象鼻子（柔软）机器人说明书 - 图文 (3)

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（3）因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。

（4）所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。 关节坐标式机器人的缺点如下。

（1）肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时虽然能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度比较低。

（2）机器人首部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。

2.1.5冗余坐标式机器人

如果使关节空间维数大于任务空间维数，关节空间维数与任务空间维数的差称为机器人的冗余自由度，或简称冗余自由度。从运动学的观点来说就是指完成某一特定任务时 ,机器人具有多余的自由度。这样的机器人称为冗余自由度机器人。多余的自由度可用来改善机器人的运动及动力学特性 ,如增加灵活性、躲避障碍、回避奇异、优化主运动任务下的辅助操作指标、优化关节速度、加速度、力矩、能量等。给定了冗余自由度机器人的末端位姿，即任务空间中的点，关节空间可以有无穷多个点，或者说有无穷多个位形与之对应，这些点的集合是关节空间中的一个n-m维流形。换言之，冗余自由度机器人位形能够在这个流行内自由变动而不影响末端位姿，这个变动称为冗余自由度机器人的自运动。机器人所具有的这种性质称为冗余特性。这使我们有可能在实现给定末端位姿（第一目标）的同时，还可以通过在这些子空间的运动，满足各种二次目标。利用机器人的冗余特性，可以实现机器人的容错控制盒机器人的振动控制。对于多臂机器人、移动式机器人、机器人多指灵巧手登特殊的机器人结构，也普遍存在冗余特性。

正是由于这种区别于传统非冗余自由度机器人的冗余特性，使冗余自由度机器人优于非冗余自由度机器人，而成为人们关注的焦点。

本课题要求是设计一个象鼻子机械手用于向任意空间曲面完成喷漆工作，要求该机械手的手腕为柔软手腕，可以向任意方向弯曲。根据课题的要求很明显的知道选用的自由度为冗余自由度。

2.2驱动机构设计

驱动机构用于把驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位。按实现的运动方式，驱动机构可分为直线驱动机构和旋转驱动机构两种。驱动机构的运动可以由不同的驱

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—————————————————————————————————————— 动方式来实现。

机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电气驱动三种基本类型。 工业机器人出现的初期，由于其大多采用曲柄机构和连杆机构等，所以较多采用液压与气压驱动方式。但随着对机器人作业速度要求越来越高，以及机器人的功能日益复杂化，目前采用电气驱动的机器人所占用比例越来越大。但在需要功率很大的应用场合，或运动精度不高、有防爆要求的场合，液压、气压驱动仍应用较多。

液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。

液压驱动具有以下几个优点：

（1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为2.5~6.3MPa），液压设备体积较小，可以获得较大的推力或转矩；

（2）液压系统介质的可压缩性小，系统工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； （3）在液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；

（4）液压系统采用油液作介质，具有防锈蚀和自润滑性能，可以提高机械效率，系统的使用寿命长。

液压驱动的不足之处如下：

（1）油液的黏度随温度变化而变化，影响系统的工作性能，且油温过高时容易引起燃烧爆炸等危险；

（2）液体的泄漏难以克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高； （3）需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。

气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，同体积条件下功率较小，而且速度不易控制，所以多用于精度要求不高的点位控制系统。 与液压驱动相比，气压驱动的优点如下：

（1）压缩空气黏度小，容易达到高速（1m/s）；

（2）利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备，且空气介质对环境无污染，使用安全，可在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、震动等恶劣工作环境中工作；

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（3）气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低，价格低廉；

（4）空气具有可压缩性，使启动系统能够实现过载自动保护，提高了系统的安全性和柔软性。

气压驱动的不足之处如下：

（1）压缩空气常用压力为0.4~0.6MPa，若要获得加大的动力，其结构就要相对增大； （2）空气压缩大，工作平稳性差，速度控制困难，要实现准确的位置控制很困难； （3）压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机构失灵；

（4）排气会造成噪声污染。

电气驱动是利用电动机直接或通过机械传动装置来驱动执行机构，其所用能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，且具有使用方便、噪声低和控制灵明的特点，在机器人中得到了广泛应用。

根据选用电动机及配套驱动器的不同，电气驱动系统大致分为步进电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流伺服电动机驱动系统等。步进电机多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度、小功率机器人系统；直流伺服电动机易于控制，有较理想的机械特性，但其电刷易磨损，且易形成火花；交流伺服电动机结构简单，运行可靠，可频繁启动、制动，没有无线电波干扰。交流伺服电动机与直流伺服电动机比较又具有以下特点：没有电刷等易损坏元件，外形尺寸小，能在重载下高速运行，加速性能好，能实现动态控制和平滑运动，但控制较复杂。目前常用的交流伺服电动机有交流永磁伺服电动机（PMSM）、感应异步电动机（ＩＭ）、无刷直流电动机（ＢＬＤＣ）等，交流伺服电动机已逐渐成为机器人的主要驱动方式。

2.3象鼻子机器人的“鼻子”

由于本机器人的臂要求柔软，也就是可以向任何方向弯曲，所以机械系统部分大致拟定四种设计方案：方案一采用充气形式，它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩。方案二“鼻子”用多个圆弧构件相对连接构成，由于接触面为突出的圆弧，所以可以实现任意方向的弯曲。方案三“鼻子”用多个碗状构件依次连接而成，接触面为凹弧面。方案四“鼻子”采用多个并联机构串接而成。其每个单元如图2-1。综合评定，方案一了解的资料不多，知识不全面，难于实现；方案二中两构件接触面为突出的弧面，

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—————————————————————————————————————— 稳定性不够好，而方案三为凹弧接触，稳定性较好，但难于控制；而在方案四中了解的资料比较多，结合自己所学的知识可以选出适用的方法为方案四。

图2-1 机器人单节示意图

2.4直线驱动机构

如图并联机构可以看出：上下动定平台之间所用的连接为球铰和虎克铰，而实现向任意方向弯曲的机构为伸缩杆，即直线驱动机构。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件把旋转运动转换为直线运动。

2.4.1齿轮齿条装置

通常齿条是固定不动的。当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向作直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换为拖板的直线运动，如图2-2所示。拖板是由导杆或导轨支撑的。该装置的回差较大。

图2-2 齿轮齿条装置

1—拖板；2—导向杆；3—齿轮；4—齿条

2.4.2普通丝杠和滚珠丝杠

普通丝杆驱动采用了一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动，从而将丝杠

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—————————————————————————————————————— 的旋转运动转换成螺母的直线运动。由于普通丝杠的摩擦力较大，效率低，惯性大，在低速时容易产生爬行现象，精度低，回差大，所以在机器人中很少采用。

在机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。 由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力，摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速时的爬行现象；在装配时施加一定的预紧力，可消除回差。

如图2-3所示， 滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来，进入经过研磨的导轨，转动2~3圈以后，返回钢套管。滚珠丝杠的传动效率可以达到90%，所以只需要使用极小的驱动力，并采用较小的驱动连杆件，就能够传递运动。

通常人们还使用两个背靠背的双螺母对滚珠丝杠进行预加载，以消除丝杠和螺母之间的间隙、提高运动精度。

图2-3 滚珠丝杆传动装置

2.4.3液压（气压）缸

液压（气压）缸是将液压泵（空气压缩机）输出的压力能转换为机械能、作直线往复运动的执行元件，使用液压（气压）缸可以很容易实现直线运动。液压（气压）缸主要由缸筒、缸盖、活塞杆和密封装置等元件构成，活塞和缸筒采用精密滑动配合，压力油（压缩空气）从液压（气压）缸的一端进入，把活塞推向液压（气压）缸的另一端，从而实现直线运动。通过调节进入液压（气压）缸液压油（压缩空气）的流动方向和流量可以控制液压（气压）缸的运动方向和速度。

许多早期的机器人采用的都是由伺服阀控制的液压缸，用以产生直线运动。液压缸功

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