四自由度机械手设计

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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

内容

液压驱动

输出功率

很大，压力范围为

50～140Pa 利用液体的不可压缩

驱动方式 气动驱动 大，压力范围为48～60Pa，最大可达Pa 气体压缩性大，精度

电机驱动 较大

控制精度高，功率较大，

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控制性能

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

响应速度 结构性能及体

积

很高 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

安全性

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

对环境的影响

液压系统易漏油，对

环境有污染

在工业机器人中应用范围

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

适用于中小负载驱动、适用于中小负载、要求具精度要求较低的有限

有较高的位置控制精度

防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗

压性 排气时有噪声 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 较高

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

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

很高

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

紧凑，密封问题较小 以直接驱动，结构紧凑，

无密封问题 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

无

点位程序控制机器人，和轨迹控制精度、速度较如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器

人气动夹具

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

成本 液压元件成本较高 成本低 成本高

维修及使用 方便，但油液对环境温度有一定要求

方便 较复杂

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：

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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

电机参数 型号 额定电压 额定转矩 最大转矩 额定转速 最高转速

腰关节

肩关节

肘关节

腕关节 MULTIPLEX

MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332

STELL-SERVO STELL-SERVO

18v 18.2 N·m 67.4N·m 7980rpm 9200rpm

18v 18.2 N·m 67.4N·m 7980rpm 9200rpm

18v 18.2 N·m 67.4N·m 7980rpm 9200rpm

6v 10.3 N·m

5460rpm

转子惯量 18.4gcm·cm 18.4gcm·cm 18.4gcm·cm

6v 10.3 N·m

5460rpm 手爪 MULTIPLEX

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；

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（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 i?n2z?1 n1z2齿轮带的平均速度va为

va?z1?t?n1?z2?t?n2

图2.7 齿形带传动

2.6制动器