《机器人手臂》PPT课件.ppt

第四讲机器人手臂 引言 手臂是机器人执行机构中重要的部件, 作用是将被抓 取的工件运送到给定的位置上。 一般机器人手臂有3个自由度, 即手臂的伸缩、 左右 回转和升降(或俯仰)运动。手臂回转和升降运动是通 过机座的立柱实现的, 立柱的横向移动即为手臂的横 移。 手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实 现, 它不仅仅承受被抓取工件的重量,而且承受末端 执行器、手腕和手臂自身的重量。 手臂的结构、 工作范围、 灵活性、抓重大小(即臂力 )和定位精度都直接影响机器人的工作性能。 一、臂部设计的基本要求 1承载能力足： n手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的动载荷及转 动惯性。 2刚度高： n为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择 。工字型工字型截面的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。 工字钢（GB706-88）： 1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm 。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册 。 3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：519m。 工字钢 n工字钢也称钢梁，是截面为工字形的长 条钢材。其规格以腰高( h)*腿宽(b)*腰 厚(d)的毫数表示，如“工160*88*6”， 即表示腰高为160毫米，腿宽为88毫米 ，腰厚为6毫米的工字钢。工字钢的规格 也可用型号表示，型号表示腰高的厘米 数，如工16#。 槽钢（GB707-88） 1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。 3、导向性能好，定位精度高： n为防止手臂在直线运动中，沿运 动轴线发生相对转动，应设置导 向装置。同时要采用一定形式的 缓冲措施。 4重量轻、转动惯量小： n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合理设计与腕部和机身的连接部位： n臂部的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，而且还直接影响到机器人的 外观。 二、机械臂分类 按手臂的结构形式区分, 手 臂有单臂式、 双臂式及悬挂式 。 图 1 手臂的结构形式 (a)、 (b) 单臂式; (c) 双臂式； (d) 悬挂式 三、机械臂的运动形式 1直线运动型：手臂伸缩、升降、横移 2、回转运动型：手臂左右回转、上下摆动（俯仰） 3、复合运动型：直线-回转、直线-直线、回转-回转 1手臂的直线运动机构 机器人手臂的伸缩、升降及横向( 或纵向)移动均属于直线运动, 实现 手臂往复直线活塞和连杆机构等运动 的机构形式较多,常用的有活塞油(气 )缸,活塞缸和齿轮齿条机构, 丝杠螺 母机构等。 1手臂直线运动机构 直线往复运动可采用液压或气 压驱动的活塞油(气)缸。 由于活塞 油 (气)缸的体积小,重量轻, 因而 在机器人手臂结构中应用较多。 双导向杆手臂的伸缩结构图例： 手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸 的上端, 当双作用油缸1的两腔分别通入压力 油时, 则推动活塞杆2(即手臂)做往复直线移 动。 导向杆3在导向套4内移动,以防手臂伸缩 时的转动(并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧 油缸用的输油管道)。由于手臂的伸缩油缸安 装在两根导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用, 活塞杆只受拉压作用, 故受力简单,传动平稳, 外形整齐美观, 结构紧凑。 图 2.38：双导向杆手臂的伸缩结构 2手臂的回转运动机构 n常见方式： n常见的有叶片式回转缸、齿轮传动机构，链轮传动 机构，活塞及连杆传动机构等。 n曲柄滑块机构机构： n假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。 n典型机构： n液压缸连杆回转机构机构： n齿轮驱动回转机构机构： 齿轮齿条机构图例： 齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动 ,带动与手臂联接的齿轮作往复回转, 即 可实现手臂的回转运动。带动齿条往复 移动的活塞缸可以由压力油或压缩气体 驱动。图2.39所示为手臂作升降和回转 运动的结构。 图 2.39 手臂升降和回转运动的结构 图例1：平面四杆机构 平面四杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构 图例2：平面四杆机构演变 曲柄滑块机构 图2.40：双臂机器人手臂结构 1铰接活塞缸 2连杆 3手臂 4支承架 5、6 定位锣钉 运动特点： 手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制 活塞的行程就控制 了手臂摆角的大小 。 双臂机器人手臂结构图 采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人 手臂的结构图, 手臂的上下摆动由铰接活塞油 缸和连杆机构来实现。 当铰接活塞油缸1的两 腔通压力油时, 通过连杆2带动曲杆3(即手臂) 绕轴心O做90的上下摆动(如双点划线所 示位置)。 手臂下摆到水平位置时, 其水平和 侧向的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调 节。此手臂结构具有传动结构简单、凑紧和轻 巧等特点。 丝杆螺母传动手臂升降机构 nP47 图2.41 3手臂俯仰运动机构 n机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油( 气)缸与连杆机构联用来实现。手臂的俯 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联接, 如图2.42、图2.43所示。此外,还有采用 无杆活塞缸驱动齿轮齿条或四连杆机构 实现手臂的俯仰运动。 图 2.42 手臂俯仰驱动缸安置示意图 图 2.43铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图 n使用场合 n实现方式 4手臂复合运动机构 4手臂复合运动机构 图2.44 (a)所示为曲线凹槽机构手臂结构。 当活 塞油缸1通入压力油时, 推动铣有N型凹槽的活塞杆2右 移, 由于销轴6固定在前盖3上, 因此, 滚套7在活塞杆 的N形凹槽内滚动, 迫使活塞杆2既做移动又做回转运动, 以实现手臂4的复合运动。 活塞杆2上的凹槽展开图见图图见图 2.44 (b)所示。其中, L1直线线段为为机器人取料过过程; L曲线线段为为机器人送料回 转过转过 程;L2直线线段为为机器人向卡盘盘内送料过过程。当机床 扣盘夹紧盘夹紧 工件后立即发发出信号,使活塞杆反向运动,退 至原位等待上料, 从而完成自动上料。 图图2.44 用曲线凹槽机构实现手臂复合运动的结构 图 2.45 (a) 用行 星机构实 现手臂和 手腕同时 回转的结 构手臂和 手腕的结 构图; (b) 手臂的结 构图; (c) 手臂 运动简图 ； (d) 手 臂向量图 5关节型机械臂的结构（1） n存在的运动型式： n机身的旋转运动； n肩关节和肘关节的摆动； n腕关节的俯仰和旋转运动； n各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。 五轴关节型机器人手臂运动图例（1）： 腰转 肩转 肘转 俯仰 偏转 腰转姿态 五轴关节型机器人手臂运动图例（2）： 肩关节、肘关节与手腕的协调 5关节型机械臂的结构（2） n各运动的实现： n腕部的旋转： n电机M5减速器R5链轮副C5锥齿轮副G5旋 转运动n5 n腕部俯仰： n电机M4减速器R4链轮副C4俯仰运动n4 n肘关节摆动： n电机M3两级同步带传动B3、B3减速器R3肘 关节摆动n3 n肩关节的摆动： n电机M2同步带传动B2减速器R2肩关节摆动 n2 关节型机