机器人结构设计

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 任 务 1 工 业 机 器 人 总 体 设 计 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 。 (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 。 (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 。 模 块 化 结 构 设 计(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 。 机 器 人 本 体 材 料 的 选 择 平 衡 系 统 设 计 任 务 2： 工 业 机 器 人 的 驱 动 与 传 动 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 。（ 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 （ d） 液 压 传 动 （ 直 接 平 移 ） （ 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 (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 （ 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 （ 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 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 （ 1） 齿 轮 传 动 （ 2） 丝 杠 传 动 （ 4） 带 传 动 与 链 传 动 （ 5） 绳 传 动 与 钢 带 传 动 （ 6） 杆 、 连 杆 与 凸 轮 传 动 （ 7） 流 体 传 动 （ 1） 传 动 件 的 定 位 （ 2） 传 动 件 的 消 隙 3 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 。 直 流 电 机 （ 有 刷 ） 步 进 电 机盘 式 无 刷 直 流 电 机 交 流 伺 服 电 机 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 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 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 。 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 。 原始形状拉直加热后恢复变形前形状 传统热诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金Magnetic field 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 65 85 ， 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 010203 编 织 式 气 动 肌 肉网 孔 式 气 动 肌 肉嵌 入 式 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 Muscle Actuator， 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 。 单 向 收 缩成 对 使 用充 气 变 形可 膨 胀 薄 壁 囊支 撑 材 料连 接 件放 气 回 缩 1、 机 身 与 臂 部 的 配 置 形 式 q m g P F F Wq m gM M M g 0M J t i iiG LL GWL N1F h WL m1 m2 N12 2 LW F F F f Wfh 2h fL 3 3 3m O GSV m2 2 2 3 3 32 m O G m O GO V m 0M 0 1 sinM Fr 2 2sin(90 ) cossin r rl l 0( )F k l l 0 1 20 ( ) cosk l l rrM l 任 务 4 腕 部 设 计 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 任 务 5 手 部 设 计 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 8 10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 0.1 0.3 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 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 。 二 、 技 术 设 计 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 初 步 确 定 机 器 人 的 结 构 ：