第2章 实验平台介绍及机械手的设计
该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。
2.1自由度及关节
图1
该机器人具有四个自由度 ，即腰关节、肩关节、肘关节和腕关节，都为转动关节；还有一个用于夹持物料的机械手。
2.2基座及连杆
2.2.1 基座
基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。
基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。
2.2.2 大臂
大臂长度230mm，具体尺寸如图2.1所示：
图2.1 大臂外形
2.2.3 小臂
小臂长度240mm，具体尺寸如图2.2所示：
图2.2 小臂外形
2.3机械手的设计
工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：
（1）夹钳式取料手
（2）吸附式取料手
（3）专用操作器及转换器
（4）仿生多指灵巧手
本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。
手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2.3所示
图2.3 机械手手指形状
传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图2.4为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。
图2.4 机械手机构简图
在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。
图2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。
为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。
另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。
图2.5为采用虚拟样机软件ADAMS来分析所设计的机械手机构的工作状况。
图2.5 虚拟样机场景
下面更进一步计算出所需要的电机力矩。
图2.6 力矩变化情况
从图2.6中看到，起始阶段须克服的弹簧力最大，电机转矩必须大于550N·mm，这为电机的挑选提供了一定的依据。
2.4驱动方式
该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。
机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1：
表2.1三种驱动方式的特点对照
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内容
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驱动方式
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液压驱动
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气动驱动
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电机驱动
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输出功率
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很大，压力范围为50～140Pa
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大，压力范围为48～60Pa，最大可达Pa
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较大
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控制性能
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利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制
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气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制
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控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂
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响应速度
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很高
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较高
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很高
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结构性能及体积
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结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大
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结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小
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伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题
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安全性
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防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险
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防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性
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设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差
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对环境的影响
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液压系统易漏油，对环境有污染
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排气时有噪声
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无
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在工业机器人中应用范围
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适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人
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适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具
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适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等
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成本
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液压元件成本较高
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成本低
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成本高
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维修及使用
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方便，但油液对环境温度有一定要求
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方便
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较复杂
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机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：
1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；
2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；
3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
4）安全可靠；
5）操作和维护方便；
6）对环境无污染，噪声要小；
7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。
基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。
表2.2机器人驱动电机参数
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电机参数
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腰关节
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肩关节
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肘关节
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腕关节
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手爪
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型号
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MAXON2332
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MAXON2332
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MAXON2332
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MULTIPLEX
STELL-SERVO
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MULTIPLEX
STELL-SERVO
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额定电压
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18v
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18v
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18v
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6v
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6v
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额定转矩
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18.2 N·m
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18.2 N·m
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18.2 N·m
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10.3 N·m
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10.3 N·m
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最大转矩
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67.4N·m
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67.4N·m
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67.4N·m
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额定转速
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7980rpm
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7980rpm
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7980rpm
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5460rpm
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5460rpm
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最高转速
转子惯量
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9200rpm
18.4gcm·cm
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9200rpm
18.4gcm·cm
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9200rpm
18.4gcm·cm
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2.5传动方式
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：
（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；
（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；
（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；
（4）寿命长、价格低。
本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。
齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。
齿形带传动原理如图2.7所示。
齿轮带的传动比计算公式为
齿轮带的平均速度
为
图2.7 齿形带传动
2.6 制动器
制动器及其作用：
制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。
在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：
① 特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施
② 停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。
机械制动器：
机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。
在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此
这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。
电气制动器
电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。
本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。
采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。
