机械臂结构设计原理

机械臂结构一、臂部设计的基本要求1．承载能力足：手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。2．刚度高：为了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。工字型截面的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。工字钢（GB706-88）：1、工字钢的型号与高度尺寸h有关，如：10号工字钢即指其高度尺寸为100mm。2、其它参数如截面积、单位长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。3、工字钢的长度按长度系列购买。如：5~19m。槽钢（GB707-88）1、槽钢的型号与高度尺寸h有关，如：10号槽钢即指其高度尺为100mm。2、其它参数如截面积、单位长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。3、导向性能好，定位精度高：为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。同时要采用一定形式的缓冲措施。4．重量轻、转动惯量小：为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。5．合理设计与腕部和机身的连接部位：臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。二、机械臂的运动形式1．直角坐标型：臂部由三个相互正交的移动副组成。带动腕部分别沿X、Y、Z三个坐标轴的方向作直线移动。结构简单，运动位置精度高。但所占空间较大，工作范围相对较小。2．圆柱坐标型：臂部由一个转动副和两个移动副组成。相对来说，所占空间较小，工作范围较大，应用较广泛。3．关节型：由动力型旋转关节和前、下两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。4．极坐标型：臂部由两个转动副和一个移动副组成。产生沿手臂轴X的直线移动，绕基座轴Y的转动和绕关节轴Z的摆动。其手臂可作绕Z轴的俯仰运动，能抓取地面上的物体。三、典型机械臂结构1．手臂直线运动机构常见方式：行程小时：采用油缸或汽缸直接驱动；当行程较大时：可采用油缸或汽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：油缸驱动的手臂伸缩运动结构电机驱动的丝杆螺母直线运动结构油缸—齿条机构图例：油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：特点：工作行程长，抓重大，适合于抓举工件形状不规则、有偏转力矩的场合。电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：2．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：假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时，可以推动曲柄做摆动或圆周运动。典型机构：液压缸—连杆回转机构：齿轮驱动回转机构：平面四杆机构图例：平面四杆机构双曲柄机构双摇杆机构平面四杆机构演变图例：曲柄滑块机构双臂机器人手臂结构图例：1—铰接活塞缸2—连杆3—手臂4—支承架运动特点：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。齿轮驱动回转机构图例：3．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；各运动的协调：称为5轴关节型机器人。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五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：肩关节、肘关节与手腕的协调3．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n2关节型机器人传动系统图：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n5腕部俯仰局部图例：电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4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n2四、机械臂的控制1、伺服系统的分类：液压伺服系统：机械臂各关节的运动通常由液压伺服阀控制液压缸实现。电动伺服系统：机械臂各关节的运动通常由步进电机或直流电机驱动。肘关节局部图例：电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3伺服直线液压缸图例：电动伺服控制系统图例：