4 机器人本体基本结构课件.ppt

第4章 机器人本体基本结构;4.1 概 述;机座(即底部和腰部的固定支承)结构及腰部关节传动装置 ;进行机器人本体的运动学、动力学和其他相关分析时，一般将机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的开端安装有末端执行器(也简称为手部)。 组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类，一类是组成手臂的长连杆，也称臂杆，其产生主运动，是机器人的位置机构；另一类是组成手腕的短连杆，它实际上是一组位于臂杆端部的关节组，是机器人的姿态机构，确定了手部执行器在空间的方向。;机器人本体基本结构的特点主要可归纳为以下四点：;臂杆质量小有利于改善机器人操作的动态性能。 结构静、动态刚度高有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的跟踪精度。刚度高还可降低对控制系统的要求和系统造价。机器人具有较好的刚度还可以增加机械系统设计的灵活性，比如在选择传感器安装位置时，刚度高的结构允许传感器放在离执行器较远的位置上，减少了设计方面的限制。 尽可能提高机器人结构固有频率的目的在于避开机器人的工作频率。通常机器人的低阶固有频率为5～25Hz，以中等速度运动时，输入信号的脉冲延续时间约在0.05～1s，振荡频率相当于在1～20Hz，因而机械系统可能会因此激发振荡。提高机械系统的固有频率有利于系统的稳定。运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量机器人动力学性能好坏的重要指标。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从而提高机器人的使用性能。;机器人运动部分的材料质量应轻； 材料的刚度有要求，从减轻重量和抑制振动两方面考虑； 某些应用领域，机器人材料又应具备柔软和外表美观等特点； 正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。 ;一、材料选择的基本要求;二、机器人常用材料简介;4．陶瓷 陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。 5．纤维增强复合材料 这类材料具有极好的E/?比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀以及与金 属件连接困难等问题。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出 的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器 人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进 行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻 尼值。 6．粘弹性大阻尼材料 增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为±0.30mm，处理后为±0.16mm ；残余振动时间在阻尼处理前后分别为0.9s和0.5s。;4.2 机身及臂部结构;回转与升降机身;回转与俯仰机身;二、机身驱动力(力矩)计算;2．回转运动驱动力矩的计算;3．升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算;手臂在总重量W的作用下有一个偏重力矩，而立柱支承导套中有阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响。如果偏重力矩过大，使支承导套与立柱之间的摩擦力过大，出现卡滞现象，此时必须增大升降驱动力，相应的驱动及传动装置的结构庞大。如果依靠自重下降，立柱可能卡死在导套内而不能作下降运动，这就是自锁。故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。 ;三、机身设计要注意的问题;2.2 机器人臂部结构的基本形式和特点 ;1—手部；2—夹紧缸；3—油缸；4—导向柱；5—运行架；6—行走车轮；7—轨道；8—支座;2．手臂俯仰运动机构;3．手臂回转与升降机构;二、机器人手臂材料的选择 ;三、臂部设计需注意的问题;4.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法;;一、质量平衡方法;二、弹簧平衡方法;三、气动和液压平衡方法;4.3 腕部及手部结构;4.3.1 机器人腕部结构的基本形式和特点;一、腕部的自由度;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，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有些腕部为了满足特殊要求还有横向移动自由度。;二、RRR型手腕 ;三、腕部的典型结构;2．二自由度手腕;3．三自由度手腕;四、设计腕部时一般应注意的问题;4.3.2 机