4-机器人本体基本结构

第4章机器人本体基本结构机器人的本体结构指其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。4.1概述•4.1.1机器人本体的基本结构形式机器人本体主要包括:(1)传动部件(2)机身及行走机构(3)臂部(4)腕部(5)手部机座(即底部和腰部的固定支承)结构及腰部关节传动装置大臂(即大臂支承架)结构及大臂关节传动装置小臂(即小臂支承架)结构及小臂关节传动装置手腕(即手腕支承架)结构及手腕关节转动装置和末端执行器(即手爪部分)•进行机器人本体的运动学、动力学和其他相关分析时，一般将机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的开端安装有末端执行器(也简称为手部)。•组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类，一类是组成手臂的长连杆，也称臂杆，其产生主运动，是机器人的位置机构；另一类是组成手腕的短连杆，它实际上是一组位于臂杆端部的关节组，是机器人的姿态机构，确定了手部执行器在空间的方向。机器人本体基本结构的特点主要可归纳为以下四点：•一般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。•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。•连杆驱动扭矩的瞬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。•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。•臂杆质量小有利于改善机器人操作的动态性能。•结构静、动态刚度高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。刚度高还可降低对控制系统的要求和系统造价。机器人具有较好的刚度还可以增加机械系统设计的灵活性，比如在选择传感器安装位置时，刚度高的结构允许传感器放在离执行器较远的位置上，减少了设计方面的限制。•尽可能提高机器人结构固有频率的目的在于避开机器人的工作频率。通常机器人的低阶固有频率为5～25Hz，以中等速度运动时，输入信号的脉冲延续时间约在0.05～1s，振荡频率相当于在1～20Hz，因而机械系统可能会因此激发振荡。提高机械系统的固有频率有利于系统的稳定。运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量机器人动力学性能好坏的重要指标。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从而提高机器人的使用性能。•机器人运动部分的材料质量应轻；•材料的刚度有要求，从减轻重量和抑制振动两方面考虑；•某些应用领域，机器人材料又应具备柔软和外表美观等特点；正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。4.1.2机器人本体材料的选择一、材料选择的基本要求•(1)强度高。机器人臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。•(2)弹性模量大。由材料力学的知识可知，构件刚度(或变形量)与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有太多改变。比如，普通结构钢的强度极限为420 MPa，高合金结构钢的强度极限为2 000～2 300 MPa，但是二者的弹性模量E却没有多大变化，均为2.1× MPa。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。•(3)重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。•(4)阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。•(5)材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。二、机器人常用材料简介1．碳素结构钢和合金结构钢这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度增大了4～5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。2．铝、铝合金及其他轻合金材料这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，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．纤维增强合金这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达到和。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。4．陶瓷陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。5．纤维增强复合材料这类材料具有极好的E/比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀以及与金属件连接困难等问题。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼值。6．粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。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。4.2机身及臂部结构4.2.1机器人机身结构的基本形式和特点•机器人机身(或称立柱)是支承臂部及手部的部件。一、机身的典型结构•机身结构一般由机器人总体设计确定。比如，圆柱坐标型机器人把回转与升降这两个自由度归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有时把升降(Z轴)或水平移动(X轴)自由度归属于机身。现介绍回转与升降机身和回转与俯仰机身。回转与升降机身回转与俯仰机身二、机身驱动力(力矩)计算1．垂直升降运动驱动力的计算作垂直运动时，除克服摩擦力之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总重力以及升降运动的全部部件惯性力，故其驱动力可按下式计算：(4.1)运动部件的总重力(N)各支承处的摩擦力(N)启动时的总惯性力(N)2．回转运动驱动力矩的计算•回转运动驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩和机身自身运动部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总惯性力矩。驱动力矩总摩擦阻力矩(N·m)各回转运动部件的总惯性力矩(N·m)式中：为升速或制动过程中的角速度增量(rad/s)；t为回转运动升速过程或制动过程的时间(s)；J0为全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量(kg·m2)。如果零件轮廓尺寸不大，重心到回转轴线的距离远时，一般可按质点计算它对回转轴的转动惯量。3．升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算•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。故偏重力矩应按悬伸最大行程且最大抓重时进行计算。•各零部件的重量可根据其结构形状和材料密度进行粗略计算。由于大多数零件采用对称形状的结构，其中心位置就在几何截面的几何中心上，因此，根据静力学原理可求出手臂总重量的重心位置距机身立柱轴的距离L，亦称做偏重力臂，如图所示。手臂在总重量W的作用下有一个偏重力矩，而立柱支承导套中有阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响。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，此时必须增大升降驱动力，相应的驱动及传动装置的结构庞大。如果依靠自重下降，立柱可能卡死在导套内而不能作下降运动，这就是自锁。故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。要使升降立柱在导套内下降自由，臂部总重量W必须大于导套与立柱之间的摩擦力Fm1及Fm2，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件为: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。2.2机器人臂部结构的基本形式和特点•机器人的手臂由大臂、小臂(或多臂)所组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动形式最为通用。一、臂部的典型机构1．臂部伸缩机构•行程小时，采用油(气)缸直接驱动；行程较大时，可采用油(气)缸驱动齿条传动的倍增机构或步进电动机及伺服电动机驱动，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，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。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，可采用四根导向柱。这种结构多用于箱体加工线上。2．手臂俯仰运动机构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•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。二、机器人手臂材料的选择•机器人手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。•机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料制作手臂，其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯(PEH)和碳素纤维等；金属材料以轻合金(特别是铝合金)为主。三、臂部设计需注意的问题(1)承载能力足。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的动载荷。(2)刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面形状。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，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。(3)导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。由于臂部运动速度越高，定位前惯性力引起的冲击也就越大，运动不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。(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，以减少整个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，而且还直接影响机器人的外观。4.2.3机器人的平稳性和臂杆平衡方法•机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度