动,也可以沿着三轴转动,我们称之为有6个自由度.工业机械手由多个关节连接,主要是移动和转动,我们将主动关节的数量叫做机械手的自由度数目.由于刚体在空间内有6个自由度,机器人要完成任意的空间作业,也最少要有6个自由度.
运动副：两杆之间相对运动时,面接触构成低副,线接触或点接触构成高副.如图1-3所示,其中旋转副、移动副和螺旋副具有1个自由度,圆柱副具有2个自由度,平面副和球面副具有3个自由度.其中工业机械手最常用的关节种类是旋转关节、移动关节. [3] 2.2.2机械手分类
机械手分类的方法多种. （1） 按照机械手插补方式分类
点位控制型：机器人被控制的运动形式是按照由
一个位置目标向另一个位置移动.最常见的应用是点焊机器人.
图2-2 六种低副机构 连续轨迹控制型：机器人的各个组成关节同时被控制,导致末端产生连续轨迹的曲线运动,并且需要各个关节获得控制部分发出的角位移信号和角速度信息.最常见的应用是弧焊机器人.
(2)按照机械手坐标形式分类
机械手前3关节起到定位作用.下面来讨论这几种不同组合类型的名称.其中P表示移动关节,R表示转动关节.
表2-1 机械手形式
机械手 直角坐标系 圆柱坐标系 球坐标系 关节式 SCARA
关节 P R R R R
关节 P P R R R
关节 P P P R P
旋转关节数 0 1 2 3 2
直角坐标系机械手,如图2-3-a所示,这种机械手外形轮廓和数控镗铣床或者三坐标测量仪相似,3个移动的关节相当于笛卡尔坐标系的X,Y,Z轴.这种结构
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的各个关节相互独立,不耦合,运动学求解过程容易,无奇异状态；缺点是安装过程中占地面积比较大,动作范围小,掌控不灵活.
圆柱坐标系机械手,是以(?,z,?)组成的坐标系,末端p的位置坐标是
p?f(?,z,?),其中γ是手臂的径向长；θ是手臂绕水平方向旋转的角度,z表示
垂直轴高.此种型号的机械手,占地小,结构简单,如图2-3-b所示,.
球坐标系机械手,以(?,?,y)为坐标,位置可以表示成p?f(?,?,y),如图2-3-c所示,该种机械手空间定位简单,手臂收回过程中容易与物体相碰,移动关节不宜保护.
关节式机械手,这种机器人依靠肩关节和肘关节来定位,依靠腕关节定向,两个肩关节用来旋转和俯仰,如图2-3-d所示,．这种机构的优点是控制灵活,工作范围大,结构紧凑、占地少,干涉小,关节部位旋转关节易密封,达到较好的防尘,机械手运动学较复杂 .进行控制时计算量比较大.
图2-3六种不同坐标形式的机器人
(a)直角坐标机器人(b)圆柱坐标机器人(c)球坐标机器人(d)多关节机器人e)平面多关节机器人
SCARA机械手,常被称为平面多关节机械手,其结构特点是旋转关节的轴线相互平行,其移动关节用来实现控制末端在垂直平面的位置,手腕参考点的位置由两旋转关节?1,?2和移动关节z决定,即p?f(?1,?2,z),如图2-3-e所示,该机械手的优点是结构轻便、响应速度快,适合装配过程中用来在平面内完成打螺丝的
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工作.[4]
(3)按照机器人的驱动方式不同分类
机械手按驱动方式可分为电动、液动和气动.电气驱动最常用,可使用的电机有交流伺服电机、交流伺服电机和交流伺服电机.对于要求高速和重载的搬运常采用液压元件来驱动,可以实现平稳大负载传动. (4)按照机器人的功能不同分类
工业机械手可用于搬运、装配、焊接、切削、喷涂等,可以依此分类.. (5)机器人控制方式差异分类
集中控制：在一台计算机上完成所有的控制功能,可以降低成本但延迟时间长,反应不灵敏.
主从控制：采用一级控制和两级两层处理器达到控制目的.总控制器运行管理、位姿变换、运动轨迹生成和系统诊断等程序；从控制器实现所有关节的旋转角度、角度加速度等运动控制.主从控制系统优点是实时性好,反应迅速,缺点是系统不便于扩展,故障不容易维修.
分散控制方式：分散控制是当前的主流控制方式,其特征是根据不同的控制任务和特征分模块控制,每个模块任务不同.控制方式的实时性好,精度高 ,易于扩展,智能化. 2.3机械手设计方案
通过查阅ABB公司和KUKA公司的低负荷机械手产品参数,和查阅大量文献,初步确定低负荷六自由度机械手的设计参数、总体设计方案、传动方案. 2.3.1总体方案设计
该机械手可用于制造、装配、焊接过程中以取代繁重的人工劳动等.为了实现被加持物多种姿态,设计机械手自由度为6,采用交流伺服电机控制,设计负重16kg.
旋转关节与平移关节相比,结构更加小巧、质量更小、可操作空间更大 ,关节设计实现过程中更加易于密封防尘.
本设计综合多种工业机械手造型,使用了六个旋转关节,机器人自由度的分配如图2-4所示,其前后三个关节分别控制末端的位置和姿态.
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图2-4 六自由度机械手总体设计方案
2.2.3传动方案设计
根据总体结构方案,作机器人结构图.参考多种传动系统的设计,画出不同的传动方案.
方案1如图2-5-a所示,腰部结构设计简明,方便应用重力进行力矩平衡,两臂的结构都很复杂,适用于高负荷机械手、设计难度大、传动链长,诱导运动多.
方案2如图2-5-b所示,第1自由度采用蜗杆传动,对于蜗杆传动,能得到一部分传动比,结构设计紧凑,传动稳定、低噪、可自锁以防止滑动,虽然传动效率较低,在低负荷的设计要求下仍然可以满足要求；为了减磨耐磨,齿圈用青铜制造.第3自由度则采用平行四边形连杆机构传动,使两台电机和减速器均衡分布,稳定性高.
综上所述,方案2整体设计大臂结构简单、综合低负荷的设计要求,最后确定方案2为较优方案,根据该方案完成设计.
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(a) (b)
图2-5 六自由度机械手传动系统方案原理图
2.4确定设计参数
机械手包括底座、驱动臂座、大手臂、小手臂、手腕、手爪和驱动部件.六个自由度,依次为臂座回转、大手臂俯仰、肘关节俯仰、小手臂回转、手腕俯仰,手腕回转.机械手采用电动机驱动.电机驱动的特点是构造简单、方便控制、容易更换、不污染环境等.
电动机可以选择伺服电机或交流伺服电机.伺服电机可以形成闭环控制,更加方便控制,但是成本较高,一般使用伺服电机.6个关节都使用伺服电机驱动,. 直接使用电机驱动,要求电机输出扭矩巨大.考虑到低速运行的电机扭矩很小,无法达到机械手的扭矩要求, 角加速度的控制需要较大的扭矩,所以在每个电机部位使用减速器以增大扭矩.常用的机械臂减速器有谐波减速器和行星减速器.谐波减速器利用可控的柔性元件实现传动,精度高,传动平稳,体积不大、负载高、质量小,已广泛应用在现代机器人中.因此在上述关节处使用了谐波减速器.
现代机器人结构常用交叉滚子轴承和环形轴承.设计简单,精度高、刚度大,
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