机器人机械结构

第三章机器人机械结构本章主要内容：1.机器人末端执行器2.机器人手腕3.机器人手臂4.机器人基座5.机器人传动重点和难点：机器人的机械结构构成和分类。课后作业：查阅工业机器人机械结构的常见零部件，论述其特点，图文并茂以小论文形式上交。机器人机械结构的功能是实现机器人的运动机能，完成规定的各种操作，包含手臂、手腕、手爪和行走机构等部分。机器人的“身躯”一般是粗大的基座，或称机架。机器人的“手”则是多节杠杆机械——机械手，用于搬运物品、装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。使用机械手处理高温、有毒产品的时候，它比人手更能适应工作。1.机器人末端执行器用在工业上的机器人的手一般称之为末端操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧专用工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。机械手能根据电脑发出的命令执行相应的动作，不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，也就是“感觉”。末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：(1)夹钳式取料手；(2)吸附式取料手；(3)专用操作器及转换器；(4)仿生多指灵巧手。（1）夹钳式取料手夹钳式取料手由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，如图所示。它通过手指的开、合实现对物体的夹持。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、四个或五个手指，其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。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。回转型又分为单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。斜楔杠杆式手部。（2）吸附式取料手吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手适应于大平面、易碎(玻璃、磁盘)、微小的物体，因此使用面较广。1）气吸附式取料手气吸附式取料手与夹钳式取料手指相比，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具有其优越性(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。2）挤压排气吸附式取料手挤压排气吸附式取料手如图所示。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。3）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，但是对某些不允许有剩磁的零件禁止使用，所以磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。（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。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。（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。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，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。2.机器人手腕（1）概述机器人手腕是在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件。机器人手腕主要用来确定被抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成。机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。工业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。（2）手腕的分类1）按自由度分手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。①单自由度手腕，如图所示，图(a)是一种翻转(Roll)关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式，这种R关节旋转角度大，可达到360°以上。图(b)、(c)是一种折曲(Bend)关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种B关节因为受到结构上的干涉，旋转角度小，大大限制了方向角。②二自由度手腕。二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕(a)；也可以由两个B关节组成BB手腕(b)。但是，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(c)。③三自由度手腕2）按驱动方式分①油（气）缸驱动的腕部结构，直接用回转油（气）缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑、灵巧等优点。图3.26所示的腕部结构，采用回转油缸实现腕部的旋转运动。②机械传动的腕部结构，如图所示为具有三个自由度的机械传动腕部结构的传动图，是一个具有三根输入轴的差动轮系。腕部旋转使得附加的腕部机构紧凑，质量轻。从运动分析的角度看，这是一种比较理想的三自由度腕，这种腕部可使手的运动灵活，适应性广。目前，它已成功地用于点焊、喷漆等通用机器人上。3.机器人手臂手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受末端执行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影响机器人的工作性能，所以臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。手臂特性如下：(1)刚度要求高，为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。(2)导向性要好，为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。(3)重量要轻，为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。(4)运动要平稳、定位精度要高，由于臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动既不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。（1）手臂直线运动机构机器人手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线运动的机构形式较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及活塞缸和连杆机构等。直线往复运动可采用液压或气压驱动的活塞油（气）缸。由于活塞油（气）缸的体积小、重量轻，因而在机器人手臂结构中应用比较多。双导向杆手臂的伸缩结构如图3.29所示。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端。当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）做往复直线移动；导向杆3在导向套4内移动，以防手臂伸缩式的转动（并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在2根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单、传动平稳、外形整齐美观、结构紧凑。（2）手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构。下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮齿条机构为例说明手臂的回转。（3）手臂俯仰运动机构机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油缸与连杆机构来实现。手臂的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，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱联接。（4）手臂复合运动机构手臂的复合运动多数用于动作程序固定不变的专用机器人，它不仅使机器人的传动结构简单，而且可简化驱动系统和控制系统，并使机器人传动准确、工作可靠，因而在生产中应用的比较多。除手臂实现复合运动外，手腕和手臂的运动亦能组成复合运动。手臂(或手腕)和手臂的复合运动，可以由动力部件(如活塞缸、回转缸、齿条活塞缸等)与常用机构(如凹槽机构、连杆机构、齿轮机构等)按照手臂的运动轨迹(即路线)或手臂和手腕的动作要求进行组合。（5）新型的蛇形机械手臂目前普通工业机器人都能够达到0.1mm的重复精度，无论是直线运动，还是绕轴转动，甚至是要进行复杂的曲面移动，现在一般的工业机器人都能够很好的完成。一方面得益于机械加工精度的日益提高，另一方面依靠了现代化的控制技术保证了机器人定位的精确。蛇型手臂一般具有高度柔性，可深入装配结构当中进行均匀涂层，从而增加生产率，适用于在飞机翼盒的组装探视工作及引擎组装中进行深度检测等。4.机器人基座机器人机座是机器人的基础部分，起支承作用，可分为固定式和移动式两种。一般工业机器人中的立柱式、机座式和屈伸式机器人大多是固定式的；但随着海洋科学、原子能工业及宇宙空间事业的发展，可以预见具有智能的、可移动机器人是今后机器人的发展方向。（1）固定式机器人固定式机器人的机座既可直接联接在地面基础上，也可固定在机身上。美国PUMA-262型的垂直多关节型机器人如图3.36所示，其基座主要包括立柱回转(第一关节)的二级齿轮减速传动，减速箱体即为基座。（2）行走式机器人行走机构是行走式机器人的重要执行部件，它由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身臂和手部，因而必须具有足够的刚度和稳定性；另一方面还根据作业任务的要求，带动1）固定轨迹式行走机构固定轨迹式行走机器人的机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这是工厂中常见的一种配置形式。机器人实现在更广阔的空间内运动。2）无固定轨迹式行走机构①车轮式行走机构在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。车轮式移动机器人如图所示。②履带式移动机构。轮式行走机构在野外或海底工作，遇到松软地面时可能陷车，故宜采用履带式行走机构。它是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。③步行式行走机构与运行车式机构相比，步行式行走机构，有以下优点：第一，可以在高低不平的地段上行走。第二，由于脚的主动性，身体不随地面晃动。第三，在柔软的地面上运动，效率并不显著降低。5.机器人的传动（1）移动关节导轨及转动关节轴承①移动关节导轨②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。（2）传动件的定位及消隙1）传动件的定位工业机器人的重复定位精度要求较高，设计时应根据具体要求选择适当的定位方法。目前常用的定位方法有电气开关定位、机械挡块定位和伺服定位。2）传动件的消隙一般传动机构存在有间隙，也叫侧隙。就齿轮传动而言，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。但是，传动间隙是不可避免的，其产生的主要原因有: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。下面介绍适合工业机器人采用的几种常用的传动消隙方法。①消除间隙齿轮②柔性消除间隙齿轮③对称传动④偏心机构消除间隙⑤齿廓弹性覆层消隙此种消隙是指齿廓表面覆有薄薄一层弹性很好的