機械臂結(jié)構(gòu)

第1頁，共36頁。上海世博軸陽光谷焊接施工第2頁，共36頁。

機器人焊接陽光谷11060個節(jié)點

連接世博中國館、主題館、世博中心、演藝中心的世博軸今天上午完成了主體結(jié)構(gòu)施工。上海建工機施公司董事長張立新透露，在6個形如喇叭、距地30米高空的陽光谷的施工中，機施公司動用了機器人，焊接了11060個節(jié)點。

作為世博軸的最大亮點，6個陽光谷尺寸不一、間距不一、形狀也不完全一樣。陽光谷的基本構(gòu)建為方形鋼管，幾根鋼管連接于同一點，稱為“節(jié)點”。機施公司副總工程師陳曉明表示，陽光谷施工中采用的機器人，外形根據(jù)施工環(huán)境而改變，“編制程序后，給機器人發(fā)指令，隨后機器人開始做動作。”目前，這一套機器人施工技術(shù)，已納入國家863計劃。

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此前，世博軸頂部的索膜結(jié)構(gòu)也已完工。建設(shè)者總共安裝了69塊巨大的白色膜布，面積達(dá)68000平方米。如此巨大的膜布厚度僅為1毫米，但其設(shè)計張拉力每米達(dá)5噸，是當(dāng)今世界強度最高的膜材。

世博軸是一個由商業(yè)服務(wù)、餐飲、會展服務(wù)等多功能組成的大型商業(yè)、交通綜合體。長度大約為1000米，寬約110米，跨越4條城市道路，聯(lián)系5個街區(qū)，連通3個軌道交通站。在世博軸設(shè)置6個陽光谷，考慮的是把陽光和空氣引入地下，“降低”建筑密度。此外，世博軸還引入黃浦江水作冷熱源，用全生態(tài)綠色節(jié)能技術(shù)營造舒適宜人的室內(nèi)環(huán)境。

世博期間，一旦面臨降雨，世博軸也能“輕松應(yīng)對”。機施公司透露，世博軸底部還設(shè)置了雨水溝渠，用來收集雨水。除了滿足特大暴雨時的蓄洪要求，雨水在經(jīng)過處理后，還能用于澆灌和世博軸內(nèi)“小氣候”的調(diào)節(jié)。第4頁，共36頁。一、臂部設(shè)計的基本要求

第5頁，共36頁。1．承載能力足：

手臂是支承手腕的部件，設(shè)計時不僅要考慮抓取物體的重量或攜帶工具的重量，還要考慮運動時的動載荷及轉(zhuǎn)動慣性。第6頁，共36頁。2．剛度高：

為了防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。

工字型截面的彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多。

第7頁，共36頁。工字鋼（GB706-88）：1、工字鋼的型號與高度尺寸h有關(guān)，如：10號工字鋼即指其高度尺寸為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計手冊。3、工字鋼的長度按長度系列購買。如：5~19m。第8頁，共36頁。槽鋼（GB707-88）1、槽鋼的型號與高度尺寸h有關(guān)，如：10號槽鋼即指其高度尺為100mm。2、其它參數(shù)如截面積、單位長度的理論質(zhì)量、截面靜力矩等可查相應(yīng)的設(shè)計手冊。第9頁，共36頁。3、導(dǎo)向性能好，定位精度高：

為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置。同時要采用一定形式的緩沖措施。第10頁，共36頁。4．重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小：

為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。第11頁，共36頁。5．合理設(shè)計與腕部和機身的連接部位：

臂部的安裝形式和位置不僅關(guān)系到機器人的強度、剛度和承載能力，而且還直接影響到機器人的外觀。第12頁，共36頁。二、機械臂的運動形式

第13頁，共36頁。1．直角坐標(biāo)型：

臂部由三個相互正交的移動副組成。帶動腕部分別沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的方向作直線移動。結(jié)構(gòu)簡單，運動位置精度高。但所占空間較大，工作范圍相對較小。第14頁，共36頁。2．圓柱坐標(biāo)型：

臂部由一個轉(zhuǎn)動副和兩個移動副組成。相對來說，所占空間較小，工作范圍較大，應(yīng)用較廣泛。第15頁，共36頁。3．關(guān)節(jié)型：

由動力型旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和前、下兩臂組成。關(guān)節(jié)型機器人以臂部各相鄰部件的相對角位移為運動坐標(biāo)。動作靈活，所占空間小，工作范圍大，能在狹窄空間內(nèi)饒過各種障礙物。第16頁，共36頁。三、典型機械臂結(jié)構(gòu)

第17頁，共36頁。1．手臂直線運動機構(gòu)

常見方式：

行程小時：采用油缸或汽缸直接驅(qū)動；當(dāng)行程較大時：可采用油缸或汽缸驅(qū)動齒條傳動的倍增機構(gòu)或采用步進電機或伺服電機驅(qū)動，并通過絲桿螺母來轉(zhuǎn)換為直線運動。典型結(jié)構(gòu)：油缸驅(qū)動的手臂伸縮運動結(jié)構(gòu)電機驅(qū)動的絲桿螺母直線運動結(jié)構(gòu)第18頁，共36頁。油缸—齒條機構(gòu)圖例：第19頁，共36頁。電機驅(qū)動絲桿螺母直線運動結(jié)構(gòu)圖例：第20頁，共36頁。2．手臂的回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)

常見方式：

常見的有齒輪傳動機構(gòu)，鏈輪傳動機構(gòu)，活塞及連桿傳動機構(gòu)等。

曲柄滑塊機構(gòu)：假設(shè)滑塊是主動件，當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動時，可以推動曲柄做擺動或圓周運動。典型機構(gòu)：

液壓缸—連桿回轉(zhuǎn)機構(gòu)：齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)：第21頁，共36頁。平面四桿機構(gòu)圖例：平面四桿機構(gòu)雙曲柄機構(gòu)雙搖桿機構(gòu)第22頁，共36頁。平面四桿機構(gòu)演變圖例：曲柄滑塊機構(gòu)第23頁，共36頁。雙臂機器人手臂結(jié)構(gòu)圖例：

1—鉸接活塞缸2—連桿3—手臂4—支承架運動特點：手臂關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)運動是通過液壓缸-連桿機構(gòu)實現(xiàn)。控制活塞的行程就控制了手臂擺角的大小。第24頁，共36頁。齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖例：第25頁，共36頁。3．關(guān)節(jié)型機械臂的結(jié)構(gòu)（1）

存在的運動型式：

機身的旋轉(zhuǎn)運動；肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的擺動；腕關(guān)節(jié)的俯仰和旋轉(zhuǎn)運動；各運動的協(xié)調(diào)：

稱為5軸關(guān)節(jié)型機器人。

第26頁，共36頁。五軸關(guān)節(jié)型機器人手臂運動圖例（1）：腰轉(zhuǎn)肩轉(zhuǎn)肘轉(zhuǎn)俯仰偏轉(zhuǎn)腰轉(zhuǎn)姿態(tài)第27頁，共36頁。五軸關(guān)節(jié)型機器人手臂運動圖例（2）：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)與手腕的協(xié)調(diào)第28頁，共36頁。3．關(guān)節(jié)型機械臂的結(jié)構(gòu)（2）

各運動的實現(xiàn)：腕部的旋轉(zhuǎn)：電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉(zhuǎn)運動n5腕部俯仰：電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n4肘關(guān)節(jié)擺動：電機M3→兩級同步帶傳動B3、B3′→減速器R3→肘關(guān)節(jié)擺動n3肩關(guān)節(jié)的擺動：電機M2→同步帶傳動B2→減速器R2→肩關(guān)節(jié)擺動n2

第29頁，共36頁。關(guān)節(jié)型機器人傳動系統(tǒng)圖：第30頁，共36頁。腕部旋轉(zhuǎn)局部圖例：電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉(zhuǎn)運動n5第31頁，共36頁。腕部俯仰局部圖例：電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n4第32頁，共36頁。肘關(guān)節(jié)局部圖例：電機M3→兩級同步帶傳動B3、B3′→減速器R3→肘關(guān)節(jié)擺動n3第33頁，共36頁。肩關(guān)節(jié)局部圖例：電機M2→同步帶傳動B2→減速器R2→肩關(guān)節(jié)擺動n2第34頁，共36頁。作業(yè)：1、設(shè)計一種機器人小臂相對于大臂的直線運動的運動方案，動力源為電機驅(qū)動，用示意圖表達(dá)。第35頁，共36頁。內(nèi)容梗概機械臂結(jié)構(gòu)。作為世博軸的最大亮點，6個陽光谷尺寸不一、間距不一、形狀也不完全一樣。陽光谷的基本構(gòu)建為方形鋼管，幾根鋼管連接于同一點，稱為“節(jié)點”。世博軸是一個由商業(yè)服務(wù)、餐飲、會展服務(wù)等多功能組成的大型商業(yè)、交通綜合體。此外，世博軸還引入黃浦江水作冷熱源，用全生態(tài)綠色節(jié)能技術(shù)營造舒適宜人的室內(nèi)環(huán)境。為了防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。工字型截面的彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多。1、工字鋼的型號與高度尺寸h有關(guān)，如：10號工字鋼即指其高度尺寸為100mm。3、工字鋼的長度按長度系列購買。1、槽鋼的型號與高度尺寸h有關(guān)，如：10號槽鋼即指其高度尺為100mm。帶動腕部分別沿X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的方