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1、第4章 机器人本体基本结构,本体结构：机体结构和机械传动系统， 也是机器人的支承基础和执行机构。,4.1 概 述,4.1.1 机器人本体的基本结构形式一、机器人本体基本结构(1) 传动部件。(2) 机身及行走机构。(3) 臂部。(4) 腕部。(5) 手部。,机座,腰部,大臂,大臂,位置机构,姿态机构,上述操作机的分类是按位置机构的结构形式分的。,二、机器人本体基本结构的举例,1个腰关节,1个肩关节,1个肘关节,3个腕关节,关节:工业机器人的运动副。,本体基本结构的主要特点：(1)开式运动链：结构刚度不高 。(2) 相对机架：独立驱动器，运动灵活。(3) 扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度
2、都有较高的要求。(4) 动力学参数（力、刚度、动态性能）都是随位姿的变化而变化：易发生振动或出现其他不稳定现象。,本体基本结构要求：1）自重小：改善机器人操作的动态性能；2）静动态刚度高：提高定位精度和跟踪精度；增加机械系统设计的灵活性；减小定位时的超调量稳定时间，降低对控制系统的要求和系统造价；3）固有频率高：避开机器人的工作频率，有利于系统的稳定。,4.1.2 机器人本体材料的选择,一、材料选择的基本要求(1)强度高:减轻重量。(2)弹性模量大:刚度大。但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。普通碳结构钢：b= 420MPa， E =2.1105MPa高合金结构钢：b= 2000MPa， E
3、=2.1105MPa (3)密度小：重量轻。(4)阻尼大：减小稳定时间。(5) 经济性。,二、机器人常用材料简介1碳素结构钢和合金结构钢强度好；E大；应用最广泛。2铝、铝合金及其他轻合金材料重量轻，弹性模量E不大；E/之比仍可与钢材相比。稀贵铝合金：例如添加3.2(重量百分比)锂的铝合金，弹性模量增加了14，E/比增加了16。3. 纤维增强合金E/非常高,但价格昂贵。如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达到11.4107和8.9107 。,4. 陶瓷脆性大。5纤维增强复合材料E/高，易老化、蠕变、高温热膨胀/金 属件连接困难等问题。重量轻，刚度大，大阻尼。6粘弹性大阻尼材料吉
4、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,4.2.1 机器人机身结构的基本形式和特点,一、机身的典型结构机身结构一般由机器人总体设计确定。1回转与升降机身(1) 油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。升降活塞杆杆的尺寸要加大。(2) 油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。,(3) 链轮传动机构。回转角度可大于360。,链条链轮传动实现机身回转的原理图,2回转与俯仰机身
5、,回转与俯仰机身,1.垂直升降运动驱动力 的计算摩擦力/总重力/惯性力:,为启动时的总惯性力(N)；,为运动部件的总重力(N) 。,为各支承处的摩擦力(N)；,二、机身驱动力(力矩)计算,2.回转运动驱动力矩的计算,为总摩擦阻力矩(Nm)；,为回转运动部件的总惯性力矩 (Nm),3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算,三、机身设计要注意的问题(1) 刚度和强度大，稳定性好。(2) 运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。(3) 驱动方式适宜。(4) 结构布置合理。,4.2.2 机器人臂部结构的基本形式和特点,大臂、小臂(或多臂)，主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动（最为通用）。 一、臂部的典型机
6、构1臂部伸缩机构,四导向柱式臂部伸缩机构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,通常采用摆臂油(气)缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰。,1手部；2夹紧缸；3升降缸；4小臂；5、7摆动油缸；6大臂；8立柱,3手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360的情况;也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。,三、臂部设计需注意的问题承载能力足。 刚度高。导向性能好。重量轻、转动惯量小。合理设计与腕和机身的连接部位。,4.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法,一、质量平衡方法,若满足,则总力矩：,二、弹
7、簧平衡方法,三、气动和液压平衡方法气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似优点:1)平衡缸中的压力是恒定的；2)同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制.缺点：1）需要动力源和储能器，系统比较复杂2）需考虑动力源一旦中断时的防范措施。,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,驱动方式：远程驱动和直接驱动。 直接驱动：驱动器安装在手腕运动关节的附近 传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大。 远程驱动：驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传动刚度也降低了。,滚转和弯转滚转：能
8、实现360无障碍旋转的关节运动，通常用R来标记。弯转：转动角度一般小于360。弯转通常用B来标记。,一、腕部的自由度,手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。,6种三自由度手腕的结合方式示意图,二、RRR型手腕,1. RRR型手腕结构示意,制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。,RRR型手腕关节远程传动示意图,三、腕部的典型结构,1.单自由度回转运动手腕,回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构1回转油缸；2定片；3腕回转轴；4动片；5手腕,2.齿轮传动二自由度腕部,齿轮传动回转和俯仰型腕部原理,1手腕；2中心轴；3固定中心轴；4定片；5摆动回转油缸；6动片；7回转
9、轴；8回转油缸,具有回转与摆动的二自由度腕部结构,3三自由度手腕,1) 液压直接驱动三自由度手腕,2) 齿轮链轮传动三自由度腕部,齿轮链轮传动三自由度手腕原理图1油缸；2链轮；3、4锥齿轮；5、6花键轴T；7传动轴S；8腕架；9行星架；10、11、22、24圆柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20锥齿轮；19摆动轴；21、23双联圆柱齿轮；25传动轴B,4.3.2 机器人手部结构的基本形式和特点,一、机器人手部的特点(1) 手部与手腕相连处可拆卸。(2) 手部是机器人末端执行器。(3) 手部的通用性比较差。 (4) 手部是一个独立的部件。,二、手部的分类,2) 工具,1) 手爪
10、,1按用途分,2按夹持原理分,3按手指或吸盘数目分(1) 按手指数目可分为二指手爪及多指手爪。(2) 按手指关节可分为单关节手指手爪及多关节手指手爪。(3) 吸盘式手爪按吸盘数目可分为单吸盘式手爪及多吸盘式手爪。,柔性手指手爪,三指手爪,4按智能化分(1) 普通式手爪。这类手爪不具备传感器。(2) 智能化手爪。这类手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等。,三、手爪设计和选用的要求1.被抓握的对象物1) 几何参数(1) 工件尺寸。(2) 可能给予抓握表面的数目。(3) 可能给予抓握表面的位置和方向。 (4) 夹持表面之间的距离。(5) 夹持表面的几何形状。2) 机械特性(
11、1) 质量。(2) 材料。(3) 固有稳定性。(4) 表面质量和品质。(5) 表面状态。(6) 工件温度。2.物料馈送器或储存装置3.机器人作业顺序4.手爪和机器人匹配5.环境条件,四、手爪的典型结构1机械手爪,气动手爪 1扇形齿轮；2齿条；3活塞；4气缸；5爪钳,V形爪钳,四种手爪传动机构,2磁力吸盘,电磁吸盘结构l电磁吸盘；2防尘盖；3线圈；4外壳体,3真空式吸盘,1电动机；2真空泵；3、4电磁阀；5吸盘；6通大气,气流负压吸盘,1吸盘架；2压盖；3密封垫；4吸盘；5工件,挤气负压吸盘,工作原理,自适应吸盘,异形吸盘,4真空吸盘的新设计,2）轴承,2移动关节(1) 按滚动体分类球、圆柱滚子
12、和滚针。(2) 按轨道分类圆轴式、平面式和滚道式。(3) 按滚动体是否循环分类循环式、非循环式。,二、机器人传动机构,1齿轮传动常用行星齿轮传动机构和谐波传动机构。最优传动比。,Ja为工作臂的惯性矩； Jm 为电动机的惯性矩。,行星齿轮传动,1刚轮；2刚轮内齿圈；3输入轴；4谐波发生器；5轴；6柔轮；7柔轮齿圈,谐波传动,如果刚轮(圆形花键轮)1不转动,如果柔轮6静止,谐波传动的优点：尺寸小惯量低；误差均布在多个啮合点上传动精度高；加预载啮合传动侧隙非常小；多齿啮合传动具有高阻尼特性。谐波传动的缺点：柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；以2、4、6倍输入轴速度的啮合频率产生振动；谐波传动与行星传动相比
13、具有较小的传动间隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差,液压静压谐波发生器的谐波传动,1凸轮；2柔轮；3小孔,2丝杠传动,滚珠丝杠的基本组成1丝杠；2螺母；3滚珠；4导向槽,1电动机；2蜗杆；3臂架；4丝杠；5蜗轮；6箱体；7花键套,丝杠螺母传动的手臂升降机构,3带传动与链传动,4绳传动与钢带传动,ADEPT机器人,5连杆与凸轮传动,重复完成简单动作的搬运机器人中广泛采用连杆与凸轮机构，例如，从某位置抓取物体放在另一位置上的作业。,凸轮机构,连杆机构,6流体传动,液压传动由液压泵、液压马达或液压缸组成，可得到高扭矩-惯性比。气压传动比其他传动运动精度差，但由于容易达到高速，多数用在完成简易作业
14、的搬运机器人上。液压、气压传动中，模块化和小型化的机构较易得到应用。,油缸和齿轮齿条手臂机构,气缸和齿轮齿条增倍手臂机构,1运动齿条；2齿轮；3活塞杆,三、传动件的定位和消隙,1传动件的定位,1) 电气开关定位,2) 机械挡块定位,利用机械插销定位的结构1节流阀；2圆盘；3插销；4定位油缸； 3) 伺服定位,3) 伺服定位,2传动件的消隙,1、2薄齿轮；3螺钉,消隙齿轮,柔性齿轮消隙,4.4.2 机器人行走机构结构的基本形式和特点,行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。,行走机构可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。,丝杠螺母驱动，整个机
15、器人沿丝杠纵向移动。也可采用类似起重机梁行走方式：主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓库中的材料搬运、材料堆垛和储运及大面积喷涂等。,一、固定轨迹可移动机器人,二、无固定轨迹式行走机器人,1对行走机器人的一般要求,1）移动,2）自行重新定位（可用计算机视觉系统定位),3）自身要平衡,4）有足够的强度和刚度。,2典型行走机构,1）具有三组轮子的轮系,2) 具有四组轮子的轮系,3) 两足步行式机器人,WHL-11 双足机器人,4) 四足、六足及多足步行式机器人,四足缩放式腿步行机器人的平面几何模型,4) 四足、六足及多足步行式机器人,六足缩放式腿步行机器人,5) 履带式行走机器人,装有转向机构的履带式机器人,容易上下台阶的履带式行走机器人,6) 其他行走机器人,爬壁机器人,车轮和脚混合式行走机器人,
