第三讲 机器人的结构设计
《机器人结构设计》PPT课件
（d）液压传动（直接平移）
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（e）气压传动（直接平移）
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（2） 旋转驱动机构 （a）齿轮链 齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它
不但可以传递运动角位移和角速度, 而且可以传递力和力矩。 现以具有两个齿轮的齿轮链为例, 说明其传动转换关系。其中 一个齿轮装在输入轴上, 另一个齿轮装在输出轴上, 如图所示。
机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量 制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼 装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。
(2)灵活性。其主要体现在：
①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机 器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多 台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴 模块,工业机器人成为移动式机器人。
减速比远>1的传 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不
动装置与关 节相 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差，降
连
方便一些运动转换 低可靠性
不经中间关 节或 传动精度高，振动小，控制系统设计困难，
经速比=1的传动 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高，
装置与关节相连 高，响应快
成本高
模块化结构设计
(2)借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (3)借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩 引起关节驱动力矩变化的峰值。 (4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非 线性项，改进机器人动力特性。 (5)借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良 影响。 (6)借助平衡系统能使机器人运行稳定，降低地面安装 要求。
平衡系统设计的主要途径 尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面“倒塌
机器人的机械结构讲义课件
二、机身的典型结构
圆柱坐标型
机器人的机械机构（一）
工作范围可以扩大； 计算简单；
动力输出较大；
手臂可达空间受到限制； 直线驱动部分难以密封；
安全性差；
二、机身的典型结构
球坐标式
机器人的机械机构（一）
中心支架附近的工作范围大； 工作空间大；
坐标系复杂，难以控制； 存在工作死区； 密封性较差；
机器人的机械机构（一）
齿条活塞油缸驱动的回转型机身
升降回转台
升降缸体 活塞
活塞杆 固定导套
齿轮套筒
齿条缸 固定立柱
齿条活塞油缸驱动的回转型机身
1、活塞 2、花键套 3、花键轴 4、升降油缸 5、摆动油缸 6、摆动缸定片 7、摆动缸动片
链条链轮型回转机身
回转与俯仰机身
铰链连接 采用尾部耳环或中部
销轴与立柱连接
三、臂部的典型机构
臂部伸缩机构 臂部俯仰运动机构 手臂回转与升降机构
手臂回转与升降机构通常是通过臂部相对 于立柱的运动机构来实现。常采用回转缸与升 降缸单独驱动，适用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。
机器人的机械机构（一）
机器人的机械机构（一）
性
2
~0.5) ~0.5) 0.5)
第一节 机器人的主要技术参数
分辨率
是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角 度。精度和分辨率不一定相关。
实 际 位置
给定位置
反馈尺
重复 精度
精度
分辨率、精度、重复精度的关系
TBRU 分辨率
第二节 机身和臂部机构
一、机身和臂部的作用
机身
机器人的组成结构.描述
UTACH／MIT 多指手 双拇指手
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BH—II 三指手
四指灵巧手
最小的三指手
DLR多指手 哈工大多指手 灵巧的双手
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手指关节的设计
手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大 的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：
1) 腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强 度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。 MIT手、JPL手和DLR-I手都是这种方式。 2) 齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间 隙，占用空间大。
3) 连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能较好 的实现多种运动规律和运动轨迹的要求。但是设计复杂，不 能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如Belgrade手， NASA手等。 4）欠驱动手指关节
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5 、移动机器人
1）车轮型
两轮型
三轮型
四轮型
2） 履带式
救 援 机 器 人
3）步行式（足式行走）
5、手部机构
机器人的手部是是最重要的执行机构。 机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操 作机构。因此有时也称为末端操作器。 由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷 涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物 体等）， 手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和 结构持点，大致可分成以下几类： 1．卡爪式夹持器； 2．吸附式取料手； 3．专用操作器及换接器 4．仿生多指灵巧手。
手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方 式可以有多种形式如下图所示：
腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧 凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的 驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动 机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上 去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。
机器人的组成结构及原理
机器人的组成结构及原理1.引言机器人是一种可以执行各种任务的自动化设备，由多个组成部分组成。
本文将探讨机器人的组成结构以及其原理。
2.机器人的组成结构2.1机械结构机械结构是机器人的物理结构，它决定了机器人的外形、尺寸和运动方式。
机械结构一般由连杆、齿轮、轴承、电机等组件构成。
连杆用于连接各个部件，齿轮用于传动力，轴承用于减小摩擦，电机用于提供动力。
2.2电子结构电子结构包括机器人的传感器和执行器。
传感器用于获取周围环境的信息，如光线、声音、温度等。
常见的传感器包括摄像头、声音传感器、温度传感器等。
执行器用于使机器人实际执行任务，如电机、液压驱动系统等。
2.3控制系统控制系统是机器人的大脑，负责控制机器人的运动和执行任务。
控制系统通常由微处理器、逻辑电路、软件等组成。
微处理器是机器人的核心处理器，负责处理输入信息并输出指令控制机器人的运动。
逻辑电路用于执行各种判断和决策，如自主导航、避障等。
软件则是机器人控制系统的程序，包括运动控制、任务规划等。
3.机器人的工作原理机器人的工作原理涉及到机械、电子和控制系统的相互协调和配合。
下面将对机器人的工作原理进行简要介绍。
3.1机械原理机器人的机械结构决定了其运动方式和工作范围。
通过控制机械结构中的电机和传动机构，机器人可以实现不同的运动方式，如直线运动、旋转运动等。
机械结构也决定了机器人的可控自由度，即机器人可以同时控制的独立运动轴数目。
3.2传感器原理机器人通过传感器获取周围环境的信息，并将其转化为数字信号，通过输入到控制系统中进行分析和处理。
传感器原理涉及到各种物理传感器的工作原理，如摄像头通过感光元件拍摄图像，声音传感器通过麦克风转化声音信号等。
3.3控制系统原理控制系统原理包括机器人的算法和软件。
控制系统通过输入传感器的信息，并进行决策和规划后，输出指令控制机器人的运动和执行任务。
控制系统原理涉及到机器人运动学和动力学的理论，以及各种控制算法的实现。
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。
机器人的机械结构 ppt课件
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行走结构
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行走结构
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5.3步行机器人机构
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行走结构
两 足 步 行 机 器 人
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1.
2.多足机器人
行走结构
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常用的机身结构：1）升降回转型机身结构；2）俯仰型机 身结构；3）直移型机身结构；4）类人机器人机身结构。
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2.2 臂部结构
机身和臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的主 要作用是支撑腕部和手部，并带动他们在空间运动。机器 人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动 有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支 撑连接和位置检测元件等。此外，还有与腕部或臂部的运 动和联接支撑等有关的构件、配管配线等。
（1）横梁型
（2）立柱式
（3）机座式
（4）屈伸式
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2.3.1 横梁式
运动形式大多为直移型 (1)单臂悬挂式 (2)双臂悬挂式 (3)多臂悬挂式
机身和臂部结构
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2.3.2 立柱式
机身和臂部结构
这类机器人多采用回转型、俯仰型或曲伸 型
（1）单臂 （2）双臂
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一 机器人机械结构的组成
由于应用场合的不同，机器人结构形式有多种多样，各组 成部分的驱动方式、传动原理和机械结构有各种不同的类 型。通常根据机器人各部分功能，其机械部分主要由以下 部分组成。
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机器人机械结构的组成
工业机器人的结构设计
工业机器人的结构设计工业机器人是指使用在工厂等工业领域的自动化机器人。
它们具有一定的自主能力，能够根据预定的程序和任务，完成各种物体的处理、运输、装配等工作。
工业机器人的结构设计包括机器人的主要构件、传动系统、执行机构和控制系统等方面。
首先，工业机器人的主要构件包括机械臂、驱动装置和控制系统等。
机械臂是工业机器人中最重要的部件，它是完成工件处理和运输的主要执行器。
机械臂通常采用多关节联动的形式，具有较高的灵活性和自由度。
不同的机器人应用领域对机械臂的结构和数量有不同的要求。
驱动装置主要由电机、减速器和传感器等组成，用于提供动力和信号支持。
控制系统则是机器人的大脑，它接收来自传感器的数据并根据预定的程序和算法，控制机械臂的运动。
其次，工业机器人的传动系统是实现机械臂运动的关键部分。
传动系统通常由电机、减速器、联轴器和传动装置等组成。
电机提供动力，通过减速器和传动装置传递动力，并通过联轴器连接传递到机械臂上。
传动系统的设计要考虑到速度、承载能力和精度等因素。
再次，工业机器人的执行机构是机器人完成各种任务的重要组成部分。
执行机构通常包括夹持装置、工具和传感器等。
夹持装置用于抓取、放置和固定工件，它的设计要考虑到工件形状和重量等因素。
工具则是机器人进行切割、焊接、喷涂等任务所需要的装置。
传感器则用于获取工件和机器人自身状态的信息，如位置、力量、温度等，以便实现机器人的自动化控制。
最后，工业机器人的控制系统是整个机器人系统的核心。
控制系统通过接收传感器反馈的数据，并根据预定的程序和算法，计算并控制机械臂的运动和姿态。
控制系统的设计要考虑到机器人的灵活性、精确性和反应速度等因素。
控制系统还可以与其他工厂自动化设备进行联动，从而实现整个生产线的自动化控制。
综上所述，工业机器人的结构设计是一个综合考虑机械、电气、传感和控制等多个方面的过程。
一台优秀的工业机器人应具备高度的灵活性、精确性和稳定性，能够适应不同的生产环境和任务需求。
机器人的机械结构
四、机器人的腕部机构
图3-12 二自由度手腕
四、机器人的腕部机构
3）三自由度手腕 三自由度手腕可以是由B关节和R关节组成的多种形式的手腕，但
在实际应用中，常用的有BBR、RRR、BRR和RBR 4种，如图3-13所示。
图3-13 三自由度手腕
四、机器人的腕部机构
PUMA 262机器人的手腕采用的是RRR结构形式，安川 HP20机器人的手腕采用的是RBR结构形式，如图3-14所示。
图3-17 V形爪钳图示
二、磁力吸盘
磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是 在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。
图3-18 1—外壳体； 2—线圈； 3—防尘盖； 4—磁盘
二、磁力吸盘
三、真空式吸盘
1. 真空负压吸盘
真空负压吸盘采用真空泵 能保证吸盘内持续产生负压。 其吸盘吸力取决于吸盘与工件 表面的接触面积和吸盘内、外 压力差，另外与工件表面状态 也有十分密切的关系，它影响 负压的泄漏。
对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。图 3-15及图3-16所示的手爪传动机构可保持爪钳平 行运动，夹持宽度变化大。对夹紧力要求是，爪 钳开合度不同时夹紧力能保持不变。
一、机械手抓
图3-16 手爪传动机构的类型
一、机械手抓
3. 爪钳
爪钳是与工件直接接触的部分。 它们的形状和材料对夹紧力有很大 的影响。夹紧工件的接触点越多， 所要求的夹紧力越小，夹持工件越 安全。图3-17所示为V形爪钳图示， 有4条折线与工件相接触，形成夹 紧力封闭的夹持状态。
(3)链条链轮传动是将 链条的直线运动变为链轮 的回转运动，它的回转角 度可大于360°。
图3-1 链条链轮传动机构
一、机器人的机身结构