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机器人机械结构
第三章机器人机械结构
本章主要内容:
1.机器人末端执行器
2.机器人手腕
3.机器人手臂
4.机器人基座
5.机器人传动
重点和难点:
机器人的机械结构构成和分类
课后作业:
查阅工业机器人机械结构的常见零部件,论述其特点,图文并茂以小论文形式上交。
机器人机械结构的功能是实现机器人的运动机能,完成规定的各种操作,包
含手臂、手腕、手爪和行走机构等部分。
机器人的身躯”一般是粗大的基座,或
称机架。
机器人的手”则是多节杠杆机械一一机械手,用于搬运物品、装卸材料、组装零件等,或握住不同的工具,完成不同的工作,如让机械手握住焊枪,可进行焊接;握住喷枪,可进行喷漆。
使用机械手处理高温、有毒产品的时候,它比人手更能适应工作。
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1.机器人末端执行器
用在工业上的机器人的手一般称之为末端操作器,它是机器人直接用于抓取和握紧专用工具进行操作的部件。
它具有模仿人手动作的功能,并安装于机器人手臂的前端。
机械手能根据电脑发出的命令执行相应的动作,不仅是一个执行命令的机构,它还应该具有识别的功能,也就是“感觉”。
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末端操作器是多种多样的,大致可分为以下几类:
(1)夹钳式取料手;
(2)吸附式取料手;
(3)专用操作器及转换器;
(4)仿生多指灵巧手。
(1)夹钳式取料手
夹钳式取料手由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成,如图所示。
它通过手指的开、合实现对物体的夹持。
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1)手指
手指是直接与工件接触的部件。
手部松开和夹紧工件,就是通过手指的张开与闭合来实现的。
机器人的手部一般有两个手指,也有三个、四个或五个手指,其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。
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2)传动机构
传动机构是向手指传递运动和动力,以实现夹紧和松开动作的机构。
该机构
根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。
回转型又分为单支点回转和多支
点回转。
根据手爪夹紧是摆动还是平动,又可分为摆动回转型和平动回转型。
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楔杠杆式手部。
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滑槽式杠杆回转型手部
双支点连杆式手部
齿条齿轮杠杆式手部
直线平移粮手部
四连杆机构平移型手部结构
(2)吸附式取料手
吸附式取料手靠吸附力取料,根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。
吸附式取料手适应于大平面、易碎(玻璃、磁盘)、微小的物体,因此使用面较广
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1)气吸附式取料手
气吸附式取料手与夹钳式取料手指相比,具有结构简单、重量轻、吸附力分布均匀等优点。
对于薄片状物体的搬运更具有其优越性(如板材、纸张、玻璃等
物体),广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。
但要求物体表面较平整光滑,无孔、无凹槽。
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2)挤压排气吸附式取料手
挤压排气吸附式取料手如图所示。
其工作原理为:
取料时吸盘压紧物体,橡胶吸盘变形,挤出腔内多余的空气,取料手上升,靠橡胶吸盘的恢复力形成负压,将物体吸住。
释放时,压下拉杆3,使吸盘腔与大气相连通而失去负压。
该取料手结构简单,但吸附力小,吸附状态不易长期保持。
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3)磁吸附式取料手
磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料,因此只能对铁磁物体起作用,但是对某些不允许有剩磁的零件禁止使用,所以磁吸附式取料手的
(3)专用操作器及转换器
1)专用末端操作器
机器人是一种通用性很强的自动化设备,可根据作业要求完成各种动作,再
配上各种专用的末端操作器后,就能完成各种动作。
如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人,安装拧螺母机则成为一台装配机器人。
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2)换接器或自动手爪更换装置
使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器,就需要配置具有快速装卸功能的换接器。
换接器由两部分组成:
换接器插座和换接器插头分别装在机器腕部和末端操作器上,能够实现机器人对末端操作器的快速自动更
(4)仿生多指灵巧手
1)柔性手
为了能对不同外形的物体实施抓取,并使物体表面受力比较均匀,因此研制
出了柔性手
2)多指灵巧手
机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。
如图所示,多指
灵巧手有多个手指,每个手指有3个回转关节,每一个关节的自由度都是独立控制的。
因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿,如拧螺钉、弹钢琴、作礼仪手势等动作。
在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器,将会使多指灵巧手达到更完美的程度。
多指灵巧手的应用前景十分广泛,可在各种极限环境下完成人无法实现的操作,如核工业领域、宇宙空间作业,在高温、高压、高真空
环境下作业等。
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2■机器人手腕
(1)概述
机器人手腕是在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件。
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手腕主要用来确定被抓物体的姿态,一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和
摆动关节组成。
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机器人的腕部是连接手部与臂部的部件,起支承手部的作用。
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般具有六个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态,手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。
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(2)手腕的分类
1)按自由度分
手腕按自由度数目来分,可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手
腕。
1单自由度手腕,如图所示,图(a是一种翻转(Roll)关节,它把手臂纵轴线
和手腕关节轴线构成共轴线形式,这种R关节旋转角度大,可达到360°以上。
图(b)、(c)是一种折曲(Bend)关节,关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。
这种B关节因为受到结构上的干涉,旋转角度小,大大限制了方向角。
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2二自由度手腕。
二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手
腕(a);也可以由两个B关节组成BB手腕(b)。
但是,不能由两个R关节组成
RR手腕,因为两个R关节共轴线,所以退化了一个自由度,实际只构成了单自
由度手腕(C)。
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3三自由度手腕
2)按驱动方式分
①油(气)缸驱动的腕部结构,直接用回转油(气)缸驱动实现腕部的回转
运动,具有结构紧凑、灵巧等优点。
图3.26所示的腕部结构,采用回转油缸实
现腕部的旋转运动。
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②机械传动的腕部结构,如图所示为具有三个自由度的机械传动腕部结构的传动图,是一个具有三根输入轴的差动轮系。
腕部旋转使得附加的腕部机构紧凑,质量轻。
从运动分析的角度看,这是一种比较理想的三自由度腕,这种腕部可使手的运动灵活,适应性广。
目前,它已成功地用于点焊、喷漆等通用机器人上。
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3■机器人手臂
手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。
因此,它不仅仅承
受被抓取工件的重量,而且承受末端执行器、手腕和手臂自身的重量。
手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影响机器人的工作性能,所以臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由
度、运动精度等因素来确定。
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手臂特性如下:
(1)刚度要求高,为防止臂部在运动过程中产生过大的变形,手臂的截面形
状要合理选择。
工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大;空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多,所以常用钢管作臂杆及导向杆,用工字钢和槽钢作支承板。
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(2)导向性要好,为防止手臂在直线运动中,沿运动轴线发生相对转动,或
设置导向装置,或设计方形、花键等形式的臂杆。
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(3)重量要轻,为提高机器人的运动速度,要尽量减小臂部运动部分的重量,以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。
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(4)运动要平稳、定位精度要高,由于臂部运动速度越高,惯性力引起的定位前的冲击也就越大,运动既不平稳,定位精度也不高。
因此,除了臂部设计上
要力求结构紧凑、重量轻外,同时要采用一定形式的缓冲措施。
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(1)手臂直线运动机构
机器人手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动均属于直线运动,而实现手臂往复直线运动的机构形式较多,常用的有活塞油(气)缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及活塞缸和连杆机构等。
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直线往复运动可采用液压或气压驱动的活塞油(气)缸。
由于活塞油(气)
缸的体积小、重量轻,因而在机器人手臂结构中应用比较多。
双导向杆手臂的伸缩结构如图3.29所示。
手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端。
当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时,则推动活塞杆2(即手臂)做往复直线移动;导向杆3在导向套4内移动,以防手臂伸缩式的转动(并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道)。
由于手臂的伸缩油缸安装在2根导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用,活塞杆只受拉压作用,故受力简单、传动平稳、外形整齐美观、结构紧凑。
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(2)手臂回转运动机构
实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用的有叶片式回转缸、
齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构。
下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮
齿条机构为例说明手臂的回转。
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(3)手臂俯仰运动机构
机器人的手臂俯仰运动,一般采用活塞油缸与连杆机构来实现。
手臂的俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方,其活塞杆和手臂用铰链连接,缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱联接。
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较接活塞缸实现手臂俯仰的结构示意图
「手臂:
2夹紧缸;3-升降缸『4-小劈;5,7-较接活塞缸;6-大臂;
8■立柱
(4)手臂复合运动机构
手臂的复合运动多数用于动作程序固定不变的专用机器人,它不仅使机器人的传动结构简单,而且可简化驱动系统和控制系统,并使机器人传动准确、工作可靠,因而在生产中应用的比较多。
除手臂实现复合运动外,手腕和手臂的运动亦能组成复合运动。
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手臂(或手腕)和手臂的复合运动,可以由动力部件(如活塞缸、回转缸、齿条活塞缸等)与常用机构(如凹槽机构、连杆机构、齿轮机构等)按照手臂的运动轨迹
(5)新型的蛇形机械手臂
目前普通工业机器人都能够达到0.1mm的重复精度,无论是直线运动,还是绕轴转动,甚至是要进行复杂的曲面移动,现在一般的工业机器人都能够很好的完成。
一方面得益于机械加工精度的日益提高,另一方面依靠了现代化的控制技术保证了机器人定位的精确。
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蛇型手臂一般具有高度柔性,可深入装配结构当中进行均匀涂层,从而增加生产率,适用于在飞机翼盒的组装探视工作及引擎组装中进行深度检测等。
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4■机器人基座
机器人机座是机器人的基础部分,起支承作用,可分为固定式和移动式两种。
一般工业机器人中的立柱式、机座式和屈伸式机器人大多是固定式的;但随着海洋科学、原子能工业及宇宙空间事业的发展,可以预见具有智能的、可移动机器人是今后机器人的发展方向。
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(1)固定式机器人
固定式机器人的机座既可直接联接在地面基础上,也可固定在机身上。
美国PUMA-262型的垂直多关节型机器人如图3.36所示,其基座主要包括立柱回转(第一关节)的二级齿轮减速传动,减速箱体即为基座。
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- 机器人 机械 结构
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