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例:六自由度轻型机械臂的设计 机械臂的设计指标: 构型设计原则 自由度为主,兼顾复杂程度、刚度及控制难度 关节运动范围尽可能大 关节无奇异 工作空间无死区,至少6自由度 构型合理,驱动、传动布置 模块化 几何构型 考虑运动学逆解的存在性:1) 三个相邻关节轴线交于一点,2)三个相邻关节轴线相互平行 6自由度轻型臂构型 传动方案设计 集成化设计 驱动、传动、传感、控制 集成化设计 电气及传感器 应用:并联机器人(六自由度摇摆台) * 手指关节的设计 手指主要用于抓握动作,要求动作灵活,刚度好,具有较大的抓握力。就其手的结构而言,传动机构有三种方式: 1) 腱传动,特点是结构简单,节省空间,具有很高的抗拉强度和很轻的重量,但刚性差,较大的弹性,不利于控制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是这种方式。 2) 齿轮传动,特点是传动比可靠,但是摩擦较大,有回程间隙,占用空间大。 3) 连杆传动,刚度好,加工制造比较简单,高精度,能实现多种运动规律和轨迹的要求。但是设计复杂,不能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如Belgrade手,NASA手等。 4)欠驱动手指关节,可简化机械结构及控制,但需要满足一定的力学条件。 * 并联机构在1965年由Stewart提出.原是作为飞行模拟器用于训练飞行员的。机舱由6个液压缸支撑和驱动,可以使机舱获得任何需要的位姿。 在串联机器人发展方兴未艾时,澳大利亚著名机构学教授 Hunt 在1978年提出。可以应用6自由度的Stewart平台机构作为机器人机构。到80年代中期,国际上研究并联机器人的人还寥寥无几。到80年代末特别是90年代以来,并联式机器人才被广为主意,并成为了新的热点。 2.6 并联机器人机构 * * * * 3—RPS机构 6—RSS机构 6—SPS机构 6—SPS双三角机构 * 6—RSS机构 6—PSS机构 6—SPS单三角机构 3—RRR球面机构 * 2.7 移动机器人机构 移动功能的机器人可认为是人类行走功能的模拟和扩展。 移动机器人多是针对陆上表面环境的。其机构形式主要有: (1)车轮式移动机构; (2)履带式移动机构; (3)腿足式移动机构。 此外,近有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合。 * 2.7.1 轮式移动机构 轮式移动机构依据车轮的数目分为1轮、2轮、3轮、4轮、5轮、6轮以及多轮机构。 轮式移动系统机构简单,质量轻,功耗小,控制方便,运动灵活。缺点是其越野能力较差,但可以通过选择合适的悬架系统来提高其地形适应能力。 悬架系统分为被动适应型(自适应)、主动适应型和混合适应型三类。 * * * * * 车轮类型: * 转向方式: (Ackerman 转向) * (全方位转向) (差动转向) * 麦克纳姆轮 轮系机构: * 履带式移动机构是轮式移动机构的拓展,履带本身起着给车轮连续铺路的作用,着地面积较大,压强较小,与路面的粘着力较强,能在不平和松软的路面上稳定移动,具有很强的越野能力,控制也简单。但功耗较大,运动灵活性差。 2.7.2 履带式移动机构 * 履带形式 * 越障 上、下台阶 关节履带 * 履带张紧机构 2.7.3 腿足式移动机构 腿足式移动系统的特点是落足点为几个离散的位置点,能够自主选择有利的落足点,具有出色的地形适应能力 ;此外,能够自主隔振,保证系统沿平滑预定的轨迹运行 其机械结构和控制系统复杂,系统可靠性低;在松软沙地行走时,抗沉陷性较差,效率较低,功耗也大。 日本双足机器人载重100kg 美国big dog 腿足结构形式 两足 多足 稳定性问题—— 零力矩点(ZMP):机器人重力与惯性力合力的延长线与机器人支撑面的交点。 步态问题—— 步态规划: * 2.7.4 轮腿式移动机构 * 2.6 机器人本体的材料 制作机器人的材料是多种多样的。选择制作材料时,主要考虑以下几个方面: 1)材料要能满足机器人的强度和刚度要求; 2)材料的加工工艺性好; 3)材料的稳定性好; 4)材料的密度尽量小; 5)材料的成本尽可能低; 6)机器人的用途。 此外,对于一些特殊环境下的机器人,还要考虑环境对材料性能的要求和影响。 * 原材料 实用性 成本 强度 切割性 稳定性 抗震性 密度 木材 优 优 良 良 良 良 小 胶合板 优 良 良 中等 中等 优 较小 钢材 良 良 优 较差 优 优 大 铝(合金) 良 中等 良 中等 优 中等 较大 碎
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