机器人本体结构.ppt

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1、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。机座腰部大臂大臂腕部末杆+手部位置机构姿态机构上述操作机的分类是按位置机构的结构形式分的。二、机器人本体基本结构的举例1个腰关节1个肩关节1个肘关节3个腕关节关节:工业机器人的运动副。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

2、高的要求。(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，有利于系统的稳定。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=

3、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。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。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。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

4、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。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

5、一些。(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2．回转与俯仰机身回转与俯仰机身1.垂直升降运动驱动力的计算摩擦力/总重力/惯性力:为启动时的总惯性力(N)；为运动部件的总重力(N)。为各支承处的摩擦力(N)；二、机身驱动力(力矩)计算2.回转运动驱动力矩的计算为总摩擦阻力矩(N·m)；为回转运动部件的总惯性力矩(N·m)3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算三、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。5.2.2机器人臂部结构的

6、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．臂部伸缩机构四导向柱式臂部伸缩机构1—手部；2—夹紧缸；3—油缸；4—导向柱；5—运行架；6—行走车轮；7—轨道；8—支座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。三、臂部设计需注意的问题承载能

7、力足。刚度高。导向性能好。重量轻、转动惯量小。合理设计与腕和机身的连接部位。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则总力矩：二、弹簧平衡方法三、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。5.3腕部及手部结构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

8、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