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1、機械臂結構,一、臂部設計的基本要求,1．承載能力足,手臂是支承手腕的部件，設計時不僅要考慮抓取物體的重量或攜帶工具的重量，還要考慮運動時的動載荷及轉動慣性。,2．剛度高,為了防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字型截面的彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉剛度都比實心軸大得多。,,工字鋼（GB706-88）：,1、工字鋼的型號與高度尺寸h有關，如：10號工字鋼即指其高度尺寸為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質量、截面靜力矩等可查相應的設計手冊。3、工字鋼的長度按長度系列購買。如：5~19m。,槽鋼（GB707-88）,1、槽鋼的型號與高度尺
2、寸h有關，如：10號槽鋼即指其高度尺為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質量、截面靜力矩等可查相應的設計手冊。3、《鋼結構》,,3、導向性能好，定位精度高,為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉動，應設置導向裝置。同時要采用一定形式的緩沖措施。,4．重量輕、轉動慣量小,為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少整個手臂對回轉軸的轉動慣量。,5．合理設計與腕部和機身的連接部位,臂部的安裝形式和位置不僅關系到機器人的強度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機器人的外觀。,二、機械臂的運動形式,1．直角坐標型,臂部由三個相互正交的移動副組成。帶動腕部分別沿X、Y、
3、Z三個坐標軸的方向作直線移動。結構簡單，運動位置精度高。但所占空間較大，工作范圍相對較小。,2．圓柱坐標型,臂部由一個轉動副和兩個移動副組成。相對來說，所占空間較小，工作范圍較大，應用較廣泛。,3．關節(jié)型,由動力型旋轉關節(jié)和前、下兩臂組成。關節(jié)型機器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標。動作靈活，所占空間小，工作范圍大，能在狹窄空間內饒過各種障礙物。,4．極坐標型,臂部由兩個轉動副和一個移動副組成。產生沿手臂軸X的直線移動，繞基座軸Y的轉動和繞關節(jié)軸Z的擺動。其手臂可作繞Z軸的俯仰運動，能抓取地面上的物體。,三、典型機械臂結構,1．手臂直線運動機構,常見方式：行程小時：采用油缸或氣缸直接驅
4、動；當行程較大時：可采用油缸或氣缸驅動齒條傳動的倍增機構或采用步進電機或伺服電機驅動，并通過絲桿螺母來轉換為直線運動。典型結構：油缸驅動的手臂伸縮運動結構電機驅動的絲桿螺母直線運動結構,,油缸—齒條機構圖例：,,油缸驅動的手臂伸縮運動結構圖例：,四根導向柱的臂部伸縮機構：手臂的垂直伸縮運動由油缸3驅動。特點：工作行程長，抓重大，適合于抓舉工件形狀不規(guī)則、有偏轉力矩的場合。,,1—手部2—夾緊缸；3—油缸；4—導向柱；5—運行架；6—行走車輪；7—軌道；8—支座,電機驅動絲桿螺母直線運動結構圖例：,,2．手臂的回轉運動機構,常見方式：常見的有齒輪傳動機構，鏈輪傳動機構，活塞及連桿傳動機構等。曲柄
5、滑塊機構：假設滑塊是主動件，當滑塊沿一定的導軌移動時，可以推動曲柄做擺動或圓周運動。典型機構：液壓缸—連桿回轉機構：齒輪驅動回轉機構：,,平面四桿機構圖例：,平面四桿機構,雙曲柄機構,雙搖桿機構,,平面四桿機構演變圖例：,曲柄滑塊機構,,平面四桿機構的的演變不僅要滿足運動方面的要求，而且要滿足受力和結構上的要求。,雙臂機器人手臂結構圖例：,1—鉸接活塞缸2—連桿3—手臂4—支承架,,,,,,,,,,,,,,運動特點：手臂關節(jié)的回轉運動是通過液壓缸-連桿機構實現(xiàn)。控制活塞的行程就控制了手臂擺角的大小。,,齒輪驅動回轉機構圖例：,,3．關節(jié)型機械臂的結構（1）,存在的運動型式：機身的旋轉運動；肩關
6、節(jié)和肘關節(jié)的擺動；腕關節(jié)的俯仰和旋轉運動；各運動的協(xié)調：稱為5軸關節(jié)型機器人。,五軸關節(jié)型機器人手臂運動圖例（1）：,,,,,,,腰轉,肩轉,肘轉,俯仰,偏轉,,腰轉姿態(tài),五軸關節(jié)型機器人手臂運動圖例（2）：,肩關節(jié)、肘關節(jié)與手腕的協(xié)調,3．關節(jié)型機械臂的結構（2）,各運動的實現(xiàn)：腕部的旋轉：電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉運動n5腕部俯仰：電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n4肘關節(jié)擺動：電機M3→兩級同步帶傳動B3、B3′→減速器R3→肘關節(jié)擺動n3肩關節(jié)的擺動：電機M2→同步帶傳動B2→減速器R2→肩關節(jié)擺動n2,關節(jié)型機器人傳動系統(tǒng)圖：,關節(jié)型機器人腕部旋轉
7、局部圖：,電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉運動n5,,,關節(jié)型機器人腕部俯仰局部圖：,,,電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n4,關節(jié)型機器人肘關節(jié)局部圖：,,,電機M3→兩級同步帶傳動B3、B3′→減速器R3→肘關節(jié)擺動n3,關節(jié)型機器人肩關節(jié)局部圖例：,,,電機M2→同步帶傳動B2→減速器R2→肩關節(jié)擺動n2,四、機械臂的控制,1、伺服系統(tǒng)的分類,液壓伺服系統(tǒng)機械臂各關節(jié)的運動通常由液壓伺服閥控制液壓缸實現(xiàn)。電動伺服系統(tǒng)機械臂各關節(jié)的運動通常由步進電機或直流電機驅動。,伺服直線液壓缸圖例：,電動伺服控制系統(tǒng)圖例：,作業(yè)：,1、設計三種機器人小臂相對于大臂的直線運動方案，動力源為電機驅動，用示意圖表達。2、畫出型號為20a的工字鋼的截面形狀，并標注出有關幾何參數(shù)。3、解釋液壓伺服系統(tǒng)和電動伺服系統(tǒng)的組成及工作原理。,
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