机器人机械结构PPT课件.ppt

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1、1 第2章 机器人的机械结构 2 1 机身和臂部 2 2 腕部和手部结构 2 3 传动部件设计 2 2 1 机身和臂部 一 机身和臂部的作用 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件 机身可以是固定的 也可以 是行走式的 手臂部件用来支承腕部 关节 和手部 包括工件和工具 并带动它们在空 间运动 3 二 机身和臂部设计应注意问题 1 刚度 抵抗变形的能力 1 合理选择截面形状和轮廓尺寸 封闭空心截面抗弯抗扭能力较 实心和开口截面大 工字钢的抗弯强度比园截面大 2 提高支承刚度和接触刚度 3 合理布置作用力的位置和方向 减小弯曲变形 2 精度 影响因素 装配精度 导向精度 刚度 耐磨性 3

2、平稳性 1 应结构紧凑 质量轻 减少惯性力 2 注意重心的位置 4 其他 传动链力求简短 元件布置合理紧凑 4 三 机身和臂部的配置形式 1 横梁式 机身设计成横梁式 用 于悬挂手臂 直移式运 动 占地面积小 能有 效的利用空间 1 单臂悬挂式 手臂可沿横梁移动 也 可上下伸缩 5 2 双臂悬挂式 a a 双臂平行布置 上料道与下料道分 别设在机床的两侧 双臂能同时动作 两臂同步沿横梁 移动 缩短辅助时 间 b 双臂交叉配置 两臂轴线交于机床 的中心 两臂交错 伸缩进行上下料 并同时沿横梁移动 c 双臂交叉配置 悬伸梁式 横梁长 度较a b短 双臂位 于横梁的同一侧 6 2 双臂悬挂式 b 双

3、臂回转型 双 臂交叉且绕同轴 回转 分别负责 上下料 主要是 盘状零件 只 需一个动力源 结构紧凑 动作 范围大 7 2 立柱式 1 单臂配置 固定的立柱上配置单个臂 一般臂部水平或倾斜安 装在立柱的顶部 右图为 立柱式浇注机器人 以平 行四边形铰接的四连杆机 构作为臂部 实现俯仰运 动 浇包始终铅垂 该装 置结构简单 稳定可靠 8 右图为铣端面 打中心孔机 床的上料机器人 臂架2带动 臂3绕机身立柱1回转 同时 通过行星齿轮使臂3绕臂架2的 轴线回转 手部夹持中心的轨 迹为一空间曲线 能迅速地将 工件从料架送到机床的夹具上 但惯性较大 适用于中小型工件 9 2 双臂配置 双臂同步升降和回 转

4、机器人 两臂互 成直角 当两臂下 降时 上料手在料 道上取料 下料手 从机床两顶尖取下 工件 两臂上升后 转900再下降 上料 手将毛坯放到顶尖 间 下料手放工件 双臂同步回转机 器人 两臂的伸 缩分别驱动用来 完成较大行程的 提升与转位工作 双臂对称布置 较平稳 双臂水平交叉配置 机器人 它通过两 臂同时升降 交错 伸缩 实现一手上 料 一手下料 10 双臂立柱式机器人 双臂 位于机身的前后两侧 可 同时绕立柱轴线回转和绕 水平轴作方向相反的俯仰 运动 11 3 机座式 1 12 机座式 2 可将几台机器围绕机器人 布置 该机器人负责传送 工件 13 4 屈伸式 大小臂在垂直于机床轴 线的平

5、面上运动 借助 腕部旋转900 把工件放 到机床顶尖间 大小臂回转平面垂直 14 1 升降回转 型机身结构 四 机身的结构形式 15 2 升降台式 活塞杆11带动 下移轴 8左右移动 通过连杆 使平台升降 16 2 俯仰式 4是回转油 缸 7是俯仰油 缸 17 3 直移型机身结构 直移型型机器人多为悬挂式的 其机身实际上就 是手臂的横梁 18 4 类人机器人机身 它没有直移型的升降 装置 而是靠腿部 和腰部的屈伸运动 实现升降 须有驱 动肩关节 腰关节 腿部的驱动装置 19 五 机械臂的典型结构 1 手臂直线运动的机构 常见方式 行程小时 采用油缸或气缸直接驱动 当行程较大时 可采用油缸或气缸

6、驱动齿条传动的 倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动 并通过 丝杆螺母来转换为直线运动 典型结构 电机驱动的丝杆螺母直线直线结构 20 电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例 21 2 手臂的回转运动机构 常见方式 常见的有齿轮传动机构 链轮传动机构 活 塞及连杆传动机构等 曲柄滑块机构机构 典型机构 液压缸 连杆回转机构机构 齿轮驱动回转机构机构 22 23 双臂机器人手臂结构图例 运动特点 手臂关节的回转运 动是通过液压缸 连 杆机构实现 控制 活塞的行程就控制 了手臂摆角的大小 1 铰接活塞缸 2 连杆 3 手臂 4 支承架 24 齿轮传动机构 1 25 齿轮传动机构 2 26 3 关节型机械

7、臂的结构 1 存在的运动型式 机身的旋转运动 肩关节和肘关节的摆动 腕关节的俯仰和旋转运动 5轴关节型机器人 27 五轴关节型机器人手臂运动图例 1 腰转 肩转 肘转 俯仰 偏转 腰转姿态 28 肩关节 肘关节与手腕的协调 五轴关节型机器人手臂运动图例 2 29 3 关节型机械臂的结构 2 各运动的实现 腕部的旋转 电机M5 减速器R5 链轮副C5 锥齿轮副G5 旋转运动 n5 腕部俯仰 电机M4 减速器R4 链轮副C4 俯仰运动n4 肘关节摆动 电机M3 两级同步带传动B3 B3 减速器R3 肘关节摆 动n3 肩关节的摆动 电机M2 同步带传动B2 减速器R2 肩关节摆动n2 30 关节型机

8、器人传动 系统图 腕部的旋转 腕部俯仰 肘关节摆动 肩关节的摆动 31 腕部旋转局部图例 n电机M5 减速器R5 链轮 副C5 锥齿轮副G5 旋转运动 n5 32 n电机M4 减速器R4 链轮 副C4 俯仰运动n4 腕部俯仰局部图例 33 电机M3 两级同步带 传动B3 B3 减速器 R3 肘关节摆动n3 肘关节局部图例 34 肩关节局部图例 n电机M2 同步带传 动B2 减速器R2 肩 关节摆动n2 35 2 2 腕部和手部结构 一 腕部 是臂部和手部的连接件 起支承手部和改变手部姿态 的作用 为了使手部能处于空间任意方向 要求腕部能实现对 空间三个坐标轴X Y Z的旋转运动 这便是腕部运

9、动的三个自由度 分别称为翻转R Roll 俯仰P Pitch 和偏转Y Yaw 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度 而是根据 实际使用的工作性能要求来确定 36 手腕自由度图例 腕部坐标系手腕的偏转 手腕的俯仰 手腕的回转 37 二 手腕的设计要求 结构紧凑 重量轻 动作灵活 平稳 定位精度高 强度 刚度高 与臂部及手部的连接部位的合理连接结构 传 感器和驱动装置的合理布局及安装等 38 三 手腕的分类 1 按自由度的数目分 1 单自由度手腕 手腕在空间可具有三个自由度 也可以具备以下单 一功能 单一的翻转功能 手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线 常回转角度不受结构限制 可以回转360 以上

10、该运动用 翻转关节 R关节 实现 单一的俯仰功能 手腕关节轴线与手臂及手的轴线相互垂 直 转角度受结构限制 通常小于360 该运动用折曲关 节 B关节 实现 单一的偏转功能 手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一 个方向上相互垂直 转角度受结构限制 通常小于360 该运动用折曲关节 B关节 实现 手腕 移动关节 Translation 39 R手腕 B手腕 B手腕 T手腕 单自由度手腕图例 40 1 按自由度的数目分 2 二自由度手腕 可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR 关节实现 或由两个B关节组成BB关节实现 但不能由两个RR关节构成二自由度手腕 因为两个R关节的功能是重复的 实际上 只起

11、到单自由度的作用 41 BR手腕 BB手腕 RR手腕 属于单自由度 二自由度手腕图例 42 1 按自由度的数目分 3 三自由度手腕 有R关节和B关节的组合构成的三自由度手 腕可以有多种型式 实现翻转 俯仰和偏转 功能 43 BBR手 腕 BBR手 腕 B 三自由度手腕图例 44 2 按手腕的驱动方式分 直接驱动手腕 驱动源直接装在手腕上 这种直接驱动手腕 的关键是能否设计和加工出尺寸小 重量轻 而驱动扭矩大 驱动性能好的驱动电机或液 压马达 远距离传动手腕 有时为了保证具有足够大的驱动力 驱动装 置又不能做得足够小 同时也为了减轻手腕 的重量 采用远距离的驱动方式 可以实现 三个自由度的运动

12、45 1 液压直接驱动BBR手腕图例 R B B 偏转 俯仰 回转 46 2 单回转腕部 结构示例 47 3 双回转油缸驱动手腕 结构特点 采用双回转油缸驱动 一个带动手腕作俯仰 运动 另一个油缸带动手腕作回转运动 V V视图表示的回转缸中动片带动回转油缸 的刚体 定片与固定中心轴联结实现俯仰运 动 L L视图表示回转缸中动片与回转中心 轴联结 定片与油缸缸体联结实现回转运动 48 双回转油缸驱动手腕图例 49 4 轮系驱动的二自由度BR手腕 结构特点 由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动 其 中手腕的回转运动由传动轴S传递 手腕的 俯仰运动由传动轴B传递 50 轮系驱动二自由度手腕图例 1 回

13、转运动 轴S旋转 锥齿轮 副Z1 Z2 锥齿轮 副Z3 Z4 手腕与 锥齿轮Z4为一体 手腕实现绕C轴的 旋转运动 俯仰 回转 51 轮系驱动二自由度手腕图例 2 俯仰运动 轴B旋转 锥齿轮副 Z5 Z6 轴A旋转 手腕壳体7与轴A固 联 手腕实现绕A轴 的俯仰运动 52 轮系驱动二自由度手腕图例 3 附加回转运动 轴S不转而B轴回转 锥 齿轮Z3不转 锥齿轮Z3 Z4相啮合 迫使Z4绕C轴 线有一个附加的自转 即 为附加回转运动 附加回转运动在实际使用 时应予以考虑 必要时应 加以利用或补偿 53 附加运动动作分解 轴主动 齿轮固 定不动 行星运动 54 5 轮系驱动的RBR手腕 结构特点

14、该机构为由齿轮 链轮传动实现的回转 俯 仰和360度回转运动的RBR手腕结构 55 轮系驱动三自由度手腕图例 1 回转运动 轴S旋转 齿轮副Z10 Z23 Z23 Z11 锥齿轮副 Z12 Z13 锥齿轮副Z14 Z15 手腕与锥齿轮 Z15为一体 手腕实现旋转运动 俯仰 回转 360度 回转 56 轮系驱动三自由度手腕图例 2 俯仰运动 轴B旋转 齿轮副Z24 Z21 Z21 Z22 齿轮副Z20 Z16 齿轮副Z16 Z17 齿轮副Z17 Z18 轴19旋 转 手腕壳体与轴19固联 实现手腕的俯仰运动 57 轮系驱动三自由度手腕图例 3 360度回转运动 油缸1中的活塞左右移动 带动链轮2

15、旋转 锥齿轮副 Z3 Z4 带动花键轴5 6旋转 花键轴6与行星架9连在 一起 带动行星架及手腕作360度回转运动 58 轮系驱动三自由度手腕图例 4 附加俯仰运动 轴B 轴S不转而T轴回转 齿轮Z23 Z21不转 当行星架 回转时 迫使齿轮Z22绕齿轮Z21的过程中自转 经过Z20 Z16 Z17 Z18实现附加俯仰运动 59 轮系驱动三自由度手腕图例 5 附加回转运动 轴B 轴S不转而T轴回转 齿轮Z23 Z21不转 当行星架 回转时 迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转 经过Z12 Z13 Z14 Z15实现附加回转运动 60 思考题 1 当B轴 T轴分别回转时 手腕存在哪些运动 为什

16、么 2 齿轮24 22所在的轴能否做成一体 为什么 3 齿轮17作的什么运动 俯仰运动轮系属于什么轮系 试分析其运 动 61 2 3 手部结构 一 手部的特点 手部是一个独立的部件 手部对整个机器人完 成任务的好坏起着关键的作用 它直接关系着 夹持工件时的定位精度 夹持力的大小等 1 手部与手腕相连处可拆卸 手部与手腕处有可拆卸的机械接口 根据夹持 对象的不同 手部结构会有差异 通常一个机 器人配有多个手部装置或工具 因此要求手部 与手腕处的接头具有通用性和互换性 62 手部可能还有一些电 气 液的接口 由于手 部的驱动方式不同造成 对这些部件的接口一 定要求具有互换性 2 手部是末端操作器 可以具有手指 也可 以不具有手指手指 可以有手爪 也可以是专用工 工 具具 3 手部的通用性比较差 工业机器人的手部 通常是专用装置 一种手爪往往只能抓住一种 或几种在形状 尺寸 重量等方面相近的工件 一种工具只能执行一种作业任务 63 二 手部的设计要求 应具有一定的开闭范围 从手指张开的极限位置到闭合夹紧时手指位置的变动量 开闭范围太小 影响通用性 回转 角度 平移 距离 具有足够的夹持力 N