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1、机械臂结构 一、臂部设计的基本要求 1承载能力足 n手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。 2刚度高n为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。 工字钢（GB706-88）：1、工字钢的型号与高度尺寸h有关，如：10号工字钢即指其高度尺寸为100mm。2、其它参数如截面积、单位长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。3、工字钢的长度按长度系列购买。如：519m。 槽钢（GB707-88）1、槽钢的型号与高度尺寸h有关，如：1
2、0号槽钢即指其高度尺为100mm。2、其它参数如截面积、单位长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。3、钢结构 3、导向性能好，定位精度高n为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。同时要采用一定形式的缓冲措施。 4重量轻、转动惯量小n为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。 5合理设计与腕部和机身的连接部位n臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。 二、机械臂的运动形式 1直角坐标型n臂部由三个相互正交的移动副组成。带动腕部分别沿X、Y、Z三个坐标轴的方向作直线移动
3、。结构简单，运动位置精度高。但所占空间较大，工作范围相对较小。 2圆柱坐标型n臂部由一个转动副和两个移动副组成。相对来说，所占空间较小，工作范围较大，应用较广泛。 3关节型n由动力型旋转关节和前、下两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。 4极坐标型n臂部由两个转动副和一个移动副组成。产生沿手臂轴X的直线移动，绕基座轴Y的转动和绕关节轴Z的摆动。其手臂可作绕Z轴的俯仰运动，能抓取地面上的物体。 三、典型机械臂结构 1手臂直线运动机构n常见方式： n行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；n当行程较大时：可采用或气缸
4、驱动齿条传动的倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换为直线运动。n典型结构： n油缸驱动的手臂结构n电机驱动的丝杆螺母结构 油缸齿条机构图例： 油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：四根导向柱的臂部伸缩机构： 手臂的垂直伸缩运动由油缸3驱动。特点：工作行程长，抓重大，适合于抓举工 件形状不规则、有偏转力矩的场合。1手部 2夹紧缸；3油缸；4导向柱；5运行架；6行走车轮；7轨道；8支座 电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例： 2手臂的回转运动机构 n常见方式： n常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。 n曲柄滑块：n假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时，可以推
5、动曲柄做摆动或圆周运动。 n典型机构： n液压缸连杆回转：n齿轮驱动回转： 平面四杆机构图例： 平面四杆机构双曲柄机构双摇杆机构 平面四杆机构演变图例：曲柄滑块机构 平面四杆机构的的演变不仅要满足运动方面的要求，而且要满足受力和结构上的要求。 双臂机器人手臂结构图例：1铰接活塞缸2连杆 3手臂4支承架运动特点：手臂关节的回转运动是通过液压缸-连杆机构实现。控制活塞的行程就控制了手臂摆角的大小。 齿轮驱动回转机构图例： 3关节型机械臂的结构（1）n存在的运动型式： n机身的旋转运动；n肩关节和肘关节的摆动；n腕关节的俯仰和旋转运动；n各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。 五轴关节型机器人手臂运
6、动图例（1）：腰转肩转肘转俯仰偏转 腰转姿态 五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：肩关节、肘关节与手腕的协调 3关节型机械臂的结构（2）n各运动的实现： n腕部的旋转：n电机M5减速器R5链轮副C5锥齿轮副G5旋转运动n5n腕部俯仰：n电机M4减速器R4链轮副C4俯仰运动n4n肘关节摆动： n电机M3两级同步带传动B3、B3减速器R3肘关节摆动n3n肩关节的摆动：n电机M2同步带传动B2减速器R2肩关节摆动n2 关节型机器人传动 系统图： 关节型机器人腕部旋转局部图：n电机M5减速器R5链轮 副C5锥齿轮副G5旋转运动n5 关节型机器人腕部俯仰局部图：n电机M4减速器R4链轮副C4俯仰运动n4 关节型机器人肘关节局部图：n电机M3两级同步带传动B3、B3减速器R3肘关节摆动n3 关节型机器人肩关节局部图例： n电机M2同步带传动B2减速器R2肩关节摆动n2 四、机械臂的控制 1、伺服系统的分类n液压伺服系统n机械臂各关节的运动通常由液压伺服阀控制液压缸实现。n电动伺服系统n机械臂各关节的运动通常由步进电机或直流电机驱动。 伺服直线液压缸图例： 电动伺服控制系统图例： 作业：1、设计三种机器人小臂相对于大臂的直线运动方案，动力源为电机驱动，用示意图表达。2、画出型号为20a的工字钢的截面形状，并标注出有关几何参数。3、解释液压伺服系统和电动伺服系统的组成及工作原理。
机器人的机械臂结构
