机械臂结构设计原理

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4．重量轻、转动惯量小：
为提高机器人的运动速度，要尽量减 少臂部运动部分的重量，以减少整个 手臂对回转轴的转动惯量。
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5．合理设计与腕部和机身的连接部位：
臂部的安装形式和位置不仅关系到机 器人的强度、刚度和承载能力，而且 还直接影响到机器人的外观。
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二、机械臂的运动形式
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油缸—齿条机构图例：
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油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：
特点： 工作行程长，抓重大， 适合于抓举工件形状不 规则、有偏转力矩的场 合。
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电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：
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2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
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肘关节局部图例：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
伺服直线液压缸图例：
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电动伺服控制系统图例：
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腕部俯仰：
电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
肘关节摆动：
电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
肩关节的摆动：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
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关节型机器人传动 系统图：
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都 比实心轴大得多。
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工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。
2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。
3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
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五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
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五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
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3．关节型机械臂的结构（2）
各运动的实现：
腕部的旋转：
电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
机械臂结构
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一、臂部设计的基本要求
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1．承载能力足：
手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的动载荷及转 动惯性。
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2．刚度高：
为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面
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3．关节型：
由动力型旋转关节 和前、下两臂组成。 关节型机器人以臂 部各相邻部件的相 对角位移为运动坐 标。动作灵活，所 占空间小，工作范 围大，能在狭窄空 间内饶过各种障碍 物。
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4．极坐标型：
臂部由两个转动
副和一个移动副
组成。产生沿手 臂轴X的直线移 动，绕基座轴Y 的转动和绕关节 轴Z的摆动。其 手臂可作绕Z轴 的俯仰运动，能
运动特点：
1—铰接活塞缸
手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制
2—连杆 3—手臂 4—支承架
活塞的行程就控制
了手臂摆角的大小。
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齿轮驱动回转机构图例：
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3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
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槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。
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3、导向性能好，定位精度高：
为防止手臂在直线运动中，沿运动轴 线发生相对转动，应设置导向装置。 同时要采用一定形式的缓冲措施。
腕部俯仰局部图例：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
肩关节局部图例：
电机M2→同步带传 动B2→减速器R2→肩 关节摆动n2
四、机械臂的控制
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1、伺服系统的分类：
液压伺服系统：
机械臂各关节的运动通常由液压伺服阀 控制液压缸实现。
电动伺服系统：
机械臂各关节的运动通常由步进电机或 直流电机驱动。
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1．直角坐标型：
臂部由三个相互 正交的移动副组 成。带动腕部分 别沿X、Y、Z三 个坐标轴的方向 作直线移动。结 构简单，运动位 置精度高。但所 占空间较大，工 作范围相对较小。
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2．圆柱坐标型：
臂部由一个转 动副和两个移 动副组成。相 对来说，所占 空间较小，工 作范围较大， 应用较广泛。
抓取地面上的物 体。
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三、典型机械臂结构
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1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或汽缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或汽缸驱动
齿条传动的倍增机构或采用步进电机或 伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换 为直线运动。
典型结构：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
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平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
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双摇杆机构
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平面四杆机构演变图例：
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曲柄滑块机构
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双臂机器人手臂结构图例：