第七讲机器人的机械臂结构
机器人机械手臂的力学分析与设计
机器人机械手臂的力学分析与设计机器人是人工智能技术的重要应用之一，机器人的机械手臂作为其核心组成部分，扮演着至关重要的角色。
机械手臂的设计必须经过力学分析，才能确保机器人的正常运作。
在本文中，我们将探讨机器人机械手臂的力学分析和设计过程。
一、机械手臂的结构机械手臂通常由若干个关节和连杆构成，每个关节连接着两个相邻的连杆。
机械手臂的结构可以使用联轴器、直线导轨等方式设计。
由于机械手臂的关节数量和杆的长度会影响其稳定性和精度，因此在设计机械手臂时要视具体情况而定，采取合适的设计方案。
二、机械手臂的力学分析机械手臂主要依靠电机和减速器实现动力驱动，其关节位置和运动轨迹受力学原理的支配。
在机械手臂的力学分析中，需要考虑多个因素，如质量、惯性力、受力、扭矩等。
1. 质量机械手臂上的每个零件都有其自身的重量。
在进行力学分析时，必须将每个零件的重量计算在内。
此外，机械手臂运动时产生的离心力和惯性力也必须考虑进去。
2. 受力机械手臂在运动时，往往会承受外界的力。
这些力包括单向力、剪力和弯矩，可能会影响机械手臂的结构和稳定性。
为确保机械手臂的稳定性，设计者需要计算机械手臂在不同负载下的最大受力值。
3. 扭矩和能量在机械手臂运动时，其中的减速器和电机会产生扭矩和能量。
设计者需要确保机械手臂系统能够承受这些力和能量，以确保机械手臂的稳定性和安全性。
三、机械手臂的设计思路根据力学分析和结构设计原理，机械手臂的设计应遵循如下环节：1. 确定机械手臂的使用场景，包括负载、工作范围、工作精度等。
2. 根据使用场景确定机械手臂的杆数和长度，以及运动范围和速度。
3. 计算机械手臂上各关节之间的角度和位置变化，以及需要维持的角度和位置精度。
4. 选择合适的电机和减速器，保证其能够承受机械手臂的扭矩和能量，并确保其运行平稳。
5. 设计机械手爪部分，确保其能够兼容不同的工具，并使其能够在机械手臂运行时保持稳定。
最后，针对机械手臂的设计要求，进行实际构建并进行试验和测试，以确保机械手臂能够正常运行和实现目标使用效果。
机器人的机械结构
机器人的机械结构一、机械臂：机械臂是机器人最重要的部分，它模拟人类的手臂动作，用于实现各种任务。
一般机械臂由几段连杆组成，每个连杆之间通过关节连接。
机械臂的结构决定了机械臂的运动范围和灵活性，常见的机械臂结构有直线运动结构、旋转关节结构、虫轮驱动结构等。
二、关节：关节是机械臂的重要组成部分，它连接两个连杆，使机械臂能够进行转动或弯曲。
常见的关节有旋转关节、滚动关节、剪刀关节等，它们通过电机驱动和传动装置来实现运动，可以实现机械臂的多个自由度运动。
三、传动装置：机器人的运动需要通过传动装置实现，常见的传动装置有齿轮传动、皮带传动、蜗轮传动等。
传动装置可以将电机的转动传递给机械臂，并根据需求进行速度调节和力矩放大，实现机器人的运动控制。
四、传感器与执行器：机器人的机械结构与传感器和执行器紧密相关。
传感器可以感知环境和物体的信息，如光电传感器、触摸传感器、距离传感器等，通过传感器，机器人可以实现对环境的感知和交互。
执行器是机器人运动的驱动器，如电机、气缸等。
它们与机械结构相互配合，使机器人能够具有自主执行任务的能力。
五、框架与支撑结构：机器人的框架和支撑结构起到支撑和保护机器人的作用，使其能够稳定地进行运动。
框架通常是由刚性材料制成，如金属或复合材料，以确保机器人的稳定性和刚性。
支撑结构支持机器人的各个部件，同时还能降低振动和噪音等对机器人性能的不良影响。
六、人机接口和控制系统：机器人的机械结构是人机接口和控制系统的基础，通过人机接口和控制系统，人们可以与机器人进行交互和控制。
人机接口包括各种控制按钮、触摸屏、语音识别等，通过人机接口，人们可以向机器人发出指令和进行交互。
控制系统是机器人的大脑，可以控制机械臂的运动、传感器的数据采集和分析等，实现机器人的智能化运作。
总之，机器人的机械结构是机器人的骨架，是实现机器人运动和任务的基础。
机械结构的设计与制造决定了机器人的功能和性能，可以根据不同的任务需求进行灵活的设计和优化。
机器人的机械臂结构PPT
1
一、臂部设计的基本要求
2
1．承载能力足
手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的动载荷及转 动惯性。
3
2．刚度高
为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面
大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都 比实心轴大得多。
14
三、典型机械臂结构
15
1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动
齿条传动的倍增机构或采用步进电机或 伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换 为直线运动。
典型结构：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
16
油缸—齿条机构图例：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
28
关节型机器人传动 系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节
局部图：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
4
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。 3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
5
槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。 3、《钢结构》
机械手臂结构
机械手臂结构随着科技的不断进步和机械技术的不断完善，机械手臂已经成为工业领域中不可或缺的一种机器人。
而机械手臂的重要组成部分，就是机械手臂结构。
一、机械手臂结构的组成一般来说，机械手臂结构由七个部分构成，分别是基座、肩部、肘部、腕部、手部、末端执行器和控制系统。
基座是机械手臂的底部，它的作用是支撑整个机械手臂，并提供机械手臂运动的基础。
而肩部则能够使机械手臂在水平平面内进行运动，肘部则是机械手臂的弯曲部分，能够使机械手臂进行上下运动。
而腕部具有两个旋转自由度，可以让机械手臂自由旋转。
手部是机械手臂的末端，它可以根据需要插入各种不同类型的工具，实现不同的任务。
末端执行器是手部的一个重要组成部分，它可以根据需要进行抓取、剪切等各种动作。
控制系统则是整个机械手臂的大脑，它可以接收操作者的指令，并将指令转化为机械手臂能够理解的信号，从而控制机械手臂进行各种操作。
二、机械手臂结构的运动原理机械手臂结构的运动原理主要涉及到旋转运动和平移运动。
旋转运动可以分为两种类型，一种是关节点运动，这种运动方式是通过调整关节点的角度来实现的，例如机械手臂的肩部、肘部和腕部。
另一种是连杆运动，这种运动方式是通过调整连杆的长度来实现的，例如机械手臂的手部。
平移运动则是指将机械手臂沿各个方向进行移动，这种运动方式可以通过调整机械手臂的关节来实现。
例如，机械手臂的肩部可以使机械手臂沿X轴的正方向和负方向进行移动，肘部可以使机械手臂沿Y轴的正方向和负方向进行移动，而腕部则可以使机械手臂沿Z轴的正方向和负方向进行移动。
三、机械手臂结构的应用领域机械手臂结构的应用领域非常广泛，从工业领域到医疗领域，从科学研究到军事应用，都可以看到机械手臂的身影。
在工业领域，机械手臂结构广泛应用于装配生产线和物料搬运系统中。
机械手臂能够完成重复性高、难度大、作业时间长的工作任务，提高生产效率和产品质量。
在医疗领域，机械手臂结构的应用主要集中于外科手术。
第七讲机器人的机械臂结构
第七讲机器人的机械臂结构机器人的机械臂结构是指机器人用于完成特定任务的手臂部分的设计和构造。
机械臂是机器人的重要组成部分之一，它负责携带和操作物体，具有高度灵活性和精准性。
本文将介绍机器人机械臂的常见结构和各个组成部分。
机器人机械臂的结构通常由关节、连杆和末端执行器组成。
关节是连接连杆的旋转或者移动部件，它们可以提供机械臂灵活的运动自由度。
机器人机械臂的关节一般采用电动或液压驱动。
机器人的机械臂通常有多个关节，根据关节数量的不同可以分为一维、二维和多维机械臂。
一维机械臂只有一个关节，它只能在一个平面上进行移动。
二维机械臂有两个关节，允许机械臂在一个平面上进行移动和旋转。
多维机械臂具有三个或更多关节，可以在三维空间中自由移动和旋转。
机器人机械臂的连杆是通过各个关节连接起来的刚性物体，它们用于携带和操作物体。
连杆的形状和长度可以根据具体任务的需要进行设计。
在一些特殊情况下，连杆可能需要具有伸缩、伸长或伸缩的功能，以实现特定的操作要求。
机器人机械臂的末端执行器是机械臂的末端部分，它通常是与外界物体进行接触和操作的部分。
末端执行器可以根据应用需求的不同而有所差异，常见的末端执行器包括机械手爪、真空吸盘、激光切割头等。
除了上述的组成部分，机器人机械臂还需要配备一些传感器和控制系统，以实现精确的运动和操作。
传感器可以用于测量机械臂的位置、速度和力量等参数，从而使机器人能够对外部环境做出及时的反馈和调整。
控制系统则负责控制机器人机械臂的运动和操作。
传统的机器人机械臂一般采用铰链式结构，即由多个关节和连杆组成的铰链机构。
这种结构具有简单、灵活等优点，但是在一些场景下可能存在动态性能不佳、可靠性差等问题。
为了克服这些问题，近年来出现了一些新的机械臂结构，例如并联机械臂和柔性机械臂。
并联机械臂是将多个机械臂通过共享同一末端执行器连接在一起的结构。
这种结构能够提供较高的承载能力和较大的工作空间，适用于一些需要携带重物或者进行复杂运动的任务。
工业机器人手臂的结构
工业机器人手臂的结构工业机器人手臂是现代工业生产中的重要设备，它的高效率和精准性在许多工业领域得到广泛应用。
工业机器人手臂的结构设计是实现其功能的关键要素。
以下将描述工业机器人手臂的结构及其组成部分。
工业机器人手臂由若干个关节连接而成，每个关节都有特定的运动范围和功用。
通常，一个工业机器人手臂包括基座、肩关节、肘关节、腕关节和末端执行器。
基座是机器人手臂的底部，通过接触地面提供稳定支撑。
它通常由铸铁或钢板制成，以确保足够的刚性和稳定性。
基座是所有关节的起始点。
肩关节连接在基座上方，允许机器人手臂的水平旋转。
肩关节的结构通常采用回转关节，它使机器人手臂能够在垂直和水平平面上进行灵活运动。
肘关节位于肩关节之上，使机器人手臂能够弯曲和伸直。
肘关节通常采用旋转或直线运动的结构，具体取决于所需的运动方式。
腕关节是机器人手臂的最后一个关节，它允许手臂末端执行器在三维空间内进行定位。
腕关节通常具有旋转、倾斜和转动等多个自由度，以实现复杂的任务。
末端执行器是机器人手臂的最终部分，用于完成特定的工作任务。
末端执行器可以是夹具、工具或传感器等，具体取决于应用需求。
工业机器人手臂的结构设计需要考虑多个因素，包括负载能力、运动灵活性、控制精度和安全性等。
设计人员通常会根据具体应用需求选择适当的结构和材料，并进行精确的运动学分析和模拟。
总之，工业机器人手臂的结构由基座、肩关节、肘关节、腕关节和末端执行器等组成。
每个关节都有特定的运动能力和功能，以实现机器人手臂的精确控制和高效任务执行。
这种结构设计允许机器人手臂在工业生产中扮演重要角色，并实现自动化和智能化生产的目标。
机械臂内部构造
机械臂内部构造
机械臂内部由几个部分组成，包括驱动系统、机械构件、主体外壳和电控系统等。
1.驱动系统：驱动系统是承担机械臂活动的核心部分。
一般有电机、减速机、摩擦离合器和控制器等组成，以驱动机械臂运动；
2.机械构件：机械构件包括主要臂杆和末端抓手等，主要臂杆是支撑机械臂行进的基础，是具有柔性的机构，而末端抓手则是用来抓取物体的工具；
3.主体外壳：主体外壳是防护机械臂的结构，一般由金属材料制成，主要起到保护结构构件及配套部件不受外力破坏起到防护作用；
4.电控系统：电控系统由控制模块、传感器、控制算法等组成，主要用以控制机械臂运动，实现室内精准位置控制。
达芬奇机器人机械臂结构
达芬奇机器人机械臂结构1. 引言达芬奇机器人是一种先进的机器人系统，广泛应用于工业生产、医疗领域、科学研究等各个领域。
其机械臂结构是其中的关键组成部分，决定了机器人的运动能力、灵活性和稳定性。
本文将针对达芬奇机器人机械臂结构进行详细介绍。
2. 机械臂的基本结构达芬奇机器人的机械臂结构通常由多个关节连接而成，每个关节都由电机驱动，实现对机械臂的运动控制。
机械臂的基本结构包括以下几个组成部分：2.1. 底座底座是机械臂的支撑部分，通常由一块坚固的底座板和底座支架组成。
底座板用于固定底座支架，底座支架用于连接机械臂的其他部分。
2.2. 关节机械臂通常由多个关节连接而成，每个关节都有一个旋转轴，使机械臂能够在各个方向上进行运动。
关节通常由电机和减速器组成，电机提供动力，减速器将电机的高速旋转转换为关节的低速运动。
2.3. 连杆连杆是机械臂的主要运动部分，用于连接不同关节的旋转轴。
连杆的长度、形状和材质根据具体的应用需求进行设计，以实现机械臂的预期运动能力。
2.4. 末端执行器末端执行器是机械臂的末端部分，通常用于执行各种任务，例如抓取、组装、焊接等。
末端执行器的种类繁多，可以是机械手爪、吸盘、激光切割头等，根据具体的任务需求进行选择。
3. 机械臂结构的优势达芬奇机器人的机械臂结构具有以下几个优势：3.1. 灵活性机械臂的每个关节都可以实现自由运动，在三维空间内灵活操作，适应各种不同工作环境和任务需求。
3.2. 高精度机械臂由电机驱动，可以通过精确的控制实现高精度的运动，满足一些精密操作的要求，如组装微小零部件。
3.3. 多功能性机械臂可以根据不同的任务需求更换末端执行器，在不同的场景中执行各种不同的操作，实现多种功能。
3.4. 扩展性机械臂结构可以根据需要进行扩展，增加关节和连杆的数量，以实现更大范围和更复杂的运动。
4. 达芬奇机械臂的运动控制达芬奇机械臂的运动控制是通过传感器和控制算法实现的。
传感器用于检测机械臂的运动状态和环境信息，控制算法根据检测到的信息计算出相应的动作指令，然后通过控制器将指令传递给电机，实现机械臂的运动。
第七讲机器人的机械臂结构
腕部俯仰：
肘关节摆动：
肩关节的摆动：
关节型机器人传动
系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副
C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副
C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节 局部图：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
典型结构：
油缸—齿条机构图例：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：
四根导向柱 的臂部伸缩 机构： 手臂的 垂直伸缩运 动由油缸3 驱动。 特点： 工作行程长， 抓重大，适 合于抓举工 件形状不规 则、有偏转 力矩的场合。
1—手部 2—夹紧缸；3—油缸；4—导向柱；5—运行架；6—行走车轮； 7—轨道；8—支座
齿轮驱动回转机构图例：
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
俯仰 偏转 肘转
肩转
腰转
腰转姿态
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
作业：
1、设计三种机器人小臂相对于大臂的直线运动方案，动力源为电机 驱动，用示意图表达。 2、画出型号为20a的工字钢的截面形状，并标注出有关几何参数。 3、解释液压伺服系统和电动伺服系统的组成及工作原理。
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。 3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
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3、导向性能好，定位精度高
为防止手臂在直线运动中，沿运动轴 线发生相对转动，应设置导向装置。 同时要采用一定形式的缓冲措施。
4．重量轻、转动惯量小
为提高机器人的运动速度，要尽量减 少臂部运动部分的重量，以减少整个 手臂对回转轴的转动惯量。
5．合理设计与腕部和机身的连接部位
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
双摇杆机构
平面四杆机构演变图例：
曲柄滑块机构 平面四杆机构的的演变不仅要满足运动方面的要求，而且要满足受力 和结构上的要求。
双臂机器人手臂结构图例：
运动特点：
1—铰接活塞缸
手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制
机械臂结构
一、臂部设计的基本要求
1．承载能力足
手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的动载荷及转 动惯性。
2．刚度高
为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面
大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都 比实心轴大得多。
2．圆柱坐标型
臂部由一个转 动副和两个移 动副组成。相 对来说，所占 空间较小，工 作范围较大， 应用较广泛。
3．关节型
由动力型旋转关节 和前、下两臂组成。 关节型机器人以臂 部各相邻部件的相 对角位移为运动坐 标。动作灵活，所 占空间小，工作范 围大，能在狭窄空 间内饶过各种障碍 物。
肩关节的摆动：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
关节型机器人传动 系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节
齿条传动的倍增机构或采用步进电机或 伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换 为直线运动。
典型结构：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
油缸—齿条机构图例：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：
四根导向柱 的臂部伸缩 机构：
手臂的 垂直伸缩运 动由油缸3 驱动。
特点：
工作行程长， 抓重大，适 合于抓举工 件形状不规 则、有偏转 力矩的场合。
4．极坐标型
臂部由两个转动 副和一个移动副 组成。产生沿手 臂轴X的直线移 动，绕基座轴Y 的转动和绕关节 轴Z的摆动。其 手臂可作绕Z轴 的俯仰运动，能 抓取地面上的物 体。
三、典型机械臂结构
1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动
2—连杆 3—手臂 4—支承架
活塞的行程就控制
了手臂摆角的大小。
齿轮驱动回转机构图例：
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
3．关节型机械臂的结构（2）
各运动的实现：
腕部的旋转：
电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
腕部俯仰：
电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
肘关节摆动：
电机M3→两级同步带）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。
2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。
3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。
局部图：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
关节型机器人肩关节 局部图例：
电机M2→同步带传 动B2→减速器R2→肩 关节摆动n2
四、机械臂的控制
1、伺服系统的分类
液压伺服系统
机械臂各关节的运动通常由液压伺服阀 控制液压缸实现。
电动伺服系统
机械臂各关节的运动通常由步进电机或 直流电机驱动。
臂部的安装形式和位置不仅关系到机 器人的强度、刚度和承载能力，而且 还直接影响到机器人的外观。
二、机械臂的运动形式
1．直角坐标型
臂部由三个相互 正交的移动副组 成。带动腕部分 别 沿 X、Y、Z 三 个坐标轴的方向 作直线移动。结 构简单，运动位 置精度高。但所 占空间较大，工 作范围相对较小。
伺服直线液压缸图例：
电动伺服控制系统图例：
作业：
1、设计三种机器人小臂相对于大臂的直线运动方案，动力源为电机 驱动，用示意图表达。 2、画出型号为20a的工字钢的截面形状，并标注出有关几何参数。 3、解释液压伺服系统和电动伺服系统的组成及工作原理。
1—手部 2—夹紧缸；3—油缸；4—导向柱；5—运行架；6—行走车轮； 7—轨道；8—支座
电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：
2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。