機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)1第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五2.1相關(guān)術(shù)語及性能指標(biāo)關(guān)節(jié)（Joint）：即運(yùn)動副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。第二章機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五第二章機(jī)器人的結(jié)構(gòu)連桿（Link）：機(jī)器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)分開的部分。3第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五自由度（Degreeoffreedom）：或者稱坐標(biāo)軸數(shù)，是指描述物體運(yùn)動所需要的獨立坐標(biāo)數(shù)。手指的開、合，以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。剛度（Stiffness）：機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來度量。4第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五定位精度（Positioningaccuracy）：指機(jī)器人末端參考點實際到達(dá)的位置與所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度：在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。oo5第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五工作空間（Workingspace）：機(jī)器人手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能到達(dá)的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。6第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五注意：不同的書上，運(yùn)動簡圖的符號表示可能不一樣。（a）表示手指（末端執(zhí)行器）；（b）表示垂直、升降運(yùn)動；（c）表示水平伸縮運(yùn)動；（d）表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動；（e）表示俯仰運(yùn)動。2.2工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖7第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五直角坐標(biāo)式圓柱坐標(biāo)式球坐標(biāo)式8第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五關(guān)節(jié)坐標(biāo)式（a）直接驅(qū)動型（b）平行連桿型（c）偏置型（d）平面型9第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五12345612345610第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五2.2.2工業(yè)機(jī)器人手部(手爪)結(jié)構(gòu)機(jī)械式夾持器a)單支點回轉(zhuǎn)型b)雙支點回轉(zhuǎn)型c)平移型d)內(nèi)撐式11第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五2.2.2工業(yè)機(jī)器人手部(手爪)結(jié)構(gòu)1.滑槽杠桿式手部12第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器1－支架2－桿3－圓柱銷4－杠桿13第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)驅(qū)動器推動桿2向上運(yùn)動時，圓柱銷3在兩桿4的滑槽中，迫使與支架1相鉸接的兩手指（鉗爪）產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力。當(dāng)桿2向下運(yùn)動時，手指松開。夾緊力FN和驅(qū)動力FP之間的計算公式為14第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器1－杠桿2－彈簧3－滾子4－楔塊5－驅(qū)動器15第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)氣缸將楔塊4向前推進(jìn)時，楔塊上的斜面推動杠桿1，使兩個手爪產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力。當(dāng)楔塊后移時，靠彈簧2的拉力使手指松開。裝在杠桿上端的滾子3與桿塊為滾動接觸。夾緊力FN和驅(qū)動力FP之間的計算公式為

16第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器1－桿2－連桿3－擺動鉗爪4－調(diào)整墊片17第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)驅(qū)動器推動桿1上下移動時，由桿1、連桿2、擺動的鉗爪3和夾持器體構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)，迫使鉗爪（手指）完成夾緊和松開動作。夾緊力FN和驅(qū)動力FP之間的計算公式為18第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五齒輪齒條平行連桿式平移型夾持器1－扇形齒輪2－齒條桿3－電磁式驅(qū)動器4－機(jī)座5、6－連桿7－鉗爪19第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五電磁式驅(qū)動器3以驅(qū)動力FP推動齒條桿2和兩個扇形齒輪1，扇形齒輪帶動桿5（它們聯(lián)接成一整體），繞O1、O2旋轉(zhuǎn)。連桿5、6，鉗爪7和夾持器的機(jī)座4構(gòu)成一平行四桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動兩鉗爪平移，夾緊和松開工件。夾緊力FN和驅(qū)動力FP之間的計算公式為20第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五左右旋絲杠平移型夾持器1－電動機(jī)2－絲杠3－導(dǎo)軌4－鉗爪桿21第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五由電動機(jī)1驅(qū)動的一對旋向相反的絲杠2提供準(zhǔn)確的平移夾緊動作。兩絲杠協(xié)調(diào)一致地安裝在同一軸上。由導(dǎo)軌3保證鉗爪桿4的平移運(yùn)動。夾緊力FN和向絲杠提供的驅(qū)動力矩T之間的計算公式為d0為絲杠螺紋的中徑（mm）；β為螺紋的螺旋角22第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器1－驅(qū)動器2－桿3－鉗爪23第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五其撐緊方向與外夾式相反。鉗壁撐緊工件，為使撐緊后能準(zhǔn)確地用內(nèi)孔定位，多采用三個鉗爪鉗爪上撐緊力FN和驅(qū)動器1作用在推桿2上推力FP之間的計算公式為24第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五氣吸式吸盤的結(jié)構(gòu)a)擠壓排氣式b)真空泵排氣式c)氣流負(fù)壓式d)特殊吸盤e)雙吸盤式吸頭1－壓蓋2－密封蓋3－吸盤4－工件25第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五1、氣吸式吸盤它是在利用輕性橡膠或塑料制成的皮碗中形成的負(fù)壓來吸住工件的。適于吸取大而薄，剛性差的金屬和木質(zhì)板材、紙張、玻璃和弧形殼體零件等。根據(jù)不同作業(yè)情況，可以做成單吸盤、雙吸盤、多吸盤或特殊開關(guān)的吸盤。按形成負(fù)壓的方法有以下幾種方式：1）擠壓排氣式吸盤如圖9-47a所示，靠向下擠壓力將吸盤3內(nèi)的空氣排出，使其內(nèi)部形成負(fù)壓，將工件4吸住。靠擋塊（或外力FP作用）碰撞壓蓋1的上部，使密封墊2抬起，進(jìn)入空氣，釋放工件。有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低的優(yōu)點，但吸力不大，多用于吸取尺寸不大，薄而輕的物體。2）氣流負(fù)壓式吸盤控制閥將來自氣泵的壓縮空氣自噴嘴通往，形成高速射流，將吸盤內(nèi)腔中的空氣帶走而形成負(fù)壓，使吸盤吸住物體。如圖9-47c所示，若作業(yè)現(xiàn)場有壓縮空氣供應(yīng)，這種吸盤比較方便，且成本低。3）真空泵排氣式吸盤利用電磁控制閥將吸盤與真空泵相聯(lián)，當(dāng)抽氣時，吸盤腔內(nèi)的空氣被抽出，形成負(fù)壓而吸住物體，見圖9-47b。反之，控制閥將吸盤與大氣相連時，吸盤即失去吸力而松開工件。這種吸盤工件可靠，吸力大，但需配備真空泵及其控制系統(tǒng)，費(fèi)用較高。圖9-47d為吸取波紋板的特殊吸盤。圖9-47e為雙吸盤式吸頭。26第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五磁吸式吸盤1－線圈2－鐵心3－工件4－內(nèi)盤體5－隔磁物6－外盤面7－盤體27第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五它可以分成電磁吸盤和永磁吸盤兩種，電磁吸盤是用接通和切斷電磁線圈中的電流（直流或交流），產(chǎn)生和消除磁力的方法來吸住和釋放鐵磁性物體。其具體結(jié)構(gòu)如圖9-48所示。線圈1通入電流后，鐵心2中產(chǎn)生磁通，磁力線經(jīng)內(nèi)盤體4，避開隔磁物5，通過工件3、外盤面6和盤體7，回到鐵心2，形成回路。由于磁力線通過工件，工件即被吸住。外盤面6也是給工件定位用的，可根據(jù)工件形狀來設(shè)計。永磁吸盤則是利用永久磁鋼的磁力來吸住鐵磁性物體的，它是通過移動隔磁物體來改變吸盤中磁力線回路，從而達(dá)到吸住和釋放物體的目的。它具有不需電源，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠等優(yōu)點。但同樣質(zhì)量的吸盤，永磁吸盤的吸力不如電磁吸盤大。28第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五手指類型：29第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五電磁式吸盤常見的另兩種手部:滾動軸承座圈鋼板齒輪多孔鋼板30第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五氣吸式吸盤常見的另兩種手部:雙吸頭吸盤多吸頭吸盤吸取瓦楞板雙吸頭吸盤雙吸頭架式吸盤多吸頭板式吸盤31第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五其它手部:32第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五2.2.3工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)腕部影響手部的姿態(tài)（方位）33第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五手腕的自由度1－手臂2－機(jī)械接口34第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五擺動液壓馬達(dá)驅(qū)動的手腕1－活塞2、4－油路3、7－進(jìn)、排油孔5－定片6－動片35第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五壓力油從手腕的右下部經(jīng)管道3（兩條）分別由進(jìn)（排）油孔3和7進(jìn)入（排出）液壓馬達(dá)，進(jìn)入的壓力油驅(qū)動動片6作正、反方向回轉(zhuǎn)。當(dāng)定片5與動片6側(cè)面接觸時，即停止回轉(zhuǎn)。動片的最大回轉(zhuǎn)角度由其接觸位置決定。夾持器的夾持動作，則油經(jīng)油路2進(jìn)入的壓力油驅(qū)動單作用液壓缸的活塞1來完成。腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動的位置控制可采用機(jī)械擋塊定位，用位置檢測器檢測。這種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但最大回轉(zhuǎn)角度小于360°，這種結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)一個腕部自由度。36第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五兩自由度機(jī)械傳動手腕1、2、3、12、13－軸承4、5－鏈輪6、7－鏈條8－手腕殼體

9、11－圓錐齒輪10、14－軸15－機(jī)械接口法蘭盤37第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五手腕的驅(qū)動電動機(jī)安裝在大臂關(guān)節(jié)上，經(jīng)諧波減速器用兩級鏈傳動將運(yùn)動通過小臂關(guān)節(jié)傳遞到手腕軸10上的鏈輪4、5。鏈傳動6將運(yùn)動經(jīng)鏈輪4、軸10和錐齒輪9、11帶動軸14（其上裝有機(jī)械接口法蘭盤15）作回轉(zhuǎn)運(yùn)動（θ1），鏈傳動7將運(yùn)動經(jīng)鏈輪5直接帶動手腕殼體8實現(xiàn)上下俯仰擺動（β）。當(dāng)鏈傳動6和鏈輪4不動，使鏈傳動7和鏈輪5單獨轉(zhuǎn)運(yùn)時，由于軸10不動，轉(zhuǎn)運(yùn)的殼體8將迫使錐齒輪11作行星運(yùn)動，齒輪11隨殼體8作公轉(zhuǎn)（上下俯仰），同時還繞軸14作一附加的自轉(zhuǎn)運(yùn)動（稱為“誘導(dǎo)運(yùn)動”，用θ2表示）?；螨X輪9、11為正交錐齒輪傳動，則θ2＝iβ，i為錐齒輪9、11的傳動比。因此，鏈傳動6、7同時驅(qū)動時，手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動應(yīng)是θ＝θ1±θ2，當(dāng)鏈輪4的轉(zhuǎn)向與β轉(zhuǎn)向相同時用“－”，相反時用“＋”。38第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五三自由度機(jī)械傳動手腕1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15－齒輪8－手爪9、10、16－殼體39第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五驅(qū)動手腕運(yùn)動的三個電動機(jī)安裝在手臂后端；減速后經(jīng)傳動軸將運(yùn)動和力矩傳動B、S、T三根軸（圖中未表示），產(chǎn)生手爪回轉(zhuǎn)、手腕偏擺和手腕俯仰三個運(yùn)動。40第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五2.2.4工業(yè)機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)臂部確定手部的位置41第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五液壓驅(qū)動圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂1－活塞桿2－液壓缸3－手臂端部4－手臂支架5－導(dǎo)軌6－中間機(jī)座7、9－齒輪8－擋塊10－行程開關(guān)11－回轉(zhuǎn)液壓缸42第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五圖9-19所示為一具有手臂伸縮、回轉(zhuǎn)和升降三個運(yùn)動（自由度）的圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂。手臂伸縮運(yùn)動由液壓缸2驅(qū)動，活塞桿1固定不動，采用燕尾型導(dǎo)軌5導(dǎo)向，剛度大，工作平穩(wěn)。手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用擺動液壓馬達(dá)11驅(qū)動，擺動液壓馬達(dá)的輸出軸上安裝有行星齒輪9，固定齒圈（太陽輪）7與中間機(jī)座6固聯(lián)，擺動液壓馬達(dá)固定在手臂支架4上。當(dāng)擺動液壓馬達(dá)動片轉(zhuǎn)動時，行星齒輪9繞自身軸線轉(zhuǎn)動（自轉(zhuǎn)）的同時，還帶動手臂支架一起繞中間機(jī)座（即太陽輪）回轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)）。43第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五GMF

M－100型機(jī)器人手臂。其手臂的升降運(yùn)動和伸縮運(yùn)動都是采用雙圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向和直流伺服電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)直線移動。手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動是由位于機(jī)器人底部的回轉(zhuǎn)機(jī)座來實現(xiàn)的。球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型機(jī)器人都配置有實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)座。GMF

M－100型機(jī)器人手臂44第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五PUMA機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)a)大臂驅(qū)動機(jī)構(gòu)b)小臂驅(qū)動機(jī)構(gòu)1、10－大臂2、3、5、6、8、9、14、15－齒輪4、13、16－偏心套7、11－驅(qū)動電動機(jī)12－驅(qū)動軸17－小臂18－機(jī)座45第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五PUMA機(jī)器人是直流伺服電動機(jī)驅(qū)動的六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人。如圖9-21所示，其大臂和小臂是用高強(qiáng)度鋁合金材料制成的薄壁框形結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動都是采用齒輪傳動，傳動剛性較大。驅(qū)動大臂的傳動機(jī)構(gòu)如圖9-21a所示，大臂1的運(yùn)動電動機(jī)7安置在臂的后端（兼起重平衡作用），運(yùn)動經(jīng)電動機(jī)軸上的小錐齒輪6、大錐齒輪5和一對圓柱齒輪2、3，驅(qū)動大臂軸作轉(zhuǎn)動θ2。4為偏心套，用來調(diào)整齒輪傳動間隙。46第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期五帶諧波減速器的機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1－臂座2、11－法蘭盤3、12軸承4－驅(qū)動電動機(jī)5-柔輪6－從動剛輪7－波發(fā)生器8－套筒

9－電磁制動器10－驅(qū)動軸