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机械手手臂的结构设计解说?

发表时间:2015-12-26
机械手手臂的结构设计解说?

机器人手臂的作用,是在一定的载荷和一定的速度下,实现在机器人所要求的工作空间内的运动。在进行机器人手臂设计时,要遵循下述原则; (1) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行;相互垂直的轴应尽可能相交于一点,这样可以使机器人运动学正逆运算简化,有利于机器人的控制。 (2) 机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度,手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求,如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求,则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。
 
(3) 为了提高机器人的运动速度与控制精度,应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下,尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。目前,在国外,也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高,抗振性好,比重小(其比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3),但是,其价格昂贵,且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题,故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下,减轻机器人手臂的重量。 (4) 机器人各关节的轴承间隙要尽可能小,以减小机械间隙所造成的运动误差。

因此,各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。 (5) 机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡,这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时,应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量,必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。 (6) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块,以及驱动装置,传动机构及其它元件的安装。

 设计具体采用方案
 
机械手的垂直手臂(大臂)升降和水平手臂(小臂)的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动,液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大,考虑加工工件的质量达30KG,属中型重量,同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性,安全性,对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑,两手臂的驱动均选择液压驱动方式,通过液压缸的直接驱动,液压缸既是驱动元件,又是执行运动件,不用再设计另外的执行件了;而且液压缸实现直线运动,控制简单,易于实现计算机的控制。 因为液压系统能提供很大的驱动力,因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的,关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点(在整体结构允许的情况下),再进行强度的较核。 同时,因为控制和具体工作的要求,机械手的手臂的结构不能太大,若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度,是不能满足系统刚度要求的。因此,在设计时另外增设了导杆机构,小臂增设了两个导杆,与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式,尽量增加其刚度;大臂增设了四个导杆,成正四边形布置,为减小质量,各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆,能显著提高机械手的运动刚度和稳定性,比较好的解决了结构、稳定性的问题。

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