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机械臂结构 主讲 周兰 一、臂部设计的基本要求 1．承载能力足： n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： n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 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 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： n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 4．重量轻、转动惯量小： n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： n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 二、机械臂的运动形式 1．直角坐标型： n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 2．圆柱坐标型： n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： n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 4．极坐标型： n臂部由两个转动 副和一个移动副 组成产生沿手 臂轴X的直线移 动，绕基座轴Y 的转动和绕关节 轴Z的摆动其 手臂可作绕Z轴 的俯仰运动，能 抓取地面上的物 体 三、典型机械臂结构 1．手臂直线运动机构 n常见方式： n行程小时：采用油缸或汽缸直接驱动； n当行程较大时：可采用油缸油缸或汽缸驱动 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。

n典型结构： n油缸驱动的手臂伸缩运动伸缩运动结构 n电机驱动的丝杆螺母直线运动直线运动结构 油缸—齿条机构图例： 油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例： 特点： 工作行程长，抓重大， 适合于抓举工件形状不 规则、有偏转力矩的场 合 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 n常见方式： n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 n曲柄滑块机构机构： n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 n典型机构： n液压缸—连杆回转机构机构： n齿轮驱动回转机构机构： 平面四杆机构图例： 平面四杆机构 双曲柄机构 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： 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 齿轮驱动回转机构图例： 3．关节型机械臂的结构（1） n存在的运动型式： n机身的旋转运动； n肩关节和肘关节的摆动； n腕关节的俯仰和旋转运动； n各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。

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 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） n各运动的实现： n腕部的旋转： n电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5 n腕部俯仰： n电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4 n肘关节摆动： n电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3 n肩关节的摆动： n电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2 关节型机器人传动 系统图： 腕部旋转局部图例： n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： n电机M4→减速器R4→链轮 副C4→俯仰运动n4 肘关节局部图例： n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： n电机M2→同步带传 动B2→减速器R2→肩 关节摆动n2 四、机械臂的控制 1、伺服系统的分类： n液压伺服系统： n机械臂各关节的运动通常由液压伺服阀 控制液压缸实现。

n电动伺服系统： n机械臂各关节的运动通常由步进电机或 直流电机驱动 伺服直线液压缸图例： 电动伺服控制系统图例： 作业： 1、设计三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 2、画出型号为20a的工字钢的截面形状，并标 注出有关几何参数。