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操作機機構的結構方案及其運動設計是機器人設計的 關鍵,干式恒溫器本節(jié)將主要介紹操作機機構的結構設計及運動設計的要點。 !" 操作機手臂機構的設計 手臂機構一般具有 " 0 # 個自由度(當操作機需要回避障礙進行作業(yè)時,其 自由度可多于 # 個),可實現(xiàn)回轉、俯仰、升降或伸縮三種運動形式。 設計操作機手臂機構時,首先要確定操作機手臂機構的結構形式,通常應根 據其將完成的作業(yè)任務所需要的自由度數(shù)、運動形式、承受的載荷和運動精度要 求等因素來確定。其次是確定手臂機構的尺寸,由于手臂機構的尺寸基本決定 了操作機的工作空間,所以手臂機構的尺寸應根據機器人完成作業(yè)任務提出的 !"! 平面四桿機構的設計 !*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節(jié)的轉角范圍。此 外,在確定操作機的結構形式及尺寸時,還必須考慮到由于手臂關節(jié)的驅動是由 驅動器和傳動系統(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,以及在運動中產生的動載荷;也要考慮到其對操 作機手臂運動響應的速度,運動精度及運動剛度的影響等。 圖 !"!# 工業(yè)機器人機構簡圖 !" 操作機手腕機構的設計 在圖 !"!# 中操作機的手腕機構用 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,通常使末端執(zhí)行器能實現(xiàn) 回轉運動!,左右偏擺運動" 和俯仰角 運動#。手腕自由度愈多,各關節(jié)的運 動角范圍愈大,其動作的靈活性愈高, 機器人對作業(yè)的適應能力愈強。但增 加手腕自由度,會使手腕結構復雜,運 動控制難度加大。因此,一般手腕機構 的自由度為 $ % & 個即能滿足作業(yè)要 求。通用性強的機器人手腕機構的自由度為 ’,而某些專業(yè)工業(yè)機器人的手腕 機構則視作業(yè)實際需要可減少其自由度數(shù),甚至可以不要手腕。 手腕機構的形式很多,下面介紹一種應用最廣的具有兩個自由度的手腕機 構。 圖 !"!$ 手腕機構 圖 !"!$ 所示的手腕機構由圓錐齒 輪 !、",系桿 # ( $ 和小臂 # ( & 組成 的差動輪系,由兩個驅動傳動裝置傳 動。通常驅動電機安裝在大臂關節(jié)上, 經諧波減速器減速后,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 # ( $ 作回轉運動(!# )。故該手腕機構具有兩個自由度。若設兩鏈輪 $、& 的輸入角分別為!$ 和!& ,則手腕末桿 # 的回轉運動角!# 可由下式確定 !# )(!& (!$ )$! $" (!"$!) 由式(!"$!)可知,手腕末桿的轉角!# 不僅與末桿驅動轉角!& 有關,而且與 前一桿 # ( $ 的驅動轉角!$ 有關,即!$ 角也能引起!# 角的變化,我們把這種運 $#* 第!章 平面連桿機構及其設計 動稱為誘導運動。 在作手腕機構的運動設計時,要注意大、
小手臂的關節(jié)轉角對末端操作器的 俯仰角均可能產生誘導運動。此外,手腕機構的設計還要注意減輕手臂的載荷, 應力求手腕部件的結構緊湊,減小其重量和體積,以利于手腕驅動傳動裝置的布 置和提高手腕動作的精確性。 !" 末端執(zhí)行器的設計 機器人的末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行作業(yè)任務的裝置。通常末端執(zhí)行器的結構 和尺寸都是根據不同作業(yè)任務要求專門設計的,從而形成了多種多樣的結構型 式。根據其用途和結構的不同可分為機械式夾持器,吸附式執(zhí)行器和專用工具 (如焊槍、噴嘴、電磨頭等)三類。就工業(yè)機器人中應用的機械式夾持器形式而 言,多為雙指手爪式,按其手爪的運動方式又可分為平移型(圖 !"!#$)和回轉型。 回轉型手爪又可分為單支點回轉型(圖 !"!#%)和雙支點回轉型(圖 !"!#&);按其 夾持方式又可分為外夾式和內撐式(圖 !"!#’)。此外,按驅動方式則有電動、液 壓和氣動三種。 圖 !"!# 末端執(zhí)行器 圖 !"!( 機械式單支點回 轉型夾持器因工件直徑變動 引起工件軸心的偏移量! 設計末端執(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。用機械式單支點回轉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,在設計末端執(zhí)行器時,應盡可能使其結構簡單,緊湊、重量輕,以減輕 手臂的負荷。 !"! 平面四桿機構的設計 +*) 工業(yè)機器人操作機手臂機構和手腕機構的驅動傳動系統(tǒng)設計也是操作機機 械設計的重要環(huán)節(jié),傳動系統(tǒng)的設計根據機器人完成作業(yè)任務的不同,和驅動方 式的不同而有很大區(qū)別,此處不再多作介紹,設計時可參閱有關著作。