第6章-机器人本体结构

第6章机器人本体结构机器人主要由驱动系统、机械系统、感知系统、控制系统四个系统组成。机械系统又叫操作机，是工业机器人的执行机构。可分成基座、腰部、臂部、腕部和手部。6.1概述一、机器人结构特点1.工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式运动链，操作机的结构刚度差，并随空间位姿的变化而变化。2.操作机的每个连杆都具有独立的驱动器，连杆的运动各自独立，运动更为灵活。一般的连杆机构，有1-2个原动件，各连杆间的运动是互相约束的。3.连杆驱动扭矩变化复杂，和执行件位姿相关。连杆的驱动属于伺服控制，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。4.操作机的受力状态、刚度条件和动态性能随位姿变化而变化，极易发生振动或其它不稳定现象。二、本体基本结构要求1.机械系统抓重一自重比尽量大臂杆的质量小有利于改善操作机工作的动态性能，抓重一自重比大意味着工作效率高，造价低。人类手臂的抓重大约为自重的3—4倍，从统计资料看，操作机的抓重一自重比约为1／20—1／15，与人类手臂相比，相去甚远。2.结构的静动态刚度尽可能好结构静动态刚度好有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的跟踪精度，对离线编程至关重要。操作机具有较好的刚度，可以增加设计的灵活性。比如在选择传感器安装位置时，刚度好的结构允许传感器放在离执行件较远的位置。3.提高系统的固有频率，改善系统的动态性能。机器人以中等速度运动时，工作频率范围1Hz一20Hz，机器人的低阶固有频率5Hs一25Hs，有可能会共振。尽可能提高操作机结构的固有频率，避开机器人工作时的工作频率。三、机器人本体结构小臂大臂腰部腕部基座手部机器人本体结构：机械结构和机械传动系统。包括：传动部件机身及行走机构臂部腕部手部6.2机身及臂部结构机器人机身又称为立柱，是支撑臂部的部件，能实现手臂的升降、回转或俯仰运动。机器人必须有一个便于安装的基础件，这就是机器人的机座，机座往往与机身做成一体。机身设计要求：(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。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)回转运动采用摆动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。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。(2)链传动机构回转角度可大于360°。2．回转与俯仰机身1.垂直升降运动驱动力Pq的计算需克服摩擦力、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偏重力矩：是指臂部全部零部件与工件的总重量对机身回转轴的静力矩。当手臂悬伸为最大行程时，其偏重力矩为最大。偏重力臂L：手臂总重量的重心位置距机身立柱轴的距离，根据静力平衡计算。偏重力矩为WL偏重力矩对升降运动的灵活性影响如果偏重力矩过大，使支承导套与立柱之间的摩擦力过大，出现卡滞现象。如果依靠自重下降，避免立柱卡死自锁根据平衡条件可知：N1FhWLm1m2N122LWFFFfWfh不卡死的条件为2hfL三、臂部工业机器人的臂部臂部总重量较大，受力复杂，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。臂部设计要求：1）刚度高手臂截面形状防止臂部过大的变形。工字形截面圆截面大，空心管实心轴钢管作臂杆及导向杆，工字钢和槽钢制作支承板。2）导向性能好设置导向装置，或采用方形、花键等形式，防止手臂沿轴线相对转动。3）运动要平稳、定位精度高臂部高速运动，惯性力引起的冲击大，运动不平稳，定位精度也不高，采用缓冲措施。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，以减少手臂对回转轴的转动惯量。5）合理设计与腕和机身的连接部位。臂部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，还直接影响机器人的外观。臂部的常用机构1．直线运动机构油(气)缸直接驱动行程小时；油(气)缸驱动齿条传动的倍增机构行程较大时；丝杠螺母或滚珠丝杠传动。为了增加手臂的刚性，臂部伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。常用的导向装置有单导向杆和双导向杆等，可根据手臂的结构、抓重等因素选取。图示为采用四根导向柱的臂部伸缩结构。手臂垂直运动由油缸驱动，行程长，抓重大。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。四、机器人的平稳性和臂杆平衡方法平衡系统作用：1）防止机器人在切断电源后因重力而失去稳定；2）降低机器人的构形变化；3）降低因机器人运动，导致惯性力矩引起关节驱动力矩峰值的变化；4）减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。1.质量平衡方法常采用平行四边形机构构成平衡系统。在系统中增加一个质量，形成一个力的平衡，该平衡系统不随机器人位置的变化而失去平衡。若满足333mOGSVm2223332mOGmOGOVm0M则总力矩：2.弹簧平衡方法01sinMFr22sin(90)cossinrrll0()Fkll0120()coskllrrMl3.气动和液压平衡方法平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似优点:1）平衡缸中的压力恒定；2）平衡缸的压力容易调节和控制.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。6.3腕部及手部结构手腕结构是机器人中最复杂的结构，因传动系统互相干扰，增加了手腕结构的设计难度。腕部设计要求：(1)结构紧凑，重量轻。(2)动作灵活、平稳，定位精度高。(3)强度、刚度高。(4)合理设计与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。驱动方式：直接驱动和远程驱动。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：为了保证具有足够大的驱动力，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式。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。1.腕部的自由度腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。腕部的三个自由度：翻转R（Roll）俯仰P（Pitch）偏转Y（Yaw）三自由度手腕能使手部取得空间任意姿态。翻转俯仰偏转关节滚转和弯转滚转：能实现360°旋转，常用R标记。弯转：转动角度一般小于360°，常用B标记。单自由度手腕：翻转（R关节）：手腕的关节轴线与Z轴线共线，回转角度不受结构限制，转360°。俯仰（B关节）：手腕关节轴线与Y轴线共线，转角度受结构限制，小于360°。偏转（B关节）：手腕关节轴线与X轴线共线；转角度受结构限制，小于360°。T手腕BR手腕BB手腕RR手腕(属于单自由度)二自由度手腕图例：三自由度手腕的结合方式：RRR型手腕结构示意RRR型手腕，制造简单，机械效率高，应用普遍RRR型手腕关节远程传动示意图好处：把尺寸、重量都较大的驱动放在远离手腕的手臂后端，作平衡重量用，减轻手腕重量，改善了机器人结构的平衡性。二、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2.二自由度BR腕部采用轮系实现手腕翻转和俯仰手腕的翻转：S轴传递，手腕与锥齿轮4为一体。手腕的俯仰：传动轴B—锥齿轮5、6—传动轴A，手腕的壳体与A连接为一体。诱导运动：S轴不动传动轴B运动结构紧凑、轻巧、传动扭矩大，能提高机械手的工作性能，在示教型的机械手中应用较多。3．三自由度手腕1）液压直接驱动三自由度BBR手腕M1、M2、M3是液压马达，直接驱动手腕，实现偏转、俯仰和翻转三个自由度。M1M2M3关键是设计和加工出尺寸小、重量轻、驱动力矩大，驱动特性好的液压驱动马达。2)齿轮-链轮传动三自由度RBR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B偏转运动在上图示两自由度手腕增加一个偏转运动。油缸1活塞移动→链轮2→锥齿轮3、4→花键轴5、6转动，花键轴6与行星架9连成一体，行星架作偏转运动。回转运动：轴S旋转→Z10/Z23、Z23/Z11→Z12、Z13→Z14、Z15→手腕与锥齿轮Z15为一体→手腕实现旋转运动俯仰运动：轴B旋转→Z24/Z21，Z21/Z22→Z20、Z16→Z16、Z17→Z17、Z18→轴19旋转手腕壳体与轴19固联，实现手腕的俯仰运动诱导运动：轴B、轴S不转而T轴回转轴B、轴S不转→齿轮Z23、Z21不转1.T轴回转→行星架回转→齿轮Z22绕齿轮Z21的过程中自转→Z20、Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动2.T轴回转→行星架回转→齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、Z13、Z14、Z15实现附加回转运动三、机器人手部机器人的手部也叫做末端执行器，装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。手部是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部件之一。1.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。2.手部的设计要求：（1）具有足够的夹持力。（2）保证适当的夹持精度：手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工件形成所要求的约束。（3）手部自身的大小、形状、机构和运动自由度：主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑。（4）智能化手部还应配有相应的传感器：由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等。3.手部的分类按用途分手爪：抓住工件，握持工件，释放工件工具：进行某种作业的专用工具，如喷漆枪、焊具等按夹持原理分机械式手爪设计驱动：气动、液动、电动传动：运动要求和夹紧力要求爪钳：形状、材料、与工件的接触面积磁力吸盘设计不需夹具，要求工件表面清洁、平整、干燥只适合对工件要求不高或不考虑剩磁的影响，不适合高温真空式吸盘设计要求工件表面清洁、平整、干燥、能气密按手指或吸盘数目分(1)手指数目：二指手爪及多指手爪。(2)手指关节：单关节手指手爪及多关节手指手爪。(3)吸盘式手爪：单吸盘式手爪及多吸盘式手爪。柔性手指手爪三指手爪按手爪的运动形式分：回转型：当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型：手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。4.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形爪钳手爪传动机构回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。手爪装有限位开关5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的过程中，限位开关检测手爪与工件的相对位置。当工件接触限位开关时发信号，汽缸通过连杆3驱动指爪夹紧工件。手爪平行开闭机械手活塞伸出，手爪张开。活塞退回，抓取零件。压缩弹簧消除运动间隙。改