【正文】 要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 8178。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小（其比 重相當于鋼的 1/4，相當于鋁合金的 2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。因此，各關節(jié)都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。在設計機器人 的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。 設計具體 采用 方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動?？紤]到搬運工件的重量較大，考慮加工工件的質量達 30KG，屬中型重量，同時考慮到機械 手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。 9178。 同時，因為控制 和 具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大， 若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應能力也愈強。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為 2 至 3 個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。 ，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。 10178。 ，以保證力與運動的傳遞。 ， 并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結梁） 結構見圖 24。 11178。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。 搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。 測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。一個新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機器人新的應用場所。 、被 抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。 器的萬能性與專用性是矛盾的。目前，能用于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執(zhí)行器。因為這種萬能的執(zhí)行器的結構復雜且造價昂貴。 ，易于實現(xiàn)計算機控制。 12178。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電 液或電 氣變換環(huán)節(jié)）。一般工業(yè)機器人手爪，多為雙指手爪。 機器人夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種 方式 這種驅動系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節(jié)閥來調節(jié)其運動速度。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發(fā)熱。 機器人夾持器的典型結構 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。通常與彈簧聯(lián)合使用。 13178。 采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。 驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部 齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。本設計按照工件的直徑為 50mm 來設計。178。 除直接驅動型機器人以外，機器人各聯(lián)桿及各關節(jié)的運動都是由驅動器經過各種機械傳動機構進行驅動的。常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。 在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題： ，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。 ，以減小反向空回所造成的運動誤差。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。 ，以達到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。 ，機械零件產生共振時，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統(tǒng)的失動量和反轉誤差增大，穩(wěn) 態(tài)誤差增大，精度降低。 工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 178。 在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足 夠的剛度，還要求其轉動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉矩小，即在同一驅動功率時，其加速度響應最大。 （ 2） 各級傳動比的最佳分配原則。 為了提高齒輪傳動系統(tǒng)的運動精度，各級傳動比應按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉誤差對輸出轉角精度的影響。 則四級齒輪傳動系統(tǒng)的各級齒輪的轉角誤差（ 1?? 、 2?? 、 ...、 8?? ）178。 換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為 84 7643 54432 321m a x ????????? ????????????????? iiiiiii （ 22） 由此可知總轉角誤差主要取決于最 末級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小。 b．等效轉動慣量最小原則。 具體而言有幾點： （ 1） 對要求運動平穩(wěn)，起停頻繁和動態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉動慣量和總轉角誤差最小的原則來處理。 （ 3） 對于提高傳動精度和減小回程誤差 為主的傳動齒輪系統(tǒng)，按總轉角誤差最小原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩(wěn)性，應在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于 1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩(wěn)以及體積小重量輕時。 諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn)，承載能力強 、效率高等一系列優(yōu)點。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質上的差別。 17178。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。后者雖然結構復雜、制造成 本 高 ， 但 是 其 最 大 的 優(yōu) 點 是 摩 擦 阻 力 矩 小 、 傳 動 效 率 高（ 92%~98%），其運動平穩(wěn)性好，靈活度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標： （ 1）滾珠絲杠的精度等級； （ 2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預加載荷的期望 值； （ 3）載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值； （ 4）滾珠絲杠的工作壽命； （ 5）滾珠絲杠的臨界轉速； （ 6）滾珠絲杠的剛度； 減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結構，使螺母與絲杠之間有一定的預加載荷。但是預加載荷會使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的 1/3。為保證帶和帶輪作無滑 動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。 178。 鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結構簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅動力矩大、 壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。由于電機距離被傳動的腕關節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。故不需要中間 傳動機構，這既簡化了結構，同時又提高了精度。經分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了 保證比較高的精度 ，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差； 同時大大增大扭矩 ，同時 較大的降低電機轉速，以使機械手的運動平穩(wěn)，動態(tài)性能好 。 機械手驅動系統(tǒng)的設計 機器人 各類驅動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。 19178。 具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅動系統(tǒng)高。 工業(yè)機器人驅動系統(tǒng) 的選擇原則 設計機器人時，驅動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。一般情況下： （包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅動系統(tǒng)。 人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統(tǒng)。點焊、弧焊機器人多采用電動驅動系統(tǒng)。 機器人 液壓驅動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 1962 年在世界上第一臺機器人中應用到現(xiàn)在，已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應用。 20178。 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電 液轉換 元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。在工業(yè)機器人中，中、小功率的液壓驅動系統(tǒng)用節(jié)流調速的為多，大功率的用容積調速系統(tǒng)。容積調速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。 這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中，常常采用簡 易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。 （ 2） 定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構或鎖定裝置。 （ 4） 液壓源應該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時能量儲備。其電 液轉換和功率放大元件有電 液伺服閥，電 液比例閥，電 液脈沖閥等。根據(jù)結構設計的需要，電 液伺服馬達和電 液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。 在機器人的驅動系統(tǒng)中，常用的電 液伺服動力機構是電 液伺服178。 液壓缸和電 液伺服擺動馬達，也可以用電 液步進馬達。它可安裝在機器人手臂和手腕的關節(jié)上，實現(xiàn)直接驅動。 機器人 氣動驅動系統(tǒng) 氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業(yè)位置，也可以單獨 建立小型氣源系統(tǒng)。 氣動驅動系統(tǒng)在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。 5mm。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。 由總壓縮空氣站提供。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人及配套的其他氣動設備需要配置相應供氣量的氣源設備。 不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯(lián)件是必備的。 氣動閥的種類很多，在工業(yè)機器人的氣動驅動系統(tǒng)中，常用的閥件有電磁氣閥、節(jié)流調速閥、減壓閥等。 22178。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。為實現(xiàn)端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的內徑，行程大小可根據(jù)對機器人的運動分析和動力分析進行計算。無接觸感應式氣缸目前在氣動系統(tǒng)中已獲得廣泛的應用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環(huán)，通過磁感應，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關動作發(fā)訊，進行位置檢測。 氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現(xiàn)停點的制動。對于小流量的電磁氣閥，吸合關閉時間較小，停點的步長也要相應縮短。為增加定位點數(shù)，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制動，制動裝置制動。根據(jù)要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸，其限位開關是無接觸接近開關，這種開關的反映時間小于 20ms，在機器人中應用比較理想。常用的限位機構是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構（插鎖，滑 塊等）將機器人運動機構鎖定。 機器人 電動驅動系統(tǒng) 這些年來，針對機器人，數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機及伺服驅動器的大量出現(xiàn)，為機器人驅動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。 23178。其驅動原理方塊圖如下所示： 在機器人驅動系統(tǒng)中應用的電動機大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機，大慣量永磁直流伺服電動機（力矩電機），反應式步進電機，同步式交流伺服電動機，異步式交流伺服電動機。伺服電動機可與測速發(fā)電機、光電編碼器、制動器、減速器相結合，實現(xiàn)部分組合、由幾種組合或全部組合 ，形成伺服電動機驅動單元。 機器人的驅動系統(tǒng)電機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結構特點，結合各類電機自身的特點、性能、