3.1机器人的机械结构

第三章机器人的机械结构机器人的机械结构、控制方式、驱动方式或传感器千差万别，但多数机器人由4个主要部件：机械部分，传感器，控制器，液压、气压、电力驱动源1、机器人机械结构的组成（1）机身：基础部分起支撑作用（2）臂部：连接机身和手腕（3）手腕：连接手和手臂（4）手部：手爪或末端执行器机器人本体是机器人的重要组成部分，是所有的计算、分析、控制和编程的基础，最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机器人的本体各部分的结构、材料的选择直接影响整体性能。典型的工业机器人仅仅实现了人类胳膊和手的某些功能，也称为机器人操作机或机械手。2、机器人机构的运动机器人机构可以视为一种连杆机构，它的基本结构是将机构学中的杆件（link）和运动副（Pair）相互链接而构成的运动链。开式、半闭式、闭式运动链Stewart机构是典型的并联机器人．末端执行器的位置和姿态可由6个直线油缸的行程长度所决定，油缸的一端与基座通过二自由度的万向连轴节(铰链)相连，另一端(连杆)由三自由度的球—套关节(球面副)与末端执行器相连．这种机器人手臀的三个自由度与手腕的三个自由度集成在一起，具有闭环机构的共同特点：刚度高，但连杆的运动范围十分有限。3、机器人本体设计原则（1）按用户要求优化工作空间相关参数（2）优选材料、结构、工艺、提高速度及精度•材料选择：运动部分质量轻、强度高、弹性模量（刚度）大、价格经济，常用结构钢、铝合金、陶瓷、复合材料、纤维增强合金（3）应用机电一体化思想提高功能价格比（4）合理布置管线提高工作可靠性（5）考虑安全，防止人机事故3.1机器人手部（末端执行器）结构手部也叫末端执行器，它是安装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。机器人手部的特点：（1）手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，可以方便的拆卸和更换手部。（2）手部是机器人的末端执行器。它可以像人手一样具有手指，也可以是进行专业作业的工具，比如喷漆枪、焊接工具等。（3）手部的通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，例如，一种手爪只能抓握一种或者几种在形状、尺寸、重量等方面近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。（4）手部是一个独立的部件，是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现增加了机器人作业的灵活性和可靠性。一、手部的典型结构1.夹钳类2.吸附类3.专用操作器4.仿人机器人手部①夹钳式：常用结构包括手指、传动机构、驱动装置、支架1、夹钳类手指：两指、多指；指端形状：V形、平面、尖指、特形指夹钳类手部应用：1966年，美国海军利用机器人“科沃”的钳形手指将因飞机失事掉入海中的氢弹从750米的深海打捞出来.传动机构：回转型和平移型实现夹紧和松开的动作平面平行移动机构：采用平行四边形的铰链结构-双曲柄铰链四连杆机构滑槽式回转型传动机构②钩托式：常用结构，适合大重量工件分为有驱动和无驱动两种③弹簧式：受弹簧弹力限制，适合夹持小工件结构简单，不需要驱动装置①气吸式：常用结构，适合非金属材料如玻璃、纸张、板材等由吸盘、吸盘架和进气系统组成分为真空式、负压式、挤压排气式对工件表面无损伤，且对工件预订的位置精度要求不高，但工件与吸盘接触的部分光滑平整，无空隙适合大平面（单面接触无法抓取）、易碎、微小（不易抓取）的物体2、吸附类真空气吸②磁吸式：吸附力大，但被吸工件存在剩磁高温下不能使用分为永久磁铁手部和电磁铁手部3、专用的末端操作器与换接器如：在通用机器人上安装焊枪成为焊接机器人；在通用机器人上安装拧螺母机成为装配机器人；不用的手部对手腕的要求不一样，需要换接器换接器包括插座和插头，分别装在手腕和手部上能进行复杂作业，如装配、维修、操作设备等♣柔性手：可对不同外形物体抓取，物体受力均匀4、仿人机器人手♣多指灵活手：模仿人手，多指，每个手指有3个关节，独立控制手部的典型工具3.2机器人腕部结构۩手腕是连接手臂和手部的结构部件，作用是支撑手部和确定手部的作业方向。۩手腕一般需要3个自由度：臂转、手转、腕摆۩翻转、偏转、俯仰翻转俯仰偏转1.腕部的典型结构①液压手腕结构②电动手腕结构柔顺装配技术机器人进行精密作业，被装配零件大小不一致，工件的定位夹具或机器人定位精度不满足要求，装配困难，需要柔顺装配技术主动柔顺装配：利用传感器测量反馈，边校正边装配，价格贵，速度慢被动柔顺装配：有机械柔顺环节，价格低，结构简单，速度快，但轴孔间隙不能太小3.3机器人臂部设计工业机器人的臂部一般具有2~3个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部总重量较大，受力一般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件(或工具)的静、动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力(或惯性力矩)，引起冲击，影响定位的准确性。一、臂部设计的基本要求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。同时,设计时必须考虑到手臂的受力情况，油(气)缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：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。۩臂部结构种类①伸缩型臂部②转动伸缩型臂部③屈伸（俯仰运动）型臂部④专用机械传动臂部行程小时，采用油(气)缸直接驱动；当行程较大时，可采用油(气)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，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动．为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，手臂的伸缩机构要设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆．伸缩型臂部：图为采用四根导向柱的臂伸缩结构．手臂的垂直伸缩运动由油缸3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，采用四根导向柱．这种结构多用于箱体加工线上．俯仰型臂部：图所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图。手臂的上下摆动由铰接活塞油缸和连杆机构来实现。当活塞油缸1的两腔通压力油时，通过连杆2带动曲柄3(即手臂)绕轴心O作的上下摆动(如双点划线所示位置)。手臂下摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调节。此手臂结构具有传动结构简单、紧凑和轻巧等特点。90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。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。齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动，带动与手臂联接的齿轮做往复回转，即实现手臂的回转运动。带动齿条往复移动的活塞缸可以由压力油或压缩气体驱动。手臂做升降和回转运动的结构。下图所示转动伸缩型臂部：复合运动臂部：活塞油缸两腔分别进压力油，推动齿条活塞7做往复移动(见A-A剖面)，与齿条7啮合的齿轮4即做往复回转。由于齿轮4、手臂升降缸体2、连接板8均用螺钉联接成一体，连接板又与手臂固联，从而实现手臂的回转运动。升降油缸的活塞杆通过连接盖5与机座6连接而固定不动，缸体2沿导向套3做上下移动，因升降油缸外部装有导向套，故刚性好、传动平稳。3.4机器人的机身结构一、机身设计۩机身是直接连接、支撑和传动手臂与行走机构的部件。一般实现臂部运动的驱动及传动装置都安装在机身上。۩机身由臂部运动机构及导向装置和支撑件等组成。۩机身结构种类：升降回转型、俯仰型、直移行、类人机器人型。机身设计要注意的问题：(1)刚度和强度大，稳定性要好．(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．通常机身具有回转、升降、回转与升降、回转与俯仰、回转与升降以及俯仰共５种运动。采取哪一种自由度形式由工业机器人的总体设计来定。比如，圆柱坐标式机器人把回转与升降２个自由度归属于机身；球坐标式机器人把回转与俯仰2个自由度归属于机身；关节坐标式机器人把回转自由度归属于机身，直角坐标式机器人有时把升降(Z轴)，有时把水平移动(X轴)一个自由度归属于机身。现介绍回转与升降机身、回转与俯仰机身设计中的一些问题。1.回转与升降机身(1)回转运动采用摆动油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方，故活塞杆的尺寸要加大。(2)链轮传动机构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。图所示为气动机器人采用活塞气缸和链条链轮传动机构，以实现机身的回转运动(见Ｋ向视图)。此外，也有用双杆活塞气缸驱动链轮回转的方式，如图(b)所示。2.回转与俯仰机身机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞油(气)缸与连杆机构来实现的。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，图所示。此外还有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。机器人机身和臂部的配置形式（4种）1.横梁式①单臂悬挂式②双臂悬挂式③多臂悬挂多用于自动化生产中，在工位间传送工件横梁式特点：占地面积小，大多为移动式，有效利用空间、直观等优点。2.立柱式（常见）①单臂配置②双臂配置立柱式特点：结构简单，占地面积小工作范围大，服务于某种主机，可承担上下料的工作3.机座式（常见）①手臂配置在机座顶端②手臂配置在机座立柱中间③手臂有单臂、双臂、多臂4.屈伸式①平面屈伸型②空间屈伸型二、行走机构设计机器人可分成固定式和行走式两种。一般的工业机器人大多为固定式的。但随着海洋科学、原子能工业及宇宙空间事业的发展,移动机器人、自动行走机器人的应用也越来越多了。行走机构是行走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手臂和手部,另一方面还根据工作任务的要求,带动机器人实现在广阔的空间内运动。行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人，如横梁式机器人。无固定轨迹行走方式,按其行走机构的结构特点可分为轮式、履带式和步行式等。它们在行走过程中,前两者与地面为连续接触,后者为间断接触。前两者的形态为运行车式,后者则为类人(或动物〉的腿脚式。运行车式行走机构用得比较多,多用于野外作业,比较成熟。步行式行走机构正在发展和完善中。1、固定轨道可移动机器人该机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上,靠丝杠螺母驱动,整个机器人沿丝杠纵向移动。除了这种直线驱动方式外,还有类似起重机梁行走方式等。这种可移动机器人主要用在作业区域大的场合,比如大型设备装配,立体化仓库中材料搬运,材料堆垛和储运,大面积喷涂等。2、无轨行走机器人无轨行走机器人必须具备功能完备的外部传感器，能对环境进行了解和判断，能对环境中发生的事件进行监视和反应，机器人具备自我规划能力，包括任务分解，任务排序，信息资源管理，以及几何规划等。(1)轮式KAMR0机器人。KAMR0机器人是Karkrube大学开发的自治式行走机器人，如图所示。该机器人用在柔性制造单元中进行工件搬运和装配作业，KAMRO机器人从材料储存系统中挑选所需的零件并把它搬运到装配站；零件准备好以后，两个机器人手臂在传感器系统监控下把零件装配成成品件；手部具有装配工作不可少的力和力矩传感器，以便测量装配过程中零件之间的碰撞和力；由视觉系统监视装配过程，即超声波传感器探测可能存在的障碍物，并避开障碍物寻找安全路径。车轮式机构属常用结构，适用于平坦坚硬的路面车轮有实心钢轮（轨道上）、充气轮胎（室外路面）、实心轮胎（室内平坦路面）车轮的个数为1轮、2轮