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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。本章以工业机器人为主要对象，介绍机器人本体主要组成部分的特点和结构形式。4.1概述机器人本体是机器人的重要部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影响整体性能。4.1.1机器人本体的基本结构形式一、机器人本体基本结构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。二、机器人本体基本结构的举例（关节型机器人）关节型机器人的主要特点是模仿人类腰部到手臂的基本结构，因此本体结构通常包括机器人的机座结构及腰部关节转动装置、大臂结构及大臂关节转动装置、小臂结构及小臂关节转动装置、手腕结构及手腕关节转动装置和末端执行器。目前，可以像人一样行走的关节型机器人已经取得成功，并正向具有高级智能的方向拓展。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。末端执行器是机器人直接参与工作的部分。手部可以是各种夹持器，也可以是各种工具，如焊枪、喷头等。操作时，往往要求手部不仅能到达指定的位置，而且要有正确的姿态。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：(1)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。(2)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。(3)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。(4)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。综合可见，合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。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：1.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;2.可降低对控制系统的要求和系统造价;3.可增加机械系统设计的灵活性。提高机器人结构固有频率:可避开机器人的工作频率，有利于系统的稳定。（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。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。）4.1.2机器人本体材料的选择选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。机器人本体用来支承、连接、固定机器人的各部分，当然也包括机器人的运动部分，这一点与一般机械结构的特性相同。机器人本体所用的材料也是结构材料。但另一方面，机器人本体又不单是固定结构件，所以，机器人运动部分的材料质量应轻。精密机器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度有要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。从材料角度看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧密相关。另外，机器人材料应具备柔软和外表美观等特点。总之，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。一、材料选择的基本要求机器人结构的动力学特性是材料选择的出发点。(1)强度高。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。构件刚度与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。(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。为了提高构件刚度应选用弹性模量E大且低密度的材料。(4)阻尼大。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，应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。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，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。3．纤维增强合金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。5．纤维增强复合材料这类材料具有极好的E/比，而且具有大阻尼的优点，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。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。4.2机身及臂部结构机器人必须有一个便于安装的基础件机座或行走机构。机座往往与机身做成一体。机身和臂部相连，机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。另外，机身和臂部运动的平稳性也是应重点注意的问题。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。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)回转运动采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。(3)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4.1链条链轮传动实现机身回转的原理图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4.2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。图4.2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Pq可按下式计算：qmgPFFW式中：Fm为各支承处的摩擦力(N)；Fg为启动时的总惯性力(N)；W为运动部件的总重力(N)；对于式中的正、负号，上升时为正，下降时为负。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，故驱动力矩Mq可按下式计算：qmgMMM而0gMJt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)。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。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4.3所示。图4.3机器人手臂的偏重力矩偏重力臂的大小为iiiGLLG偏重力矩为MWL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。根据升降立柱的平衡条件可知1NFhWL12LFNFNWh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12122mmNLWFFFfWfh即2hfL式中：h为导套的长度(m)；f为导套与立柱之间的摩擦系数，f=0.015～0.1，一般取较大值；L为偏重力臂(m)。假如立柱升降都是依靠驱动力进行的，则不存在立柱自锁(卡死)条件，升降驱动力计算中摩擦阻力按上式计算。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。4.2.2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。图4.4所示为采用四根导向柱的臂部伸缩结构。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，可采用四根导向柱。这种结构多用于箱体加工线上。图4.4四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，如图4.5所示。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。图4.5摆动油缸驱动连杆俯仰臂机构1—手部；2—夹紧缸；3—升降缸；4—小臂；2、5、7—摆动油缸；6—大臂；8—立柱二、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。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。另一方面，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，它应是轻型材料。而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。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料制作手臂。三、臂部设计需注意的问题(1)承载能力足。要考虑抓取物体的重量和运动时的动载荷。(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。常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作