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1、,第四講機器人手臂,引言, 手臂是機器人執(zhí)行機構中重要的部件, 作用是將被抓取的工件運送到給定的位置上。 一般機器人手臂有3個自由度, 即手臂的伸縮、 左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運動。手臂回轉(zhuǎn)和升降運動是通過機座的立柱實現(xiàn)的, 立柱的橫向移動即為手臂的橫移。 手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構和各種傳動機構來實現(xiàn), 它不僅僅承受被抓取工件的重量,而且承受末端 執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。 手臂的結構、 工作范圍、 靈活性、抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影響機器人的工作性能。 ,一、臂部設計的基本要求,,1承載能力足：,手臂是支承手腕的部件，設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

2、慮運動時的動載荷及轉(zhuǎn)動慣性。,2剛度高：,為了防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字型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，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的設計手冊。 3、工字鋼的長度按長度系列購買。如：519m。,,工字鋼,工字鋼也稱鋼梁，是截面為工字形的長條鋼材。其規(guī)格以腰高( h)*腿寬(b)*腰厚(d)的毫數(shù)表示，如“工160*88*6”，即表示腰高為160毫米，腿寬為88毫米，

3、腰厚為6毫米的工字鋼。工字鋼的規(guī)格也可用型號表示，型號表示腰高的厘米數(shù)，如工16#。,槽鋼（GB707-88）,1、槽鋼的型號與高度尺寸h有關，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的設計手冊。,,3、導向性能好，定位精度高：,為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，應設置導向裝置。同時要采用一定形式的緩沖措施。,4重量輕、轉(zhuǎn)動慣量?。?為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。,5合理設計與腕部和機身的連接部位：,臂部的安裝形式和位置不僅關系到機器人的強度、剛度和承載能力，

4、而且還直接影響到機器人的外觀。,二、機械臂分類,按手臂的結構形式區(qū)分, 手臂有單臂式、 雙臂式及懸掛式。,圖 1 手臂的結構形式 (a)、 (b) 單臂式; (c) 雙臂式； (d) 懸掛式,三、機械臂的運動形式,1直線運動型：手臂伸縮、升降、橫移 2、回轉(zhuǎn)運動型：手臂左右回轉(zhuǎn)、上下擺動（俯仰） 3、復合運動型：直線--回轉(zhuǎn)、直線--直線、回轉(zhuǎn)--回轉(zhuǎn),1手臂的直線運動機構,機器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動均屬于直線運動, 實現(xiàn)手臂往復直線活塞和連桿機構等運動的機構形式較多,常用的有活塞油(氣)缸,活塞缸和齒輪齒條機構, 絲杠螺母機構等。,1手臂直線運動機構,直線往復運動可采用液壓

5、或氣壓驅(qū)動的活塞油(氣)缸。 由于活塞油 (氣)缸的體積小,重量輕, 因而在機器人手臂結構中應用較多。,雙導向桿手臂的伸縮結構圖例：,手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端, 當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時, 則推動活塞桿2(即手臂)做往復直線移動。 導向桿3在導向套4內(nèi)移動,以防手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動(并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道)。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩根導向桿之間,由導向桿承受彎曲作用, 活塞桿只受拉壓作用, 故受力簡單,傳動平穩(wěn),外形整齊美觀, 結構緊湊。,圖 2.38：雙導向桿手臂的伸縮結構,2手臂的回轉(zhuǎn)運動機構,常見方式： 常見的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動

6、機構，鏈輪傳動機構，活塞及連桿傳動機構等。 曲柄滑塊機構： 假設滑塊是主動件，當滑塊沿一定的導軌移動時，可以推動曲柄做擺動或圓周運動。 典型機構： 液壓缸連桿回轉(zhuǎn)機構： 齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構：,,齒輪齒條機構圖例：,齒輪齒條機構是通過齒條的往復移動,帶動與手臂聯(lián)接的齒輪作往復回轉(zhuǎn), 即可實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。帶動齒條往復移動的活塞缸可以由壓力油或壓縮氣體驅(qū)動。圖2.39所示為手臂作升降和回轉(zhuǎn)運動的結構。,圖 2.39 手臂升降和回轉(zhuǎn)運動的結構,圖例1：平面四桿機構,平面四桿機構,雙曲柄機構,雙搖桿機構,,圖例2：平面四桿機構演變,曲柄滑塊機構,,圖2.40：雙臂機器人手臂結構,1鉸接活塞缸 2連桿

7、3手臂 4支承架 5、6 定位鑼釘,,,,,,,,,,,,,,運動特點： 手臂關節(jié)的回轉(zhuǎn)運動是通過液壓缸-連桿機構實現(xiàn)?？刂苹钊男谐叹涂刂屏耸直蹟[角的大小。,,雙臂機器人手臂結構圖,采用活塞缸和連桿機構的一種雙臂機器人手臂的結構圖, 手臂的上下擺動由鉸接活塞油缸和連桿機構來實現(xiàn)。 當鉸接活塞油缸1的兩腔通壓力油時, 通過連桿2帶動曲桿3(即手臂)繞軸心O做90的上下擺動(如雙點劃線所示位置)。 手臂下擺到水平位置時, 其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來調(diào)節(jié)。此手臂結構具有傳動結構簡單、湊緊和輕巧等特點。,絲桿螺母傳動手臂升降機構,P47 圖2.41,3手臂俯仰運動機構,機器人手

8、臂的俯仰運動一般采用活塞油(氣)缸與連桿機構聯(lián)用來實現(xiàn)。手臂的俯仰運動用的活塞缸位于手臂的下方, 其活塞桿和手臂用鉸鏈連接, 缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱聯(lián)接, 如圖2.42、圖2.43所示。此外,還有采用無桿活塞缸驅(qū)動齒輪齒條或四連桿機構實現(xiàn)手臂的俯仰運動。,圖 2.42 手臂俯仰驅(qū)動缸安置示意圖,圖 2.43鉸接活塞缸實現(xiàn)手臂俯仰運動結構示意圖,使用場合 實現(xiàn)方式,4手臂復合運動機構,4手臂復合運動機構,圖2.44 (a)所示為曲線凹槽機構手臂結構。 當活塞油缸1通入壓力油時, 推動銑有N型凹槽的活塞桿2右移, 由于銷軸6固定在前蓋3上, 因此, 滾套7在活塞桿的N形凹槽內(nèi)滾動,

9、 迫使活塞桿2既做移動又做回轉(zhuǎn)運動, 以實現(xiàn)手臂4的復合運動。 活塞桿2上的凹槽展開圖見圖2.44 (b)所示。其中, L1直線段為機器人取料過程; L曲線段為機器人送料回轉(zhuǎn)過程;L2直線段為機器人向卡盤內(nèi)送料過程。當機床扣盤夾緊工件后立即發(fā)出信號,使活塞桿反向運動,退至原位等待上料, 從而完成自動上料。,圖2.44用曲線凹槽機構實現(xiàn)手臂復合運動的結構,圖 2.45 (a) 用行星機構實現(xiàn)手臂和手腕同時回轉(zhuǎn)的結構手臂和手腕的結構圖; (b) 手臂的結構圖; (c) 手臂運動簡圖； (d) 手臂向量圖,5關節(jié)型機械臂的結構（1）,存在的運動型式： 機身的旋轉(zhuǎn)運動； 肩關節(jié)和肘關節(jié)的擺動； 腕關

10、節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)運動； 各運動的協(xié)調(diào)： 稱為5軸關節(jié)型機器人。,五軸關節(jié)型機器人手臂運動圖例（1）：,,,,,,,腰轉(zhuǎn),肩轉(zhuǎn),肘轉(zhuǎn),俯仰,偏轉(zhuǎn),,腰轉(zhuǎn)姿態(tài),五軸關節(jié)型機器人手臂運動圖例（2）：,肩關節(jié)、肘關節(jié)與手腕的協(xié)調(diào),5關節(jié)型機械臂的結構（2）,各運動的實現(xiàn)： 腕部的旋轉(zhuǎn)： 電機M5減速器R5鏈輪副C5錐齒輪副G5旋轉(zhuǎn)運動n5 腕部俯仰： 電機M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運動n4 肘關節(jié)擺動： 電機M3兩級同步帶傳動B3、B3減速器R3肘關節(jié)擺動n3 肩關節(jié)的擺動： 電機M2同步帶傳動B2減速器R2肩關節(jié)擺動n2,關節(jié)型機器人傳動 系統(tǒng)圖：,腕部旋轉(zhuǎn)局部圖例：,電機M5減速器R5鏈輪 副C5錐齒輪副G5旋轉(zhuǎn)運動n5,,,腕部俯仰局部圖例：,,,電機M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運動n4,肘關節(jié)局部圖例：,,,電機M3兩級同步帶傳動B3、B3減速器R3肘關節(jié)擺動n3,肩關節(jié)局部圖例：,,,電機M2同步帶傳動B2減速器R2肩關節(jié)擺動n2,