第4章 机器人本体结构
8第四章 机器人本体基本结构(1)
机器人常用材料简介 1）碳素结构钢和合金结构钢——这类材料强度好，特 别是合金结构钢，其强度增大了4～5倍，弹性模量E大，抗 变形能力强，是应用最广泛的材料。适合制造传动件、连 接件、连杆体支承件骨架等。 2）铝、铝合金及其他轻合金材料——这类材料的共同 特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故 E/之比仍可与钢材相比。适合制造连杆体等。 3）纤维增强合金——这类合金如硼纤维增强铝合金、 石墨纤维增强镁合金等。这种纤维增强金属材料具有非常 高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 适合制造连杆体等
机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电动机驱动齿轮和蜗轮蜗杆传动。 机身的升降运动可以采用：直线液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的连杆式升降台；电动机驱动丝 杠螺母传动。 俯仰运动大多采用摆式直线液压（气）驱动，液压（气） 驱动齿条齿轮或四连杆机构传动；也有电动机驱动齿轮 和蜗轮蜗杆传动。 直移型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是悬挂手 臂的横梁。为使手臂能沿横梁平移，除了要有驱动和传 动机构外，导轨是一个重要的构件。
4.1 概述
机器人本体是机器人的重要组成部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的 运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影 响整体性能。
4.1.1 机器人本体的基本结构形式 机器人本体基本结构组成
机器人本体主要包括:
1) 传动部件； 2) 机身及行走机构； 3) 臂部； （见六伺服机械手臂视频） 4) 腕部；
机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电（b)双杆活塞气缸驱动链条链轮传 传动机构） 动机构 图4－1 链条链轮传动实现机身回转的原理图（P104）
工业机器人本体的基本组成
工业机器人本体的基本组成
工业机器人本体的基本组成通常包括以下几个部分：
1. 机械结构：这是机器人的主体框架，包括底座、腰部、臂部、腕部和末端执行器等组成部分。
机械结构的设计需要考虑到机器人的负载能力、运动范围、精度要求等因素。
2. 驱动系统：驱动系统是为机器人提供动力的关键组件，它可以根据需要调节机器人的运动速度和方向。
常见的驱动方式有电动、液压、气压和伺服电机等。
3. 传感系统：传感系统用于感知机器人周围环境的变化，例如位置、速度、力/扭矩、温度等参数。
常用的传感器包括编码器、激光雷达、摄像头、红外线传感器等。
4. 控制系统：控制系统是机器人的“大脑”，负责接收传感器反馈的数据并进行处理，然后发出指令来控制机器人的动作。
控制系统通常由嵌入式处理器、操作系统、编程语言和人机界面等组成。
5. 执行机构：执行机构是机器人完成特定任务的关键组件，例如抓手、喷涂枪、焊接头等。
执行机构通常与末端执行器相连，可以根据需要进行调节和更换。
6. 配套软件和设备：除了机器人本体外，还需要相应的配套软件和设备来支持机器人的运行和维护。
例如机器人操作系统、编程软件、调试工具、维护手册等。
综上所述，工业机器人本体的基本组成包括机械结构、驱动系统、传感系统、控制系统、执行机构和配套软件和设备等多个部分，它们相互协作，共同实现机器人的功能和任务。
机器人本体结构
4.1.2 机器人本体材料的选择 一、材料选择的基本要求 (1)强度高 减轻重量。 (1)强度高:减轻重量。 强度高: (2)弹性模量大 刚度大。 (2)弹性模量大:刚度大。 弹性模量大: 但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。 碳结构钢不增加刚度 但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。 普通碳结构钢： 420MPa， =2.1× 普通碳结构钢：σb= 420MPa， E =2.1×105MPa 高合金结构钢： 2000MPa， =2.1×105MPa 高合金结构钢：σb= 2000MPa， E =2.1×105MPa (3)密度小 重量轻。 (3)密度小：重量轻。 密度小： (4)阻尼大：减小稳定时间。 (4)阻尼大：减小稳定时间。 阻尼大 (5) 经济性。 经济性。
3．三自由度手腕 1) 液压直接驱动三自由度手腕
2) 齿轮链轮传动三自由度腕部
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图 1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴 ；7—传动轴 ；8—腕架；9—行星架； 油缸； 链轮； 、 锥齿轮； 、 花键轴T； 传动轴S； 腕架； 行星架； 油缸 链轮 锥齿轮 花键轴 传动轴 腕架 行星架 10、11、22、24—圆柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴； 圆柱齿轮； 、 、 、 、 、 、 、 锥齿轮； 摆动轴； 、 、 、 圆柱齿轮 锥齿轮 摆动轴 21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴 双联圆柱齿轮； 传动轴B 、 双联圆柱齿轮 传动轴
4.3 腕部及手部结构 4.3.1 机器人腕部结构的基本形式和特点 驱动方式：远程驱动和直接驱动。 驱动方式：远程驱动和直接驱动。 直接驱动： 直接驱动：驱动器安装在手腕运动关节的附近 传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大。 传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大。 远程驱动：驱动器安装在机器人的大臂、 远程驱动：驱动器安装在机器人的大臂、基座或小 臂远端上，通过连杆、 臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕 部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂， 部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传 动刚度也降低了。 动刚度也降低了。
机器人本体结构_图文
腕部及手部结构
机器人腕部结构的基本形式和特点
机器人的手部作为末端执行器是完成抓握工件或执行特定作业的重要部件，也需要有多种结构。腕部是 臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。目前，RRR型三自由度手腕应用较普遍。
腕部是机器人的小臂与末端执行器(手部或称手爪)之间的连接部件，其作用是利用自身的活动度确定手部 的空间姿态。对于一般的机器人，与手部相连接的手腕都具有独驱自转的功能，若手腕能在空间取任意 方位，那么与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。 从驱动方式看，手腕一般有两种形式，即远程驱动和直接驱动。直接驱动是指驱动器安装在手腕运动关 节的附近直接驱动关节运动，因而传动路线短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯量大。远程驱 动方式的驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕 部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机器人的整体动态性能有好处，但传动设计 复杂，传动刚度也降低了。 按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。滚转是指组成关节的两个零件自 身的几何回转中心和相对运动的回转轴线重合，因而能实现360°无障碍旋转的关节运动，通常用R来标 记。弯转是指两个零件的几何回转中心和其相对转动轴线垂直的关节运动。由于受到结构的限制，其相 对转动角度一般小于360°。弯转通常用B来标记。
一、腕部的自由度
手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。
腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具 有两个自由度，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有些腕部为 了满足特殊要求还有横向移动自由度。
6种三自由度手腕的结合方式示意图
机器人本体结构共81页文档
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
ห้องสมุดไป่ตู้ 谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
机器人的基本结构
机器人的基本结构一、引言机器人是指能够模仿人类的行为和动作，完成各种任务的智能设备。
机器人的基本结构是机械、电子、计算机和控制系统的综合体，下面将详细介绍机器人的基本结构。
二、机械结构机械结构是机器人的骨架，决定了机器人的外形和动作能力。
机械结构通常包括机器人的身体、关节、传动系统等部分。
1. 身体：机器人的身体是机械结构的基础，决定了机器人的形状和尺寸。
常见的机器人身体结构有人形、四足、六足等多种形式，不同形式的机器人身体结构适用于不同的任务。
2. 关节：关节是机器人身体的连接部分，使机器人能够进行各种运动。
关节通常由电机、减速器、传感器等组成，通过控制系统控制关节的运动。
3. 传动系统：传动系统是机器人的动力来源，将电机的转动转化为机器人身体的运动。
常见的传动系统有齿轮传动、带传动、链传动等，不同的传动系统能够满足不同的运动需求。
三、电子结构电子结构是机器人的神经系统，负责控制机器人的运动和感知环境。
电子结构通常包括传感器、执行器、控制器等部分。
1. 传感器：传感器是机器人感知外部环境的重要组成部分，能够获取各种物理量和信号。
常见的传感器有摄像头、激光雷达、压力传感器等，通过传感器可以实现机器人对环境的感知和识别。
2. 执行器：执行器是机器人的执行部件，根据控制信号实现机器人的运动。
常见的执行器有电机、液压缸、电磁阀等，通过执行器可以实现机器人的运动和操作。
3. 控制器：控制器是机器人的大脑，负责处理传感器的信息和发出运动指令。
控制器通常由嵌入式系统或计算机组成，能够实时控制机器人的运动和决策。
四、计算机结构计算机结构是机器人的智能中枢，负责处理和分析大量的数据。
计算机结构通常包括主控板、处理器、内存等部分。
1. 主控板：主控板是机器人计算机结构的核心，负责控制机器人的各个部分协调工作。
主控板通常集成了处理器、内存、接口等功能，是机器人的重要组成部分。
2. 处理器：处理器是机器人计算机结构的计算核心，负责进行各种算法和数据处理。
第四章 机器人暨人工智能产业 《产业经济学》PPT课件
4.3 我国机器人产业发展现状及促进发展的政策建议
4.3.1 我国机器人产业发展现状
1.已成为全球最大的工业机器人应用市场，且仍在快速发展
2.初步掌握机器人研发生产技术，并在太空等局部领域领先全球
3.初步形成以企业为主体的市场体系
4.中央、地方各级政府积极出台支持机器人产业发展的政策措施
（1）国家重视。
4.全球主要科技公司大力投资机器人产业
5.发达国家政府重视发展机器人产业和人工智能系统
4.2 全球机器人历史回顾、产业现状及发展趋势
4.2.3 全球机器人产业发展趋势
1.性能不断提高但价格不 断下降
2.机械结构日益向开放式、 模块化、标准化、可重构
化发展
3.各种形态的人工智能成 为未来机器人的发展方向
4.3 我国机器人产业发展现状及促进发展的政策建议
4.3.3 做大做强我国机器人产业的若干措施
1.切实落实国家“十三五”规划、《中国制造2025》、机器 人产业规划各项要求
2.采取“市场开放、充分竞争、全球合作、互利共赢”， 以创造大国后发优势的发展模式
3.充分发挥社会主义国家政府集中资源办大事的优势
2.按互动方式分 按互动方式，机器人可分为人操作机械手、程序控制机器人（分固定程序控制和可变程序 控制）、智能机器人3类。智能机器人可分为专用、通用、超级3种。
4.1 机器人概述
4.1.1 机器人的概念
机器人是一种能模仿人类身体、手足、关节等肢体运动，通过传感器、仪器和仪表、设备 等元器件、部件，能灵敏感知、快速理解外界环境变化，自动、灵活、高效地完成各类重 复性活动的机器。 机器人由零部件、本体、系统集成等构成，可划为控制系统（分决策级、策略级、执行级 三个层级）、执行系统、驱动系统、检测系统等模块。其中，减速器、伺服（电机、驱动 器）、控制器是最主要的三大零部件，分别占机器人成本的30%～50%、20%～30%、 10%～20%。本体由直角坐标、关节型、并联型等组成，系统集成指焊接、喷涂、搬运、装 配、切割、打磨等功能。机器人的平均使用寿命为12～15年。
机器人本体结构
L轴和U轴结构
图左侧为L轴电动机 机器人大臂下端左侧与减速器输出盘连 接 右侧固连的小轴通过轴承支承在U轴连 杆内 减速器装在旋转体上 极限位置安装极限挡块 图右侧为U轴电动机 减速器输出转盘与连杆连接 下臂、上臂、拉杆和连杆构成平行四边 形机构 铰链中用园锥滚子轴承 用闷盖调整轴承间隙、并密封
机器人的本体结构
技术参数与选型
主要参数： 可搬重量 工作空间 重复定位精度 各轴最大旋转角度 各轴最大旋转速度 各轴许用扭转力矩 选型相关因素： 未端执行器重量 工件大小 作业条件 工作站布局
选型因素：驱动方式 传动形式 自由度数 结 构 可搬重量 工作空间
选择可搬重量因素： 末端执行器净重 末端执行器重心偏移 机器人最大速度及惯性 选择工作空间因素： 满足作业范围要求 工件置于机器人的最佳作业位置
六 自 由 度 机 器 人 的 传 动 和 外 观 图
机器人P点的工作空间示意图
S轴结构
电机减速器安装在机器人底座 内部 电机与减速器壳连成一体，并 与转动体连接。 减速器输出盘与底座连接 当电机转动，由于输出盘不动， 迫使电机减速器带动转动体转 动。 旋转体与固定底座间用推力向 心交叉短圆柱滚子轴承。 两个极限开关及死挡铁限制其 极限位置。
谐波传动原理
谐波传动原理
谐波传动原理
（2）同步齿型带
同步齿型带（带齿的皮带）、V型带（三角皮带）、平型 带、链、绳索（钢丝绳）、连杆等机构都是长距离传递运动 的机构。四连杆机构刚度好、精度高，机械手等系统上经常
运动控制编程基础
运动控制器DMC21*3系列命令语言 PRA=10000; SPA=100000; ACA=200000;DCA=200000; BGA
（图解）机器人系统组成介绍
（图解）机器人系统组成介绍一、机器人介绍1、机器人主体结构机器人主体结构主要由机器人本体、机器人控制柜、机器人控制面板组成。
2、机器人控制面板机器人控制面板，主要担负这人机对话的作用，我们对机器人的调试、操作、编程、校正等，均靠机器人控制面板来执行。
3、机器人本体构成机器人本体主要由手臂、手腕、平衡缸、连接臂、旋转台、底座组成；当然，如果其他类型的机器人会有相应的差异，我们这里主要以六轴机器人作为案例进行说明。
4、机器人的轴数分类1轴、2轴、3轴为主轴，4轴、5轴、6轴为腕部轴;我们这里是以六轴机器人作为案例说明,当然还有3轴、4轴等机器人就不在细说。
5、机器人工作区域机器人的工作区域是指,机器人在工作时,所可能需要运动的三维空间区域该工作区域内不能有固定障碍物或者机器人工作时进入临时障碍物,阻挡机器人的工作路径.a、俯视工作区域示意图b、侧视工作区域示意图c、注意：---在机器人运行的过程中，工作人员避免进入机器人的工作区域，以免造成伤害。
---方案设计工程师在设计的时候，需要特别考虑机器人运行的安全性，需要考虑设计给机器人增加安全保护网或者保护罩，避免工作人员疏忽靠近，进入机器人工作区域，造成伤害。
6、机器人软件概念机器人软件概念包含核心系统软件和操作系统软件；核心系统软件是指机器人本身具备的系统，而操作系统主要提供人们对机器人进行二次开发和人机对话所准备的，软件系统结构示意图：二、动力管线系统线是指机器人系统中的电源线和信号线等,管是指机器人系统中的气管和保护管等。
1、2000系统机器人动力管线示意图2、动力管线的长度调整示意图，管线应该配置适中，不可造成积压，不利于机器人运动，也容易造成摩擦力过大，导致管线加快磨损。
3、柔性管线的排布，管线应该布局合理，遵循机器人的运动方向为原创，使得管线得到比较良好的弯曲塑性。
4、动力管线-调整保护环保护环主要是保护机器人管线免于磨损；因为机器人管线直接布置在机器人本体表面上，机器人在工作的时候机器人本体会和布于其上面的管线发生相对摩擦运动，易造成管线磨损。
2机器人本体结构
2机器人本体结构机器人本体结构是指机器人的物理实体，包括机器人的整体外形、机械结构、材料等方面。
机器人的整体外形通常是由设计师根据机器人的功能和使用环境进行设计的。
它可以是像人类一样的人形机器人，也可以是车辆、动物或其他形状的机器人。
机器人的外形设计一般需要满足人机工程学的要求，即能够方便地与人类进行交互，不引起不必要的干扰或恐惧。
机器人的机械结构是机器人的重要组成部分，它包括支撑骨架、关节、传动系统等。
支撑骨架一般由钢材、铝合金等材料制成，能够承受机器人整体的重量和外界的冲击力。
关节则为机器人提供了运动的自由度，使其能够模拟人类的运动方式。
关节的设计一般采用电机和传动装置，比如齿轮、弹簧等，以提供足够的力量和精确的控制。
机器人的材料选择一般根据机器人的用途和需求来确定。
常见的机器人材料包括金属、塑料、纤维材料等。
金属材料一般用于机器人的结构件，如支撑骨架和关节。
塑料材料具有轻质、易加工等特点，常用于机器人的外壳等部分。
纤维材料一般用于机器人的柔性传感器、驱动器等部分，可以提供机器人更精细的触觉和精确的运动控制。
除了上述部分，机器人的本体结构还包括一些附属装置，如传感器、执行器等。
传感器负责获取机器人周围环境的信息，包括视觉、听觉、触觉、力觉等方面。
执行器则根据机器人的任务需求，将控制信号转化为相应的运动，并驱动机器人进行操作。
总体来说，机器人的本体结构是一个复杂的系统工程，需要考虑机器人的功能需求、机械设计、材料选择等多个因素。
优秀的机器人本体结构设计既要能够满足机器人的功能需求，又要具有高度的可靠性、稳定性和适应性，以保证机器人在各种工作环境中的良好表现。
机器人本体结构
节目录
（3）手臂(shǒu bì)回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用(shìyòng) 于升降行程短而回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气马达-锥 齿轮传动的结构。
2. 机器人手臂材料(cáiliào)的选择 优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料
节目录 (mùlù)
2. 机身(jī shēn)驱动力(力矩)计算
（1）垂直(chuízhí)升降运动驱动力的计算
Pq Fm Fg W
（2）回转运动(yùndòng)驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
Mg
J0
t
章目录 第十页，共54页。
节目录
（3）升降立柱(lìzhù)下降不卡死 (不自锁)的条件计算
机器人本体(běntǐ)结构
2021/11/8
第一页，共5Biblioteka 页。本章主要内容2.1 概述(ɡài shù) 2.2 机身(jī shēn)及臂部结 构 2.3 腕部及手部结构 (jiégòu) 2.4 传动及行走机构
第二页，共54页。
2.1 概述(ɡài 2.1.1 机器人本体sh的ù基)本结构(jiégòu)
第七章页，目共录54页。
2.2.1 机身结构的基本形式和特点
1. 机身(jī shēn)的典型结构
1）回转(huízhuǎn)与升降机身
单杆活塞气缸 驱动(qū dònɡ)链传动机
构
章目录 第八页，共54页。
双杆活塞气缸 驱动链传动机构
节目录
（2）回转与俯仰(fǔyǎng)机身
章目录 第(九m页，ù共l5ù4页)。
19—摆动轴；21，23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B
机器人本体结构
2．按夹持原理分
3．按手指或吸盘数目分 (1) 按手指数目可分为二指手爪及多指手爪。 (2) 按手指关节可分为单关节手指手爪及多关节手指手爪。 (3) 吸盘式手爪按吸盘数目可分为单吸盘式手爪及多吸盘式手爪。
三指手爪
柔性手指手爪
4．按智能化分 (1)普通式手爪。这类手爪不具备传感器。 (2)智能化手爪。这类手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等。
一、腕部的自由度
手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。
腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具 有两个自由度，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有些腕部为 了满足特殊要求还有横向移动自由度。
6种三自由度手腕的结合方式示意图
2．回转与俯仰机身
2.机器人臂部结构的基本形式和特点
大臂、小臂(或多臂)，主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动（最为通用）。
一、臂部的典型结构
1．臂部伸缩机构 行程小时，采用油(气)缸直接驱动；行程较大时，可采用油(气)缸驱动齿 条传动的倍增机构或步进电动 机及伺服电动机驱动，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时 绕轴线转动或产生变形，臂部伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。常用的导向装 置有单导向杆和双导向杆等，可根据手臂的结构、抓重等因素 选取。
二、RRR型手腕 RRR型手腕结构示意图
RRR型手腕容易实现远距传动。 为了实现运动的传递，RRR型手腕的中间关节是斜置 的，三根转动轴内外套在同一转动轴线上，最外面 的转动轴套直接驱动整个手腕转动，中间的轴套驱 动斜置的中间关节运动，中心轴驱动第三个滚转关 节。 RRR型手腕制造简单，润滑条件好，机械效率高，应 用较为普遍。
机器人本体的机械结构共78页
1
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以寄Leabharlann 傲，审容
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16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
机器人本体的机械结构
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
END
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4.2 机身及臂部结构
• 机器人机械结构由三大部分构成：机身、 手臂（含手腕）、手部。其中机身又称立 柱，是支承臂部的部件。同时，大多数工 业机器人必须有一个便于安装的基础部件， 这就是机器人的基座，基座往往与机身做 成一体。有些机器人需要行走，机身下面 还会安装有行走机构。机身和臂部相连， 机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。 机身和臂部运动的平稳性也是应重点注意 的问题。
• (3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常 复杂，且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属 于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间 隙和运动精度都有较高的要求。 • (4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是 随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动 或出现其他不稳定现象。 • 综合以上特点可见，合理的机器人本体结构应当 使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大， 结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的 固有频率和改善系统的动态性能。
• 二、机器人本体基本结构的举例 • 下面以关节型机器人为例来说明机器人本 体的基本结构。 • 进行机器人本体的运动学、动力学和其他 相关分析时，一般将机器人简化成由连杆、 关节和末端执行器首尾相接，通过关节相 连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的 开端安装有末端执行器(也简称为手部)，如 图所示。
一、 机身的自由度和运动
1．机身的自由度：
• 机身往往具有升降、回转及俯仰三个自由度。 • 机身结构一般由机器人总体设计确定。比如， 圆柱坐标型机器人把回转与升降这两个自由度 归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰这 两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把 回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有 时把升降(Z轴)或水平移动(X轴)自由度归属于 机身。现介绍回转与升降机身和回转与俯仰机 身。
• 材料的刚度除以密度称为比刚度。弹性模 量比密度,也称为比刚度 • 比刚度较高说明材料重量轻，而刚度大。 这是结构设计，特别是航空、航天结构设 计对材料的重要要求之一。
课前讨论
• 机器人操作手与起重机有何异同？
• • • • • • • •
•
答：相似之处（结构、驱动、负载、控制器）： ⑴具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接； ⑵这些关节由驱动器驱动（电机）； ⑶操作机的“手”都能在空中运动，达到工作空 间的任何位置，并承载一定的负荷； ⑷都用一个中央控制器控制驱动器。 不同之处（控制源、名称）： ⑴起重机是由人来控制驱动器 ⑵机器人操作手是由计算机编程控制。动作受计 算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行 某种类型程序。程序改变，机器人动作就会相应 改变。 ⑶一个称为机器人，一个称为操作机。
• 4.1.2 机器人本体材料的选择 • 选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机 器人的设计和制作要求。机器人本体所用的材料是结构材 料。但另一方面，机器人本体又不单是固定结构件，比如， 机器人臂是运动的，机器人整体也是运动的，所以，机器 人运动部分的材料质量应轻。精密机器人对于机器人的刚 度有一定的要求，即对材料的刚度有要求。刚度设计时要 考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。另外，家用和 服务机器人的外观与传统机械大有不同，故将会出现比传 统工业材料更富有美感的机器人本体材料。从这一点看， 机器人材料又应具备柔软和外表美观等特点。 • 总之，正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格， 更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化， 满足其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展， 新材料的出现给机器人的发展提供了宽广的空间。
• 机器人本体基本结构的特点主要可归纳为 以下四点： • (1) 一般可以简化成各连杆首尾相接、末端 无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且 无支承，这决定了机器人的结构刚度不高， 并随连杆系在空间位姿的变化而变化。 • (2) 开式连杆系中的每根连杆都具有独立的 驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各 自独立，不同连杆的运动之间没有依从关 系，运动灵活。
串联式机器人
• 由构件和运动副串联 组成的开链称为单开 链（SOC） 。
a) 单开链 b) 树状开链
图1.8.1 开式链
开式链
并联式机器人
动平台 伸缩杆 球面副固Biblioteka 平台Stewart并联机构
4.1 概
• • • • • • • •
述
4.1.1 机器人本体的基本结构形式 一、机器人本体基本结构 机器人本体主要包括: (1) 传动部件。 (2) 机身及行走机构。 (3) 臂部。 (4) 腕部。 (5) 手部。
机器人的本体结构指机器人机械结 构和机械传动系统，也是机器人的 支承基础和执行机构。本章以工业 机器人为主要对象介绍机器人本体 主要组成部分的特点和结构形式。
• 1、传统的工业机器人一般是由机座、腰部（或肩 部）、大臂、小臂、腕部和手部以串联方式联接而 成的开式链机器人机构，也称为串联式机器人，也 就是通常所说的关节型机器人。 • 特点是：工作空间大、手腕关节灵活、各关节驱 动解耦性好。 2、并联式机器人是由单开链或复合开式链用并联 形式联接于动、静二个平台之间的一类并联机构 所组成。 特点是：刚性好，结构稳定；承载能力大；误 差小精度高；电机可置于固定平台； 本书主要讲解关节型机器人（简称机器人）。
• 末端执行器(手部)是机器人直接参与工作的部分。 手部可以是各种夹持器，也可以是各种工具，如 焊枪、喷头等。操作时，往往要求手部不仅能到 达指定的位置，而且要有正确的姿态。 • 组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类， 一类是组成手臂的长连杆，也称臂杆，其产生主 运动，是机器人的位置机构；另一类是组成手腕 的短连杆，它实际上是一组位于臂杆端部的关节 组，是机器人的姿态机构，确定了手部执行器在 空间的方向。
• 一、材料选择的基本要求 • 与一般机械设备相比，机器人结构的动力 学特性十分重要，这是材料选择的出发点。 材料选择的基本要求是： • (1) 强度高。 • (2) 弹性模量大。 • (3) 重量轻。 • (4) 阻尼大。 • (5) 材料经济性。
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二、机器人常用材料简介 1．碳素结构钢和合金结构钢 2．铝、铝合金及其他轻合金材料 3．纤维增强合金 4．陶瓷 5．纤维增强复合材料 6．粘弹性大阻尼材料