机器人机械结构

第三章 机器人机械结构 本章主要内容 1 机器人末端执行器 2 机器人手腕 3 机器人手臂 4 机器人基座 5 机器人传动 重点和难点 机器人的机械结构构成和分类 课后作业 查阅工业机器人机械结构的常见零部件 论述其特点 图文并茂以小论文 形式上交 2 机器人机械结构的功能是实现机器人的运动机能 完成规定的各种操作 包含手臂 手腕 手爪和行走机构等部分 机器人的 身躯 一般是粗大的基座 或称机架 机器人的 手 则是多节杠杆机械 机械手 用于搬运物品 装卸 材料 组装零件等 或握住不同的工具 完成不同的工作 如让机械手握住焊 枪 可进行焊接 握住喷枪 可进行喷漆 使用机械手处理高温 有毒产品的 时候 它比人手更能适应工作 b5E2RGbCAP 1 机器人末端执行器 用在工业上的机器人的手一般称之为末端操作器 它是机器人直接用于抓 取和握紧专用工具进行操作的部件 它具有模仿人手动作的功能 并安装于机 器人手臂的前端 机械手能根据电脑发出的命令执行相应的动作 不仅是一个 执行命令的机构 它还应该具有识别的功能 也就是 感觉 p1EanqFDPw 末端操作器是多种多样的 大致可分为以下几类 1 夹钳式取料手 2 吸附式取料手 3 专用操作器及转换器 4 仿生多指灵巧手 1 夹钳式取料手 夹钳式取料手由手指 手爪 和驱动机构 传动机构及连接与支承元件组成 如图所示 它通过手指的开 合实现对物体的夹持 DXDiTa9E3d 1 手指 手指是直接与工件接触的部件 手部松开和夹紧工件 就是通过手指的张 开与闭合来实现的 机器人的手部一般有两个手指 也有三个 四个或五个手 指 其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性 RTCrpUDGiT 3 2 传动机构 传动机构是向手指传递运动和动力 以实现夹紧和松开动作的机构 该机 构根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型 回转型又分为单支点回转和 多支点回转 根据手爪夹紧是摆动还是平动 又可分为摆动回转型和平动回转 型 斜楔杠杆式手部 5PCzVD7HxA 4 5 2 吸附式取料手 吸附式取料手 吸附式取料手靠吸附力取料 根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种 吸附式取料手适应于大平面 易碎 玻璃 磁盘 微小的物体 因此使用面较广 jLBHrnAILg 1 气吸附式取料手 气吸附式取料手与夹钳式取料手指相比 具有结构简单 重量轻 吸附力 分布均匀等优点 对于薄片状物体的搬运更具有其优越性 如板材 纸张 玻璃 等物体 广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附 但要求物体表面 较平整光滑 无孔 无凹槽 xHAQX74J0X 2 挤压排气吸附式取料手 挤压排气吸附式取料手如图所示 其工作原理为 取料时吸盘压紧物体 橡胶吸盘变形 挤出腔内多余的空气 取料手上升 靠橡胶吸盘的恢复力形成 负压 将物体吸住 释放时 压下拉杆 3 使吸盘腔与大气相连通而失去负压 该取料手结构简单 但吸附力小 吸附状态不易长期保持 LDAYtRyKfE 3 磁吸附式取料手 6 磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料 因此只能对铁 磁物体起作用 但是对某些不允许有剩磁的零件禁止使用 所以磁吸附式取料 手的使用有一定的局限性 Zzz6ZB2Ltk 3 专用操作器及转换器 专用操作器及转换器 1 专用末端操作器 机器人是一种通用性很强的自动化设备 可根据作业要求完成各种动作 再配上各种专用的末端操作器后 就能完成各种动作 如在通用机器人上安装 焊枪就成为一台焊接机器人 安装拧螺母机则成为一台装配机器人 dvzfvkwMI1 2 换接器或自动手爪更换装置 使用一台通用机器人 要在作业时能自动更换不同的末端操作器 就需要 配置具有快速装卸功能的换接器 换接器由两部分组成 换接器插座和换接器 插头分别装在机器腕部和末端操作器上 能够实现机器人对末端操作器的快速 7 自动更换 rqyn14ZNXI 4 仿生多指灵巧手 仿生多指灵巧手 1 柔性手 为了能对不同外形的物体实施抓取 并使物体表面受力比较均匀 因此研 制出了柔性手 2 多指灵巧手 机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手 如图所示 多 指灵巧手有多个手指 每个手指有 3 个回转关节 每一个关节的自由度都是独 立控制的 因此 几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿 如拧螺钉 弹钢琴 作礼仪手势等动作 在手部配置触觉 力觉 视觉 温度传感器 将 会使多指灵巧手达到更完美的程度 多指灵巧手的应用前景十分广泛 可在各 种极限环境下完成人无法实现的操作 如核工业领域 宇宙空间作业 在高温 8 高压 高真空环境下作业等 EmxvxOtOco 2 机器人手腕机器人手腕 1 概述 机器人手腕是在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件 机器 人手腕主要用来确定被抓物体的姿态 一般采用三自由度多关节机构由旋转关 节和摆动关节组成 SixE2yXPq5 机器人的腕部是连接手部与臂部的部件 起支承手部的作用 工业机器人 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 6ewMyirQFL 2 手腕的分类 1 按自由度分 手腕按自由度数目来分 可分为单自由度手腕 二自由度手腕和三自由度 手腕 单自由度手腕 如图所示 图 a 是一种翻转 Roll 关节 它把手臂纵轴 9 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 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 kavU42VRUs 二自由度手腕 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 a 也可以由两个 B 关节组成 BB 手腕 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 c y6v3ALoS89 三自由度手腕 10 2 按驱动方式分 油 气 缸驱动的腕部结构 直接用回转油 气 缸驱动实现腕部的回 转运动 具有结构紧凑 灵巧等优点 图 3 26 所示的腕部结构 采用回转油缸 实现腕部的旋转运动 M2ub6vSTnP 机械传动的腕部结构 如图所示为具有三个自由度的机械传动腕部结构 的传动图 是一个具有三根输入轴的差动轮系 腕部旋转使得附加的腕部机构 11 紧凑 质量轻 从运动分析的角度看 这是一种比较理想的三自由度腕 这种 腕部可使手的运动灵活 适应性广 目前 它已成功地用于点焊 喷漆等通用 机器人上 0YujCfmUCw 3 机器人手臂机器人手臂 手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现 因此 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 灵活性以及抓重大小 即臂力 和定位精度都直接影响机器人 的工作性能 所以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 eUts8ZQVRd 手臂特性如下 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 sQsAEJkW5T 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 或设置导向装置 或设计方形 花键等形式的臂杆 GMsIasNXkA 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 TIrRGchYzg 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 12 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 7EqZcWLZNX 1 手臂直线运动机构 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 而实现手臂 往复直线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 丝杠螺母机构及活塞缸和连杆机构等 lzq7IGf02E 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比较多 双导向杆手臂的 伸缩结构如图 3 29 所示 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 以防手臂伸缩式的转动 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 2 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 zvpgeqJ1hk 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 连杆机构 下面以齿轮传动机构中活塞缸 和齿轮齿条机构为例说明手臂的回转 NrpoJac3v1 13 3 手臂俯仰运动机构 机器人的手臂俯仰运动 一般采用活塞油缸与连杆机构来实现 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 1nowfTG4KI 14 4 手臂复合运动机构 手臂的复合运动多数用于动作程序固定不变的专用机器人 它不仅使机器 人的传动结构简单 而且可简化驱动系统和控制系统 并使机器人传动准确 工作可靠 因而在生产中应用的比较多 除手臂实现复合运动外 手腕和手臂 的运动亦能组成复合运动 fjnFLDa5Zo 手臂 或手腕 和手臂的复合运动 可以由动力部件 如活塞缸 回转缸 齿 条活塞缸等 与常用机构 如凹槽机构 连杆机构 齿轮机构等 按照手臂的运动 15 轨迹 即路线 或手臂和手腕的动作要求进行组合 tfnNhnE6e5 5 新型的蛇形机械手臂 目前普通工业机器人都能够达到 0 1mm 的重复精度 无论是直线运动 还 是绕轴转动 甚至是要进行复杂的曲面移动 现在一般的工业机器人都能够很 好的完成 一方面得益于机械加工精度的日益提高 另一方面依靠了现代化的 控制技术保证了机器人定位的精确 HbmVN777sL 蛇型手臂一般具有高度柔性 可深入装配结构当中进行均匀涂层 从而增 加生产率 适用于在飞机翼盒的组装探视工作及引擎组装中进行深度检测等 V7l4jRB8Hs 4 机器人基座机器人基座 机器人机座是机器人的基础部分 起支承作用 可分为固定式和移动式两 种 一般工业机器人中的立柱式 机座式和屈伸式机器人大多是固定式的 但 随着海洋科学 原子能工业及宇宙空间事业的发展 可以预见具有智能的 可 移动机器人是今后机器人的发展方向 83lcPA59W9 1 固定式机器人 固定式机器人的机座既可直接联接在地面基础上 也可固定在机身上 美 国 PUMA 262 型的垂直多关节型机器人如图 3 36 所示 其基座主要包括立柱回 转 第一关节 的二级齿轮减速传动 减速箱体即为基座 mZkklkzaaP 16 2 行走式机器人 行走机构是行走式机器人的重要执行部件 它由行走的驱动装置 传动机 构 位置检测元件 传感器电缆及管路等组成 它一方面支承机器人的机身臂 和手部 因而必须具有足够的刚度和稳定性 另一方面还根据作业任务的要求 带动AVktR43bpw 1 固定轨迹式行走机构 固定轨迹式行走机器人的机身设计成横梁式 用于悬挂手臂部件 这是工 厂中常见的一种配置形式 机器人实现在更广阔的空间内运动 ORjBnOwcEd 2 无固定轨迹式行走机构 车轮式行走机构 在相对平坦的地面上 用车轮移动方式行走是相当优越的 车轮式移动机 器人如图所示 17 履带式移动机构 轮式行走机构在野外或海底工作 遇到松软地面时可能陷车 故宜采用履 带式行走机构 它是轮式移动机构的拓展 履带本身起着给车轮连续铺路的作 用 2MiJTy0dTT 步行式行走机构 与运行车式机构相比 步行式行走机构 有以下优点 第一 可以在高低不平的地段上行走 第二 由于脚的主动性 身体不随地面晃动 第三 在柔软的地面上运动 效率并不显著降低 18 5 机器人的传动机器人的传动 1 移动关节导轨及转动关节轴承 移动关节导轨 19 转动关节轴承 球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承 它能承受径向和轴向载荷 摩 擦较小 对轴和轴承座的刚度不敏感 gIiSpiue7A 20 2 传动件的定位及消隙 1 传动件的定位 工业机器人的重复定位精度要求较高 设计时应根据具体要求选择适当的 定位方法 目前常用的定位方法有电气开关定位 机械挡块定位和伺服定位 uEh0U1Yfmh 2 传动件的消隙 一般传动机构存在有间隙 也叫侧隙 就齿轮传动而言 齿轮传动的侧隙 是指一对齿轮中一个齿轮固定不动 另一个齿轮能够作出的最大的角位移 传 动的间隙 影响了机器人的重复定位精度和平稳性 对机器人控制系统来说 传动间隙导致显著的非线性变化 振动和不稳定 但是 传动间隙是不可避免 的 其产生的主要原因有 由于制造及装配误差所产生的间隙 为适应热膨胀而特 意留出的间隙 消除传动间隙的主要途径有 提高制造和装配精度 设计可调整传 动间隙的机构 设置弹性补偿零件 下面介绍适合工业机器人采用的几种常用的 传动消隙方法 IAg9qLsgBX 消除间隙齿轮 21 柔性消除间隙齿轮 对称传动 22 偏心机构消除间隙 齿廓弹性覆层消隙 此种消隙是指齿廓表面覆有薄薄一层弹性很好的橡胶层或层压材料 相啮 合的一对齿轮加以预载 可以完全消除啮合侧隙 齿轮几何学上的齿面相对滑 动在橡胶层内部发生剪切弹性流动时被吸收 因此 像铝合金 甚至石墨纤维 增强塑料这种非常轻而不具备良好接触和