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索氏抽提儀通用性強的機器人手腕機構的自由度為

發布時間:2016-12-22 10:35:00 點擊:

加手腕自由度,會使手腕結構復雜,運 動控制難度加大。索氏抽提儀因此,一般手腕機構 的自由度為 $ % & 個即能滿足作業要 求。通用性強的機器人手腕機構的自由度為 ’,而某些專業工業機器人的手腕 機構則視作業實際需要可減少其自由度數,甚至可以不要手腕。 手腕機構的形式很多,下面介紹一種應用最廣的具有兩個自由度的手腕機 構。 圖 !"!$ 手腕機構 圖 !"!$ 所示的手腕機構由圓錐齒 輪 !、",系桿 # ( $ 和小臂 # ( & 組成 的差動輪系,由兩個驅動傳動裝置傳 動。通常驅動電機安裝在大臂關節上, 經諧波減速器減速后,用鏈傳動將運動 傳到鏈輪 $、& 上。鏈輪 $ 使手腕殼體 # ( $ 相對小臂 # ( & 實現上下俯仰擺 動(#);鏈輪 & 經圓錐齒輪 !、" 傳動使 手腕末桿(其上裝有夾持器)# 相對手 腕殼體 # ( $ 作回轉運動(!# )。故該手腕機構具有兩個自由度。若設兩鏈輪 $、& 的輸入角分別為!$ 和!& ,則手腕末桿 # 的回轉運動角!# 可由下式確定 !# )(!& (!$ )$! $" (!"$!) 由式(!"$!)可知,手腕末桿的轉角!# 不僅與末桿驅動轉角!& 有關,而且與 前一桿 # ( $ 的驅動轉角!$ 有關,即!$ 角也能引起!# 角的變化,我們把這種運 $#* 第!章 平面連桿機構及其設計 動稱為誘導運動。 在作手腕機構的運動設計時,要注意大、



小手臂的關節轉角對末端操作器的 俯仰角均可能產生誘導運動。此外,手腕機構的設計還要注意減輕手臂的載荷, 應力求手腕部件的結構緊湊,減小其重量和體積,以利于手腕驅動傳動裝置的布 置和提高手腕動作的精確性。 !" 末端執行器的設計 機器人的末端執行器是直接執行作業任務的裝置。通常末端執行器的結構 和尺寸都是根據不同作業任務要求專門設計的,從而形成了多種多樣的結構型 式。根據其用途和結構的不同可分為機械式夾持器,吸附式執行器和專用工具 (如焊槍、噴嘴、電磨頭等)三類。就工業機器人中應用的機械式夾持器形式而 言,多為雙指手爪式,按其手爪的運動方式又可分為平移型(圖 !"!#$)和回轉型。 回轉型手爪又可分為單支點回轉型(圖 !"!#%)和雙支點回轉型(圖 !"!#&);按其 夾持方式又可分為外夾式和內撐式(圖 !"!#’)。此外,按驅動方式則有電動、液 壓和氣動三種。 圖 !"!# 末端執行器 圖 !"!( 機械式單支點回 轉型夾持器因工件直徑變動 引起工件軸心的偏移量! 設計末端執行器時,無論是夾持式或吸附式,都需要有足夠的夾持(吸附)力 和所需要的夾持位置精度。用機械式單支點回轉型夾持器來夾持工件時(圖 !"!(),由于所夾持工件的直徑有變動時,將引起工件軸心的偏移量!(稱為夾持 誤差),因其值相對較大,故其夾持位置精度較低。為了改善夾持精度,可采用雙 支點回轉型夾持器或采用平移型夾持器,其夾持位置精度幾乎不受工件直徑大 小的影響。 同樣,在設計末端執行器時,應盡可能使其結構簡單,緊湊、重量輕,以減輕 手臂的負荷。 !"! 平面四桿機構的設計 +*) 工業機器人操作機手臂機構和手腕機構的驅動傳動系統設計也是操作機機 械設計的重要環節,傳動系統的設計根據機器人完成作業任務的不同,和驅動方 式的不同而有很大區別,此處不再多作介紹,設計時可參閱有關著作。 小 結 平面四桿機構是由四個剛性構件用低副(回轉副或移動副)連接而成的。所 有構件均在同一平面內或相互平行的平面內運動。由于低副是面接觸,加工容 易,潤滑條件較好,可承受較大的沖擊載荷,因此平面四桿機構獲得廣泛的應用。 平面四桿機構中,以鉸鏈四桿機構最具有代表性,而鉸鏈四桿機構的最基本 形式是曲柄搖桿機構,其他類型的四桿機構都可視作在曲柄搖桿機構的基礎上 演化出來的。例如在曲柄搖桿機構 !"#$ 中(圖 !"#!),若取 !" 構件為機架,因 !" 構件與 "#、!$ 構件均可相對作一整圈轉動,故 "#、!$ 構件均為曲柄,得雙 曲柄機構。若取 #$ 構件作為機架,因 #$ 構件與 "#、!$ 構件均不能相對轉一 整圈,則 "#、!$ 構件均為搖桿,得雙搖桿機構。在曲柄搖桿機構的基礎上,通 過其他演化途徑(擴大回轉副,回轉副轉化為移動副)可獲得偏心輪機構、曲柄滑 塊機構等等。 在鉸鏈四桿機構中,當主動曲柄以等速繞回轉副中心回轉時,從動搖桿則作 來回的變速擺動,正反行程擺動的平均速度不同,回程的平均速度較高,故具有 急回作用,可提高工效。大部分的平面四桿機構都具有急回作用。 平面四桿機構可實現從動構件所需的運動規律或所需的運動軌跡。平面四 桿機構設計主要有圖解法、實驗法和解析法。其中圖解法、實驗法直觀,主要利 用反轉法等原理進行設計,但不精確和不連續。解析法精度高,可連續求解,并 可在計算機上編程操作是目前發展的方向。 習 題 !"# 在鉸鏈四桿機構 !"#$ 中,若 !"、"#、#$ 三桿的長度分別為:% $ %#& ’’,& $ #(& ’’,’ $ )*& ’’,機架 !$ 的長度 ( 為變量。試求: (%)當此機構為曲柄搖桿機構時,( 的取值范圍;



 (#)當此機構為雙搖桿機構時,( 的取值范圍; ())當此機構為雙曲柄機構時,( 的取值范圍。 !"$ 如題 !"# 圖所示為轉動翼板式油泵,由四個四桿機構組成,主動盤繞固定軸 ! 轉動, 試畫出其中一個四桿機構的運動簡圖(畫圖時按圖上尺寸,并選取比例尺!) $ &"&&& + ’,’’,即 按圖上尺寸放大一倍),并說明它們是哪一種四桿機構。 !"% 試畫出題 !") 圖所示兩個機構的運動簡圖(畫圖要求與題 !"# 相同),并說明它們是 哪一種機構。 %%& 第!章 平面連桿機構及其設計 題 !"# 圖 題 !"$ 圖 !"! 題 !"! 圖所示為一偏置曲柄滑塊機構,試求桿 !" 為曲柄的條件。若偏距 # % &,則 桿 !" 為曲柄的條件又如何? 題 !"! 圖 !"# 在題 !"’ 圖所示的鉸鏈四桿機構中,各桿的長度為 $( % #) **,$# % ’# **,$$ % ’& **,$! % +# **,試求: 習 題 ((( 題 !"# 圖 ($)當取桿 ! 為機架時,該機構的極位夾角!、桿 % 的最大 擺角"、最小傳動角#&’( 和行程速比系數 !; ())當取桿 $ 為機架時,將演化成何種類型的機構?為什 么?并說明這時 "、# 兩個轉動副是周轉副還是擺轉副; (%)當取桿 % 為機架時,又將演化成何種機構?這時 $、% 兩個轉動副是否仍為周轉副? !"# 設曲柄搖桿機構 $%"# 中,桿 $%、%"、"#、$# 的長 度分別為:& * +, &&,’ * $-, &&,( * )+, &&,) * )#, &&,$# 為機架。試求: ($)行程速度變化系數 !; ())檢驗最小傳動角#&’( ,許用傳動角[#]* !,.。 !"$ 偏置曲柄滑塊機構中,設曲柄長度 & * $), &&,連桿長度 ’ * -,, &&,偏距 * * $), &&,曲柄為原動件,試求: ($)行程速度變化系數 ! 和滑塊的行程 +; ())檢驗最小傳動角#&’( ,[#]* !,.; (%)若 & 與 ’ 不變,* * , 時,求此機構的行程速度變化系數 !。 題 !"+ 圖 !"% 插床中的主機構,如題 !"+ 圖所示,它是由轉 動導桿機構 $"% 和曲柄滑塊機構 $#, 組合而成。已知 -$% * $,, &&,-$# * +, &&,試求: ($)當插刀 , 的行程速度變化系數 ! * $"! 時,曲柄 %" 的長度 -%" 及插刀的行程 +; ())若 ! * ) 時,則曲柄 %" 的長度應調整為多少? 此時插刀 , 的行程 + 是否變化? !"& 題 !"/ 圖所示兩種形式的抽水唧筒機構,圖 0 以構件 $ 為主動手柄,圖 1 以構件 ) 為主動手柄。設兩 機構尺寸相同,力 . 垂直于主動手柄,且力 . 的作用線 距點 % 的距離相等,試從傳力條件來比較這兩種機構哪 一種合理。 !"’( 題 !"$, 圖所示為腳踏軋棉機的曲柄搖桿機構。鉸鏈中心 $、% 在鉛垂線上,要求 踏板 #" 在水平位置上下各擺動 $,.,且 /#" * #,, &&,/$# * $ ,,, &&。試求曲柄 $% 和連桿 %" 的長度 /$% 和 /%" ,并畫出機構的死點位置。 !"’’ 題 !"$$ 圖所示為一實驗用小電爐的爐門裝置,在關閉時為位置 0$ ,開啟時為位置 0) ,試設計一四桿機構來操作爐門的啟閉(各有關尺寸見圖)。在開啟時爐門應向外開啟,爐 門與爐體不得發生干涉。而在關閉時,爐門應有一個自動壓向爐體的趨勢(圖中 1 為爐門質 心位置)。%、" 為兩活動鉸鏈所在位置。 $$) 第!章 平面連桿機構及



其設計 題 !"# 圖 題 !"$% 圖 題 !"$$ 圖 !"#$ 題 !"$& 圖所示為一雙聯齒輪變速裝置,用撥叉 !" 操縱雙聯齒輪移動,現擬設計 一個鉸鏈四桿機構 #$%!;操縱撥叉 !" 擺動。已知:&#! ’ $%% ((,鉸鏈中心 #、! 的位置如圖 所示,撥叉行程為 )% ((,撥叉尺寸 &"! ’ &!% ’ !% ((,固定軸心 ! 在撥叉滑塊行程的垂直平 分線上。又在此四桿機構 #$%! 中,構件 #$ 為手柄,當它在垂直向上位置 #$$ 時,撥叉處于 位置 "$ ,當手柄 #$ 逆時針方向轉過!’ #%*而處于水平位置 #$& 時,撥叉處于位置 "& 。試設 計此四桿機構。 !"#% 已知某操縱裝置采用一鉸鏈四桿機構,其中 &#$ ’ +% ((,&#! ’ ,& ((,原動件 #$ 與從動件 %! 上的一標線 !" 之間的對應角位置關系如圖所示。試用圖解法設計此四桿機 構。 !"#! 題 !"$! 圖所示為一用于控制裝置的搖桿滑塊機構,若已知搖桿與滑塊的對應位置 為:"$ ’ -%*、’$ ’ .% ((,"& ’ #%*、’& ’ -% ((,") ’ $&%*、’) ’ !% ((。偏距 ( ’ &% ((。試設計 該機構。 習 題 $$) 題 !"#$ 圖 題 !"#% 圖 題 !"#! 圖 !"#$ 如題 !"#& 圖所示的顎式碎礦機,設已知行程速度變化系數 ! ’ #"$&,顎板 "#(搖 桿)的長度 $"# ’ %(( )),顎板擺角!’ %(*,試確定: (#)當機架 %# 的長度 $%# ’ $+( )) 時,曲柄 %& 和連桿 &" 的長度 $%& 和 $&" ; ($)當曲柄 %& 的長度 $%& ’ &( )) 時,機架 %# 和連桿 &" 的長度 $%# 和 $&" 。并對此兩種 設計結果,分別檢驗它們的最小傳動角"),- ,["]’ !(*。 ##! 第!章 平面連桿機構及其設計 題 !"#$ 圖 !"#$ 設計一曲柄滑塊機構,已知滑塊的行程速度變化系數 ! % #"$,滑塊行程 " % $& ’’,偏距 # % (& ’’,如題 !"#) 圖所示。試求曲柄長度 $%& 和連桿長度 $&’ 。 題 !"#) 圖 題 !"#* 圖 !"#% 在題 !"#* 圖所示牛頭刨床的主運動機構中,已知中心距 $%’ % +&& ’’,刨頭的沖程 ( % !$& ’’,行程速度變化系數 ! % (,試求曲柄 %& 和導桿 ’) 的長度 $%& 和 $’) 。 習 題 ##$ !"#$ 試設計一鉸鏈四桿結構,已知搖桿 !" 的行程速度變化系數 # ! "#$,其長度 $!" ! %$ &&,搖桿右邊的一個極限位置與機架之間的夾角! ! ’$(,如題 ’#") 圖所示。機架的長度 $%" ! "** &&。試求曲柄 %& 和連桿 &! 的長度 $%& 和 $&! 。 題 ’#") 圖 !"#% 題 ’#"+ 圖所示鉸鏈四桿機構中,已知機架 %" 的長度 $%" ! "** &&,兩連架桿三組 對應角為:"" ! ,*(,!" ! ,*(;"- ! "*$(,!- ! +*(;". ! "$*(,!. ! "-*(。試用解析法設計此四桿 機構。 題 ’#"+ 圖 "", 第!章 平面連桿機構及其設計 第 ! 章 凸輪機構及其設計 本章主要介紹凸輪機構的工作原理、分類、從動件的基本運動規律、反轉法 基本原理、平面凸輪輪廓曲線的設計方法以及凸輪機構的基本尺寸確定和凸輪 機構的動態靜力分析。 !"# 凸輪機構的應用和分類 !"#"# 凸輪機構的應用 凸輪機構是由具有曲線輪廓的構件,通過高副接觸帶動從動件實現預期運 圖 !"# 內燃機 配氣機構 動規律的一種高副機構。它廣泛地應用于各種機械,特別是 自動機械、自動控制裝置和裝配生產線中。在設計機械時, 當需要其從動件必須準確地實現某種預期的運動規律時,常 采用凸輪機構。 圖 !"# 所示為內燃機的配氣機構,用凸輪來控制進、排氣 閥門的啟閉。工作中對氣閥的啟閉時序及其速度和加速度都 有嚴格的要求,這些要求均由凸輪 # 的輪廓曲線來實現。 圖 !"$ 所示為錄音機卷帶裝置中的凸輪機構,凸輪 # 隨放 音鍵上下移動。放音時,凸輪 # 處于圖示最低位置,在彈簧 ! 的作用下,安裝于帶輪軸上的摩擦輪 % 緊靠卷帶輪 &,從而將 磁帶卷緊。停止放音時,凸輪 # 隨按鍵上移,其輪廓壓迫從動 件 $ 順時針擺動,使摩擦輪與卷帶輪分離,從而停止卷帶。 圖 !"% 所示為自動機床的進刀機構,利用凸輪機構來控制 進刀機構的自動進、退刀,其刀架的運動規律完全取決于凸輪 # 上曲線凹槽的形狀。 從以上所舉的例子可以看出,凸輪機構主要由凸輪、從動件和機架三個基本 構件組成。

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