1、第第 5章章 机器人本体基本结构机器人本体基本结构本体结构：机体结构和机械传动系统，本体结构：机体结构和机械传动系统，也是机器人的支承基础和执行机构。也是机器人的支承基础和执行机构。 5.1 概概 述述5.1.1 机器人本体的基本结构形式机器人本体的基本结构形式一、机器人本体基本结构一、机器人本体基本结构(1) 传动部件。传动部件。(2) 机身及行走机构。机身及行走机构。(3) 臂部。臂部。(4) 腕部。腕部。(5) 手部。手部。机座腰部大臂大臂腕部末杆 +手部 位置机构姿态机构上述操作机的分类是按位置机构的结构形式分的。二、机器人本体基本结构的举例二、机器人本体基本结构的举例1个腰关节1个肩
2、关节1个肘关节3个腕关节关节 :工业机器人的运动副。本体基本结构的主要特点本体基本结构的主要特点 ：(1)开式运动链：结构刚度不高开式运动链：结构刚度不高 。(2) 相对机架：独立驱动器，运动灵活。相对机架：独立驱动器，运动灵活。(3) 扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。较高的要求。(4) 动力学参数（力、刚度、动态性能）都是随位姿的动力学参数（力、刚度、动态性能）都是随位姿的变化而变化：易发生振动或出现其他不稳定现象。变化而变化：易发生振动或出现其他不稳定现象。本体基本结构要求：本体基本结构要求：1）自重小：改善机器人操作的动
3、态性能；）自重小：改善机器人操作的动态性能；2）静动态刚度高：提高定位精度和跟踪精度；）静动态刚度高：提高定位精度和跟踪精度；增加机械系统设计的灵活性；减小定位时的超调量增加机械系统设计的灵活性；减小定位时的超调量稳定时间，降低对控制系统的要求和系统造价；稳定时间，降低对控制系统的要求和系统造价；3）固有频率高：避开机器人的工作频率，有利）固有频率高：避开机器人的工作频率，有利于系统的稳定。于系统的稳定。5.1.2 机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择一、材料一、材料 选择选择 的基本要求的基本要求(1)强强 度高度高 :减减 轻轻 重量。重量。(2)弹弹 性模量大性模量大 :刚刚 度大。
4、度大。但是用合金但是用合金 钢钢 代替代替 碳结构钢碳结构钢 不增加不增加 刚刚 度。度。普通碳普通碳 结结 构构 钢钢 ： b= 420MPa， E =2.1105MPa高合金高合金 结结 构构 钢钢 ： b= 2000MPa， E =2.1105MPa (3)密度小：重量轻。密度小：重量轻。(4)阻尼大：减小稳定时间。阻尼大：减小稳定时间。(5) 经济性。经济性。二、机器人常用材料简介二、机器人常用材料简介1碳素结构钢和合金结构钢碳素结构钢和合金结构钢强度好；强度好； E大；应用最广泛。大；应用最广泛。2铝、铝合金及其他轻合金材料铝、铝合金及其他轻合金材料重量轻，弹性模量重量轻，弹性模量
5、E不大；不大； E/之比仍可与钢材相比之比仍可与钢材相比。稀贵铝合金：例如添加。稀贵铝合金：例如添加 3.2 (重量百分比重量百分比 )锂的铝合锂的铝合金，弹性模量增加了金，弹性模量增加了 14， E/比增加了比增加了 16。3. 纤维增强合金纤维增强合金E/非常高非常高 ,但价格昂贵。但价格昂贵。如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其E/比分别达到比分别达到 11.4107和和 8.9107 。4. 陶瓷陶瓷脆性大。脆性大。5纤维增强复合材料纤维增强复合材料E/高，易老化、蠕变、高温热膨胀高，易老化、蠕变、高温热膨胀 /金金 属件连属件连接困
6、难等问题。重量轻，刚度大，大阻尼。接困难等问题。重量轻，刚度大，大阻尼。6粘弹性大阻尼材料粘弹性大阻尼材料吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为0.30mm，处理后为，处理后为 0.16mm；残余振动时间在阻；残余振动时间在阻尼处理前后分别为尼处理前后分别为 0.9s和和 0.5s。5.2 机身及臂部结构机身及臂部结构5.2.1 机器人机身结构的基本形式和特点机器人机身结构的基本形式
7、和特点一、机身的典型结构一、机身的典型结构机身结构一般由机器人总体设计确定。机身结构一般由机器人总体设计确定。1回转与升降机身回转与升降机身(1) 油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。升油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。升降活塞杆杆的尺寸要加大。降活塞杆杆的尺寸要加大。(2) 油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，回油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。转油缸的驱动力矩要设计得大一些。(3) 链轮传动机构。回转角度可大于链轮传动机构。回转角度可大于 360。链条链轮传动实现机身回转的原理图链条链轮传动实现机身回转的原理图2回转与俯仰机身回转与俯仰机身 回转与俯仰机身回转与俯仰机身
