【正文】 數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。 桁架機器人的自由度越多，越接近人手的動作機能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著桁架機器人整體重量的增加。工業(yè)機器人基于對定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負荷能力與其自重相比往往非常小。 坐標形式的選擇 桁架機器人的坐標形式主要可分為：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)坐標型另外還有比較復(fù)雜的 SCARA 型和并聯(lián)型 [9]。但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差，且移動軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，而且需架空線路。這種桁架機器人，占地面積小而活動范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡單，并能達到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較 5 廣泛。但是結(jié)構(gòu)也比較龐大，兩個移動軸的設(shè)計較為復(fù)雜。這類桁架機器人具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié) 構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問題，故比較復(fù)雜。 運動范圍為 5000X3000X2021mm 最大抓取力為 10Kg。 有效負載 有效負載是指機器人操作臂在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了桁架機器人的負載能力。為了安全起見，有效負載是指高速運行時的有效負載。它反映了機器人的使用效率和生產(chǎn)水平，桁架機器人的運動速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平越高。對于本文中的桁架機器人，在沒有負載時可以適當?shù)丶涌炱溥\動 7 速度 ?？偟膩碚f，桁架機器人的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。從設(shè)計的理論出發(fā)，機器人手臂要進 行各種運動。另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生沖擊和振動，這必然大大降低它的運動精度。此外，機器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、成本、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。下面介紹幾種機器人手臂常用的材料 [7]： (l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強度鋼：這類材料強度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強，是應(yīng)用最廣泛的材料 。 (3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金屬連接的特殊部位。 從本文設(shè)計的桁架機器人的角度來看，在選用材料時不需要很大的負載能力，也不需要很高的彈性模 量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。 8 機械臂的運動方式 根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。同一種運動形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。 考慮到桁架機器人的作業(yè)特點，即要求其動作靈活、有較 大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點，故選用關(guān)節(jié)型桁架機器人。其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。但是這類桁架機器人運動學(xué)比較復(fù)雜，運動學(xué)的反解比較困難；確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進行控制時，計算量比較大。電氣驅(qū)動主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、直線電動機以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波 電機和 HD電動機【 10】等幾 種。步進電機可在很寬的范圍內(nèi)，通過脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進行起動、停止、反轉(zhuǎn)和制動變速，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。主要有永磁式、反應(yīng)式、永磁感應(yīng)子式三種。其功能是將輸入的受控電壓 /電流能量轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。特點是穩(wěn)定性好、可控性好、響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)矩大。 . 交流伺服電機的使用情況與直流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相比，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、功率大、過載能力強、無電刷、維修方便，因而交流伺服 9 電機是今后機器人 用電機的主流。為了提高功率效率比，伺服電機制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機械負載。環(huán)形超聲波電動機具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。 通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮本文桁架機器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應(yīng)用較為廣泛的步進電機作為驅(qū)動電機。整個機構(gòu)的水平運動采用來實現(xiàn)，即整個機構(gòu)裝在一個上。這種結(jié)構(gòu)動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，占地面積 小，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動力矩小，能量消耗較少，關(guān)節(jié)相對運動部位容易密封防塵。 各部分的功能如下： 1) 底座，是機器人的基礎(chǔ)部分，整個執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)都安裝在基座上。 3) 手臂包括臂和小臂，是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，以實現(xiàn)空間位置的 3 個坐標分量的要求，用來支承腕關(guān)節(jié)，并使其在工作 空間內(nèi)運動。 4) 腕關(guān)節(jié)是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用于調(diào)整末端執(zhí)行器的方向和姿態(tài)。 10 3 桁架機器人氣爪結(jié)構(gòu)設(shè)計 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 手爪種類 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。 不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。手 指的最小開度由加工 工件的直徑來調(diào)定。 a．有適當?shù)膴A緊力 手部在工作時，應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。 b．有足夠的開閉范圍 工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。 結(jié)構(gòu)分析 機械手的手部是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，是用來握持工件的部件。夾持類手部又可分夾鉗式、托勾式和彈簧式。手部傳動機構(gòu)可分回轉(zhuǎn)型、平動型和平移型。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。和回轉(zhuǎn)型手爪一樣，夾持中心隨被夾持物體直徑的大小而變。為便于夾持避免固定中心的麻煩，采用平移型，圖 21所示的是靠導(dǎo)槽保持手指作平移運動。 12 圖 21 手部裝配圖 計算分析 因工件運動速度引起視在重量增加情況下 的夾緊力計算 機器人手臂停止狀態(tài)開始的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的組合，所以伴隨有速度和加速度 .工件有了加速度，其視在重量就變化。 切線方向： 20Qt mr???? 主法線方向： 2( ) 02n mrQ F m r ???? ? ? 2( ) 02n mrQ R m r ???? ? ? 副法線方向： 2( ) 02b mgQ F m r??? ? ? 2( ) 02b mgQ R m r??? ? ? 聯(lián)立上式，求解得 2 2 2( ) 22r g rQm ?????? 13 代入數(shù)據(jù)，得 ? ? 2 220 . 5 2 . 1 9 . 8 2 0 . 5 3 . 50 . 1 7 . 3 72 0 . 1 5QN? ? ? ? ??? ? 后指： 22c o s( s i n ) ( ) ( ) 022R m a m gQ m a ???? ? ? ? 由于是機械手部機構(gòu)， QF=QR,所以結(jié)果 Q必須滿足下式 22( c o s ) 2 s i n2a g aQm ? ? ????? 代入數(shù)據(jù)，得 ? ? 2 20 . 3 9 . 8 c o s 4 5 9 . 8 2 0 . 1 5 0 . 3 9 . 8 s i n 4 50 . 1 3 . 5 52 0 . 1 5QN? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? 圖 24 工件水平直進時受力分析圖 綜上所述，得 ?最 大 值 由于考慮到設(shè)計的機械手的安全問題， Q 應(yīng)再乘上一個安全系數(shù) S。 由設(shè)計要求得知夾持長度 L＝ 25mm,根據(jù)圖可知所加的壓強約為 . 夾持長度（夾緊力 水平方向運動機械部件的計算 電機計算 （ 1）選擇步進電機 齒輪齒條工作時，需要克服摩擦阻力矩、工件負載阻力矩和啟動時的慣性力矩。 m）； M摩 — 摩擦阻力矩（ N m）； 慣M — 啟動時慣性阻力矩（ N m2）； J — 對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ kg 根據(jù)已知條件： ?負m kg， ?v m/s， ?R m， ?R m， ?l m，?啟t s，采用的材料假定為鑄鋼，密度 ??? kg/m3。 m2 ? ?22212 23 RRmmlJ ??? ? ?222 ????? ??? kg m 啟慣 tJm glM /??? ?????? ? ? N m 因為傳動是通過齒輪齒條實現(xiàn)的，所以查取手冊 [15]得： 彈性聯(lián)軸器傳動效率 ?? ； 滾動軸承傳動效率 ?? （一對）； 齒輪齒條傳動效率 ?? ； 計算得傳動的裝置的總效率 ?a? 。 m （ ） 根據(jù)計算得出的所需力矩，結(jié)合北京和利時電機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 90 系列的五相混合型步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖 和圖 所示 ,選擇90BYG5200BSAKRML0301 型號的步進電機。 b. 貨叉為一般工作機械，速度不高，故選用 7級精度（ GB/009588） 。選擇齒輪材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，齒條材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS； d. 初選齒輪齒數(shù)為 Z=20。 （ 1） .試選載荷系數(shù) Kt= (2).計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T= 1010 35 *40*m in/26 * ?r (432) =*104 (3).選齒寬系數(shù) d? = 18 （ 4） .查得材料的彈性影響系數(shù) ZE= 2/1 (5).按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限 MPaH 600lim ?? ，齒條的接觸疲勞強度極限 MPaH 550lim ?? （ 6）取齒輪接觸疲勞壽命系數(shù) kH=, 齒條接觸疲勞壽命系數(shù) kH= （ 7）計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 00 ，安全系數(shù) S=1，由公式 ? ?H? = lim*?SkHN求得：齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力 ? ?H? =540MPa,齒條的接觸疲勞許用應(yīng)力 ? ?H? =。 d=mz=2*20=40mm (4317) b．計算齒輪齒條寬度 b= d? *d=*40=18mm, (4318) 取齒輪寬度 B=17mm,齒條寬度為 B=16mm. da=d+2ha*m=40+2*2=44mm (4319) df=d2(ha+c)m=402**2=35mm (4320) P=? m=2? (4321) ha=ha* m=1*2=2 (4322) 21 hf=(c* +ha* )m=(1+)*2= (4322) 豎直方向運動機械部件的計算 步進電機的選型 計算所需的轉(zhuǎn)矩： 摩慣 MMM l ?? （ N m） () lv?? （ rad/s） () lMM ?摩 （ N m2) () /lM