【文章內(nèi)容簡介】 計、控制電機的設計、傳動的設計來進行的。 夾持型手抓結構簡單，制造容易，應用廣泛，所以選擇夾持型手抓。 手腕是帶動手抓和連接前臂的機構，所以控制手腕的電機和帶輪等部件要安裝 在手腕內(nèi)。 前臂是帶動前端的手腕和手抓連接后臂的機構，所以控制前端的電機和帶輪等 部件要安裝在前臂內(nèi)。 后臂是帶動前端手抓、手腕、前臂和連接立柱的機構，所以為了制造方便把控 制前端和后臂本身的電機和帶輪等部件安裝在后臂內(nèi)。 立柱是帶動前端手抓、手腕、前臂、后臂和連接底座的機構，所以控制立柱本 身轉動的電機等部件 安裝在立柱內(nèi)。 底座是前幾個部件的基礎部分，是支撐和固定的重要部件。 包括手抓、手腕、前臂、后臂、立柱和底座等部件，有的還增設行走機構。 ① 手部 機器人手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式 和吸附式手部。 夾持式手部由手指 (或手爪 )和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構 件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故 應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零 件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化 范圍大的工件。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔 )和物件的 重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 。指 數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較 多，常用的有 :滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈 8 五軸機器人主體結構設計及運動仿真 簧式和重力式等。 吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力 (如吸盤內(nèi)形成負壓或產(chǎn)生電磁 力 )吸附物件，相應 的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式 有氣流負壓式和真空泵式。 對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸 盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附 的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式 (如澆鑄機械手的澆包部分 )、托式 (如冷 齒輪機床上下料機械手的手部 )等型式。 ② 手腕 機器人手腕是連接手部和手臂的 部件，并可用來調整被抓取物件的方位 (即姿 勢 )。 ③ 手臂 機器人手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指 去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。 工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件 (如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、 連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等 )與驅動源 (如液壓、氣壓或電機等 )相配合，以 實現(xiàn)手臂的各種運動 ［ 19］ 。 手臂可能實現(xiàn)的運動如下 : 直線運動：如伸縮、升降、橫移運動。 基本運動 回轉運動：如水平回轉、上下擺動（即俯仰）運動。 手臂運動 直線運動與回轉運動 的組合（即螺旋運動）。 復合運動 兩直線運動的組合（即平面運動）。 兩回轉運動的組合（即空間曲面運動）。 9 五軸機器人主體結構設計及運動仿真 手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置， 以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉 力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài) 簡單。 導向裝置結構形式，常用的有 :單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V形槽、燕尾槽等導 向型式。 ④ 立柱 機器人立 柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動 和升降 (或俯仰 )運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但 因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 ⑤ 機座 機器人機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝 于機座上，故起支撐和連接的作用。 傳動機構 帶傳動 帶傳動具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、能緩沖吸振、可以在大的軸間距和多軸間傳 遞動力，且其造價低廉、不需潤滑、維護容易等特點，在近代機械傳動中應用十分 廣泛。摩擦 型帶傳動能過載打滑、運轉噪聲低，但傳動比不準確（滑動率在 2%以下）； 同步帶傳動可保證傳動同步，但對載荷變動的吸收能力稍差，高速運轉有噪聲。 帶 傳動除用以傳遞動力外，有時也用來輸送物料、進行零件的整列等。 平型帶傳動工作時帶套在平滑的輪面上，借帶與輪面間的摩擦進行傳動。傳動 型式有開口傳動、交叉?zhèn)鲃雍桶虢徊鎮(zhèn)鲃拥?，分別適應主動軸與從動軸不同相對位 置和不同旋轉方向的需要。平型帶傳動結構簡單，但容易打滑，通常用于傳動比為 3左右的傳動。 平型帶有膠帶、編織帶、強力錦綸帶和高速環(huán)形帶等。膠帶是平型帶中用得最 多的一種。它強度較高，傳遞功率范圍廣 ［ 20］ 。編織帶撓性好，但易松弛。強力錦 綸帶強度高，且不易松弛。平型帶的截面尺寸都有標準規(guī)格，可選取任意長度，用 10 五軸機器人主體結構設計及運動仿真 膠合、縫合或金屬接頭聯(lián)接成環(huán)形。高速環(huán)形帶薄而軟、撓性好、耐磨性好，且能 制成無端環(huán)形，傳動平穩(wěn)，專用于高速傳動。 由于帶傳動具有傳動平穩(wěn)、結構簡單、成本低、使用維護方便和良好的撓性及 彈性等優(yōu)點，所以本設計選擇帶傳動。 氣壓機械手夾持機構 氣壓傳動以壓縮氣體為工作介質，靠氣 體的壓力傳遞動力或信息的流體傳動。 傳遞動力的系統(tǒng)是將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制閥輸送給氣動執(zhí)行元件，把壓縮氣體 的壓力能轉換為機械能而作功；傳遞信息的系統(tǒng)是利用氣動邏輯元件或射流元件以 實現(xiàn)邏輯運算等功能，亦稱氣動控制系統(tǒng)。 氣壓傳動由氣源、氣動執(zhí)行元件、氣動控制閥和氣動輔件組成。氣源一般由 Link title壓縮機提供。氣動執(zhí)行元件把壓縮氣體的壓力能轉換為機械能，用來驅動工 作部件，包括氣缸和氣動馬達 ［ 21］ 。氣動控制閥用來調節(jié)氣流的方向、壓力和流量， 相應地分為方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥。氣動輔件 包括：凈化空氣用的 分水濾氣器，改善空氣潤滑性能的油霧器，消除噪聲的消聲器，管子聯(lián)接件等。在 氣壓傳動中還有用來感受和傳遞各種信息的氣動傳感器。 氣壓傳動具有下述優(yōu)點：（ 1）工作介質是空氣，取之不盡用之不竭，用后的空 氣可以排到大氣中去，不會污染環(huán)境。（ 2）工作介質粘度很低，流動阻力很小，壓 力損失小，便于集中供氣和遠距離輸送，所以本設計機械手夾持機構驅動方式選擇 氣壓方式。 控制機構 伺服電機（ servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉的發(fā)動機，是 一種補助馬達間接變速裝置 。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將 電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件， 把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服 電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增 加而勻速下降。 (servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠 跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位， 基本上可以這樣理解，伺服電機接收到 1個脈沖，就會旋轉 1個脈沖對 應的角度，從 11 五軸機器人主體結構設計及運動仿真 而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個 角度，都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者 叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖 回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到 ［ 22］ 。 如圖 圖 伺服電機 直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電 機成本低，結構簡單，啟動轉矩大， 調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對 環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力 矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦 波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各 種環(huán)境。 2. 交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般 都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的 功率。大慣量，最高轉動速度低， 且隨著功率增大而快速降低，適合做低速平穩(wěn)運行的應用，因此本設計采用交流伺 服電機驅動運動機構。 ，驅動器控制的 U/V/W三相電形成電磁場，轉 子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù) 反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的 精度（線數(shù)）。 12 五軸機器人主體結構設計及運動仿真 M為每個電機需要帶動關節(jié)的重量 D為電機帶動關節(jié) 的旋轉直徑 N為電機帶動關節(jié)的最高轉速 （ 1）電機 1（電機 1為控制機器人手抓旋轉的電機）及減速器選型，如圖 尺寸圖 M=5kg D=10cm n=60r/min Jl=MD178。/8 =5100/8 =cm178。 假設減速比為 R，則折算到伺服電機軸上的負載慣量為 178。 按照負載慣量＜ 3倍電機轉子慣量 JM的原則 如果選擇 30w電機，查松下 A系列伺服電機手冊（圖 ）得： JM= 則 178。＜ 3 得 R＞ 輸出轉速 n=83r/min,滿 足要求。 所以選松下 MSMA系列（小慣量） 30w型電機，額定轉速為 3000r/min。 根據(jù)減速比選擇能配合松下 MSMA系列的 ECT行星減速機 PB系列 PB40減速機 減速器的減速比為 40。 （ 2）電機 2（電機 2為控制機器人手腕旋轉的電機）及減速器選型，如圖 尺寸圖 M=6kg D=6cm n=60r/min 電機軸與控制軸的距離 d=9cm I=Ic+md178。 =MD178。/8+md178。 =636/8+69178。 =27+486 =513kgcm178。 假設減速比為 R，則折算到伺服電機軸上的負載 慣量為 513/R178。 按照負載慣量＜ 3倍電機轉子慣量 JM的原則 13 五軸機器人主體結構設計及運動仿真 如果選擇 50w電機，查松下 A系列伺服電機手冊（圖 ）得： JM= 則 513/R178。＜ 3 得 R＞ 輸出轉速 n=44r/min,滿足要求。 所以選松下 MSMA系列（小慣量） 50w型電機，額定轉速為 3000r/min。 根據(jù)減速比選擇能配合松下 MSMA系列的 ECT行星減速機 PB系列 PB40減速機 減速器的減速比為 48。 （ 3）電機 3（電機 3為控制機器 人前臂旋轉的電機）及減速器選型，如圖 尺寸圖 M=8kg D=6cm n=30r/min 電機軸與控制軸的距離 d=9cm I=Ic+md178。 =MD178。/8+md178。 =836/8+89178。 =36+648 =684kgcm178。 假設減速比為 R，則折算到伺服電機軸上的負載慣量為 684/R178。 按照負載慣量＜ 3倍電機轉子慣量 JM的原則 如果選擇 50w電機，查松下 A系列伺服電機手冊（圖 ）得： JM= 則 684/R178。＜ 3 得 R＞ 80 輸出轉速 n=,滿足 要求。 所以選松下 MSMA系列（小慣量） 50w型電機，額定轉速為 3000r/min。 根據(jù)減速比選擇能配合松下 MSMA系列的 ECT行星減速機 PB系列 PB40減速機 減速器的減速比為 100。 （ 4）電機 4（電機 4為控制機器人后臂旋轉的電機）及減速器選型，如圖 尺寸圖 M=10kg D=6cm n=30r/min 電機軸與控制軸的距離 d=10cm I=Ic+md178。 14 五軸機器人主體結構設計及運動仿真 =MD178。/8+md178。 =1036/8+1010178。 =45+1000 =1045kgcm178。 假設減速比為 R，則折算到伺服電機軸上的負載慣量為 1045/R178。 按照負載慣量＜ 3倍電機轉子慣量 JM的原則 如果選擇 100w電機，查松下 A系列伺服電機手冊（圖 ）得：