机器人本体结构(培训学习)
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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）
第4章 机器人本体结构
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。
机器人入门简易操作培训
机器人入门简易操作培训
本文旨在为初学者介绍机器人的基本操作，以及相关知识和技术，为
其解决机器人操作过程中的问题提供指导。
一、机器人的基本知识
1、机器人的结构：机器人由三个重要部分组成：机械结构、控制系
统和传感器系统，机械结构提供机器人的形态、大小，控制系统用来控制
机器人，传感器系统用来收集当前环境的信息。
2、机器人的动作：机器人的运动机构由电机和伺服控制器构成，控
制器是机器人的核心，用于控制、程序、遥控等，它们通过接受视觉传感器、激光传感器等传感器信号来实现机器人的运动控制。
二、机器人的基本操作
1、准备工作：确认机器人使用环境，检查机器人组件，安装程序，
连接传感器，检查控制电源，搭建机器人底层硬件。
2、建立模型：根据机器人的结构和运动特性，使用编程工具建立模型，完成对关节的编程，模型是机器人在实际程序控制时的基础。
3、控制程序：设计可以实现机器人运动功能的程序，包括移动函数、定位函数、抓取函数等，程序控制是实现机器人应用的基础。
4、实际操作：以上步骤完成后，机器人就可以实际运行起来，开始
实现指定的任务。
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。
KUKA机器人基础培训
FAW-VW KUKA Roboter
三 KUKA机器人配置
3.3KUKA机器人坐标系统 与轴相关的坐标系：
2024/8/5
FAW-VW KUKA Roboter
三 KUKA机器人配置
3.3KUKA机器人坐标系统 工具坐标系：
2024/8/5
FAW-VW KUKA Roboter
三 KUKA机器人配置
三 KUKA机器人配置 3.2KUKA机器人零点校正：
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三 KUKA机器人配置
3.2KUKA机器人零点校正：注意事项
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FAW-VW KUKA Roboter
三 KUKA机器人配置
实际操作：正确执行机器人零点校正？
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二. KUKA Roboter 用户编程
2.1KUKA机器人操作屏
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状态键
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二. KUKA Roboter 用户编程
2.1KUKA机器人操作屏 程序运行方式：单步或GO
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二. KUKA Roboter 用户编程
三 KUKA机器人配置
3.5 KUKA机器人外部工具坐标系的建立
2024/8/5
FAW-VW KUKA Roboter
三 KUKA机器人配置
本章小结：INTERBUS 零点校正 坐标系 工具坐标
2024/8/5
FAW-VW KUKA Roboter
四.KUKA机器人基础菜单
4.1 KUKA机器人显示
三 KUKA机器人配置
3.4 KUKA机器人工具坐标系的建立 ABC -2点： 执行方法：
机器人操作培训资料
机器人操作培训资料
A.机器人系统的结构简介
机器人系统由控制器、机器人本体、传感器、驱动器、电源、定位装
置以及指定的任务组成。
1.控制器是机器人的脑部，能够收集传感器的信息，处理信息，并根
据信息指令驱动机器人本体进行运动。
2.机器人本体是机器人的身体，其分为基座和运动部分，基座通常是
一个稳定的底座结构，负责安装机器人的运动部件，而运动部分是控制器
指令驱动的动力元件，可以提供机器人的运动力量。
3.传感器是机器人嗅觉的体现，其可以检测机器人的定位和运动状态，从而使机器人能够准确地定位和控制运动。
4.驱动器是运动部件的动力源，它类似于机器人的心脏，能够将控制
器发出的指令转换为机器人运动的动力，实现机器人的运动。
6.定位装置是机器人的定位技术，通过定位装置能够测量机器人当前
的位置坐标，实现机器人的准确定位。
7.任务是机器人的目标，它是一个具体的动作指令，机器人的控制器
会获取指令、分析指令、发出指令，根据设定的任务来实现机器人的运动。
B.机器人操作步骤。
2024版机器人基础知识培训
机器人技术发展趋势
随着人工智能技术的不断发展，机器人将具备更加智 能的决策能力和自主学习能力，能够更好地适应复杂
环境和任务需求。
输入 感知标能题力增
强
未来的机器人将具备更加敏锐的感知能力，包括视觉、 听觉、触觉等多方面的感知能力，以便更好地感知和 理解周围环境。
人工智能化
协作能力提 升
未来的机器人将更加注重柔性化设计，以适应不同场 景和任务需求。例如，模块化设计可以让机器人根据
05
机器人导航与定位技术
路径规划与避障算法
A*算法
避障算法
基于启发式搜索的路径规划算法，通 过评估函数找到从起点到终点的最优 路径。
包括基于传感器的实时避障和基于地 图的全局避障，确保机器人在运动过 程中能够安全避开障碍物。
Dijkstra算法
适用于无权图的单源最短路径问题， 通过逐步扩展已知最短路径来找到目 标路径。
机器人基础知识培训
目 录
• 机器人概述 • 机器人基本原理与结构 • 机器人编程与控制技术 • 机器人视觉与感知技术 • 机器人导航与定位技术 • 机器人交互与智能服务技术
01
机器人概述
定义与发展历程
定义
机器人是一种能够自动执行任务的机器系统。它们可以通过传感器感知环境， 通过控制器进行决策，并通过执行器执行动作。
惯性矩阵
反映机器人连杆质量分布对关节驱动力或驱 动力矩的影响。
重力项
由于机器人连杆重力对关节驱动力或驱动力 矩的影响。
机器人传感器与执行器
传感器类型
包括内部传感器（如编码器、陀螺仪 等）和外部传感器（如视觉传感器、 力传感器等）。
传感器作用
实时监测机器人的运动状态、环境信 息和与环境的交互力等，为机器人的 控制提供必要的信息。
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
工业机器人结构设计ppt课件
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
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。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 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。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ
工业机器人技术-机器人本体结构
工业机器人技术与应用项目三工业机器人的机械系统任务二机器人的本体结构导入●什么是机器人的本体结构？●机器人的本体结构在哪里？目录学习目标知识准备任务实施主题讨论12学习目标机器人基座、腰部结构机器人上、下臂结构知识目标机器人基座、腰部及上、下臂结构一、机器人基座、腰部结构1. 基座及腰部结构基座7是整个机器人的基础件，机器人通过基座与地基或者其它工作平台固定，同时机器人的电缆、气管等也是通过基座上的连接插座进入机器人的。
腰体6位于基座和下臂之间，可以带动下臂及以上部分在基座上回转。
腰体上凸耳，凸耳一侧通过下臂安装端面5与下臂连接，另一侧安装下臂驱动电机。
一、机器人基座、腰部结构视频：基座及腰部结构二、机器人的上、下臂结构1. 下臂结构下臂安装在腰部和上臂之间，可以带动上臂及以后部分一同摆动。
下臂断面呈U形结构，用于布置各种电缆及管线。
二、机器人的上、下臂结构视频下臂结构二、机器人的上、下臂结构2. 上臂后段结构上臂后段是连接下臂和上臂前段的中间体，可带动上臂前段及手腕部分一起，相对于下臂旋转。
上臂后段为箱体结构，上方箱体内安装R轴（J4）回转电机（对于前驱RBR 结构）。
二、机器人的上、下臂结构视频上臂后段结构二、机器人的上、下臂结构3. R 轴传动结构谐波减速器的刚轮3.1与电机1的外壳、电机座2一起，固定在上臂后段6的壳体中；谐波减速器的柔轮3.3与过渡轴5的后端面、径向轴承4的里圈连接，轴承4的外圈安装在上臂后段6的壳体中作为支撑；过渡轴5的前端与上臂前段8、CRB轴承的里圈连接，轴承外圈固定在上臂后段6的前端面上作为支撑。
电机1的输出轴与谐波减速器的谐波发生器3.2连接，动力传递给柔轮，通过柔轮带动过渡轴5旋转，进而带动上臂后段8作手腕回转运动（J4轴）。
二、机器人的上、下臂结构视频R轴传动结构任务实施学习视频，完成工作页内容主题讨论讨论问题◆基座、腰部及上、下臂由哪些部分组成？◆基座、腰部及上、下臂结构的特点？小结完成本任务学习后，掌握了机器人基座、腰部及上、下臂结构，为后续学习打下了基础。
机器人本体的五大组成
机器人本体的五大组成
机器人本体包括：驱动系统、机械系统、传感系统、控制系统和系统接口五大部分组成，下面来分类讲一下机器人本体包括哪几部分。
1、机械系统：机器人的机械本体机构基本上分为两大类，一类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，另一类为移动型本体结构，主要实现移动功能。
2、驱动系统：工业机器人驱动系统又叫伺服单元的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载按预定的轨迹运动。
已广泛采用的驱动方式有：液压伺服驱动、电机伺服驱动，气动伺服驱动，市场上主流的伺服电机厂家有安川、三菱、松下等。
3、控制系统：各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。
机器人通常采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制，计算机控制系统包括电机驱动软件和轨迹控制软件。
4、传感系统：除了关节伺服驱动系统的位置传感器(称作内部传感器)外，还需要搭配视觉、力觉、触觉、接近等多种类型的传感器(称作外部传感器)。
5、输出/输入系统接口：为了与周边系统及相应操作进行联机与应答，会开放各种通信接口和人机通信装置。
第二章_机器人的机械结构
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部
真空气吸吸附手部
气流负压吸附手部
挤压排气式手
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可 靠等优点。广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料 的吸附。 气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤， 且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工 件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质 致密，没有透气空隙。
(1)夹持类
(2)吸附类
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
1.夹持类 (1)夹钳式 • 手指1 • 传动机构2
• 驱动装置3
• 支架4
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1）手指 ①指端的形状
第二章 机器人的机械结构
V型指
平面指
尖指
2016/6/27
特形指
第二章 机器人的机械结构
②指面型式 根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表 面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面 和柔性指面三种形式。 ③手指的材料 对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和 合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金； 高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下 工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀 的玻璃钢或聚四氟乙烯。
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
（2）磁吸式
磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生 的磁力来吸附材料工件的，应用较广。磁吸式手部不 会破坏被吸件表面质量。磁吸式手部比气吸式手部优 越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面光 洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。磁吸式手部的不足 之处是：被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑 （如铁屑等），影响正常工作。因此对那些不允许有 剩磁的零件要禁止使用。对钢、铁等材料制品，温度 超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式 手部。磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和 电磁铁手部。电磁铁手部由于供电不同又可分为交流 电磁铁和直流电磁铁手部。
机器人本体结构
三、手爪的典型结构
1．机械手爪
气动手爪 1—扇形齿轮；2—齿条； 3—活塞；4—气缸；5—爪钳
V形爪钳
四种手爪传动机构
2．磁力吸盘
电磁吸盘结构 l—电磁吸盘；2—防尘盖；3—线圈；4—外壳体
3．真空式吸盘
1—电动机；2—真空泵；3、4—电磁阀；5—吸盘；6—通大气
四、机器人传动机构
1．齿轮传动 行星齿轮传动
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。
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
谐波传动
1—刚轮；2—刚轮内齿圈；3—输入轴； 4—谐波发生器；5—轴；6—柔轮；7—柔轮齿圈 液压静压谐波发生器的谐波传动
1—凸轮；2—柔轮；3—小孔
2．丝杠—螺母；3—滚珠；4—导向槽
3．带传动与链传动 4．绳传动与钢带传动 5．连杆与凸轮传动 6．流体传动
RRR型手腕关节远程传动示意图
三、腕部的典型结构
1.单自由度回转运动手腕
单自由度回转运动手腕用回转油缸或气缸直接驱动实现腕部回转运动。这种手腕具有结构紧凑， 体积小，运动灵活，响应快，精度高等特点，但回转角度受限制，一般小于270°
2机器人本体结构
气流负压吸盘
章目录
挤气负压吸盘 1—吸盘架 2—压盖 3—密封垫 4—吸盘 5—工件
节目录
挤气负压吸盘工作原理
章目录
节目录
（4）真空吸盘的新设计
自适应性吸盘
本节完 章目录
异形吸盘
节目录
2.4 传动及行走机构
2.4.1 传动机构的基本形式和特点 2.4.2 行走机构的基本形式和特点
章目录
2.4.1 传动机构的基本形式和特点
两足步行式机器人行走机构原理
章目录Biblioteka WHL-11 双足机器人节目录
3. 四足、六足及多足步行式机器人
四足缩放式腿步行机 器人的平面几何模型
章目录
六足缩放式腿 步行机器人
节目录
4. 履带式行走机器人
容易上下台阶的履带式行走机器人
章目录
节目录
5. 其他行走机器人
壁面爬行机器人 总目录
车轮和脚混合式的移动机器人
章目录
节目录
（2）二自由度手腕 1）双回转油缸驱动的腕部
具有回转与摆动的二自由度腕部结构
章目录
l—手部 2—中心轴 3—固定中心轴 4—定片 5—摆动回转缸 6—动片 7—回转轴 8—回转缸
节目录
2）齿轮传动二自由度腕部
1，2，3，4，5，6—锥齿轮 7—壳体 8—手腕 9—手爪
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
章目录
节目录
2.2.2 臂部结构的基本形式和特点
1. 臂部的典型机构 （1）臂部伸缩机构
四导向柱式臂伸缩机构
章目录
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
节目录
（2）手臂俯仰运动机构
机器人培训教材(基础知识篇)
1.4.5 SCARA型水平关节机器人:这种机器人是日本日立公司生产的其 臂部和肘部可绕垂直轴在水平面内.6 点位控制（PTP）型机器人:按点位方式进行控制的机器人，在 作业过程中只控制几个特定工作点的位置，不对点与点之间的运 动过程进行控制。
1、机器人简介
插补、圆弧插补等，为示教编程用； 2. 运动功能键：如X±移动、Y ±移动、Z ±移动、1～6关节±转动
等，为操纵机器人示教用； 3.参数设定键：如各轴速度设定、焊接参数设定、摆动参数设定等；
4. f 特殊功能键：根据功能键所对应的相应功能菜单，从而打开各种 不同的子菜单，并确定相应不同的控制功能。
1、机器人简介
二十世纪末期，世界各国的工业尤其是制造业为达到提高劳动生 产率，增加生产产量，主要依靠机器人，而不是增加就业人数。据国 际机器人联合会（IFR）1995年统计，机器人的销售增长较快，1995 年比1994年增长了22%。1995年到1998年世界机器人销售的平均增长 率为19%，到2000年，世界机器人的安装总数增加到了100万台。从应 用领域来看，机器人主要集中在制造业的焊接、装配、机加工、电子、 精密机械等领域。随着机器人的普及应用，工业机器人技术也取得较 快发展。21世纪的制造业已进入一个新的阶段，由面向市场多变生产 转向面向顾客生产，敏捷制造企业（AGIENT ENTERPRISE）将是未 来企业的主导模式，以机器人为核心的可重组的加工和装配系统，已 成为工业机器人和敏捷制造业的重要发展方向。
1、机器人简介
1.6 机器人的主要性能参数
1．安装形式:包括落地式安装、墙壁式安装和倒挂式安装等几种； 2．控制轴数:2轴、3轴、4轴、5轴、6轴、7轴等多种； 3．最大有效载荷:根据手臂承载能力选择不同载荷能力的机器人； 4．重复定位精度:±0.01mm； 5．驱动系统:气动、液压、直流伺服系统、交流伺服系统等等； 6．位置反馈类型:绝对编码器和增量式编码器； 7．手臂移动范围:决定机器人运动空间； 8．各轴移动速度:决定机器人工作效率。
1、机器人简介
插补、圆弧插补等，为示教编程用； 2. 运动功能键：如X±移动、Y ±移动、Z ±移动、1～6关节±转动
等，为操纵机器人示教用； 3.参数设定键：如各轴速度设定、焊接参数设定、摆动参数设定等；
4. f 特殊功能键：根据功能键所对应的相应功能菜单，从而打开各种 不同的子菜单，并确定相应不同的控制功能。
1、机器人简介
二十世纪末期，世界各国的工业尤其是制造业为达到提高劳动生 产率，增加生产产量，主要依靠机器人，而不是增加就业人数。据国 际机器人联合会（IFR）1995年统计，机器人的销售增长较快，1995 年比1994年增长了22%。1995年到1998年世界机器人销售的平均增长 率为19%，到2000年，世界机器人的安装总数增加到了100万台。从应 用领域来看，机器人主要集中在制造业的焊接、装配、机加工、电子、 精密机械等领域。随着机器人的普及应用，工业机器人技术也取得较 快发展。21世纪的制造业已进入一个新的阶段，由面向市场多变生产 转向面向顾客生产，敏捷制造企业（AGIENT ENTERPRISE）将是未 来企业的主导模式，以机器人为核心的可重组的加工和装配系统，已 成为工业机器人和敏捷制造业的重要发展方向。
1、机器人简介
1.6 机器人的主要性能参数
1．安装形式:包括落地式安装、墙壁式安装和倒挂式安装等几种； 2．控制轴数:2轴、3轴、4轴、5轴、6轴、7轴等多种； 3．最大有效载荷:根据手臂承载能力选择不同载荷能力的机器人； 4．重复定位精度:±0.01mm； 5．驱动系统:气动、液压、直流伺服系统、交流伺服系统等等； 6．位置反馈类型:绝对编码器和增量式编码器； 7．手臂移动范围:决定机器人运动空间； 8．各轴移动速度:决定机器人工作效率。
机器人本体结构(培训学习)
一、机器人手部的特点 (1) 手部与手腕相连处可拆卸。 (2) 手部是机器人末端执行器。 (3) 手部的通用性比较差。 (4) 手部是一个独立的部件。
学习培训
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二、手部的分类 1．按用途分 1) 手爪 2) 工具
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2．按夹持原理分
学习培训
37
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。
于系统的稳定。
学习培训
4
5.1.2 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。 (2)弹性模量大:刚度大。 但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。
普通碳结构钢：b= 420MPa， E =2.1×105MPa 高合金结构钢：b= 2000MPa， E =2.1×105MPa (3)密度小：重量轻。 (4)阻尼大：减小稳定时间。 (5) 经济性。
姿
腕部
态
机
构
大臂
大臂
位
置
腰部
机 构
机座 上述操作机的分类是按位学习置培训机构的结构形式分的。 2
关节:工业机器人的运动副。 3个腕关节
1个肘关节
1个肩关节
学习培训
1个腰关节
3
本体基本结构的主要特点：
(1)开式运动链：结构刚度不高 。 (2) 相对机架：独立驱动器，运动灵活。 (3) 扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有 较高的要求。
典型行走机构1具有三组轮子的轮系2具有四组轮子的轮系71学习培训3两足步行式机器人672学习培训whl11双足机器人73学习培训4四足六足及多足步行式机器人四足缩放式腿步行机器人的平面几何模型?74学习培训4四足六足及多足步行式机器人六足缩放式腿步行机器人75学习培训5履带式行走机器人装有转向机构的履带式机器人76学习培训容易上下台阶的履带式行走机器人77学习培训6其他行走机器人爬壁机器人78学习培训车轮和脚混合式行走机器人79学习培训
学习培训
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二、手部的分类 1．按用途分 1) 手爪 2) 工具
学习培训
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2．按夹持原理分
学习培训
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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。
于系统的稳定。
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4
5.1.2 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。 (2)弹性模量大:刚度大。 但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。
普通碳结构钢：b= 420MPa， E =2.1×105MPa 高合金结构钢：b= 2000MPa， E =2.1×105MPa (3)密度小：重量轻。 (4)阻尼大：减小稳定时间。 (5) 经济性。
姿
腕部
态
机
构
大臂
大臂
位
置
腰部
机 构
机座 上述操作机的分类是按位学习置培训机构的结构形式分的。 2
关节:工业机器人的运动副。 3个腕关节
1个肘关节
1个肩关节
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1个腰关节
3
本体基本结构的主要特点：
(1)开式运动链：结构刚度不高 。 (2) 相对机架：独立驱动器，运动灵活。 (3) 扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有 较高的要求。
典型行走机构1具有三组轮子的轮系2具有四组轮子的轮系71学习培训3两足步行式机器人672学习培训whl11双足机器人73学习培训4四足六足及多足步行式机器人四足缩放式腿步行机器人的平面几何模型?74学习培训4四足六足及多足步行式机器人六足缩放式腿步行机器人75学习培训5履带式行走机器人装有转向机构的履带式机器人76学习培训容易上下台阶的履带式行走机器人77学习培训6其他行走机器人爬壁机器人78学习培训车轮和脚混合式行走机器人79学习培训
第6章 机器人本体结构
腕部设计要求：
(1) 结构紧凑，重量轻。
(2) 动作灵活、平稳，定位精度高。 (3) 强度、刚度高。 (4) 合理设计与臂和手部的连接部位以及传感 器和驱动装置的布局和安装。
驱动方式：直接驱动和远程驱动。 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。 远程驱动：为了保证具有足够大的驱动力，同时也 为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式。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，传动 刚度也降低。
（4）智能化手部还应配有相应的传感器：
由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面 状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行 调整等。
3. 手部的分类 按用途分 手爪：抓住工件，握持工件，释放工件 工具：进行某种作业的专用工具，如喷漆枪、 焊具等
按夹持原理分
机械式手爪设计 驱动：气动、液动、电动
3）运动要平稳、定位精度高 臂部高速运动，惯性力引起的冲击大，运动不平 稳，定位精度也不高，采用缓冲措施。 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，以减少手臂对回转轴的转动惯量。
5）合理设计与腕和机身的连接部位。
臂部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，还直接影响机器人的外观。
m2O2G2 m3O3G3 O2V m 则总力矩：
m3O3G3 SV m
M 0
2. 弹簧平衡方法
M 0 Fr1 sin
r2 sin(90 ) r2 cos sin l l
F k (l l0 )
k (l l0 )r1r2 M0 cos l
二自由度手腕图例：
(1) 结构紧凑，重量轻。
(2) 动作灵活、平稳，定位精度高。 (3) 强度、刚度高。 (4) 合理设计与臂和手部的连接部位以及传感 器和驱动装置的布局和安装。
驱动方式：直接驱动和远程驱动。 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。 远程驱动：为了保证具有足够大的驱动力，同时也 为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式。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，传动 刚度也降低。
（4）智能化手部还应配有相应的传感器：
由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面 状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行 调整等。
3. 手部的分类 按用途分 手爪：抓住工件，握持工件，释放工件 工具：进行某种作业的专用工具，如喷漆枪、 焊具等
按夹持原理分
机械式手爪设计 驱动：气动、液动、电动
3）运动要平稳、定位精度高 臂部高速运动，惯性力引起的冲击大，运动不平 稳，定位精度也不高，采用缓冲措施。 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，以减少手臂对回转轴的转动惯量。
5）合理设计与腕和机身的连接部位。
臂部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，还直接影响机器人的外观。
m2O2G2 m3O3G3 O2V m 则总力矩：
m3O3G3 SV m
M 0
2. 弹簧平衡方法
M 0 Fr1 sin
r2 sin(90 ) r2 cos sin l l
F k (l l0 )
k (l l0 )r1r2 M0 cos l
二自由度手腕图例：
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姿
腕部
态
机
构
大臂
大臂
位
置
腰部
机 构
机座 上述操作机的分类是按位学习置培训机构的结构形式分的。 2
关节:工业机器人的运动副。 3个腕关节
1个肘关节
1个肩关节
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1个腰关节
3
本体基本结构的主要特点：
(1)开式运动链：结构刚度不高 。 (2) 相对机架：独立驱动器，运动灵活。 (3) 扭矩变化非常复杂：对刚度、间隙和运动精度都有 较高的要求。
(4) 动力学参数（力、刚度、动态性能）都是随位姿的 变化而变化：易发生振动或出现其他不稳定现象。
本体基本结构要求：
ห้องสมุดไป่ตู้
1）自重小：改善机器人操作的动态性能；
2）静动态刚度高：提高定位精度和跟踪精度；
增加机械系统设计的灵活性；减小定位时的超调量
稳定时间，降低对控制系统的要求和系统造价；
3）固有频率高：避开机器人的工作频率，有利
如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等，其
E/比分别达到11.4×107和8.9×107 。
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6
4. 陶瓷 脆性大。
5．纤维增强复合材料
E/高，易老化、蠕变、高温热膨胀/金 属件连
接困难等问题。重量轻，刚度大，大阻尼。
6．粘弹性大阻尼材料 吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻 尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结 果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为 ±0.30mm，处理后为±0.16mm；残余振动时间在 阻尼处理前后分别为0.9s和0.5s。
5.3.1 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。 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。 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、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，传 动刚度也降低了。
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5
二、机器人常用材料简介 1．碳素结构钢和合金结构钢 强度好；E大；应用最广泛。 2．铝、铝合金及其他轻合金材料 重量轻，弹性模量E不大；E/之比仍可与钢材相比。 稀贵铝合金：例如添加3.2％(重量百分比)锂的铝合金， 弹性模量增加了14％，E/比增加了16％。 3. 纤维增强合金
E/非常高,但价格昂贵。
四导向柱式臂部伸缩机构 1—手部；2—夹紧缸；3—油缸；道4学；—习8导培—向训支柱座；5—运行架；6—行走车轮；7—15轨
2．手臂俯仰运动机构
通常采用摆臂油(气)缸驱 动、铰链连杆机构传动实 现手臂的俯仰。
1—手部； 2—夹紧缸； 3—升降缸； 4—小臂； 5、7—摆动油缸； 6—大臂； 8—立柱
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5.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法 一、质量平衡方法 若满足
SV m3O3G3 m
O2V
m2O2G2 m3O3G3 m
则总力矩：
M 0
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二、弹簧平衡方法
M0 Fr1 sin
sin r2 sin(90 ) r2 cos
l
l
F k(l l0 )
M0
k(l
l0 )r1r2 l
cos
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三、气动和液压平衡方法
气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似
优点: 1)平衡缸中的压力是恒定的； 2)同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制. 缺点：
1）需要动力源和储能器，系统比较复杂 2）需考虑动力源一旦中断时的防范措施。
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5.3 腕部及手部结构
学习培训
7
5.2 机身及臂部结构
5.2.1 机器人机身结构的基本形式和特点
一、机身的典型结构
机身结构一般由机器人总体设计确定。
1．回转与升降机身 (1) 油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。升 降活塞杆杆的尺寸要加大。
(2) 油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，回 转油缸的驱动力矩要设计得大一些。
第5章 机器人本体基本结构
本体结构：机体结构和机械传动系统， 也是机器人的支承基础和执行机构。
5.1 概 述
5.1.1 机器人本体的基本结构形式 一、机器人本体基本结构
(1) 传动部件。
(2) 机身及行走机构。
(3) 臂部。
(4) 腕部。
(5) 手部。
学习培训
1
二、机器人本体基本结构的举例
末杆+ 手部
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三、机身设计要注意的问题
(1) 刚度和强度大，稳定性好。 (2) 运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。 (3) 驱动方式适宜。 (4) 结构布置合理。
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5.2.2 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、臂部的典型机构 1．臂部伸缩机构
于系统的稳定。
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5.1.2 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。 (2)弹性模量大:刚度大。 但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。
普通碳结构钢：b= 420MPa， E =2.1×105MPa 高合金结构钢：b= 2000MPa， E =2.1×105MPa (3)密度小：重量轻。 (4)阻尼大：减小稳定时间。 (5) 经济性。
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3．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动马达-锥齿轮传动的结构。
学习培训
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三、臂部设计需注意的问题
(1)承载能力足。 (2) 刚度高。 (3)导向性能好。 (4)重量轻、转动惯量小。 (5)合理设计与腕和机身的连接部位。
W为运动部件的总重力(N) 。
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2.回转运动驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
Mm 为总摩擦阻力矩(N·m)； M g 为回转运动部件的总惯性力矩 (N·m)
Mg
J0
t
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3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算
L Gi Li Gi
h 2 fL
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(3) 链轮传动机构。回转角度可大于360°。
链条链轮传动实现机身回转的原理图
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2．回转与俯仰机身
回转与俯仰机身
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二、机身驱动力(力矩)计算
1.垂直升降运动驱动力 摩擦力/总重力/惯性力:
P的q 计算
Pq Fm Fg W
Fm为各支承处的摩擦力(N)；
Fg 为启动时的总惯性力(N)；