《機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》PPT課件.ppt

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1、工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 任務(wù) 1：工業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 任務(wù) 2：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng) 任務(wù) 3：機(jī)身和臂部設(shè)計(jì) 任務(wù) 4：腕部設(shè)計(jì) 任務(wù) 5：手部設(shè)計(jì) 2 任務(wù) 1 工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)的步驟 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)方式選擇 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 材料選擇 平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 1、系統(tǒng)分析 機(jī)器人 是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有力工 具。首先確定使用機(jī)器人是否需要與合適，決定采用后需要做如 下分析工作： (1)明確采用機(jī)器人的目的和任務(wù) 。 (2)分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括 設(shè)備 兼容性 等。 (3)認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方 案 。 如機(jī)器人的自由度

2、數(shù)、信息的存儲(chǔ)容量、定位精度、抓取重 量 (4)進(jìn)行必要的調(diào)查研究，搜集國(guó)內(nèi)外的有關(guān)技術(shù)資料 。 總體設(shè)計(jì)的步驟 4 2、技術(shù)設(shè)計(jì) (1)機(jī)器人基本參數(shù)的確定。臂力、工作節(jié)拍、工作范圍、 運(yùn)動(dòng)速度及定位精度等。 舉例：定位精度的確定 機(jī)器人或機(jī)械手的定位精度是根據(jù)使用要求確定的，而機(jī)器人或機(jī)械 手本身所能達(dá)到的定位精度取決于定位方式、運(yùn)動(dòng)速度、控制方式、臂 部剛性、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式等。 工藝過(guò)程的不同，對(duì)機(jī)器人或機(jī)械手重復(fù)定位精度的要求也不同，不 同工藝過(guò)程所要求的定位精度如下： 金屬切削機(jī)床上下料： (0.05-1.00) mm 沖床上下料： 1 mm 模鍛： (0.1-2.0) mm 點(diǎn)

3、焊： 1 mm 裝配、測(cè)量： (0.01-0.50) mm 噴涂： 3 mm 當(dāng)機(jī)器人或機(jī)械手本身所能達(dá)到的定位精度有困難時(shí)，可采用輔助 工夾具協(xié)助定位的辦法，即 機(jī)器人實(shí)現(xiàn)粗定位、工夾具實(shí)現(xiàn)精定位 。 5 (2) 機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)形式的選擇。 常見(jiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式 有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和 SCARA型 。 (3) 擬定檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖。 選擇合適的傳感器，以便 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮安裝位臵 。 (4) 確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖 。 (5) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。 確定驅(qū)動(dòng)方式，選擇運(yùn)動(dòng)部件和設(shè) 計(jì)具體結(jié)構(gòu)，繪制機(jī)器人總裝圖及主要部件零件圖 。 6 3、仿真分析 (1)運(yùn)動(dòng)學(xué)

4、計(jì)算。分析是否達(dá)到要求的速度、加速度、位臵。 (2)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的大小，分析驅(qū)動(dòng)裝臵是否 滿足要求。 (3)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真。將每一位姿用三維圖形連續(xù)顯示出來(lái)， 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真。 (4)性能分析。建立機(jī)器人數(shù)學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行 仿真計(jì)算。 (5)方案和參數(shù)修改。運(yùn)用仿真分析的結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)的方案、 結(jié)構(gòu)、尺寸和參數(shù)進(jìn)行修改，加以完善。 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分。其他系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)盡管有各自的獨(dú)立性，但都必須與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，相 輔相成，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)。 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 是 選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo) 形式 （ 1）直角坐標(biāo)

5、機(jī)器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為 伸縮 （ 2）圓柱 坐標(biāo) 機(jī)器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，腰轉(zhuǎn)、升降 、 伸縮 （ 3）球面坐標(biāo)機(jī)器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng) 和 伸縮 （ 4）關(guān)節(jié) 坐標(biāo) 機(jī)器人。主體 結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，全為轉(zhuǎn)動(dòng) 傳動(dòng)方式選擇 （ 1）選擇驅(qū)動(dòng)源和傳動(dòng)裝臵與關(guān)節(jié)部件的連接、驅(qū)動(dòng)方式 （ 2）工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)形式 傳動(dòng)形式 特征 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 直接連結(jié)傳動(dòng) 直接裝在關(guān)節(jié)上 結(jié)構(gòu)緊湊 需考慮電機(jī)自重 ， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大 ， 能耗大 遠(yuǎn)距離連結(jié)傳動(dòng) 經(jīng)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)裝臵與關(guān)節(jié)相連 不需考慮電機(jī)自重 ，平衡性良好 額外的間隙和柔性 ，結(jié)構(gòu)龐大 ， 能耗大 間接傳動(dòng) 減速比遠(yuǎn)

6、1的傳 動(dòng)裝臵與關(guān)節(jié)相 連 經(jīng)濟(jì) 、 對(duì)載荷變化不 敏感 、 便于制動(dòng)設(shè)計(jì) 、 方便一些運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換 傳動(dòng)精度低 、 結(jié)構(gòu)不 緊湊 、 引入誤差 ， 降 低可靠性 直接驅(qū)動(dòng) 不經(jīng)中間關(guān)節(jié)或 經(jīng)速比 =1的傳動(dòng) 裝臵與關(guān)節(jié)相連 傳動(dòng)精度高 ， 振動(dòng)小 ， 傳動(dòng)損耗小 ， 可靠性 高 ， 響應(yīng)快 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難 ， 對(duì)傳感元件要求高 ， 成本高 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模塊化工業(yè)機(jī)器人 。 由一些標(biāo)準(zhǔn)化 、 系列化的模塊件通過(guò)具有 特殊功能的結(jié)合部用積木拼搭方式組成的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng) 。 模塊化工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn) (1)經(jīng)濟(jì)性。 設(shè)計(jì)和制造通用性很強(qiáng)的工業(yè)機(jī)器人是很不經(jīng)濟(jì)的，價(jià)格 昂貴。用戶希望廠商能為諸多的作

7、業(yè)崗位提供可選擇的，自由 度盡可能少，控制和編程簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)的專用機(jī)器人。 機(jī)器人制造廠家也希望改變?cè)O(shè)計(jì)和制造模式，采用批量 制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化系列化的工業(yè)機(jī)器人模塊，自由拼裝工 業(yè)機(jī)器人，滿足用戶經(jīng)濟(jì)性好和基本功能全的要求。 (2)靈活性。 其主要體現(xiàn)在： 可根據(jù)工業(yè)機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)決定模塊的數(shù)量 ， 機(jī)器人的自由度可以方便地增減 。 比如 ， 用戶要求機(jī)器人能為 多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時(shí) ， 可增選一個(gè)底座移動(dòng)軸模塊或其它行走 軸模塊 ,工業(yè)機(jī)器人成為移動(dòng)式機(jī)器人 。 為了 擴(kuò)大工業(yè)機(jī)器人的工作范圍 ， 可更換具有更長(zhǎng)長(zhǎng)度 的手臂模塊或加接手臂模塊 。 下圖所示是一種多關(guān)節(jié)多臂檢測(cè) 機(jī)

8、器人 ， 不僅多臂模塊組合成的手臂很長(zhǎng) ， 而且手臂可作波浪 運(yùn)動(dòng) 。 能不斷對(duì)現(xiàn)役 模塊化工業(yè)機(jī)器人更新改造 。 比如 ， 用戶 可以選用伸縮套筒式手臂模塊來(lái)更替原有固定長(zhǎng)度的模塊；隨 著控制技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展 ， 可更換更高性能的控制模塊和 更高精度的傳感器模塊；更換新模塊來(lái)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的維修 保養(yǎng) 。 3.模塊化工業(yè)機(jī)器人所存在的問(wèn)題 (1)模塊化工業(yè)機(jī)器人整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的 剛度比較差 。 因?yàn)?模塊之間的結(jié)合是可方便拆卸的 ， 盡管在設(shè)計(jì)上已經(jīng)注意到了 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口的高精度要求 ， 但實(shí)際制造仍會(huì)存在誤差 ， 所以 與整體結(jié)構(gòu)相比剛度相對(duì)地差些 。 (2)因?yàn)橛性S多機(jī)械接口及其它連接

9、附件 ， 所以模塊化工業(yè) 機(jī)器人的 整體重量有可能增加 。 (3)雖然功能模塊的形式有多種多樣 ， 但是 尚未真正做到根 據(jù)作業(yè)對(duì)象就可以合理進(jìn)行模塊化分析和設(shè)計(jì) 。 機(jī)器人本體材料的選擇 材料選擇 基本 要求 強(qiáng)度高 阻尼大 彈性模量大 重量輕 經(jīng)濟(jì)性好 (1)強(qiáng)度高 。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不 僅能滿足機(jī)器人臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸， 減輕重量。 (2)彈性模量大 。從材料力學(xué)公式可知，構(gòu)件剛度 (或變形量 ) 與材料的彈性模量 E、 G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度 越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的改性 對(duì)彈性模量卻沒(méi)有多大差別。

10、比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為 420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為 2000 2300MPa，但是二者 的彈性模量 E 卻沒(méi)有多大變化，均為 210000MPa。因此，還應(yīng)尋 找其它提高構(gòu)件剛度的途徑。 (3)重量輕 。 在機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是 由于慣性力引起的 ， 與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān) 。 也就是說(shuō) ， 為了提高構(gòu) 件剛度選用彈性模量 E 大而密度 也大的材料是不合理的 。 因 此 ， 提出了選用高彈性模量低密度材料的要求 ， 可用 E / 指標(biāo) 來(lái)衡量 。 下表列出了幾種材料的應(yīng) E、 和 E / 值 ,供參考 。 (4)阻尼大 。 工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大 ， 重

11、 量輕 ， 而且希望材料的阻尼盡可能大 。 機(jī)器人的臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng) 后 ， 要求能平穩(wěn)地停下來(lái) 。 可是由于在構(gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí) ， 構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩 ， 構(gòu)件自身又具有彈性 ， 因 而會(huì)產(chǎn)生 “ 殘余振動(dòng) ” 。 從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)考 慮 ， 希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來(lái)吸 收能量 。 (5)材料價(jià)格低 。 材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要 組成部分 。 有些新材料如棚纖維增強(qiáng)鋁合金 、 石墨纖維增強(qiáng) 鎂合金 ， 用來(lái)作機(jī)器人臂的材料是很理想的 ， 但價(jià)格昂貴 。 (1)碳素結(jié)構(gòu)鋼 、 合金結(jié)構(gòu)鋼 ：強(qiáng)度好 ， 特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng) 度增大了 4至 5倍 ,

12、彈性模量 E大 ， 抗變形能力強(qiáng) ， 是應(yīng)用最廣泛的 材料 。 (2)鋁 、 鋁合金及其它輕合金材料 ：這類材料的共同特點(diǎn)是重 量輕 ， 彈量模量 E并不大 ， 但是材料密度小 ,故 E / 比仍可與鋼 材相比 。 有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善 ， 例如添加 了 3.2%重量的鋰的鋁合金彈性模量增加了 14%， E/ 比增加 16%。 (3)纖維增強(qiáng)合金 ：如棚纖維增強(qiáng)鋁合金 、 石墨纖維增強(qiáng)鎂合 金 ， 其 E/ 比分別達(dá)到 11.4 107m2/s2和 8.9X107m2/s2。 這種纖維 增強(qiáng)金屬材料具有非常高的 E/ 比 ， 而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的 缺陷 ， 但價(jià)格昂貴 。

13、(4)陶瓷 ：陶瓷材料具有良好的品質(zhì) ， 但是脆性大 ， 不易加 工成具有長(zhǎng)孔的連桿 ， 與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計(jì) 。 然而 ， 日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器 人臂的樣品 。 (5)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 ：這類材料具有極好的 E/ 比 ， 但存 在老化 、 蠕變 、 高溫?zé)崤蛎?、 與金屬件連接困難等問(wèn)題 。 這種 材料不但重量輕 、 剛度大 ， 而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu) 點(diǎn) ， 傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼 。 所以 ,在高速機(jī)器 人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多 。 疊層復(fù)合材料的制造工藝 還允許用戶進(jìn)行優(yōu)化 ， 改進(jìn)疊層厚度 、 纖維傾斜角 、 最佳橫斷

14、 面尺寸等使其具有最大阻尼值 。 (6)粘彈性大阻尼材料 ：增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善 機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法 。 目前有許多方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)件 材料的阻尼 ， 其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是 用粘 彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理 ， 如下圖所示 。 吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械 臂振動(dòng)控制中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn) ， 結(jié)果表明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精 度在阻尼處理前為土 0.30mm， 處理后為士 0.16mm， 殘余振動(dòng) 時(shí)間在阻尼處理前 、 后分別為 0.9s和 0.5s。 工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)多剛體耦合系統(tǒng) ， 系統(tǒng)的平衡性是極其 重要的 ， 在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中 采

15、用平衡系統(tǒng)的理由 是： (1)安全 。 根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程知道 ， 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩包括 重力矩項(xiàng) ， 即各連桿質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩 。 因?yàn)橹亓κ怯篮?的 ， 即使機(jī)器人停止了運(yùn)動(dòng) ， 重力矩項(xiàng)仍然存在 。 這樣 ， 當(dāng)機(jī) 器人完成作業(yè)切斷電源后 ， 機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)因重力而失去穩(wěn)定 。 平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動(dòng)力源中斷而失穩(wěn) ， 引起向地面 “ 倒 ” 的趨勢(shì) 。 平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì) (2)借助平衡系統(tǒng)能 降低 因機(jī)器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致 重力 引起 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化 的峰值 。 (3)借助平衡系統(tǒng)能 降低 因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致 慣性力矩 引起 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化 的峰值 。 (4)借助平衡系統(tǒng)能減少動(dòng)力

16、學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非 線性項(xiàng) ， 改進(jìn)機(jī)器人動(dòng)力特性 。 (5)借助平衡系統(tǒng)能 減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性 所引起的不良 影響 。 (6)借助平衡系統(tǒng)能使 機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定 ， 降低地面安裝 要求 。 平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要途徑 盡管為了防止因動(dòng)力源中斷機(jī)器人有向地面 “ 倒 塌 ” 的趨勢(shì)，可采用不可逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或制動(dòng)閥。但是， 在工業(yè)機(jī)器人日趨高速化之時(shí)，工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng) 的良好設(shè)計(jì)是非常重要的，其設(shè)計(jì)途徑有三條： (1)質(zhì)量平衡技術(shù)； (2)彈簧力平衡技術(shù)； (3)可控力平衡技術(shù)。 25 任務(wù) 2：工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng) 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)裝臵的類型和特點(diǎn) 新型驅(qū)動(dòng)方式 26 機(jī)器人

17、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 1、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式 齒條固定不動(dòng) ， 當(dāng)齒輪 傳動(dòng)時(shí) , 齒輪軸連同拖板沿 齒條方向做直線運(yùn)動(dòng) 拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С?的 。 該裝臵的回差較大 。 （ 1） 直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （ a） 齒輪齒條裝臵 齒輪齒條裝置 普通絲杠驅(qū)動(dòng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺母沿絲杠軸 向移動(dòng) 。 摩擦力較大 , 效率低 , 慣性大 , 精度低 , 回差大 ,容易產(chǎn)生爬 行現(xiàn)象 , 而且因此 在機(jī)器人上很少采用 。 機(jī)械學(xué)中的爬行現(xiàn)象 ,在滑動(dòng)摩擦副中從動(dòng)件 在勻速驅(qū)動(dòng)和一定摩擦條件下產(chǎn)生的周期性時(shí) 停時(shí)走或時(shí)慢時(shí)快的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu) 1 電動(dòng)機(jī)； 2 蝸桿； 3 臂架； 4 絲杠

18、； 5 蝸輪； 6 箱體； 7 花鍵套 （ b） 普通絲杠 （ c） 滾珠絲杠 滾珠絲杠在 絲杠螺母的螺旋槽里放臵了許多滾珠 ,傳動(dòng)過(guò) 程中所受的摩擦力是滾動(dòng)摩擦 , 可極大地減小摩擦力 ,因此傳 動(dòng)效率高 ,消除了低速運(yùn)動(dòng)時(shí)的爬行現(xiàn)象 。 滾球絲杠副 30 （ d）液壓傳動(dòng)（直接平移） 31 （ e）氣壓傳動(dòng)（直接平移） （ 2） 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （ a） 齒輪鏈 齒輪鏈?zhǔn)怯蓛蓚€(gè)或兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 它 不但可以傳遞運(yùn)動(dòng)角位移和角速度 , 而且可以傳遞力和力矩 。 現(xiàn)以具有兩個(gè)齒輪的齒輪鏈為例 , 說(shuō)明其傳動(dòng)轉(zhuǎn)換關(guān)系 。 其 中一個(gè)齒輪裝在輸入軸上 , 另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上 ,

19、 如圖 所示 。 齒輪鏈機(jī)構(gòu) 使用齒輪鏈機(jī)構(gòu)應(yīng)注意的問(wèn)題 齒輪鏈的引入會(huì)改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 , 從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的響應(yīng)時(shí)間減小 , 這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制 。 輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上 , 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的下降與 輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比 。 由于齒輪間隙誤差 , 將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人手臂的定位誤差增加 ; 而且 , 假如不采取一些補(bǔ)救措施 , 齒隙誤差還會(huì)引起伺服系統(tǒng) 的不穩(wěn)定性 。 (a) 圓柱齒輪 ; (b) 斜齒輪 ; (c) 錐齒輪 ; (d) 蝸輪蝸桿 ; (e) 行星輪系 常用的齒輪鏈 35 (b) 同步皮帶 同步皮帶的特點(diǎn) 同步帶相當(dāng)于柔軟的齒輪 , 具有柔性好 ,

20、價(jià)格便宜 、 加工 也容易 。 同步皮帶還被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況 。 只要 同步皮帶足夠長(zhǎng) ,使皮帶的扭角誤差不太大 , 則同步皮帶仍能 夠正常工作 。 在伺服系統(tǒng)中 , 如果輸出軸的位臵采用碼盤(pán)測(cè)量 , 則輸入 傳動(dòng)的同步皮帶可以放在伺服環(huán)外面 , 這對(duì)系統(tǒng)的定位精度和 重復(fù)性不會(huì)有影響 , 重復(fù)精度可以達(dá)到 1 mm以內(nèi) 。 有時(shí) , 齒輪鏈和同步皮帶結(jié)合起來(lái)使用更為方便 。 諧波齒輪傳動(dòng) （ c）諧波齒輪 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì) 機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)的，各個(gè)部位 都 需要能源和動(dòng)力， 因此設(shè)計(jì)和選擇良好的傳動(dòng)部件是非常重要的 。 這 涉及到關(guān)節(jié)形式的確定，傳動(dòng)方式以及傳動(dòng)部件的 定位和消隙等

21、多個(gè)方面 。 (1) 關(guān)節(jié) (如轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與移動(dòng)關(guān)節(jié) ) (2) 傳動(dòng)件的定位和消隙 (3) 機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (如齒輪、繩與鋼帶傳動(dòng)等 ) 1. 關(guān)節(jié) （ 1） 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)由回轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成 。 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式 （ a） 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式 40 （ b） 軸承 機(jī)器人中軸承起著相當(dāng)重要的作用 ， 用于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承有 多種形式 ， 球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承 。 球軸承能承受徑向和軸向載荷 ， 摩擦較小 ， 對(duì)軸和軸承座的 剛度不敏感 。 圖 4.34 基本耐磨球軸承 2 移動(dòng)關(guān)節(jié) 移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)起直 線導(dǎo)向作用的直線導(dǎo)軌部分組成 。 導(dǎo)軌

22、部分分為滑動(dòng)導(dǎo)軌 、 滾動(dòng)導(dǎo)軌 、 靜壓導(dǎo)軌和磁 性懸浮導(dǎo)軌等形式 。 一般 ， 要求機(jī)器人導(dǎo)軌間隙小或能消除間隙；在垂 直于運(yùn)動(dòng)方向上要求剛度高 ， 摩擦系數(shù)小且不隨速 度變化 ， 并且有高阻尼 、 小尺寸和小慣量 。 通常 ， 由于機(jī)器人在速度和精度方面的要求很高 ， 故一般采用結(jié)構(gòu)緊湊且價(jià)格低廉的滾動(dòng)導(dǎo)軌 。 42 滾動(dòng)導(dǎo)軌可以按直線導(dǎo)軌的種類、軌道形狀和滾動(dòng) 體分為 : (1) 按滾動(dòng)體分類 球、圓柱滾子和滾針。 (2) 按軌道分類 圓軸式、平面式和滾道式。 (3) 按滾動(dòng)體是否循環(huán)分類 循環(huán)式、非循環(huán)式。 直線導(dǎo)軌 滾珠絲杠 2. 機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （ 1） 齒輪傳動(dòng) 行星齒輪傳動(dòng) 諧

23、波 齒輪 傳動(dòng) 采用液壓靜壓諧波 發(fā)生器的諧波傳動(dòng) 1 凸輪 2 柔輪 3 小孔 （ 2）絲杠傳動(dòng) 滾動(dòng)絲杠的基本組成 1 絲杠； 2 螺母； 3 滾珠； 4 導(dǎo)向槽 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu) 1 電動(dòng)機(jī)； 2 蝸桿； 3 臂架； 4 絲杠； 5 蝸輪； 6 箱體； 7 花鍵套 （ 4） 帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng) 齒形帶形狀 鋼帶傳動(dòng) （ 5） 繩傳動(dòng)與鋼帶傳動(dòng) （ 6） 桿 、 連桿與凸輪傳動(dòng) 凸輪機(jī)構(gòu) 連桿機(jī)構(gòu) 采用鋼帶傳動(dòng)的 ADEPT機(jī)器人 （ 7）流體傳動(dòng) 油缸和齒輪齒條手臂機(jī)構(gòu) 氣缸和齒輪齒條增倍手臂機(jī)構(gòu) 1 運(yùn)動(dòng)齒條； 2 齒輪； 3 活塞桿 3. 傳動(dòng)件的定位和消隙 （ 1） 傳動(dòng)件的

24、定位 電氣開(kāi)關(guān)定位 機(jī)械擋塊定位 伺服定位系統(tǒng) 利用插銷定位的結(jié)構(gòu) 1 行程節(jié)流閥 2 定位圓盤(pán) 3 插銷 4 定位油缸 （ 2） 傳動(dòng)件的消隙 1）消隙齒輪 50 2）柔性齒輪消隙 3） 對(duì)稱傳動(dòng)消隙 雙諧波傳動(dòng)消隙方法 1 電動(dòng)機(jī)； 2 小齒輪； 3 ， 3 減速傳動(dòng)齒輪； 4 ， 4 軸； 5， 5 齒 輪； 6 齒輪 1， 2 齒輪箱； 3， 4， 5 齒輪； 6 電動(dòng)機(jī)； 7 同步帶； 8 壓緊輪； 9 同步帶傳動(dòng) 3 4） 偏心機(jī)構(gòu)消隙 5） 齒廓彈性覆層消隙 偏心消隙機(jī)構(gòu) 齒廓彈性覆層消隙 1電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝臵 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精 度都很高。但

25、它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置又可分為直流 (DC)、交流 (AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無(wú)刷直流電機(jī)也得到了 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開(kāi)環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度 小功率機(jī)器人系統(tǒng)。 驅(qū)動(dòng)裝臵的類型和特點(diǎn) 直流電機(jī)（有刷） 步進(jìn)電機(jī) 盤(pán)式無(wú)刷直流電機(jī) 交流伺服電機(jī) 54 2. 液壓驅(qū)動(dòng)裝臵 優(yōu)點(diǎn)：功率大，可省去減速裝置直接與 被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好 ，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。 缺點(diǎn)：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄 漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅(qū)動(dòng) 目前多用于特大功率的機(jī)器人系

26、統(tǒng)。 液壓馬達(dá) 液壓擺動(dòng)馬達(dá) 液壓控制閥 液壓泵 55 3氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝臵 氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 清潔 ， 動(dòng)作靈敏 ， 具有緩沖作用 。 但與液壓驅(qū)動(dòng)裝置相比 ， 功率較小 ， 剛度差 ， 噪音大 ， 速度 不易控制 ， 所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人 。 氣 動(dòng) 馬 達(dá) 氣 動(dòng) 擺 動(dòng) 馬 達(dá) 氣 缸 氣 泵 氣 動(dòng) 三 大 件 氣 動(dòng) 控 制 閥 56 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件， 以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 一般說(shuō)來(lái)，目前負(fù)荷為 100 kg以下的 ,可優(yōu)先考慮電動(dòng)驅(qū) 動(dòng)裝置。 只須點(diǎn)位控制且負(fù)荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要 求者，可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。 負(fù)

27、荷很大或機(jī)器人周圍已有液壓源的常溫場(chǎng)合，可采用 液壓驅(qū)動(dòng)裝置。 對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)，最重要的指標(biāo)要求是起動(dòng)力矩大， 調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好、與之 配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。 4驅(qū)動(dòng)裝臵的選擇原則 新型的驅(qū)動(dòng)方式 1. 磁致伸縮驅(qū)動(dòng) 鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變 , 其長(zhǎng) 度和體積都要發(fā)生微小的變化 , 這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮 。 58 形狀記憶效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 原始形狀 拉直 加熱后恢復(fù)變形 前形狀 2. 形狀記憶合金 59 60 形狀恢復(fù)完全可逆 需具備以下條件： 馬氏體相變是 熱彈性 的； 母相和馬氏體呈現(xiàn) 有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu) ； 馬氏體點(diǎn)陣的不變切變?yōu)閷\生 ， 亞結(jié)構(gòu)為孿晶或

28、層錯(cuò) ； 馬氏體相變?cè)诰w學(xué)上是 可逆的 。 61 隨著形狀記憶材料研究的不斷深入 ， 發(fā)現(xiàn)不完全 具備上述條件的合金也可以顯示形狀記憶效應(yīng) 。 溫度場(chǎng) 可以誘導(dǎo)形狀記憶效應(yīng) ， 磁場(chǎng) 、 應(yīng)力場(chǎng) 等 也可誘導(dǎo)馬氏體相變 ， 出現(xiàn)形狀記憶效應(yīng) 。 傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)形狀記憶合金 磁誘導(dǎo)形狀記憶合金 Magnetic field 62 左圖是一個(gè)雙程 CuZnAl記憶合 金彈簧，它是 SMA用作驅(qū)動(dòng)器的 典型形式。 該彈簧是隨溫度變化 自行伸縮的感溫驅(qū)動(dòng)元件 。采用 CuZnAl記憶合金絲，表面鍍錫， 以熱水或熱風(fēng)為熱源，典型伸縮 溫度為 6585 ，自由狀態(tài)為 45mm，伸長(zhǎng)狀態(tài)為 200mm。 可見(jiàn)

29、 其形變量較大，可以產(chǎn)生足夠的 驅(qū)動(dòng)力。 利用記憶合金在加熱時(shí)形狀恢復(fù)的同時(shí)其 回 復(fù)力可對(duì)外作功 的特性，能夠制成各種驅(qū)動(dòng)元 件。這種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，可靠 性好。 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器 3. 靜電驅(qū)動(dòng)器 圖 2.77是一個(gè)帶有 電阻器移動(dòng)子的三相靜 電驅(qū)動(dòng)器的工作原理圖。 圖 2.77 三相靜電驅(qū)動(dòng)器工作原理 這種執(zhí)行器有下列特征 : (1) 因?yàn)橐苿?dòng)子中沒(méi)有電極 , 所以不必確定與定子的相對(duì) 位臵 , 定子電極的間距可以非常小 。 (2) 因?yàn)轵?qū)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浮力 ,所以摩擦力小 ,在停止時(shí)由于 存在著吸引力和摩擦力 , 因此可以獲得比較大的保持力 。 (3) 因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單 , 所以

30、可以實(shí)現(xiàn)以薄膜為基礎(chǔ)的大面積 多層化結(jié)構(gòu) 。 基于上述各點(diǎn) , 把這種執(zhí)行器作為實(shí)現(xiàn) 人工筋肉 的一種方 法 , 受到了人們的關(guān)注 。 4. 超聲波電機(jī) 超聲波電機(jī)的工作原理是用超聲波激勵(lì)彈性體定子， 使其表面形成橢圓運(yùn)動(dòng)， 由于其上與轉(zhuǎn)子 (或滑塊 )接觸， 在摩擦的作用下轉(zhuǎn)子獲得推力輸出。 如圖 2.78所示， 可 以認(rèn)為定子按照角頻率 0， 進(jìn)行超聲波振動(dòng)， 在預(yù)壓 W作 用下， 轉(zhuǎn)子被推動(dòng)。 超聲波電機(jī)的負(fù)載特性與 DC電機(jī)相似， 相對(duì)于負(fù)載增 加， 轉(zhuǎn)速有垂直下降的趨勢(shì)， 將超聲波電機(jī)與 DC電機(jī)進(jìn) 行比較， 它的特點(diǎn)有： 可望達(dá)到低速、 高效率； 同樣的尺寸， 能得到大的轉(zhuǎn)矩； 能

31、保持大轉(zhuǎn)矩； 無(wú)電磁噪聲； 易控制； 外形的自由度大等。 圖 2.78 超聲波電機(jī)的工作原理圖 01 02 03 編織式氣動(dòng)肌肉 網(wǎng)孔式氣動(dòng)肌肉 嵌入式氣動(dòng)肌肉 氣動(dòng)肌肉 按結(jié)構(gòu)形式可將氣動(dòng)肌肉分為三類： 氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器 (Pneumatic Muscle Actuator， PMA)， 以 下簡(jiǎn)稱氣動(dòng)肌肉，是一種新型的 拉伸型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 ，通常由 一段包裹纖維網(wǎng)的橡膠筒和兩端的接頭附件連接組成，能夠 像生物肌肉那樣產(chǎn)生很大的 收縮力 。 編織式氣動(dòng)肌肉 編織式氣動(dòng)肌肉主要由氣密彈性管和套 在它外面的編織套組成 網(wǎng)孔式氣動(dòng)肌肉 網(wǎng)孔式氣動(dòng)肌肉是網(wǎng)狀式氣動(dòng)肌肉，網(wǎng)孔 比較大，纖維比較稀疏，網(wǎng)是系

32、結(jié)而成的 ，這種肌肉只能在較低的壓力下工作。 嵌入式氣動(dòng)肌 氣動(dòng)肌肉承受負(fù)載的構(gòu)件 (絲、纖維 ) 嵌入 到彈性薄膜里。 氣動(dòng)肌肉原理 氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)雖然很多 ， 但原理上基本 類似 。 其核心是個(gè) 可膨脹的薄壁囊 ， 外 部為限制變形的 支撐材料 ， 兩端使用 連 接件 固定 。 對(duì)橡膠筒套 充氣 時(shí) ， 橡膠筒套 因彈性變形壓迫外部編織網(wǎng) ， 由于編織網(wǎng) 剛度很大 ， 限制其只能徑向變形 ， 直徑變 大 ， 長(zhǎng)度縮短 。 此時(shí) ， 如果將氣動(dòng)人工 肌肉與負(fù)載相聯(lián) ， 就會(huì) 產(chǎn)生收縮力 ；反之 ， 當(dāng) 放氣 時(shí)氣動(dòng)人工肌肉彈性回縮 ， 直徑 變細(xì) ， 長(zhǎng)度增加 ， 收縮力減小 。 單向收縮

33、成對(duì)使用 充氣變形 可膨脹薄壁囊 支撐材料 連接件 放氣回縮 氣動(dòng)肌肉關(guān)節(jié)模型 氣動(dòng)肌肉和生物肌肉的工作原理是一樣 的 ， 都是通過(guò)收縮產(chǎn)生的力來(lái)帶動(dòng)負(fù)載 ， 一個(gè)氣動(dòng)肌肉收縮 ， 另一個(gè)伸長(zhǎng) ， 從 而帶動(dòng)關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動(dòng) 。 常用安裝方式 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 直線運(yùn)動(dòng) 氣動(dòng)肌肉的特性 低成本、清潔安全、安裝 簡(jiǎn)便； 高功率 /質(zhì)量比和高功率 / 體積比； 具有柔性結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能 與生物肌肉相似，應(yīng)用前 景良好。 行程較??； 其充氣變形為強(qiáng)非線性環(huán) 節(jié)，難以實(shí)現(xiàn)精確控制； 柔性也使得精度和重復(fù)性 受到了限制。 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 理療康復(fù) 該機(jī)器腳踝特別的地方是它的 人工肌肉 實(shí)際上是一系列氣動(dòng)管； 膝蓋上超靈敏的

34、傳感器告訴它們?nèi)绾涡?動(dòng)時(shí)，它們會(huì) 擴(kuò)張和收縮。 機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn) 臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn) 任務(wù) 3 機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法 77 1、機(jī)身與臂部的配置形式 機(jī)身結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn) 2. 機(jī)身的典型結(jié)構(gòu) （ 1） 回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身 單桿活塞氣缸 驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 雙桿活塞氣缸 驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu) （ 2） 回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身 3. 機(jī)身驅(qū)動(dòng)力 (力矩 )計(jì)算 （ 2） 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 （ 1） 垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 q m g P F F W q m gM M M g0MJ t （ 3） 升降立柱下降不卡死 (不自鎖 )的條件計(jì)算 偏重力臂的大小 ii i G

35、LL G 偏重力矩 WL 根據(jù)升降立柱平衡條件 有 N1F h W L 升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的條件 m 1 m 2 N 122 LW F F F f W f h 2h fL 即： 4. 機(jī)身設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題 （ 1） 剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性要好 （ 2） 運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過(guò)短，避免卡死 （ 3） 驅(qū)動(dòng)方式適宜 （ 4） 結(jié)構(gòu)布置合理 83 1. 臂部的典型機(jī)構(gòu) （ 1） 臂部伸縮機(jī)構(gòu) 1 手部 2 夾緊缸 3 油缸 4 導(dǎo)向柱 5 運(yùn)行架 6 行走車輪 7 軌道 8 支座 四導(dǎo)向柱式臂伸縮機(jī)構(gòu) 臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn) （ 2） 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 1 手部 2 夾緊缸 3 升降缸

36、4 小臂 5， 7 擺動(dòng)缸 6 大臂 8 立柱 擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)連桿俯仰臂機(jī)構(gòu) （ 3） 手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)與升降機(jī)構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨(dú)驅(qū)動(dòng) ， 適用于升 降行程短而回轉(zhuǎn)角度小于 360 的情況 ， 也有采用升降缸與氣馬達(dá) - 錐齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu) 。 2. 機(jī)器人手臂材料的選擇 優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬 材料有尼龍、聚乙烯 （ PEH） 和碳素纖維等；金屬材料以 輕合金 （ 特別是鋁合金 ） 為主。 3. 臂部設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題 承載能 力 強(qiáng) 剛度高 導(dǎo)向性 能好 重量輕、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量小 合理設(shè)計(jì) 與腕和機(jī) 身的連接 部位 機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法 1. 質(zhì)

37、量平衡方法 3 3 3m O GSV m 2 2 2 3 3 32 m O G m O GOV m 0M 2. 彈簧力平衡方法 01 sinM F r 22si n ( 9 0 ) c o ssi n rr ll 0()F k l l 0 1 2 0 () c osk l l r rM l 90 任務(wù) 4 腕部設(shè)計(jì) 腕部自由度 腕部典型結(jié)構(gòu) 柔性手腕 腕部設(shè)計(jì)注意的問(wèn)題 （ 1）手腕關(guān)節(jié)的滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn) 1. 腕部自由度 手腕的坐標(biāo)系和自由度 6種 3自由度手腕的結(jié)合方式示意 圖 （ 2） RRR手腕 3R手腕關(guān)節(jié)遠(yuǎn)程傳動(dòng)示意 3R手腕結(jié)構(gòu)示意 2. 腕部的典型結(jié)構(gòu) （ 1） 單自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)手腕

38、 1 回轉(zhuǎn)缸； 2 定片； 3 腕回轉(zhuǎn)軸； 4 動(dòng)片； 5 手部 回轉(zhuǎn)油缸直接驅(qū)動(dòng)的單自由度腕部結(jié)構(gòu) （ 2） 二自由度手腕 1） 雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)的腕部 l 手部 2 中心軸 3 固定中心軸 4 定片 5 擺動(dòng)回轉(zhuǎn)缸 6 動(dòng)片 7 回轉(zhuǎn)軸 8 回轉(zhuǎn)缸 具有回轉(zhuǎn)與擺動(dòng)的二自由度腕部結(jié)構(gòu) 2） 齒輪傳動(dòng)二自由度腕部 齒輪傳動(dòng)回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理 1， 2， 3， 4， 5， 6 錐齒輪 7 殼體 8 手腕 9 手爪 （ 3） 三自由度手腕 1） 液壓直接驅(qū)動(dòng)三自由度手腕 2） 齒輪鏈輪傳動(dòng)三自由度腕部 1 油缸； 2 鏈輪； 3， 4 錐齒輪； 5， 6 花鍵軸 T； 7 傳動(dòng)軸 S； 8 腕架

39、; 9 行星架； 10， 11， 22， 24 圓柱齒輪； 12， 13， 14， 15， 16， 17， 18， 20 錐齒輪； 19 擺動(dòng)軸； 21， 23 雙聯(lián)圓柱齒輪； 25 傳動(dòng)軸 B 4 柔順手腕結(jié)構(gòu) 柔順性裝配技術(shù) 。 主動(dòng)柔順裝配 是從檢測(cè) 、 控制的角度 出發(fā) , 采取各種不同的搜索方法 , 實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配 ; 有的 手爪還配有檢測(cè)元件 , 如視覺(jué)傳感器力傳感器等 。 移動(dòng)擺動(dòng)柔順手腕 被動(dòng)柔順裝配 。從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā) , 在手腕部配臵一個(gè)柔 順環(huán)節(jié) , 以滿足柔順裝配的需要。 圖 2.43 柔順手腕動(dòng)作過(guò)程 圖 2.44 柔順手腕 圖 2.45 板彈簧柔順手腕 圖 2.4

40、6 鋼絲彈簧柔順手腕 5. 設(shè)計(jì)腕部 時(shí)應(yīng) 注意 的 問(wèn)題 結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高 強(qiáng)度、剛度高 設(shè)計(jì)合理的與臂和手部的連接部位 107 任務(wù) 5 手部設(shè)計(jì) 機(jī)器人手部的特點(diǎn) 手部的分類 手爪的設(shè)計(jì)和選用要求 典型的手抓結(jié)構(gòu) 1. 機(jī)器人手部的特點(diǎn) （ 1） 手部與手腕相連處可拆卸 （ 2） 手部是機(jī)器人末端操作器 （ 3） 手部的通用性比較差 （ 4） 手部是一個(gè)獨(dú)立的部件 2. 手部的分類 （ 1） 按用途 平面鉗爪夾持圓柱零件 專用工具 : 噴槍 ， 焊具 （ 2） 按夾持原理 （ 3） 按手指或吸盤(pán)數(shù)目 吸盤(pán)式手爪按吸盤(pán)數(shù)目 單吸盤(pán)式手爪 多吸盤(pán)式手爪 按手指關(guān)節(jié)

41、 單關(guān)節(jié)手指手爪 多關(guān)節(jié)手指手爪 按手指數(shù)目 二指手爪 多指手爪 三指手爪 柔性手指手爪 （ 4） 按智能 化 普通式 （無(wú)傳感器） 智能式 （有傳感器） 3. 手爪設(shè)計(jì)和選用的要求 手爪設(shè)計(jì)和選用的要求 被抓握的對(duì)象 幾何參數(shù) 工件尺寸 可能給予抓握表面的數(shù)目 可能給予抓握表面的位置和方向 夾持表面之間的距離 夾持表面的幾何形狀 機(jī)械特性 質(zhì)量 材料 固有穩(wěn)定性 表面質(zhì)量和品質(zhì) 表面狀態(tài) 工件溫度 物料饋送器或儲(chǔ)存裝置 機(jī)器人作業(yè)順序 手爪和機(jī)器人匹配 環(huán)境條件 夾鉗式取料手 夾鉗式手部與人手相似 , 是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種 手部形式 。 它一般由手指 (手爪 )和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

42、及 連接與支承元件組成 , 能通過(guò)手爪的開(kāi)閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的 夾持 。 1. 手指 手指是直接與工件接觸的部件 。 手部松開(kāi)和夾緊工件 , 就 是通過(guò)手指的張開(kāi)與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的 。 機(jī)器人的手部一般有兩個(gè) 手指 , 也有三個(gè)或多個(gè)手指 ,其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件 的形狀和特性 。 指端的形狀通常有兩類 : V型指和平面指 。 如圖 2.3所示的 三種 V型指的形狀 , 用于夾持圓柱形工件 。 (a) 固定 V型； (b) 滾柱 V型； (c) 自定位式 V型 圖 2.4 夾鉗式手的指端 (a)平面指 （ b）尖指 （ c）特型指 如圖 2.4所示的平面指為夾鉗式手的指端 ,一般用于夾持方形

43、工件 (具有兩個(gè)平行平面 ), 板形或細(xì)小棒料。另外，尖指和 薄、長(zhǎng)指一般用于夾持小型或柔性工件。 其中 , 薄指一般 用于夾持位于狹窄工作場(chǎng)地的細(xì)小工件 , 以避免和周圍障礙 物相碰 ; 長(zhǎng)指一般用于夾持熾熱的工件 , 以免熱輻射對(duì)手部 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響。 指面的形狀常有光滑指面 、 齒形指面和柔性指面等 。 光滑 指面平整光滑 , 用來(lái)夾持已加工表面 , 避免已加工表面受損 。 齒形指面的指面刻有齒紋 , 可增加夾持工件的磨擦力 ,以確保 夾緊牢靠 , 多用來(lái)夾持表面粗糙的毛坯或半成品 。 柔性指面 內(nèi)鑲橡膠 、 泡沫 、 石棉等物 ,有增加磨擦力 、 保護(hù)工件表面 、 隔熱等作用 , 一般

44、用于夾持已加工表面 、 熾熱件 ,也適于夾持 薄壁件和脆性工件 。 2. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力 , 以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng) 作的機(jī)構(gòu) 。 該機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移 型 。 回轉(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn) 。 根據(jù)手爪夾緊是 擺動(dòng)還是平動(dòng) ,又可分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型 。 (1) 回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部 , 其手指就是 一對(duì)杠桿 ,一般再同斜楔 、 滑槽 、 連桿 、 齒輪 、 蝸 輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu) , 用以改變傳動(dòng) 比和運(yùn)動(dòng)方向等 。 圖 2.5 斜楔杠桿式手部 圖 2.5(a)所示為單作用斜楔式

45、回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 圖。 斜楔向下運(yùn)動(dòng) , 克服彈簧拉力 , 使杠桿手指裝著滾 子的一端向外撐開(kāi) , 從而夾緊工件 ; 斜楔向上移動(dòng) , 則在 彈簧拉力作下使手指松開(kāi)。 手指與斜楔通過(guò)滾子接觸可 以減少摩擦力 , 提高機(jī)械效率 , 有時(shí)為了簡(jiǎn)化 , 也可讓 手指與斜楔直接接觸。 也有如圖 2.5(b)所示的結(jié)構(gòu)。 圖 2.6 滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部 圖 2.6所示為滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部簡(jiǎn)圖 , 杠桿形手指 4 的一端裝有 V形指 5,另一端則開(kāi)有長(zhǎng)滑槽 。 驅(qū)動(dòng)桿 1上的圓柱 銷 2套在滑槽內(nèi) , 當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí) , 即 可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn) (鉸銷 3)作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ,

46、 從而實(shí) 現(xiàn)手指的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作 。 圖 2.7 雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部 圖 2.7所示為雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部簡(jiǎn)圖 。 驅(qū)動(dòng)桿 2末端 與連桿 4由鉸銷 3鉸接 , 當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿 2作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí) , 則通過(guò) 連桿推動(dòng)兩桿手指各繞其支點(diǎn)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) , 從而使手指松開(kāi)或 閉合 。 圖 2.8 齒條齒輪杠桿式手部 圖 2.8所示為齒輪齒條直接傳動(dòng)的齒輪杠桿式手部的結(jié)構(gòu) 。 驅(qū)動(dòng)桿 2末端制成雙面齒條 ,與扇齒輪 4相嚙合 , 而扇齒輪 4與手 指 5固連在一起 , 可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn) 。 驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)齒條作直線往復(fù)運(yùn) 動(dòng) , 即可帶動(dòng)扇齒輪回轉(zhuǎn) , 從而使手指松開(kāi)或閉合 。 (2) 平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 平移型

47、夾鉗式手部是通過(guò)手指的指 面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)張開(kāi)或閉合動(dòng)作的 , 常用 于夾持具有平行平面的工件 (如冰箱等 )。 其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 ,不如 回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛 。 直線往復(fù)型 復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu) :實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)很多 , 常用的斜楔傳動(dòng) 、 齒條傳動(dòng) 、 螺旋傳動(dòng)等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu) 。 它們既可是雙 指型的 , 也可是三指 (或多指 )型的 ; 既可自動(dòng)定心 , 也可非自 動(dòng)定心 。 圖 2.9 直線平移型手部 (a)為斜楔平移機(jī)構(gòu) , (b)為連桿杠桿平移結(jié)構(gòu) , (c)為螺旋斜楔平移結(jié)構(gòu) 平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)：圖 2.10所示為幾種平面平行平移 型夾鉗式手部的簡(jiǎn)圖 。 它們的共同

48、點(diǎn)是 : 都采用平行四邊形 的鉸鏈機(jī)構(gòu) 雙曲柄鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu) , 以實(shí)現(xiàn)手指平移 。 其差別在于分別采用齒條齒輪 、 蝸桿蝸輪 、 連桿斜滑槽的 傳動(dòng)方法 。 圖 2.10 四連桿機(jī)構(gòu)平移型手部結(jié)構(gòu) 2007年機(jī)器人大賽 2.1.2 吸附式取料手 1. 氣吸附式取料手 氣吸附式取料手是利用吸盤(pán)內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力 差而工作的 。 按形成壓力差的方法 ,可分為真空吸附 、 氣流負(fù) 壓氣吸 、 擠壓排氣負(fù)壓氣吸式等幾種 。 氣吸式取料手與夾鉗式取料手相比 , 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,重量 輕 , 吸附力分布均勻等優(yōu)點(diǎn) ,對(duì)于薄片狀物體的搬運(yùn)更有其優(yōu) 越性 (如板材 、 紙張 、 玻璃等物體 ), 廣

49、泛應(yīng)用于非金屬材料 或不可有剩磁的材料的吸附 。 但要求物體表面較平整光滑 , 無(wú) 孔無(wú)凹槽 。 1) 真空吸附取料手 圖 2.11所示為真空吸附取料手的結(jié)構(gòu)原理 。 其真空的產(chǎn)生 是利用真空泵 , 真空度較高 。 主要零件為碟形橡膠吸盤(pán) 1, 通 過(guò)固定環(huán) 2安裝在支承桿 4上 , 支承桿由螺母 5固定在基板 6上 。 取料時(shí) , 碟形橡膠吸盤(pán)與物體表面接觸 , 橡膠吸盤(pán)在邊緣既起 到密封作用 ,又起到緩沖作用 , 然后真空抽氣 ,吸盤(pán)內(nèi)腔形成真 空 , 吸取物料 。 放料時(shí) , 管路接通大氣 , 失去真空 , 物體放下 。 為避免在取 、 放料時(shí)產(chǎn)生撞擊 , 有的還在支承桿上配有彈簧 緩沖

50、 。 為了更好地適應(yīng)物體吸附面的傾斜狀況 ,有的在橡膠吸 盤(pán)背面設(shè)計(jì)有球鉸鏈 。 真空吸附取料手有時(shí)還用于微小無(wú)法抓 取的零件 , 如圖 2.12所示 。 圖 2.11 真空吸附取料手 圖 2.12 微小零件取料手 (a) 墊圈取料手； (b) 鋼球取料手 圖 2.13 各種真空吸附取料手 圖 2.13所示為各種真空吸附取料手。 2) 氣流負(fù)壓吸附取料手 氣流負(fù)壓吸附取料手如圖 2.14所示 。 氣流負(fù)壓吸附取料手 是利用流體力學(xué)的原理 , 當(dāng)需要取物時(shí) , 壓縮空氣高速流經(jīng)噴 嘴 5時(shí) , 其出口處的氣壓低于吸盤(pán)腔內(nèi)的氣壓 , 于是腔內(nèi)的氣 體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓 , 完成取物動(dòng)作 ;當(dāng)

51、需要釋放時(shí) , 切斷壓縮空氣即可 。 這種取料手需要壓縮空氣 ,工廠里較易取 得 ,故成本較低 。 圖 2.14 氣流負(fù)壓吸附取料手 3) 擠壓排氣式取料手 擠壓排氣式取料手如圖 2.15所示 。 其工作原理為 : 取料 時(shí)吸盤(pán)壓緊物體 , 橡膠吸盤(pán)變形 , 擠出腔內(nèi)多余的空氣 ,取料 手上升 , 靠橡膠吸盤(pán)的恢復(fù)力形成負(fù)壓 , 將物體吸住 ; 釋放 時(shí) ,壓下拉桿 3, 使吸盤(pán)腔與大氣相連通而失去負(fù)壓 。 該取料 手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 但吸附力小 , 吸附狀態(tài)不易長(zhǎng)期保持 。 圖 2.15 擠壓排氣式取料手 2. 磁吸附式取料手 磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料 , 因此只能對(duì)鐵

52、磁物體起作用 ; 另外 ,對(duì)某些不允許有剩磁的零 件要禁止使用 。 所以 , 磁吸附式取料手的使用有一定的局限性 。 電磁鐵工作原理如圖 2.16(a)所示 。 當(dāng)線圈 1通電后 , 在鐵 心 2內(nèi)外產(chǎn)生磁場(chǎng) , 磁力線穿過(guò)鐵心 , 空氣隙和銜鐵 3被磁化并 形成回路 , 銜鐵受到電磁吸力 F的作用被牢牢吸住 。 實(shí)際使用 時(shí) , 往往采用如圖 2.16(b)所示的盤(pán)式電磁鐵 , 銜鐵是固定的 , 銜鐵內(nèi)用隔磁材料將磁力線切斷 , 當(dāng)銜鐵接觸磁鐵物體零件時(shí) , 零件被磁化形成磁力線回路 ,并受到電磁吸力而被吸住 。 圖 2.16 電磁鐵工作原理 圖 2.17所示為盤(pán)狀磁吸附取料手的結(jié)構(gòu)圖 。

53、鐵心 1和磁盤(pán) 3 之間用黃銅焊料焊接并構(gòu)成隔磁環(huán) 2,既焊為一體又將鐵心和磁 盤(pán)分隔 , 這樣使鐵心 1成為內(nèi)磁極 , 磁盤(pán) 3成為外磁極 。 其磁路 由殼體 6的外圈 , 經(jīng)磁盤(pán) 3、 工件和鐵心 , 再到殼體內(nèi)圈形成閉 合回路 , 以此吸附工件 。 鐵心 、 磁盤(pán)和殼體均采用 8 10號(hào)低碳 鋼制成 , 可減少剩磁 , 。 蓋 5為用 黃銅或鋁板制成的隔磁材料 ,用以壓住線圈 11, 防止工作過(guò)程中 線圈的活動(dòng) 。 擋圈 7、 8用以調(diào)整鐵心和殼體的軸向間隙 , 即磁 路氣隙 ,在保證鐵心正常轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下 ,氣隙越小越好 ,氣隙越 大 ， 則電磁吸力會(huì)顯著地減小 ,因此 , 一般取 0.

54、1 0.3 mm。 在機(jī)器人手臂的孔內(nèi)可做軸向微量地移動(dòng) , 但不能轉(zhuǎn)動(dòng) 。 鐵心 1 和磁盤(pán) 3一起裝在軸承上 , 用以實(shí)現(xiàn)在不停車的情況下自動(dòng)上下 料 。 圖 2.17 盤(pán)狀磁吸附取料手結(jié)構(gòu) 圖 2.18 幾種電磁式吸盤(pán)吸料示意圖 (a) 吸附滾動(dòng)軸承底座的電磁式吸盤(pán)； (b) 吸取鋼板的電磁式吸盤(pán)； (c) 吸取齒輪用的電磁式吸盤(pán)； (d) 吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤(pán) 2.1.3 專用操作器及轉(zhuǎn)換器 1. 專用末端操作器 機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備 ,可根據(jù)作業(yè)要求 完成各種動(dòng)作 , 再配上各種專用的末端操作器后 ,就能完成各 種動(dòng)作 。 如在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺(tái)焊接機(jī)

55、器人 , 安裝擰螺母機(jī)則成為一臺(tái)裝配機(jī)器人 。 目前有許多由專用電 動(dòng) 、 氣動(dòng)工具改型而成的操作器 , 如圖 2.19所示 , 有擰螺母 機(jī) 、 焊槍 、 電磨頭 、 電銑頭 、 拋光頭 、 激光切割機(jī)等 。 所形 成的一整套系列供用戶選用 , 使機(jī)器人能勝任各種工作 。 圖 2.19還有一個(gè)裝有電磁吸盤(pán)式換接器的機(jī)器人手腕 , 電磁吸盤(pán)直徑 60 mm, 質(zhì)量為 1 kg,吸力 1100 N, 換接器可接 通電源 、 信號(hào) 、 壓力氣源和真空源 ,電插頭有 18芯 ,氣路接頭 有 5路 。 為了保證聯(lián)接位臵精度 ,設(shè)臵了兩個(gè)定位銷 。 在各末 端操作器的端面裝有換接器座 ,平時(shí)陳列于工具架

56、上 ,需要使 用時(shí)機(jī)器人手腕上的換接器吸盤(pán)可從正面吸牢換接器座 ,接通 電源和氣源 , 然后從側(cè)面將末端操作器退出工具架 , 機(jī)器人 便可進(jìn)行作業(yè) 。 圖 2.19 各種專用末端操作器和電磁吸盤(pán)式換接器 2. 換接器或自動(dòng)手爪更換裝臵 使用一臺(tái)通用機(jī)器人 ,要在作業(yè)時(shí)能自動(dòng)更換不同的末端操作 器 , 就需要配臵具有快速裝卸功能的換接器 。 換接器由兩部分 組成 : 換接器插座和換接器插頭 , 分別裝在機(jī)器腕部和末端操 作器上 ,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端操作器的快速自動(dòng)更換 。 專用末端操作器換接器的要求主要有 :同時(shí)具備氣源 、 電 源及信號(hào)的快速聯(lián)接與切換 ; 能承受末端操作器的工作載荷 ; 在

57、失電 、 失氣情況下 , 機(jī)器人停止工作時(shí)不會(huì)自行脫離 ;具有 一定的換接精度等 。 圖 2.20所示為氣動(dòng)換接器和專用末端操作器庫(kù) 。 該換接器 也分成兩部分 : 一部分裝在手腕上 , 稱為換接器 ; 另一部分裝 在末端操作器上 , 稱為配合器 。 利用氣動(dòng)鎖緊器將兩部分進(jìn)行 聯(lián)接 , 并具有就位指示燈以表示電路 、 氣路是否接通 。 具體實(shí)施時(shí) , 各種末端操作器放在工具架上 , 組成一 個(gè)專用末端操作器庫(kù) , 如圖 2.21所示 。 圖 2.20 氣動(dòng)換接器與專用末端操作器庫(kù) 圖 2.21 專用末端操作器庫(kù) 3. 多工位換接裝臵 某些機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)相對(duì)較為集中 ,需要換接一定量的 末端

58、操作器 , 又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫(kù) 。 這時(shí) ， 可以在機(jī)器人手腕上設(shè)臵一個(gè)多工位換接裝臵 。 例如 ,在機(jī)器 人柔性裝配線某個(gè)工位上 ,機(jī)器人要依次裝配如墊圈 、 螺釘?shù)?幾種零件 , 裝配采用多工位換接裝臵 ,可以從幾個(gè)供料處依次 抓取幾種零件 , 然后逐個(gè)進(jìn)行裝配 , 既可以節(jié)省幾臺(tái)專用機(jī)器 人 ,也可以避免通用機(jī)器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時(shí) 間 。 多工位換接裝臵如圖 2.22所示 , 就像數(shù)控加工中心的刀庫(kù) 一樣 , 可以有棱錐型和棱柱型兩種形式 。 棱錐型換接裝臵可保 證手爪軸線和手腕軸線一致 , 受力較合理 ,但其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù) 雜 ;棱柱型換接器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單

59、 , 但其手爪軸線和手腕軸線 不能保持一致 , 受力不良 。 圖 2.22 (a) 棱錐型； (b) 棱柱型 2.1.4 仿生多指靈巧手 1. 柔性手 為了能對(duì)不同外形的物體實(shí)施抓取 , 并使物體表面受力比較 均勻 , 因此研制出了柔性手 。 如圖 2.23所示為多關(guān)節(jié)柔性手腕 , 每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成 。 手指?jìng)鲃?dòng)部分由牽引鋼絲繩及摩 擦滾輪組成 ,每個(gè)手指由兩根鋼絲繩牽引 , 一側(cè)為握緊 , 另一側(cè) 為放松 。 驅(qū)動(dòng)源可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓 、 氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng) 。 柔性 手腕可抓取凹凸不平的外形并使物體受力較為均勻 。 圖 2.24所示為用柔性材料做成的柔性手 。 一端固定 ,一端為 自

60、由端的雙管合一的柔性管狀手爪 , 當(dāng)一側(cè)管內(nèi)充氣體或液體 、 另一側(cè)管內(nèi)抽氣或抽液時(shí)形成壓力差 ,柔性手爪就向抽空側(cè)彎曲 。 此種柔性手適用于抓取輕型 、 圓形物體 , 如玻璃器皿等 。 圖 2.23 多關(guān)節(jié)柔性手腕 圖 2.24 柔性手 2. 多指靈巧手 機(jī)器人手爪和手腕最完美的形式是 模仿人手 的 多指靈巧手 。 如圖 2.25所示 ,多指靈巧手有多個(gè)手指 , 每個(gè)手指有 3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié) , 每一個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的 。 因此 ,幾乎人手指 能完成的各種復(fù)雜動(dòng)作它都能模仿 ,諸如擰螺釘 、 彈鋼琴 、 作 禮儀手勢(shì)等動(dòng)作 。 在手部配臵 觸覺(jué) 、 力覺(jué) 、 視覺(jué) 、 溫度傳感器 ,

61、 將會(huì)使多指靈巧手達(dá)到更完美的程度 。 多指靈巧手的應(yīng)用前景 十分廣泛 ,可在各種極限環(huán)境下完成人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的操作 , 如核 工業(yè)領(lǐng)域 、 宇宙空間作業(yè) , 在高溫 、 高壓 、 高真空環(huán)境下作業(yè) 等 。 圖 2.25 多指靈巧手 靈巧手的設(shè)計(jì) 靈巧手一般選取 3-5個(gè)手指 2.1.5 其它手 1. 彈性力手爪 彈性力手爪的特點(diǎn)是其夾持物體的抓力是由彈性元件提供 的 ,不需要專門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝臵 , 在抓取物體時(shí)需要一定的壓入力 , 而在卸料時(shí) , 則需要一定的拉力 。 圖 2.26所示為幾種彈性力手爪的結(jié)構(gòu)原理圖 。 圖 2.26(a)所 示的手爪有一個(gè)固定爪 , 另一個(gè)活動(dòng)爪 6靠壓簧 4提供抓力

62、 , 活 動(dòng)爪繞軸 5回轉(zhuǎn) , 空手時(shí)其回轉(zhuǎn)角度由平面 2、 3限制 。 抓物時(shí) , 爪 6在推力作用下張開(kāi) ,靠爪上的凹槽和彈性力抓取物體 ; 卸料 時(shí) , 需固定物體的側(cè)面 ,手爪用力拔出即可 。 圖 2.26 彈性力手爪 2. 擺動(dòng)式手爪 擺動(dòng)式手爪的特點(diǎn)是在手爪的開(kāi)合過(guò)程中 , 其爪的運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)是繞固定軸擺動(dòng)的 , 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,使用較廣 ,適合于圓柱表 面物體的抓取 。 圖 2.27所示為一種擺動(dòng)式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖 。 這是一種 連桿擺動(dòng)式手爪 , 活塞桿移動(dòng) , 并通過(guò)連桿帶動(dòng)手爪回繞同 一軸擺動(dòng) , 完成開(kāi)合動(dòng)作 。 圖 2.27 擺動(dòng)式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖 圖 2.28所示為自重式手

63、部結(jié)構(gòu) , 要求工件對(duì)手指的作用 力的方向應(yīng)在手指回轉(zhuǎn)軸垂直線的外側(cè) , 使手指趨向閉合 。 用這種手部結(jié)構(gòu)來(lái)夾緊工件是依靠工件本身的重量來(lái)實(shí)現(xiàn)的 , 工件越重 ,握力越大 。 手指的開(kāi)合動(dòng)作由鉸接活塞油缸實(shí)現(xiàn) 。 該手部結(jié)構(gòu)適用于傳輸垂直上升或水平移動(dòng)的重型工件 。 圖 2.28 自重式手部結(jié)構(gòu) 圖 2.29所示為彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu) 。 手指 1的夾放動(dòng)作是 依靠手臂的水平移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的 。 當(dāng)頂桿 2與工件端面相接觸時(shí) , 壓縮彈簧 3, 并推動(dòng)拉桿 4向右移動(dòng) , 使手指 1繞支承軸回轉(zhuǎn)而 夾緊工件 。 卸料時(shí)手指 1與卸料槽口相接觸 , 使手指張開(kāi) , 頂 桿 2在彈簧 3的作用下將工件

64、推入卸料槽內(nèi) 。 這種手部適用于抓 取輕小環(huán)形工件 , 如軸承內(nèi)座圈等 。 圖 2.29 彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu) 3. 勾托式手部 圖 2.30所示為勾托式手部結(jié)構(gòu)示意圖 。 勾托式手部并不靠 夾緊力來(lái)夾持工件 , 而是利用工件本身的重量 , 通過(guò)手指對(duì)工 件的勾 、 托 、 捧等動(dòng)作來(lái)托持工件 。 應(yīng)用勾托方式可降低對(duì)驅(qū) 動(dòng)力的要求 ,簡(jiǎn)化手部結(jié)構(gòu) , 甚至可以省略手部驅(qū)動(dòng)裝臵 。 該 手部適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運(yùn)大型笨重的工件或結(jié)構(gòu) 粗大而質(zhì)量較輕且易變形的物體 。 勾托式手部又有手部無(wú)驅(qū)動(dòng)裝臵和驅(qū)動(dòng)裝臵兩種類型。 圖 2.30 勾托式手部示意圖 (a) 無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置的手部； (b) 有驅(qū)

65、動(dòng)裝置的手部 綜合實(shí)例 雞蛋分檢包裝系統(tǒng)中的機(jī)器人 下面以雞蛋分檢包裝系統(tǒng)為例，介紹機(jī)器 人的系統(tǒng)分析方法。 明確機(jī)器人的目的和任務(wù) ： 從傳送帶拾取一個(gè)雞蛋； 把蛋置于強(qiáng)光下照射，測(cè)定蛋是否透光（有 無(wú)胚胎生長(zhǎng)）； 根據(jù)蛋有無(wú)胚胎，把蛋放入廢品箱或包裝箱 內(nèi)。 舉例示圖 1：基本工作流程 舉例示圖 2：機(jī)器人與環(huán)境的關(guān)系 分析機(jī)器人所在系 統(tǒng)的工作環(huán)境 ：包 括工作車間的平面 布置，相互間的位 置關(guān)系等。 分析系統(tǒng)的工作要求 ： 循環(huán)時(shí)間 3.0s 每次循環(huán)有三種不同的運(yùn)動(dòng) ： 移動(dòng)到傳送帶并拾取一只雞蛋； 移動(dòng)到照射位置； 把雞蛋放入紙箱或廢品區(qū) 。 一個(gè)循環(huán)中需要三次暫停 ： 閉合手爪

66、0.2s；完成照射 0.05s；開(kāi)啟手爪放蛋 0.2s 每只雞蛋重量 85g； 手爪重量 369g 位置分辨率 最低為 1.27mm 確定機(jī)器人的自由度及運(yùn)動(dòng)范圍： 初步分析 ：機(jī)器人滿足上面提出的條件 ， 應(yīng)該具 備一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng) 。 仔細(xì)分析 ：還應(yīng)該有一個(gè) 附加旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)以對(duì)蛋進(jìn) 行定向排列 。 因?yàn)楫?dāng)受臂移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) ， 雞蛋的取 向會(huì)發(fā)生改變 。 確定技術(shù)參數(shù)為 ： 伸縮運(yùn)動(dòng) ： 45.761.0cm 腰部旋轉(zhuǎn) ： 90 腕部旋轉(zhuǎn) ： 360 腕部垂直移動(dòng) ： 50.8cm 1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（ 1）： 自由度的確定： 在系統(tǒng)分析時(shí)已經(jīng)確定了。 臂力的確定： 對(duì)于專用機(jī)器人來(lái)說(shuō) ：是針對(duì)專門(mén)的工作對(duì)象來(lái) 設(shè)計(jì)的 ， 臂力主要根據(jù)被抓取物體的重量確定 ， 取 1.53.0的安全系數(shù) 。 對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō) ：具有一定的通用性 ， 臂力 要根據(jù)被抓取物體的重量變化來(lái)確定 。 工作范圍的確定： 要根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定 二、技術(shù)設(shè)計(jì) 1機(jī)器人基本參數(shù)的確定（ 2）： 運(yùn)動(dòng)速度的確定： 主要是根據(jù)生產(chǎn)需要的工作節(jié)拍分配每 個(gè)動(dòng)作的時(shí)間 ， 進(jìn)而根據(jù)機(jī)械手各