机器人本体结构(培训学习)

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姿
腕部
态
机
构
大臂
大臂
位
置
腰部
机 构
机座 上述操作机的分类是按位学习置培训机构的结构形式分的。 2
关节:工业机器人的运动副。 3个腕关节
1个肘关节
1个肩关节
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1个腰关节
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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：
ห้องสมุดไป่ตู้
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
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 。
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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。
5.3.1 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间接驱动腕 部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传 动刚度也降低了。
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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。
四导向柱式臂部伸缩机构 1—手部；2—夹紧缸；3—油缸；道4学；—习8导培—向训支柱座；5—运行架；6—行走车轮；7—15轨
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
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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
SV m3O3G3 m
O2V

m2O2G2 m3O3G3 m
则总力矩：
M 0
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二、弹簧平衡方法
M0 Fr1 sin
sin r2 sin(90 ) r2 cos
l
l
F k(l l0 )
M0

k(l
l0 )r1r2 l
cos
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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。
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5.3 腕部及手部结构
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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一些。
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。
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二、机器人本体基本结构的举例
末杆+ 手部
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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。
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5.2.2 机器人臂部结构的基本形式和特点 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
于系统的稳定。
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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= 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。
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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。
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三、臂部设计需注意的问题
(1)承载能力足。 (2) 刚度高。 (3)导向性能好。 (4)重量轻、转动惯量小。 (5)合理设计与腕和机身的连接部位。
W为运动部件的总重力(N) 。
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2.回转运动驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
Mm 为总摩擦阻力矩(N·m)； M g 为回转运动部件的总惯性力矩 (N·m)
Mg

J0

t
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3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算
L Gi Li Gi
h 2 fL
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(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
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2．回转与俯仰机身
回转与俯仰机身
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二、机身驱动力(力矩)计算
1.垂直升降运动驱动力 摩擦力/总重力/惯性力:
P的q 计算
Pq Fm Fg W
Fm为各支承处的摩擦力(N)；
Fg 为启动时的总惯性力(N)；