機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)
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機(jī)器人的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)
機(jī)械臂結(jié)構(gòu) 一、臂部設(shè)計的基本要求 1承載能力足 n手臂是支承手腕的部件,設(shè)計時不僅要考慮抓取物體的重量或攜帶工具的重量,還要考慮運(yùn)動時的動載荷及轉(zhuǎn)動慣性。 2剛度高n為了防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形,手臂的截面形狀要合理選擇。截面的彎曲剛度一般比圓截面大,空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多。 工字鋼(GB706-88):1、工字鋼的型號與高度尺寸h有關(guān),如:10號工字鋼即指其高度尺寸為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計手冊。3、工字鋼的長度按長度系列購買。如:519m。 槽鋼(GB707-88)1、槽鋼的型號與高度尺寸h有關(guān),如:10號槽鋼即指其高度尺為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計手冊。3、鋼結(jié)構(gòu) 3、導(dǎo)向性能好,定位精度高n為防止手臂在直線運(yùn)動中,沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置。同時要采用一定形式的緩沖措施。 4重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小n為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度,要盡量減少臂部運(yùn)動部分的重量,以減少整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 5合理設(shè)計與腕部和機(jī)身的連接部位n臂部的安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力,而且還直接影響到機(jī)器人的外觀。 二、機(jī)械臂的運(yùn)動形式 1直角坐標(biāo)型n臂部由三個相互正交的移動副組成。帶動腕部分別沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的方向作直線移動。結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)動位置精度高。但所占空間較大,工作范圍相對較小。 2圓柱坐標(biāo)型n臂部由一個轉(zhuǎn)動副和兩個移動副組成。相對來說,所占空間較小,工作范圍較大,應(yīng)用較廣泛。 3關(guān)節(jié)型n由動力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和前、下兩臂組成。關(guān)節(jié)型機(jī)器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運(yùn)動坐標(biāo)。動作靈活,所占空間小,工作范圍大,能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。 4極坐標(biāo)型n臂部由兩個轉(zhuǎn)動副和一個移動副組成。產(chǎn)生沿手臂軸X的直線移動,繞基座軸Y的轉(zhuǎn)動和繞關(guān)節(jié)軸Z的擺動。其手臂可作繞Z軸的俯仰運(yùn)動,能抓取地面上的物體。 三、典型機(jī)械臂結(jié)構(gòu) 1手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)n常見方式: n行程小時:采用油缸或氣缸直接驅(qū)動;n當(dāng)行程較大時:可采用或氣缸驅(qū)動齒條傳動的倍增機(jī)構(gòu)或采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動,并通過絲桿螺母來轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。n典型結(jié)構(gòu): n油缸驅(qū)動的手臂結(jié)構(gòu)n電機(jī)驅(qū)動的絲桿螺母結(jié)構(gòu) 油缸齒條機(jī)構(gòu)圖例: 油缸驅(qū)動的手臂伸縮運(yùn)動結(jié)構(gòu)圖例:四根導(dǎo)向柱的臂部伸縮機(jī)構(gòu): 手臂的垂直伸縮運(yùn)動由油缸3驅(qū)動。特點(diǎn):工作行程長,抓重大,適合于抓舉工 件形狀不規(guī)則、有偏轉(zhuǎn)力矩的場合。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 電機(jī)驅(qū)動絲桿螺母直線運(yùn)動結(jié)構(gòu)圖例: 2手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu) n常見方式: n常見的有齒輪傳動機(jī)構(gòu),鏈輪傳動機(jī)構(gòu),活塞及連桿傳動機(jī)構(gòu)等。 n曲柄滑塊:n假設(shè)滑塊是主動件,當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動時,可以推動曲柄做擺動或圓周運(yùn)動。 n典型機(jī)構(gòu): n液壓缸連桿回轉(zhuǎn):n齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn): 平面四桿機(jī)構(gòu)圖例: 平面四桿機(jī)構(gòu)雙曲柄機(jī)構(gòu)雙搖桿機(jī)構(gòu) 平面四桿機(jī)構(gòu)演變圖例:曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 平面四桿機(jī)構(gòu)的的演變不僅要滿足運(yùn)動方面的要求,而且要滿足受力和結(jié)構(gòu)上的要求。 雙臂機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)圖例:1鉸接活塞缸2連桿 3手臂4支承架運(yùn)動特點(diǎn):手臂關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過液壓缸-連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。控制活塞的行程就控制了手臂擺角的大小。 齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖例: 3關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)(1)n存在的運(yùn)動型式: n機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;n肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的擺動;n腕關(guān)節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;n各運(yùn)動的協(xié)調(diào): 稱為5軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂運(yùn)動圖例(1):腰轉(zhuǎn)肩轉(zhuǎn)肘轉(zhuǎn)俯仰偏轉(zhuǎn) 腰轉(zhuǎn)姿態(tài) 五軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人手臂運(yùn)動圖例(2):肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)與手腕的協(xié)調(diào) 3關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)(2)n各運(yùn)動的實現(xiàn): n腕部的旋轉(zhuǎn):n電機(jī)M5減速器R5鏈輪副C5錐齒輪副G5旋轉(zhuǎn)運(yùn)動n5n腕部俯仰:n電機(jī)M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運(yùn)動n4n肘關(guān)節(jié)擺動: n電機(jī)M3兩級同步帶傳動B3、B3減速器R3肘關(guān)節(jié)擺動n3n肩關(guān)節(jié)的擺動:n電機(jī)M2同步帶傳動B2減速器R2肩關(guān)節(jié)擺動n2 關(guān)節(jié)型機(jī)器人傳動 系統(tǒng)圖: 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部旋轉(zhuǎn)局部圖:n電機(jī)M5減速器R5鏈輪 副C5錐齒輪副G5旋轉(zhuǎn)運(yùn)動n5 關(guān)節(jié)型機(jī)器人腕部俯仰局部圖:n電機(jī)M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運(yùn)動n4 關(guān)節(jié)型機(jī)器人肘關(guān)節(jié)局部圖:n電機(jī)M3兩級同步帶傳動B3、B3減速器R3肘關(guān)節(jié)擺動n3 關(guān)節(jié)型機(jī)器人肩關(guān)節(jié)局部圖例: n電機(jī)M2同步帶傳動B2減速器R2肩關(guān)節(jié)擺動n2 四、機(jī)械臂的控制 1、伺服系統(tǒng)的分類n液壓伺服系統(tǒng)n機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動通常由液壓伺服閥控制液壓缸實現(xiàn)。n電動伺服系統(tǒng)n機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動通常由步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)驅(qū)動。 伺服直線液壓缸圖例: 電動伺服控制系統(tǒng)圖例: 作業(yè):1、設(shè)計三種機(jī)器人小臂相對于大臂的直線運(yùn)動方案,動力源為電機(jī)驅(qū)動,用示意圖表達(dá)。2、畫出型號為20a的工字鋼的截面形狀,并標(biāo)注出有關(guān)幾何參數(shù)。3、解釋液壓伺服系統(tǒng)和電動伺服系統(tǒng)的組成及工作原理。