機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計,任務(wù),1,：工業(yè)機器人的總體設(shè)計,任務(wù),2,：工業(yè)機器人的驅(qū)動與傳動,任務(wù),3,：機身和臂部設(shè)計,任務(wù),4,：腕部設(shè)計,任務(wù),5,：手部設(shè)計,2,任務(wù),1,工業(yè)機器人總體設(shè)計,總體設(shè)計的步驟,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計,傳動方式選擇,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,材料選擇,平衡系統(tǒng)設(shè)計,3,1,、系統(tǒng)分析,機器人,是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提高勞動生產(chǎn)率的有力工具。首先確定使用機器人是否需要與合適，決定采用后需要做如下分析工作

2、：,(1)明確采用機器人的目的和任務(wù),。,(2)分析機器人所在系統(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，確定機器人的基本功能和方,案,。,如機器人的自由度數(shù)、信息的存儲容量、定位精度、抓取重量,(4)進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料,。,總體設(shè)計的步驟,4,2,、技術(shù)設(shè)計,(1),機器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、運動速度及定位精度等。,舉例：定位精度的確定,機器人或機械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機器人或機械手本身所能達(dá)到的定位精度取決于定位方式、運動速度、控制方式、臂部剛性、驅(qū)動方式、緩沖方式等。,工藝過程的不同，對機器人或機

3、械手重復(fù)定位精度的要求也不同，不同工藝過程所要求的定位精度如下：,金屬切削機床上下料：,(0.05-1.00) mm,沖床上下料：,1 mm,模鍛：,(0.1-2.0) mm,點焊：,1 mm,裝配、測量：,(0.01-0.50) mm,噴涂：,3 mm,當(dāng)機器人或機械手本身所能達(dá)到的定位精度有困難時，可采用輔助工夾具協(xié)助定位的辦法，即,機器人實現(xiàn)粗定位、工夾具實現(xiàn)精定位,。,5,(2),機器人,運動形式的選擇。,常見機器人的運動形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和,S,C,ARA型,。,(3),擬定檢測傳感系統(tǒng)框圖。,選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮安裝位置,。,(4)

4、,確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖,。,(,5,) 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,。,確定驅(qū)動方式，選擇運動部件和設(shè)計具體結(jié)構(gòu)，繪制機器人總裝圖及主要部件零件圖,。,6,3,、仿真分析,(1),運動學(xué)計算。分析是否達(dá)到要求的速度、加速度、位置。,(2),動力學(xué)計算。計算關(guān)節(jié)驅(qū)動力的大小，分析驅(qū)動裝置是否滿足要求。,(3),運動的動態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來，實現(xiàn)機器人的運動仿真。,(4),性能分析。建立機器人數(shù)學(xué)模型，對機器人動態(tài)性能進(jìn)行仿真計算。,(5),方案和參數(shù)修改。運用仿真分析的結(jié)果對所設(shè)計的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進(jìn)行修改，加以完善。,機器人機械系統(tǒng)設(shè)計是機器人設(shè)計的重要部分。其他系統(tǒng)的設(shè)

5、計盡管有各自的獨立性，但都必須與機械系統(tǒng)相匹配，相輔相成，構(gòu)成一個完整的機器人系統(tǒng)。,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵,是,選擇由連桿件和運動副組成的坐標(biāo),形式,（,1,）直角坐標(biāo)機器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個自由度，全為,伸縮,（,2,）圓柱,坐標(biāo),機器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個自由度，腰轉(zhuǎn)、升降、,伸縮,（,3,）球面坐標(biāo)機器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個自由度，轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動和,伸縮,（,4,）關(guān)節(jié),坐標(biāo),機器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個自由度，全為轉(zhuǎn)動,傳動方式選擇,（,1,）選擇驅(qū)動源和傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接、驅(qū)動方式,（,2,）工業(yè)機器人的傳動形式,傳動形式,特征,優(yōu)點,缺點,直接連結(jié)傳動,直接裝在關(guān)節(jié)上,結(jié)構(gòu)緊

6、湊,需考慮電機自重，轉(zhuǎn)動慣量大，能耗大,遠(yuǎn)距離連結(jié)傳動,經(jīng)遠(yuǎn)距離傳動裝置與關(guān)節(jié)相連,不需考慮電機自重，平衡性良好,額外的間隙和柔性，結(jié)構(gòu)龐大，能耗大,間接傳動,減速比遠(yuǎn),1,的傳動裝置與關(guān)節(jié)相連,經(jīng)濟(jì)、對載荷變化不敏感、便于制動設(shè)計、方便一些運動轉(zhuǎn)換,傳動精度低、結(jié)構(gòu)不緊湊、引入誤差，降低可靠性,直接驅(qū)動,不經(jīng)中間關(guān)節(jié)或經(jīng)速比,=1,的傳動裝置與關(guān)節(jié)相連,傳動精度高，振動小，傳動損耗小，可靠性高，響應(yīng)快,控制系統(tǒng)設(shè)計困難，對傳感元件要求高，成本高,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,模塊化工業(yè)機器人,。由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過具有特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機器人系統(tǒng)。,模塊化工業(yè)機器人的特點

7、,(1),經(jīng)濟(jì)性。,設(shè)計和制造通用性很強的工業(yè)機器人是很不經(jīng)濟(jì)的，價格昂貴。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，控制和編程簡單，實用性強的專用機器人。,機器人制造廠家也希望改變設(shè)計和制造模式，采用批量制造技術(shù)來生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化系列化的工業(yè)機器人模塊，自由拼裝工業(yè)機器人，滿足用戶經(jīng)濟(jì)性好和基本功能全的要求。,(2),靈活性。,其主要體現(xiàn)在：,可根據(jù)工業(yè)機器人所要實現(xiàn)的功能來決定模塊的數(shù)量，,機器人的自由度可以方便地增減,。比如，用戶要求機器人能為多臺設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時，可增選一個底座移動軸模塊或其它行走軸模塊,工業(yè)機器人成為移動式機器人。,為了,擴(kuò)大工業(yè)機器人的工作范圍,，可更換具

8、有更長長度的手臂模塊或加接手臂模塊。下圖所示是一種多關(guān)節(jié)多臂檢測機器人，不僅多臂模塊組合成的手臂很長，而且手臂可作波浪運動。,能不斷對現(xiàn)役,模塊化工業(yè)機器人更新改造,。比如，用戶可以選用伸縮套筒式手臂模塊來更替原有固定長度的模塊；隨著控制技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，可更換更高性能的控制模塊和更高精度的傳感器模塊；更換新模塊來進(jìn)行工業(yè)機器人的維修保養(yǎng)。,3.,模塊化工業(yè)機器人所存在的問題,(1),模塊化工業(yè)機器人整個機械系統(tǒng)的,剛度比較差,。因為模塊之間的結(jié)合是可方便拆卸的，盡管在設(shè)計上已經(jīng)注意到了標(biāo)準(zhǔn)機械接口的高精度要求，但實際制造仍會存在誤差，所以與整體結(jié)構(gòu)相比剛度相對地差些。,(2),因為有許多

9、機械接口及其它連接附件，所以模塊化工業(yè)機器人的,整體重量有可能增加,。,(3),雖然功能模塊的形式有多種多樣，但是,尚未真正做到根據(jù)作業(yè)對象就可以合理進(jìn)行模塊化分析和設(shè)計。,機器人本體材料的選擇,材料選擇,基本,要求,強度高,阻尼大,彈性模量大,重量輕,經(jīng)濟(jì)性好,(1),強度高,。機器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強度材料不僅能滿足機器人臂的強度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。,(2),彈性模量大,。從材料力學(xué)公式可知，構(gòu)件剛度,(,或變形量,),與材料的彈性模量,E,、,G,有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的改性對彈性模量卻沒有多

10、大差別。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為,420MPa,，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為,2000,2300MPa,，但是二者的彈性模量,E,卻沒有多大變化，均為,210000MPa,。因此，還應(yīng)尋找其它提高構(gòu)件剛度的途徑。,(3),重量輕,。在機器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說，為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量,E,大而密度,也大的材料是不合理的。因此，提出了選用高彈性模量低密度材料的要求，可用,E /,指標(biāo)來衡量。下表列出了幾種材料的應(yīng),E,、,和,E / ,值,供參考。,(4),阻尼大,。工業(yè)機器人在選材時不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能

11、大。機器人的臂經(jīng)過運動后，要求能平穩(wěn)地停下來。可是由于在構(gòu)件終止運動的瞬時，構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會產(chǎn)生,“,殘余振動,”,。從提高定位精度和傳動平穩(wěn)性來考慮，希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來吸收能量。,(5),材料價格低,。材料價格是工業(yè)機器人成本價格的重要組成部分。有些新材料如棚纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金，用來作機器人臂的材料是很理想的，但價格昂貴。,機器人常用材料,碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼,鋁、鋁合金及其他輕合金材料,纖維增強合金,陶瓷,纖維增強復(fù)合材料,粘彈性大阻尼材料,(1),碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼,：強度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增大

12、了,4,至,5,倍,彈性模量,E,大，抗變形能力強，是應(yīng)用最廣泛的材料。,(2),鋁、鋁合金及其它輕合金材料,：這類材料的共同特點是重量輕，彈量模量,E,并不大，但是材料密度小,故,E /,比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善，例如添加了,3.2%,重量的鋰的鋁合金彈性模量增加了,14%,，,E/,比增加,16%,。,(3),纖維增強合金,：如棚纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金，其,E/,比分別達(dá)到,11.4,10,7,m,2,/s,2,和,8.9X10,7,m,2,/s,2,。這種纖維增強金屬材料具有非常高的,E/ ,比，而且沒有無機復(fù)合材料的缺陷，但價格昂貴。,(4)

13、,陶瓷,：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臂的樣品。,(5),纖維增強復(fù)合材料,：這類材料具有極好的,E/,比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎洝⑴c金屬件連接困難等問題。這種材料不但重量輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點，傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼。所以,在高速機器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多。疊層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等使其具有最大阻尼值。,(6),粘彈性大阻尼材料,：增大機器人連桿件的阻尼是改善機器人

14、動態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是,用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理,，如下圖所示。吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機械臂振動控制中應(yīng)用的實驗，結(jié)果表明：機械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為土,0.30mm,，處理后為士,0.16mm,，殘余振動時間在阻尼處理前、后分別為,0.9s,和,0.5s,。,工業(yè)機器人是一個多剛體耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)的平衡性是極其重要的，在工業(yè)機器人設(shè)計中,采用平衡系統(tǒng)的理由,是：,(1),安全,。根據(jù)機器人動力學(xué)方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩包括重力矩項，即各連桿質(zhì)量對關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩。因為重力是永

15、恒的，即使機器人停止了運動，重力矩項仍然存在。這樣，當(dāng)機器人完成作業(yè)切斷電源后，機器人機構(gòu)會因重力而失去穩(wěn)定。平衡系統(tǒng)是為了防止機器人因動力源中斷而失穩(wěn)，引起向地面,“,倒,”,的趨勢。,平衡系統(tǒng)設(shè)計,(2),借助平衡系統(tǒng)能,降低,因機器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致,重力,引起,關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化,的峰值。,(3),借助平衡系統(tǒng)能,降低,因機器人運動而導(dǎo)致,慣性力矩,引起,關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩變化,的峰值。,(4),借助平衡系統(tǒng)能減少動力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項和非線性項，,改進(jìn)機器人動力特性,。,(5),借助平衡系統(tǒng)能,減小機械臂結(jié)構(gòu)柔性,所引起的不良影響。,(6),借助平衡系統(tǒng)能使,機器人運行穩(wěn)定,，降低地面安裝要求

16、。,平衡系統(tǒng)設(shè)計的主要途徑,盡管為了防止因動力源中斷機器人有向地面,“,倒塌,”,的趨勢，可采用不可逆轉(zhuǎn)機構(gòu)或制動閥。但是，在工業(yè)機器人日趨高速化之時，工業(yè)機器人平衡系統(tǒng)的良好設(shè)計是非常重要的，其設(shè)計途徑有三條：,(1),質(zhì)量平衡技術(shù)；,(2),彈簧力平衡技術(shù)；,(3),可控力平衡技術(shù)。,25,任務(wù),2,：工業(yè)機器人的驅(qū)動與傳動,機器人驅(qū)動機構(gòu),傳動部件的設(shè)計,驅(qū)動裝置的類型和特點,新型驅(qū)動方式,26,機器人驅(qū)動機構(gòu),1,、驅(qū)動機構(gòu)的形式,齒條固定不動，當(dāng)齒輪傳動時,齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動,拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械摹?該裝置的回差較大。,（,1,）直線驅(qū)動機構(gòu),（,a,）齒輪齒條裝

17、置,齒輪齒條裝置,普通絲杠驅(qū)動是由一個旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動一個螺母沿絲杠軸向移動。,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,在機器人上很少采用,。,機械學(xué)中的爬行現(xiàn)象,在滑動摩擦副中從動件在勻速驅(qū)動和一定摩擦條件下產(chǎn)生的周期性時停時走或時慢時快的運動現(xiàn)象。,絲杠螺母傳動的手臂升降機構(gòu),1,電動機；,2,蝸桿；,3,臂架；,4,絲杠；,5,蝸輪；,6,箱體；,7,花鍵套,（,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,傳動過程中所受的摩擦力是滾動摩擦,可極大地減小摩擦力,因此傳動效率高,消除了低速運動時的爬行現(xiàn)象。,滾球絲杠副

18、,30,（,d,）液壓傳動（直接平移）,31,（,e,）氣壓傳動（直接平移）,（,2,）,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu),（,a,）,齒輪鏈,齒輪鏈?zhǔn)怯蓛蓚€或兩個以上的齒輪組成的傳動機構(gòu),。它不但可以傳遞運動角位移和角速度,而且可以傳遞力和力矩。 現(xiàn)以具有兩個齒輪的齒輪鏈為例,說明其傳動轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中一個齒輪裝在輸入軸上,另一個齒輪裝在輸出軸上,如圖所示。,齒輪鏈機構(gòu),使用齒輪鏈機構(gòu)應(yīng)注意的問題,齒輪鏈的引入會改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量,從而使驅(qū)動電機的響應(yīng)時間減小,這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。,輸出軸轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動電機上,等效轉(zhuǎn)動慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。,由于齒輪間隙誤差,將會導(dǎo)致機器人手臂

19、的定位誤差增加,;,而且,假如不采取一些補救措施,齒隙誤差還會引起伺服系統(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,35,(b),同步皮帶,同步皮帶的特點,同步帶相當(dāng)于柔軟的齒輪,具有柔性好,價格便宜、加工也容易。,同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況。只要同步皮帶足夠長,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測量,則輸入傳動的同步皮帶可以放在伺服環(huán)外面,這對系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)性不會有影響,重復(fù)精度可以達(dá)到,1 mm,以內(nèi)。,有時,齒輪鏈和同步

20、皮帶結(jié)合起來使用更為方便。,諧波齒輪傳動,（,c,）諧波齒輪,傳動部件設(shè)計,機器人是運動的，各個部位,都,需要能源和動力，因此設(shè)計和選擇良好的傳動部件是非常重要的,。,這涉及到關(guān)節(jié)形式的確定，傳動方式以及傳動部件的定位和消隙等多個方面,。,(,1),關(guān)節(jié),(,如轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與移動關(guān)節(jié),),(,2),傳動件的定位和消隙,(,3),機器人傳動機構(gòu),(,如齒輪、繩與鋼帶傳動等,),1.,關(guān)節(jié),（,1,）,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)組成,。,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式,（,a,）轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式,40,（,b,）軸承,機器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機器人和機械手結(jié)

21、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，對軸和軸承座的剛度不敏感。,圖,4.34,基本耐磨球軸承,2,移動關(guān)節(jié),移動關(guān)節(jié)由直線運動機構(gòu)和在整個運動范圍內(nèi)起直線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成。,導(dǎo)軌部分分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和磁性懸浮導(dǎo)軌等形式。,一般，要求機器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂直于運動方向上要求剛度高，摩擦系數(shù)小且不隨速度變化，并且有高阻尼、小尺寸和小慣量。,通常，由于機器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用結(jié)構(gòu)緊湊且價格低廉的滾動導(dǎo)軌。,42,滾動導(dǎo)軌可以按直線導(dǎo)軌的種類、軌道形狀和滾動體分為,:,(1),按滾動體分類,球、圓柱滾子和滾針。,(2),按軌

22、道分類,圓軸式、平面式和滾道式。,(3),按滾動體是否循環(huán)分類,循環(huán)式、非循環(huán)式。,直線導(dǎo)軌,滾珠絲杠,2.,機器人傳動機構(gòu),（,1,）齒輪傳動,行星齒輪傳動,諧波,齒輪,傳動,采用液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧波傳動,1,凸輪,2,柔輪,3,小孔,（,2,）絲杠傳動,滾動絲杠的基本組成,1,絲杠；,2,螺母；,3,滾珠；,4,導(dǎo)向槽,絲杠螺母傳動的手臂升降機構(gòu),1,電動機；,2,蝸桿；,3,臂架；,4,絲杠；,5,蝸輪；,6,箱體；,7,花鍵套,（,4,）帶傳動與鏈傳動,齒形帶形狀,鋼帶傳動,（,5,）,繩傳動與鋼帶傳動,（,6,）,桿、連桿與凸輪傳動,凸輪機構(gòu),連桿機構(gòu),采用鋼帶傳動的,ADEPT

23、,機器人,（,7,）流體傳動,油缸和齒輪齒條手臂機構(gòu),氣缸和齒輪齒條增倍手臂機構(gòu),1,運動齒條；,2,齒輪；,3,活塞桿,3.,傳動件的定位和消隙,（,1,）,傳動件的定位,電氣開關(guān)定位,機械擋塊定位,伺服定位系統(tǒng),利用插銷定位的結(jié)構(gòu),1,行程節(jié)流閥,2,定位圓盤,3,插銷,4,定位油缸,（,2,）,傳動件的消隙,1,）消隙齒輪,50,2,）柔性齒輪消隙,3,）,對稱傳動消隙,雙諧波傳動消隙方法,1,電動機；,2,小齒輪；,3,，,3,減速傳動齒輪；,4,，,4,軸；,5,，,5,齒輪；,6,齒輪,1,，,2,齒輪箱；,3,，,4,，,5,齒輪；,6,電動機；,7,同步帶；,8,壓緊輪；,9,

24、同步帶傳動,4,）,偏心機構(gòu)消隙,5,）,齒廓彈性覆層消隙,偏心消隙機構(gòu),齒廓彈性覆層消隙,1,電動驅(qū)動裝置,電動驅(qū)動裝置的能源簡單，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)動比較困難。,電動驅(qū)動裝置又可分為直流,(DC),、交流,(AC),伺服電機驅(qū)動和步進(jìn)電機驅(qū)動。,直流伺服電機電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。,步進(jìn)電機驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。,驅(qū)動裝置的類型和特點,直流電機（有刷）,步進(jìn)電機,盤式無刷直流電機,交流伺服電機,54,2.,液壓驅(qū)動裝置,優(yōu)點：功率大，可省去減速裝置

25、直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。,缺點：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。,液壓馬達(dá),液壓擺動馬達(dá),液壓控制閥,液壓泵,55,3,氣動驅(qū)動裝置,氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動裝置相比，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位控制機器人。,氣動馬達(dá),氣動擺動馬達(dá),氣缸,氣泵,氣動三大件,氣動控制閥,56,驅(qū)動裝置的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)。,一般說來，目前負(fù)荷為,100 kg,以下的,可優(yōu)先考慮電

26、動驅(qū)動裝置。,只須點位控制且負(fù)荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要求者，可采用氣動驅(qū)動裝置。,負(fù)荷很大或機器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采用液壓驅(qū)動裝置。,對于驅(qū)動裝置來說，最重要的指標(biāo)要求是起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。,4,驅(qū)動裝置的選擇原則,新型的驅(qū)動方式,1.,磁致伸縮驅(qū)動,鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變,其長度和體積都要發(fā)生微小的變化,這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。,58,形狀記憶效應(yīng)實驗,原始形狀,拉直,加熱后恢復(fù)變形前形狀,2.,形狀記憶合金,59,60,形狀恢復(fù)完全可逆,需具備以下條件：,馬氏體相變是,熱彈性,的；,母相和馬氏體

27、呈現(xiàn),有序的點陣結(jié)構(gòu),；,馬氏體點陣的不變切變?yōu)閷\生，,亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e,；,馬氏體相變在晶體學(xué)上是,可逆的,。,61,隨著形狀記憶材料研究的不斷深入，,發(fā)現(xiàn)不完全具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng),。,溫度場,可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，,磁場、應(yīng)力場,等也可誘導(dǎo)馬氏體相變，出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。,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,62,左圖是一個雙程,CuZnAl,記憶合金彈簧，它是,SMA,用作驅(qū)動器的典型形式。,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,6585,，自由

28、狀態(tài)為,45mm,，伸長狀態(tài)為,200mm,。 可見其形變量較大，可以產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力。,利用記憶合金在加熱時形狀恢復(fù)的同時其,回復(fù)力可對外作功,的特性，能夠制成各種驅(qū)動元件。這種驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，可靠性好。,形狀記憶合金驅(qū)動器,3.,靜電驅(qū)動器,圖,2.77,是一個帶有電阻器移動子的三相靜電驅(qū)動器的工作原理圖。,圖,2.77,三相靜電驅(qū)動器工作原理,這種執(zhí)行器有下列特征,:,(1),因為移動子中沒有電極,所以不必確定與定子的相對位置,定子電極的間距可以非常小。,(2),因為驅(qū)動時會產(chǎn)生浮力,所以摩擦力小,在停止時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)

29、造簡單,所以可以實現(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,把這種執(zhí)行器作為實現(xiàn),人工筋肉,的一種方法,受到了人們的關(guān)注。,4.,超聲波電機,超聲波電機的工作原理是用超聲波激勵彈性體定子， 使其表面形成橢圓運動， 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， 在預(yù)壓,W,作用下， 轉(zhuǎn)子被推動。,超聲波電機的負(fù)載特性與,DC,電機相似， 相對于負(fù)載增加， 轉(zhuǎn)速有垂直下降的趨勢， 將超聲波電機與,DC,電機進(jìn)行比較， 它的特點有： 可望達(dá)到低速、 高效率； 同樣的尺寸， 能得到大的轉(zhuǎn)矩；

30、能保持大轉(zhuǎn)矩； 無電磁噪聲； 易控制； 外形的自由度大等。,圖,2.78,超聲波電機的工作原理圖,01,02,03,編織式氣動肌肉,網(wǎng)孔式氣動肌肉,嵌入式氣動肌肉,氣動肌肉,按結(jié)構(gòu)形式可將氣動肌肉分為三類：,氣動肌肉驅(qū)動器,(Pneumatic MuscleActuator,，,PMA),，,以下簡稱氣動肌肉，是一種新型的,拉伸型氣動驅(qū)動器,，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,。,編織式氣動肌肉,編織式氣動肌肉主要由氣密彈性管和套在它外面的編織套組成,網(wǎng)孔式氣動肌肉,網(wǎng)孔式氣動肌肉是網(wǎng)狀式氣動肌肉，網(wǎng)孔比較大，纖維比較稀疏，網(wǎng)是系結(jié)而成

31、的，這種肌肉只能在較低的壓力下工作。,嵌入式氣動肌,氣動肌肉承受負(fù)載的構(gòu)件,(,絲、纖維,),嵌入到彈性薄膜里。,氣動肌肉原理,氣動肌肉的結(jié)構(gòu)雖然很多，但原理上基本類似。其核心是個,可膨脹的薄壁囊,，外部為限制變形的,支撐材料，,兩端使用,連接件,固定。對橡膠筒套,充氣,時，橡膠筒套因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng)，由于編織網(wǎng)剛度很大，限制其只能徑向變形，,直徑變大，長度縮短,。此時，如果將氣動人工肌肉與負(fù)載相聯(lián)，就會,產(chǎn)生收縮力,；反之，當(dāng),放氣,時氣動人工肌肉彈性回縮，,直徑變細(xì)，長度增加,，收縮力減小。,單向收縮,成對使用,充氣變形,可膨脹薄壁囊,支撐材料,連接件,放氣回縮,氣動肌肉關(guān)節(jié)模型,氣

32、動肌肉和生物肌肉的工作原理是一樣的，都是通過收縮產(chǎn)生的力來帶動負(fù)載，一個氣動肌肉收縮，另一個伸長，從而帶動關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動。,常用安裝方式,旋轉(zhuǎn)運動,直線運動,氣動肌肉的特性,低成本、清潔安全、安裝簡便；,高功率,/,質(zhì)量比和高功率,/,體積比；,具有柔性結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與生物肌肉相似，應(yīng)用前景良好。,行程較?。?其充氣變形為強非線性環(huán)節(jié)，難以實現(xiàn)精確控制；,柔性也使得精度和重復(fù)性受到了限制。,優(yōu)點,缺點,理療康復(fù),該機器腳踝特別的地方是它的,人工肌肉,實際上是一系列氣動管；,膝蓋上超靈敏的傳感器告訴它們?nèi)绾涡袆訒r，它們會,擴(kuò)張和收縮。,機身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點,臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點,任務(wù),3,機

33、身及臂部結(jié)構(gòu),機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,77,1,、機身與臂部的配置形式,機身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點,2.,機身的典型結(jié)構(gòu),（,1,）回轉(zhuǎn)與升降機身,單桿活塞氣缸,驅(qū)動鏈傳動機構(gòu),雙桿活塞氣缸,驅(qū)動鏈傳動機構(gòu),（,2,）,回轉(zhuǎn)與俯仰機身,3.,機身驅(qū)動力,(,力矩,),計算,（,2,）,回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算,（,1,）,垂直升降運動驅(qū)動力的計算,（,3,）,升降立柱下降不卡死,(,不自鎖,),的條件計算,偏重力臂的大小,偏重力矩,根據(jù)升降立柱平衡條件,有,升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件,即：,4.,機身設(shè)計要注意的問題,（,1,）,剛度和強度大，穩(wěn)定性要好,（,2,）,運動靈活，導(dǎo)

34、套不宜過短，避免卡死,（,3,）,驅(qū)動方式適宜,（,4,）,結(jié)構(gòu)布置合理,83,1.,臂部的典型機構(gòu),（,1,）,臂部伸縮機構(gòu),1,手部,2,夾緊缸,3,油缸,4 ,導(dǎo)向柱,5,運行架,6,行走車輪,7,軌道,8,支座,四導(dǎo)向柱式臂伸縮機構(gòu),臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點,（,2,）,手臂俯仰運動機構(gòu),1,手部,2,夾緊缸,3,升降缸,4,小臂,5,，,7,擺動缸,6,大臂,8,立柱,擺動缸驅(qū)動連桿俯仰臂機構(gòu),（,3,）,手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu),手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨驅(qū)動，適用于升降行程短而回轉(zhuǎn)角度小于,360,的情況，也有采用升降缸與氣馬達(dá),-,錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。,2.,機器人手臂

35、材料的選擇,優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍、聚乙烯,（,PEH,）,和碳素纖維等；金屬材料以輕合金,（,特別是鋁合金,）,為主。,3.,臂部設(shè)計要注意的問題,承載能,力,強,剛度高,導(dǎo)向性能好,重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小,合理設(shè)計與腕和機身的連接部位,機器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,1.,質(zhì)量平衡方法,2.,彈簧力平衡方法,90,任務(wù),4,腕部設(shè)計,腕部自由度,腕部典型結(jié)構(gòu),柔性手腕,腕部設(shè)計注意的問題,（,1,）手腕關(guān)節(jié)的滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn),1.,腕部自由度,手腕的坐標(biāo)系和自由度,6,種,3,自由度手腕的結(jié)合方式示意,圖,（,2,）,RRR,手腕,3R,手腕關(guān)節(jié)遠(yuǎn)程傳動示意,3R,

36、手腕結(jié)構(gòu)示意,2.,腕部的典型結(jié)構(gòu),（,1,）,單自由度回轉(zhuǎn)運動手腕,1,回轉(zhuǎn)缸；,2 ,定片；,3 ,腕回轉(zhuǎn)軸；,4 ,動片；,5 ,手部,回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動的單自由度腕部結(jié)構(gòu),（,2,）,二自由度手腕,1,）,雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動的腕部,l,手部,2,中心軸,3,固定中心軸,4,定片,5,擺動回轉(zhuǎn)缸,6,動片,7,回轉(zhuǎn)軸,8,回轉(zhuǎn)缸,具有回轉(zhuǎn)與擺動的二自由度腕部結(jié)構(gòu),2,）,齒輪傳動二自由度腕部,齒輪傳動回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理,1,，,2,，,3,，,4,，,5,，,6,錐齒輪,7,殼體,8,手腕,9,手爪,（,3,）,三自由度手腕,1,）,液壓直接驅(qū)動三自由度手腕,2,）,齒輪鏈輪傳動三自由度腕部

37、,1,油缸；,2,鏈輪；,3,，,4,錐齒輪；,5,，,6,花鍵軸,T,；,7,傳動軸,S,；,8,腕架,;,9,行星架；,10,，,11,，,22,，,24,圓柱齒輪；,12,，,13,，,14,，,15,，,16,，,17,，,18,，,20,錐齒輪；,19,擺動軸；,21,，,23,雙聯(lián)圓柱齒輪；,25,傳動軸,B,4,柔順手腕結(jié)構(gòu),柔順性裝配技術(shù),。,主動柔順裝配,是從檢測、 控制的角度出發(fā),采取各種不同的搜索方法,實現(xiàn)邊校正邊裝配,;,有的手爪還配有檢測元件,如視覺傳感器力傳感器等。,移動擺動柔順手腕,被動柔順裝配,。從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié),以滿足柔順裝配的需要。

38、,圖,2.43,柔順手腕動作過程,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,5.,設(shè)計腕部,時應(yīng),注意,的,問題,結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高,強度、剛度高,設(shè)計合理的與臂和手部的連接部位,107,任務(wù),5,手部設(shè)計,機器人手部的特點,手部的分類,手爪的設(shè)計和選用要求,典型的手抓結(jié)構(gòu),1.,機器人手部的特點,（,1,）,手部與手腕相連處可拆卸,（,2,）,手部是機器人末端操作器,（,3,）,手部的通用性比較差,（,4,）,手部是一個獨立的部件,2.,手部的分類,（,1,）,按用途,平面鉗爪夾持圓柱零件,專用工具,:,噴槍,，,焊具,（

39、,2,）,按夾持原理,（,3,）,按手指或吸盤數(shù)目,按手指數(shù)目,二指手爪,多指手爪,按手指關(guān)節(jié),單關(guān)節(jié)手指手爪,多關(guān)節(jié)手指手爪,吸盤式手爪按吸盤數(shù)目,單吸盤式手爪,多吸盤式手爪,三指手爪,柔性手指手爪,（,4,）,按智能,化,普通式,（無傳感器）,智能式,（有傳感器）,3.,手爪設(shè)計和選用的要求,手爪設(shè)計和選用的要求,被抓握的對象,幾何參數(shù),工件尺寸,可能給予抓握表面的數(shù)目,可能給予抓握表面的位置和方向,夾持表面之間的距離,夾持表面的幾何形狀,機械特性,質(zhì)量,材料,固有穩(wěn)定性,表面質(zhì)量和品質(zhì),表面狀態(tài),工件溫度,物料饋送器或儲存裝置,機器人作業(yè)順序,手爪和機器人匹配,環(huán)境條件,夾鉗式取料手,夾

40、鉗式手部與人手相似,是工業(yè)機器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。 它一般由手指,(,手爪,),和驅(qū)動機構(gòu)、 傳動機構(gòu)及連接與支承元件組成,能通過手爪的開閉動作實現(xiàn)對物體的夾持。,1.,手指,手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件,就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個手指,也有三個或多個手指,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

41、（,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,(,具有兩個平行平面,),板形或細(xì)小棒料。另外，尖指和薄、長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地的細(xì)小工件,以避免和周圍障礙物相碰,;,長指一般用于夾持熾熱的工件,以免熱輻射對手部傳動機構(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,有增加磨擦力、保護(hù)工件表面、 隔熱等作用,一

42、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.,傳動機構(gòu),傳動機構(gòu),是向手指傳遞運動和動力,以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。該機構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型又分為一支點回轉(zhuǎn)和多支點回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動還是平動,又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。,(1),回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部,其手指就是,一對杠桿,一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動機構(gòu),用以改變傳動比和運動方向等。,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)簡圖。 斜楔向下運動,克服彈簧拉力,使杠桿手指裝著滾子

43、的一端向外撐開,從而夾緊工件,;,斜楔向上移動,則在彈簧拉力作下使手指松開。 手指與斜楔通過滾子接觸可以減少摩擦力,提高機械效率,有時為了簡化,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)型手部簡圖,杠桿形手指,4,的一端裝有,V,形指,5,另一端則開有長滑槽。 驅(qū)動桿,1,上的圓柱銷,2,套在滑槽內(nèi),當(dāng)驅(qū)動連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運動時,即可撥動兩個手指各繞其支點,(,鉸銷,3),作相對回轉(zhuǎn)運動,從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。,圖,2.7,雙支點連桿杠桿式手部,圖,2.7,所示為雙支點連桿杠桿式手部簡圖。

44、驅(qū)動桿,2,末端與連桿,4,由鉸銷,3,鉸接,當(dāng)驅(qū)動桿,2,作直線往復(fù)運動時,則通過連桿推動兩桿手指各繞其支點作回轉(zhuǎn)運動,從而使手指松開或閉合。,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的齒輪杠桿式手部的結(jié)構(gòu)。 驅(qū)動桿,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,可繞支點回轉(zhuǎn)。驅(qū)動力推動齒條作直線往復(fù)運動,即可帶動扇齒輪回轉(zhuǎn),從而使手指松開或閉合。,(2),平移型傳動機構(gòu)。平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復(fù)運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作的,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

45、應(yīng)用廣泛。, 直線往復(fù)型,復(fù)移動機構(gòu),:,實現(xiàn)直線往復(fù)移動的機構(gòu)很多,常用的斜楔傳動、齒條傳動、螺旋傳動等均可應(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,;,既可自動定心,也可非自動定心。,圖,2.9,直線平移型手部,(a),為斜楔平移機構(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), 平面平行移動機構(gòu)：圖,2.10,所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部的簡圖。 它們的共同點是,:,都采用平行四邊形的鉸鏈機構(gòu),雙曲柄鉸鏈四連桿機構(gòu),以實現(xiàn)手指平移。其差別在于分別采用齒條齒輪、 蝸桿蝸輪、 連桿斜滑槽的傳動方法。,圖,2.10,四連桿機構(gòu)平移型手部結(jié)構(gòu),

46、2007,年機器人大賽,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)簡單,重量輕,吸附力分布均勻等優(yōu)點,對于薄片狀物體的搬運更有其優(yōu)越性,(,如板材、 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,無孔無凹槽。,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,1,通過固定環(huán),2,安

47、裝在支承桿,4,上,支承桿由螺母,5,固定在基板,6,上。 取料時,碟形橡膠吸盤與物體表面接觸,橡膠吸盤在邊緣既起到密封作用,又起到緩沖作用,然后真空抽氣,吸盤內(nèi)腔形成真空,吸取物料。放料時,管路接通大氣,失去真空,物體放下。為避免在取、 放料時產(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,有的在橡膠吸盤背面設(shè)計有球鉸鏈。真空吸附取料手有時還用于微小無法抓取的零件,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。,

48、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,壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴,5,時,其出口處的氣壓低于吸盤腔內(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,完成取物動作,;,當(dāng)需要釋放時,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,:,取料時吸盤壓緊物體,橡膠吸盤變形,擠出腔內(nèi)多余的空氣,取料手上升,靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負(fù)壓,將物體吸住,;,釋放時,壓下拉桿,3,使吸盤腔與大氣相連通而失去

49、負(fù)壓。 該取料手結(jié)構(gòu)簡單,但吸附力小,吸附狀態(tài)不易長期保持。,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,因此只能對鐵磁物體起作用,;,另外,對某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以,磁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,磁力線穿過鐵心,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。實際使用時,往往采用如圖,2.16(b),所示的盤式電磁鐵,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,零件被

50、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,所示為盤狀磁吸附取料手的結(jié)構(gòu)圖。鐵心,1,和磁盤,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分隔,這樣使鐵心,1,成為內(nèi)磁極,磁盤,3,成為外磁極。其磁路由殼體,6,的外圈,經(jīng)磁盤,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。鐵心、磁盤和殼體均采用,8,10,號低碳鋼制成,可減少剩磁,并在斷電時不吸或少吸鐵屑。蓋,5,為用黃銅或鋁板制成的隔磁材料,用以壓住線圈,11,防止工作過程中線圈的活動。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)

51、動的情況下,氣隙越小越好,氣隙越大， 則電磁吸力會顯著地減小,因此,一般取,0.1,0.3 mm,。 在機器人手臂的孔內(nèi)可做軸向微量地移動,但不能轉(zhuǎn)動。鐵心,1,和磁盤,3,一起裝在軸承上,用以實現(xiàn)在不停車的情況下自動上下料。,圖,2.17,盤狀磁吸附取料手結(jié)構(gòu),圖,2.18,幾種電磁式吸盤吸料示意圖,(a),吸附滾動軸承底座的電磁式吸盤；,(b),吸取鋼板的電磁式吸盤；,(c),吸取齒輪用的電磁式吸盤；,(d),吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤,2.1.3,專用操作器及轉(zhuǎn)換器,1.,專用末端操作器,機器人是一種通用性很強的自動化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動作,再配上各種專用的末端操作器后,就能完

52、成各種動作。如在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人,安裝擰螺母機則成為一臺裝配機器人。目前有許多由專用電動、氣動工具改型而成的操作器,如圖,2.19,所示,有擰螺母機、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機等。 所形成的一整套系列供用戶選用,使機器人能勝任各種工作。,圖,2.19,還有一個裝有電磁吸盤式換接器的機器人手腕,電磁吸盤直徑,60 mm,質(zhì)量為,1 kg,吸力,1100 N,換接器可接通電源、信號、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)置了兩個定位銷。在各末端操作器的端面裝有換接器座,平時陳列于工具架上,需要使用時機器人手腕上的換接

53、器吸盤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式換接器,2.,換接器或自動手爪更換裝置,使用一臺通用機器人,要在作業(yè)時能自動更換不同的末端操作器,就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成,:,換接器插座和換接器插頭,分別裝在機器腕部和末端操作器上,能夠?qū)崿F(xiàn)機器人對末端操作器的快速自動更換。,專用末端操作器換接器的要求主要有,:,同時具備氣源、電源及信號的快速聯(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,機器人停止工作時不會自行脫離,;,具有一定的換接精度等。,圖

54、,2.20,所示為氣動換接器和專用末端操作器庫。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。,具體實施時,各種末端操作器放在工具架上,組成一個專用末端操作器庫,如圖,2.21,所示。,圖,2.20,氣動換接器與專用末端操作器庫,圖,2.21,專用末端操作器庫,3.,多工位換接裝置,某些機器人的作業(yè)任務(wù)相對較為集中,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。這時， 可以在機器人手腕上設(shè)置一個多工位換接裝置。例如,在機器人柔性裝配線某個工位上,機器人

55、要依次裝配如墊圈、螺釘?shù)葞追N零件,裝配采用多工位換接裝置,可以從幾個供料處依次抓取幾種零件,然后逐個進(jìn)行裝配,既可以節(jié)省幾臺專用機器人,也可以避免通用機器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時間。,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,但其傳動機構(gòu)較為復(fù)雜,;,棱柱型換接器傳動機構(gòu)較為簡單,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,為了能對不同外形的物體實施抓取,并使物

56、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,每個手指由多個關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成,每個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)動源可采用電機驅(qū)動或液壓、氣動元件驅(qū)動。 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)抽氣或抽液時形成壓力差,柔性手爪就向抽空側(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,機器人手

57、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,多指靈巧手有多個手指,每個手指有,3,個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),每一個關(guān)節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此,幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜動作它都能模仿,諸如擰螺釘、彈鋼琴、 作禮儀手勢等動作。在手部配置,觸覺,、力覺、,視覺,、溫度傳感器,將會使多指靈巧手達(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)境下完成人無法實現(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,靈巧手一般選取,3-5,個手指,2.1.5,其它手,1.,彈性力手爪,彈性力手爪的特點是其夾持物

58、體的抓力是由彈性元件提供的,不需要專門的驅(qū)動裝置,在抓取物體時需要一定的壓入力,而在卸料時,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),所示的手爪有一個固定爪,另一個活動爪,6,靠壓簧,4,提供抓力,活動爪繞軸,5,回轉(zhuǎn),空手時其回轉(zhuǎn)角度由平面,2,、,3,限制。 抓物時,爪,6,在推力作用下張開,靠爪上的凹槽和彈性力抓取物體,;,卸料時,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.,擺動式手爪,擺動式手爪的特點是在手爪的開合過程中,其爪的運動狀態(tài)是繞固定軸擺動的,結(jié)構(gòu)簡單,使用較廣,適合于圓柱表面物體的抓取。,圖,2.27,

59、所示為一種擺動式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖。這是一種連桿擺動式手爪,活塞桿移動,并通過連桿帶動手爪回繞同一軸擺動,完成開合動作。,圖,2.27,擺動式手爪的結(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)來夾緊工件是依靠工件本身的重量來實現(xiàn)的,工件越重,握力越大。手指的開合動作由鉸接活塞油缸實現(xiàn)。 該手部結(jié)構(gòu)適用于傳輸垂直上升或水平移動的重型工件。,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,的夾放動作是依靠手臂的水平移動而實現(xiàn)的。 當(dāng)頂桿,2,與工件端面相接觸時,壓縮彈簧,3,并

60、推動拉桿,4,向右移動,使手指,1,繞支承軸回轉(zhuǎn)而夾緊工件。卸料時手指,1,與卸料槽口相接觸,使手指張開,頂桿,2,在彈簧,3,的作用下將工件推入卸料槽內(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夾持工件,而是利用工件本身的重量,通過手指對工件的勾、托、捧等動作來托持工件。應(yīng)用勾托方式可降低對驅(qū)動力的要求,簡化手部結(jié)構(gòu),甚至可以省略手部驅(qū)動裝置。該手部適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運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驅(qū)動裝置和驅(qū)動裝

61、置兩種類型。,圖,2.30,勾托式手部示意圖,(a),無驅(qū)動裝置的手部；,(b),有驅(qū)動裝置的手部,綜合實例,雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機器人,下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機器人的系統(tǒng)分析方法。,明確機器人的目的和任務(wù),：,從傳送帶拾取一個雞蛋；,把蛋置于強光下照射，測定蛋是否透光（有無胚胎生長）；,根據(jù)蛋有無胚胎，把蛋放入廢品箱或包裝箱內(nèi)。,舉例示圖,1,：基本工作流程,舉例示圖,2,：機器人與環(huán)境的關(guān)系,分析機器人所在系統(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。,分析系統(tǒng)的工作要求,：,循環(huán)時間,3.0s,每次循環(huán)有三種不同的運動,：,移動到傳送帶并拾取一只雞蛋；,移動到照

62、射位置；,把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū)。,一個循環(huán)中需要三次暫停,：,閉合手爪,0.2s,；完成照射,0.05s,；開啟手爪放蛋,0.2s,每只雞蛋重量,85g,；,手爪重量,369g,位置分辨率,最低為,1.27mm,確定機器人的自由度及運動范圍：,初步分析,：機器人滿足上面提出的條件，應(yīng)該具備一個旋轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動。,仔細(xì)分析,：還應(yīng)該有一個,附加旋轉(zhuǎn),運動以對蛋進(jìn)行定向排列。因為當(dāng)受臂移動和轉(zhuǎn)動時，雞蛋的取向會發(fā)生改變。,確定技術(shù)參數(shù)為,：,伸縮運動,：,45.761.0cm,腰部旋轉(zhuǎn),：,90,腕部旋轉(zhuǎn),：,360 ,腕部垂直移動,：,50.8cm,1,機器人基本參數(shù)的確定（1）：,自由度的確定：,在系統(tǒng)分析時已經(jīng)確定了。,臂力的確定：,對于專用機器人來說,：是針對專門的工作對象來設(shè)計的，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量確定，取,1.53.0,的安全系數(shù)。,對于工業(yè)機器人來說,：