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1、第第5 5章章 机器人本体基本结构机器人本体基本结构 本体结构：机体结构和机械传动系统，本体结构：机体结构和机械传动系统， 也是机器人的支承基础和执行机构。也是机器人的支承基础和执行机构。 5.1 5.1 概概 述述 5.1.1 5.1.1 机器人本体的基本结构形式机器人本体的基本结构形式 一、机器人本体基本结构一、机器人本体基本结构 (1) (1) 传动部件。传动部件。 (2) (2) 机身及行走机构。机身及行走机构。 (3) (3) 臂部。臂部。 (4) (4) 腕部。腕部。 (5) (5) 手部。手部。 机座 腰部 大臂 大臂 腕部 末杆+ 手部 位置机构姿态机构 上述操作机的分类是按位
2、置机构的结构形式分的。 二、机器人本体基本结构的举例二、机器人本体基本结构的举例 1个腰关节 1个肩关节 1个肘关节 3个腕关节 关节:工业机器人的运动副。 本体基本结构的主要特点本体基本结构的主要特点： (1)(1)开式运动链：结构刚度不高开式运动链：结构刚度不高 。 (2) (2) 相对机架：独立驱动器，运动灵活。相对机架：独立驱动器，运动灵活。 (3) (3) 扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有 较高的要求。较高的要求。 (4) (4) 动力学参数（力、刚度、动态性能）都是随位姿的动力学参数（力、刚度、动态性能）都是随位姿的 变化而变
3、化：易发生振动或出现其他不稳定现象。变化而变化：易发生振动或出现其他不稳定现象。 本体基本结构要求：本体基本结构要求： 1 1）自重小：改善机器人操作的动态性能；）自重小：改善机器人操作的动态性能； 2 2）静动态刚度高：提高定位精度和跟踪精度；）静动态刚度高：提高定位精度和跟踪精度； 增加机械系统设计的灵活性；减小定位时的超调量增加机械系统设计的灵活性；减小定位时的超调量 稳定时间，降低对控制系统的要求和系统造价；稳定时间，降低对控制系统的要求和系统造价； 3 3）固有频率高：避开机器人的工作频率，有利）固有频率高：避开机器人的工作频率，有利 于系统的稳定。于系统的稳定。 5.1.2 5.1
4、.2 机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择 一、材料一、材料选择选择选择选择 的基本要求的基本要求 (1)(1)强强度高度高: :减减轻轻轻轻重量。重量。 (2)(2)弹弹弹弹性模量大性模量大: :刚刚刚刚度大。度大。 但是用合金但是用合金钢钢钢钢代替代替碳结构钢碳结构钢不增加不增加刚刚刚刚度。度。 普通碳普通碳结结结结构构钢钢钢钢： b b = = 420MPa420MPa， E =2.1105MPaE =2.1105MPa 高合金高合金结结结结构构钢钢钢钢： b b = = 2000MPa2000MPa， E =2.1105E =2.1105MPa MPa (3)(3)密度小：重量轻。
5、密度小：重量轻。 (4)(4)阻尼大：减小稳定时间。阻尼大：减小稳定时间。 (5) (5) 经济性。经济性。 二、机器人常用材料简介二、机器人常用材料简介 1 1碳素结构钢和合金结构钢碳素结构钢和合金结构钢 强度好；强度好；E E大；应用最广泛。大；应用最广泛。 2 2铝、铝合金及其他轻合金材料铝、铝合金及其他轻合金材料 重量轻，弹性模量重量轻，弹性模量E E不大；不大；E/E/ 之比仍可与钢材相比之比仍可与钢材相比 。稀贵铝合金：例如添加。稀贵铝合金：例如添加3.23.2( (重量百分比重量百分比) )锂的铝合锂的铝合 金，弹性模量增加了金，弹性模量增加了1414，E/E/ 比增加了比增加了
6、1616。 3. 3. 纤维增强合金纤维增强合金 E E/ / 非常高非常高, ,但价格昂贵。但价格昂贵。 如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其 E E/ / 比分别达到比分别达到11.41011.410 7 7 和和8.9108.910 7 7 。 4. 4. 陶瓷陶瓷 脆性大。脆性大。 5 5纤维增强复合材料纤维增强复合材料 E E/ / 高，易老化、蠕变、高温热膨胀高，易老化、蠕变、高温热膨胀/ /金金 属件连属件连 接困难等问题。重量轻，刚度大，大阻尼。接困难等问题。重量轻，刚度大，大阻尼。 6 6粘弹性大阻尼材料粘弹性大阻尼材料 吉
7、林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻 尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结 果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为 0.30mm0.30mm，处理后为，处理后为0.16mm0.16mm；残余振动时间在阻；残余振动时间在阻 尼处理前后分别为尼处理前后分别为0.9s0.9s和和0.5s0.5s。 5.2 5.2 机身及臂部结构机身及臂部结构 5.2.1 5.2.1 机器人机身结构的基本形式和特点机器人机身结构的基本形式和特点 一、机身的典型结构一、机身的典型结
8、构 机身结构一般由机器人总体设计确定。机身结构一般由机器人总体设计确定。 1 1回转与升降机身回转与升降机身 (1) (1) 油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。升油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。升 降活塞杆杆的尺寸要加大。降活塞杆杆的尺寸要加大。 (2) (2) 油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，回油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，回 转油缸的驱动力矩要设计得大一些。转油缸的驱动力矩要设计得大一些。 (3) (3) 链轮传动机构。回转角度可大于链轮传动机构。回转角度可大于360360。 链条链轮传动实现机身回转的原理图链条链轮传动实现机身回转的原理图 2 2回转与俯仰机身回转
9、与俯仰机身 回转与俯仰机身回转与俯仰机身 1. 1.垂直升降运垂直升降运动驱动动驱动动驱动动驱动 力力 的的计计计计算算 摩擦力摩擦力/ /总总总总重力重力/ /惯惯惯惯性力性力: : 为为为为启启动时动时动时动时 的的总惯总惯总惯总惯 性力性力(N)(N)； 为为为为运运动动动动部件的部件的总总总总重力重力(N)(N) 。 为各支承处的摩擦力为各支承处的摩擦力(N)(N)； 二、机身驱动力二、机身驱动力( (力矩力矩) )计算计算 2. 2.回转运动驱动力矩的计算回转运动驱动力矩的计算 为总摩擦阻力矩为总摩擦阻力矩( (Nm)Nm)； 为回转运动部件的总惯性力矩为回转运动部件的总惯性力矩 (
10、Nm)(Nm) 3. 3.升降立柱下降不卡死升降立柱下降不卡死( (不自锁不自锁) )的条件计算的条件计算 三、机身设计要注意的问题三、机身设计要注意的问题 (1) (1) 刚度和强度大，稳定性好。刚度和强度大，稳定性好。 (2) (2) 运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。 (3) (3) 驱动方式适宜。驱动方式适宜。 (4) (4) 结构布置合理。结构布置合理。 5.2.2 5.2.2 机器人臂部结构的基本形式和特点机器人臂部结构的基本形式和特点 大臂、小臂大臂、小臂( (或多臂或多臂) )，主要有液压驱动、气动驱动，主要有液压驱动、气动驱动 和电动驱动（最
11、为通用）。和电动驱动（最为通用）。 一、臂部的典型机构一、臂部的典型机构 1 1臂部伸缩机构臂部伸缩机构 四导向柱式臂部伸缩机构四导向柱式臂部伸缩机构 1 1手部；手部；2 2夹紧夹紧夹紧夹紧 缸；缸；3 3油缸；油缸；4 4导导导导向柱；向柱；5 5运行架；运行架；6 6行走行走车轮车轮车轮车轮 ；7 7轨轨轨轨 道；道；8 8支座支座 2 2手臂俯仰运动机构手臂俯仰运动机构 通常采用通常采用摆摆摆摆臂油臂油( (气气) )缸缸驱驱驱驱 动动动动、铰链连铰链连铰链连铰链连 杆机构杆机构传动传动传动传动 实现实现实现实现 手臂的俯仰。手臂的俯仰。 1 1手部；手部； 2 2夹紧夹紧夹紧夹紧 缸
12、；缸； 3 3升降缸；升降缸； 4 4小臂；小臂； 5 5、7 7摆动摆动摆动摆动 油缸；油缸； 6 6大臂；大臂； 8 8立柱立柱 3 3手臂回转与升降机构手臂回转与升降机构 常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程 短而回转角度小于短而回转角度小于360360的情况的情况; ; 也有采用升降缸与气动马达也有采用升降缸与气动马达- -锥齿轮传动的结构。锥齿轮传动的结构。 三、臂部设计需注意的问题三、臂部设计需注意的问题 (1)(1)承载能力足。承载能力足。 (2)(2) 刚度高。刚度高。 (3)(3)导向性能好。导向性能好。 (4)(4)重量轻
13、、转动惯量小。重量轻、转动惯量小。 (5)(5)合理设计与腕和机身的连接部位。合理设计与腕和机身的连接部位。 5.2.3 5.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法机器人的平稳性和臂杆平衡方法 一、质量平衡方法一、质量平衡方法 若满足若满足 则总力矩：则总力矩： 二、弹簧平衡方法二、弹簧平衡方法 三、气动和液压平衡方法三、气动和液压平衡方法 气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似 优点优点: : 1)1)平衡缸中的压力是恒定的；平衡缸中的压力是恒定的； 2)2)同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制. . 缺点：缺点
14、： 1 1）需要动力源和储能器，系统比较复杂）需要动力源和储能器，系统比较复杂 2 2）需考虑动力源一旦中断时的防范措施。）需考虑动力源一旦中断时的防范措施。 5.3 5.3 腕部及手部结构腕部及手部结构 5.3.1 5.3.1 机器人腕部结构的基本形式和特点机器人腕部结构的基本形式和特点 驱动方式：远程驱动和直接驱动。驱动方式：远程驱动和直接驱动。 直接驱动：驱动器安装在手腕运动关节的附近直接驱动：驱动器安装在手腕运动关节的附近 传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大 。 远程驱动：驱动器安装在机器人的大臂、基座或小远程驱动：驱动器安装在机器
15、人的大臂、基座或小 臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕 部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传 动刚度也降低了。动刚度也降低了。 滚转和弯转滚转和弯转 滚转：能实现滚转：能实现360360无障碍旋转的关节运动，通常用无障碍旋转的关节运动，通常用R R来来 标记。标记。 弯转：转动角度一般小于弯转：转动角度一般小于360360。弯转通常用。弯转通常用B B来标记。来标记。 一、腕部的自由度一、腕部的自由度 手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由 度手腕和三自由度手腕。度手腕和三自由度手腕。 6 6种三自由度手腕的结合方式示意图种三自由度手腕的结合方式示意图 二、二、RRRRRR型手腕型手腕 1. 1. RRR RRR型手腕结构示意型手腕结构示意 制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。 RRRRRR型手腕关节远程传动示意图型手腕关节远程传动示意图 三、腕部的典型结构三、腕部的典型结构 1. 1.单自由度回转运动手腕单自由度回转运动手腕 回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构回转油缸直接驱动的单自由
