工业机器人43_臂部手腕设计.ppt

　　工业机器人的臂部一般具有2～3个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部总重量较大，受力一般较复杂，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。 一、臂部设计的基本要求 　　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。同时,设计时必须考虑到手臂的受力情况、油(气)缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 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。 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，所以要设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 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。 　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。 二、手臂的常用结构 　　1.手臂直线运动机构 　　机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油(气)缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞油(气)缸的体积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用比较多。 　　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、活塞缸和连杆机构等。 　　 　　下图所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图。手臂的上下摆动由饺接活塞由缸和连杆机构来实现。当活塞油缸1的两腔通压力油时，通过连杆2带动曲柄3(即手臂)绕轴心 O 作　　的上下摆动(如双点划线所示位置)。手臂下摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调节。此手臂结构具有传动结构简单、紧凑和轻巧等特点。 三、臂部运动驱动力计算 一、概述 工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一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。 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的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度，如下图所示。 　 　腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具有两个自由度：翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移动自由度。 　　 因为手腕是安装在手臂的末端，所以手腕的大小和重量是手腕设计时要考虑的关键问题，希望能采用紧凑的结构，合理的自由度。 　　 　　　 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[图(a)]；也可以由两个B关节组成BB手腕[图(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[图(c)］． 　　(3)三自由度手腕，如图所示。三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式。此外，B关节和R关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，也产生了其它形式的三自由度手腕。为了使手腕结构紧凑，通常把两个B关节安装在一个十字接头上，这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸。 　2.按驱动方式分类 　　(1)直接驱动手腕。 手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑，可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、M2 、M3是液压马达,直接驱动手腕的偏转、俯仰和翻转三个自由度轴。这种直接驱动手腕的关键是能否选到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电机或液压驱动马达。 　　(2)远距离传动手腕，图中所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使手腕获得俯仰运动，即第二个B关节运动。I轴的转动即第三个R关节运动。当c轴一离开纸平面后，RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处，有时放在手臂的后端作平衡重量用，不仅减轻手腕的整体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。 此种传动机构的结构紧凑、轻巧、传动