機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 本 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè)計(jì) 任 務(wù) 1： 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 總 體 設(shè) 計(jì)任 務(wù) 2： 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 驅(qū) 動(dòng) 與 傳 動(dòng)任 務(wù) 3： 機(jī) 身 和 臂 部 設(shè) 計(jì)任 務(wù) 4： 腕 部 設(shè) 計(jì)任 務(wù) 5： 手 部 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 總 體 設(shè) 計(jì) 機(jī) 器 人 是 實(shí) 現(xiàn) 生 產(chǎn) 過(guò) 程 自 動(dòng) 化 、 提 高 勞 動(dòng) 生 產(chǎn) 率 的 有 力 工具 。 首 先 確 定 使 用 機(jī) 器 人 是 否 需 要 與 合 適 ， 決 定 采 用 后 需 要 做 如下 分 析 工 作 ： (1)明 確 采 用 機(jī) 器 人 的 目 的 和 任 務(wù) 。 (2)

2、分 析 機(jī) 器 人 所 在 系 統(tǒng) 的 工 作 環(huán) 境 ， 包 括 設(shè) 備 兼 容 性 等 。 (3)認(rèn) 真 分 析 系 統(tǒng) 的 工 作 要 求 ， 確 定 機(jī) 器 人 的 基 本 功 能 和 方 案 。 如 機(jī) 器 人 的 自 由 度 數(shù) 、 信 息 的 存 儲(chǔ) 容 量 、 定 位 精 度 、 抓 取 重量 (4)進(jìn) 行 必 要 的 調(diào) 查 研 究 ， 搜 集 國(guó) 內(nèi) 外 的 有 關(guān) 技 術(shù) 資 料 。 (1)機(jī) 器 人 基 本 參 數(shù) 的 確 定 。 臂 力 、 工 作 節(jié) 拍 、 工 作 范 圍 、運(yùn) 動(dòng) 速 度 及 定 位 精 度 等 。 舉 例 ： 定 位 精 度 的 確 定 機(jī) 器

3、 人 或 機(jī) 械 手 的 定 位 精 度 是 根 據(jù) 使 用 要 求 確 定 的 ， 而 機(jī) 器 人 或 機(jī) 械手 本 身 所 能 達(dá) 到 的 定 位 精 度 取 決 于 定 位 方 式 、 運(yùn) 動(dòng) 速 度 、 控 制 方 式 、 臂部 剛 性 、 驅(qū) 動(dòng) 方 式 、 緩 沖 方 式 等 。 工 藝 過(guò) 程 的 不 同 ， 對(duì) 機(jī) 器 人 或 機(jī) 械 手 重 復(fù) 定 位 精 度 的 要 求 也 不 同 ， 不同 工 藝 過(guò) 程 所 要 求 的 定 位 精 度 如 下 ： 金 屬 切 削 機(jī) 床 上 下 料 ： (0.05-1.00) mm 沖 床 上 下 料 ： 1 mm 模 鍛 ： (0.1

4、-2.0) mm 點(diǎn) 焊 ： 1 mm 裝 配 、 測(cè) 量 ： (0.01-0.50) mm 噴 涂 ： 3 mm 當(dāng) 機(jī) 器 人 或 機(jī) 械 手 本 身 所 能 達(dá) 到 的 定 位 精 度 有 困 難 時(shí) ， 可 采 用 輔 助工 夾 具 協(xié) 助 定 位 的 辦 法 ， 即 機(jī) 器 人 實(shí) 現(xiàn) 粗 定 位 、 工 夾 具 實(shí) 現(xiàn) 精 定 位 。 (1)運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 計(jì) 算 。 分 析 是 否 達(dá) 到 要 求 的 速 度 、 加 速 度 、 位 置 。 (2)動(dòng) 力 學(xué) 計(jì) 算 。 計(jì) 算 關(guān) 節(jié) 驅(qū) 動(dòng) 力 的 大 小 ， 分 析 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 是 否滿 足 要 求 。 (3)運(yùn) 動(dòng) 的 動(dòng)

5、 態(tài) 仿 真 。 將 每 一 位 姿 用 三 維 圖 形 連 續(xù) 顯 示 出 來(lái) ，實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動(dòng) 仿 真 。 (4)性 能 分 析 。 建 立 機(jī) 器 人 數(shù) 學(xué) 模 型 ， 對(duì) 機(jī) 器 人 動(dòng) 態(tài) 性 能 進(jìn) 行仿 真 計(jì) 算 。 (5)方 案 和 參 數(shù) 修 改 。 運(yùn) 用 仿 真 分 析 的 結(jié) 果 對(duì) 所 設(shè) 計(jì) 的 方 案 、結(jié) 構(gòu) 、 尺 寸 和 參 數(shù) 進(jìn) 行 修 改 ， 加 以 完 善 。 機(jī) 器 人 機(jī) 械 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 是 機(jī) 器 人 設(shè) 計(jì) 的 重 要 部 分 。 其 他 系 統(tǒng)的 設(shè) 計(jì) 盡 管 有 各 自 的 獨(dú) 立 性 ， 但 都 必 須 與 機(jī)

6、 械 系 統(tǒng) 相 匹 配 ， 相輔 相 成 ， 構(gòu) 成 一 個(gè) 完 整 的 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 。 模 塊 化 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)(1)經(jīng) 濟(jì) 性 。 設(shè) 計(jì) 和 制 造 通 用 性 很 強(qiáng) 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 很 不 經(jīng) 濟(jì) 的 ， 價(jià) 格昂 貴 。 用 戶 希 望 廠 商 能 為 諸 多 的 作 業(yè) 崗 位 提 供 可 選 擇 的 ， 自 由度 盡 可 能 少 ， 控 制 和 編 程 簡(jiǎn) 單 ， 實(shí) 用 性 強(qiáng) 的 專 用 機(jī) 器 人 。 機(jī) 器 人 制 造 廠 家 也 希 望 改 變 設(shè) 計(jì) 和 制 造 模 式 ， 采 用 批 量制 造 技 術(shù) 來(lái) 生 產(chǎn) 標(biāo) 準(zhǔn) 化 系 列 化 的

7、 工 業(yè) 機(jī) 器 人 模 塊 ， 自 由 拼 裝 工業(yè) 機(jī) 器 人 ， 滿 足 用 戶 經(jīng) 濟(jì) 性 好 和 基 本 功 能 全 的 要 求 。 機(jī) 器 人 本 體 材 料 的 選 擇 平 衡 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 2： 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 驅(qū) 動(dòng) 與 傳 動(dòng) 齒 條 固 定 不 動(dòng) ， 當(dāng) 齒 輪傳 動(dòng) 時(shí) , 齒 輪 軸 連 同 拖 板 沿齒 條 方 向 做 直 線 運(yùn) 動(dòng)拖 板 是 由 導(dǎo) 桿 或 導(dǎo) 軌 支 承的 。 該 裝 置 的 回 差 較 大 。 （ 1） 直 線 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) （ a） 齒 輪 齒 條 裝 置齒 輪 齒 條 裝 置 普 通 絲 杠 驅(qū) 動(dòng) 是 由 一 個(gè)

8、旋 轉(zhuǎn) 的 精 密 絲 杠 驅(qū) 動(dòng) 一 個(gè) 螺 母 沿 絲 杠 軸向 移 動(dòng) 。 摩 擦 力 較 大 , 效 率 低 , 慣 性 大 , 精 度 低 , 回 差 大 ,容 易 產(chǎn) 生 爬行 現(xiàn) 象 , 而 且 因 此 在 機(jī) 器 人 上 很 少 采 用 。 機(jī) 械 學(xué) 中 的 爬 行 現(xiàn) 象 ,在 滑 動(dòng) 摩 擦 副 中 從 動(dòng) 件在 勻 速 驅(qū) 動(dòng) 和 一 定 摩 擦 條 件 下 產(chǎn) 生 的 周 期 性 時(shí)停 時(shí) 走 或 時(shí) 慢 時(shí) 快 的 運(yùn) 動(dòng) 現(xiàn) 象 。（ b） 普 通 絲 杠 （ c） 滾 珠 絲 杠 滾 珠 絲 杠 在 絲 杠 螺 母 的 螺 旋 槽 里 放 置 了 許 多 滾 珠

9、 ,傳 動(dòng) 過(guò)程 中 所 受 的 摩 擦 力 是 滾 動(dòng) 摩 擦 , 可 極 大 地 減 小 摩 擦 力 ,因 此 傳動(dòng) 效 率 高 ,消 除 了 低 速 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 的 爬 行 現(xiàn) 象 。 滾 球 絲 杠 副 （ d） 液 壓 傳 動(dòng) （ 直 接 平 移 ） （ e） 氣 壓 傳 動(dòng) （ 直 接 平 移 ） （ 2） 旋 轉(zhuǎn) 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) （ a） 齒 輪 鏈 齒 輪 鏈 是 由 兩 個(gè) 或 兩 個(gè) 以 上 的 齒 輪 組 成 的 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 。 它不 但 可 以 傳 遞 運(yùn) 動(dòng) 角 位 移 和 角 速 度 , 而 且 可 以 傳 遞 力 和 力 矩 。 現(xiàn) 以 具 有 兩 個(gè) 齒 輪

10、 的 齒 輪 鏈 為 例 , 說(shuō) 明 其 傳 動(dòng) 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 系 。 其中 一 個(gè) 齒 輪 裝 在 輸 入 軸 上 , 另 一 個(gè) 齒 輪 裝 在 輸 出 軸 上 , 如 圖所 示 。 齒 輪 鏈 機(jī) 構(gòu) 使 用 齒 輪 鏈 機(jī) 構(gòu) 應(yīng) 注 意 的 問(wèn) 題齒 輪 鏈 的 引 入 會(huì) 改 變 系 統(tǒng) 的 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 , 從 而 使 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī)的 響 應(yīng) 時(shí) 間 減 小 , 這 樣 伺 服 系 統(tǒng) 就 更 加 容 易 控 制 。輸 出 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 轉(zhuǎn) 換 到 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 上 , 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 的 下 降 與輸 入 輸 出 齒 輪 齒 數(shù) 的 平 方 成 正 比

11、 。 由 于 齒 輪 間 隙 誤 差 , 將 會(huì) 導(dǎo) 致 機(jī) 器 人 手 臂 的 定 位 誤 差 增 加 ; 而 且 , 假 如 不 采 取 一 些 補(bǔ) 救 措 施 , 齒 隙 誤 差 還 會(huì) 引 起 伺 服 系 統(tǒng)的 不 穩(wěn) 定 性 。 (a) 圓 柱 齒 輪 ; (b) 斜 齒 輪 ; (c) 錐 齒 輪 ; (d) 蝸 輪 蝸 桿 ; (e) 行 星 輪 系常用的齒輪鏈 (b) 同 步 皮 帶 同 步 皮 帶 的 特 點(diǎn) 同 步 帶 相 當(dāng) 于 柔 軟 的 齒 輪 , 具 有 柔 性 好 , 價(jià) 格 便 宜 、 加 工也 容 易 。同 步 皮 帶 還 被 用 于 輸 入 軸 和 輸 出

12、軸 方 向 不 一 致 的 情 況 。 只 要同 步 皮 帶 足 夠 長(zhǎng) ,使 皮 帶 的 扭 角 誤 差 不 太 大 , 則 同 步 皮 帶 仍 能夠 正 常 工 作 。 在 伺 服 系 統(tǒng) 中 , 如 果 輸 出 軸 的 位 置 采 用 碼 盤(pán) 測(cè) 量 , 則 輸 入傳 動(dòng) 的 同 步 皮 帶 可 以 放 在 伺 服 環(huán) 外 面 , 這 對(duì) 系 統(tǒng) 的 定 位 精 度 和重 復(fù) 性 不 會(huì) 有 影 響 , 重 復(fù) 精 度 可 以 達(dá) 到 1 mm以 內(nèi) 。 有 時(shí) , 齒 輪 鏈 和 同 步 皮 帶 結(jié) 合 起 來(lái) 使 用 更 為 方 便 。 諧 波 齒 輪 傳 動(dòng) （ c） 諧 波 齒

13、輪 （ 1） 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 由 回 轉(zhuǎn) 軸 、 軸 承 和 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 組 成 。 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 的 形 式（ a） 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 的 形 式 （ b） 軸 承機(jī) 器 人 中 軸 承 起 著 相 當(dāng) 重 要 的 作 用 ， 用 于 轉(zhuǎn) 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 的 軸 承 有多 種 形 式 ， 球 軸 承 是 機(jī) 器 人 和 機(jī) 械 手 結(jié) 構(gòu) 中 最 常 用 的 軸 承 。球 軸 承 能 承 受 徑 向 和 軸 向 載 荷 ， 摩 擦 較 小 ， 對(duì) 軸 和 軸 承 座 的剛 度 不 敏 感 。 圖 4.34 基 本 耐 磨 球 軸 承 滾 動(dòng) 導(dǎo) 軌 可 以 按 直 線 導(dǎo) 軌

14、 的 種 類 、 軌 道 形 狀 和 滾 動(dòng)體 分 為 :(1) 按 滾 動(dòng) 體 分 類 球 、 圓 柱 滾 子 和 滾 針 。(2) 按 軌 道 分 類 圓 軸 式 、 平 面 式 和 滾 道 式 。(3) 按 滾 動(dòng) 體 是 否 循 環(huán) 分 類 循 環(huán) 式 、 非 循 環(huán) 式 。直 線 導(dǎo) 軌 滾 珠 絲 杠 （ 1） 齒 輪 傳 動(dòng) （ 2） 絲 杠 傳 動(dòng) （ 4） 帶 傳 動(dòng) 與 鏈 傳 動(dòng) （ 5） 繩 傳 動(dòng) 與 鋼 帶 傳 動(dòng) （ 6） 桿 、 連 桿 與 凸 輪 傳 動(dòng) （ 7） 流 體 傳 動(dòng) （ 1） 傳 動(dòng) 件 的 定 位 （ 2） 傳 動(dòng) 件 的 消 隙 3 電 動(dòng)

15、驅(qū) 動(dòng) 裝 置 的 能 源 簡(jiǎn) 單 ， 速 度 變 化 范 圍 大 ， 效 率 高 ， 速 度 和 位 置 精度 都 很 高 。 但 它 們 多 與 減 速 裝 置 相 聯(lián) ， 直 接 驅(qū) 動(dòng) 比 較 困 難 。 電 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 又 可 分 為 直 流 (DC)、 交 流 (AC)伺 服 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 和 步 進(jìn) 電機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 。 直 流 伺 服 電 機(jī) 電 刷 易 磨 損 ， 且 易 形 成 火 花 。 無(wú) 刷 直 流 電 機(jī) 也 得 到 了越 來(lái) 越 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 多 為 開(kāi) 環(huán) 控 制 ， 控 制 簡(jiǎn) 單 但 功 率 不 大 ， 多 用 于 低

16、 精 度小 功 率 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 。 直 流 電 機(jī) （ 有 刷 ） 步 進(jìn) 電 機(jī)盤(pán) 式 無(wú) 刷 直 流 電 機(jī) 交 流 伺 服 電 機(jī) 優(yōu) 點(diǎn) ： 功 率 大 ， 可 省 去 減 速 裝 置 直 接 與被 驅(qū) 動(dòng) 的 桿 件 相 連 ， 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 剛 度 好， 響 應(yīng) 快 ， 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 具 有 較 高 的 精 度 。 缺 點(diǎn) ： 需 要 增 設(shè) 液 壓 源 ， 易 產(chǎn) 生 液 體 泄漏 ， 不 適 合 高 、 低 溫 場(chǎng) 合 ， 故 液 壓 驅(qū) 動(dòng)目 前 多 用 于 特 大 功 率 的 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 。 液 壓 馬 達(dá)液 壓 擺 動(dòng) 馬 達(dá) 液 壓 控 制 閥液

17、 壓 泵 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 的 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 清 潔 ， 動(dòng) 作 靈 敏 ， 具 有 緩 沖 作 用 。但 與 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 相 比 ， 功 率 較 小 ， 剛 度 差 ， 噪 音 大 ， 速 度不 易 控 制 ， 所 以 多 用 于 精 度 不 高 的 點(diǎn) 位 控 制 機(jī) 器 人 。 氣動(dòng)馬達(dá) 氣動(dòng)擺動(dòng)馬達(dá) 氣缸 氣泵 氣動(dòng)三大件 氣動(dòng)控制閥 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 的 選 擇 應(yīng) 以 作 業(yè) 要 求 、 生 產(chǎn) 環(huán) 境 為 先 決 條 件 ，以 價(jià) 格 高 低 、 技 術(shù) 水 平 為 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn) 。 一 般 說(shuō) 來(lái) ， 目 前 負(fù) 荷 為 100 kg以 下 的 ,可 優(yōu) 先 考

18、 慮 電 動(dòng) 驅(qū)動(dòng) 裝 置 。 只 須 點(diǎn) 位 控 制 且 負(fù) 荷 較 小 者 ， 或 有 防 暴 、 清 潔 等 特 殊 要求 者 ， 可 采 用 氣 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 。 負(fù) 荷 很 大 或 機(jī) 器 人 周 圍 已 有 液 壓 源 的 常 溫 場(chǎng) 合 ， 可 采 用液 壓 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 。 對(duì) 于 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 來(lái) 說(shuō) ， 最 重 要 的 指 標(biāo) 要 求 是 起 動(dòng) 力 矩 大 ，調(diào) 速 范 圍 寬 ， 慣 量 小 ， 尺 寸 小 ， 同 時(shí) 還 要 有 性 能 好 、 與 之配 套 的 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng) 。 鐵 磁 材 料 和 亞 鐵 磁 材 料 由 于 磁 化 狀 態(tài) 的

19、改 變 , 其 長(zhǎng)度 和 體 積 都 要 發(fā) 生 微 小 的 變 化 , 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 磁 致 伸 縮 。 原始形狀拉直加熱后恢復(fù)變形前形狀 傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金磁誘導(dǎo)形狀記憶合金Magnetic field 左 圖 是 一 個(gè) 雙 程 CuZnAl記 憶 合金 彈 簧 ， 它 是 SMA用 作 驅(qū) 動(dòng) 器 的 典型 形 式 。 該 彈 簧 是 隨 溫 度 變 化 自行 伸 縮 的 感 溫 驅(qū) 動(dòng) 元 件 。 采 用CuZnAl記 憶 合 金 絲 ， 表 面 鍍 錫 ，以 熱 水 或 熱 風(fēng) 為 熱 源 ， 典 型 伸 縮溫 度 為 65 85 ， 自 由 狀 態(tài) 為45mm， 伸

20、 長(zhǎng) 狀 態(tài) 為 200mm。 可 見(jiàn)其 形 變 量 較 大 ， 可 以 產(chǎn) 生 足 夠 的驅(qū) 動(dòng) 力 。 利 用 記 憶 合 金 在 加 熱 時(shí) 形 狀 恢 復(fù) 的 同 時(shí) 其 回復(fù) 力 可 對(duì) 外 作 功 的 特 性 ， 能 夠 制 成 各 種 驅(qū) 動(dòng) 元件 。 這 種 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 靈 敏 度 高 ， 可 靠性 好 。 形 狀 記 憶 合 金 驅(qū) 動(dòng) 器 3. 靜 電 驅(qū) 動(dòng) 器 圖 2.77是 一 個(gè) 帶 有電 阻 器 移 動(dòng) 子 的 三 相 靜電 驅(qū) 動(dòng) 器 的 工 作 原 理 圖 。 圖 2.77 三 相 靜 電 驅(qū) 動(dòng) 器 工 作 原 理 這 種 執(zhí) 行 器

21、 有 下 列 特 征 : (1) 因 為 移 動(dòng) 子 中 沒(méi) 有 電 極 , 所 以 不 必 確 定 與 定 子 的 相 對(duì)位 置 , 定 子 電 極 的 間 距 可 以 非 常 小 。 (2) 因 為 驅(qū) 動(dòng) 時(shí) 會(huì) 產(chǎn) 生 浮 力 ,所 以 摩 擦 力 小 ,在 停 止 時(shí) 由 于存 在 著 吸 引 力 和 摩 擦 力 , 因 此 可 以 獲 得 比 較 大 的 保 持 力 。 (3) 因 為 構(gòu) 造 簡(jiǎn) 單 , 所 以 可 以 實(shí) 現(xiàn) 以 薄 膜 為 基 礎(chǔ) 的 大 面 積多 層 化 結(jié) 構(gòu) 。 基 于 上 述 各 點(diǎn) , 把 這 種 執(zhí) 行 器 作 為 實(shí) 現(xiàn) 人 工 筋 肉 的 一

22、種 方法 , 受 到 了 人 們 的 關(guān) 注 。 4. 超 聲 波 電 機(jī) 超 聲 波 電 機(jī) 的 工 作 原 理 是 用 超 聲 波 激 勵(lì) 彈 性 體 定 子 ， 使 其 表 面 形 成 橢 圓 運(yùn) 動(dòng) ， 由 于 其 上 與 轉(zhuǎn) 子 (或 滑 塊 )接 觸 ， 在 摩 擦 的 作 用 下 轉(zhuǎn) 子 獲 得 推 力 輸 出 。 如 圖 2.78所 示 ， 可以 認(rèn) 為 定 子 按 照 角 頻 率 0， 進(jìn) 行 超 聲 波 振 動(dòng) ， 在 預(yù) 壓 W作用 下 ， 轉(zhuǎn) 子 被 推 動(dòng) 。 超 聲 波 電 機(jī) 的 負(fù) 載 特 性 與 DC電 機(jī) 相 似 ， 相 對(duì) 于 負(fù) 載 增加 ， 轉(zhuǎn) 速 有

23、 垂 直 下 降 的 趨 勢(shì) ， 將 超 聲 波 電 機(jī) 與 DC電 機(jī) 進(jìn)行 比 較 ， 它 的 特 點(diǎn) 有 ： 可 望 達(dá) 到 低 速 、 高 效 率 ； 同 樣 的 尺 寸 ， 能 得 到 大 的 轉(zhuǎn) 矩 ； 能 保 持 大 轉(zhuǎn) 矩 ； 無(wú) 電 磁 噪 聲 ； 易 控 制 ； 外 形 的 自 由 度 大 等 。 圖 2.78 超 聲 波 電 機(jī) 的 工 作 原 理 圖 010203 編 織 式 氣 動(dòng) 肌 肉網(wǎng) 孔 式 氣 動(dòng) 肌 肉嵌 入 式 氣 動(dòng) 肌 肉按 結(jié) 構(gòu) 形 式 可 將 氣 動(dòng) 肌 肉 分 為 三 類 ：氣 動(dòng) 肌 肉 驅(qū) 動(dòng) 器 (Pneumatic Muscle Ac

24、tuator， PMA)，以 下 簡(jiǎn) 稱 氣 動(dòng) 肌 肉 ， 是 一 種 新 型 的 拉 伸 型 氣 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 器 ， 通 常由 一 段 包 裹 纖 維 網(wǎng) 的 橡 膠 筒 和 兩 端 的 接 頭 附 件 連 接 組 成 ， 能夠 像 生 物 肌 肉 那 樣 產(chǎn) 生 很 大 的 收 縮 力 。 單 向 收 縮成 對(duì) 使 用充 氣 變 形可 膨 脹 薄 壁 囊支 撐 材 料連 接 件放 氣 回 縮 1、 機(jī) 身 與 臂 部 的 配 置 形 式 q m g P F F Wq m gM M M g 0M J t i iiG LL GWL N1F h WL m1 m2 N12 2 LW F F F

25、f Wfh 2h fL 3 3 3m O GSV m2 2 2 3 3 32 m O G m O GO V m 0M 0 1 sinM Fr 2 2sin(90 ) cossin r rl l 0( )F k l l 0 1 20 ( ) cosk l l rrM l 任 務(wù) 4 腕 部 設(shè) 計(jì) 柔 順 性 裝 配 技 術(shù) 。 主 動(dòng) 柔 順 裝 配 是 從 檢 測(cè) 、 控 制 的 角 度出 發(fā) , 采 取 各 種 不 同 的 搜 索 方 法 , 實(shí) 現(xiàn) 邊 校 正 邊 裝 配 ; 有 的手 爪 還 配 有 檢 測(cè) 元 件 , 如 視 覺(jué) 傳 感 器 力 傳 感 器 等 。 移 動(dòng) 擺 動(dòng) 柔

26、 順 手 腕 被 動(dòng) 柔 順 裝 配 。 從 結(jié) 構(gòu) 的 角 度 出 發(fā) , 在 手 腕 部 配 置 一 個(gè) 柔順 環(huán) 節(jié) , 以 滿 足 柔 順 裝 配 的 需 要 。 圖 2.43 柔 順 手 腕 動(dòng) 作 過(guò) 程 圖 2.44 柔 順 手 腕 圖 2.45 板 彈 簧 柔 順 手 腕 圖 2.46 鋼 絲 彈 簧 柔 順 手 腕 任 務(wù) 5 手 部 設(shè) 計(jì) 夾 鉗 式 取 料 手 夾 鉗 式 手 部 與 人 手 相 似 , 是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 廣 為 應(yīng) 用 的 一 種手 部 形 式 。 它 一 般 由 手 指 (手 爪 )和 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 、 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 及連 接 與 支 承

27、元 件 組 成 , 能 通 過(guò) 手 爪 的 開(kāi) 閉 動(dòng) 作 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 物 體 的夾 持 。 1. 手 指 手 指 是 直 接 與 工 件 接 觸 的 部 件 。 手 部 松 開(kāi) 和 夾 緊 工 件 , 就是 通 過(guò) 手 指 的 張 開(kāi) 與 閉 合 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 。 機(jī) 器 人 的 手 部 一 般 有 兩 個(gè)手 指 , 也 有 三 個(gè) 或 多 個(gè) 手 指 ,其 結(jié) 構(gòu) 形 式 常 取 決 于 被 夾 持 工 件的 形 狀 和 特 性 。 指 端 的 形 狀 通 常 有 兩 類 : V型 指 和 平 面 指 。 如 圖 2.3所 示 的三 種 V型 指 的 形 狀 , 用 于 夾 持 圓 柱

28、形 工 件 。 (a) 固 定 V型 ； (b) 滾 柱 V型 ； (c) 自 定 位 式 V型 圖 2.4 夾 鉗 式 手 的 指 端(a)平 面 指 （ b） 尖 指 （ c） 特 型 指 如 圖 2.4所 示 的 平 面 指 為 夾 鉗 式 手 的 指 端 ,一 般 用 于 夾 持 方 形工 件 (具 有 兩 個(gè) 平 行 平 面 ), 板 形 或 細(xì) 小 棒 料 。 另 外 ， 尖 指 和薄 、 長(zhǎng) 指 一 般 用 于 夾 持 小 型 或 柔 性 工 件 。 其 中 , 薄 指 一 般用 于 夾 持 位 于 狹 窄 工 作 場(chǎng) 地 的 細(xì) 小 工 件 , 以 避 免 和 周 圍 障 礙物

29、 相 碰 ; 長(zhǎng) 指 一 般 用 于 夾 持 熾 熱 的 工 件 , 以 免 熱 輻 射 對(duì) 手 部傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 的 影 響 。 指 面 的 形 狀 常 有 光 滑 指 面 、 齒 形 指 面 和 柔 性 指 面 等 。 光 滑指 面 平 整 光 滑 , 用 來(lái) 夾 持 已 加 工 表 面 , 避 免 已 加 工 表 面 受 損 。 齒 形 指 面 的 指 面 刻 有 齒 紋 , 可 增 加 夾 持 工 件 的 磨 擦 力 ,以 確 保夾 緊 牢 靠 , 多 用 來(lái) 夾 持 表 面 粗 糙 的 毛 坯 或 半 成 品 。 柔 性 指 面內(nèi) 鑲 橡 膠 、 泡 沫 、 石 棉 等 物 ,有 增

30、 加 磨 擦 力 、 保 護(hù) 工 件 表 面 、 隔 熱 等 作 用 , 一 般 用 于 夾 持 已 加 工 表 面 、 熾 熱 件 ,也 適 于 夾 持薄 壁 件 和 脆 性 工 件 。 2. 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 是 向 手 指 傳 遞 運(yùn) 動(dòng) 和 動(dòng) 力 , 以 實(shí) 現(xiàn) 夾 緊 和 松 開(kāi) 動(dòng)作 的 機(jī) 構(gòu) 。 該 機(jī) 構(gòu) 根 據(jù) 手 指 開(kāi) 合 的 動(dòng) 作 特 點(diǎn) 分 為 回 轉(zhuǎn) 型 和 平 移型 。 回 轉(zhuǎn) 型 又 分 為 一 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 和 多 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 。 根 據(jù) 手 爪 夾 緊 是擺 動(dòng) 還 是 平 動(dòng) ,又 可 分 為 擺 動(dòng) 回 轉(zhuǎn) 型 和 平 動(dòng) 回

31、轉(zhuǎn) 型 。 (1) 回 轉(zhuǎn) 型 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 。 夾 鉗 式 手 部 中 較 多 的 是 回 轉(zhuǎn) 型 手 部 , 其 手 指 就 是 一 對(duì) 杠 桿 ,一 般 再 同 斜 楔 、 滑 槽 、 連 桿 、 齒 輪 、 蝸輪 蝸 桿 或 螺 桿 等 機(jī) 構(gòu) 組 成 復(fù) 合 式 杠 桿 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) , 用 以 改 變 傳 動(dòng)比 和 運(yùn) 動(dòng) 方 向 等 。 圖 2.5 斜 楔 杠 桿 式 手 部 圖 2.5(a)所 示 為 單 作 用 斜 楔 式 回 轉(zhuǎn) 型 手 部 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn)圖 。 斜 楔 向 下 運(yùn) 動(dòng) , 克 服 彈 簧 拉 力 , 使 杠 桿 手 指 裝 著 滾子 的 一 端 向 外 撐

32、 開(kāi) , 從 而 夾 緊 工 件 ; 斜 楔 向 上 移 動(dòng) , 則 在彈 簧 拉 力 作 下 使 手 指 松 開(kāi) 。 手 指 與 斜 楔 通 過(guò) 滾 子 接 觸 可以 減 少 摩 擦 力 , 提 高 機(jī) 械 效 率 , 有 時(shí) 為 了 簡(jiǎn) 化 , 也 可 讓手 指 與 斜 楔 直 接 接 觸 。 也 有 如 圖 2.5(b)所 示 的 結(jié) 構(gòu) 。 圖 2.6 滑 槽 式 杠 桿 回 轉(zhuǎn) 型 手 部 圖 2.6所 示 為 滑 槽 式 杠 桿 回 轉(zhuǎn) 型 手 部 簡(jiǎn) 圖 , 杠 桿 形 手 指 4的 一 端 裝 有 V形 指 5,另 一 端 則 開(kāi) 有 長(zhǎng) 滑 槽 。 驅(qū) 動(dòng) 桿 1上 的 圓

33、柱銷 2套 在 滑 槽 內(nèi) , 當(dāng) 驅(qū) 動(dòng) 連 桿 同 圓 柱 銷 一 起 作 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) , 即可 撥 動(dòng) 兩 個(gè) 手 指 各 繞 其 支 點(diǎn) (鉸 銷 3)作 相 對(duì) 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) , 從 而 實(shí)現(xiàn) 手 指 的 夾 緊 與 松 開(kāi) 動(dòng) 作 。 圖 2.7 雙 支 點(diǎn) 連 桿 杠 桿 式 手 部 圖 2.7所 示 為 雙 支 點(diǎn) 連 桿 杠 桿 式 手 部 簡(jiǎn) 圖 。 驅(qū) 動(dòng) 桿 2末 端與 連 桿 4由 鉸 銷 3鉸 接 , 當(dāng) 驅(qū) 動(dòng) 桿 2作 直 線 往 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) , 則 通 過(guò)連 桿 推 動(dòng) 兩 桿 手 指 各 繞 其 支 點(diǎn) 作 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) , 從 而 使 手

34、指 松 開(kāi) 或閉 合 。 圖 2.8 齒 條 齒 輪 杠 桿 式 手 部 圖 2.8所 示 為 齒 輪 齒 條 直 接 傳 動(dòng) 的 齒 輪 杠 桿 式 手 部 的 結(jié) 構(gòu) 。 驅(qū) 動(dòng) 桿 2末 端 制 成 雙 面 齒 條 ,與 扇 齒 輪 4相 嚙 合 , 而 扇 齒 輪 4與 手指 5固 連 在 一 起 , 可 繞 支 點(diǎn) 回 轉(zhuǎn) 。 驅(qū) 動(dòng) 力 推 動(dòng) 齒 條 作 直 線 往 復(fù) 運(yùn)動(dòng) , 即 可 帶 動(dòng) 扇 齒 輪 回 轉(zhuǎn) , 從 而 使 手 指 松 開(kāi) 或 閉 合 。 (2) 平 移 型 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 。 平 移 型 夾 鉗 式 手 部 是 通 過(guò) 手 指 的 指面 作 直 線 往

35、復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 或 平 面 移 動(dòng) 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 張 開(kāi) 或 閉 合 動(dòng) 作 的 , 常 用于 夾 持 具 有 平 行 平 面 的 工 件 (如 冰 箱 等 )。 其 結(jié) 構(gòu) 較 復(fù) 雜 ,不 如回 轉(zhuǎn) 型 手 部 應(yīng) 用 廣 泛 。 直 線 往 復(fù) 型復(fù) 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) :實(shí) 現(xiàn) 直 線 往 復(fù) 移 動(dòng) 的 機(jī) 構(gòu) 很 多 , 常 用 的 斜 楔 傳 動(dòng) 、齒 條 傳 動(dòng) 、 螺 旋 傳 動(dòng) 等 均 可 應(yīng) 用 于 手 部 結(jié) 構(gòu) 。 它 們 既 可 是 雙指 型 的 , 也 可 是 三 指 (或 多 指 )型 的 ; 既 可 自 動(dòng) 定 心 , 也 可 非 自動(dòng) 定 心 。 圖 2.9 直 線

36、平 移 型 手 部(a)為 斜 楔 平 移 機(jī) 構(gòu) , (b)為 連 桿 杠 桿 平 移 結(jié) 構(gòu) , (c)為 螺 旋 斜 楔 平 移 結(jié) 構(gòu) 平 面 平 行 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) ： 圖 2.10所 示 為 幾 種 平 面 平 行 平 移型 夾 鉗 式 手 部 的 簡(jiǎn) 圖 。 它 們 的 共 同 點(diǎn) 是 : 都 采 用 平 行 四 邊 形的 鉸 鏈 機(jī) 構(gòu) 雙 曲 柄 鉸 鏈 四 連 桿 機(jī) 構(gòu) , 以 實(shí) 現(xiàn) 手 指 平 移 。其 差 別 在 于 分 別 采 用 齒 條 齒 輪 、 蝸 桿 蝸 輪 、 連 桿 斜 滑 槽 的傳 動(dòng) 方 法 。 圖 2.10 四 連 桿 機(jī) 構(gòu) 平 移 型 手 部

37、 結(jié) 構(gòu) 2007年 機(jī) 器 人 大 賽 2.1.2 吸 附 式 取 料 手 1. 氣 吸 附 式 取 料 手 氣 吸 附 式 取 料 手 是 利 用 吸 盤(pán) 內(nèi) 的 壓 力 和 大 氣 壓 之 間 的 壓 力差 而 工 作 的 。 按 形 成 壓 力 差 的 方 法 ,可 分 為 真 空 吸 附 、 氣 流 負(fù)壓 氣 吸 、 擠 壓 排 氣 負(fù) 壓 氣 吸 式 等 幾 種 。 氣 吸 式 取 料 手 與 夾 鉗 式 取 料 手 相 比 , 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ,重 量輕 , 吸 附 力 分 布 均 勻 等 優(yōu) 點(diǎn) ,對(duì) 于 薄 片 狀 物 體 的 搬 運(yùn) 更 有 其 優(yōu)越 性 (如 板

38、材 、 紙 張 、 玻 璃 等 物 體 ), 廣 泛 應(yīng) 用 于 非 金 屬 材 料或 不 可 有 剩 磁 的 材 料 的 吸 附 。 但 要 求 物 體 表 面 較 平 整 光 滑 , 無(wú)孔 無(wú) 凹 槽 。 1) 真 空 吸 附 取 料 手 圖 2.11所 示 為 真 空 吸 附 取 料 手 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 。 其 真 空 的 產(chǎn) 生是 利 用 真 空 泵 , 真 空 度 較 高 。 主 要 零 件 為 碟 形 橡 膠 吸 盤(pán) 1, 通過(guò) 固 定 環(huán) 2安 裝 在 支 承 桿 4上 , 支 承 桿 由 螺 母 5固 定 在 基 板 6上 。 取 料 時(shí) , 碟 形 橡 膠 吸 盤(pán) 與 物

39、 體 表 面 接 觸 , 橡 膠 吸 盤(pán) 在 邊 緣 既 起到 密 封 作 用 ,又 起 到 緩 沖 作 用 , 然 后 真 空 抽 氣 ,吸 盤(pán) 內(nèi) 腔 形 成 真空 , 吸 取 物 料 。 放 料 時(shí) , 管 路 接 通 大 氣 , 失 去 真 空 , 物 體 放 下 。為 避 免 在 取 、 放 料 時(shí) 產(chǎn) 生 撞 擊 , 有 的 還 在 支 承 桿 上 配 有 彈 簧緩 沖 。 為 了 更 好 地 適 應(yīng) 物 體 吸 附 面 的 傾 斜 狀 況 ,有 的 在 橡 膠 吸盤(pán) 背 面 設(shè) 計(jì) 有 球 鉸 鏈 。 真 空 吸 附 取 料 手 有 時(shí) 還 用 于 微 小 無(wú) 法 抓取 的 零

40、件 , 如 圖 2.12所 示 。 圖 2.11 真 空 吸 附 取 料 手 圖 2.12 微 小 零 件 取 料 手(a) 墊 圈 取 料 手 ； (b) 鋼 球 取 料 手 圖 2.13 各 種 真 空 吸 附 取 料 手 圖 2.13所 示 為 各 種 真 空 吸 附 取 料 手 。 2) 氣 流 負(fù) 壓 吸 附 取 料 手 氣 流 負(fù) 壓 吸 附 取 料 手 如 圖 2.14所 示 。 氣 流 負(fù) 壓 吸 附 取 料 手是 利 用 流 體 力 學(xué) 的 原 理 , 當(dāng) 需 要 取 物 時(shí) , 壓 縮 空 氣 高 速 流 經(jīng) 噴嘴 5時(shí) , 其 出 口 處 的 氣 壓 低 于 吸 盤(pán) 腔

41、內(nèi) 的 氣 壓 , 于 是 腔 內(nèi) 的 氣體 被 高 速 氣 流 帶 走 而 形 成 負(fù) 壓 , 完 成 取 物 動(dòng) 作 ;當(dāng) 需 要 釋 放 時(shí) , 切 斷 壓 縮 空 氣 即 可 。 這 種 取 料 手 需 要 壓 縮 空 氣 ,工 廠 里 較 易 取得 ,故 成 本 較 低 。 圖 2.14 氣 流 負(fù) 壓 吸 附 取 料 手 3) 擠 壓 排 氣 式 取 料 手 擠 壓 排 氣 式 取 料 手 如 圖 2.15所 示 。 其 工 作 原 理 為 : 取 料時(shí) 吸 盤(pán) 壓 緊 物 體 , 橡 膠 吸 盤(pán) 變 形 , 擠 出 腔 內(nèi) 多 余 的 空 氣 ,取 料手 上 升 , 靠 橡 膠

42、吸 盤(pán) 的 恢 復(fù) 力 形 成 負(fù) 壓 , 將 物 體 吸 住 ; 釋 放時(shí) ,壓 下 拉 桿 3, 使 吸 盤(pán) 腔 與 大 氣 相 連 通 而 失 去 負(fù) 壓 。 該 取 料手 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 , 但 吸 附 力 小 , 吸 附 狀 態(tài) 不 易 長(zhǎng) 期 保 持 。 圖 2.15 擠 壓 排 氣 式 取 料 手 2. 磁 吸 附 式 取 料 手 磁 吸 附 式 取 料 手 是 利 用 電 磁 鐵 通 電 后 產(chǎn) 生 的 電 磁 吸 力 取 料 , 因 此 只 能 對(duì) 鐵 磁 物 體 起 作 用 ; 另 外 ,對(duì) 某 些 不 允 許 有 剩 磁 的 零件 要 禁 止 使 用 。 所 以 , 磁

43、吸 附 式 取 料 手 的 使 用 有 一 定 的 局 限 性 。 電 磁 鐵 工 作 原 理 如 圖 2.16(a)所 示 。 當(dāng) 線 圈 1通 電 后 , 在 鐵心 2內(nèi) 外 產(chǎn) 生 磁 場(chǎng) , 磁 力 線 穿 過(guò) 鐵 心 , 空 氣 隙 和 銜 鐵 3被 磁 化 并形 成 回 路 , 銜 鐵 受 到 電 磁 吸 力 F的 作 用 被 牢 牢 吸 住 。 實(shí) 際 使 用時(shí) , 往 往 采 用 如 圖 2.16(b)所 示 的 盤(pán) 式 電 磁 鐵 , 銜 鐵 是 固 定 的 , 銜 鐵 內(nèi) 用 隔 磁 材 料 將 磁 力 線 切 斷 , 當(dāng) 銜 鐵 接 觸 磁 鐵 物 體 零 件 時(shí) , 零

44、 件 被 磁 化 形 成 磁 力 線 回 路 ,并 受 到 電 磁 吸 力 而 被 吸 住 。 圖 2.16 電 磁 鐵 工 作 原 理 圖 2.17所 示 為 盤(pán) 狀 磁 吸 附 取 料 手 的 結(jié) 構(gòu) 圖 。 鐵 心 1和 磁 盤(pán) 3之 間 用 黃 銅 焊 料 焊 接 并 構(gòu) 成 隔 磁 環(huán) 2,既 焊 為 一 體 又 將 鐵 心 和 磁盤(pán) 分 隔 , 這 樣 使 鐵 心 1成 為 內(nèi) 磁 極 , 磁 盤(pán) 3成 為 外 磁 極 。 其 磁 路由 殼 體 6的 外 圈 , 經(jīng) 磁 盤(pán) 3、 工 件 和 鐵 心 , 再 到 殼 體 內(nèi) 圈 形 成 閉合 回 路 , 以 此 吸 附 工 件 。

45、鐵 心 、 磁 盤(pán) 和 殼 體 均 采 用 8 10號(hào) 低 碳鋼 制 成 , 可 減 少 剩 磁 , 并 在 斷 電 時(shí) 不 吸 或 少 吸 鐵 屑 。 蓋 5為 用黃 銅 或 鋁 板 制 成 的 隔 磁 材 料 ,用 以 壓 住 線 圈 11, 防 止 工 作 過(guò) 程 中線 圈 的 活 動(dòng) 。 擋 圈 7、 8用 以 調(diào) 整 鐵 心 和 殼 體 的 軸 向 間 隙 , 即 磁路 氣 隙 ,在 保 證 鐵 心 正 常 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 情 況 下 ,氣 隙 越 小 越 好 ,氣 隙 越大 ， 則 電 磁 吸 力 會(huì) 顯 著 地 減 小 ,因 此 , 一 般 取 0.1 0.3 mm。 在 機(jī) 器 人

46、 手 臂 的 孔 內(nèi) 可 做 軸 向 微 量 地 移 動(dòng) , 但 不 能 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。 鐵 心 1和 磁 盤(pán) 3一 起 裝 在 軸 承 上 , 用 以 實(shí) 現(xiàn) 在 不 停 車 的 情 況 下 自 動(dòng) 上 下 料 。 圖 2.17 盤(pán) 狀 磁 吸 附 取 料 手 結(jié) 構(gòu) 圖 2.18 幾 種 電 磁 式 吸 盤(pán) 吸 料 示 意 圖 (a) 吸 附 滾 動(dòng) 軸 承 底 座 的 電 磁 式 吸 盤(pán) ； (b) 吸 取 鋼 板 的 電 磁 式 吸 盤(pán) ；(c) 吸 取 齒 輪 用 的 電 磁 式 吸 盤(pán) ； (d) 吸 附 多 孔 鋼 板 用 的 電 磁 式 吸 盤(pán) 2.1.3 專 用 操 作 器 及

47、轉(zhuǎn) 換 器 1. 專 用 末 端 操 作 器 機(jī) 器 人 是 一 種 通 用 性 很 強(qiáng) 的 自 動(dòng) 化 設(shè) 備 ,可 根 據(jù) 作 業(yè) 要 求完 成 各 種 動(dòng) 作 , 再 配 上 各 種 專 用 的 末 端 操 作 器 后 ,就 能 完 成 各種 動(dòng) 作 。 如 在 通 用 機(jī) 器 人 上 安 裝 焊 槍 就 成 為 一 臺(tái) 焊 接 機(jī) 器 人 , 安 裝 擰 螺 母 機(jī) 則 成 為 一 臺(tái) 裝 配 機(jī) 器 人 。 目 前 有 許 多 由 專 用 電動(dòng) 、 氣 動(dòng) 工 具 改 型 而 成 的 操 作 器 , 如 圖 2.19所 示 , 有 擰 螺 母機(jī) 、 焊 槍 、 電 磨 頭 、 電 銑

48、 頭 、 拋 光 頭 、 激 光 切 割 機(jī) 等 。 所 形成 的 一 整 套 系 列 供 用 戶 選 用 , 使 機(jī) 器 人 能 勝 任 各 種 工 作 。 圖 2.19還 有 一 個(gè) 裝 有 電 磁 吸 盤(pán) 式 換 接 器 的 機(jī) 器 人 手 腕 , 電 磁 吸 盤(pán) 直 徑 60 mm, 質(zhì) 量 為 1 kg,吸 力 1100 N, 換 接 器 可 接通 電 源 、 信 號(hào) 、 壓 力 氣 源 和 真 空 源 ,電 插 頭 有 18芯 ,氣 路 接 頭有 5路 。 為 了 保 證 聯(lián) 接 位 置 精 度 ,設(shè) 置 了 兩 個(gè) 定 位 銷 。 在 各 末端 操 作 器 的 端 面 裝 有 換

49、 接 器 座 ,平 時(shí) 陳 列 于 工 具 架 上 ,需 要 使用 時(shí) 機(jī) 器 人 手 腕 上 的 換 接 器 吸 盤(pán) 可 從 正 面 吸 牢 換 接 器 座 ,接 通電 源 和 氣 源 , 然 后 從 側(cè) 面 將 末 端 操 作 器 退 出 工 具 架 , 機(jī) 器 人便 可 進(jìn) 行 作 業(yè) 。 圖 2.19 各 種 專 用 末 端 操 作 器 和 電 磁 吸 盤(pán) 式 換 接 器 2. 換 接 器 或 自 動(dòng) 手 爪 更 換 裝 置 使 用 一 臺(tái) 通 用 機(jī) 器 人 ,要 在 作 業(yè) 時(shí) 能 自 動(dòng) 更 換 不 同 的 末 端 操 作器 , 就 需 要 配 置 具 有 快 速 裝 卸 功 能

50、 的 換 接 器 。 換 接 器 由 兩 部 分組 成 : 換 接 器 插 座 和 換 接 器 插 頭 , 分 別 裝 在 機(jī) 器 腕 部 和 末 端 操作 器 上 ,能 夠 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 人 對(duì) 末 端 操 作 器 的 快 速 自 動(dòng) 更 換 。 專 用 末 端 操 作 器 換 接 器 的 要 求 主 要 有 :同 時(shí) 具 備 氣 源 、 電源 及 信 號(hào) 的 快 速 聯(lián) 接 與 切 換 ; 能 承 受 末 端 操 作 器 的 工 作 載 荷 ; 在 失 電 、 失 氣 情 況 下 , 機(jī) 器 人 停 止 工 作 時(shí) 不 會(huì) 自 行 脫 離 ;具 有一 定 的 換 接 精 度 等 。 圖

51、2.20所 示 為 氣 動(dòng) 換 接 器 和 專 用 末 端 操 作 器 庫(kù) 。 該 換 接 器也 分 成 兩 部 分 : 一 部 分 裝 在 手 腕 上 , 稱 為 換 接 器 ; 另 一 部 分 裝在 末 端 操 作 器 上 , 稱 為 配 合 器 。 利 用 氣 動(dòng) 鎖 緊 器 將 兩 部 分 進(jìn) 行聯(lián) 接 , 并 具 有 就 位 指 示 燈 以 表 示 電 路 、 氣 路 是 否 接 通 。 具 體 實(shí) 施 時(shí) , 各 種 末 端 操 作 器 放 在 工 具 架 上 , 組 成 一個(gè) 專 用 末 端 操 作 器 庫(kù) , 如 圖 2.21所 示 。 圖 2.20 氣 動(dòng) 換 接 器 與 專

52、 用 末 端 操 作 器 庫(kù) 圖 2.21 專 用 末 端 操 作 器 庫(kù) 3. 多 工 位 換 接 裝 置 某 些 機(jī) 器 人 的 作 業(yè) 任 務(wù) 相 對(duì) 較 為 集 中 ,需 要 換 接 一 定 量 的末 端 操 作 器 , 又 不 必 配 備 數(shù) 量 較 多 的 末 端 操 作 器 庫(kù) 。 這 時(shí) ， 可 以 在 機(jī) 器 人 手 腕 上 設(shè) 置 一 個(gè) 多 工 位 換 接 裝 置 。 例 如 ,在 機(jī) 器人 柔 性 裝 配 線 某 個(gè) 工 位 上 ,機(jī) 器 人 要 依 次 裝 配 如 墊 圈 、 螺 釘 等幾 種 零 件 , 裝 配 采 用 多 工 位 換 接 裝 置 ,可 以 從 幾

53、個(gè) 供 料 處 依 次抓 取 幾 種 零 件 , 然 后 逐 個(gè) 進(jìn) 行 裝 配 , 既 可 以 節(jié) 省 幾 臺(tái) 專 用 機(jī) 器人 ,也 可 以 避 免 通 用 機(jī) 器 人 頻 繁 換 接 操 作 器 和 節(jié) 省 裝 配 作 業(yè) 時(shí)間 。 多 工 位 換 接 裝 置 如 圖 2.22所 示 , 就 像 數(shù) 控 加 工 中 心 的 刀 庫(kù)一 樣 , 可 以 有 棱 錐 型 和 棱 柱 型 兩 種 形 式 。 棱 錐 型 換 接 裝 置 可 保證 手 爪 軸 線 和 手 腕 軸 線 一 致 , 受 力 較 合 理 ,但 其 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 較 為 復(fù)雜 ;棱 柱 型 換 接 器 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 較

54、 為 簡(jiǎn) 單 , 但 其 手 爪 軸 線 和 手 腕 軸 線不 能 保 持 一 致 , 受 力 不 良 。 圖 2.22 多 工 位 末 端 操 作 器 換 接 裝 置 (a) 棱 錐 型 ； (b) 棱 柱 型 2.1.4 仿 生 多 指 靈 巧 手 1. 柔 性 手 為 了 能 對(duì) 不 同 外 形 的 物 體 實(shí) 施 抓 取 , 并 使 物 體 表 面 受 力 比 較均 勻 , 因 此 研 制 出 了 柔 性 手 。 如 圖 2.23所 示 為 多 關(guān) 節(jié) 柔 性 手 腕 ,每 個(gè) 手 指 由 多 個(gè) 關(guān) 節(jié) 串 聯(lián) 而 成 。 手 指 傳 動(dòng) 部 分 由 牽 引 鋼 絲 繩 及 摩擦 滾

55、 輪 組 成 ,每 個(gè) 手 指 由 兩 根 鋼 絲 繩 牽 引 , 一 側(cè) 為 握 緊 , 另 一 側(cè)為 放 松 。 驅(qū) 動(dòng) 源 可 采 用 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 或 液 壓 、 氣 動(dòng) 元 件 驅(qū) 動(dòng) 。 柔 性手 腕 可 抓 取 凹 凸 不 平 的 外 形 并 使 物 體 受 力 較 為 均 勻 。 圖 2.24所 示 為 用 柔 性 材 料 做 成 的 柔 性 手 。 一 端 固 定 ,一 端 為自 由 端 的 雙 管 合 一 的 柔 性 管 狀 手 爪 , 當(dāng) 一 側(cè) 管 內(nèi) 充 氣 體 或 液 體 、另 一 側(cè) 管 內(nèi) 抽 氣 或 抽 液 時(shí) 形 成 壓 力 差 ,柔 性 手 爪 就 向

56、抽 空 側(cè) 彎 曲 。此 種 柔 性 手 適 用 于 抓 取 輕 型 、 圓 形 物 體 , 如 玻 璃 器 皿 等 。 圖 2.23 多 關(guān) 節(jié) 柔 性 手 腕 圖 2.24 柔 性 手 2. 多 指 靈 巧 手 機(jī) 器 人 手 爪 和 手 腕 最 完 美 的 形 式 是 模 仿 人 手 的 多 指 靈 巧 手 。 如 圖 2.25所 示 ,多 指 靈 巧 手 有 多 個(gè) 手 指 , 每 個(gè) 手 指 有 3個(gè) 回 轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié) , 每 一 個(gè) 關(guān) 節(jié) 的 自 由 度 都 是 獨(dú) 立 控 制 的 。 因 此 ,幾 乎 人 手 指能 完 成 的 各 種 復(fù) 雜 動(dòng) 作 它 都 能 模 仿 ,諸 如

57、擰 螺 釘 、 彈 鋼 琴 、 作禮 儀 手 勢(shì) 等 動(dòng) 作 。 在 手 部 配 置 觸 覺(jué) 、 力 覺(jué) 、 視 覺(jué) 、 溫 度 傳 感 器 , 將 會(huì) 使 多 指 靈 巧 手 達(dá) 到 更 完 美 的 程 度 。 多 指 靈 巧 手 的 應(yīng) 用 前 景十 分 廣 泛 ,可 在 各 種 極 限 環(huán) 境 下 完 成 人 無(wú) 法 實(shí) 現(xiàn) 的 操 作 , 如 核工 業(yè) 領(lǐng) 域 、 宇 宙 空 間 作 業(yè) , 在 高 溫 、 高 壓 、 高 真 空 環(huán) 境 下 作 業(yè)等 。 圖 2.25 多 指 靈 巧 手 靈 巧 手 的 設(shè) 計(jì) 靈 巧 手 一 般 選 取 3-5個(gè) 手 指 2.1.5 其 它 手 1

58、. 彈 性 力 手 爪 彈 性 力 手 爪 的 特 點(diǎn) 是 其 夾 持 物 體 的 抓 力 是 由 彈 性 元 件 提 供的 ,不 需 要 專 門(mén) 的 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 , 在 抓 取 物 體 時(shí) 需 要 一 定 的 壓 入 力 , 而 在 卸 料 時(shí) , 則 需 要 一 定 的 拉 力 。 圖 2.26所 示 為 幾 種 彈 性 力 手 爪 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 。 圖 2.26(a)所示 的 手 爪 有 一 個(gè) 固 定 爪 , 另 一 個(gè) 活 動(dòng) 爪 6靠 壓 簧 4提 供 抓 力 , 活動(dòng) 爪 繞 軸 5回 轉(zhuǎn) , 空 手 時(shí) 其 回 轉(zhuǎn) 角 度 由 平 面 2、 3限 制 。 抓 物

59、時(shí) ,爪 6在 推 力 作 用 下 張 開(kāi) ,靠 爪 上 的 凹 槽 和 彈 性 力 抓 取 物 體 ; 卸 料時(shí) , 需 固 定 物 體 的 側(cè) 面 ,手 爪 用 力 拔 出 即 可 。 圖 2.26 彈 性 力 手 爪 2. 擺 動(dòng) 式 手 爪 擺 動(dòng) 式 手 爪 的 特 點(diǎn) 是 在 手 爪 的 開(kāi) 合 過(guò) 程 中 , 其 爪 的 運(yùn) 動(dòng)狀 態(tài) 是 繞 固 定 軸 擺 動(dòng) 的 , 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ,使 用 較 廣 ,適 合 于 圓 柱 表面 物 體 的 抓 取 。 圖 2.27所 示 為 一 種 擺 動(dòng) 式 手 爪 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 。 這 是 一 種連 桿 擺 動(dòng) 式 手 爪 ,

60、活 塞 桿 移 動(dòng) , 并 通 過(guò) 連 桿 帶 動(dòng) 手 爪 回 繞 同一 軸 擺 動(dòng) , 完 成 開(kāi) 合 動(dòng) 作 。 圖 2.27 擺 動(dòng) 式 手 爪 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 圖 2.28所 示 為 自 重 式 手 部 結(jié) 構(gòu) , 要 求 工 件 對(duì) 手 指 的 作 用力 的 方 向 應(yīng) 在 手 指 回 轉(zhuǎn) 軸 垂 直 線 的 外 側(cè) , 使 手 指 趨 向 閉 合 。 用 這 種 手 部 結(jié) 構(gòu) 來(lái) 夾 緊 工 件 是 依 靠 工 件 本 身 的 重 量 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 , 工 件 越 重 ,握 力 越 大 。 手 指 的 開(kāi) 合 動(dòng) 作 由 鉸 接 活 塞 油 缸 實(shí) 現(xiàn) 。 該 手 部

61、結(jié) 構(gòu) 適 用 于 傳 輸 垂 直 上 升 或 水 平 移 動(dòng) 的 重 型 工 件 。 圖 2.28 自 重 式 手 部 結(jié) 構(gòu) 圖 2.29所 示 為 彈 簧 外 卡 式 手 部 結(jié) 構(gòu) 。 手 指 1的 夾 放 動(dòng) 作 是依 靠 手 臂 的 水 平 移 動(dòng) 而 實(shí) 現(xiàn) 的 。 當(dāng) 頂 桿 2與 工 件 端 面 相 接 觸 時(shí) , 壓 縮 彈 簧 3, 并 推 動(dòng) 拉 桿 4向 右 移 動(dòng) , 使 手 指 1繞 支 承 軸 回 轉(zhuǎn) 而夾 緊 工 件 。 卸 料 時(shí) 手 指 1與 卸 料 槽 口 相 接 觸 , 使 手 指 張 開(kāi) , 頂桿 2在 彈 簧 3的 作 用 下 將 工 件 推 入

62、卸 料 槽 內(nèi) 。 這 種 手 部 適 用 于 抓取 輕 小 環(huán) 形 工 件 , 如 軸 承 內(nèi) 座 圈 等 。 圖 2.29 彈 簧 外 卡 式 手 部 結(jié) 構(gòu) 3. 勾 托 式 手 部 圖 2.30所 示 為 勾 托 式 手 部 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 。 勾 托 式 手 部 并 不 靠夾 緊 力 來(lái) 夾 持 工 件 , 而 是 利 用 工 件 本 身 的 重 量 , 通 過(guò) 手 指 對(duì) 工件 的 勾 、 托 、 捧 等 動(dòng) 作 來(lái) 托 持 工 件 。 應(yīng) 用 勾 托 方 式 可 降 低 對(duì) 驅(qū)動(dòng) 力 的 要 求 ,簡(jiǎn) 化 手 部 結(jié) 構(gòu) , 甚 至 可 以 省 略 手 部 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 。

63、 該手 部 適 用 于 在 水 平 面 內(nèi) 和 垂 直 面 內(nèi) 搬 運(yùn) 大 型 笨 重 的 工 件 或 結(jié) 構(gòu)粗 大 而 質(zhì) 量 較 輕 且 易 變 形 的 物 體 。 勾 托 式 手 部 又 有 手 部 無(wú) 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 和 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 兩 種 類 型 。 圖 2.30 勾 托 式 手 部 示 意 圖(a) 無(wú) 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 的 手 部 ； (b) 有 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 的 手 部 分 析 機(jī) 器 人 所 在 系統(tǒng) 的 工 作 環(huán) 境 ： 包括 工 作 車 間 的 平 面布 置 ， 相 互 間 的 位置 關(guān) 系 等 。 二 、 技 術(shù) 設(shè) 計(jì) 夾 緊工 件 手 臂升 降 伸 縮運(yùn) 動(dòng) 回 轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)工 作 節(jié) 拍 5分 鐘每 一 個(gè) 動(dòng) 作 都 由 5個(gè) 關(guān) 節(jié) 協(xié) 同 完 成綜 合 分 配 每 個(gè) 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度運(yùn) 動(dòng) 速 度 確 定 舉 例 初 步 確 定 機(jī) 器 人 的 結(jié) 構(gòu) ：