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1、第4章機器人本體基本結(jié)構(gòu)機器人的本體結(jié)構(gòu)指其機體結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)，也是機器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機構(gòu)。本章以工業(yè)機器人為主要對象介紹機器人本體主要組成部分的特點和結(jié)構(gòu)形式。4.1概述機器人本體是機器人的重要部分，所有的計算、分析和編程最終要通過本體的運動和動作完成特定的任務。機器人本體各部分的基本結(jié)構(gòu)、材料的選擇將直接影響整體性能。機器人本體結(jié)構(gòu)基本上是由連桿和關(guān)節(jié)組成；連桿又可以分為長連桿與短連桿（見機器人實物圖）；關(guān)節(jié)又可以分為移動關(guān)節(jié)與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)的舉例1，剛度高有利于提高手臂端點的定位精度和跟蹤精度，這在離線編程時是至關(guān)重要的。2，剛度高還可降低對控制系統(tǒng)的要求
2、和系統(tǒng)造價。3，較好的剛度還可以增加機械系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，比如在選擇傳感器安裝位置時，剛度高的結(jié)構(gòu)允許傳感器放在離執(zhí)行器較遠的位置上，減少了設(shè)計方面的限制。盡可能提高機器人結(jié)構(gòu)固有頻率的目的在于避開機器人的工作頻率。通常機器人的低階固有頻率為5～25Hz，以中等速度運動時，輸入信號的脈沖延續(xù)時間約在0.05～1s，振蕩頻率相當于在1～20Hz，因而機械系統(tǒng)可能會因此激發(fā)振蕩。動態(tài)剛度高可以減小定位時的超調(diào)量，縮短達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間，從而提高機器人的使用性能。4.1.2機器人本體材料的選擇機器人的結(jié)構(gòu)特點與一般的機械有所不同，后面的桿件和關(guān)節(jié)的重量是前面關(guān)節(jié)的負載，對于活動構(gòu)件，盡量選擇
3、較輕的材料；F=kX;精密機器人對于機器人的剛度有一定的要求，即對材料的剛度有要求。剛度設(shè)計時要考慮靜剛度和動剛度，即要考慮振動問題。從材料角度看，控制振動涉及減輕重量和抑制振動兩方面，其本質(zhì)就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問題，它與材料的抗振性緊密相關(guān)。另外，家用和服務機器人的外觀與傳統(tǒng)機械大有不同，故將會出現(xiàn)比傳統(tǒng)工業(yè)材料更富有美感的機器人本體材料。從這一點看，機器人材料又應具備柔軟和外表美觀等特點。正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低機器人的成本價格，更重要的是可適應機器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力學及動力學特性要求。隨著材料工業(yè)的發(fā)展，新材料的出現(xiàn)給機器人的發(fā)展提供了寬廣的空
4、間一、材料選擇的基本要求(1)強度高。機器人臂是直接受力的構(gòu)件，高強度材料不僅能滿足機器人臂的強度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。(2)彈性模量大。彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強度極限為2?000～2?300MPa，但是二者的彈性模量E卻沒有多大變化，均為2.1×MPa。因此，還應尋找其他提高構(gòu)件剛度的途徑。(3)重量輕。機器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說，為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度?也大的材料是不合理的。因此，提出了選用高彈性模量、低密度材料的要求。(
5、4)阻尼大。選擇機器人的材料時不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來吸收能量。(5)材料經(jīng)濟性。材料價格是機器人成本價格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等用來作為機器人臂的材料是很理想的，但價格昂貴。二、機器人常用材料簡介1．碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼這類材料強度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強度增大了4～5倍，彈性模量E大，抗變形能力強，是應用最廣泛的材料。2．鋁、鋁合金及其他輕合金材料這類材料的共同特點是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/?之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更
6、明顯的改善，例如添加3.2％(重量百分比)鋰的鋁合金，彈性模量增加了14％，E/?比增加了16％。3．纖維增強合金這類合金如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等，其E/?比分別達到和。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/?比，而且沒有無機復合材料的缺點，但價格昂貴。4．陶瓷陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臂樣品。5．纖維增強復合材料這類材料具有極好的E/?比，但存在老化、蠕變、高溫熱膨脹以及與金屬件連接困難等問題。這類材料不但重量輕，剛度大，而且還具有十分突出的大阻
7、尼的優(yōu)點。傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼，所以在高速機器人上應用復合材料的實例越來越多。疊層復合材料的制造工藝還允許用戶進行優(yōu)化，改進疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼值。6．粘彈性大阻尼材料增大機器人連桿件的阻尼是改善機器人動態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理。吉林工業(yè)大學和西安交通大學進行了粘彈性大阻尼材料在柔性機械
