机器人的机械结构

工业机器人应用技术模块三机器人的机械结构机器人的机身结构1机器人的臂部与腕部的机构2机器人的手部机构3机器人的传动机构4机器人的传动机构4本模块主要讲述机器人的机械结构。本模块介绍了机器人的升降回转型、俯仰型、直移型、类人机器人型机身机构；讲解了机器人的臂部的组成，讲述了机器人腕部机构的转动方式、自由度、驱动方式，介绍了机器人手部机构的特点与夹持方式，讲述了机器人传动机构、行走机构的特点，讲述了车轮式、履带式和足式3种机构。单元提要学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人机身不同结构的组成原理，手部、腕部、臂部、传动和行走机构各部分的组成与种类；能熟练地分析各机械结构系统的特点与工作原理；掌握各个机械结构的典型机构；能用上述所学分析实用机器人的各个机械结构的组成、原理、故障的可能原因。学习要求学习单元一机器人的机身结构1.升降回转型机身结构的特点(1)升降油缸在下，回转油缸在上，回转运动采用摆动油缸驱动，因摆动油缸安置在升降活塞杆的上方，故活塞杆的尺寸要加大。(2)回转油缸在下，升降油缸在上，回转运动采用摆动油缸驱动，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。一、机器人的机身结构(3)链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于360°。图3-1链条链轮传动机构一、机器人的机身结构2.升降回转型机身结构的工作原理图3-2所示设计的机身包括两个运动，即机身的回转和升降。机身回转机构置于升降缸之上。图3-2升降回转型机身结构1—回转缸；2—活塞；3—花键轴；4—花键轴套；5—升降缸一、机器人的机身结构一、机器人的机身结构俯仰型机身结构由实现手臂左右回转和上下俯仰的部件组成，它用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。俯仰运动大多采用摆式直线缸驱动。机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞缸与连杆机构实现。手臂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连接，如图3-3所示。此外，有时也采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。二、附身型机身结构图3-3俯仰型机身结构三、直移型机身结构四、类人机器人型机身结构类人机器人型机身结构上除了装有驱动臂部的运动装置外，还应该有驱动腿部运动的装置和腰部关节。类人机器人型机身靠腿部的屈伸运动来实现升降，腰部关节实现左右和前后的俯仰与人身轴线方向的回转运动。学习单元二机器人的臂部与腕部机构一般来讲，为了让机器人的手爪或末端操作器可以达到任务要求，手臂至少能够完成垂直移动、径向移动和回转运动3个运动。一、机器人臂部的组成1.手臂的运动1）垂直运动2）径向运动一、机器人臂部的组成3）回转运动一、机器人臂部的组成2.手臂的组成机器人的手臂主要包括臂杆及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件(传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接和位置检测元件等)。此外，还有与腕部或手臂的运动和连接支承等有关的构件、配管配线等。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，臂部结构可分为伸缩型臂部结构、转动伸缩型臂部结构、屈伸型臂部结构及其他专用的机械传动臂部结构。伸缩型臂部结构可由液（气）压缸驱动或直线电动机驱动；转动伸缩型臂部结构除了臂部做伸缩运动，还绕自身轴线运动，以便使手部旋转。一、机器人臂部的组成二、机器人臂部的配置机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，横梁式配置通常分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种，如图3-4所示。这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小、能有效利用空间、动作简单直观等优点。1.横梁式配置图3-4横梁式配置二、机器人臂部的配置二、机器人臂部的配置立柱式配置的臂部多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，是一种常见的配置形式。立柱式配置通常分为单臂式和双臂式两种。一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小、工作范围大的特点。2.立柱式配置图3-5立柱式配置二、机器人臂部的配置二、机器人臂部的配置机座式配置的臂部可以是独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动，也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。各种运动形式均可设计成机座式，机座式配置通常分为单臂回转式、双臂回转式和多臂回转式。3.基座式配置图3-6基座式配置二、机器人臂部的配置屈伸式配置的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机身间的配置形式(平面屈伸式和立体屈伸式)关系到机器人的运动轨迹，平面屈伸式可以实现平面运动，立式屈伸式可以实现空间运动，如图3-7所示。4.屈伸式配置二、机器人臂部的配置图3-7屈伸式配置三、机器人的臂部机构三、机器人的臂部机构手臂的垂直伸缩运动由油缸驱动，其特点是行程长，抓重大。工件形状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，可用4根导向柱，这种结构多用于箱体加工线上。图3-8四导向柱式臂部伸缩机构1—油缸；2—夹紧缸；3—手部；4—导向柱；5—运行架；6—行走车轮；7—轨道；8—支座通常采用摆动油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，如图3-9所示。2.臂部俯仰结构图3-9摆动气缸驱动连杆俯仰臂部机构1—手部；2—夹紧缸；3—升降缸；4—小臂；5、8—摆动气缸；6—大臂；7—立柱三、机器人的臂部机构3.臂部回转与升降机构臂部回转和升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360°的情况，也有用升降缸与气动马达锥齿轮传动的机构。三、机器人的臂部机构工业机器人腕部是手臂和手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。机器人一般具有6个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态，腕部上的自由度主要用于实现所期望的姿态。四、机器人的腕部机构1.腕部的作用四、机器人的腕部机构为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间3个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转3个自由度，如图3-10所示。通常把腕部的回转称为Roll，用R表示；把腕部的俯仰称为Pitch，用P表示；把腕部的偏转称为Yaw，用Y表示。2.腕部的自由度图3-10工业机器人腕部的自由度1）单自由度手腕图3-11（a）所示为R关节，它使手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式，其旋转角度大，可达360°以上；图3-11（b）、图3-11（c）所示为B关节，关节轴线与前、后两个连接件的轴线相垂直。B关节因为受到结构上的干涉，旋转角度小，方向角大大受限。图3-11（d）所示为T关节。图3-11单自由度手腕四、机器人的腕部机构2）二自由度手腕二自由度手腕可以是由一个R关节和一个B关节组成的BR手腕［见图3-12（a）］，也可以是由两个B关节组成的BB手腕［见图3-12（b）］。但是不能由两个RR关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线，所以会减小一个自由度，实际只构成单自由度手腕［见图3-12（c）］。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。四、机器人的腕部机构图3-12二自由度手腕四、机器人的腕部机构3）三自由度手腕三自由度手腕可以是由B关节和R关节组成的多种形式的手腕，但在实际应用中，常用的有BBR、RRR、BRR和RBR4种，如图3-13所示。图3-13三自由度手腕四、机器人的腕部机构PUMA262机器人的手腕采用的是RRR结构形式，安川HP20机器人的手腕采用的是RBR结构形式，如图3-14所示。图3-14安川HP20工业机器人腕部结构形式四、机器人的腕部机构学习单元三机器人的手部机构工业机器人的手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。对于整个工业机器人来说，手部是完成作业好坏、作业柔性优劣的关键部件之一。工业机器人的手部可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。一、机械手抓一、机械手抓1.手抓的驱动机械手爪的作用是抓住工件、握持工件和释放工件。手指的开合通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动，气动手爪目前得到广泛的应用，主要由于气动手爪具有结构简单、成本低、容易维修，且开合迅速、质量轻等优点，其缺点在于空气介质存在可压缩性，使爪钳位置控制比较复杂。液压驱动手爪成本要高些。电动手爪的优点在于手指开合电动机的控制与机器人控制共用一个系统，但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小，相比而言开合时间要稍长。一、机械手抓图3-15所示为气压驱动的手爪，气缸4中的压缩空气推动活塞5使齿条1做往复运动，经扇形齿轮2带动平行四边形机构，使爪钳3平行地快速开合。图3-151—齿条；2—扇形齿轮；3—爪钳；4—气缸；5—活塞一、机械手抓2.手抓的传动机构驱动机构的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力。对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。图3-15及图3-16所示的手爪传动机构可保持爪钳平行运动，夹持宽度变化大。对夹紧力要求是，爪钳开合度不同时夹紧力能保持不变。一、机械手抓图3-16手爪传动机构的类型一、机械手抓爪钳是与工件直接接触的部分。它们的形状和材料对夹紧力有很大的影响。夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，夹持工件越安全。图3-17所示为V形爪钳图示，有4条折线与工件相接触，形成夹紧力封闭的夹持状态。3.爪钳图3-17V形爪钳图示二、磁力吸盘磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。图3-181—外壳体；2—线圈；3—防尘盖；4—磁盘二、磁力吸盘三、真空式吸盘真空负压吸盘采用真空泵能保证吸盘内持续产生负压。其吸盘吸力取决于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内、外压力差，另外与工件表面状态也有十分密切的关系，它影响负压的泄漏。1.真空负压吸盘图3-191—电动机；2—真空泵；3—吸盘；4、5—电磁阀；6—通大气三、真空式吸盘压缩空气进入喷嘴后，由于伯努利效应，橡胶皮碗内产生负压。在工厂一般都有空压机或空压站，空压机气源比较容易解决，不用专门为机器人配置真空泵，因此气流负压吸盘在工厂里使用较多。2.气流负压吸盘图3-20气流负压吸盘的工作原理三、真空式吸盘当吸盘压向工件表面时，将吸盘内空气挤出；当吸盘与工件去除压力时，吸盘恢复弹性变形，使吸盘内腔形成负压，将工件牢牢吸住，机械手即可进行工件搬运；到达目标位置后，可用碰撞力或电磁力使压盖动作，空气进入吸盘腔内，释放工件。这种挤气负压吸盘不需要真空泵也不需要压缩空气气源，经济方便，但是可靠性比真空负压吸盘和气流负压吸盘差。3.挤气负压吸盘图3-211—吸盘架；2—吸盘；3—工件；4—密封垫；5—压盖学习单元四机器人的传动机构1.移动关节导轨在运动过程中，移动关节导轨可以起到保证位置精度和导向的作用。移动关节导轨有普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨5种。前两种导轨具有结构简单、成本低的优点，但是它必须留有间隙，以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；另外，这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时容易产生爬行现象等。第三种导轨能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种导轨的缺点是刚度和阻尼较低。一、直线传动机构一、直线传动机构目前，第五种导轨在工业机器人中应用最为广泛，图3-22所示为包容式滚动导轨的结构，其由支承座支承，可以方便地与任何平面相连，此时套筒必须是开式的，嵌在滑枕中，既增强了刚度，也方便与其他元件进行连接。图3-22包容式滚动导轨的结构一、直线传动机构在齿轮齿条装置中（见图3-23），如果齿条固定不动，那么当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换成拖板的直线运动。拖板是由导杆或导轨支承的。该装置的回差较大。2.齿轮齿条装置图3-231—拖板；2—导向杆；3—齿轮；4—齿条在工业机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力，摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速