第八章 操作臂的機(jī)械設(shè)計(jì)【（一）8.1-8.9】

（一）概述

1、機(jī)器人系統(tǒng)的組成大體可分為四個(gè)部分

（1）操作臂，包括它的內(nèi)部或本體傳感器；

（2）末端執(zhí)行器，或者叫做工具端；

（3）外部傳感器和執(zhí)行器，比如視覺(jué)系統(tǒng)和反饋裝置；

（4）控制器；

（二）基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)

1、自由度的數(shù)目

（1）圖8-1所示未操作臂以兩種不同的方法對(duì)磨削工具進(jìn)行定位。實(shí)際上只需要5個(gè)自由度

（2）在一些任務(wù)中，當(dāng)由主動(dòng)定位裝置來(lái)放置零件時(shí)，則可以使用少于6個(gè)自由度的機(jī)器人。如圖8-2，在計(jì)算圓管和末端執(zhí)行器之間的自由度時(shí)，傾斜/轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)來(lái)放置焊接的零件，應(yīng)該被視為2個(gè)自由度。這樣在進(jìn)行弧焊時(shí)，由于其工具端具有對(duì)稱(chēng)性，理論上只要3個(gè)自由度。

（3）若零件自身具有對(duì)稱(chēng)軸，嘛呢也會(huì)減少操作臂所需要的自由度數(shù)目。

2、工作空間

（1）工作空間有時(shí)也被稱(chēng)為工作空間體積或工作空間包絡(luò)。

3、負(fù)載能力

（1）操作臂的負(fù)載能力與結(jié)構(gòu)尺寸、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。

4、速度

（1）對(duì)于特定任務(wù)，操作臂末端執(zhí)行器的最大速度和總體循環(huán)時(shí)間是由很大區(qū)別的。通常加速和減速時(shí)間占據(jù)了大部分的循環(huán)時(shí)間。因此，除了最大速度，加速能力也很重要。

5、重復(fù)精度和定位精度

（1）通常可以在操作臂制造完成后進(jìn)行精確的測(cè)量，或者在制作過(guò)程中保證公差。

（三）運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形

幾乎所有的工業(yè)操作臂都采用腕部機(jī)構(gòu)布局形式，前面3個(gè)關(guān)節(jié)確定腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)的位置（即定位結(jié)構(gòu)），后面三個(gè)關(guān)節(jié)軸相交于腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)（即定向結(jié)構(gòu)）。這樣可以產(chǎn)生封閉的運(yùn)動(dòng)學(xué)解。

另外，定位結(jié)構(gòu)幾乎都采用一種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)：連桿轉(zhuǎn)角為0°或±90°，連桿長(zhǎng)度不同，但偏距都為0。

根據(jù)前三個(gè)關(guān)節(jié)（定位結(jié)構(gòu)）的設(shè)計(jì)形式對(duì)操作臂的腕部進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類(lèi)：

1、笛卡爾操作臂

（1）如圖8-3，關(guān)節(jié)1到關(guān)節(jié)3都是移動(dòng)副，且相互垂直，分別對(duì)應(yīng)笛卡爾坐標(biāo)的

軸

（2）這類(lèi)機(jī)器人由很高的結(jié)構(gòu)剛度，因此可以制造大型機(jī)器人。通常稱(chēng)為龍門(mén)式機(jī)器人。

（3）另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是前三個(gè)關(guān)節(jié)式解耦的，避免了前三個(gè)關(guān)節(jié)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異點(diǎn)。

（4）主要缺點(diǎn)，所有電纜和固定裝置均須“內(nèi)置”于機(jī)器人中，因此，所能完成的工作完全取決于本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2、鉸接型操作臂

（1）如圖8-4，鉸接型操作臂有時(shí)被稱(chēng)為關(guān)節(jié)型，肘型，擬人操作臂。這種類(lèi)型的操作臂通常由2個(gè)“肩”關(guān)節(jié)（一個(gè)繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，一個(gè)改變相對(duì)于水平的仰角），1個(gè)“肘”關(guān)節(jié)（通常平行于俯仰關(guān)節(jié)）以及2個(gè)或者3個(gè)位于操作臂末端的腕關(guān)節(jié)組成。

（2）此種操作臂減少了工作空間中的干涉，式操作臂能夠到達(dá)指定的空間位置。他們的整體結(jié)構(gòu)比笛卡爾操作臂小，可應(yīng)用于工作空間較小的場(chǎng)合，成本較低。

3、SCARA操作臂

（1）如圖8-5，SCARA有三個(gè)平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（平面內(nèi)移動(dòng)和定向），第四個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)可以使末端執(zhí)行器垂直于該平面。

（2）優(yōu)點(diǎn)1：前三個(gè)關(guān)節(jié)不必支承操作臂或負(fù)載的任何重量。優(yōu)點(diǎn)2：便于在連桿0中固定前兩個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器可以做的較大，可以提供更大的速度，一般速度是鉸接型機(jī)器人的10倍，適合執(zhí)行平面內(nèi)的任務(wù)。

4、球面坐標(biāo)型操作臂

如圖8-6，與鉸接型操作臂相類(lèi)似，但用移動(dòng)關(guān)節(jié)代替了肘關(guān)節(jié)。移動(dòng)連桿可以伸縮，縮回時(shí)，甚至可以“從后面伸出”。

5、圓柱面坐標(biāo)型操作臂

如圖8-7，由1個(gè)使手臂豎直運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)帶有豎直軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，另1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)正交。

6、腕關(guān)節(jié)

（1）在實(shí)際中，很難制作出這種三軸正交且不受關(guān)節(jié)角度限制的腕關(guān)節(jié)。圖8-8是這類(lèi)腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)原理圖，遠(yuǎn)端的驅(qū)動(dòng)器通過(guò)幾組錐齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)機(jī)構(gòu)。

（2）如圖1-4，許多機(jī)器人采用了三個(gè)相交，但不垂直的軸構(gòu)成腕關(guān)節(jié)。然而由于不正相交，從而使腕部不能到達(dá)一些方位。這些方位描述為腕部的第三個(gè)軸不能進(jìn)入的錐體。然而，這個(gè)腕關(guān)節(jié)能被安裝在操作臂的連桿3上，這種情況下，連桿結(jié)構(gòu)部分占據(jù)了這個(gè)圓錐，因此可能會(huì)阻礙操作臂運(yùn)動(dòng)，如圖8-9

（3）若第四個(gè)關(guān)節(jié)與第2、3個(gè)關(guān)節(jié)軸平行，也可以得到一個(gè)封閉形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)解，如圖8-10

（4）典型的5自由度焊接機(jī)器人使用兩軸腕關(guān)節(jié)確定方向，如圖8-11，在安裝工具時(shí)必須使其對(duì)稱(chēng)軸與關(guān)節(jié)5的軸正交。

（四）工作空間屬性的定量測(cè)量

1、按照生成工作空間設(shè)計(jì)的效果

（1）當(dāng)具有相似的工作空間體積

時(shí)，制作笛卡爾操作臂比制作鉸接型操作臂要消耗更多的材料。

結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度指標(biāo)

越小越好

（2）笛卡爾操作臂

最小值為3.0。鉸接型操作臂 =0.62。

2、設(shè)計(jì)良好條件的工作空間

（1）操作臂離奇異點(diǎn)越遠(yuǎn)，操作臂越能均勻地在各個(gè)方向上移動(dòng)和施力，即稱(chēng)為良好條件

（2）笛卡爾質(zhì)量矩陣

的特征根可以作為評(píng)判操作臂在各個(gè)笛卡爾方向的加速能力的方法

（3）圖8-2以圖形的方式展示了平面兩桿操作臂的特性。在工作空間的中間，橢球近似于球星，操作臂處于良好條件。但工作空間邊界上橢球變扁，說(shuō)明某些方向上加速困難

（五）冗余機(jī)構(gòu)于閉鏈機(jī)構(gòu)

1、微操作臂和其他冗余機(jī)構(gòu)

（1）微操作臂一般由幾個(gè)安裝在“傳統(tǒng)”操作臂末端附近的快速而精確的自由度構(gòu)成。主要用于完成驚喜的運(yùn)動(dòng)與力的控制。圖8-13所示為兩種7自由度的操作臂位形。

（2）冗余自由度機(jī)器人的主要用途是在雜亂的工作環(huán)境中工作時(shí)，避免發(fā)生碰撞。

2、閉環(huán)結(jié)構(gòu)

（1）閉環(huán)結(jié)構(gòu)的好處，提高了機(jī)構(gòu)的剛度。壞處，通常會(huì)減小關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，從而減小了工作空間，如圖8-14所示的Stewart機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制6個(gè)和基座相連的直線驅(qū)動(dòng)器行程，實(shí)現(xiàn)“末端執(zhí)行器”的位姿。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的一端用2自由度的萬(wàn)象關(guān)節(jié)與基座相連，另一端用一個(gè)3自由度的球關(guān)節(jié)與末端執(zhí)行器相連。

（2）通常，閉環(huán)機(jī)構(gòu)的自由度可以用式（8-9）求解

（六）驅(qū)動(dòng)方式

1、驅(qū)動(dòng)器布局

（1）直接驅(qū)動(dòng)布局，將驅(qū)動(dòng)器的輸出軸與關(guān)節(jié)直接相連。有點(diǎn)是沒(méi)有傳動(dòng)元件與減速元件，關(guān)節(jié)精度與驅(qū)動(dòng)器精度相同。

（2）減速系統(tǒng)，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器高轉(zhuǎn)速，低扭矩，而機(jī)械臂需求是低轉(zhuǎn)速，高扭矩，這就需要減速系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)，一般驅(qū)動(dòng)器都比較重，所以靠近基座安裝是比較合理的，這樣操作臂的總體慣性將會(huì)明顯下降，反過(guò)來(lái)也減小了驅(qū)動(dòng)器的尺寸。為此需要傳動(dòng)系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳送給關(guān)節(jié)。

2、減速系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)

（1）第一類(lèi)減速元件：齒輪。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)比大。覺(jué)電視額外引入了間隙與摩擦。

（2）第二類(lèi)減速元件：柔性帶、鋼纜、皮帶。如圖8-15

（3）傳動(dòng)方案：普通絲杠或滾珠絲杠。如圖8-16

（七）剛度與變形

典型的操作臂都不具備能夠直接測(cè)量工具坐標(biāo)系{T}位置的傳感器，因此只能根據(jù)關(guān)節(jié)傳感器的位置，通過(guò)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算工具坐標(biāo)系{T}的位置。所以希望在各種在和情況下對(duì)D-H的描述都是固定不變的。

1、并聯(lián)和串聯(lián)的柔性元件

2、軸

3、齒輪

因此，齒輪減速可以增大剛度

倍。

4、帶

5、連桿

（1）為了對(duì)連桿的剛度進(jìn)行近似處理，將單連桿視為懸臂梁，計(jì)算其端點(diǎn)剛度，如圖8-17。分為中空?qǐng)A截面梁和方截面中空梁。

（2）有限元技術(shù)可以用來(lái)更準(zhǔn)確地估算更真實(shí)的結(jié)構(gòu)元件的剛度。

6、驅(qū)動(dòng)器

（1）液壓缸；氣缸

（3）電動(dòng)機(jī)：直流有刷電機(jī)，如圖8-18；無(wú)刷電機(jī)；交流電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

（八）位置檢測(cè)

1、旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器

2、感應(yīng)同步器：輸出兩個(gè)模擬信號(hào)，一個(gè)是軸轉(zhuǎn)角的正弦信號(hào)，一個(gè)是余弦信號(hào)。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅值計(jì)算得到。一般比編碼器可靠，但他的分辨率較低。

3、電位器：最直接的位置檢測(cè)形式。連接在電橋中，能夠產(chǎn)生與軸角成正比的電壓信號(hào)。缺點(diǎn)是分辨率低，電信號(hào)不好，對(duì)噪聲敏感。

4、轉(zhuǎn)速計(jì)，能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)。這種數(shù)值微分會(huì)產(chǎn)生噪聲和延時(shí)。

（九）力檢測(cè)

1、用來(lái)測(cè)量操作臂末端執(zhí)行器與其接觸工作環(huán)境之間的接觸力，此類(lèi)裝置大都使用由半導(dǎo)體或金屬箔制作的檢測(cè)元件，稱(chēng)為應(yīng)變片。

2、使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量力是依靠受壓后的撓曲變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，在設(shè)計(jì)力傳感器時(shí)，首先要權(quán)衡剛度與靈敏度之間的關(guān)系，因?yàn)閯偠容^高的傳感器一般靈敏度較低。

3、傳感器的剛度對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置也有影響，應(yīng)變計(jì)可能會(huì)受到?jīng)_擊載荷而損壞，所以必須具有過(guò)載保護(hù)裝置，可以通過(guò)使用限位擋塊避免傳感器的損壞。

4、設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，消除滯后現(xiàn)象是很重要的。若沒(méi)有過(guò)載，大多數(shù)用于產(chǎn)生撓曲變形的金屬具有很小的滯后。然而，發(fā)生撓曲變形位置附近，有螺絲連接，過(guò)盈配合、焊接關(guān)節(jié)等都會(huì)產(chǎn)生滯后。理想情況下，發(fā)生撓曲變形的部分及其復(fù)緊的部分應(yīng)使用同一塊金屬制成。

5、采用差分測(cè)量的辦法可以提高力矩傳感器的線性度和抗干擾能力。

6、利用傳感器的不同物理構(gòu)形能消除由于溫度效應(yīng)和偏心力帶來(lái)的影響。

7、金屬箔式應(yīng)變計(jì)相對(duì)耐用，但整個(gè)量程范圍只能產(chǎn)生很小的電阻變化。為了讓其具有良好的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，消除電纜和電路中的噪聲是至關(guān)重要的。

8、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)過(guò)載時(shí)非常容易損壞。優(yōu)點(diǎn)是在給定應(yīng)力下，能夠產(chǎn)生相當(dāng)于約70倍的金屬箔式應(yīng)變計(jì)的電阻變化。對(duì)于給定的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的信號(hào)處理工作相對(duì)簡(jiǎn)單

---

例8.1

如圖8-5所示SCARA操作臂，連桿1和連桿2的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)/2，移動(dòng)關(guān)節(jié)3的行程為 ，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，不計(jì)館街轉(zhuǎn)角的限制，求

。當(dāng) 為何值時(shí)， 最小，并求出最小的 。

解答：

長(zhǎng)度和

工作空間是圓柱體

因此

%MATLAB代碼

所以

的最小值為1.29，當(dāng) 時(shí)取得。

例8.2

用式（8-6）公式驗(yàn)證圖8-14所示的Stewart機(jī)構(gòu)確實(shí)具有6個(gè)自由度。

解答：

例8.3

軸的扭轉(zhuǎn)剛度是500.0Nt-m/rad，與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中的輸入端相連，

=10，輸出齒輪（輸入齒輪固定）的剛度是5000.0Nt-m/rad，求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出剛度。

在具有多級(jí)傳動(dòng)的系統(tǒng)中，如果最后一級(jí)的傳動(dòng)比很大，那么在這級(jí)傳動(dòng)之前的剛度通常可以忽略。

例8.4

一個(gè)5X5X50cm的方截面連桿，壁厚1cm，由一組

=10的剛性齒輪驅(qū)動(dòng)，輸入齒輪由直徑0.5cm、長(zhǎng)30cm的軸驅(qū)動(dòng)。試求當(dāng)100Nt的力作用在桿端時(shí)，桿端的變形。（材料為鋼材， ）

解答：

至P204

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的机械臂运动空间的计算_机器人学导论---第八章 操作臂的机械设计（一）8.1-8.9...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。