第2章机器人机械结构

1第2章机器人的机械结构2.1机身和臂部2.2腕部和手部结构2.3传动部件设计22.1机身和臂部•一.机身和臂部的作用•机身是直接连接支承传动手臂和行走机构的部件，机身可以是固定的，也可以是行走式的•手臂部件用来支承腕部（关节）和手部（包括工件和工具），并带动它们在空间运动3二.机身和臂部设计应注意问题1.刚度：抵抗变形的能力（1）合理选择截面形状和轮廓尺寸--封闭空心截面抗弯抗扭能力较实心和开口截面大；工字钢的抗弯强度比园截面大（2）提高支承刚度和接触刚度（3）合理布置作用力的位置和方向-减小弯曲变形2.精度影响因素：装配精度，导向精度，刚度，耐磨性3.平稳性：（1）应结构紧凑，质量轻，减少惯性力（2）注意重心的位置4.其他：传动链力求简短；元件布置合理紧凑4三.机身和臂部的配置形式1.横梁式机身设计成横梁式，用于悬挂手臂，直移式运动，占地面积小，能有效的利用空间（1）单臂悬挂式手臂可沿横梁移动，也可上下伸缩5（2）双臂悬挂式（a）a.双臂平行布置，上料道与下料道分别设在机床的两侧，双臂能同时动作，两臂同步沿横梁移动，缩短辅助时间b.双臂交叉配置，两臂轴线交于机床的中心，两臂交错伸缩进行上下料，并同时沿横梁移动c.双臂交叉配置，悬伸梁式，横梁长度较a,b短，双臂位于横梁的同一侧6(2).双臂悬挂式（b）双臂回转型，双臂交叉且绕同轴回转，分别负责上下料（主要是盘状零件），只需一个动力源，结构紧凑，动作范围大72.立柱式（1）单臂配置固定的立柱上配置单个臂，一般臂部水平或倾斜安装在立柱的顶部。右图为立柱式浇注机器人，以平行四边形铰接的四连杆机构作为臂部，实现俯仰运动。浇包始终铅垂，该装置结构简单，稳定可靠8右图为铣端面，打中心孔机床的上料机器人，臂架2带动臂3绕机身立柱1回转，同时，通过行星齿轮使臂3绕臂架2的轴线回转，手部夹持中心的轨迹为一空间曲线，能迅速地将工件从料架送到机床的夹具上，但惯性较大，适用于中小型工件9（2）双臂配置双臂同步升降和回转机器人，两臂互成直角，当两臂下降时，上料手在料道上取料，下料手从机床两顶尖取下工件。两臂上升后转900再下降，上料手将毛坯放到顶尖间，下料手放工件双臂同步回转机器人，两臂的伸缩分别驱动用来完成较大行程的提升与转位工作，双臂对称布置，较平稳双臂水平交叉配置机器人，它通过两臂同时升降，交错伸缩，实现一手上料，一手下料10双臂立柱式机器人，双臂位于机身的前后两侧，可同时绕立柱轴线回转和绕水平轴作方向相反的俯仰运动。113.机座式（1）12机座式（2）可将几台机器围绕机器人布置，该机器人负责传送工件134.屈伸式大小臂在垂直于机床轴线的平面上运动，借助腕部旋转900，把工件放到机床顶尖间大小臂回转平面垂直141.升降回转型机身结构四.机身的结构形式152.升降台式活塞杆11带动下移轴8左右移动，通过连杆使平台升降162.俯仰式•4是回转油缸，•7是俯仰油缸17•3.直移型机身结构直移型型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是手臂的横梁184.类人机器人机身它没有直移型的升降装置，而是靠腿部和腰部的屈伸运动实现升降。须有驱动肩关节，腰关节，腿部的驱动装置19五.机械臂的典型结构•1.手臂直线运动的机构•常见方式：–行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；–当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动齿条传动的倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换为直线运动。•典型结构：–电机驱动的丝杆螺母直线结构20电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例212．手臂的回转运动机构•常见方式：–常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。•曲柄滑块机构：•典型机构：–液压缸—连杆回转机构：–齿轮驱动回转机构：2223双臂机器人手臂结构图例：运动特点：手臂关节的回转运动是通过液压缸-连杆机构实现。控制活塞的行程就控制了手臂摆角的大小。1—铰接活塞缸2—连杆3—手臂4—支承架24齿轮传动机构（1）25齿轮传动机构（2）263．关节型机械臂的结构（1）•存在的运动型式：–机身的旋转运动；–肩关节和肘关节的摆动；–腕关节的俯仰和旋转运动；•5轴关节型机器人。27五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：腰转肩转肘转俯仰偏转腰转姿态28肩关节、肘关节与手腕的协调五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：293．关节型机械臂的结构（2）•各运动的实现：–腕部的旋转：•电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5–腕部俯仰：•电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4–肘关节摆动：•电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3–肩关节的摆动：•电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n230关节型机器人传动系统图：腕部的旋转腕部俯仰肘关节摆动肩关节的摆动31腕部旋转局部图例：电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n532电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4腕部俯仰局部图例：33电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3肘关节局部图例：34肩关节局部图例：电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2352.2腕部和手部结构•一.腕部•是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态的作用。•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的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。•并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。36手腕自由度图例：腕部坐标系手腕的偏转手腕的俯仰手腕的回转37二.手腕的设计要求•结构紧凑、重量轻；•动作灵活、平稳，定位精度高；•强度、刚度高；•与臂部及手部的连接部位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。38三.手腕的分类1．按自由度的数目分（1）：•单自由度手腕：–手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下单一功能：•单一的翻转功能：手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线，常回转角度不受结构限制，可以回转360°以上。该运动用翻转关节（R关节）实现。•单一的俯仰功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直，转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现。•单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现。•Ｔ手腕－移动关节(Translation)39R手腕B手腕B手腕T手腕单自由度手腕图例：401．按自由度的数目分（2）：•二自由度手腕：–可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。41BR手腕BB手腕RR手腕(属于单自由度)二自由度手腕图例：421．按自由度的数目分（3）：•三自由度手腕：–有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。43BBR手腕BBR手腕B三自由度手腕图例：442．按手腕的驱动方式分：•直接驱动手腕：–驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。•远距离传动手腕：–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。451）液压直接驱动BBR手腕图例：RBB偏转俯仰回转462）.单回转腕部结构示例473）双回转油缸驱动手腕•结构特点：–采用双回转油缸驱动，一个带动手腕作俯仰运动，另一个油缸带动手腕作回转运动。–V-V视图表示的回转缸中动片带动回转油缸的刚体，定片与固定中心轴联结实现俯仰运动；L-L视图表示回转缸中动片与回转中心轴联结，定片与油缸缸体联结实现回转运动。48双回转油缸驱动手腕图例：494）轮系驱动的二自由度BR手腕：•结构特点：–由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动，其中手腕的回转运动由传动轴S传递，手腕的俯仰运动由传动轴B传递。50轮系驱动二自由度手腕图例（1）•回转运动：轴S旋转→锥齿轮副Z1、Z2→锥齿轮副Z3、Z4→手腕与锥齿轮Z4为一体→手腕实现绕C轴的旋转运动俯仰回转51轮系驱动二自由度手腕图例（2）：•俯仰运动：轴B旋转→锥齿轮副Z5、Z6→轴A旋转→手腕壳体7与轴A固联→手腕实现绕A轴的俯仰运动52轮系驱动二自由度手腕图例（3）：•附加回转运动：轴S不转而B轴回转→锥齿轮Z3不转→锥齿轮Z3、Z4相啮合→迫使Z4绕C轴线有一个附加的自转，即为附加回转运动。•附加回转运动在实际使用时应予以考虑。必要时应加以利用或补偿。53附加运动动作分解：轴主动齿轮固定不动行星运动545）轮系驱动的RBR手腕：•结构特点：–该机构为由齿轮、链轮传动实现的回转、俯仰和360度回转运动的RBR手腕结构。55轮系驱动三自由度手腕图例（1）：回转运动：–轴S旋转→齿轮副Z10/Z23、Z23/Z11→锥齿轮副Z12、Z13→锥齿轮副Z14、Z15→手腕与锥齿轮Z15为一体→手腕实现旋转运动俯仰回转360度回转56轮系驱动三自由度手腕图例（2）：•俯仰运动：–轴B旋转→齿轮副Z24/Z21，Z21/Z22→齿轮副Z20、Z16→齿轮副Z16、Z17→齿轮副Z17、Z18→轴19旋转→手腕壳体与轴19固联→实现手腕的俯仰运动57轮系驱动三自由度手腕图例（3）：•360度回转运动：–油缸1中的活塞左右移动→带动链轮2旋转→锥齿轮副Z3/Z4→带动花键轴5、6旋转→花键轴6与行星架9连在一起→带动行星架及手腕作360度回转运动58轮系驱动三自由度手腕图例（4）：•附加俯仰运动：–轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架回转时→迫使齿轮Z22绕齿轮Z21的过程中自转→经过Z20、Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动59轮系驱动三自由度手腕图例（5）：•附加回转运动：–轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架回转时→迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、Z13、Z14、Z15实现附加回转运动60•思考题：1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？3、齿轮17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试分析其运动。612.3手部结构一、手部的特点手部是一个独立的部件，手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。1.手部与手腕相连处可拆卸：•手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。62•手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。•2．手部是末端操作器：可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。•3．手部的通用性比较差：工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。63二、手部的设计要求•应具有一定的开闭范围从手指张开的极限位置到闭合夹紧时手指位置的变动量,开闭范围太小,影响通用性.回转:角度平移:距离•具有足够的夹持力N=(2-3)G保证运动过程工件不脱落,但夹紧力过大,损坏工件•保证工件在手指内的定位精度根据工件形状.加工精度和装配精度的要求,选择适当的手指形状和手部结构•结构紧凑,重量轻,效率高选择轻质材料•通用性和互换性提高通用化程度64三.手部的分类•1.按夹持方式分：外夹式：–手部与被夹件的外表面相接触。内撑式：–手部与工件的内表面相接触。内外夹持式：–手部与工件的内、外表面相接触65夹持方式图例662．按手爪的运动形式分：•回转型：–当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓