工业机器人讲座
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如Dahlquist，Kaufmann。Ohtani，Yukio等。国内如清华大学张昆 等提出以单齿球面齿轮代替多齿式球面齿轮的方案。国防科技大 学盘存云等提出一种轮齿在球体上呈连续分布的渐开线环形齿球 齿轮机构，可以实现精确球面运动。哈尔滨工业大学李华敏提出 一种精确锥面球形的齿轮副。
在商业应用上，使用最多的是Bendix球型手腕。
1.6 机器人关节结构 1.6.1 回转关节的组成 原动件：伺服电机 传动系统：精密减速器，可为谐波齿轮传动，精密摆线传动，RV传动之一 关节轴承：十字交叉滚子轴承或深沟球轴承
图1.8 十字交叉滚子轴承
（1）回转关节的内部布局 同轴式： 电机轴与减速器输出轴共线，输出轴为实心轴，无需从内部穿引线缆。 偏置式： 电机轴与减速器输出轴不共线，输出轴为空心轴，便于从内部穿引线缆
工业机器人技术讲座
天津大学机械工程学院 报告人：王刚
1、工业机器人 1.1 工业机器人重要性 现代制造业的三大支柱:
• NC（数控）机床 • PLC（可编程逻辑控制器） • 工业机器人 1.2 工业机器人分类 （1）按机构形式分类
串联机器人
• 直角坐标机器人 • 水平多关节机器人（SCARA） • 垂直多关节机器人
（3）自动立体仓库
升降机
仓内小车
吊挂小车
图1.34 立体仓库
线性运动： 原动件：伺服电机2 传动系统：滚动花键滚动螺杆复合空心轴 支承系统：深沟轴承
方案2 中因线性运动与回转运动存在耦合。控制系统需作补偿运动。
图1.20 转移复合关节方案1
图1.21 复合关节实例一（双杆形式）
图1.22 转移复合关节方案2
图1.23 复合关节实例二（单杆形式）
1.6.4腕关节
与人工知能的研究密切相关，为达到目标，自动生成详细的动作顺序和 相应数据。具有判断环境，描述环境，规划任务的能力
比较典型的为MIT人工知能研究所的MICROPLANNER
VAL程序举例 VAL命令和指分为三大类：动作控制，程序控制，坐标设置
1？ OPEN
打开手指
2？APPRO PICK 50 向PICK的接近点50mm处运动
10？OPEN 1
手指打开，1 表示打开后，再向下一步
11？DEPAT 50
离开 PLACE 50mm
12？E
编缉结束
1.10 机器人的外部设备 （1）自动供料系统 振动料斗：扭振使物料沿螺旋料道上升，定向装置使物料按要求姿态排序。 （2） AGV(自动导航小车)
导航方式：
图1.33 AGV小车
光导航：小车沿光带行走 磁导航：小车沿磁带行走
手爪夹紧力
决定因素：原动件驱动力，机械传力机构的增力效应有关
1.9 机器人语言
机器人语言分为五类 （1）操作水平级
设立了一些基本命令，解释程序对命令解释指行，如IBM公 司的ML语言。
语言由两部分组成，一部分是为了完成机器人基本动作而设置的 子程序包，另一部分为可用带参数命令起动子程序的解释程序。 （2）原始动作水平级
①关节伺服控制由位置环，速度环，电流环三环嵌套。 ②在位置环和速度环内有PID调节。 ③逆变器采用PWM脉冲宽度调制。
1.5 关节减速器 关节减速器的作用 力矩匹配 增力 速度匹配 减速 惯量匹配 负载惯量（等效）/电机转子惯量《K 常用的关节减速器 谐波减速器 刚轮——〉行星传动中心轮 柔轮——〉行星传动行星轮 波发生器——〉系杆 摆线减速器 针轮——〉行星传动中心轮 摆线轮——〉行星传动行星轮 转臂——〉系杆
回转关节构件机构简图如下：
图1.9 回转关节构件机构简图
图1.10 谐波传动 图1.11 回转关节模块实例一（谐波传动：刚轮固定，柔轮输出）
图1.12 回转关节模块实例二（谐波传动：柔轮固定、刚轮输出） 图1.13 回转关节模块实例三（电机RV减速器同轴）
1.6.2 线性关节 （1）线性关节的功能 线性关节把伺服电机的回转运动转换为输出平台的线性运动。 基座和输出平台分别联接两相邻机械构件。 （2）线性关节的组成 有两种线性关节模块实现方案： 方案1：原动件：伺服电机 传动系统：滚动螺杆、螺母 支承系统：滚动导轨
图1.14 线性关节方案1
图1.15 线性关节实例一 （滚珠丝杠+滚动导轨） 图1.16 丝杠导轨
方案2：原动件：伺服电机 传动系统：同步齿形带传动 支承系统：滚动导轨
图1.17 线性关节方案2
图1.18线性关节模块实例二（同步带+滚动导轨）
图1.19 齿形带
1.6.3 转移复合关节模块 （1）转移复合关节的功能： 转移复合关节提供沿某轴线的线性运动和绕轴线的回转运动。 两个运动相互独立，这是一种两自由度关节。
对动作的描述限于手爪，典型的动作为移动某一物体，琼中句形 式为Move To <destination>。 代表语言为VAL，以后发展为VALII （unimation公司）。 语言比较简单，类似于BASIC，解释执行，不用编绎。
（3）结构性动作水平级 ①在常用的程序语言基出加上了有关机器人控制的句子结构 ②为了描述三级环境，语言中设痒痒了各种数据及相互运算的关系式 AL语言(standford人工智能实验室) AL/L把AL与LISP相结合，IBM公
(1) 腕关节的功能
腕关节是三自由度主动关节模块，主要用来实现在机器人手端的 姿态，虽然可以由三个回转关节串联实现腕关节运动，但那样会使 其机械部分十分笨重。考虑结构合理布局，把这三个回转运动实现 为一个模块更合理轻巧。
（2）腕关节的类型
腕关节可以分为球腕关节和非球腕关节 球腕关节：三个回转运动的轴线交于一点。 非球腕关节：三个回转运动的轴线不交于一点。
1.3 工业机器人的驱动
图1.6 混联机器人
液压驱动
液压缸 液压马达 电液伺服阀+电液伺服板卡 电气驱动
直流、交流伺服电机+伺服驱动器 直接驱动电机
1.4 关节伺服控制
+ 偏差计数器
-
+ PID调节
-
PID调节
D/A
逆变器 D 编码器
V/F
图1.7 关节的伺服控制框
目前，工业上使用的机器人，其关节控制使用交流伺服系统和交流伺服 电动机，各关节的伺服控制框如图所示。由计算机控制系统发出指令脉 冲与电机同轴的编码器反馈脉冲之差存在偏差计数器，因而偏差计数器 保留着残余量，经PID调节（比例，微分，积分）经D/A变换成为速度给 定。这个给定速度与电机 反馈速度之差作为控制量经PID调节，成为电 流给定，经逆变器功率放大驱动电动机回转。
每种又有正交和斜交之分 正交：相邻两回转运动轴线垂直 斜交：相邻两回转运动轴线不垂直
分类情况如下： 球腕关节分为正交球腕和斜交球腕 非球腕关节分为正交非球腕和斜交非球腕
图1.24 正交球腕结构 图1.25 斜交非球腕结构
（3）腕关节的结构组成 在学术上，提出很多基于球面齿轮传动的球型手腕专利。国外
3？SPEED 30
下面运动为30%
4？MOVE PICK
向PICK 运动
5？CLOSE 1
手指闭合；1表示闭合后才转入下一步
6？DEPART 70
离开PICK 70mm
7？APPROS PLACE 50 以直线方向向PLACE的接近点50mm处运动
8？SPEED 20
以下以20%速度运动
9？MOVES PLACE 以直线方式运动到PLACE
司的AML语言。 这种语言一般是编译语言
（4）对象状态水平级 以描写部件之间关素为中心的语言 ①用户只给出任务，不用给出明确的动作序列。至于如何完成任务，
则由系统根据环境描述和作业描述来进行规划，自动生成相应的动作序 列。
②语言具有处理感觉信息的能力，利用感我更新环境描述和环境模型 比较典型的为Autopass，具有自然语言特色 （5）作业目标水平级 以作业的最终目标来描述作业，有较好的问题解决方法（积木世界），
1.8 机器人末端执行器（手爪） （1）手爪构件的功能描述： 手爪构件按装于工业机器的末端，用于夹持工件。 （2）手爪构件的结构： 真空吸附式末端执行器 电磁吸盘式末端执行器 机械开合式末端执行器（又分为平移开合和回转开合式）
本文只涉及开合式手爪，且限于回转开合式。
手爪构件的机构简图：
图1.29 齿轮齿条式手爪 图1.30 滑槽杠杆式手爪
（2）转移复合关节的组成： 有两种移转复合关节的实现方案 方案1：双杆方式
回转运动： 原动件：伺服电机1 传动系统：滚动花键及花键套 支承系统：深沟轴承
线性运动： 原动件：伺服电机2 传动系统：滚动螺杆及螺母 支承系统：深沟轴承
方案2：单杆方案
回转运动： 原动件：伺服电机1 传动系统：滚动花键滚动螺杆复合空心轴 支承系统：深沟轴承
并联机器人
•
steward并联机器人
•
δ和类δ并联机器人
•
Tricept并联机器人
混联机器人
（2）按作业形式分类
• 点焊机器人 • 弧焊机器人 • 喷涂机器人 • 搬运机器人 • 装配机器人 • 加工机器人 • 建筑机器人
图1.1 直角坐标机器人
图1.2 SCARAFra bibliotek1.3 垂直多关节机器人
图1.4 空间并联机器人 图1.5 平面并联机器人
图1.26 Bendix正交球腕模块
图1.27 正交球腕实例 图1.28 斜交球腕实例
斜交非球腕可以用非正交的锥齿轮系实现。其斜交的空心轴有利于管 线穿行，避免死弯和打结。可用于喷漆，激光光纤等应用。
1.7 机器人的示教 手把手示教 示教盒示教
示教盒的功能： 单轴运动，程序编辑，程序存储，程序下载
手爪构件与机器人末端间的联接
螺纹联接
气夹快速联接
手爪开闭幅度（角度）
移动型手爪开闭幅度 回转型手爪开闭角度
手指定位误差
当用手爪抓取多品种小批量、工件直径在一定范围内变化的 工件时，可以采用自动定心结构。但单纯的追求自动定心，往往 使设计出来的手爪结构比较复杂。若采用结构简单的回转型手指， 则在抓取不同直径工件时，必定带来定位误差。
图1.31 连杆式手爪
图1.32 手爪
（3）手爪构件的组成：
驱动元件，提供手爪开合的驱动力（力矩），可为以下枚举。 液压缸 气缸 机械传动，用于把驱动元件的动力传递给手指，
齿轮机构，连杆机构 滑槽机构 安全机制，防止意外碰撞。一般使用退避弹簧。
手爪构件与机器人末端间的定位
止口型定位 气夹快速定位
在商业应用上，使用最多的是Bendix球型手腕。
1.6 机器人关节结构 1.6.1 回转关节的组成 原动件：伺服电机 传动系统：精密减速器，可为谐波齿轮传动，精密摆线传动，RV传动之一 关节轴承：十字交叉滚子轴承或深沟球轴承
图1.8 十字交叉滚子轴承
（1）回转关节的内部布局 同轴式： 电机轴与减速器输出轴共线，输出轴为实心轴，无需从内部穿引线缆。 偏置式： 电机轴与减速器输出轴不共线，输出轴为空心轴，便于从内部穿引线缆
工业机器人技术讲座
天津大学机械工程学院 报告人：王刚
1、工业机器人 1.1 工业机器人重要性 现代制造业的三大支柱:
• NC（数控）机床 • PLC（可编程逻辑控制器） • 工业机器人 1.2 工业机器人分类 （1）按机构形式分类
串联机器人
• 直角坐标机器人 • 水平多关节机器人（SCARA） • 垂直多关节机器人
（3）自动立体仓库
升降机
仓内小车
吊挂小车
图1.34 立体仓库
线性运动： 原动件：伺服电机2 传动系统：滚动花键滚动螺杆复合空心轴 支承系统：深沟轴承
方案2 中因线性运动与回转运动存在耦合。控制系统需作补偿运动。
图1.20 转移复合关节方案1
图1.21 复合关节实例一（双杆形式）
图1.22 转移复合关节方案2
图1.23 复合关节实例二（单杆形式）
1.6.4腕关节
与人工知能的研究密切相关，为达到目标，自动生成详细的动作顺序和 相应数据。具有判断环境，描述环境，规划任务的能力
比较典型的为MIT人工知能研究所的MICROPLANNER
VAL程序举例 VAL命令和指分为三大类：动作控制，程序控制，坐标设置
1？ OPEN
打开手指
2？APPRO PICK 50 向PICK的接近点50mm处运动
10？OPEN 1
手指打开，1 表示打开后，再向下一步
11？DEPAT 50
离开 PLACE 50mm
12？E
编缉结束
1.10 机器人的外部设备 （1）自动供料系统 振动料斗：扭振使物料沿螺旋料道上升，定向装置使物料按要求姿态排序。 （2） AGV(自动导航小车)
导航方式：
图1.33 AGV小车
光导航：小车沿光带行走 磁导航：小车沿磁带行走
手爪夹紧力
决定因素：原动件驱动力，机械传力机构的增力效应有关
1.9 机器人语言
机器人语言分为五类 （1）操作水平级
设立了一些基本命令，解释程序对命令解释指行，如IBM公 司的ML语言。
语言由两部分组成，一部分是为了完成机器人基本动作而设置的 子程序包，另一部分为可用带参数命令起动子程序的解释程序。 （2）原始动作水平级
①关节伺服控制由位置环，速度环，电流环三环嵌套。 ②在位置环和速度环内有PID调节。 ③逆变器采用PWM脉冲宽度调制。
1.5 关节减速器 关节减速器的作用 力矩匹配 增力 速度匹配 减速 惯量匹配 负载惯量（等效）/电机转子惯量《K 常用的关节减速器 谐波减速器 刚轮——〉行星传动中心轮 柔轮——〉行星传动行星轮 波发生器——〉系杆 摆线减速器 针轮——〉行星传动中心轮 摆线轮——〉行星传动行星轮 转臂——〉系杆
回转关节构件机构简图如下：
图1.9 回转关节构件机构简图
图1.10 谐波传动 图1.11 回转关节模块实例一（谐波传动：刚轮固定，柔轮输出）
图1.12 回转关节模块实例二（谐波传动：柔轮固定、刚轮输出） 图1.13 回转关节模块实例三（电机RV减速器同轴）
1.6.2 线性关节 （1）线性关节的功能 线性关节把伺服电机的回转运动转换为输出平台的线性运动。 基座和输出平台分别联接两相邻机械构件。 （2）线性关节的组成 有两种线性关节模块实现方案： 方案1：原动件：伺服电机 传动系统：滚动螺杆、螺母 支承系统：滚动导轨
图1.14 线性关节方案1
图1.15 线性关节实例一 （滚珠丝杠+滚动导轨） 图1.16 丝杠导轨
方案2：原动件：伺服电机 传动系统：同步齿形带传动 支承系统：滚动导轨
图1.17 线性关节方案2
图1.18线性关节模块实例二（同步带+滚动导轨）
图1.19 齿形带
1.6.3 转移复合关节模块 （1）转移复合关节的功能： 转移复合关节提供沿某轴线的线性运动和绕轴线的回转运动。 两个运动相互独立，这是一种两自由度关节。
对动作的描述限于手爪，典型的动作为移动某一物体，琼中句形 式为Move To <destination>。 代表语言为VAL，以后发展为VALII （unimation公司）。 语言比较简单，类似于BASIC，解释执行，不用编绎。
（3）结构性动作水平级 ①在常用的程序语言基出加上了有关机器人控制的句子结构 ②为了描述三级环境，语言中设痒痒了各种数据及相互运算的关系式 AL语言(standford人工智能实验室) AL/L把AL与LISP相结合，IBM公
(1) 腕关节的功能
腕关节是三自由度主动关节模块，主要用来实现在机器人手端的 姿态，虽然可以由三个回转关节串联实现腕关节运动，但那样会使 其机械部分十分笨重。考虑结构合理布局，把这三个回转运动实现 为一个模块更合理轻巧。
（2）腕关节的类型
腕关节可以分为球腕关节和非球腕关节 球腕关节：三个回转运动的轴线交于一点。 非球腕关节：三个回转运动的轴线不交于一点。
1.3 工业机器人的驱动
图1.6 混联机器人
液压驱动
液压缸 液压马达 电液伺服阀+电液伺服板卡 电气驱动
直流、交流伺服电机+伺服驱动器 直接驱动电机
1.4 关节伺服控制
+ 偏差计数器
-
+ PID调节
-
PID调节
D/A
逆变器 D 编码器
V/F
图1.7 关节的伺服控制框
目前，工业上使用的机器人，其关节控制使用交流伺服系统和交流伺服 电动机，各关节的伺服控制框如图所示。由计算机控制系统发出指令脉 冲与电机同轴的编码器反馈脉冲之差存在偏差计数器，因而偏差计数器 保留着残余量，经PID调节（比例，微分，积分）经D/A变换成为速度给 定。这个给定速度与电机 反馈速度之差作为控制量经PID调节，成为电 流给定，经逆变器功率放大驱动电动机回转。
每种又有正交和斜交之分 正交：相邻两回转运动轴线垂直 斜交：相邻两回转运动轴线不垂直
分类情况如下： 球腕关节分为正交球腕和斜交球腕 非球腕关节分为正交非球腕和斜交非球腕
图1.24 正交球腕结构 图1.25 斜交非球腕结构
（3）腕关节的结构组成 在学术上，提出很多基于球面齿轮传动的球型手腕专利。国外
3？SPEED 30
下面运动为30%
4？MOVE PICK
向PICK 运动
5？CLOSE 1
手指闭合；1表示闭合后才转入下一步
6？DEPART 70
离开PICK 70mm
7？APPROS PLACE 50 以直线方向向PLACE的接近点50mm处运动
8？SPEED 20
以下以20%速度运动
9？MOVES PLACE 以直线方式运动到PLACE
司的AML语言。 这种语言一般是编译语言
（4）对象状态水平级 以描写部件之间关素为中心的语言 ①用户只给出任务，不用给出明确的动作序列。至于如何完成任务，
则由系统根据环境描述和作业描述来进行规划，自动生成相应的动作序 列。
②语言具有处理感觉信息的能力，利用感我更新环境描述和环境模型 比较典型的为Autopass，具有自然语言特色 （5）作业目标水平级 以作业的最终目标来描述作业，有较好的问题解决方法（积木世界），
1.8 机器人末端执行器（手爪） （1）手爪构件的功能描述： 手爪构件按装于工业机器的末端，用于夹持工件。 （2）手爪构件的结构： 真空吸附式末端执行器 电磁吸盘式末端执行器 机械开合式末端执行器（又分为平移开合和回转开合式）
本文只涉及开合式手爪，且限于回转开合式。
手爪构件的机构简图：
图1.29 齿轮齿条式手爪 图1.30 滑槽杠杆式手爪
（2）转移复合关节的组成： 有两种移转复合关节的实现方案 方案1：双杆方式
回转运动： 原动件：伺服电机1 传动系统：滚动花键及花键套 支承系统：深沟轴承
线性运动： 原动件：伺服电机2 传动系统：滚动螺杆及螺母 支承系统：深沟轴承
方案2：单杆方案
回转运动： 原动件：伺服电机1 传动系统：滚动花键滚动螺杆复合空心轴 支承系统：深沟轴承
并联机器人
•
steward并联机器人
•
δ和类δ并联机器人
•
Tricept并联机器人
混联机器人
（2）按作业形式分类
• 点焊机器人 • 弧焊机器人 • 喷涂机器人 • 搬运机器人 • 装配机器人 • 加工机器人 • 建筑机器人
图1.1 直角坐标机器人
图1.2 SCARAFra bibliotek1.3 垂直多关节机器人
图1.4 空间并联机器人 图1.5 平面并联机器人
图1.26 Bendix正交球腕模块
图1.27 正交球腕实例 图1.28 斜交球腕实例
斜交非球腕可以用非正交的锥齿轮系实现。其斜交的空心轴有利于管 线穿行，避免死弯和打结。可用于喷漆，激光光纤等应用。
1.7 机器人的示教 手把手示教 示教盒示教
示教盒的功能： 单轴运动，程序编辑，程序存储，程序下载
手爪构件与机器人末端间的联接
螺纹联接
气夹快速联接
手爪开闭幅度（角度）
移动型手爪开闭幅度 回转型手爪开闭角度
手指定位误差
当用手爪抓取多品种小批量、工件直径在一定范围内变化的 工件时，可以采用自动定心结构。但单纯的追求自动定心，往往 使设计出来的手爪结构比较复杂。若采用结构简单的回转型手指， 则在抓取不同直径工件时，必定带来定位误差。
图1.31 连杆式手爪
图1.32 手爪
（3）手爪构件的组成：
驱动元件，提供手爪开合的驱动力（力矩），可为以下枚举。 液压缸 气缸 机械传动，用于把驱动元件的动力传递给手指，
齿轮机构，连杆机构 滑槽机构 安全机制，防止意外碰撞。一般使用退避弹簧。
手爪构件与机器人末端间的定位
止口型定位 气夹快速定位