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操作機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案及其運動設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的 關(guān)鍵,干式恒溫器本節(jié)將主要介紹操作機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動設(shè)計的要點。 !" 操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計 手臂機(jī)構(gòu)一般具有 " 0 # 個自由度(當(dāng)操作機(jī)需要回避障礙進(jìn)行作業(yè)時,其 自由度可多于 # 個),可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、俯仰、升降或伸縮三種運動形式。 設(shè)計操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)時,首先要確定操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,通常應(yīng)根 據(jù)其將完成的作業(yè)任務(wù)所需要的自由度數(shù)、運動形式、承受的載荷和運動精度要 求等因素來確定。其次是確定手臂機(jī)構(gòu)的尺寸,由于手臂機(jī)構(gòu)的尺寸基本決定 了操作機(jī)的工作空間,所以手臂機(jī)構(gòu)的尺寸應(yīng)根據(jù)機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的 !"! 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 !*1 工作空間尺寸要求來確定,即確定出其手臂的長度及手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍。此 外,在確定操作機(jī)的結(jié)構(gòu)形式及尺寸時,還必須考慮到由于手臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動是由 驅(qū)動器和傳動系統(tǒng)來完成的,因而手臂部件自身的重量較大,而且還要承受手 腕、末端執(zhí)行器和工件的重量,以及在運動中產(chǎn)生的動載荷;也要考慮到其對操 作機(jī)手臂運動響應(yīng)的速度,運動精度及運動剛度的影響等。 圖 !"!# 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖 !" 操作機(jī)手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計 在圖 !"!# 中操作機(jī)的手腕機(jī)構(gòu)用 以實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)
空間中的三 個姿態(tài)坐標(biāo),通常使末端執(zhí)行器能實現(xiàn) 回轉(zhuǎn)運動!,左右偏擺運動" 和俯仰角 運動#。手腕自由度愈多,各關(guān)節(jié)的運 動角范圍愈大,其動作的靈活性愈高, 機(jī)器人對作業(yè)的適應(yīng)能力愈強(qiáng)。但增 加手腕自由度,會使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運 動控制難度加大。因此,一般手腕機(jī)構(gòu) 的自由度為 $ % & 個即能滿足作業(yè)要 求。通用性強(qiáng)的機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)的自由度為 ’,而某些專業(yè)工業(yè)機(jī)器人的手腕 機(jī)構(gòu)則視作業(yè)實際需要可減少其自由度數(shù),甚至可以不要手腕。 手腕機(jī)構(gòu)的形式很多,下面介紹一種應(yīng)用最廣的具有兩個自由度的手腕機(jī) 構(gòu)。 圖 !"!$ 手腕機(jī)構(gòu) 圖 !"!$ 所示的手腕機(jī)構(gòu)由圓錐齒 輪 !、",系桿 # ( $ 和小臂 # ( & 組成 的差動輪系,由兩個驅(qū)動傳動裝置傳 動。通常驅(qū)動電機(jī)安裝在大臂關(guān)節(jié)上, 經(jīng)諧波減速器減速后,用鏈傳動將運動 傳到鏈輪 $、& 上。鏈輪 $ 使手腕殼體 # ( $ 相對小臂 # ( & 實現(xiàn)上下俯仰擺 動(#);鏈輪 & 經(jīng)圓錐齒輪 !、" 傳動使 手腕末桿(其上裝有夾持器)# 相對手 腕殼體 # ( $ 作回轉(zhuǎn)運動(!# )。故該手腕機(jī)構(gòu)具有兩個自由度。若設(shè)兩鏈輪 $、& 的輸入角分別為!$ 和!& ,則手腕末桿 # 的回轉(zhuǎn)運動角!# 可由下式確定 !# )(!& (!$ )$! $" (!"$!) 由式(!"$!)可知,手腕末桿的轉(zhuǎn)角!# 不僅與末桿驅(qū)動轉(zhuǎn)角!& 有關(guān),而且與 前一桿 # ( $ 的驅(qū)動轉(zhuǎn)角!$ 有關(guān),即!$ 角也能引起!# 角的變化,我們把這種運 $#* 第!章 平面連桿機(jī)構(gòu)及其設(shè)計 動稱為誘導(dǎo)運動。 在作手腕機(jī)構(gòu)的運動設(shè)計時,要注意大、
小手臂的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角對末端操作器的 俯仰角均可能產(chǎn)生誘導(dǎo)運動。此外,手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計還要注意減輕手臂的載荷, 應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊,減小其重量和體積,以利于手腕驅(qū)動傳動裝置的布 置和提高手腕動作的精確性。 !" 末端執(zhí)行器的設(shè)計 機(jī)器人的末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置。通常末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu) 和尺寸都是根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)要求專門設(shè)計的,從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)型 式。根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可分為機(jī)械式夾持器,吸附式執(zhí)行器和專用工具 (如焊槍、噴嘴、電磨頭等)三類。就工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械式夾持器形式而 言,多為雙指手爪式,按其手爪的運動方式又可分為平移型(圖 !"!#$)和回轉(zhuǎn)型。 回轉(zhuǎn)型手爪又可分為單支點回轉(zhuǎn)型(圖 !"!#%)和雙支點回轉(zhuǎn)型(圖 !"!#&);按其 夾持方式又可分為外夾式和內(nèi)撐式(圖 !"!#’)。此外,按驅(qū)動方式則有電動、液 壓和氣動三種。 圖 !"!# 末端執(zhí)行器 圖 !"!( 機(jī)械式單支點回 轉(zhuǎn)型夾持器因工件直徑變動 引起工件軸心的偏移量! 設(shè)計末端執(zhí)行器時,無論是夾持式或吸附式,都需要有足夠的夾持(吸附)力 和所需要的夾持位置精度。用機(jī)械式單支點回轉(zhuǎn)型夾持器來夾持工件時(圖 !"!(),由于所夾持工件的直徑有變動時,將引起工件軸心的偏移量!(稱為夾持 誤差),因其值相對較大,故其夾持位置精度較低。為了改善夾持精度,可采用雙 支點回轉(zhuǎn)型夾持器或采用平移型夾持器,其夾持位置精度幾乎不受工件直徑大 小的影響。 同樣,在設(shè)計末端執(zhí)行器時,應(yīng)盡可能使其結(jié)構(gòu)簡單,緊湊、重量輕,以減輕 手臂的負(fù)荷。 !"! 平面四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 +*) 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)的驅(qū)動傳動系統(tǒng)設(shè)計也是操作機(jī)機(jī) 械設(shè)計的重要環(huán)節(jié),傳動系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)的不同,和驅(qū)動方 式的不同而有很大區(qū)別,此處不再多作介紹,設(shè)計時可參閱有關(guān)著作。