Transcript 机械臂结构

机械臂结构
上海世博轴阳光谷焊接施工
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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。
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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。
一、臂部设计的基本要求
1．承载能力足：
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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：
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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。
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：

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：

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：

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：

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：

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：

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。
三、典型机械臂结构
1．手臂直线运动机构
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常见方式：


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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：

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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
油缸—齿条机构图例：
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
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常见方式：

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曲柄滑块机构：

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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。
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：

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液压缸—连杆回转机构：
齿轮驱动回转机构：
平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
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：
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。
1—铰接活塞缸
2—连杆
3—手臂
4—支承架
齿轮驱动回转机构图例：
3．关节型机械臂的结构（1）
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存在的运动型式：
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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。
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
俯仰
偏转
肘转
肩转
腰转
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）
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各运动的实现：
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腕部的旋转：
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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M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
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
关节型机器人传动
系统图：
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
腕部俯仰局部图例：

电机M4→减速器R4→链轮副
C4→俯仰运动n4
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

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

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。