机器人机身及行走机构设计

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1、§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

2、有导向装置；(3)结构布置要合理。1.回转与升降机身(1)回转运动采用摆动泊缸驱动，升降泊缸在下，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Ｋ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。通常机

3、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５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２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。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

4、和手臂用饺链连接，缸体采用尾部耳环或中部销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：Pq=Fm+Fg土W(4-18)式中：Fm－各支承处的摩擦力（N）；Fg－启动时总惯性力（N）；W－运动部件的总重力（N)；土－上升时为正，下降时为负。(2

5、)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；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：Ｍq=Mm+Mg(4-19)式中：Mm－总摩擦阻力矩(N·m)；Ｍg－各回转运动部件总惯性力矩(N·m)。而Ｍg=J0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(kg·mZ)，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

6、)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距机身立柱轴的距离L，亦称作偏重力臂，如图4－64所示，其大小为式中：Gi－零部件及工件的重量(N)；Ｌi－零部件及工件等的重心分别到机身立柱轴的距离(m)。则偏重

7、力矩为Ｍ＝W*L　　　(4-22)式中：Ｗ－零部件及工件等的总重量（N）。手臂在总重量l87的作用下,有一偏重力矩，而立柱支承导套产生阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响。如果偏重力矩过大，因为支承导套与立柱之间摩擦力过大，有“卡住”，现象，升降驱动力必须增大，相应驱动及传动装置结构就庞大。如果依靠自重而下降，那么可能立柱被卡死在导套内而不能作下降运动，这就是自锁。故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。根据升降立柱的平衡条件可知二、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

8、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