機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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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(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,,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(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,*,,*,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),2,任務(wù),1,工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì),,總體設(shè)計(jì)的步驟,,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,傳動(dòng)方式選擇,,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,材料選擇,,平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì),3,1,、系統(tǒng)分析,,,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

2、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)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,。,總體設(shè)計(jì)的步驟,4,2,、技術(shù)設(shè)計(jì),,,(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)

3、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：,±,(0.1-2.0) 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,。,5,,,(2),,機(jī)器人,運(yùn)動(dòng)形式的選擇。,常見(jiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐

4、標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和,S,C,ARA型,。,,,(3),擬定檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖。,選擇合適的傳感器，以便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝位置,。,,,(4),,確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖,。,,,(,5,) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。,確定驅(qū)動(dòng)方式，選擇運(yùn)動(dòng)部件和設(shè)計(jì)具體結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)器人總裝圖及主要部件零件圖,。,6,,3,、仿真分析,,,,(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)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

5、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)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)。,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,是,選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo),形式,,（,1,）直角坐標(biāo)機(jī)器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為,伸縮,,（,2,）圓柱,坐標(biāo),機(jī)器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，腰轉(zhuǎn)、升降、,伸縮,,（,3,）球面坐標(biāo)機(jī)器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和,伸縮,,（,4,）關(guān)節(jié),坐標(biāo),機(jī)器人。主體,結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為

6、轉(zhuǎn)動(dòng),傳動(dòng)方式選擇,,（,1,）選擇驅(qū)動(dòng)源和傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)部件的連接、驅(qū)動(dòng)方式,,（,2,）工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)形式,傳動(dòng)形式,特征,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),直接連結(jié)傳動(dòng),直接裝在關(guān)節(jié)上,結(jié)構(gòu)緊湊,需考慮電機(jī)自重，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，能耗大,遠(yuǎn)距離連結(jié)傳動(dòng),經(jīng)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連,不需考慮電機(jī)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(dòng),減速比遠(yuǎn),>1,的傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連,經(jīng)濟(jì)、對(duì)載荷變化不敏感、便于制動(dòng)設(shè)計(jì)、方便一些運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換,傳動(dòng)精度低、結(jié)構(gòu)不緊湊、引入誤差，降低可靠性,直接驅(qū)動(dòng),不經(jīng)中間關(guān)節(jié)或經(jīng)速比,=1,的傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相連,傳動(dòng)精度高，振動(dòng)小，傳動(dòng)損耗小，可靠性高，響應(yīng)快,控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7、困難，對(duì)傳感元件要求高，成本高,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,模塊化工業(yè)機(jī)器人,。由一些標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的模塊件通過(guò)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(jī)器人系統(tǒng)。,模塊化工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn),,(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(zhuān)用機(jī)器人。,,機(jī)器人制造廠家也希望改變?cè)O(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。,,(2),靈活性。,其主要體現(xiàn)在：,,,①可根據(jù)工業(yè)機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)決定模塊的數(shù)

8、量，,機(jī)器人的自由度可以方便地增減,。比如，用戶要求機(jī)器人能為多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時(shí)，可增選一個(gè)底座移動(dòng)軸模塊或其它行走軸模塊,,,工業(yè)機(jī)器人成為移動(dòng)式機(jī)器人。,,②為了,擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的工作范圍,，可更換具有更長(zhǎng)長(zhǎng)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(cè)機(jī)器人，不僅多臂模塊組合成的手臂很長(zhǎng)，而且手臂可作波浪運(yùn)動(dòng)。,,③能不斷對(duì)現(xiàn)役,模塊化工業(yè)機(jī)器人更新改造,。比如，用戶可以選用伸縮套筒式手臂模塊來(lái)更替原有固定長(zhǎng)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(lái)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的維修保養(yǎng)。,3.,模塊化工業(yè)機(jī)器人所存在的問(wèn)題,,,(1

9、),模塊化工業(yè)機(jī)器人整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的,剛度比較差,。因?yàn)槟K之間的結(jié)合是可方便拆卸的，盡管在設(shè)計(jì)上已經(jīng)注意到了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口的高精度要求，但實(shí)際制造仍會(huì)存在誤差，所以與整體結(jié)構(gòu)相比剛度相對(duì)地差些。,,,(2),因?yàn)橛性S多機(jī)械接口及其它連接附件，所以模塊化工業(yè)機(jī)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(duì)象就可以合理進(jìn)行模塊化分析和設(shè)計(jì)。,,機(jī)器人本體材料的選擇,,,材料選擇,,基本,要求,,,強(qiáng)度高,,阻尼大,,彈性模量大,,重量輕,,經(jīng)濟(jì)性好,,(1),強(qiáng)度高,。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人臂的強(qiáng)度條件，而且可望

10、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(duì)彈性模量卻沒(méi)有多大差別。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為,420MPa,，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為,2000,～,2300MPa,，但是二者的彈性模量,E,卻沒(méi)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(jī)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(shuō)，為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量

11、,E,大而密度,ρ,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 /ρ,指標(biāo)來(lái)衡量。下表列出了幾種材料的應(yīng),E,、,ρ,和,E / ρ,值,,,供參考。,,(4),阻尼大,。工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來(lái)。可是由于在構(gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生,“,殘余振動(dòng),”,。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)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(lái)吸收能量。,,,(5),材料價(jià)格低,。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如

12、棚纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來(lái)作機(jī)器人臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。,,,機(jī)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(qiáng)合金,陶瓷,纖維增強(qiáng)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(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了,4,至,5,倍,,,彈性模量,E,大，抗變形能力強(qiáng)，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(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈量模量,E,并不大，但是材料密度小,,,故,E /ρ,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

13、%,，,E/ρ,比增加,16%,。,,,(3),纖維增強(qiáng)合金,：如棚纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，其,E/ρ,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(qiáng)金屬材料具有非常高的,E/ ρ,比，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的缺陷，但價(jià)格昂貴。,,(4),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(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂的樣品。,,,(5),纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,：這類(lèi)材料具有極好的,E/ρ,比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬件連接困難等問(wèn)題

14、。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(diǎn)，傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼。所以,,,在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)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(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是,用粘彈性大阻尼材料對(duì)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(jī)械臂振動(dòng)控制中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為土,

15、0.30mm,，處理后為士,0.16mm,，殘余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前、后分別為,0.9s,和,0.5s,。,工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)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(jī)器人設(shè)計(jì)中,采用平衡系統(tǒng)的理由,是：,,,(1),安全,。根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程知道，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩包括重力矩項(xiàng)，即各連桿質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩。因?yàn)橹亓κ怯篮愕?，即使機(jī)器人停止了運(yùn)動(dòng)，重力矩項(xiàng)仍然存在。這樣，當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)切斷電源后，機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)因重力而失去穩(wěn)定。平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動(dòng)力源中斷而失穩(wěn)，引起向地面,“,倒,”,的趨勢(shì)。,平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì),(2),借助平衡系統(tǒng)能,降低,因機(jī)器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致,重力,引起,關(guān)節(jié)驅(qū)

16、動(dòng)力矩變化,的峰值。,,(3),借助平衡系統(tǒng)能,降低,因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致,慣性力矩,引起,關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化,的峰值。,,(4),借助平衡系統(tǒng)能減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非線性項(xiàng)，,改進(jìn)機(jī)器人動(dòng)力特性,。,,(5),借助平衡系統(tǒng)能,減小機(jī)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(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定,，降低地面安裝要求。,平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要途徑,,盡管為了防止因動(dòng)力源中斷機(jī)器人有向地面,“,倒塌,”,的趨勢(shì)，可采用不可逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或制動(dòng)閥。但是，在工業(yè)機(jī)器人日趨高速化之時(shí)，工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)是非常重要的，其設(shè)計(jì)途徑有三條：,,,(1),質(zhì)量平衡技術(shù)；,,,(2),彈簧力平衡

17、技術(shù)；,,,(3),可控力平衡技術(shù)。,25,任務(wù),2,：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng),機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),,傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì),,驅(qū)動(dòng)裝置的類(lèi)型和特點(diǎn),,新型驅(qū)動(dòng)方式,26,機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),,1,、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式,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?qū)к壷С械摹?,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)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

18、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。,,絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu),,1,—電動(dòng)機(jī)；,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(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,,30,（,d,）液壓傳動(dòng)（直接平移）,31,（,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?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)或兩個(gè)以上的

19、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。,,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

20、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(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),,（,

21、c,）諧波齒輪,傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),,,機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)的，各個(gè)部位,都,需要能源和動(dòng)力，因此設(shè)計(jì)和選擇良好的傳動(dòng)部件是非常重要的,。,這涉及到關(guān)節(jié)形式的確定，傳動(dòng)方式以及傳動(dòng)部件的定位和消隙等多個(gè)方面,。,,,(,1),關(guān)節(jié),(,如轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與移動(dòng)關(guān)節(jié),),,(,2),傳動(dòng)件的定位和消隙,,(,3),機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu),(,如齒輪、繩與鋼帶傳動(dòng)等,),,1.,關(guān)節(jié),（,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,40,（,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

22、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,2,．,移動(dòng)關(guān)節(jié),,移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和磁性懸浮導(dǎo)軌等形式。,,一般，要求機(jī)器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂直于運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jià)格低廉的滾動(dòng)導(dǎo)軌。,42,滾動(dòng)導(dǎo)軌可以按直線導(dǎo)軌的種類(lèi)、軌道形狀和滾動(dòng)體分為,:,,(1),按滾動(dòng)體分類(lèi),——,球、圓柱滾子和滾針。,,(2),按軌道分類(lèi)

23、,——,圓軸式、平面式和滾道式。,,(3),按滾動(dòng)體是否循環(huán)分類(lèi),——,循環(huán)式、非循環(huán)式。,直線導(dǎo)軌,滾珠絲杠,,2.,機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu),（,1,）齒輪傳動(dòng),行星齒輪傳動(dòng),諧波,齒輪,傳動(dòng),采用液壓靜壓諧波發(fā)生器的諧波傳動(dòng),,1,—凸輪,,2,—柔輪,,3,—小孔,,（,2,）絲杠傳動(dòng),滾動(dòng)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?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu),,1,—電動(dòng)機(jī)；,2,—蝸桿；,3,—臂架；,4,—絲杠；,5,—蝸輪；,6,—箱體；,7,—花鍵套,,,（,4,）帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng),齒形帶形狀,鋼帶傳動(dòng),（,5,）,繩傳動(dòng)與鋼帶傳動(dòng),,,（,6,）,,桿、

24、連桿與凸輪傳動(dòng),凸輪機(jī)構(gòu),連桿機(jī)構(gòu),采用鋼帶傳動(dòng)的,ADEPT,機(jī)器人,,（,7,）流體傳動(dòng),,油缸和齒輪齒條手臂機(jī)構(gòu),氣缸和齒輪齒條增倍手臂機(jī)構(gòu),,1—,運(yùn)動(dòng)齒條；,2—,齒輪；,3—,活塞桿,,3.,傳動(dòng)件的定位和消隙,,（,1,）,傳動(dòng)件的定位,電氣開(kāi)關(guān)定位,機(jī)械擋塊定位,伺服定位系統(tǒng),利用插銷(xiāo)定位的結(jié)構(gòu),,,1—,行程節(jié)流閥,,2—,定位圓盤(pán),,3—,插銷(xiāo),,4—,定位油缸,,（,2,）,傳動(dòng)件的消隙,1,）消隙齒輪,50,2,）柔性齒輪消隙,,3,）,對(duì)稱(chēng)傳動(dòng)消隙,雙諧波傳動(dòng)消隙方法,1—,電動(dòng)機(jī)；,2—,小齒輪；,,3,',，,3,",—,減速傳動(dòng)齒輪；,,,4,',，,4,",—

25、,軸；,5,',，,5,",—,齒輪；,6—,齒輪,,1,，,2—,齒輪箱；,3,，,4,，,5—,齒輪；,6—,電動(dòng)機(jī)；,7—,同步帶；,8—,壓緊輪；,9—,同步帶傳動(dòng),,4,）,偏心機(jī)構(gòu)消隙,5,）,齒廓彈性覆層消隙,偏心消隙機(jī)構(gòu),,齒廓彈性覆層消隙,1,．電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置,,,電動(dòng)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

26、功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。,驅(qū)動(dòng)裝置的類(lèi)型和特點(diǎn),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),54,2.,液壓驅(qū)動(dòng)裝置,,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,液壓泵,55,3,．氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置,,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)

27、擺動(dòng)馬達(dá),氣缸,氣泵,氣動(dòng)三大件,氣動(dòng)控制閥,56,,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?chē)延幸簤涸吹某貓?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)。,4,．驅(qū)動(dòng)裝置的選擇原則,新型的驅(qū)動(dòng)方式,,,1.,磁致伸縮驅(qū)動(dòng),,,鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變,,,其長(zhǎng)度和

28、體積都要發(fā)生微小的變化,,,這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮。,,58,形狀記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn),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；,,母相和馬氏體呈現(xiàn),有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),；,,馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\生，,亞結(jié)構(gòu)為孿晶或?qū)渝e(cuò),；,,馬氏體相變?cè)诰w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(chǎng),可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng)，,磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng),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

29、 field,62,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

30、電驅(qū)動(dòng)器工作原理,,這種執(zhí)行器有下列特征,:,,,(1),因?yàn)橐苿?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?yàn)轵?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?yàn)闃?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

31、。,如圖,2.78,所示， 可以認(rèn)為定子按照角頻率,ω,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： ① 可望達(dá)到低速、 高效率； ② 同樣的尺寸， 能得到大的轉(zhuǎn)矩； ③ 能保持大轉(zhuǎn)矩； ④ 無(wú)電磁噪聲； ⑤ 易控制； ⑤ 外形的自由度大等。,圖,2.78,超聲波電機(jī)的工作原理圖,,,,,,01,,02,,03,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,氣動(dòng)肌肉,按結(jié)構(gòu)形式可將氣動(dòng)肌肉分為三類(lèi)：,氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器,(Pneumatic?

32、Muscle?Actuator,，,PMA),，,以下簡(jiǎn)稱(chēng)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,。,編織式氣動(dòng)肌肉,編織式氣動(dòng)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(dòng)肌肉,網(wǎng)孔式氣動(dòng)肌肉是網(wǎng)狀式氣動(dòng)肌肉，網(wǎng)孔比較大，纖維比較稀疏，網(wǎng)是系結(jié)而成的，這種肌肉只能在較低的壓力下工作。,,,嵌入式氣動(dòng)肌,氣動(dòng)肌肉承受負(fù)載的構(gòu)件,(,絲、纖維,),嵌入到彈性薄膜里。,,,,,氣動(dòng)肌肉原理,氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)雖然很多，但原理上基本類(lèi)似。其核心是個(gè),可膨脹的薄壁囊,，外部為限制變形的,支撐材料，

33、,兩端使用,連接件,固定。對(duì)橡膠筒套,充氣,時(shí)，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(zhǎng)度縮短,。此時(shí)，如果將氣動(dòng)人工肌肉與負(fù)載相聯(lián)，就會(huì),產(chǎn)生收縮力,；反之，當(dāng),放氣,時(shí)氣動(dòng)人工肌肉彈性回縮，,直徑變細(xì)，長(zhǎng)度增加,，收縮力減小。,,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,氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)模型,氣動(dòng)肌肉和生物肌肉的工作原理是一樣的，都是通過(guò)收縮產(chǎn)生的力來(lái)帶動(dòng)負(fù)載，一個(gè)氣動(dòng)肌肉收縮，另一個(gè)伸長(zhǎng)，從而帶動(dòng)關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動(dòng)。,,,,常用安裝方式,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),直線運(yùn)動(dòng),氣動(dòng)肌肉的特性,低成本、清潔安全、安裝簡(jiǎn)便；,,高功率,/,

34、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(qiáng)非線性環(huán)節(jié)，難以實(shí)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(diǎn),缺點(diǎn),理療康復(fù),該機(jī)器腳踝特別的地方是它的,人工肌肉,實(shí)際上是一系列氣動(dòng)管；,,膝蓋上超靈敏的傳感器告訴它們?nèi)绾涡袆?dòng)時(shí)，它們會(huì),擴(kuò)張和收縮。,,機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),任務(wù),3,機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu),機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法,77,1,、機(jī)身與臂部的配置形式,機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),,2.,機(jī)身的典型結(jié)構(gòu),（,1,）回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身,單桿活塞氣缸,,驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu),雙桿活塞氣

35、缸,,驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu),,,（,2,）,回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,,3.,機(jī)身驅(qū)動(dòng)力,(,力矩,),計(jì)算,（,2,）,回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算,（,1,）,垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算,,,,,（,3,）,升降立柱下降不卡死,(,不自鎖,),的條件計(jì)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(jī)身設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題,（,1,）,剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性要好,（,2,）,運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過(guò)短，避免卡死,（,3,）,驅(qū)動(dòng)方式適宜,（,4,）,結(jié)構(gòu)布置合理,83,,1.,臂部的典型機(jī)構(gòu),,（,1,）,臂部伸縮機(jī)構(gòu),1—,手部,,2—,夾緊缸,,3—,

36、油缸,,4 —,導(dǎo)向柱,,5—,運(yùn)行架,,6—,行走車(chē)輪,,7—,軌道,,8—,支座,四導(dǎo)向柱式臂伸縮機(jī)構(gòu),臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn),,（,2,）,手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),1,—,手部,,2,—,夾緊缸,,3,—,升降缸,,4,—,小臂,,5,，,7,—,擺動(dòng)缸,,6,—,大臂,,8,—,立柱,擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)連桿俯仰臂機(jī)構(gòu),,（,3,）,手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu),手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)的結(jié)構(gòu)。,,2.,機(jī)器人手臂材料的選擇,,,優(yōu)先選擇強(qiáng)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,

37、（,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(jì)要注意的問(wèn)題,承載能,力,強(qiáng),剛度高,導(dǎo)向性能好,重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位,,,機(jī)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(jì),,腕部自由度,,腕部典型結(jié)構(gòu),,柔性手腕,,腕部設(shè)計(jì)注意的問(wèn)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(dòng)示意,,3R,手腕結(jié)構(gòu)示意,,2.,腕部的典型結(jié)構(gòu),,（,

38、1,）,單自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)手腕,1—,回轉(zhuǎn)缸；,2 —,定片；,3 —,腕回轉(zhuǎn)軸；,4 —,動(dòng)片；,5 —,手部,回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)的腕部,l—,手部,,2—,中心軸,,3—,固定中心軸,,4—,定片,,5—,擺動(dòng)回轉(zhuǎn)缸,,6—,動(dòng)片,,7—,回轉(zhuǎn)軸,,8—,回轉(zhuǎn)缸,具有回轉(zhuǎn)與擺動(dòng)的二自由度腕部結(jié)構(gòu),,2,）,齒輪傳動(dòng)二自由度腕部,齒輪傳動(dòng)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(dòng)三自由度手腕,,,2

39、,）,齒輪鏈輪傳動(dòng)三自由度腕部,1—,油缸；,2—,鏈輪；,3,，,4—,錐齒輪；,5,，,6—,花鍵軸,T,；,7—,傳動(dòng)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(dòng)軸；,21,，,23—,雙聯(lián)圓柱齒輪；,25—,傳動(dòng)軸,B,4,柔順手腕結(jié)構(gòu),,,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)柔順手腕,,被動(dòng)柔順

40、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,,,,5.,設(shè)計(jì)腕部,時(shí)應(yīng),注意,的,問(wèn)題,結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高,強(qiáng)度、剛度高,設(shè)計(jì)合理的與臂和手部的連接部位,107,任務(wù),5,手部設(shè)計(jì),,機(jī)器人手部的特點(diǎn),,手部的分類(lèi),,手爪的設(shè)計(jì)和選用要求,,典型的手抓結(jié)構(gòu),,,1.,機(jī)器人手部的特點(diǎn),（,1,）,手部與手腕相連處可拆卸,（,2,）,手部是機(jī)器人末端操作器,（,3,）,手部的通用性比較差,（,4,）,

41、手部是一個(gè)獨(dú)立的部件,,2.,手部的分類(lèi),,,（,1,）,按用途,平面鉗爪夾持圓柱零件,專(zhuān)用工具,:,噴槍,，,焊具,,,（,2,）,按夾持原理,,（,3,）,按手指或吸盤(pán)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(pán)式手爪按吸盤(pán)數(shù)目,單吸盤(pán)式手爪,多吸盤(pán)式手爪,三指手爪,柔性手指手爪,,,（,4,）,按智能,化,普通式,（無(wú)傳感器）,智能式,（有傳感器）,3.,手爪設(shè)計(jì)和選用的要求,手爪設(shè)計(jì)和選用的要求,被抓握的對(duì)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(jī)械特性,質(zhì)量,材料,

42、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(chǔ)存裝置,機(jī)器人作業(yè)順序,手爪和機(jī)器人匹配,環(huán)境條件,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(lèi),: V,型指和平面指,。如圖,2.3,所示的三種,V,型指

43、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 （,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?chē)系K物相碰,;,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

44、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?jìng)鬟f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?；剞D(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)回轉(zhuǎn)型。,,,(1),回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。夾鉗式手

45、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

46、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,上的圓柱銷(xiāo),2,套在滑槽內(nèi),,,當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷(xiāo)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(xiāo),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(xiāo),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

47、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。,,① 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

48、的,;,既可自動(dòng)定心,,,也可非自動(dòng)定心。,圖,,2.9,直線平移型手部,,,(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),,,② 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。

49、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)與物體

50、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,

51、,,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,,,靠橡膠吸盤(pán)的恢復(fù)力形成負(fù)壓,,,將物體吸住,;,釋放時(shí),

52、,,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

53、),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。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。

54、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,δ,,,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,δ,＝,0.1,～,0.3 mm,。 在機(jī)器人手臂的孔內(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(chē)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)；,,

55、(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(zhuān)用操作器及轉(zhuǎn)換器,,,,1.,專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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

56、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(xiāo)。在各末端操作器的端面裝有換接器座,,,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(zhuān)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的換接器

57、。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?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端操作器的快速自動(dòng)更換。,,專(zhuān)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,2.20,所示為氣動(dòng)換接器和專(zhuān)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(chēng)為換接器,;,另一部分裝在末端操作器上,,,稱(chēng)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

58、端操作器放在工具架上,,,組成一個(gè)專(zhuān)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(zhuān)用末端操作器庫(kù),,圖,,2.21,專(zhuān)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?shù)葞追N零件,,,裝配采用多工位換接裝置,,,可以從幾個(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(zhuān)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)

59、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?jìng)鲃?dòng)部分由牽引鋼絲繩及

60、摩擦滾輪組成,,,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

61、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.,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(zhuān)門(mén)

62、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

63、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,,,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

64、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。該

65、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(lèi)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,,綜合實(shí)例,,雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人,下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機(jī)器人的系統(tǒng)分析方法。,,明確機(jī)器人的目的和任務(wù),：,,從傳送帶拾取一個(gè)雞蛋；,,把蛋置于強(qiáng)光下照射，測(cè)定蛋是否透光（有無(wú)胚胎生長(zhǎng)）；,,根據(jù)蛋有無(wú)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(jī)器人與環(huán)境的關(guān)系,,分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境,：包括工作車(chē)間

66、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(shí)間,≤3.0s,,每次循環(huán)有三種不同的運(yùn)動(dòng),：,,移動(dòng)到傳送帶并拾取一只雞蛋；,,移動(dòng)到照射位置；,,把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū)。,,一個(gè)循環(huán)中需要三次暫停,：,,閉合手爪,0.2s,；完成照射,0.05s,；開(kāi)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(jī)器人的自由度及運(yùn)動(dòng)范圍：,初步分析,：機(jī)器人滿足上面提出的條件，應(yīng)該具備一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。,,仔細(xì)分析,：還應(yīng)該有一個(gè),附加旋轉(zhuǎn),運(yùn)動(dòng)以對(duì)蛋進(jìn)行定向排列。因?yàn)楫?dāng)受臂移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雞蛋的取向會(huì)發(fā)生改變。,,確定技術(shù)參數(shù)為,：,,伸縮運(yùn)動(dòng),：,45.7~61.0cm,,腰部旋轉(zhuǎn),：,±90°,,腕部旋轉(zhuǎn),：,360 °,,腕部垂直移動(dòng),：,50.8cm,1,．機(jī)器人基本參數(shù)的確定（1）：,,自由度的確定：,在系統(tǒng)分析時(shí)已經(jīng)確定了。,,,臂力的確定：,,,對(duì)于專(zhuān)用機(jī)器人來(lái)說(shuō),：是針對(duì)專(zhuān)門(mén)的工作對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)的，臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量確定，取,1.5~3.0,的安全系數(shù)。,,對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō),：