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机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足机器人的设计和制作要求。从设计的思想出发，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。此外，机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机器人手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。 总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料： (l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢:这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了4~5倍、弹性模量E大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料; (2)铝、铝合金及其它轻合金材料:其共同特点是重量轻、弹性模量E不大，但是材料密度小，则E/p之比仍可与钢材相比; (3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。然而，日本己试制了在小型高速机器人上使用的陶瓷机器人手臂的样品; 从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件 2.5机械臂的运动方式 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有五种:直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和SCARA型。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。 考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。这类机械手一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动学的反解比较困难;确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。 2.6 搬运机械手驱动与控制系统分析 2.6.1 驱动方式的选择 机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。 液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。 气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，功率较小，速度不易控制，精度不高。 电机传动能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，控制灵活。 起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂旋转如若使用气压或者液压传动，就必须带有旋转气压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。 故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用电机传动的驱动方式，通过电机带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用气压驱动方式。 |
