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机械手臂结构设计教材


肘关节局部图例:
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3


肩关节局部图例:
电机M2→同步带传 动B2→减速器R2→肩 关节摆动n2


作业:
1、设计一种机器人小臂相对于大臂的 直线运动的运动方案,动力源为电机驱 动,用示意图表达。

二、机械臂的运动形式

1.直角坐标型:

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。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。


五轴关节型机器人手臂运动图例(1):
俯仰 偏转 肘转
肩转
腰转

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)

各运动的实现:
1—铰接活塞缸 2—连杆 3—手臂 4—支承架

齿轮驱动回转机构图例:


存在的运动型式:

3.关节型机械臂的结构(1)
机身的旋转运动; 肩关节和肘关节的摆动; 腕关节的俯仰和旋转运动;


各运动的协调: 称为5轴关节型机器人。

曲柄滑块机构:


典型机构:


平面四杆机构图例:
双曲柄机构
平面四杆机构

双摇杆机构
平面四杆机构演变图例:
曲柄滑块机构

双臂机器人手臂结构图例:
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。
机械臂结构设计教材

一、臂部设计的基本要求

1.承载能力足:

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:

槽钢(GB707-88)
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关,如:10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、导向性能好,定位精度高:

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。

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。

面大,空心管的弯曲刚度和扭转刚度 都比实心轴大得多。

工字型截面的弯曲刚度一般比圆截
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:5~19m。
2.圆柱坐标型:

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:

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。


典型结构:

油缸—齿条机构图例:

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

常见方式:

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。 假设滑块是主动件,当滑块沿一定的导轨移动时,可 以推动曲柄做摆动或圆周运动。 液压缸—连杆回转机构: 齿轮驱动回转机构:

4.重量轻、转动惯量小:

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:

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。

腕部的旋转:


腕部俯仰:

电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4 电机 M3→两级同步带传动 B3、B3′→ 减速器R3→肘关节摆动 n3 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
பைடு நூலகம்

肘关节摆动:


肩关节的摆动:


关节型机器人传动
系统图:

腕部旋转局部图例:

电机M5→减速器R5→链轮 副
C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5

腕部俯仰局部图例:
电机M4→减速器R4→链轮副

C4→俯仰运动n4



三、典型机械臂结构

1.手臂直线运动机构

常见方式:

行程小时:采用油缸或汽缸直接驱动; 当行程较大时:可采用 油缸 或汽缸驱动 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。 油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
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