工业机器人技术(郭洪红)第2章.ppt

工业机器人技术(郭洪红)第2章第一页，共180页。2.1 机器人末端操作器机器人末端操作器 图2.1所示为人类手腕的两个B关节。在实际情况中,有许多时候并不一定需要这样复杂的多节人工指,而只需要能从各种不同的角度触及并搬动物体的钳形指即可。1966年,美国海军就是用装有钳形人工指的机器人“科沃”把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从750 m深的海底捞上来。1967年,美国飞船“探测者三号”曾把一台遥控操作的机器人送上月球。它在地球上的人的控制下,可以在两平方米左右的范围里挖掘月球表面0.4 m 深处的土壤样品, 并且放在规定的位置, 还能对样品进行初步分析, 如确定土壤的硬度、重量等。它为“阿波罗”载人飞船登月充当了开路先锋。 第二页，共180页。图 2.1 人类手腕的两个B关节 第三页，共180页。用在工业上的机器人的手我们一般称之为末端操作器, 它是机器人直接用于抓取和握紧(吸附)专用工具(如喷枪、扳手、 焊具、 喷头等)进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能, 并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、 重量、 材质及表面状态等不同,因此工业机器人末端操作器是多种多样的, 大致可分为以下几类: (1) 夹钳式取料手；(2) 吸附式取料手；(3) 专用操作器及转换器；(4) 仿生多指灵巧手。 第四页，共180页。2.1.1 2.1.1 夹钳式取料手夹钳式取料手夹钳式手部与人手相似, 是工业机器人广为应用的一种手部形式。 它一般由手指(手爪)和驱动机构、 传动机构及连接与支承元件组成, 如图2.2所示, 能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。 第五页，共180页。图 2.2 夹钳式手部的组成 第六页，共180页。1. 1. 手指手指手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件, 就是通过手指的张开与闭合来实现的。机器人的手部一般有两个手指, 也有三个或多个手指,其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。 指端的形状通常有两类: V型指和平面指。如图2.3所示的三种V型指的形状, 用于夹持圆柱形工件。如图2.4所示的平面指为夹钳式手的指端,一般用于夹持方形工件(具有两个平行平面), 板形或细小棒料。另外，尖指和薄、长指一般用于夹持小型或柔性工件。 其中, 薄指一般用于夹持位于狭窄工作场地的细小工件, 以避免和周围障碍物相碰; 长指一般用于夹持炽热的工件, 以免热辐射对手部传动机构的影响。 第七页，共180页。图 2.3 V型指端形状(a) 固定V型； (b) 滚柱V型； (c) 自定位式V型 第八页，共180页。图 2.4 夹钳式手的指端 第九页，共180页。指面的形状常有光滑指面、齿形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑, 用来夹持已加工表面, 避免已加工表面受损。 齿形指面的指面刻有齿纹, 可增加夹持工件的磨擦力,以确保夹紧牢靠, 多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。 柔性指面内镶橡胶、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保护工件表面、 隔热等作用, 一般用于夹持已加工表面、炽热件,也适于夹持薄壁件和脆性工件。 第十页，共180页。2. 2. 传动机构传动机构传动机构是向手指传递运动和动力, 以实现夹紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动,又可分为摆动回转型和平动回转型。 (1) 回转型传动机构。夹钳式手部中较多的是回转型手部, 其手指就是一对杠杆,一般再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构, 用以改变传动比和运动方向等。 第十一页，共180页。图 2.5 斜楔杠杆式手部 第十二页，共180页。图2.6所示为滑槽式杠杆回转型手部简图, 杠杆形手指4的一端装有V形指5,另一端则开有长滑槽。 驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内, 当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时, 即可拨动两个手指各绕其支点(铰销3)作相对回转运动, 从而实现手指的夹紧与松开动作。 第十三页，共180页。图 2.6 滑槽式杠杆回转型手部 第十四页，共180页。图2.7所示为双支点连杆杠杆式手部简图。 驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接, 当驱动杆2作直线往复运动时, 则通过连杆推动两杆手指各绕其支点作回转运动, 从而使手指松开或闭合。 第十五页，共180页。图 2.7 双支点连杆杠杆式手部 第十六页，共180页。图2.8所示为齿轮齿条直接传动的齿轮杠杆式手部的结构。 驱动杆2末端制成双面齿条,与扇齿轮4相啮合, 而扇齿轮4与手指5固连在一起, 可绕支点回转。驱动力推动齿条作直线往复运动, 即可带动扇齿轮回转, 从而使手指松开或闭合。 第十七页，共180页。图 2.8 齿条齿轮杠杆式手部 第十八页，共180页。(2) 平移型传动机构。平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的, 常用于夹持具有平行平面的工件(如冰箱等)。 其结构较复杂,不如回转型手部应用广泛。 直线往复移动机构:实现直线往复移动的机构很多, 常用的斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等均可应用于手部结构。 如图2.9所示中，(a)为斜楔平移机构, (b)为连杆杠杆平移结构, (c)为螺旋斜楔平移结构。 它们既可是双指型的, 也可是三指(或多指)型的; 既可自动定心, 也可非自动定心。 第十九页，共180页。图 2.9 直线平移型手部 第二十页，共180页。 平面平行移动机构： 图2.10所示为几种平面平行平移型夹钳式手部的简图。 它们的共同点是: 都采用平行四边形的铰链机构双曲柄铰链四连杆机构, 以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、 蜗杆蜗轮、 连杆斜滑槽的传动方法。 第二十一页，共180页。图 2.10 四连杆机构平移型手部结构 第二十二页，共180页。2.1.2 2.1.2 吸附式取料手吸附式取料手1. 1. 气吸附式取料手气吸附式取料手气吸附式取料手是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。 按形成压力差的方法,可分为真空吸附、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式等几种。 气吸式取料手与夹钳式取料手相比, 具有结构简单,重量轻, 吸附力分布均匀等优点,对于薄片状物体的搬运更有其优越性(如板材、 纸张、 玻璃等物体), 广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物体表面较平整光滑, 无孔无凹槽。第二十三页，共180页。1) 真空吸附取料手图2.11所示为真空吸附取料手的结构原理。其真空的产生是利用真空泵, 真空度较高。主要零件为碟形橡胶吸盘1, 通过固定环2安装在支承杆4上, 支承杆由螺母5固定在基板6上。 取料时, 碟形橡胶吸盘与物体表面接触, 橡胶吸盘在边缘既起到密封作用,又起到缓冲作用, 然后真空抽气,吸盘内腔形成真空, 吸取物料。放料时, 管路接通大气, 失去真空, 物体放下。为避免在取、 放料时产生撞击, 有的还在支承杆上配有弹簧缓冲。为了更好地适应物体吸附面的倾斜状况,有的在橡胶吸盘背面设计有球铰链。真空吸附取料手有时还用于微小无法抓取的零件, 如图2.12所示。 第二十四页，共180页。图 2.11 真空吸附取料手 第二十五页，共180页。图 2.12 微小零件取料手(a) 垫圈取料手； (b) 钢球取料手 第二十六页，共180页。图 2.13 各种真空吸附取料手 第二十七页，共180页。2) 气流负压吸附取料手气流负压吸附取料手如图2.14所示。气流负压吸附取料手是利用流体力学的原理, 当需要取物时, 压缩空气高速流经喷嘴5时, 其出口处的气压低于吸盘腔内的气压, 于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压, 完成取物动作;当需要释放时, 切断压缩空气即可。这种取料手需要压缩空气,工厂里较易取得,故成本较低。 第二十八页，共180页。图 2.14 气流负压吸附取料手 第二十九页，共180页。3) 挤压排气式取料手挤压排气式取料手如图2.15所示。其工作原理为: 取料时吸盘压紧物体, 橡胶吸盘变形, 挤出腔内多余的空气,取料手上升, 靠橡胶吸盘的恢复力形成负压, 将物体吸住; 释放时,压下拉杆3, 使吸盘腔与大气相连通而失去负压。 该取料手结构简单, 但吸附力小, 吸附状态不易长期保持。 第三十页，共180页。图 2.15 挤压排气式取料手 第三十一页，共180页。2. 2. 磁吸附式取料手磁吸附式取料手磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料, 因此只能对铁磁物体起作用; 另外,对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以, 磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。电磁铁工作原理如图2.16(a)所示。当线圈1通电后, 在铁心2内外产生磁场, 磁力线穿过铁心, 空气隙和衔铁3被磁化并形成回路, 衔铁受到电磁吸力F的作用被牢牢吸住。实际使用时, 往往采用如图2.16(b)所示的盘式电磁铁, 衔铁是固定的, 衔铁内用隔磁材料将磁力线切断, 当衔铁接触磁铁物体零件时, 零件被磁化形成磁力线回路,并受到电磁吸力而被吸住。 第三十二页，共180页。图 2.16 电磁铁工作原理 第三十三页，共180页。图2.17所示为盘状磁吸附取料手的结构图。铁心1和磁盘3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2,既焊为一体又将铁心和磁盘分隔, 这样使铁心1成为内磁极, 磁盘3成为外磁极。其磁路由壳体6的外圈, 经磁盘3、 工件和铁心, 再到壳体内圈形成闭合回路, 以此吸附工件。铁心、磁盘和壳体均采用810号低碳钢制成, 可减少剩磁, 并在断电时不吸或少吸铁屑。盖5为用黄铜或铝板制成的隔磁材料,用以压住线圈11, 防止工作过程中线圈的活动。挡圈7、8用以调整铁心和壳体的轴向间隙, 即磁路气隙,在保证铁心正常转动的情况下,气隙越小越好,气隙越大， 则电磁吸力会显著地减小,因此, 一般取0.10.3 mm。 在机器人手臂的孔内可做轴向微量地移动, 但不能转动。铁心1和磁盘3一起装在轴承上, 用以实现在不停车的情况下自动上下料。 第三十四页，共180页。图 2.17 盘状磁吸附取料手结构 第三十五页，共180页。图2.18所示为几种电磁式吸盘吸料示意图。 图(a)为吸附滚动轴承底座的电磁式吸盘;图(b)为吸取钢板的电磁式吸盘; 图(c)为吸取齿轮用的电磁式吸盘; 图(d)为吸附多孔钢板用的电磁式吸盘。 第三十六页，共180页。图 2.18 几种电磁式吸盘吸料示意图 第三十七页，共180页。2.1.3 2.1.3 专用操作器及转换器专用操作器及转换器1. 1. 专用末端操作器专用末端操作器机器人是一种通用性很强的自动化设备,可根据作业要求完成各种动作, 再配上各种专用的末端操作器后,就能完成各种动作。如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人, 安装拧螺母机则成为一台装配机器人。目前有许多由专用电动、气动工具改型而成的操作器, 如图2.19所示, 有拧螺母机、焊枪、电磨头、电铣头、抛光头、激光切割机等。 所形成的一整套系列供用户选用, 使机器人能胜任各种工作。 第三十八页，共180页。图2.19还有一个装有电磁吸盘式换接器的机器人手腕, 电磁吸盘直径60 mm, 质量为1 kg,吸力1100 N, 换接器可接通电源、信号、压力气源和真空源,电插头有18芯,气路接头有5路。为了保证联接位置精度,设置了两个定位销。在各末端操作器的端面装有换接器座,平时陈列于工具架上,需要使用时机器人手腕上的换接器吸盘可从正面吸牢换接器座,接通电源和气源, 然后从侧面将末端操作器退出工具架, 机器人便可进行作业。 第三十九页，共180页。图 2.19 各种专用末端操作器和电磁吸盘式换接器 第四十页，共180页。2. 2. 换接器或自动手爪更换装置换接器或自动手爪更换装置使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器, 就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成: 换接器插座和换接器插头, 分别装在机器腕部和末端操作器上,能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。 专用末端操作器换接器的要求主要有:同时具备气源、电源及信号的快速联接与切换; 能承受末端操作器的工作载荷; 在失电、 失气情况下, 机器人停止工作时不会自行脱离;具有一定的换接精度等。 第四十一页，共180页。图2.20所示为气动换接器和专用末端操作器库。该换接器也分成两部分: 一部分装在手腕上, 称为换接器; 另一部分装在末端操作器上, 称为配合器。利用气动锁紧器将两部分进行联接, 并具有就位指示灯以表示电路、 气路是否接通。 第四十二页，共180页。图 2.20 气动换接器与专用末端操作器库 第四十三页，共180页。图 2.21 专用末端操作器库 第四十四页，共180页。3. 3. 多工位换接装置多工位换接装置某些机器人的作业任务相对较为集中,需要换接一定量的末端操作器, 又不必配备数量较多的末端操作器库。这时， 可以在机器人手腕上设置一个多工位换接装置。例如,在机器人柔性装配线某个工位上,机器人要依次装配如垫圈、螺钉等几种零件, 装配采用多工位换接装置,可以从几个供料处依次抓取几种零件, 然后逐个进行装配, 既可以节省几台专用机器人,也可以避免通用机器人频繁换接操作器和节省装配作业时间。 第四十五页，共180页。多工位换接装置如图2.22所示, 就像数控加工中心的刀库一样, 可以有棱锥型和棱柱型两种形式。棱锥型换接装置可保证手爪轴线和手腕轴线一致, 受力较合理,但其传动机构较为复杂;棱柱型换接器传动机构较为简单, 但其手爪轴线和手腕轴线不能保持一致, 受力不良。 第四十六页，共180页。图 2.22 多工位末端操作器换接装置(a) 棱锥型； (b) 棱柱型 第四十七页，共180页。2.1.4 2.1.4 仿生多指灵巧手仿生多指灵巧手1. 1. 柔性手柔性手为了能对不同外形的物体实施抓取, 并使物体表面受力比较均匀, 因此研制出了柔性手。如图2.23所示为多关节柔性手腕,每个手指由多个关节串联而成。手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成,每个手指由两根钢丝绳牵引, 一侧为握紧, 另一侧为放松。 驱动源可采用电机驱动或液压、气动元件驱动。 柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物体受力较为均匀。 图2.24所示为用柔性材料做成的柔性手。一端固定,一端为自由端的双管合一的柔性管状手爪, 当一侧管内充气体或液体、另一侧管内抽气或抽液时形成压力差,柔性手爪就向抽空侧弯曲。此种柔性手适用于抓取轻型、圆形物体, 如玻璃器皿等。 第四十八页，共180页。图2.23多关节柔性手腕第四十九页，共180页。图 2.24 柔性手 第五十页，共180页。2. 2. 多指灵巧手多指灵巧手机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。 如图2.25所示,多指灵巧手有多个手指, 每个手指有3个回转关节, 每一个关节的自由度都是独立控制的。因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿,诸如拧螺钉、弹钢琴、 作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器, 将会使多指灵巧手达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛,可在各种极限环境下完成人无法实现的操作, 如核工业领域、宇宙空间作业, 在高温、高压、高真空环境下作业等。 第五十一页，共180页。图 2.25 多指灵巧手 第五十二页，共180页。2.1.5 2.1.5 其它手其它手1. 1. 弹性力手爪弹性力手爪弹性力手爪的特点是其夹持物体的抓力是由弹性元件提供的,不需要专门的驱动装置, 在抓取物体时需要一定的压入力, 而在卸料时, 则需要一定的拉力。 图2.26所示为几种弹性力手爪的结构原理图。图2.26(a)所示的手爪有一个固定爪, 另一个活动爪6靠压簧4提供抓力, 活动爪绕轴5回转, 空手时其回转角度由平面2、3限制。 抓物时,爪6在推力作用下张开,靠爪上的凹槽和弹性力抓取物体; 卸料时, 需固定物体的侧面,手爪用力拔出即可。 第五十三页，共180页。图 2.26 弹性力手爪 第五十四页，共180页。2. 2. 摆动式手爪摆动式手爪摆动式手爪的特点是在手爪的开合过程中, 其爪的运动状态是绕固定轴摆动的, 结构简单,使用较广,适合于圆柱表面物体的抓取。 图2.27所示为一种摆动式手爪的结构原理图。这是一种连杆摆动式手爪, 活塞杆移动, 并通过连杆带动手爪回绕同一轴摆动, 完成开合动作。 第五十五页，共180页。图 2.27 摆动式手爪的结构原理图 第五十六页，共180页。图2.28所示为自重式手部结构, 要求工件对手指的作用力的方向应在手指回转轴垂直线的外侧, 使手指趋向闭合。 用这种手部结构来夹紧工件是依靠工件本身的重量来实现的, 工件越重,握力越大。手指的开合动作由铰接活塞油缸实现。 该手部结构适用于传输垂直上升或水平移动的重型工件。 第五十七页，共180页。图 2.28 自重式手部结构 第五十八页，共180页。图2.29所示为弹簧外卡式手部结构。手指1的夹放动作是依靠手臂的水平移动而实现的。 当顶杆2与工件端面相接触时, 压缩弹簧3, 并推动拉杆4向右移动, 使手指1绕支承轴回转而夹紧工件。卸料时手指1与卸料槽口相接触, 使手指张开, 顶杆2在弹簧3的作用下将工件推入卸料槽内。这种手部适用于抓取轻小环形工件, 如轴承内座圈等。 第五十九页，共180页。图 2.29 弹簧外卡式手部结构 第六十页，共180页。3. 3. 勾托式手部勾托式手部图2.30所示为勾托式手部结构示意图。勾托式手部并不靠夹紧力来夹持工件, 而是利用工件本身的重量, 通过手指对工件的勾、托、捧等动作来托持工件。应用勾托方式可降低对驱动力的要求,简化手部结构, 甚至可以省略手部驱动装置。该手部适用于在水平面内和垂直面内搬运大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的物体。 勾托式手部又有手部无驱动装置和驱动装置两种类型。 第六十一页，共180页。图 2.30 勾托式手部示意图(a) 无驱动装置的手部； (b) 有驱动装置的手部 第六十二页，共180页。2.2 机机 器器 人人 手手 腕腕 机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件,它的作用是调节或改变工件的方位, 因而它具有独立的自由度,以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。 工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态。 为了使手部能处于空间任意方向, 要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动, 即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度,如图2.31所示。通常也把手腕的翻转叫做Roll, 用R表示; 把手腕的俯仰叫做Pitch, 用P表示; 把手腕的偏转叫Yaw, 用Y表示。 第六十三页，共180页。图 2.31 手腕的自由度 第六十四页，共180页。2.2.1 2.2.1 手腕的分类手腕的分类1. 1. 按自由度数目来分按自由度数目来分手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、 二自由度手腕和三自由度手腕。 (1) 单自由度手腕如图2.32所示。 图2.32(a)是一种翻转(Roll)关节, 它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式。 这种R关节旋转角度大, 可达到360以上。 图2.32(b)、 (c)是一种折曲(Bend)关节(简称B关节), 关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。 这种B关节因为受到结构上的干涉, 旋转角度小, 大大限制了方向角。 图2.31(d)所示为移动关节。 第六十五页，共180页。图 2.32 单自由度手腕(a) R手腕； (b) B手腕; (c) Y手腕； (d) T手腕 第六十六页，共180页。(2) 二自由度手腕如图2.33所示。二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕(见图2.33(a)，也可以由两个B关节组成BB手腕(见图2.33(b)。但是, 不能由两个R关节组成RR手腕, 因为两个R共轴线, 所以退化了一个自由度, 实际只构成了单自由度手腕(见图2.33(c)。 第六十七页，共180页。图 2.33 二自由度手腕(a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕 第六十八页，共180页。(3) 三自由度手腕如图2.34所示。三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式。图2.34(a)所示是通常见到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏转和翻转运动, 即RPY运动。图2.34(b)所示是一个B关节和两个R关节组成的BRR手腕, 为了不使自由度退化, 使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置。图2.34(c)所示是三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动。图2.34(d)所示是BBB手腕, 很明显, 它已退化为二自由度手腕,只有PY运动,实际上不采用这种手腕。 此外, B关节和R关节排列的次序不同,也会产生不同的效果,同时产生了其它形式的三自由度手腕。为了使手腕结构紧凑, 通常把两个B关节安装在一个十字接头上, 这对于BBR手腕来说， 大大减小了手腕纵向尺寸。 第六十九页，共180页。图 2.34 三自由度手腕(a) BBR手腕; (b) BRR手腕; (c) RRR手腕; (d) BBB手腕 第七十页，共180页。2. 2. 按驱动方式来分按驱动方式来分手腕按驱动方式来分,可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。 图2.35所示为Moog公司的一种液压直接驱动BBR手腕, 设计紧凑巧妙。 M1、M2、M3是液压马达, 直接驱动手腕的偏转、 俯仰和翻转三个自由度轴。图2.36所示为一种远距离传动的RBR手腕。轴的转动使整个手腕翻转, 即第一个R关节运动。轴的转动使手腕获得俯仰运动, 即第二个B关节运动。 轴的转动即第三个R关节运动。当c轴一离开纸平面后, RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处, 有时放在手臂的后端作平衡重量用,这不仅减轻了手腕的整体重量, 而且改善了机器人的整体结构的平衡性。 第七十一页，共180页。图 2.35 液压直接驱动BBR手腕 第七十二页，共180页。图 2.36 远距离传动RBR手腕 第七十三页，共180页。2.2.2 2.2.2 手腕的典型结构手腕的典型结构设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外, 还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉,传动灵活; 多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上, 使外形整齐; 设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去, 运动传入腕部后再分别实现各个动作。下面介绍几个常见的机器人手腕结构。 图2.37所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图。 A-A剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动, 以实现手腕的左右摆动；B-B剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转, 以实现手腕的回转运动。 其油路的分布如图2.37所示。 第七十四页，共180页。图 2.37 手腕回转和左右摆动的结构图 第七十五页，共180页。图2.38所示为PT600型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图。由图可以看出, 这是一个具有腕摆与手转两个自由度的手腕结构, 其传动路线为: 腕摆电动机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器7, 减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动; 手转电动机通过同步齿形带传动带动手转谐波减速器10, 减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动。需要注意的是, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动, 将产生附加的手转运动, 在控制上要进行修正。 第七十六页，共180页。图 2.38 PT-600型弧焊机器人手腕结构图 第七十七页，共180页。图2.39所示为KUKA IR-662100型机器人的手腕传动原理图。这是一个具有3个自由度的手腕结构, 关节配置形式为臂转、 腕摆、 手转结构。 其传动链分成两部分: 一部分在机器人小臂壳内, 3个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、 中间套、 外套筒上; 另一部分传动链安排在手腕部, 图2.40所示为手腕部分的装配图。 其传动路线为: 第七十八页，共180页。图 2.39 KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图 第七十九页，共180页。图 2.40 KUKA IR-662/100型机器人手腕装配图 第八十页，共180页。(1) 臂转运动。臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接,外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。 (2) 腕摆运动。臂部中间套通过花键与空心轴4联接, 空心轴另一端通过一对锥齿轮12、13带动腕摆谐波减速器的波发生器16, 波发生器上套有轴承和柔轮14,谐波减速器的定轮10与手腕壳体相联, 动轮11通过盖18和腕摆壳体19相固接, 当中间套带动空心轴旋转时, 腕摆壳体作腕摆运动。 第八十一页，共180页。(3) 手转运动。臂部心轴通过花键与腕部中心轴2联接, 中心轴的另一端通过一对锥齿轮45、46带动花键轴41, 花键轴的一端通过同步齿形带传动44、36带动花键轴35, 再通过一对锥齿轮传动33、17带动手转谐波减速器的波发生器25, 波发生器上套有轴承和柔轮29, 谐波减速器的定轮31通过底座34与腕摆壳体相联,动轮24通过安装架23与联接手部的法兰盘30相固定, 当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时, 法兰盘作手转运动。 第八十二页，共180页。2.2.3 2.2.3 柔顺手腕结构柔顺手腕结构在用机器人进行的精密装配作业中,当被装配零件之间的配合精度相当高, 由于被装配零件的不一致性,工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时,会导致装配困难, 因而,柔顺性装配技术有两种。一种是从检测、控制的角度, 采取各种不同的搜索方法,实现边校正边装配;有的手爪还配有检测元件,如视觉传感器(如图2.41所示)、力传感器等, 这就是所谓主动柔顺装配。另一种是从结构的角度, 在手腕部配置一个柔顺环节,以满足柔顺装配的需要, 这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配。 第八十三页，共180页。图 2.41 带检测元件的手 第八十四页，共180页。图2.42所示是具有移动和摆动浮动机构的柔顺手腕。水平浮动机构由平面、钢球和弹簧构成,实现在两个方向上进行浮动; 摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成, 实现两个方向的摆动。在装配作业中,如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准时, 可自行校正。其动作过程如图2.43所示, 在插入装配中工件局部被卡住时,将会受到阻力, 促使柔顺手腕起作用, 使手爪有一个微小的修正量,工件便能顺利插入。图2.44所示是另一种结构形式的柔顺手腕, 其工作原理与上述柔顺手腕相似。 图2.45所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕, 在基座上通过板弹簧1、2联接框架, 框架另两个侧面上通过板弹簧3、4联接平板和轴,装配时通过4块板弹簧的变形实现柔顺性装配。图2.46所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的柔顺手腕。 第八十五页，共180页。图 2.42 移动摆动柔顺手腕 第八十六页，共180页。图 2.43 柔顺手腕动作过程 第八十七页，共180页。图 2.44 柔顺手腕 第八十八页，共180页。图 2.45 板弹簧柔顺手腕 第八十九页，共180页。图 2.46 钢丝弹簧柔顺手腕 第九十页，共180页。2.3 机机 器器 人人 手手 臂臂 手臂是机器人执行机构中重要的部件, 它的作用是将被抓取的工件运送到给定的位置上。因而,一般机器人手臂有3个自由度, 即手臂的伸缩、 左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的, 立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现, 因此,它不仅仅承受被抓取工件的重量,而且承受末端执行器、手腕和手臂自身的重量。 手臂的结构、 工作范围、 灵活性、抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影响机器人的工作性能。 按手臂的结构形式区分, 手臂有单臂式、 双臂式及悬挂式, 如图2.47所示。 第九十一页，共180页。图 2.47 手臂的结构形式(a)、 (b) 单臂式; (c) 双臂式； (d) 悬挂式 第九十二页，共180页。1. 1. 手臂的直线运动机构手臂的直线运动机构机器人手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动均属于直线运动, 而实现手臂往复直线活塞和连杆机构等运动的机构形式较多,常用的有活塞油(气)缸,活塞缸和齿轮齿条机构, 丝杠螺母机构等。 第九十三页，共180页。直线往复运动可采用液压或气压驱动的活塞油(气)缸。 由于活塞油 (气)缸的体积小,重量轻, 因而在机器人手臂结构中应用较多。 图2.48所示为双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端, 当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时, 则推动活塞杆2(即手臂)做往复直线移动。 导向杆3在导向套4内移动,以防手臂伸缩时的转动(并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道)。由于手臂的伸缩油缸安装在两根导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用, 活塞杆只受拉压作用, 故受力简单,传动平稳,外形整齐美观, 结构紧凑。 第九十四页，共180页。图 2.48 双导向杆手臂的伸缩结构 第九十五页，共180页。2. 2. 手臂回转运动机构手臂回转运动机构实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的,常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构和连杆机构。下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮齿条机构为例说明手臂的回转。 齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动,带动与手臂联接的齿轮作往复回转, 即可实现手臂的回转运动。带动齿条往复移动的活塞缸可以由压力油或压缩气体驱动。图2.49所示为手臂作升降和回转运动的结构。第九十六页，共180页。图 2.49 手臂升降和回转运动的结构第九十七页，共180页。图2.50所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图, 手臂的上下摆动由铰接活塞油缸和连杆机构来实现。 当铰接活塞油缸1的两腔通压力油时, 通过连杆2带动曲杆3(即手臂)绕轴心O做90的上下摆动(如双点划线所示位置)。 手臂下摆到水平位置时, 其水平和侧向的定位由支承架4上的定位螺钉6和5来调节。此手臂结构具有传动结构简单、凑紧和轻巧等特点。 第九十八页，共180页。图 2.50 双臂机器人的手臂结构 第九十九页，共180页。3. 3. 手臂俯仰运动机构手臂俯仰运动机构机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油(气)缸与连杆机构联用来实现。手臂的俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方, 其活塞杆和手臂用铰链连接, 缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱联接, 如图2.51、图2.52所示。此外,还有采用无杆活塞缸驱动齿轮齿条或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。 第一百页，共180页。图 2.51 手臂俯仰驱动缸安置示意图 第一百零一页，共180页。图 2.52 铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图 第一百零二页，共180页。4. 手臂复合运动机构手臂复合运动机构 1) 手臂的复合运动图2.53(a)所示为曲线凹槽机构手臂结构。 当活塞油缸1通入压力油时, 推动铣有N型凹槽的活塞杆2右移, 由于销轴6固定在前盖3上, 因此, 滚套7在活塞杆的N形凹槽内滚动, 迫使活塞杆2既做移动又做回转运动, 以实现手臂4的复合运动。活塞杆2上的凹槽展开图见图2.53(b)所示。其中, L1直线段为机器人取料过程; L曲线段为机器人送料回转过程;L2直线段为机器人向卡盘内送料过程。当机床扣盘夹紧工件后立即发出信号,使活塞杆反向运动,退至原位等待上料, 从而完成自动上料。 第一百零三页，共180页。图2.53用曲线凹槽机构实现手臂复合运动的结构第一百零四页，共180页。图 2.54 用行星机构实现手臂和手腕同时回转的结构手臂和手腕的结构图; (b) 手臂的结构图; (c) 手臂运动简图； (d) 手臂向量图 第一百零五页，共180页。2.4 机机 器器 人人 机机 座座2.4.1 2.4.1 固定式机器人固定式机器人固定式机器人的机座直接联接在地面基础上,也可固定在机身上。如图2.55所示的美国PUMA-262型垂直多关节型机器人, 其基座与立柱结构如图2.56所示, 主要包括立柱回转(第一关节)的二级齿轮减速传动, 减速箱体即为基座。 第一百零六页，共180页。图 2.55 PUMA-262型机器人 第一百零七页，共180页。传动路线为:电动机11输出轴上装有电磁制动闸16, 然后联接轴齿轮18, 轴齿轮与双联齿轮20啮合, 双联齿轮的另一端与大齿轮4啮合,电动机转动时,通过二级齿轮传动使主轴6回转。 基座2是一个整体铝铸件, 电动机通过联接板12与基座固定, 轴齿轮通过轴承和固定套17与基座相连, 双联齿轮安装在中间轴19上, 中间轴通过2个轴承安装在基座上。主轴是个空心轴, 通过2个轴承、立柱7和压环5与基座固定。立柱是1个薄壁铝管, 主轴上方安装大臂部件,基座上还装有小臂零位定位用的支架9, 2个控制末端操作器手爪动作的空气阀门15和气管接头14等。 第一百零八页，共180页。图 2.56 基座与立柱结构图 第一百零九页，共180页。2.4.2 移动式机器人移动式机器人 1. 1. 轮车机器人轮车机器人二轮车的速度、 倾斜度等物理精度不高, 而若将其进行机器人化, 则引进简单、便宜、可靠性高的传感器也很难。 此外,二轮车制动及低速行走时极不稳定, 目前正在进行稳定化试验。图2.57所示为利用陀螺仪的二轮车。人们在驾驶两轮车时, 依靠手的操作和体重的移动力求稳定行走,这种陀螺二轮车, 把与车体倾斜成比例的力矩作用在轴系上,利用陀螺效果使车体稳定。 第一百一十页，共180页。图 2.57 利用陀螺仪的二轮车 第一百一十一页，共180页。2. 2. 由三组轮子组成的轮系由三组轮子组成的轮系三轮移动机构是车轮型机器人的基本移动机构。目前, 作为移动机器人移动机构的三轮机构的原理如图2.58所示。 第一百一十二页，共180页。图 2.58 三轮车型移动机器人机构 第一百一十三页，共180页。图2.59所示的三组轮是由美国Unimationstanford 行走机器人课题研究小组设计研制的。 它采用了三组轮子, 呈等边三角形分布在机器人的下部。 图 2.59 三组轮 第一百一十四页，共180页。在该轮系中,每组轮子由若干个滚轮组成。这些轮子能够在驱动电机的带动下自由地转动,使机器人移动。驱动电机控制系统既可以同时驱动所有三组轮子,也可以分别驱动其中两组轮子,这样,机器人就能够在任何方向上移动。 该机器人行走部分设计得非常灵活, 它不但可以在工厂地面上运动,而且能够沿小路行驶。存在的问题是,机器人的稳定性不够,容易倾倒, 而且运动稳定性随着负载轮子的相对位置不同而变化。 另外， 在轮子与地面的接触点从一个滚轮移到另一个滚轮上的时候, 还会出现颠簸。 第一百一十五页，共180页。为了改进该机器人的稳定性, Unimationstanford研究小组重新设计了一种三轮机器人。改进后的特点是使用长度不同的两种滚轮： 长滚轮呈锥形, 固定在短滚轮的凹槽里。这样可大大减小滚轮之间的间隙, 减小了轮子的厚度, 提高了机器人的稳定性。 此外, 滚轮上还附加了软橡皮, 具有足够的变形能力, 可使滚轮的接触点在相互替换时不发生颠簸。 第一百一十六页，共180页。3. 3. 四轮机器人四轮机器人四轮车的驱动机构和运动基本上与三轮车相同。 图2.60(a)所示为两轮独立驱动, 前后带有辅助轮的方式。 与图2.58(a)相比, 当旋转半径为0时, 由于能绕车体中心旋转, 因此有利于在狭窄场所改变方向。 图2.60(b)是所谓汽车方式, 适合于高速行走, 但用于低速的运输搬运时, 费用不合算, 所以小型机器人不大采用。 第一百一十七页，共180页。图 2.60 四轮车的驱动机构和运动 第一百一十八页，共180页。图 2.61 火星探测用小漫游车 第一百一十九页，共180页。图2.62所示为四轮防爆机器人, 该轮系由于采用了四组轮子, 运动稳定性有很大提高。但是,要保证四组轮子同时和地面接触, 必须使用特殊的轮系悬挂系统。它需要四个驱动电机, 控制系统也比较复杂, 造价也较高。 第一百二十页，共180页。图 2.62 四轮防爆机器人 第一百二十一页，共180页。4. 4.