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1、会计学1富井机械臂结构设计原理富井机械臂结构设计原理一、臂部设计的基本要求一、臂部设计的基本要求第1页/共37页1承载能力足：承载能力足：n n手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。第2页/共37页2刚度高：刚度高：n n为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字型工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。第3页/共37页工字钢（工字钢（GB706-88）：）：1、工字钢的型号与高度尺寸h有关，如：10号工字钢即指其高度尺寸为100mm。2、其它参数如截面积、单位
2、长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。3、工字钢的长度按长度系列购买。如：519m。第4页/共37页槽钢（槽钢（GB707-88）1、槽钢的型号与高度尺寸h有关，如：10号槽钢即指其高度尺为100mm。2、其它参数如截面积、单位长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。第5页/共37页3、导向性能好，定位精度高：、导向性能好，定位精度高：n n为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。同时要采用一定形式的缓冲措施。第6页/共37页4重量轻、转动惯量重量轻、转动惯量小：小：n n为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转
3、动惯量。第7页/共37页5 5合理设计与腕部和机身的连接部位：合理设计与腕部和机身的连接部位：合理设计与腕部和机身的连接部位：合理设计与腕部和机身的连接部位：n n臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。第8页/共37页二、机械臂的运动形式二、机械臂的运动形式第9页/共37页1直角坐标型：直角坐标型：n n臂臂部部由由三三个个相相互互正正交交的的移移动动副副组组成成。带带动动腕腕部部分分别别沿沿X X、Y Y、Z Z三三个个坐坐标标轴轴的的方方向向作作直直线线移移动动。结结构构简简单单，运运动动位位置置精精度度高高。但但所所占占空空间间较较大大
4、，工工作作范范围围相相对对较小。较小。第10页/共37页2圆柱坐标型：圆柱坐标型：n n臂部由一个转动副和两个移动副组成。相对来说，所占空间较小，工作范围较大，应用较广泛。第11页/共37页3关节型：关节型：n n由由动动力力型型旋旋转转关关节节和和前前、下下两两臂臂组组成成。关关节节型型机机器器人人以以臂臂部部各各相相邻邻部部件件的的相相对对角角位位移移为为运运动动坐坐标标。动动作作灵灵活活，所所占占空空间间小小，工工作作范范围围大大，能能在在狭狭窄窄空空间间内内饶饶过过各各种种障障碍碍物。物。第12页/共37页4极坐标型：极坐标型：n n臂臂部部由由两两个个转转动动副副和和一一个个移移动动
5、副副组组成成。产产生生沿沿手手臂臂轴轴X X的的直直线线移移动动，绕绕基基座座轴轴Y Y的的转转动动和和绕绕关关节节轴轴Z Z的的摆摆动动。其其手手臂臂可可作作绕绕Z Z轴轴的的俯俯仰仰运运动动，能能抓抓取取地地面面上上的的物物体。体。第13页/共37页三、典型机械臂结构三、典型机械臂结构第14页/共37页1手臂直线运动机构手臂直线运动机构n n常见方式：常见方式：n n行行程程小小时时：采采用用油油缸缸或或汽汽缸缸直接驱动；直接驱动；n n当当行行程程较较大大时时：可可采采用用油油油油缸缸缸缸或或汽汽缸缸驱驱动动齿齿条条传传动动的的倍倍增增机机构构或或采采用用步步进进电电机机或或伺伺服服电电
6、机机驱驱动动，并并通通过过丝丝杆杆螺螺母母来转换为直线运动。来转换为直线运动。n n典型结构：典型结构：n n油油缸缸驱驱动动的的手手臂臂伸伸伸伸缩缩缩缩运运运运动动动动结结构构n n电电机机驱驱动动的的丝丝杆杆螺螺母母直直直直线线线线运运运运动动动动结构结构 第15页/共37页油缸油缸齿条机构图例：齿条机构图例：第16页/共37页油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：特点：特点：工作行程长，抓重大，适合于抓举工件形状不规则、有偏转力矩的场合。第17页/共37页电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：电机驱动丝
7、杆螺母直线运动结构图例：电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：第18页/共37页2手臂的回转运动机手臂的回转运动机构构 n n常见方式：常见方式：常见方式：常见方式：n n常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。n n曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块曲柄滑块机构机构机构机构：n n假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时，可以推动曲柄做摆动假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时，可以推动曲柄做摆动或圆周运动。或圆周运动。n n典型机构：典型机构：典型机构：典型机构：n n液压缸液压缸连杆回转
8、连杆回转机构机构机构机构：n n齿轮驱动回转齿轮驱动回转机构机构机构机构：第19页/共37页平面四杆机构图例：平面四杆机构图例：平面四杆机构双曲柄机构双摇杆机构第20页/共37页平面四杆机构演变图例：平面四杆机构演变图例：曲柄滑块机构第21页/共37页双臂机器人手臂结构图双臂机器人手臂结构图例：例：1铰接活塞缸2连杆3手臂4支承架运动特点：手臂关节的回转运动是通过液压缸-连杆机构实现。控制活塞的行程就控制了手臂摆角的大小。第22页/共37页齿轮驱动回转机构图例：齿轮驱动回转机构图例：第23页/共37页3关节型机械臂的结关节型机械臂的结构（构（1）n n存在的运动存在的运动型式型式：n n机身的
9、旋转运动；机身的旋转运动；n n肩关节和肘关节的摆动；肩关节和肘关节的摆动；n n腕关节的俯仰和旋转运动；腕关节的俯仰和旋转运动；n n各运动的协调：各运动的协调：称为称为5轴关节型机器人。轴关节型机器人。第24页/共37页五轴关节型机器人手臂运动图例（五轴关节型机器人手臂运动图例（五轴关节型机器人手臂运动图例（五轴关节型机器人手臂运动图例（1 1）：）：）：）：腰转肩转肘转俯仰偏转腰转姿态第25页/共37页五轴关节型机器人手臂运动图例（五轴关节型机器人手臂运动图例（五轴关节型机器人手臂运动图例（五轴关节型机器人手臂运动图例（2 2）：）：）：）：肩关节、肘关节与手腕的协调第26页/共37页3
10、关节型机械臂的结关节型机械臂的结构（构（2）n n各运动的实现：各运动的实现：各运动的实现：各运动的实现：n n腕部的旋转：腕部的旋转：n n电机电机MM5 5减速器减速器R R5 5链轮副链轮副C C5 5锥齿轮副锥齿轮副G G5 5旋转运旋转运动动n n5 5n n腕部俯仰：腕部俯仰：n n电机电机MM4 4减速器减速器R R4 4链轮副链轮副C C4 4俯仰运动俯仰运动n n4 4n n肘关节摆动：肘关节摆动：n n电电机机MM3 3两两级级同同步步带带传传动动B B3 3、B B3 3 减减速速器器R R3 3肘肘关关节节摆动摆动n n3 3n n肩关节的摆动：肩关节的摆动：n n电机
11、电机MM2 2同步带传动同步带传动B B2 2减速器减速器R R2 2肩关节摆动肩关节摆动n n2 2 第27页/共37页关节型机器人传动 系统图：第28页/共37页腕部旋转局部图例：n电机M5减速器R5链轮 副C5锥齿轮副G5旋转运动n5第29页/共37页腕部俯仰局部图例：n电机M4减速器R4链轮副C4俯仰运动n4第30页/共37页肩关节局部图例：n电机M2同步带传动B2减速器R2肩关节摆动n2第31页/共37页四、机械臂的控制四、机械臂的控制第32页/共37页1、伺服系统的分类：、伺服系统的分类：n n液压伺服系统：液压伺服系统：n n机械臂各关节的运动通常由机械臂各关节的运动通常由液压伺服阀控制液压缸实现。液压伺服阀控制液压缸实现。n n电动伺服系统：电动伺服系统：n n机械臂各关节的运动通常由机械臂各关节的运动通常由步进电机或直流电机驱动。步进电机或直流电机驱动。第33页/共37页肘关节局部图例：n电机M3两级同步带传动B3、B3减速器R3肘关节摆动n3第34页/共37页伺服直线液压缸图例：伺服直线液压缸图例：第35页/共37页电动伺服控制系统图例：电动伺服控制系统图例：第36页/共37页感谢您的观看！感谢您的观看！第37页/共37页