《机器人本体》PPT课件.ppt

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1、第4章机器人本体基本结构机器人的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。本章以工业机器人为主要对象介绍机器人本体主要组成部分的特点和结构形式。4.1概述机器人本体是机器人的重要部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影响整体性能。机器人本体结构基本上是由连杆和关节组成；连杆又可以分为长连杆与短连杆（见机器人实物图）；关节又可以分为移动关节与转动关节二、机器人本体基本结构的举例1，刚度高有利于提高手臂端点的定位精度和跟踪精度，这在离线编程时是至关重要的。2，刚度高还可降低对控制系统的要求

2、和系统造价。3，较好的刚度还可以增加机械系统设计的灵活性，比如在选择传感器安装位置时，刚度高的结构允许传感器放在离执行器较远的位置上，减少了设计方面的限制。尽可能提高机器人结构固有频率的目的在于避开机器人的工作频率。通常机器人的低阶固有频率为5～25Hz，以中等速度运动时，输入信号的脉冲延续时间约在0.05～1s，振荡频率相当于在1～20Hz，因而机械系统可能会因此激发振荡。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从而提高机器人的使用性能。4.1.2机器人本体材料的选择机器人的结构特点与一般的机械有所不同，后面的杆件和关节的重量是前面关节的负载，对于活动构件，尽量选择

3、较轻的材料；F=kX;精密机器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度有要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。从材料角度看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧密相关。另外，家用和服务机器人的外观与传统机械大有不同，故将会出现比传统工业材料更富有美感的机器人本体材料。从这一点看，机器人材料又应具备柔软和外表美观等特点。正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展，新材料的出现给机器人的发展提供了宽广的空

4、间一、材料选择的基本要求(1)强度高。机器人臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。(2)弹性模量大。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。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2 000～2 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。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量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。(

5、4)阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。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)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。二、机器人常用材料简介1．碳素结构钢和合金结构钢这类材料强度好，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，是应用最广泛的材料。2．铝、铝合金及其他轻合金材料这类材料的共同特点是重量轻，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

6、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．纤维增强合金这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达到和。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．纤维增强复合材料这类材料具有极好的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。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出的大阻

7、尼的优点。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