§4-6机身及行走机构设计 工业机器人机械结构有三大部分:机身、手臂(包 括手腕)、手部。机身,又称为立柱。机器人必须有 个便于安装的基础件,这就是工业机器人的机座,机 座往往与机身做成一体。假如工业机器人是移动式的, 那么还有一个行走机构。图461表示了包括手部、手 腕、手臂、机身、行走机构在内的一个工业机器人系 统。 一、机身设计 机身是支承臂部的部件。一般实现升降、回转和 仰俯等运动,常有1至3个自由度。机身设计时要注意 下列问题: l)要有足够的刚度和稳定性; 2)运动要灵活,升降运动的导套长度不宜过短, 避免发生卡死现象,一般要有导向装置; (3)结构布置要合理
• §4-6机身及行走机构设计 • 工业机器人机械结构有三大部分：机身、手臂(包 括手腕)、手部。机身，又称为立柱。机器人必须有一 个便于安装的基础件，这就是工业机器人的机座，机 座往往与机身做成一体。假如工业机器人是移动式的， 那么还有一个行走机构。图4-61表示了包括手部、手 腕、手臂、机身、行走机构在内的一个工业机器人系 统。 • 一、机身设计 • 机身是支承臂部的部件。一般实现升降、回转和 仰俯等运动，常有l至3个自由度。机身设计时要注意 下列问题： • (1)要有足够的刚度和稳定性； • (2)运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短， 避免发生卡死现象，一般要有导向装置； • (3)结构布置要合理
腕部于部 臂部 驱动部件 控制部件 机身 行走机构 图4-61具有行走机构的工业机器人
回转与升降机身 (1)回转运动采用摆动泊缸驱动,升降泊缸在下, 回转油缸在上。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方, 故活塞杆的尺寸要加大。 2)回转运动采用摆动油缸驱动,回转油缸在下 升降油缸在上,相比之下,回转油缸的驱动力矩要设 计得大一些 (3)链轮传动机构 链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回 转运动,它的回转角度可大于360。图462所示为气动 机器人采用活塞气缸和链条链轮传动机构,以实现机 身的回转运动(见K向视图)。此外,也有用双杆活 塞气缸驱动链轮回转的方式,如图(b)所示
• 1.回转与升降机身 • (1)回转运动采用摆动泊缸驱动，升降泊缸在下， 回转油缸在上。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方， 故活塞杆的尺寸要加大。 • (2)回转运动采用摆动油缸驱动，回转油缸在下， 升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设 计得大一些。 • (3)链轮传动机构 • 链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回 转运动，它的回转角度可大于360。图4-62所示为气动 机器人采用活塞气缸和链条链轮传动机构，以实现机 身的回转运动（见Ｋ向视图）。此外，也有用双杆活 塞气缸驱动链轮回转的方式，如图(b)所示
通常机身具有回转、升降、回转与升降 回转与俯仰、回转与升降以及俯仰共5种运动 采取哪一种自由度形式由工业机器人的总体设 计来定。比如,圆柱坐标式机器人把回转与升 降2个自由度归属于机身;球坐标式机器人把 回转与俯仰2个自由度归属于机身;关节坐标 式机器人把回转自由度归属于机身,直角坐标 式机器人有时把升降(轴),有时把水平移动(X 轴)一个自由度归属于机身。现介绍回转与升降 机身、回转与俯仰机身设计中的一些问题
• 通常机身具有回转、升降、回转与升降、 回转与俯仰、回转与升降以及俯仰共５种运动 采取哪一种自由度形式由工业机器人的总体设 计来定。比如，圆柱坐标式机器人把回转与升 降２个自由度归属于机身；球坐标式机器人把 回转与俯仰2个自由度归属于机身；关节坐标 式机器人把回转自由度归属于机身，直角坐标 式机器人有时把升降(Z轴)，有时把水平移动(X 轴)一个自由度归属于机身。现介绍回转与升降 机身、回转与俯仰机身设计中的一些问题
K向 G K (b) 图4-62链条链轮传动实现机身回转的原理图
2回转与俯仰机身 机器人手臂的俯仰运动,一般采用活塞油(气)缸与 连杆机构来实现的。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手 臂的下方,其活塞杆和手臂用饺链连接,缸体采用尾 部耳环或中部销轴等方式与立柱连接,图4-63所示。 此外还有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构 实现手臂的俯仰运动。 3机身驱动力(力矩)计算 (1)垂直升降运动驱动力的计算。作垂直运动时, 除克服摩擦力Fn之外,还要克服机身自身运动部件的 重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等总重力以 及升降运动的全部部仲惯性1力,故其驱动力Pq可按下 式计算:
• 2.回转与俯仰机身 • 机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞油(气)缸与 连杆机构来实现的。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手 臂的下方，其活塞杆和手臂用饺链连接，缸体采用尾 部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，图4-63所示。 此外还有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构 实现手臂的俯仰运动。 • 3.机身驱动力(力矩)计算 • (1)垂直升降运动驱动力的计算。作垂直运动时， 除克服摩擦力Fm之外，还要克服机身自身运动部件的 重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等总重力以 及升降运动的全部部仲惯性1力，故其驱动力Pq可按下 式计算：
PqFm+Fg土W (4-18) 式中:Fm一各支承处的摩擦力(N); Fg一启动时总惯性力(N); W一运动部件的总重力(N) 土一上升时为正,下降时为负
Pq=Fm+Fg土 W (4-18) 式中：Fm－各支承处的摩擦力（N）； Fg－启动时总惯性力（N）； W－运动部件的总重力（N)； 土－上升时为正，下降时为负
(2)回转运动驱动力矩的计算。回转运动驱动力 矩只包括两项;回转部件的摩擦总力矩;身自身运动 部件和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力 矩,故驱动力矩归,可按下式算: Mq=Mm+Mg (4-19) 式中:Mm-一总摩擦阻力矩(N·m); Mg一各回转运动部件总惯性力矩(N-m) 而 Mg=J△/At 式中:ΔO一在升速或制动过程中角速度增量(1/s); △t一回转运动升速过程或制动过程的时间(s); Jo一全部回转零部件对机身回转轴的转动惯 量(kgmZ),如果零件外廓尺寸不大,重心到回转轴线 距离又远时,一般可按质点计算它对回转轴线的转动 惯量
• (2)回转运动驱动力矩的计算。回转运动驱动力 矩只包括两项；回转部件的摩擦总力矩；身自身运动 部件和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力 矩，故驱动力矩归，可按下式算： • Ｍq=Mm+Mg (4-19) • 式中：Mm－总摩擦阻力矩(N·m)； • Ｍg－各回转运动部件总惯性力矩(N·m)。 • 而 • Ｍg=J0 • 式中： －在升速或制动过程中角速度增量（1/s)； • －回转运动升速过程或制动过程的时间(s)； • J0－全部回转零部件对机身回转轴的转动惯 量(kg·mZ)，如果零件外廓尺寸不大，重心到回转轴线 距离又远时，一般可按质点计算它对回转轴线的转动 惯量。 /t t
图4-63回转与俯仰机身示意图
(3)升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件 计算。偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的 总重量对机身立柱轴的静力矩。当手臂悬伸为 最大行程时,其偏重力矩为最大。故偏重力矩 应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算 各零部件的重量可根据其结构形状、材料 密度进行粗略计算,由于大多数零件采用对称 形状的结构,其中心位置就在几何截面的几何 中心上,故根据静力学原理可求出手臂总重量 的重心位置距机身立柱轴的距离L,亦称作偏 重力臂,如图4-64所示,其大小为
• (3)升降立柱下降不卡死（不自锁）的条件 计算。偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的 总重量对机身立柱轴的静力矩。当手臂悬伸为 最大行程时，其偏重力矩为最大。故偏重力矩 应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算。 • 各零部件的重量可根据其结构形状、材料 密度进行粗略计算，由于大多数零件采用对称 形状的结构，其中心位置就在几何截面的几何 中心上，故根据静力学原理可求出手臂总重量 的重心位置距机身立柱轴的距离L，亦称作偏 重力臂，如图4－64所示，其大小为
