第八章 操作臂的機械設計【（一）8.1-8.9】

（一）概述

1、機器人系統的組成大體可分為四個部分

（1）操作臂，包括它的內部或本體傳感器；

（2）末端執行器，或者叫做工具端；

（3）外部傳感器和執行器，比如視覺系統和反饋裝置；

（4）控制器；

（二）基于任務需求的設計

1、自由度的數目

（1）圖8-1所示未操作臂以兩種不同的方法對磨削工具進行定位。實際上只需要5個自由度

（2）在一些任務中，當由主動定位裝置來放置零件時，則可以使用少于6個自由度的機器人。如圖8-2，在計算圓管和末端執行器之間的自由度時，傾斜/轉動工作臺來放置焊接的零件，應該被視為2個自由度。這樣在進行弧焊時，由于其工具端具有對稱性，理論上只要3個自由度。

（3）若零件自身具有對稱軸，嘛呢也會減少操作臂所需要的自由度數目。

2、工作空間

（1）工作空間有時也被稱為工作空間體積或工作空間包絡。

3、負載能力

（1）操作臂的負載能力與結構尺寸、動力傳遞系統、驅動器有關。

4、速度

（1）對于特定任務，操作臂末端執行器的最大速度和總體循環時間是由很大區別的。通常加速和減速時間占據了大部分的循環時間。因此，除了最大速度，加速能力也很重要。

5、重復精度和定位精度

（1）通常可以在操作臂制造完成后進行精確的測量，或者在制作過程中保證公差。

（三）運動學構形

幾乎所有的工業操作臂都采用腕部機構布局形式，前面3個關節確定腕關節原點的位置（即定位結構），后面三個關節軸相交于腕關節原點（即定向結構）。這樣可以產生封閉的運動學解。

另外，定位結構幾乎都采用一種簡單的運動學結構：連桿轉角為0°或±90°，連桿長度不同，但偏距都為0。

根據前三個關節（定位結構）的設計形式對操作臂的腕部進行簡單的分類：

1、笛卡爾操作臂

（1）如圖8-3，關節1到關節3都是移動副，且相互垂直，分別對應笛卡爾坐標的

軸

（2）這類機器人由很高的結構剛度，因此可以制造大型機器人。通常稱為龍門式機器人。

（3）另一個優點是前三個關節式解耦的，避免了前三個關節出現運動學奇異點。

（4）主要缺點，所有電纜和固定裝置均須“內置”于機器人中，因此，所能完成的工作完全取決于本身的機械結構。

2、鉸接型操作臂

（1）如圖8-4，鉸接型操作臂有時被稱為關節型，肘型，擬人操作臂。這種類型的操作臂通常由2個“肩”關節（一個繞豎直軸旋轉，一個改變相對于水平的仰角），1個“肘”關節（通常平行于俯仰關節）以及2個或者3個位于操作臂末端的腕關節組成。

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

3、SCARA操作臂

（1）如圖8-5，SCARA有三個平行的旋轉關節（平面內移動和定向），第四個移動關節可以使末端執行器垂直于該平面。

（2）優點1：前三個關節不必支承操作臂或負載的任何重量。優點2：便于在連桿0中固定前兩個關節的驅動器。驅動器可以做的較大，可以提供更大的速度，一般速度是鉸接型機器人的10倍，適合執行平面內的任務。

4、球面坐標型操作臂

如圖8-6，與鉸接型操作臂相類似，但用移動關節代替了肘關節。移動連桿可以伸縮，縮回時，甚至可以“從后面伸出”。

5、圓柱面坐標型操作臂

如圖8-7，由1個使手臂豎直運動的移動關節和1個帶有豎直軸的旋轉關節組成，另1個移動關節與旋轉關節正交。

6、腕關節

（1）在實際中，很難制作出這種三軸正交且不受關節角度限制的腕關節。圖8-8是這類腕關節的設計原理圖，遠端的驅動器通過幾組錐齒輪來驅動這個機構。

（2）如圖1-4，許多機器人采用了三個相交，但不垂直的軸構成腕關節。然而由于不正相交，從而使腕部不能到達一些方位。這些方位描述為腕部的第三個軸不能進入的錐體。然而，這個腕關節能被安裝在操作臂的連桿3上，這種情況下，連桿結構部分占據了這個圓錐，因此可能會阻礙操作臂運動，如圖8-9

（3）若第四個關節與第2、3個關節軸平行，也可以得到一個封閉形式的運動學解，如圖8-10

（4）典型的5自由度焊接機器人使用兩軸腕關節確定方向，如圖8-11，在安裝工具時必須使其對稱軸與關節5的軸正交。

（四）工作空間屬性的定量測量

1、按照生成工作空間設計的效果

（1）當具有相似的工作空間體積

時，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。

結構長度指標

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、設計良好條件的工作空間

（1）操作臂離奇異點越遠，操作臂越能均勻地在各個方向上移動和施力，即稱為良好條件

（2）笛卡爾質量矩陣

的特征根可以作為評判操作臂在各個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，說明某些方向上加速困難

（五）冗余機構于閉鏈機構

1、微操作臂和其他冗余機構

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

（2）冗余自由度機器人的主要用途是在雜亂的工作環境中工作時，避免發生碰撞。

2、閉環結構

（1）閉環結構的好處，提高了機構的剛度。壞處，通常會減小關節的運動范圍，從而減小了工作空間，如圖8-14所示的Stewart機構，通過控制6個和基座相連的直線驅動器行程，實現“末端執行器”的位姿。每個驅動器的一端用2自由度的萬象關節與基座相連，另一端用一個3自由度的球關節與末端執行器相連。

（2）通常，閉環機構的自由度可以用式（8-9）求解

（六）驅動方式

1、驅動器布局

（1）直接驅動布局，將驅動器的輸出軸與關節直接相連。有點是沒有傳動元件與減速元件，關節精度與驅動器精度相同。

（2）減速系統，大多數驅動器高轉速，低扭矩，而機械臂需求是低轉速，高扭矩，這就需要減速系統來進行轉換。

（3）傳動系統，一般驅動器都比較重，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明顯下降，反過來也減小了驅動器的尺寸。為此需要傳動系統將驅動器的運動傳送給關節。

2、減速系統和傳動系統

（1）第一類減速元件：齒輪。優點是結構緊湊，傳動比大。覺電視額外引入了間隙與摩擦。

（2）第二類減速元件：柔性帶、鋼纜、皮帶。如圖8-15

（3）傳動方案：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量工具坐標系{T}位置的傳感器，因此只能根據關節傳感器的位置，通過正向運動學計算工具坐標系{T}的位置。所以希望在各種在和情況下對D-H的描述都是固定不變的。

1、并聯和串聯的柔性元件

2、軸

3、齒輪

因此，齒輪減速可以增大剛度

倍。

4、帶

5、連桿

（1）為了對連桿的剛度進行近似處理，將單連桿視為懸臂梁，計算其端點剛度，如圖8-17。分為中空圓截面梁和方截面中空梁。

（2）有限元技術可以用來更準確地估算更真實的結構元件的剛度。

6、驅動器

（1）液壓缸；氣缸

（3）電動機：直流有刷電機，如圖8-18；無刷電機；交流電機；步進電機

（八）位置檢測

1、旋轉光學編碼器

2、感應同步器：輸出兩個模擬信號，一個是軸轉角的正弦信號，一個是余弦信號。軸的轉角由這兩個信號的相對幅值計算得到。一般比編碼器可靠，但他的分辨率較低。

3、電位器：最直接的位置檢測形式。連接在電橋中，能夠產生與軸角成正比的電壓信號。缺點是分辨率低，電信號不好，對噪聲敏感。

4、轉速計，能夠輸出與軸的轉速成正比的模擬信號。這種數值微分會產生噪聲和延時。

（九）力檢測

1、用來測量操作臂末端執行器與其接觸工作環境之間的接觸力，此類裝置大都使用由半導體或金屬箔制作的檢測元件，稱為應變片。

2、使用應變計測量力是依靠受壓后的撓曲變形來實現的。因此，在設計力傳感器時，首先要權衡剛度與靈敏度之間的關系，因為剛度較高的傳感器一般靈敏度較低。

3、傳感器的剛度對過載保護裝置也有影響，應變計可能會受到沖擊載荷而損壞，所以必須具有過載保護裝置，可以通過使用限位擋塊避免傳感器的損壞。

4、設計傳感器時，消除滯后現象是很重要的。若沒有過載，大多數用于產生撓曲變形的金屬具有很小的滯后。然而，發生撓曲變形位置附近，有螺絲連接，過盈配合、焊接關節等都會產生滯后。理想情況下，發生撓曲變形的部分及其復緊的部分應使用同一塊金屬制成。

5、采用差分測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形能消除由于溫度效應和偏心力帶來的影響。

7、金屬箔式應變計相對耐用，但整個量程范圍只能產生很小的電阻變化。為了讓其具有良好的動態測量范圍，消除電纜和電路中的噪聲是至關重要的。

8、半導體應變計過載時非常容易損壞。優點是在給定應力下，能夠產生相當于約70倍的金屬箔式應變計的電阻變化。對于給定的動態測量范圍，半導體應變計的信號處理工作相對簡單

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例8.1

如圖8-5所示SCARA操作臂，連桿1和連桿2的長度均為L/2，移動關節3的行程為 ，為簡單起見，不計館街轉角的限制，求

。當 為何值時， 最小，并求出最小的 。

解答：

長度和

工作空間是圓柱體

因此

%MATLAB代碼

所以

的最小值為1.29，當 時取得。

例8.2

用式（8-6）公式驗證圖8-14所示的Stewart機構確實具有6個自由度。

解答：

例8.3

軸的扭轉剛度是500.0Nt-m/rad，與齒輪轉動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，求驅動系統的輸出剛度。

在具有多級傳動的系統中，如果最后一級的傳動比很大，那么在這級傳動之前的剛度通常可以忽略。

例8.4

一個5X5X50cm的方截面連桿，壁厚1cm，由一組

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

解答：

至P204

總結

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