机器人本体结构

第5章机器人本体基本结构本体结构：机体结构和机械传动系统，也是机器人的支承基础和执行机构。5.1概述5.1.1机器人本体的基本结构形式一、机器人本体基本结构(1)传动部件。(2)机身及行走机构。(3)臂部。(4)腕部。(5)手部。机座腰部大臂大臂腕部末杆+手部位置机构姿态机构上述操作机的分类是按位置机构的结构形式分的。二、机器人本体基本结构的举例1个腰关节1个肩关节1个肘关节3个腕关节关节:工业机器人的运动副。本体基本结构的主要特点：(1)开式运动链：结构刚度不高。(2)相对机架：独立驱动器，运动灵活。(3)扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。(4)动力学参数（力、刚度、动态性能）都是随位姿的变化而变化：易发生振动或出现其他不稳定现象。本体基本结构要求：1）自重小：改善机器人操作的动态性能；2）静动态刚度高：提高定位精度和跟踪精度；增加机械系统设计的灵活性；减小定位时的超调量稳定时间，降低对控制系统的要求和系统造价；3）固有频率高：避开机器人的工作频率，有利于系统的稳定。5.1.2机器人本体材料的选择一、材料选择的基本要求(1)强度高:减轻重量。(2)弹性模量大:刚度大。但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。普通碳结构钢：b=420MPa，E=2.1×105MPa高合金结构钢：b=2000MPa，E=2.1×105MPa(3)密度小：重量轻。(4)阻尼大：减小稳定时间。(5)经济性。510二、机器人常用材料简介1．碳素结构钢和合金结构钢强度好；E大；应用最广泛。2．铝、铝合金及其他轻合金材料重量轻，弹性模量E不大；E/之比仍可与钢材相比。稀贵铝合金：例如添加3.2％(重量百分比)锂的铝合金，弹性模量增加了14％，E/比增加了16％。3.纤维增强合金E/非常高,但价格昂贵。如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达到11.4×107和8.9×107。4.陶瓷脆性大。5．纤维增强复合材料E/高，易老化、蠕变、高温热膨胀/金属件连接困难等问题。重量轻，刚度大，大阻尼。6．粘弹性大阻尼材料吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为±0.30mm，处理后为±0.16mm；残余振动时间在阻尼处理前后分别为0.9s和0.5s。5.2机身及臂部结构5.2.1机器人机身结构的基本形式和特点一、机身的典型结构机身结构一般由机器人总体设计确定。1．回转与升降机身(1)油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。升降活塞杆杆的尺寸要加大。(2)油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。(3)链轮传动机构。回转角度可大于360°。链条链轮传动实现机身回转的原理图2．回转与俯仰机身回转与俯仰机身qP1.垂直升降运动驱动力的计算摩擦力/总重力/惯性力:gF为启动时的总惯性力(N)；W为运动部件的总重力(N)。qmgPFFWmF为各支承处的摩擦力(N)；二、机身驱动力(力矩)计算2.回转运动驱动力矩的计算qmgMMMg0MJtmM为总摩擦阻力矩(N·m)；gM为回转运动部件的总惯性力矩(N·m)3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算iiiGLLG2hfL三、机身设计要注意的问题(1)刚度和强度大，稳定性好。(2)运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。(3)驱动方式适宜。(4)结构布置合理。5.2.2机器人臂部结构的基本形式和特点大臂、小臂(或多臂)，主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动（最为通用）。一、臂部的典型机构1．臂部伸缩机构四导向柱式臂部伸缩机构1—手部；2—夹紧缸；3—油缸；4—导向柱；5—运行架；6—行走车轮；7—轨道；8—支座2．手臂俯仰运动机构通常采用摆臂油(气)缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰。1—手部；2—夹紧缸；3—升降缸；4—小臂；5、7—摆动油缸；6—大臂；8—立柱3．手臂回转与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;也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。三、臂部设计需注意的问题(1)承载能力足。(2)刚度高。(3)导向性能好。(4)重量轻、转动惯量小。(5)合理设计与腕和机身的连接部位。5.2.3机器人的平稳性和臂杆平衡方法一、质量平衡方法333mOGSVm2223332mOGmOGOVm0M若满足则总力矩：二、弹簧平衡方法01sinMFr22sin(90)cossinrrll0()Fkll0120()coskllrrMl三、气动和液压平衡方法气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似优点:1)平衡缸中的压力是恒定的；2)同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制.缺点：1）需要动力源和储能器，系统比较复杂2）需考虑动力源一旦中断时的防范措施。5.3腕部及手部结构5.3.1机器人腕部结构的基本形式和特点驱动方式：远程驱动和直接驱动。直接驱动：驱动器安装在手腕运动关节的附近传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大。远程驱动：驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传动刚度也降低了。滚转和弯转滚转：能实现360°无障碍旋转的关节运动，通常用R来标记。弯转：转动角度一般小于360°。弯转通常用B来标记。一、腕部的自由度手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。6种三自由度手腕的结合方式示意图二、RRR型手腕1.RRR型手腕结构示意制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。RRR型手腕关节远程传动示意图三、腕部的典型结构1.单自由度回转运动手腕回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构1—回转油缸；2—定片；3—腕回转轴；4—动片；5—手腕2.齿轮传动二自由度腕部齿轮传动回转和俯仰型腕部原理1—手腕；2—中心轴；3—固定中心轴；4—定片；5—摆动回转油缸；6—动片；7—回转轴；8—回转油缸具有回转与摆动的二自由度腕部结构3．三自由度手腕1)液压直接驱动三自由度手腕2)齿轮链轮传动三自由度腕部齿轮链轮传动三自由度手腕原理图1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B5.3.2机器人手部结构的基本形式和特点一、机器人手部的特点(1)手部与手腕相连处可拆卸。(2)手部是机器人末端执行器。(3)手部的通用性比较差。(4)手部是一个独立的部件。二、手部的分类2)工具1)手爪1．按用途分2．按夹持原理分3．按手指或吸盘数目分(1)按手指数目可分为二指手爪及多指手爪。(2)按手指关节可分为单关节手指手爪及多关节手指手爪。(3)吸盘式手爪按吸盘数目可分为单吸盘式手爪及多吸盘式手爪。柔性手指手爪三指手爪4．按智能化分(1)普通式手爪。这类手爪不具备传感器。(2)智能化手爪。这类手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等。三、手爪设计和选用的要求1.被抓握的对象物1)几何参数(1)工件尺寸。(2)可能给予抓握表面的数目。(3)可能给予抓握表面的位置和方向。(4)夹持表面之间的距离。(5)夹持表面的几何形状。2)机械特性(1)质量。(2)材料。(3)固有稳定性。(4)表面质量和品质。(5)表面状态。(6)工件温度。2.物料馈送器或储存装置3.机器人作业顺序4.手爪和机器人匹配5.环境条件四、手爪的典型结构1．机械手爪气动手爪1—扇形齿轮；2—齿条；3—活塞；4—气缸；5—爪钳V形爪钳四种手爪传动机构2．磁力吸盘电磁吸盘结构l—电磁吸盘；2—防尘盖；3—线圈；4—外壳体3．真空式吸盘1—电动机；2—真空泵；3、4—电磁阀；5—吸盘；6—通大气气流负压吸盘1—吸盘架；2—压盖；3—密封垫；4—吸盘；5—工件挤气负压吸盘工作原理自适应吸盘异形吸盘4．真空吸盘的新设计2）轴承2．移动关节(1)按滚动体分类——球、圆柱滚子和滚针。(2)按轨道分类——圆轴式、平面式和滚道式。(3)按滚动体是否循环分类——循环式、非循环式。二、机器人传动机构1．齿轮传动常用行星齿轮传动机构和谐波传动机构。最优传动比。manJJi/Ja为工作臂的惯性矩；Jm为电动机的惯性矩。行星齿轮传动1—刚轮；2—刚轮内齿圈；3—输入轴；4—谐波发生器；5—轴；6—柔轮；7—柔轮齿圈谐波传动22731ZZZi如果刚轮(圆形花键轮)1不转动72735ZZZi如果柔轮6静止1—刚轮；2—刚轮内齿圈；3—输入轴；4—谐波发生器；5—轴；6—柔轮；7—柔轮齿圈谐波传动22731ZZZi如果刚轮(圆形花键轮)1不转动72735ZZZi如果柔轮6静止谐波传动的优点：①尺寸小→惯量低；②误差均布在多个啮合点上→传动精度高；③加预载啮合→传动侧隙非常小；④多齿啮合→传动具有高阻尼特性。谐波传动的缺点：①柔轮的疲劳问题；②扭转刚度低；③以2、4、6倍输入轴速度的啮合频率产生振动；④谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差液压静压谐波发生器的谐波传动1—凸轮；2—柔轮；3—小孔2．丝杠传动滚珠丝杠的基本组成1—丝杠；2—螺母；3—滚珠；4—导向槽1—电动机；2—蜗杆；3—臂架；4—丝杠；5—蜗轮；6—箱体；7—花键套丝杠螺母传动的手臂升降机构3．带传动与链传动4．绳传动与钢带传动ADEPT机器人5．连杆与凸轮传动重复完成简单动作的搬运机器人中广泛采用连杆与凸轮机构，例如，从某位置抓取物体放在另一位置上的作业。凸轮机构连杆机构6．流体传动液压传动由液压泵、液压马达或液压缸组成，可得到高扭矩-惯性比。气压传动比其他传动运动精度差，但由于容易达到高速，多数用在完成简易作业的搬运机器人上。液压、气压传动中，模块化和小型化的机构较易得到应用。油缸和齿轮齿条手臂机构气缸和齿轮齿条增倍手臂机构1—运动齿条；2—齿轮；3—活塞杆三、传动件的定位和消隙1．传动件的定位1)电气开关定位2)机械挡块定位利用机械插销定位的结构1—节流阀；2—圆盘；3—插销；4—定位油缸；3)伺服定位2．传动件的消隙1、2—薄齿轮；3—螺钉消隙齿轮柔性齿轮消隙5.4.2机器人行走机构结构的基本形式和特点行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。行走机构可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。也可采用类似起重机梁行走方式：主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓库中的材料搬运、材料堆垛和储运及大面积喷涂等。一、固定轨迹可移动机器人二、无固定轨迹式行走机器人1．对行走机器人的一般要求1）移动2）自行重新定位（可用计算机视觉系统定位)3）自身要平衡4）有足够的强度和刚度。2．典型行走机构1）具有三组轮子的轮系2)具有四组轮子的轮系3)两足步行式机器人6WHL-11双足机器人4)四足、六足及多足步行式机器人四足缩放式腿步行机器人的平面几何模型 4)四足、六足及多足步行式机器人六足缩放式腿步行机器人5)履带式行走机器人装有转向机构的履带式机器人容易上下台阶的履带式行走机器人6)其他行走机器人爬壁机器人车轮和脚混合式行走机器人