控制系统 1电动机；2真空泵；3、4电磁阀；5吸盘；6通大气,2) 气流负压吸盘,气流负压吸盘的工作原理如图5.28所示，压缩空气进入喷嘴后，使橡胶皮腕内产生负压。,图5.28 气流负压吸盘,3) 挤气负压吸盘,图5.29所示为挤气负压吸盘的结构。,图5.29 挤气负压吸盘 1吸盘架；2压盖；3密封垫；4吸盘；5工件,3) 挤气负压吸盘,工作原理：吸盘压向工件表面时，将吸盘内的空气挤出；松开时，吸盘恢复弹性变形使吸盘内腔形成负压，将工件牢牢吸住，机械手即可进行工件搬运；到达目标位置后，用碰撞力P使压盖2动作，破坏吸盘腔内的负压，释放工件。,4真空吸盘的新设计,(1) 自适应吸盘。 图5.31所示自适应吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化。,4真空吸盘的新设计,(2) 异形吸盘。 图5.32所示异形吸盘为异形吸盘中的一种。通常吸盘只能吸附一般的平整工件，而该异形吸盘可用来吸附鸡蛋等物件，扩大了真空吸盘在工业机器人上的应用。,5.6机身及行走机构设计,工业机器人机械结构有三大部分：机身、手臂(包括手腕)、手部。,一、机身设计,机身是支承臂部的部件。一般实现升降、回转和仰俯等运动，常有1至3个自由度。 机身设计时要注意下列问题： (1)要有足够的刚度和稳定性； (2)运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，避免发生卡死现象，一般要有导向装置； （3)结构布置要合理。,1回转与升降机身,(1) 回转运动采用摆动油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。因摆动油缸安置在升降活塞杆的上方，故活塞杆的尺寸要加大。 (2) 回转运动采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。 (3) 链轮传动机构。,(3) 链轮传动机构。链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于360。,2回转与俯仰机身,机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油(气)缸与连杆机构实现。 手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环方式与立柱连接。,3.机身驱动力(力矩)计算,（1）垂直升降运动驱动力的计算 作垂直运动时，除克服摩擦力之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总重力以及升降运动的全部部件惯性力，故其驱动力可按下式计算：,为各支承处的摩擦力(N)；,为启动时的总惯性力(N)；,W为运动部件的总重力(N)；对于式中的正、负号，上升时为正，下降时为负。,（2）回转运动驱动力矩的计算,回转运动驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩；机身自身运动部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总惯性力矩，故驱动力矩可按下式计算：,：为总摩擦阻力矩(Nm)；,：为各回转运动部件的总惯性力矩 (Nm)。,式中：为升速或制动过程中的角速度增量 (rad/s)； t为回转运动升速过程或制动过程的时间； J0为全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量。,二、行走机构设计,1.概述 机器人可分成固定式和行走式两种。 行走机构由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。 行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。 固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。 无固定轨迹行走方式，按其行走机构的结构特点可分为轮式、履带式和步行式。,2固定轨道可移动机器人 该机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。 这种可移动机器人主要用在作业区域大的场合。,3.无固定轨迹式行走机器人,无轨行走机器人必须具备功能完备的外部传感器，能对环境进行了解和判断，能对环境中发生的事件进行监视和反应机器人具备自我规划能力，包括任务分解，任务排序，信息资源管理，以及几何规划等。,（1）典型行走机构,图5.54 具有三组轮子的轮系,2) 具有四组轮子的轮系 具有四组轮子的轮系其运动稳定性有很大提高。但是，要保证四组轮子同时和地面接触，必须使用特殊的轮系悬挂系统。,3) 两足步行式机器人 步行式行走机构有两足、三足、四足、六足、八足等形式，其中两足步行式机器人具有最好的适应性，也最接近人类，故也称之为类人双足行走机器人。,图5.55 两足步行式机器人行走机构原理图,双足机器人,四足机器人,六足机器人,4) 履带式行走机器人,履带式行走的特点：可以在有些凹凸的地面上行走；可以跨越障碍物；能爬梯度不太高的台阶。 缺点：由于没有自定位轮，没有转向机构，只能靠左右两个履带的速度差实现转弯。,5) 其他行走机器人,图5.61 能在壁面上爬行的机器人,