机器人本体基本结构

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1、工业机 器 人机械电子工程系邮箱：tjpurobot@eyou.com密码：tjpurobot第4章机器人本体基本结构4.1概述4.2机身及臂部结构4.3腕部及手部结构4.4传动及行走机构4.1概述一、机器人本体基本结构本体结构指其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。机器人本体主要包括:(1)传动部件。(2)机身及行走机构。(3)臂部。(4)腕部。(5)手部。一般将机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的开端安装有末端执行器(也简称为手部)，搬运机器人长连杆：主运动

2、，位置短连杆：姿态机器人本体基本结构的特点：(1)一般可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决定了机器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。(2)开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵活。(3)连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。(4)连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的

3、，因此，极容易发生振动或出现其他不稳定现象。二、本体结构的总体要求：1）工作负载与自重的比值尽可能大2）结构的静、动态刚度尽可能高3）尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。材料选择的基本要求是：(1)强度高。高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可以减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。(2)弹性模量大。构件刚度(或变形量)与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有太多改变。比如，普通结构钢的强度极限为420MPa，高合金结构钢的强度极限为2 00

4、0～2 300MPa，但是二者的弹性模量E却没有多大变化，均为2.1×MPa。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。(3)重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有关。选用弹性模量E大而密度也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。(4)阻尼大。要求阻尼尽可能大，机器人臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量

5、。(5)材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。三、机器人常用材料简介1）碳素结构钢和合金结构钢强度好，特别是合金结构钢，其强度增大了4～5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，应用最广泛。2）铝、铝合金及其他轻合金材料共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善，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

6、金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达和。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。4）陶瓷陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。5）纤维增强复合材料具有极好的E/比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀以及与金属件连接困难等问题。重量轻，刚度大，具有十分突出的大阻尼。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料

7、的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼值。6）粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。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。本体基本结构的设计：结构形式的确定材料

8、的选择4.2机身及臂部结构作用：机器人必须有一个便于安装的基础件机座或行走机构。机座往往与机身做成一体。机身和臂部相连，机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。一、机器人机身结构的基本形式和特点1、典型的机身结