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No.1第2章机器人结构设计基础2.1本体基本结构2.2手部设计2.3腕部设计2.4臂部设计2.5缓冲与定位2.6行走机构No.2一、机器人本体基本结构组成:1、传动部件2、机身及行走机构3、臂部4、腕部5、手部2.1机器人本体的基本结构No.3KUKA公司的工业机器人在工作2.1机器人本体的基本结构No.4二、机器人本体基本结构特点:1、可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系,连杆系末端自由且无支承,这决定了机器人的结构刚度不高,并随连杆系在空间位姿的变化而变化。2.1机器人本体的基本结构No.5二、机器人本体基本结构特点:2、开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器,属于主动连杆系,连杆的运动各自独立,不同连杆的运动之间没有依从关系,运动灵活。2.1机器人本体的基本结构No.6二、机器人本体基本结构特点:3、连杆驱动扭矩的顺态过程在时域中的变化非常复杂,且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型,因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。2.1机器人本体的基本结构No.7二、机器人本体基本结构特点:4、连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的,因此,极容易发生振动或出现其他不稳定现象。2.1机器人本体的基本结构No.8二、机器人本体基本结构特点:↑工作负载与自重的比值↑静、动态刚度→↑定位精度、跟踪精度→↓控制系统的要求、造价→↑机械系统设计的灵活性↑固有频率→避开工作频率→↑系统的稳定性2.1机器人本体的基本结构No.92.1机器人本体的基本结构1、材料选择的基本要求:强度高弹性模量大重量轻阻尼大材料经济性三、机器人本体材料的选择:No.10三、机器人本体材料的选择:1、机器人常用材料:碳素结构钢和合金结构钢(广泛采用)铝、铝合金及其他轻合金材料(重量轻)纤维增强合金(较高的E/ρ比)陶瓷纤维增强复合材料(高阻尼)粘弹性大阻尼材料2.1机器人本体的基本结构No.11SIWR-Ⅰ型和Ⅱ型水下作业机械手模拟试验装置2.2手部设计No.122.2手部设计新松的装配机器人No.132.2手部设计2.2.1钳爪式手部的设计2.2.2吸盘式手部的设计2.2.3类人机器人的手部——关节式手指No.142.2手部设计习题:设计一手部结构,用来抓取盘中的苹果。要求:画出结构,并给出关键尺寸。说明其驱动方式及计算增力比N/P。No.15机器人的手部是重要的执行机构。从其功能和形态上看,它可分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。前者应用较多,也比较成熟,后者正处于深入研究阶段。工业机器人的手部是用来抓取工件或工具的部件。由于被抓取的工件的形状、尺寸、重量、材质等的不同,手部的结构也是多种多样的,大部分的手部结构是根据特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工作原理不同,结构型式各异。常用的手部按其握持原理的不同可分为两类,即钳爪式和吸附式。2.2.1钳爪式手部的设计No.162.2手部设计No.172.2.1钳爪式手部的设计No.18钳爪式手部的组成一般的钳爪式手部由以下三部分组成:手指:传动机构:驱动装置:此外,还有连接和支撑元件,将上述各部分连接成一个整体,以及实现手部与机器人的腕部的连接。2.2.1钳爪式手部的设计No.19一、手指2.2.1钳爪式手部的设计No.20二、传动机构——回转型传动机构2.2.1钳爪式手部的设计斜楔杠杆式手部No.21二、传动机构——回转型传动机构2.2.1钳爪式手部的设计滑槽杠杆式手部No.22二、传动机构——回转型传动机构2.2.1钳爪式手部的设计双支点连杆杠杆式手部No.23二、传动机构——回转型传动机构2.2.1钳爪式手部的设计齿条齿轮杠杆式手部No.24二、传动机构——平移型传动机构2.2.1钳爪式手部的设计直线平移型手部No.25二、传动机构——平移型传动机构2.2.1钳爪式手部的设计四连杆机构平移型手部No.261-齿条2-齿轮3-工件齿轮齿条移动式手爪1322.2.1钳爪式手部的设计二、传动机构——其它结构型式No.27重力式手爪二、传动机构——其它结构型式No.28拨杆杠杆式钳爪二、传动机构——其它结构型式No.29内撑式三指钳爪二、传动机构——其它结构型式No.30三、钳爪式手部的设计要点2.2.1钳爪式手部的设计应具有足够的夹紧力应具有足够的张开角应能保证工件的可靠定位应具有足够的强度和刚度应适应被抓取对象的要求应尽量做到结构紧凑、重量轻、效率高应具有一定的通用性和可互换性No.31四、钳爪式手部结构举例以及夹紧力的分析计算2.2.1钳爪式手部的设计手部机构的结构型式不同,其特点也各不相同,下面仅举几个结构实例及其夹紧力的计算公式供设计时参考。钳爪式手部机构夹持工件的夹紧力是通过驱动装置(液压、气动或电动)所产生的驱动力经过手部机构的传递而产生的。No.32四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例齿轮齿条式手部结构注:①两手指平移②增力比(N/P)小N=P/2NNP2.2.1钳爪式手部的设计No.33四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例平行连杆杠杆式手部结构N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)注:①AB=DE,DB=AE,L=BC杆长,l=AB杆长;②两手指保持平行;③当α角较小时,可获得较大的力比。NNPABCEαβγ2.2.1钳爪式手部的设计No.34四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例连杆杠杆式手部结构αφPNNcbN=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ注:①手指开闭角较小;②当取较小的α时,可获得较大的增力比(即N/P)2.2.1钳爪式手部的设计No.35四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例斜楔杠杆式手部结构PcbPNN=Pcctgα/2Nα2.2.1钳爪式手部的设计No.36四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例滑槽杠杆式手部结构PNNαbN=Pc/2b2.2.1钳爪式手部的设计No.37吸附类手部也主要分为两种,即气吸式和磁吸式两种。气吸式是指用负压吸盘吸附工件,按负压产生的方式不同,可分为挤压式和真空式两种。磁吸式手部是在手腕部装上电磁铁,通过电磁吸力把工件吸住。2.2.2吸附式手部的设计No.38一、气吸式手部的种类真空吸盘系统2.2.2吸附式手部的设计No.39一、气吸式手部的种类123451-电机2-真空泵3,4-电磁阀5-吸盘真空吸盘控制系统42.2.2吸附式手部的设计No.40一、气吸式手部的种类气流负压喷嘴吸盘结构原理图挤压负压式吸盘2.2.2吸附式手部的设计No.41吸力大小与吸盘的直径大小,吸盘内的真空度(或负压大小)以及吸盘的吸附面积的大小有关。工件被吸附表面的形状和表面不平度也对其有一定的影响,设计时要充分考虑上述各种因素,以保证有足够的吸附力。应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工件,故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘状吸头。二、气吸式手部的设计要素2.2.2吸附式手部的设计No.42三、气吸式手部的吸力计算2.2.2吸附式手部的设计吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或负压的大小)与吸附面积的大小。真空吸盘吸力F计算公式:)76(43212HKKKnDFNo.43磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生磁力来吸取工件。磁吸式手部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,磁吸式手部的使用有一定的局限性。2.2.2吸附式手部的设计四、磁吸式手部的原理与应用No.44五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的设计电磁铁工作原理No.45五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的设计盘状磁吸附手部结构No.46五、磁吸式手部2.2.2吸附式手部的设计几种电磁式吸盘工作示意图No.47应具有足够的电磁吸引力。应根据被吸附工件的形状、大小来确定电磁吸盘的形状、大小,吸盘的吸附面应与工件的被吸附表面形状一致。电磁吸力的计算a.直流电磁铁的吸力计算:b.交流电磁铁的吸力计算:NBS250002()NBSm平均()50022.2.2吸附式手部的设计六、磁吸式手部的设计要点及计算12345678910111.磁盘;2-防尘盖;3-线圈;4-外壳体;5-螺母;6-防尘螺母;7,9-垫圈;8-螺母;10-轴承;11-出导线孔No.482.2.1钳爪式手部的设计带“眼睛”(机器视觉系统)的件箱拆垛手爪;工料定位精度≤mm,负载能力≥100kg;物料最大尺寸:1000mm×600mm,可2件或3件一起抓取。带“眼睛”(机器视觉系统)的辅料堆垛手爪;工料识别准确率:100%,工料定位精度≤1mm,负载能力≥125kg;物料最大尺寸:600mm×500mm件箱堆垛手爪:负载能力≥100kg,物料最大尺寸:1000mm×600mm带传感器识别、抓取薄膜的拆包手爪:识别定位精度≤0.5mm,带抓取、剪断钢质捆扎带机构。烟包搬运机械手:搬运负载能力≥300kg,带取夹板辅助功能。No.49大部分的工业机器人的手部只有两个手指,而且手指上一般没有关节。为了使机器人的手臂能完成各种不同的工作,有更大的适应性和通用性,除了要使臂部具有更大的空间活动范围外,还要在其上安装一个更灵巧的手,即类人手。这种手是由若干带有关节的手指构成。2.2.3类人机器人的手部—关节式手指No.50类人机器人的手部具有多关节的三指手No.51类人机器人的手部1,9-适应弹簧2,3,8-连杆4-食指5-中指6-无名指7-小指10-蜗轮11-驱动杆贝尔格莱德手1234567891011No.52在张启先院士的主持下,北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发。灵巧手有三个手指,每个手指有3个关节,3个手指共9个自由度,微电机放在灵巧手的内部,各关节装有关节角度传感器,指端配有三维力传感器,采用两级分布式计算机实时控制系统。北航研制的BH-3灵巧手北航研制的BH-4灵巧手BH-4型灵巧手有四个手指,每个手指有4个关节,4个手指共16个自由度,其关节由齿轮传动,包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对转角,关节轴绝对转角由电位计测量。No.53•四指•每个手指三个自由度,末端两关节耦合•腱和滑轮传动•直线电机驱动•指端力/力矩传感器•位置传感器•关节力矩传感器哈尔滨工业大学研制的HIT-1手No.54哈尔滨工业大学研制的HIT/DLR手•四指•每个手指三个自由度,基关节两个,上面两个关节通过连杆耦合•齿轮系、谐波齿轮传动•无刷直流电机驱动•指端力/力矩传感器•位置传感器•关节力矩传感器•传感器处理电路,电机驱动电路实现手指集成化No.55我校研制的三指灵巧手•三指•手指三自由度•斜齿轮传动•直流电机驱动•位置传感器•指端三维力传感器No.56美国麻省理工学院Utah/MIT灵巧手Utah/MIT型灵巧手外形与人手更接近。该手包括3个具有4自由度的手指和一个拇指,其几何尺寸和人手接近。该手由4个具有4自由度的手指模块组成,每个模块由腱、滑轮传动系统驱动。No.57Stanford/JPL灵巧手Stanford/JPL型灵巧手有三个手指,每个手指有3个自由度和4根控制线,整个手由12个直流伺服电机组成的驱动块驱动。该手的控制实验主要集中在手指尖的抓取。No.58德国宇航中心研制的DLR手DLR-II手DLR-I手DLR-II手的精确操作DLR-II手的强力抓取No.59“海沟号”无人潜水器“海沟号”无人潜水器在大海中No.60摘西红柿机器人No.612.3腕部设计2.3.1概述2.3.2腕部的设计要点2.3.3典型的腕部结构No.622.3.1概述机器人操作臂将末端工具置于其工作的三维空间内的任意点需要三个自由度。为了进行实际操作,它还应该能够将工具置于任意的方位,这还需要一个腕部,它一般还需要有三个自由度,即回转、俯仰和摆动三个自由度。No.632.3.1概述具有回转、俯仰和摆动三个自由度的手腕回转摆动手腕俯仰No.642.3.1概述(a)是一种翻转(Roll)关节,它把手臂
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