工业机器人4[1].3_臂部手腕设计.ppt

工业机器人的臂部一般具有2 3个自由度 即伸缩 回转或俯仰 臂部总重量较大 受力一般较复杂 在运动时 直接承受腕部 手部和工件 或工具 的静 动载荷 尤其高速运动时 将产生较大的惯性力 或惯性力矩 引起冲击 影响定位的准确性 一 臂部设计的基本要求臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式 抓取重量 动作自由度 运动精度等因素来确定 同时 设计时必须考虑到手臂的受力情况 油 气 缸及导向装置的布置 内部管路与手腕的连接形式等因素 因此设计臂部时一般要注意下述要求 4 3臂部设计 1 刚度要求高为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 工字形截面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 所以常用钢管作臂杆及导向杆 用工字钢和槽钢作支承板 2 导向性要好为防止手臂在直线运动中 沿运动轴线发生相对转动 所以要设置导向装置 或设计方形 花键等形式的臂杆 3 重量要轻为提高机器人的运动速度 要尽量减小臂部运动部分的重量 以减小整个手臂对回转轴的转动惯量 4 运动要平稳 定位精度要高由于臂部运动速度越高 惯性力引起的定位前的冲击也就越大 运动既不平稳 定位精度也不高 因此 除了臂部设计上要力求结构紧凑 重量轻外 同时要采用一定形式的缓冲措施 二 手臂的常用结构1 手臂直线运动机构机器人手臂的伸缩 横向移动均属于直线运动 实现手臂往复直线运动的机构形式比较多 常用的有活塞油 气 缸 齿轮齿条机构 丝杠螺母机构以及连杆机构等 由于活塞油 气 缸的体积小 重量轻 因而在机器人的手臂结构中应用比较多 2 手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的 常用的有叶片式回转缸 齿轮传动机构 链轮传动机构 活塞缸和连杆机构等 下图所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图 手臂的上下摆动由饺接活塞由缸和连杆机构来实现 当活塞油缸1的两腔通压力油时 通过连杆2带动曲柄3 即手臂 绕轴心O作的上下摆动 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 紧凑和轻巧等特点 三 臂部运动驱动力计算 计算臂部运动驱动力 包括力矩 时 要把臂部所受的全部负荷考虑进去 机器人工作时 臂部所受的负荷主要有惯性力 摩擦力和重力等 1 臂部水平伸缩运动驱动力的计算臂部作水平伸缩运动时 首先要克服摩擦阻力 包括油 气 缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等 还要克服启动过程中的惯性力 驱动力Pq N 可按下式计算 2 臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算 由于升速过程一般不是等加速运动 故最大驱动力矩要比理论平均值大一些 一般取平均的1 3倍 驱动力矩可按下式计算 对于活塞 导向套筒和油 气 缸等的转动惯量都要做详细计算 因为这些零件的重量较大或回转半径较大 对总的计算结果影响也较大 对于小零件则可作为质点计算其转动惯量 对其质心转动惯量则忽略不计 对于形状复杂的零件 可划分为几个简单的零件分别进行计算 其中有的部分可当作质点计算 各种几何截面和几何形体的转动惯量可查阅力学手册或其他有关手册 一 概述工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件 起支承手部的作用 机器人一般具有六个自由度才能使手部 末端操作器 达到目标位置和处于期望的姿态 手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态 为了使手部能处于空间任意方向 要求腕部能实现对空间三个坐标轴X Y Z的转动 即具有翻转 俯仰和偏转三个自由度 如下图所示 4 4手腕设计 通常也把手腕的翻转叫做Roll 用R表示 把手腕的俯仰叫做Pitch 用P表示 把手腕的偏转叫做Yaw 用Y表示 下图手腕就可实现RPY运动 腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定 在有些情况下 腕部具有两个自由度 翻转和俯仰或翻转和偏转 一些专用机械手甚至没有腕部 但有的腕部为了特殊要求还有横向移动自由度 因为手腕是安装在手臂的末端 所以手腕的大小和重量是手腕设计时要考虑的关键问题 希望能采用紧凑的结构 合理的自由度 二 手腕的分类1 按自由度数目来分类 可分为单自由度手腕 二自由度手腕 三自由度手腕 图 a 是一种翻转 Roll 关节 它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式 这种R关节旋转角度大 可达到360 以上 1 单自由度手腕 图 b c 是一种折曲 Bend 关节 关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直 这种B关节因为受到结构上的干涉 旋转角度小 大大限制了方向角 这和下图人的手腕差不多 即在人的手腕的两个折弯 Bend 自由度上 手的左右偏转方向角 Yaw 只有55 和15 下图 a 手的上下俯仰方向角 Pitch 都只有85 图 b 上图 d 所示为移动关节 也叫T关节 二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕 图 a 也可以由两个B关节组成BB手腕 图 b 但是 不能由两个R关节组成RR手腕 因为两个R关节共轴线 所以退化了一个自由度 实际只构成了单自由度手腕 图 c 2 二自由度手腕 3 三自由度手腕 如图所示 三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式 此外 B关节和R关节排列的次序不同 也会产生不同的效果 也产生了其它形式的三自由度手腕 为了使手腕结构紧凑 通常把两个B关节安装在一个十字接头上 这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸 2 按驱动方式分类 1 直接驱动手腕 手腕因为装在手臂末端 所以必须设计得十分紧凑 可以把驱动源装在手腕上 下图所示是Moog公司的一种液压直接驱动的BBR手腕 设计紧凑巧妙 Ml M2 M3是液压马达 直接驱动手腕的偏转 俯仰和翻转三个自由度轴 这种直接驱动手腕的关键是能否选到尺寸小 重量轻而驱动力矩大 驱动特性好的驱动电机或液压驱动马达 2 远距离传动手腕 图中所示是一种远距离传动的RBR手腕 轴的转动使整个手腕翻转 即第一个R关节运动 轴的转动使手腕获得俯仰运动 即第二个B关节运动 I轴的转动即第三个R关节运动 当c轴一离开纸平面后 RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动 这种远距离传动的好处是可以把尺寸 重量都较大的驱动源放在远离手腕处 有时放在手臂的后端作平衡重量用 不仅减轻手腕的整体质量 而且改善了机器人整体结构的平衡性 三 手腕设计举例图中所示为具有两个自由度的手腕 是一种BR手腕 手腕翻转由回转油缸3驱动 其中回转油缸壳体相对不动 而动片与夹紧油缸5的外壳固联并一起回转 手腕上下摆动即轴2的俯仰 是由安装在手臂尾部的回转油缸4通过一对齿轮 链轮 链条及手腕上的链轮实现的 此手腕具有传动简单 结构紧凑和轻巧等特点 此种传动机构的结构紧凑 轻巧 传动扭矩大 能提高机械手的工作性能 在示教型的机械手中 采用这类传动机构作手腕结构的比较多 但缺点是手腕有一个 诱导运动 因而要补偿 下图为给图4 44所示手腕增加一个回转运动后成为RBR三自由度手腕的传动示意图 当油缸1中的活塞作左右移动时 通过链条 链轮2 锥齿轮3和4带动花键轴5和6转动 而花键轴6与行星架9连成一体 因而也就带动行星架作回转运动 即为手腕所增加的作的回转运动 4 5手部设计一 概述工业机器人的手部 Hand 也叫做末端操作器 End effector 它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件 人的手有两种含义 第一种含义是医学上把包括上臂 手腕在内的整体叫做手 第二种含义是把手掌和手指部分叫做手 工业机器人的手部接近于第二种含义 工业机器人手部的特点 1 手部与手腕相连处可拆卸 手部与手腕有机械接口 也可能有电 气 液接头 当工业机器人作业对象不同时 可以方便地拆卸和更换手部 2 手都是工业机器人末端操作器 它可以像人手那样具有手指 也可以是不具备手指的手 可以是类人的手爪 也可以是进行专业作业的工具 比如装在机器人手腕上的喷漆枪 焊接工具等 3 手部的通用性比较差 工业机器人手部通常是专用的装置 比如 一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状 尺寸 重量等方面相近似的工件 一种工具只能执行一种作业任务 4 手部是一个独立的部件 假如把手腕归属于手臂 那么工业机器人机械系统的三大件就是机身 手臂和手部 未端操作器 手部对于整个工业机器人来说是完成作业好坏 作业柔性好坏的关键部件之一 具有复杂感知能力的坦l能化手爪的出现 增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性 有一种弹钢琴的表演机器人的手部已经与人手十分相近 具有多个多关节手指 一个手的自由度达到20余个 每个自由度独立驱动 目前工业机器人手部的自由度还比较少 把具备足够驱动力量的多个驱动源和关节安装在紧凑的手部里是十分困难的 本节主要介绍和讨论手爪 Gripper 式手部的原理和设计 因为它具有一定的通用性 而喷漆枪 焊具之类的专用工具 Specialtooi 是行业性专业工具 不予介绍 二 手部的分类1 按用途分 1 手爪 具有一定的通用性 它的主要功能是 抓住工件 握持工件 释放工件 抓住 在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件 工件在手爪内必须具有可靠的定位 保持工件与手爪之间准确的相对位 以保证机器人后续作业的准确性 握持 确保工件在搬运过程中或零件在装配过程中定义了的位置和姿态的准确性 释放 在指定点上除去手爪和工件之间的约束关系 图4 46所示的手爪夹持圆柱工件 尽管夹紧力足够大 在工件和手爪接触面上有足够的摩擦力来支承工件重量 但是从运动学观点来看 约束条件是不够的 不能保证工件在手爪上的准确定位 2 工具 是进行某种作业的专用工具 如喷漆枪 焊具等 如图4 47所示 2 按夹持原理分图4 48所示为机械类 磁力类和真空类三种手爪的分类 机械类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类 前者是有指手爪 后者是无指手爪 产生夹紧力的驱动源可以有气动 液动 电动和电磁四种 磁力类手爪主要是磁力吸盘 有电磁吸盘和永磁吸盘两种 真空类手爪是真空式吸盘 根据形成真空的原理可分为真空吸盘 气流负压吸盘 挤气负压吸盘三种 磁力手爪及真空手爪是无指手爪 图4 49所示为一种三指手爪的外形图 每个手指是独立驱动的 这种三指手爪与二指手瓜相比可以抓取像立方体 圆柱体 球体等不同形状的物体 3 按手指或吸盘数目分机械手爪可分为 二指手爪 多指手爪 机械手爪按手指关节分 单关节手指手爪 多关节手指手爪 吸盘式手爪按吸盘数目分 单吸盘式手爪 多吸盘式手爪 图4 50所示为一种多关节柔性手指手爪 它的每个手指具有若干个被动式关节 PassivejointS 每个关节不是独立驱动 在拉紧夹紧钢丝绳后柔性手指环抱住物体 因此这种柔性手指手爪对物体形状有一种适应性 但是 这种柔性手指并不同于各个关节独立驱动的多关节手指 4 按智能化分 1 普通式手爪 手爪不具备传感器 2 智能化手爪 手爪具备一种或多种传感器 如力传感器 触觉传感器 滑觉传感器等 手爪与传感器集成成为智能化手爪 IntelligentGrippers 三 手爪设计和选用的要求手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求 具体来说要在下面几个方面进行调查 提出设计参数和要求 1 被抓握的对象物手爪设计和选用首先要考虑的是什么样的工件要被抓握 因此 必须充分了解工件的几何形状 机械特性 1 几何参数有 工件尺寸可能给予抓握表面的数目可能给予抓握表面的位置和方向夹持表面之间的距离夹持表面的几何形状 2 机械特性有以下方面 质量材料固有稳定性表面质量和品质表面状态工件温度 2 物料的馈送器或存储装置与机器人配合工作的零件馈送器或储存装置对手爪必需的最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求 同时 还应了解其它可能的不确定的因素对手爪工作的影响 3 机器人作业顺序一台机器人在齿轮箱装配作业中需要搬运齿轮和轴 并进行装配 虽然手部可以既抓握齿轮也可以夹持轴 但是 不同零件所需的夹紧力和爪钳张开距离是不同的 手部设计上要考虑到被夹持对象物的顺序 在必要的时候 可采用多指手爪 以增加手部作业的柔性 4 手爪和机器人匹配手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连接 手爪自重也增加了机械臂的载荷 这两个问题必须给予仔细考虑 手爪是可以更换的 手爪形式可以不同 但是与手腕的机械接口必须相同 这就是接口匹配 手瓜自重不能太大 机器人能抓取工件的重量是机器人承载能力减去手爪重量 手爪自重要与机器人承载能力匹配 5 环境条件在作业区域内的环境状况很重要 比如高温 水 油等环境会影响手爪工作 一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件坯必须保证手爪的开合 驱动在高温环境中均能正常工作 其缺点是空气介质的可压缩性 使爪钳位置控制比较复杂 液压驱动手爪成本稍高一些 电动手爪的优点是手指开合电机的控制与机器人控制可以共用一个系统 但是夹紧力比气动手爪 液压手爪小 开合时间比它们长 电磁力手瓜控制信号简单 但是夹紧的电磁力与爪钳行程有关 因此 只用在开合距离小的场合 图4 51所示的是一种气动手爪 气缸4中压缩空气推动活塞3使连杆齿条2作往复运动 经扇形齿轮1带动平行四边形机构 使爪钳5平行地快速开合 四 普通手爪设计1 机械式手爪设计皆 1 驱动 机械式手爪通常采用气动 液动 电动和电磁来驱动手指的开合 气动手爪目前得到广泛的应用 因为气动手瓜有许多突出的优点 结构简单 成本低 容易维修 而且开合迅速 重量