机器人本体结构(培训学习)
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
5.3.1 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。
(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
学习培训
18
5.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法 一、质量平衡方法 若满足
SV m3O3G3 m
O2V
m2O2G2 m3O3G3 m
则总力矩：
M 0
学习培训
19
二、弹簧平衡方法
M0 Fr1 sin
sin r2 sin(90 ) r2 cos
l
l
F k(l l0 )
四导向柱式臂部伸缩机构 1—手部；2—夹紧缸；3—油缸；道4学；—习8导培—向训支柱座；5—运行架；6—行走车轮；7—15轨
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
W为运动部件的总重力(N) 。
学习培训
11
2.回转运动驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
Mm 为总摩擦阻力矩(N·m)； M g 为回转运动部件的总惯性力矩 (N·m)
Mg
J0
t
学习培训
12
3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算
L Gi Li Gi
h 2 fL
学习培训
第5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。
5.1 概 述
5.1.1 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。
学习培训
1
二、机器人本体基本结构的举例
末杆+ 手部
学习培训
7
5.2 机身及臂部结构
5.2.1 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。
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11.4×107和8.9×107 。
学习培训
6
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。
学习培训
5
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。
姿
腕部
态
机
构
大臂
大臂
位
置
腰部
机 构
机座 上述操作机的分类是按位学习置培训机构的结构形式分的。 2
关节:工业机器人的运动副。 3个腕关节
Biblioteka Baidu
1个肘关节
1个肩关节
学习培训
1个腰关节
3
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、间隙和运动精度都有 较高的要求。
于系统的稳定。
学习培训
4
5.1.2 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 =2.1×105MPa 高合金结构钢：b= 2000MPa， E =2.1×105MPa (3)密度小：重量轻。 (4)阻尼大：减小稳定时间。 (5) 经济性。
M0
k(l
l0 )r1r2 l
cos
学习培训
20
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。
学习培训
21
5.3 腕部及手部结构
13
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。
学习培训
14
5.2.2 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、臂部的典型机构 1．臂部伸缩机构
学习培训
8
(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
学习培训
9
2．回转与俯仰机身
回转与俯仰机身
学习培训
10
二、机身驱动力(力矩)计算
1.垂直升降运动驱动力 摩擦力/总重力/惯性力:
P的q 计算
Pq Fm Fg W
Fm为各支承处的摩擦力(N)；
Fg 为启动时的总惯性力(N)；
学习培训
16
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。
学习培训
17
三、臂部设计需注意的问题
(1)承载能力足。 (2) 刚度高。 (3)导向性能好。 (4)重量轻、转动惯量小。 (5)合理设计与腕和机身的连接部位。
学习培训
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。
(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
学习培训
18
5.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法 一、质量平衡方法 若满足
SV m3O3G3 m
O2V
m2O2G2 m3O3G3 m
则总力矩：
M 0
学习培训
19
二、弹簧平衡方法
M0 Fr1 sin
sin r2 sin(90 ) r2 cos
l
l
F k(l l0 )
四导向柱式臂部伸缩机构 1—手部；2—夹紧缸；3—油缸；道4学；—习8导培—向训支柱座；5—运行架；6—行走车轮；7—15轨
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
W为运动部件的总重力(N) 。
学习培训
11
2.回转运动驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
Mm 为总摩擦阻力矩(N·m)； M g 为回转运动部件的总惯性力矩 (N·m)
Mg
J0
t
学习培训
12
3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算
L Gi Li Gi
h 2 fL
学习培训
第5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。
5.1 概 述
5.1.1 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。
学习培训
1
二、机器人本体基本结构的举例
末杆+ 手部
学习培训
7
5.2 机身及臂部结构
5.2.1 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。
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11.4×107和8.9×107 。
学习培训
6
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。
学习培训
5
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。
姿
腕部
态
机
构
大臂
大臂
位
置
腰部
机 构
机座 上述操作机的分类是按位学习置培训机构的结构形式分的。 2
关节:工业机器人的运动副。 3个腕关节
Biblioteka Baidu
1个肘关节
1个肩关节
学习培训
1个腰关节
3
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、间隙和运动精度都有 较高的要求。
于系统的稳定。
学习培训
4
5.1.2 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 =2.1×105MPa 高合金结构钢：b= 2000MPa， E =2.1×105MPa (3)密度小：重量轻。 (4)阻尼大：减小稳定时间。 (5) 经济性。
M0
k(l
l0 )r1r2 l
cos
学习培训
20
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。
学习培训
21
5.3 腕部及手部结构
13
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。
学习培训
14
5.2.2 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、臂部的典型机构 1．臂部伸缩机构
学习培训
8
(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
学习培训
9
2．回转与俯仰机身
回转与俯仰机身
学习培训
10
二、机身驱动力(力矩)计算
1.垂直升降运动驱动力 摩擦力/总重力/惯性力:
P的q 计算
Pq Fm Fg W
Fm为各支承处的摩擦力(N)；
Fg 为启动时的总惯性力(N)；
学习培训
16
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。
学习培训
17
三、臂部设计需注意的问题
(1)承载能力足。 (2) 刚度高。 (3)导向性能好。 (4)重量轻、转动惯量小。 (5)合理设计与腕和机身的连接部位。
学习培训