第2章机器人机械系统2概要课件.ppt

1、2 2.3.3 机身和臂部设计机身和臂部设计机器人的机械系统通常由机身机身（含基座）、臂部臂部（含手腕）和手部手部三大部分组成。基座：整个机械手的支持部分，是安装动力源、手臂等其它执行机构部件的支架，主要有固定式和移动式两种。该部件必须具有足够的刚度和稳定性。具有行走机构的工业机器人2 2.3.1.3.1 机身设计机身设计机身是支承臂部的部件，机座往往与机身做成一体。机身和臂部相连，机身支承臂部，臀部又支承腕部和手部。机身一般实现回转、升降和仰俯等运动，常有13个自由度。如图：关节型机器人，机身的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。是执行机构的关键部件，制造误差、运动精度和平稳

2、性，对机械手的定位精度有决定性的影响。回转与升降机身回转与升降机身回转运动在下，升降运动在上 链条链轮传动实现机身回转的原理图（a）单杆活塞气缸（b）双杆活塞气缸 回转与俯仰机身回转与俯仰机身机身设计时要注意下列问题机身设计时要注意下列问题 p 机身驱动力（力矩）计算（略）机身驱动力（力矩）计算（略）n要有足够的刚度、强度和稳定性；n运动要灵活，升降运动的导向套长度不宜过短，避免发生卡死现象；n驱动方式要适宜；n结构布置要合理。2 2.3.2.3.2 臂部设计臂部设计臂部：连接机身和腕部，通常由大臂和小臂组成，用以带动腕部作平面运动。一般具有2个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部的作用是引导手指

3、准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，影响定位的准确性。臂部设计要求：臂部设计要求：要求手臂应具有足够的承载能力和刚性；要求手臂应具有足够的承载能力和刚性；导向性要好导向性要好；质量和运动惯量要小质量和运动惯量要小；减小偏心力矩的方法：尽量减小臂部运动部分的质量；使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；采取“配重”的方法来减小和消除偏重力矩。运动要平稳、定位精度要高。运动要平稳、定位精度要高。影响因素：惯性冲击的影响；定位方法的影响；结构刚性的影响；控制及驱动系统的影响等。平衡机器人

4、手臂的重力矩优点如下：平衡机器人手臂的重力矩优点如下：n如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。n使驱动器基本上只需克服机器人运动时的惯性力，而忽略重力矩的影响。故可选用体积较小、功耗较小的驱动器。n免除了机器人手臂在自重下落下伤人的危险。n在伺服控制中因减少了负载变化的影响，因而可实现更精确的伺服控制。n 一般机器人操作机因1轴转塔旋转，故不要平衡，4、5、6轴的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3轴手臂的重力矩。1）配重平衡机构：此种机构原理如图2a所示。设手臂质量为m1，配重质量为m2，因关节中心在同一直线上，则不平衡力矩为 M1m1glcos 配重产生的力矩为 M2m2g

5、lcos 静力平衡条件为 M1M2 即 m1lm2l 这种平衡机构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了手臂的惯量和关节的负载，适用于不平衡力矩较小的情况。2）弹簧平衡机构：其原理如图2b所示，臂的不平衡力矩为 M1M11-M12mglcos-Ia式中 M11静不平衡力矩；M12惯性力矩；I手臂对关节轴的转动惯量；a臂运动平均加速度。弹簧产生的平衡力矩为 式中 k弹簧刚度；l弹簧在手臂上安装点到关节轴的距离；e弹簧另一端安装点到关节轴的距离；R弹簧自由长度。静力平衡条件为 M2M11 动力平衡条件为 M2M11+M12 这种平衡机构结构简单，平衡效果也较好，工作可靠，适用于中小负载，但

6、平衡范围较小。3）气缸平衡机构：这种平衡机构原理如图2c所示。手臂不平衡力矩为 M1M11+M12mglcos+Ia 汽缸产生的平衡力矩为 式中 F气缸活塞推力；其余参数同上。静力平衡条件为 M2M11 动力平衡条件为 M2M11+M12 气缸平衡机构多用在重载搬运和点焊机器人操作机上，液压的体积小，平衡力大；气动的具有很好的阻尼作用，但体积较大。臂部的常用结构臂部的常用结构利用齿轮齿条液压缸实现手臂作回转运动的结构 气压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结构。手臂的行程和速度均为活塞杆3的行程和速度的两倍。p L轴轴为肩关节：交流伺服电机-谐波齿轮减速器-大臂相对于腰部摆动大臂相对于腰部摆动。R

7、-U-L+S+L-U+R+S-S轴轴L轴轴U轴轴R轴轴B轴轴B+B-T轴轴T+T-pU轴轴为肘关节：交流伺服电机-RV摆线针轮传动减速器-小臂相对于大臂摆动。小臂相对于大臂摆动。p S轴轴为腰关节：交流伺服电机-RV摆线针轮传动减速器-机身回转机身回转运动运动。MOTOMAN-SV3X机器人的机身与臂部 MOTOMAN-YR-K6型机器人机座部分根据整个机器人本体所受全部重量和工作载荷，采用了回转机座的结构，实现了机器人本体的整体回转，作为一种特殊的手臂，采用高强度材料，保证了足够的刚度、强度和承载能力。而手臂部分根据其自由度数、运动形式、承受的载荷和运动精度要求，将小臂驱动电机和减速机安装在

8、大臂上，通过平行四连杆机构将运动和动力传递到小臂上。这种设计的优点是将小臂驱动安装在大臂下端，减轻了小臂重量,也就减轻了大臂负载重量，机器人的运动灵活性同时也得到提高，但是这种结构限制了机器人的工作范围。目前，主流的机器人本体已经采用开链结构，从而大大提高了机器人在空间运动的灵活性。该机器人机座、手臂部分通过加装缓冲和限位装置提高了定位精度，通过可靠的连接，保证了运动精确性和运动刚度，减少了机座与手臂间的运动误差（如图1）。图1 弧焊机器人 1回转机座；2、3交流伺服电机；4大臂；5连杆；6小臂 工作原理：一般交流伺服电机都串接减速器，制动器及编码器，以增大扭矩、提高位姿精度及控制性能。图1中

9、，回转机座1内的伺服电机驱动整个机座进行回转运动，使各手臂随机座回转，伺服电机3驱动大臂4进行前后摆动，伺服电机2直接驱动连杆5，根据四杆原理间接驱动小臂6进行俯仰运动。ABB的IRB4400 ABB的IRB 4600 采用优化设计，开链结构 n采用有限元、模态分析和仿真设计等现代设计方法；n采用新的高强度轻质材料，进一步提高机器人结构的负载/自重比，使机器人机构进一步紧凑，速度和范围指标进一步提高；n将并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，如德国KUKA公司的机器人；n机器人机构向模块化，可重构方向发展，伺服电机、减速器和检测系统三位一体化，形成关节模块，将关节模块和连杆模

10、块用重组的方式构造整机，从而实现机器人本体的模块化n采用RV减速器和交流伺服系统，使机器人本体几乎成为免维护系统机器人机械结构设计的发展方向机器人机械结构设计的发展方向2.4 2.4 腕部设计（腕部设计（Wrist DesignWrist Design）腕部用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态姿态。腕部一般应有23个DOF，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用独立传动。手腕的DOF 2.4.1 2.4.1 腕部的作用与腕部的作用与DOFDOF单自由度 2.4.2 手腕的分类手腕的分类 按自由度数目：可分为单自由度手腕，二自由度手腕，三自由度手腕。二自由度 三自由度（a）

11、BBR（c）BRR（d）RBR（b）RRR第一种(RBR型)结构应用最为广泛，它适应于各种工作场合，其他结构应用范围相对较窄，比如说3R型的手腕结构主要应用在喷涂行业等。PUMA 262型机器人的手腕采用了RRR结构形式，MOTOMAN SV3型机器人的手腕采用了RBR结构形式。仿人手腕应用的最多Euler腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后(J4，J5)，可将安装，可将安装腕关节上之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如腕关节上之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如Fig-所所示。示。RBR结构形式的手腕的特点三个

12、轴中心相交于一点，与 Euler角旋转的定义相同，角旋转的定义相同，又称为Euler腕关节。腕关节。經由特殊設定，可進一步將Owc_s 與Owc 點重合（Fig-8Fig-8）。如此，Fig-8 Fig-8 便形成理想尤拉型關節。以後計算手坐標(H 點)與腕坐標中心Owc(wrist center)關係可由下式表示。ShaftStopperBodyVane摆动油缸工作原理 手腕的几种结构手腕的几种结构(5-32)链条传动实现腕部运动腕部关节用到了两个谐波减速器,两个同步齿型带传动输入,中间还用到了一对锥齿轮副传动.p T轴的轴线与B轴垂直，由交流伺服电机-谐波齿轮减速器-法兰盘(末端执行器机械

13、接口单元)绕T轴转动。驱动电机直接安装在腕部。末端执行器通过法兰盘，安装在机械手末端。R-U-L+S+L-U+R+S-S轴轴L轴轴U轴轴R轴轴B轴轴B+B-T轴轴T+T-MOTOMAN-SV3X机器人的腕部结构R轴、B轴和T轴组成腕关节p R轴：小臂中心线为轴线，由交流伺服电机-齿形带-RV减速器-小臂绕R轴旋转。其中为了减小转动惯量，电机安装在肘关节处，即和L轴的电机交错安装。p B轴的轴线和R轴轴线垂直，由交流伺服电机-齿形带-谐波齿轮减速器-驱动腕关节作俯仰运动。交流伺服电机安装在小臂内部末端。机器人的手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其主要功能是当手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的

14、三个位置坐标后，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口，联接并支撑末端执行器。MOTOMAN-YR-K6型机器人手腕回转轴部分根据整个手腕所受载荷和结构的特点，采用了空心薄壁矩形框体的结构，提高了抗弯刚度和抗扭刚度，减轻了自身的重量。而摆动轴部分根据手腕处的负载和动作灵活性，采用分离传动，将伺服电机安置在手腕回转轴空心结构的内部，减少了自身的重量和体积。整个手腕部分选用高强度、轻质合金材料，提高了传动刚度，减小了转动惯量。由于整个手腕部分结构紧凑，减少了因间隙引起的运动误差，提高了手腕动作的精确性（如图2）。图2 具有三个旋转自由度（4，5，6轴）

15、的手腕结构 1、3、4伺服电机；2、5传动带；6、7谐波减速器；8手腕壳体；9、13回转轴；10带轮；11摆动轴；12圆锥齿轮 工作原理：伺服电机1通过装在手腕壳体8上的减速器2，带动回转轴9进行回转运动（4轴运动）；伺服电机3、4实现手腕回转，伺服电机4通过带轮，传动带5及减速器6，带动摆动轴11进行往复摆动，实现手腕摆动（5轴运动）；伺服电机3通过带轮10，传动带，圆锥齿轮12，减速器7，带动回转13进行回转运动，实现手腕扭转（6轴运动）。第1关节旋转轴（基座旋转轴）、第4关节旋转轴、第6关节旋转轴（手腕端部法兰安装盘的旋转中心）在同一个平面内；第2关节旋转轴、第3关节旋转轴以及第5关节旋

16、转轴互相平行，而且与前面提到的平面垂直；另外，还需要保证第4关节旋转轴线、第5关节旋转轴线以及第6关节旋转轴线相交于一点。总结：目前各大工业机器人厂商提供的6轴关节机器人结构从外观上看大同小异，相差不大，从本质上来说，其结构应该都是一致的，结构特点如下：采用该种结构的工业机器人可以使得其运动学算法最为简单可靠。设计的机器人要保证高的定位精度，就必须尽可能的满足上述条件，通过机械加工及装配精度来保证最终的机器人运行精度控制在一定范围内。如果机器人的结构与此差别较大的话，机器人的运动学算法就不能或很难用DH算法求出逆向运动学的封闭解，而得另辟蹊径，也许可以写出新的算法，但算法可能会较DH算法复杂，

17、运行效率不高，难以满足实际的生产应用的需求。对大多数非直接驱动的机器人而言，前面关节的运动会引起后面关节的附加运动，产生运动耦合效应。比如将六个轴的电动机均装在机器人的转塔内，通过链条、连杆或齿轮传动其他关节的设计，再比如同心的齿轮套传动腕部关节的设计，都会产生运动耦合效应。为了解耦，在编机器人运动学控制软件时，后面的关节要多转一个相应的转数来补偿。对一台六自由度的机器人来讲，如果从2、3轴之间开始就有运动耦合，且3、4、5、6轴之间都有运动耦合，那么3、4、5、6轴电动机就必须多转相应的转数（有时是正转，有时是反转，依结构而定），来消除运动耦合的影响，3轴要消除2轴的，4轴要消除2轴和3轴的

18、，依此类推，如果都要正转，到了6轴，电动机就必须有相当高的速度来消除那么多轴的影响，有时电动机的转速会不够，且有运动耦合关系的轴太多，机器人的运动学分析和控制就会很麻烦。故设计六自由度的交流伺服机器人，一般情况下，前4个轴的运动都设计成是相对独立的，而运动耦合只发生在4、5、6轴之间，即5轴的运动受到4轴运动的影响，6轴的运动受到4轴和5轴运动的影响。这样做，既能保证机械结构的紧凑，又不会使有耦合关系的轴大多。机器人运动的耦合分析机器人运动的耦合分析 2.5.1 手部的特点手部的特点手部是工业机器人直接与工件、工具等接触的部件。它能执行人手的部分功能。2 2.5.5 手部设计手部设计特点特点：

19、手部与手腕相连处可拆卸；手部是工业机器人末端操作器；手部的通用性比较差；手部是一个独立的部件。2.5.2 手部的分类手部的分类根据被抓取工件、工具等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面光洁度的不同，在工业生产中使用着各种形式的手部机构。p机械钳爪式p吸附式按照夹持原理磁力吸附式真空吸附式p 钳爪式手部结构钳爪式手部结构1.手指手指：直接与工件接触的部件。二手指、三手指、多手指。结构形状取决于被夹持工件的形状和特性。手指形状v平面指vV形指v尖指v特形指2 2.传动机构传动机构：向手指传递运动和动力、以实现夹紧和松开动作的机构。传动机构形式v 斜楔杠杆式v 滑槽杠杆式v 连杆杠杆式v 齿轮齿条杠杆式

20、斜楔杠杆式滑槽杠杆式连杆杠杆式齿轮齿条杠杆式1.磁力吸附式磁吸式手都是在手腕部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。p吸附式手部结构吸附式手部结构 电磁吸盘的工作原理 2.真空吸附式（真空吸附式（VacuumVacuum SuctionSuction）真空吸附式是利用橡胶皮腕或软性塑料腕中形成真空或负压而把工伴吸住的。对干一些薄片状工件，如薄铁片、矽钢片、板材、纸张、薄而易碎的玻璃器皿和弧形壳体零件等，适用于用气吸式吸盘对玻璃器皿及金属薄片等的抓取，效果更为明显。真空吸附的应用真空吸附技术的应用p真空源p吸盘真空吸附系统p真空泵p真空发生器真空泵的吸附系统真空发生器（拉法尔管）各种类型的吸盘纸张、薄板的吸附Insert into LoadPressurize and Lift三浦研究室动画The End谢谢！