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1、4-5手部设计一、概述 工业机器人的手部(Hand)也叫做末端操作器(End-effector)，它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。人的手有两种含义：第一种含义是医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种含义是把手掌和手指部分叫做手。工业机器人的手部接近于第二种含义。,工业机器人手部的特点：(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。(2)手都是工业机器人末端操作器。它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷
2、漆枪、焊接工具等。(3)手部的通用性比较差。工业机器人手部通常是专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。,(4)手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部(未端操作器)。手部对于整个工业机器人来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的坦l能化手爪的出现，增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性。有一种弹钢琴的表演机器人的手部已经与人手十分相近，具有多个多关节手指,一个手的自由度达到20余个，每个自由度独立驱动。目前工业机器人手部的自由度还比较少，把
3、具备足够驱动力量的多个驱动源和关节安装在紧凑的手部里是十分困难的。本节主要介绍和讨论手爪(Gripper)式手部的原理和设计，因为它具有一定的通用性。而喷漆枪、焊具之类的专用工具(Specialtooi)是行业性专业工具，不予介绍。,二、手部的分类1.按用途分(1)手爪。具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，释放工件。抓住在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件在手爪内必须具有可靠的定位，保持工件与手爪之间准确的相对位，以保证机器人后续作业的准确性。握持确保工件在搬运过程中或零件在装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。释放在指定点上除去手爪和工件之间的约束关系。图4-46所示
4、的手爪夹持圆柱工件，尽管夹紧力足够大，在工件和手爪接触面上有足够的摩擦力来支承工件重量，但是从运动学观点来看，约束条件是不够的，不能保证工件在手爪上的准确定位。(2)工具。是进行某种作业的专用工具，如喷漆枪，焊具等，如图4-47所示。,2.按夹持原理分图4-48所示为机械类、磁力类和真空类三种手爪的分类。机械类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。产生夹紧力的驱动源可以有气动、液动、电动和电磁四种。磁力类手爪主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸盘两种。真空类手爪是真空式吸盘，根据形成真空的原理可分为真空吸盘、气流负压吸盘、挤气负压吸盘三种。磁力手爪及真空手爪是无指手爪
5、。,3.按手指或吸盘数目分机械手爪可分为：二指手爪、多指手瓜。机械手爪按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪。吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。图4-49所示为一种三指手爪的外形图，每个手指是独立驱动的。这种三指手爪与二指手瓜相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体等不同形状的物体。图4-50所示为一种多关节柔性手指手爪，它的每个手指具有若干个被动式关节(PassivejointS)，每个关节不是独立驱动。在拉紧夹紧钢丝绳后柔性手指环抱住物体，因此这种柔性手指手爪对物体形状有一种适应性。但是，这种柔性手指并不同于各个关节独立驱动的多关节手指。4.按智能化分(1)普通式手爪。手
6、爪不具备传感器。(2)智能化手爪。手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器、滑觉传感器等，手爪与传感器集成成为智能化手爪(IntelligentGrippers)。,三、手爪设计和选用的要求,手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求，具体来说要在下面几个方面进行调查，提出设计参数和要求。1.被抓握的对象物手爪设计和选用首先要考虑的是什么样的工件要被抓握。因此,必须充分了解工件的几何形状、机械特性。,(1)几何参数有：工件尺寸可能给予抓握表面的数目可能给予抓握表面的位置和方向夹持表面之间的距离夹持表面的几何形状(2)机械特性有以下方面:质量材料固有稳定性表面质量和品质表面状态工件温度,2
7、.物料的馈送器或存储装置与机器人配合工作的零件馈送器或储存装置对手爪必需的最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求，同时，还应了解其它可能的不确定的因素对手爪工作的影响。3.机器人作业顺序一台机器人在齿轮箱装配作业中需要搬运齿轮和轴，并进行装配，虽然手部可以既抓握齿轮也可以夹持轴，但是，不同零件所需的夹紧力和爪钳张开距离是不同的，手部设计上要考虑到被夹持对象物的顺序。在必要的时候，可采用多指手爪，以增加手部作业的柔性。,4.手爪和机器人匹配 手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连接，手爪自重也增加了机械臂的载荷，这两个问题必须给予仔细考虑。手爪是可以更换的，手爪形式可以不同，但是与手腕的机
8、械接口必须相同，这就是接口匹配。手瓜自重不能太大，机器人能抓取工件的重量是机器人承载能力减去手爪重量。手爪自重要与机器人承载能力匹配。5.环境条件在作业区域内的环境状况很重要，比如高温、水、油等环境会影响手爪工作。一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件坯必须保证手爪的开合、驱动在高温环境中均能正常工作。,四、普通手爪设计1.机械式手爪设计(1)驱动。机械式手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。气动手爪目前得到广泛的应用，因为气动手爪有许多突出的优点：结构简单、成本低、容易维修，而且开合迅速，重量轻。其缺点是空气介质的可压缩性,使爪钳位置控制比较复杂。液压驱动手爪成本稍高一些。电
9、动手爪的优点是手指开合电机的控制与机器人控制可以共用一个系统,但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小、开合时间比它们长。电磁力手爪控制信号简单，但是夹紧的电磁力与爪钳行程有关，因此，只用在开合距离小的场合。,图4-51所示的是一种气动手爪，气缸4中压缩空气推动活塞3使连杆齿条2作往复运动，经扇形齿轮1带动平行四边形机构，使爪钳5平行地快速开合。,(2)传动。驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力。机械式手爪还常以传动机构来命名，如平行连杆式手爪(见图4-51)、齿轮齿条式手爪见图4-52(a)、拨杆杠杆式手爪见图4-52(b)、滑槽式手爪见图4-52(c)、重力式手爪见图4-52(d)等
10、。对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。如图4-51及图4-52(a)所示的平行连杆式手爪和齿轮齿条式手爪可保持爪钳平行运动，夹持宽度变化大。对夹紧力要求是爪钳开合度不同时夹紧力能保持不变。,(3)爪钳。爪钳是与工件直接接触的部分，它们的形状和材料对夹紧力有很大的影响。夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，对夹持工件来说更显得安全。图4-53所示是具有V形爪钳表面的手爪，有四条折线与工件相接触，形成力封闭形式的夹持状态，比图4-46所示的平面瓜钳夹持要安全可靠得多。,2.磁力吸盘设计磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。图4-54为电磁吸盘的结
11、构示意图。当线图通电的瞬时，由于空气间隙的存在，磁阻很大，线圆的电感和启动电流很大，这时产生磁性吸力将工件吸住，一旦断电后磁吸力消失将工件松开。若采用永久磁铁作为吸盘，则必须是强迫性取下工件。电磁吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件(如钢铁件)，吸不住有色金属和非金属材料的工件。磁力吸盘的缺点是被吸取工件有剩磁，吸盘上常会吸附一些铁屑，致使不能可靠地吸住工件，而且只适用于工件要求不高或有剩磁也无妨的场合。对于不准有剩磁的工件，如钟表零件及仪表零件，不能选用磁力吸盘，可用真空吸盘。另外钢、铁等磁性物质在温度为723以上时磁性就会消失，故高温条件下不宜使用磁力吸盘。,磁力吸盘要求工件表面清洁、平整、干燥
12、，以保证可靠地吸附。磁力吸盘的计算主要是电磁吸盘中电磁铁吸力的计算，铁芯截面积、线圈导线直径、线圈臣数等参数设计。要根据实际应用环境选择工作情况系数和安全系数。3.真空式吸盘设计真空式吸盘主要用在搬运体积大、重量轻的如像冰箱壳体、汽车壳体等零件；也广泛用在需要小心搬运的如显像管、平板玻璃等物件。真空式吸盘对工件表面要求平整光滑、干燥清洁、能气密根据真空产生的原理真空式吸盘可分为：(1)真空吸盘。图4-55所示为产生负压的真空吸盘控制系统。吸盘吸力在理论上决定于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内外压差，实际上与工件表面状态有十分密切的关系，它影响负压的泄露。真空泵的采用,能保证吸盘内持续产生负压，
13、所以这种吸盘比其它形式吸盘吸力大。,(2)气流负压吸盘。气流负压吸盘的工作原理如图4-56所示，压缩空气进入喷嘴后利用伯努利效应使橡胶皮腕内产生负压。在工厂一般都有空压机站或空压机，空压机气源比较容易解决，不需专为机器人配置真空泵，所以气流负压吸盘在工厂使用方便。(3)挤气负压吸盘。图4-57所示为挤气负压吸盘的结构。图4-58所示为挤气负压吸盘的工作原理：当吸盘压向工件表面时，将吸盘内空气挤出；松开时，去除压力，吸盘恢复弹性变形使吸盘内腔形成负压，将工件牢牢吸住，机械手即可进行工件搬运，到达目标位置后，或用碰撞力P或用电磁力使压盖2(见图4-57)动作，破坏吸盘腔内的负压，释放工件。此种挤气
14、负压吸盘不需真空泵系统也不需压缩空气气源，是比较经济方便的，但是，可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差。,挤气负压吸盘的吸力计算是在假设吸盘与工件表面气密性良好情况下进行的，利用玻-玛定律和静力平衡公式计算内腔最大负压和最大极限吸力。对市场供应的三种型号耐油橡胶吸盘进行吸力理论计算及实测，其结果如表4-2所示，理论计算误差主要由工件表面假定为理想状况所造成的。实验表明，在工件表面清洁度、平滑度较好的情况下牢固吸附时间可连续30s，能满足一般工业机器人的要求。,目前有两种真空吸盘的新设计：(l)自适应性吸盘，图4-59该吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化，这种自适应吸盘在实
15、际应用上获得良好的效果。,(2)异形吸盘。图4-60是异形吸盘中的一种。通常吸盘只能吸附一般平整工件，而该异形吸盘可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等这样的物件，扩大了真空吸盘在工业机器人上的应用。,4-6机身及行走机构设计工业机器人机械结构有三大部分：机身、手臂(包括手腕)、手部。机身，又称为立柱。机器人必须有一个便于安装的基础件，这就是工业机器人的机座，机座往往与机身做成一体。假如工业机器人是移动式的，那么还有一个行走机构。图4-61表示了包括手部、手腕、手臂、机身、行走机构在内的一个工业机器人系统。一、机身设计机身是支承臂部的部件。一般实现升降、回转和仰俯等运动，常有l至3个自由度。机身设计时要注意
16、下列问题：(1)要有足够的刚度和稳定性；(2)运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，避免发生卡死现象，一般要有导向装置；(3)结构布置要合理。,通常机身具有回转、升降、回转与升降、回转与俯仰、回转与升降以及俯仰共种运动采取哪一种自由度形式由工业机器人的总体设计来定。比如，圆柱坐标式机器人把回转与升降个自由度归属于机身；球坐标式机器人把回转与俯仰2个自由度归属于机身；关节坐标式机器人把回转自由度归属于机身，直角坐标式机器人有时把升降(Z轴)，有时把水平移动(X轴)一个自由度归属于机身。现介绍回转与升降机身、回转与俯仰机身设计中的一些问题。,1.回转与升降机身(1)回转运动采用摆动泊缸驱动，升降
17、泊缸在下，回转油缸在上。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方，故活塞杆的尺寸要加大。(2)回转运动采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。(3)链轮传动机构链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于360。图4-62所示为气动机器人采用活塞气缸和链条链轮传动机构，以实现机身的回转运动(见向视图)。此外，也有用双杆活塞气缸驱动链轮回转的方式，如图(b)所示。,2.回转与俯仰机身机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞油(气)缸与连杆机构来实现的。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用饺链连接，缸体采用尾部耳环或中部销
18、轴等方式与立柱连接，图4-63所示。此外还有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。,3.机身驱动力(力矩)计算(1)垂直升降运动驱动力的计算。作垂直运动时，除克服摩擦力Fm之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等总重力以及升降运动的全部部仲惯性1力，故其驱动力Pq可按下式计算：,(2)回转运动驱动力矩的计算。回转运动驱动力矩只包括两项；回转部件的摩擦总力矩；机身自身运动部件和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力矩，故驱动力矩归，可按下式算：q=Mm+Mg(4-19)式中：Mm总摩擦阻力矩(Nm)；g各回转运动部件总惯性力矩(Nm)。而g=J
19、0 式中：在升速或制动过程中角速度增量（1/s)；回转运动升速过程或制动过程的时间(s)；J0全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量(kgmZ)，如果零件外廓尺寸不大，重心到回转轴线距离又远时，一般可按质点计算它对回转轴线的转动惯量。,(3)升降立柱下降不卡死（不自锁）的条件计算。偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的总重量对机身立柱轴的静力矩。当手臂悬伸为最大行程时，其偏重力矩为最大。故偏重力矩应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算。各f零部件的重量可根据其结构形状、材料密度进行粗略计算，由于大多数零件采用对称形状的结构，其中心位置就在几何截面的几何中心上，故根据静力学原理可求出手臂总重量的重心位置
20、距机身立柱轴的距离4，亦称作偏重力臂，如图464所示，其大小为,二、行走机构设计1.概述机器人可分成固定式和行走式两种。一般的工业机器人大多为固定式的。但随着海洋科学、原子能工业及宇窗空间事业的发展,移动机器人、自动行走机器人的应用也越来越多了。行走机构是行走机器人的重要执行部件,它由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身飞臂和手部,另一方面还根据工作任务的要求,带动机器人实现在广阔的空间内运动。行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。,无固定轨迹行走方式,按其行走机构的结构特点可分为轮式
21、、履带式和步行式。它们在行走过程中,前两者与地面为连续接触,后者为间断接触。前两者的形态为运行车式,后者则为类人(或动物的腿脚式。运行车式行走机构用得比较多,多用于野外作业,比较成熟。步行式行走机构正在发展和完善中。2.固定轨道可移动机器人该机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上,靠丝杠螺母驱动,整个机器人沿丝杠纵向移动。除了这种直线驱动方式外,还有类似起重机梁行走方式等。这种可移动机器人主要用在作业区域大的场合,比如大型设备装配,立体化仓库中材料搬运,材料堆垛和储运,大面积喷涂等。,(3).无轨行走机器人无轨行走机器人必须具备功能完备的外部传感器，能对环境进行了解和判断，能对环境中发生的事
22、件进行监视和反应，机器人具备自我规划能力，包括任务分解，任务排序，信息资源管理，以及几何规划等。(1)KAMR0机器人。KAMR0机器人是Karkrube大学开发的自治式行走机器人，如图4-65所示。该机器人用在柔性制造单元中进行工件搬运和装配作业，如图4-66所示。KAMRC机器人从材料储存系统中挑选所需的零件并把它搬运到装配站；零件准备好以后，两个机器人手臂在传感器系统监控下把零件装配成成品件；手部具有装配工作不可少的力和力矩传感器，以便测量装配过程中零件之间的碰撞和力；由视觉系统监视装配过程，即超声波传感器探测可能存在的障碍物，并避开障碍物寻找安全路径。,(2)MF3-E型机器人。德国为
23、核事故处理队配备了一种机器人运载车，它是以一种固定式履带车MF2为基础研制成功的新式底盘结构运载车。该车底盘的几何形状和尺寸是可变的，主要在室内使用，也可在野外工作。它有如下优点：小车适应各种地形，如山坡或峡谷中行驶,可以爬越坡度达、每层台阶高24.5Cm的楼梯，而底盘构件没有任何倾斜；由楼梯的平台面向下行驶时，不会从楼梯上掉下来。,法国原子能委员会核防护与安全研究所也研制类似的履带行走机器人，进行核操作、核监督。R0MAIN遥控行走机器人用来运送辐射性危险品，运载能力为5kg，有6个自由度，遥控操作可在200m内进行，也可在水下20m深的地方进行作业。我国北京强度环境研究所也研制了遥控排爆机
24、器人啄术鸟I型，抓重为10kg，有3个自由度，最大爬坡为,自重为112kg，臂上装有摄像机和拾音器，有100m多芯电缆供电及信号输送。,(3)无缆水下机器人。我国“探索者”号无缆水下机器人在西沙群岛附近海域成功地潜到水下1000m深处，整体功能和主要技术指标均达到国际90年代先进的同类水下机器人水平。该机器人推进器行走，最大前进速度为4节，续航能力为6小时，主要从事水下工程、海洋石油及矿产资源开发、海洋科学考察及打捞救生等作业。(4)其它。行走机器人的应用越来越多。日本推出了在医院里帮助护士减轻负担作为护士助手的服务机器人，家庭室内和庭院服务机器人。日本Nagoya大学制作出不需电缆的管道微型
25、移动器人，它可以由管道外的电磁线圈磁场来控制其运动，用于小尺寸管道检测和生物医学领域。还有的微型机器人在小管道内进行双向运动，是用振动其腿的办法来实现移动。,4.步行机器人 步行机器人是非常活跃的一个研究领域。轮式行走机器人在平地上行驶比较方便，履带式行走机器人可以在泥泞道路上和沙漠中行驶。而与人类腿十分相似的步行机器人具有它们无可比拟的优点，比如能上下楼梯、跨越沟渠和障碍、能上陡坡、立地转身等等。步行机器人可以根据足的多少来分类：,(1)二足步行机器人。图4-67为哈尔滨工业大学所研制的二足步行机器人。该机器人二足共具有10个自由度，由腰部、大腿、小腿和脚掌组成，愤部有前向、侧向关节各一对，膝部有前向关节一对，跺部有前向关节和侧向关节各一对。平行于y轴的前向关节用来实现重心在前进方向上的运动。平行于X轴的侧向关节用来实现重心的侧向运动。各关节由直流电机通过谐波减速器驱动，电机输出转矩为41Ncm，减速比1：160，各电机轴配有测速机及光电码盘，用来检测各关节的角速度和角度。,(2)四足、六足及多足步行机器人。这类步行机器人是模仿动物行走的机器人。四足步行机器人除了关节式外,还有缩放式腿步行机构。图4-68所示为四足缩放式腿步行机器人在平地上行走的初始姿态,通常使机体与支撑面平行。四足对称姿态比二足步行容易保持运动.,感恩的心 有你！,感谢,
