典型机器人结构示例

典型机器人结构示例 主讲 周兰 引言： 本讲主要介绍美国 Unimation公司的 产品： PUMA 262型关节式通用机器 人 。 一、 PUMA 262型机器人简介 1结构特点： PUMA 262型机器人是一个关节型 机器人 ： 主体结构三个自由度 （ 腰转 关节 、 肩关节 、 肘关节 ） 以及 手腕的 三个自由度 （ 俯仰 、 偏转 、 回转 ） 都 是回转运动 。 传动精度高 ， 结构小巧紧凑 ， 重量轻 ， 工作范围大 ， 适应性广 。 PUMA 262型机器人结构图： 关节 1 关节 2 关节 3 关节 4 关节 5 关节 6 2应用场合： 广泛用于医药 、 食品 、 电子 、 机械等 行业 ， 从事包装 、 材料配制 、 安装 ， 以及小型机电元件的装配 、 搬运 、 喷 涂 、 机器加载 、 试验 、 检查等工作 。 3主要技术参数（ 1）： 结构型式： 关节式 自由度数： 6 运动范围： 1 2 3 4 5 6 308 314 292 578 244 534 3主要技术参数（ 2）： 最大速度： 1.23m/s 腕部最大载荷： 1 驱动方式： 直流伺服电机 操作方式： 示教再现 二、主要构成 1立柱和基座（ 1）： 立柱 ： 用于支承整个臂部和腕部 ， 同时 大臂带动小臂和腕部绕固定于立柱上的 水平轴作回转运动 。 立柱为薄臂铝管制 成 ， 内部安装了关节 1的回转轴及其轴 承 、 轴承座 。 1立柱和基座（ 2）： 基座 ： 支承整个立柱以上部分 ， 同时与 作业现场固定联接 。 基座上装有 关节 1 的 驱动电机 以及基座内部为该关节的两 级直齿圆柱齿轮 减速器 ；基座上有小臂 的 定位夹板 ， 两个控制手爪装置的 气动 阀 。 整个基座是一个铝制的整体铸件 。 立柱和基座图例： 2大臂： 主要由内部铝制的整体铸件骨架外加薄 铝盖板构成 。 大臂上装有肩关节 （ 关节 2） 、 肘关节 （ 关节 3） 的驱动电机 ， 内 部装有相应的减速机构 。 大臂图例： 3小臂： 小臂端部连着手腕 ， 内部装有俯仰运动 （ 关节 5） 、 偏转运动 （ 关节 4） 、 回转 运动 （ 关节 6） 的驱动电机及部分减速齿 轮 。 小臂图例（ 1）： 小臂图例（ 2）： 4手腕： 一端连着小臂 ， 另一端连着手部 。 需完 成三个方向的旋转运动 。 整个手腕由三 个部分构成： 实现手部回转运动部分 ； 实现手腕 、 手部俯仰运动部分 ； 实现整 个手腕偏转运动部分 。 手腕图例： 三、主要运动 1腰转运动： 运动 传动链 ： 关节电机 1 Z1/Z2 Z3/Z4 Z4与立柱空心 轴相连 实现腰转 结构 特点 ： 轴 38为一对轴承支承的悬臂轴； 齿轮 33与空心轴 31固联 ， 空心轴由两个推 力轴承限制其轴向位移 。 轴套 30起轴承座 的作用 。 腰转运动传动原理图： 腰转运动结构图： 2肩关节运动（ 1）： 肩关节运动即是大臂绕固定于立柱的水 平轴的旋转运动 。 运动 传动链 ： 关节电机 2 联轴器 伞齿轮 Z5/Z6 直齿轮 Z7/Z8 直齿轮 Z9/Z10 直齿轮 Z10与立柱固联 直齿轮 Z10不能旋转 小齿轮 Z9自转又公转 带动大臂绕立柱水平轴旋转 实现肩转 2肩关节运动（ 2）： 结构 特点 ： 在俯视图和 A A示图中 ， 后壳盖 9与立柱空 心轴 31螺纹联接 ， 空心轴 10与后壳盖 9螺纹 联接 ， 空心轴 10固定不动 。 齿轮 17与后壳盖 9螺纹联接 ， 齿轮 17固定不 动 ， 当小齿轮 16与之啮合时 ， 只能是自转又 公转 ， 由于轴 14支承在大臂上 ， 带动大臂绕 水平轴 10旋转 ， 实现肩关节的旋转运动 。 肩关节运动传动原理图： 肩关节运动结构图（ 1）： 肩关节运动结构图（ 2）： 肩关节运动结构图（ 3）： 3肘关节运动： 肘关节的运动主要是小臂绕大臂的旋转运动 。 运动 传动链 ： 关节电机 3 联轴器 联轴器 伞齿轮 Z11/Z12 直 齿轮 Z13/Z14 直齿轮 Z15/Z16 齿轮 Z16与小臂骨架固 联 带动小臂旋转 结构 特点 ： 齿轮与小臂骨架固联 ， 齿轮的旋转运动直接带动小 臂 ， 完成肘关节的旋转运动 。 肘关节运动传动原理图： 肘关节运动结构图（ 1）： 肘关节运动结构图（ 2）： 肘关节运动结构图（ 3）： 肘关节运动结构图（ 4）： 小臂 固联于大臂骨架 4手腕的俯仰运动： 运动 传动链 ： 关节电机 5 联轴器 直齿轮 Z21/Z22 伞齿轮 Z17/Z18 齿轮 18与手腕活动部分固联 与手爪连接 部分与手腕活动部分固联 带动手腕活动部分连同 手爪连接部分旋转运动 完成俯仰运动 结构 特点 ： 当进行俯仰运动时 ， 有附加的手部回转运动 ， 其实 现过程如下： 当手腕部分俯仰而无其它的运动时 回转电机 6不 动 齿轮 Z27不动 俯仰运动时齿轮 Z28的传动轴由 于安装在手腕活动部分也要绕轴线 5旋转 齿轮 Z28 自转 向后传递 手腕有附加回转运动 手腕的俯仰运动传动原理图： 俯仰运动 偏转运动 手腕的俯仰运动结构图： 5手腕的回转运动： 运动 传动链 ： 关节电机 6 联轴器 伞齿轮 Z25/Z26 伞 齿轮 Z27/Z28 直齿轮 Z29/Z30 手腕实现回 转运动 结构 特点 ： 图中所示的方向与偏转运动的方向相同 ， 这是一个特殊的时刻 。 当手腕俯仰至与手 爪连接部分向上时 ， 便成为手部的回转运 动 。 手腕的回转运动传动原理图： 俯仰运动 偏转运动 回转运动 手腕的回转运动结构图： 6手腕的偏转运动（ 1）： 运动 传动链 ： 关节电机 4 直齿轮 Z17/Z18 联轴器 联轴 器 直齿轮 Z19/Z20 直齿轮 Z20与手腕固定 部分相连 带动手腕固定部分连同手腕活动 部分及手腕回转部分一同旋转实现偏转运动 。 结构 特点 ： 手腕完成偏转运动时有两个附加运动 ， 一个 是手腕的回转运动 ， 一个是手腕的俯仰运动 。 6手腕的偏转运动（ 2）： 附加回转 运动 ： 手腕实现偏转运动 带动手腕活动部分偏转 齿轮 Z27、 Z26的轴支承在手腕活动部分并随手腕活动部 分偏转 （ 4） 关节电机 6不动 齿轮 Z25不动 齿 轮 Z27、 Z26绕 4公转又自转 传至齿轮 Z30 手腕有 附加回转运动 附加俯仰运动： 手腕实现偏转运动 带动手腕活动部分偏转 齿轮 Z18与手腕活动部分固联并随手腕活动部分偏转 （ 4） 关节电机 5不动 齿轮 Z17不动 齿轮 Z18绕 4公转 又自转 手腕有附加俯仰运动 手腕的偏转运动传动原理图： 俯仰运动 偏转运动 回转运动 手腕的偏转运动结构图： 四、 PUMA 262机器人整体结构 1大臂的结构图（ 1）： 主要问题： 1、机器人的主要构 成。 2、分析存在的主要 运动。机器人的类型。 3、各机器人主体部 分的传动路线及传动 特点。 4、当机器人手腕处 于什么位置时，三个 运动退化为两个运动。 1大臂的结构图（ 2）： 2小臂的结构图（ 1）： 2小臂的结构图（ 2）： 3回转基座的结构图（ 1）： 五、典型零部件 1弹性管联轴器（ 1）： 结构 特点 ： 属于小型联轴器 ， 是将一段管子的中部加工 出螺旋槽 ， 即成为弹性管联轴器 。 管子的材 料主要为各类铜合金或不锈钢等具有较高弹 性 、 疲劳强度和塑性好的材料 。 联轴器中段的螺旋槽 ， 使其在轴向 、 周向都 有较大的柔性 ， 能朝任何方向弯曲 。 能补偿 两轴不同轴的偏斜及轴向长度的偏差 。 还能 起到缓和冲击 、 衰减振动的作用 。 1弹性管联轴器（ 2）： 安装： 弹性管的两端为夹紧轴的结构 ， 有两个螺钉 ， 一个用来顶紧轴 ， 防止轴相对转动；另一个 用来锁紧 ， 防止轴的轴向松动 。 使用： PUMA 262机器人转轴的连接上 ， 便使用 着这种联轴器 。 弹性管联轴器图例： 2电磁制动闸（ 1）： 主要组成 ： 主要由电磁铁 、 磁性活动压块 、 锥形块 ， 弹 簧 、 定位板等构成 。 工作原理： 当手臂切断电源时 ， 弹簧 1把活动压块 6紧压 锥形块 4， 而锥形块 4与轴 5固联 ， 由于摩擦 ， 轴 5被锁住 。 当手臂电源接通时 ， 电磁铁 8通 电产生磁力 ， 把活动压块 6吸向电磁铁 ， 与 锥形铁 4脱开 ， 轴 5便能自由转动 。 2电磁制动闸（ 2）： 应用： 为了保证手臂操作过程的安全可靠 ， PUMA 262机器人在关节 1、 2、 3电机轴上 各装有一个电磁制动闸 。 当给闸起作用时 ， 使手臂保持原有的姿态 。 电磁制动闸图例： PT-600弧焊机器人： PT-600型机器人是五自由度关节型弧 焊机器人。采用直流伺服电机驱动、 微机控制，结构紧凑，工作范围大， 不仅用于弧焊作业，还可用于搬运和 装配作业。 PT-600弧焊机器人外形图（ 1）： PT-600弧焊机器人外形图（ 2）： PT-600弧焊机器人腰部结构图： PT-600弧焊机器人大臂装配图： PT-600弧焊机器人小臂结构图： PT-600弧焊机器人碗部结构图： PT-600机器人小臂和腕部的连接： 思考题： 分析腰部的结构特点、工作原理及采用 的轴承特点； 分析大臂的结构特点 ； 分析小臂的结构特点； 画出手腕的机械传动链，分析手腕存在 的运动，并分析其结构。