第2章机器人机械系统2概要课件.ppt
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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)
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