机械手臂的结构设计

机械臂结构

第1页，共36页。上海世博轴阳光谷焊接施工第2页，共36页。

机器人焊接阳光谷11060个节点

连接世博中国馆、主题馆、世博中心、演艺中心的世博轴今天上午完成了主体结构施工。上海建工机施公司董事长张立新透露，在6个形如喇叭、距地30米高空的阳光谷的施工中，机施公司动用了机器人，焊接了11060个节点。

作为世博轴的最大亮点，6个阳光谷尺寸不一、间距不一、形状也不完全一样。阳光谷的基本构建为方形钢管，几根钢管连接于同一点，称为“节点”。机施公司副总工程师陈晓明表示，阳光谷施工中采用的机器人，外形根据施工环境而改变，“编制程序后，给机器人发指令，随后机器人开始做动作。”目前，这一套机器人施工技术，已纳入国家863计划。

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此前，世博轴顶部的索膜结构也已完工。建设者总共安装了69块巨大的白色膜布，面积达68000平方米。如此巨大的膜布厚度仅为1毫米，但其设计张拉力每米达5吨，是当今世界强度最高的膜材。

世博轴是一个由商业服务、餐饮、会展服务等多功能组成的大型商业、交通综合体。长度大约为1000米，宽约110米，跨越4条城市道路，联系5个街区，连通3个轨道交通站。在世博轴设置6个阳光谷，考虑的是把阳光和空气引入地下，“降低”建筑密度。此外，世博轴还引入黄浦江水作冷热源，用全生态绿色节能技术营造舒适宜人的室内环境。

世博期间，一旦面临降雨，世博轴也能“轻松应对”。机施公司透露，世博轴底部还设置了雨水沟渠，用来收集雨水。除了满足特大暴雨时的蓄洪要求，雨水在经过处理后，还能用于浇灌和世博轴内“小气候”的调节。第4页，共36页。一、臂部设计的基本要求

第5页，共36页。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。第6页，共36页。2．刚度高：

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。

工字型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。

第7页，共36页。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。第8页，共36页。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。第9页，共36页。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。第10页，共36页。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。第11页，共36页。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。第12页，共36页。二、机械臂的运动形式

第13页，共36页。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。第14页，共36页。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。第15页，共36页。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。第16页，共36页。三、典型机械臂结构

第17页，共36页。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。典型结构：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第18页，共36页。油缸—齿条机构图例：第19页，共36页。电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：第20页，共36页。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。

曲柄滑块机构：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。典型机构：

液压缸—连杆回转机构：齿轮驱动回转机构：第21页，共36页。平面四杆机构图例：平面四杆机构双曲柄机构双摇杆机构第22页，共36页。平面四杆机构演变图例：曲柄滑块机构第23页，共36页。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。第24页，共36页。齿轮驱动回转机构图例：第25页，共36页。3．关节型机械臂的结构（1）

存在的运动型式：

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。

第26页，共36页。五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：腰转肩转肘转俯仰偏转腰转姿态第27页，共36页。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第28页，共36页。3．关节型机械臂的结构（2）

各运动的实现：腕部的旋转：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：电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4肘关节摆动：电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3肩关节的摆动：电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2

第29页，共36页。关节型机器人传动系统图：第30页，共36页。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第31页，共36页。腕部俯仰局部图例：电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4第32页，共36页。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第33页，共36页。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第34页，共36页。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。第35页，共36页。内容梗概机械臂结构。作为世博轴的最大亮点，6个阳光谷尺寸不一、间距不一、形状也不完全一样。阳光谷的基本构建为方形钢管，几根钢管连接于同一点，称为“节点”。世博轴是一个由商业服务、餐饮、会展服务等多功能组成的大型商业、交通综合体。此外，世博轴还引入黄浦江水作冷热源，用全生态绿色节能技术营造舒适宜人的室内环境。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。工字型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。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。3、工字钢的长度按长度系列购买。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。带动腕部分别沿X、Y、Z三个坐标轴的方