第2章 工业机器人机械系统设计
工业机器人的机械系统课件
控制策略与算法
要点一
总结词
控制算法的原理和应用
要点二
详细描述
控制策略与算法是实现工业机器人精确运动的关键。常用 的控制算法包括位置控制、速度控制和加速度控制等。位 置控制算法根据目标位置和当前位置的差值，计算出关节 的运动量；速度控制算法则根据目标速度和当前速度的差 值，调节关节的驱动力矩；加速度控制算法则用于保证机 器人的平稳运动，避免振动和冲击。
环境因素
考虑温度、湿度、尘埃等因素对工业 机器人稳定性的影响，采取相应措施 。
寿命与可靠性分析
关键部件寿命
评估工业机器人各关键部件的寿命，如电机 、减速器、轴承等，以便及时更换。
维护策略
根据寿命与可靠性分析结果，制定合理的维 护策略，降低故障率。
可靠性评估
通过数据分析，评估工业机器人的可靠性， 以便采取预防性维护措施。
建立维护记录，及时报告异常 情况，以便及时处理。
常见故障诊断与排除
机械故障
检查是否有异常声音、振动或发热等 现象，判断是否需要更换磨损部件或 调整装配。
电气故障
检查电源、电缆、电机等电气部分， 确保无短路、断路或过载等问题。
控制系统故障
检查控制器、传感器等是否正常工作 ，必要时进行软件更新或重置。
谐波齿轮传动
利用波形弹簧使波发生器与柔轮产生 弹性变形，从而使柔轮与刚轮产生相 对运动，实现动力的传递。
CHAPTER 04
工业机器人的执行机构
末端执行器
夹持式
夹持式末端执行器通常采用气动 或电动驱动，通过夹持工件实现
搬运和装配等操作。
吸附式
吸附式末端执行器利用真空或磁 力吸附工件，适用于表面不平整
技术升级
关注新技术发展，适时对工业机器人进行升 级改造，提高其性能和可靠性。
工业机器人机械系统设计
工业机器人机械系统设计工业机器人是近年来在多个行业中越来越普及和广泛应用的一种现代化技术设备。
它的出现极大地促进了生产效率、产品质量和安全性的提升，带动着各行各业的发展。
而机器人的机械系统设计则是工业机器人技术中至关重要的一环。
本文将对工业机器人机械系统设计进行详细介绍。
工业机器人机械系统设计是指利用机械学、材料学、控制学、电气学等多个学科知识设计和制造工业机器人的主要系统。
机械系统设计包括机器人的各个部分，如机身、关节、手臂、执行器、传动装置等，同时也要考虑多个因素对机械系统的影响。
这些因素包括机器人的负载，工作空间，精度、速度，稳定性等。
在进行机械系统设计过程中，首先需要确定机器人的工作要求和使用场景。
根据实际应用需要，确定机器人的工作负载、精度和速度等参数。
然后，根据工作负载的不同，设计关节的数量和类型，通常，工业机器人包括直线关节、旋转关节、球关节等多种类型。
同时，设计机器人的手臂、执行器等重要部位，在诸如重量、强度和刚度等方面考虑材料的选择，以确保机器人的稳定性和重复性。
机器人的传动系统也是机械系统设计的重要组成部分。
传动系统可以通过齿轮、链条、皮带等方式实现，旨在控制机器人的运动。
而在传动过程中，传动部件的精度，齿轮的间隙和螺旋程度、电机功率、传动速度等也需要被纳入考虑。
同时考虑到机器人在使用过程中产生的摩擦、热、粉尘和腐蚀等问题，需要对传动系统实现良好的润滑和维护。
工业机器人的控制系统和感知系统是机械系统设计中另外的两个重要组成部分。
控制系统实现对机器人的动作，通过传感器获取机器人的位置、方向、负载等信息,并且瞬间反映到控制系统上，实现对机器人的控制，以及通过编程实现的自主决策。
感知系统负责机器人与周围环境的互动，例如通过激光测距传感器检测物体的距离、拍摄摄像头进行视觉检测等，从而保证机器人能够正常工作，实现高效、准确的生产和操作任务。
当然，机械系统设计也要考虑到工业机器人的布局设计和结构设计。
工业机器人2(2013~2014学年-1)
丝杠螺母的螺旋面之间的摩擦是滑动摩擦，所以传动效率较低。 丝杠螺母副的改进：滚珠丝杠 传动效率高，而且传动精度和定位精度都很高，
在传动时灵敏度和平稳性也很好； 由于滚珠丝杠的磨损小，其使用寿命比较长。
在工业机器人中，比较合乎要求且常用的减速器是行星齿 轮机构和谐波传动机构，谐波传动在运动学上是一种具有柔性 齿圈的行星传动。
2.2 驱动机构
3、谐波传动
特点：传动尺寸小，惯量低；一级 传动比大，结构紧凑；载荷分布在 若干个行星轮上，内齿轮也具有较 缺点： 高的承载能力。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
优点：
尺寸小、惯量低； 由于误差分布在多个啮合齿上，传动精度高； 由于预载啮合，传动间隙非常小； 由于是多齿啮合，传动具有高阻尼特性；
2.3 机身和臂部设计
2.4 腕部设计 2.5 手部设计 2.6 行走机构设计
2.2 驱动机构
一、各种驱动方式的优缺点 ㈠ 液压驱动
优点： 体积小，可以获得较大的推力和转矩； 介质的可压缩性小，系统工作稳定可靠，精度高； 容易实现对力、速度、方向的自动控制； 油液介质使系统具有防锈蚀和自润滑性能；
主讲：马志艳 湖北工业大学
第二章
工业机器人机械系统设计
2.1 工业机器人总体设计 2.2 驱动机构
2.3 机身和臂部设计
2.4 腕部设计 2.5 手部设计 2.6 行走机构设计
2.1 工业机器人总体设计
一、系统分析
采用工业机器人需要先进行综合的技术和经济分析， 一旦确定采用，设计人员在开始技术设计之前应进行如下 工作： 1. 根据使用场合，确定机器人的目的和任务； 2. 分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有 设备的兼容性； 3. 分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案， 准备做技术设计； 4. 进行必要的调查研究，搜集国内外的有关资料，进行 综合分析，找出可供借鉴之处，以及别人的经验教训；
第二章工业机器人的机械设计基础
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案第一章机器人技术与应用一、判断1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。
（√）2.19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。
（×）3.对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。
（√）4.所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
（×）5.机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。
（×）6.机器人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，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。
（√）7.为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。
（√）8.轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。
（×）9.为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。
（√）10.履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。
（√）11.腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。
（√）12.机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。
（×）13.球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。
（√）14.可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。
（×）15.感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。
工业机器人--工业机器人结构设计 ppt课件
1/3~1/2左右。
（4）运动精度高，回差小。
（5）传动效率高，一般单级传动效率为70%-90%。
（6）可向密闭空间传递运动和动力，这一点是其它任
何机械传动无法实现
PPT课件
16
行星减速器的主要特点如下： （1）体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高。
由于行星齿轮传动是一种共轴线式传动形式，即具有同轴线传动 的特点。在结构上采用了对称分流传动结构，即用几个完全相同 的行星轮均匀分布在中心轮圆周来共同分担载荷，并且合理地应 用了内啮合，充分地利用了空间的容积，从而缩小了径、轴向尺 寸，使结构紧凑，而承载能力又高。因而行星齿轮传动在相同功 率和传动比的条件下，可使其外部尺寸和重量只为普通齿轮传动 的1/2-1/6。
臂部设计的基本要求 手臂的常用结构 臂部运动驱动力计算
4、手腕设计
概述 手腕分类 手腕设计举例
5、手部设计
概述 手部分类 手爪设计和选用的要求 普通手爪设计 6、机身及行走机构设计 机身设计 行走机构设计
PPT课件
3
一 工业机器人总体设计
工业机器人 机械系统设计
PPT课件
1
主 要 内 容
1、工业机器人总体设计
主体结构设计
传动方式选择
模块化结构设计
材料选择
平衡系统设计
2、传动部件设计
移动关节导轨及转动关节轴承
传动件的定位及消隙
谐波传动
丝杠螺母副及其滚珠丝杠传动
其它传PP动T课件
2
主要内容
3、臂部设计
6
一 工业机器人总体设计
材料的选择
材料选择的基本要求
强度高
工业机器人机械系统设计
工业机器人机械系统设计工业机器人是一种用于自动化生产的机器人，广泛应用于制造业的各个领域。
其机械系统设计是其关键部分之一，涉及到机器人的机构、传动、运动学等方面。
下面将结合具体案例介绍工业机器人机械系统设计的一般步骤和要点，并对机械系统设计的一些关键技术进行探讨。
其次，机械结构设计是机器人机械系统设计的核心。
机械结构设计要考虑机器人的关节数量、连接方式、材料选择等。
通常机械结构设计会采用机械臂结构，根据机器人的运动要求，设计机械臂的长度、关节数量和角度等。
动力传动系统设计是机械系统设计的重要组成部分。
动力传动系统主要包括电机、减速器和传动机构。
根据机器人的负载需求和运动速度要求，选择合适的电机和减速器。
同时，传动机构的选择也要考虑机器人的运动方式，常见的传动机构有齿轮传动、带传动等。
运动学分析是机械系统设计的重要内容。
通过运动学分析，可以得到机器人的位形方程和运动轨迹。
运动学分析中需要考虑机器人的关节角度、关节速度和姿态等。
运动学分析中的关键技术包括正运动学和逆运动学。
正运动学是指根据机器人的关节角度，求解机器人末端的位置和姿态。
逆运动学是指根据机器人末端的位置和姿态，求解机器人的关节角度。
正逆运动学分析是机械系统设计中一个非常重要的环节，关系到机器人的运动控制和路径规划。
最后，机械系统设计还需要进行优化。
优化的目标主要包括机器人的精度、速度和稳定性等。
其中，机器人的精度是机械系统设计中一个非常关键的性能指标。
在优化设计中，可以采用材料优化、结构优化、动力学控制优化等方法。
综上所述，工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重要环节之一、机械系统设计的合理与否直接影响到机器人的性能和稳定性。
在机械系统设计中，需要综合考虑机器人的工作特点、负载要求、运动学特性等方面，通过合适的机械结构设计、动力传动系统设计和运动学分析，来实现机器人的自动化生产任务。
第2章 工业机器人的总体设计PPT课件
3）合理布置作用力的位置和方向。尽量使各作用力引起的变形 互相抵消，如下图Unimate2000机器人。
8/9/2020
河北科技大学机械电子工程学院
23
Unimate2000机器人
8/9/2020
1、刚度
▪ 刚度是指机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。用外力和 在外力方向上的变形量（位移）之比来度量的，变形越小，刚 度越大。在有些情况下，刚度比强度更重要，为了提高刚度， 应注意：
1）根据受力情况，合理选择截面形状或轮廓尺寸。机身和臂部 既受弯矩，又受扭矩，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。 一般采用具有封闭空心截面的构件。不仅有利于提高结构刚度， 而且空心内部还可以布置安装驱动装置、传动机构和管线等， 使整体结构紧凑，外形美观。
▪ 若柔性齿轮（齿数Z2)固定，谐波发生器为输入，刚性齿
轮(齿数Z1)为输出，则速比为 i z正1 号表示方向与输入
相同。
z1 z2
▪ 特点：
1）传动比大而且范围宽。可达50～500。
2）同时啮合的齿数多（总齿数的30％～40％），承载能力 高。
3）零件少，体积小，重量轻。
4）运动精度高，效率高。
5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材 料。 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/ρ之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合 金的品质得到了更明显的改善，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/ρ比增加了16 ％。 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， 其E/ρ比分别达到11.4×107 和8.9×107。这种纤维增强金 属材料具有非常高的E/ρ比，但价格昂贵。
机器人技术基础教学课件第2章
Ti ——输入力矩（N·m）；
To ——输出力矩（N·m）；
i ——输入齿轮角位移；
o ——输出齿轮角位移；
机器人技术基础
第二节 机器人的驱动机构
1．齿轮机构
Ti ,i
啮合齿轮转过的总的圆周距离相等，可以 得到齿轮半径与角位移之间的关系：
Rii Roo
TO ,O
Ri ——输入轴上的齿轮半径（m）； R0 ——输出轴上的齿轮半径（m）。
第一节 工业机器人的结构
（3）连杆杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fpc
2b tan a
连杆杠杆式回转型夹持器 1—杆；2—-连杆；3—-摆动钳爪；4—-调整垫片
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（4）齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp R
Fp c
2b sin
楔块杠杆式回转型夹持器 1—-杠杆；2—弹簧；3—滚子；4—楔块；5—气缸
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（2）滑槽杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp a 2b cos2
a
滑槽杠杆式回转型夹持器 1—支架；2—杆；3—圆柱销；4—-杠杆；
机器人技术基础
1．液压驱动
液压隧道凿岩机器人 机器人技术基础
液压混凝土破碎切割机器人
第二节 机器人的驱动机构
2．气压驱动
优点：
缺点：
（1）容易达到高速（1m/s）；
（1）压缩空气压力低；
（2）对环境无污染，使用安全；
（2）实现精确位置控制难度大；
工业机器人技术第2章
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.2 工业机器人的特点
（3）驱动系统。工业机器人需要灵活改变位姿，绝大多数运动轴都需要 有任意位置定位功能，需要使用伺服驱动系统；在无人搬运车（Automated Guided Vehicle，AGV）等输送机器人上，还需要配备相应的行走机构及相应 的驱动系统。而辅助机械手的安装位置、定位点和动作次序样板都是固定 不变的，大多数运动部件只需要控制起点和终点，故较多地采用气动、液 压驱动系统。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
（3）驱动器。驱动器实际上是用于控制器的插补脉冲功率放大的装置， 实现驱动电机位置、速度、转矩控制，驱动器通常安装在控制柜内。驱动 器的形式决定于驱动电机的类型，伺服电机需要配套伺服驱动器、步进电 机则需要使用步进驱动器。机器人目前常用的驱动器以交流伺服驱动器为 主，它有集成式、模块式和独立型3种基本结构形式。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
2．机器人本体 机器人本体又称操作机，它是用来完成各种作业的执行机构，包括机械 部件及安装在机械部件上的驱动电机、传感器等。 机器人本体的形态各异，但绝大多数由若干关节（Joint）和连杆（Link） 连接而成。以常用的6轴垂直串联型（Vertical Articulated）工业机器人为例， 其运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、上臂摆动 （肘关节）、腕回转和弯曲（腕关节）等。本体的典型结构如图2.1-2所示， 其主要组成部件包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部、基座等。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
集成式驱动器的全部驱动模块集成一体，电源模块可以独立或集成，这 种驱动器的结构紧凑、生产成本低，是目前使用较为广泛的结构形式。模 块式驱动器的电源模块为公用，驱动模块独立，驱动器需要统一安装。集 成式、模块式驱动器不同控制轴间的关联性强，调试、维修和更换相对比 较麻烦。独立型驱动器的电源和驱动电路集成一体，每一轴的驱动器可独 立安装和使用，因此，其安装使用灵活、通用性好，其调试、维修和更换 也较方便。
2工业机器人的总体设计(PPT136页)
间接驱动方式图例
34
间接驱动方式图例
气动肌肉
35
3．材料的选择：
选择机器人本体的材料，应从机器人的性能要 求出发，满足机器人的设计和制造要求。如： 机器人的臂和机器人整体是运动的，则要求采 用轻质材料。 精密机器人，则要求材料具有较好的刚性。 还要考虑材料的可加工性等。 机器人常用的材料有：碳素结构钢、铝合金、 硼纤维增强合金、陶瓷等。
5采4 样
整机工作状态模拟图
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大型喷浆机器人
隧道凿岩机器人
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3．气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。
但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不 易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。
57
3．其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、
40
41
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5．模块化结构设计：
将每一自由度的轴作为一个单独模块， 并由独立的单片机控制，然后用户可 根据自己的需要进行多轴组装。这种 结构设计具有经济和灵活的特点。
模块结构机器人1 模块结构机器人2
44
图例：模块化设计
45
2.2 工业机器人的驱动与传动系统结构
2.2.1 驱动—传动系统的构成
2.1 工业机器人的总体设计
1
机器人总体设计的主要内容有：
确定基本参数， 选择运动方式， 手臂配置形式，
位置检测，驱动和控制方式等。
进行结构设计，对各部件的强度、刚 度、动特性等进行必要的验算。
2
一、系统分析
1．根据机器人的使用场合，明确所使用机 器人的目的和任务。
2．分析机器人所在系统的工作环境，包括 机器人与已有设备的兼容性。
工业机器人机械系统设计
工业机器人机械系统设计机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。
它是综合了当代机构运动学与动力学、精密机械设计发展起来的产物，是典型的机电一体化产品，工业机器人由操作机和控制器两大部分组成。
操作机按计算机指令运动，可实现无人操作；控制器中计算机程序可依加工对象不同而从新设计，从而满足柔性生产的需要。
机器人应用领域广泛，包括建筑、医疗、采矿、核能、农牧渔业、航空航天、水下作业、救火、环境卫生、教育、娱乐、办公、家用、军用等方面，工业机器人在国内主要应用于危险、有毒、有害的工作环境以及产品质量要求高（超洁、同一性）的重复性作业场合，如焊接、喷涂上下料、插件、防爆等。
一、工业机器人的总体设计1．主体结构设计工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。
工业机器人的坐标形式主要有直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式等。
直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业。
圆柱坐标式机器人主要有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。
手腕常采用两个自由度，绕手臂纵向轴转动与垂直的水平轴线转动。
手腕若采用三个自由度，机器人总自由度达到六个。
球面坐标式机器人也叫极坐标式机器人，具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂。
关节坐标式主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节（俯仰、偏转和翻转）用来最后确定末端操Cobra Series 桌面机器人Reach:600mm/800mmPayload:5.5kgRepeatability:0.02mmWeight:34/35kgDesingn Life:60 Million Cycles SmartModules 框架机器人Mas Stroke:2000mmMin Stroke:130mm Number of Axis: 1 to 3 Max Payload:60kg Max speed:1200mm/sec Repeatability:0.01mm Design Life:5000km Cartesian RobotsSize:600*450mm Payload:5.5kg Accuracy:0.025mm Weight:54kg Design Life:5000km直角坐标机器人工作台：2．传动方式传动方式选择是指选择驱动源及传动装置与关节部件的连接形式和驱动形式，主要包括：直接连接传动。
工业机器人
工业机器人机械系统设计
2.2 驱动机构
常用的旋转驱动机构包括： 同步皮带
用于传递平行轴间的运动或 将回转运动转换成直线运动。同 步皮带的传动比计算公式为：
i n2 z1 n1 z2
工业机器人机械系统设计
输出： 1、内柱销（套） 2、输出轴
摆线针轮减速器
减速原理
- 当输入轴带着偏心套转动一周 时，由于摆线轮上齿廓曲线的特 点及其受针齿轮上针齿限制之故， 摆线轮的运动成为即有公转又有 自转的平面运动，在输入轴正转 一周时，偏心套亦转动一周，摆 线轮于相反方向上转过一个齿差 从而得到减速，将摆线轮的低速 自转运动通过销轴，传递给输出 轴，从而获得较低的输出转速。
手臂回转运动结构
图为利用齿轮齿条液压缸实现 手臂回转运动的机构。压力油分 别进入液压缸两腔，推动齿条活 塞做往复移动，与齿条啮合的齿 轮即做往复回转运动。齿轮与手 臂固连，从而实现手臂的回转运 动。
工业机器人机械系统设计
手臂回转运动结构 图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液压
缸1的两腔通压力油时，连杆2带动曲柄3绕轴心O作90°的上、下摆动。
- 滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚 动，故必须设置滚珠的返回通道，才能 循环使用。为了消除回差(空回)，螺母 分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整 两段螺母的相对轴向位置，从而消除间 隙和施加预紧力，使回差为零。
工业机器人机械系统设计
滚珠丝杠工作特点
工业机器人机械系统设计
液压(气压)缸 将液压泵(或空气压缩
结构简单，体积、质量小； 传动比范围大； 运动精度高，承载能力大；
第2章机器人机械系统设计2-工业机器人
小臂 腕部
加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间
运动。 是执行机构的关键部件，制造误差、运动
大臂
连接手部
精度和平稳性，对机械手的定位精度有决
定性的影响。
机身
基座
回转与升降机身
回转运动在 下，升降运 动在上
（a）单杆活塞气缸 （b）双杆活塞气缸
链条链轮传动实现机身回转的原理图
z x
y Yaw x
Roll z
Pitch y
手腕的DOF
2.4.2 手腕的分类 按自由度数目：可分为单自由度手腕，二自由度手腕，三自 由度手腕。
单自由度
二自由度
三自由度
（a）BBR
（b）RRR
（c）BRR
（d）RBR
PUMA 262型机器人的手腕采用了RRR结构形式， MOTOMAN SV3型机器人的手腕采用了RBR结构形式。
臂部的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的 位置上。 在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动 载荷，尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力 矩），引起冲击，影响定位的准确性。
臂部设计要求： 要求手臂应具有足够的承载能力和刚性； 导向性要好；
质量和运动惯量要小；减小偏心力矩的方法：①尽量减小
磁力吸附式
真空吸附式
钳爪式手部结构
1.手指：直接与工件接触的部件。二手指、三手指、多手指。
结构形状取决于被夹持工件的形状和特性。
平面指 手力、以实现夹紧和松开 动作的机构。
斜楔杠杆式
传动机构形式
滑槽杠杆式
连杆杠杆式
真空吸附的应用
真空吸附技术的应用
真空源 真空吸附系统
机器人设计(第二章 机械系统)
2.2 非金属材料
传统无机非金属材料 如水泥和其他胶凝材料、石灰、石膏、陶瓷、粘土质、碳 素材料、研磨材料、氧化物、硫化物和卤素化合物等。 新型无机非金属材料 氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微 晶玻璃、铁电和压电材料、钛酸钡系、锆钛酸铅系材料、 磁性材料、过渡金属元素氧化物系材料、光学材料、磷 酸盐骨材和酶的载体、无机复合材料、陶瓷基、金属基、 碳素基的复合材料等。
路板，并在底座的中柱上开有电源接口和信号接口，方便 数据交换。 转盘系统：转盘系统与底座系统之间通过滚珠连接，从而 使转盘系统在电机的驱动下与底座产生相对旋转，在转盘 上刻有刻度，可方便知道机械手的的整体旋转角度。在转 盘系统安装有三个伺服电机。 连接臂：连接臂的作用是把各个电机串联起来，从而方便 用户扩展电 机的数量，订制机械手的活动范围。 伺服电机：伺服电机是整个机械手系统的动力源泉，每个 电机可在10度到170度的范围内无级定位，而这种定位可以 通过软件来控制，从而使得机械手可以作非常复杂的动作。
1.4 机械夹持结构
机械夹持类按机械夹持方式，分内分式，外夹式，按手指运 动形式，分回转型，平动型，平移型。机械吸附类可分为 气吸式，分真空气吸式吸盘，气流负压气吸式吸盘，挤压 排气式吸盘，及磁吸式。
图2.4 回转式夹持器机构图
1.4 机械夹持结构
图2.5 挤压排气式吸盘
2 材料的选择
1 金属材料
特点：两个驱动轮，一个或两个万向轮，用于平衡。
优点：机构简单，只要两个马达，但只能在一个地方
转弯。
缺点：粗糙的地面遇到的困难，使用两个万向轮时潜
在牵引损失，使用一个万向轮时容易倾翻，受速度和 方向的影响较大。
3.1 两轮驱动行走轮
机器人的机械结构与设计
6
2. 液压驱动器
液压驱动的优点是功率大，可省去减速 装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧 凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高 的精度。但需要增设液压源，易产生液体 泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动 目前多用于特大功率的机器人系统。
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3．气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。 但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不 易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。
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RV摆线针轮传动 RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆 线针轮减速器组合而成的。 二、主要特点 与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比 大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特 点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大2—6倍，但重量却增 加了1—3倍。 该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节(腰关节)， 这时自重是坐落在底座上的，充分发挥了高刚度作用，可以 大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运 动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。
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另外，对于齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动，须特别 注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度 要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动， 必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。
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2.3 工业机器人关节的构造及其传动配置
关节是操作机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类 型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节， 它们构成了操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿 态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配 置。
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滚动螺旋传动 滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的 滚珠。使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋 传动，滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚 珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分 成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置， 从而消除间隙和施加预紧力，使得在有额定抽间负荷时也能使 回差为零。其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。
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制动器
许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动 器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的 位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围 的物体不发生碰撞。 制动器通常是按照失效抱闸方式工作的，即要放 松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相 对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作 用。缺点是：工作期间不断花费电力使制动器放松。
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第二章 工业机器人机械系统设计
2.1工业机器人总体设计 2.2驱动机构 2.3机身和臂部设计 2.4腕部设计 2.5手部设计 2.6行走机构设计
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手部 臂部
执行系统
腕部 机身
工 业 机 器 人
行走机构
驱动系统
各种电、液、气装置 运动控制装置
控制系统
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臂部结构
根据臂部的运动和布局
位置检测装置 示教再现装置 触觉、听觉、嗅觉、视觉装置 语音识别装置
人工智能系统
逻辑判断装置 学习装置
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机器人的体系结构
从体系结构来看，机器人分为三大部分六 个系统，分别是： 三大部分： 机械部分（用于实现各种动作）、 传感部分（用于感知内部和外部的信息）、 控制部分（控制机器人完成各种动作）。
Z4/Z5
0.4/0.4
i1 Z 2 / Z1 5
37/8
i1 Z 2 / Z1 5
i1 Z 4 / Z 3 4.625 i1 Z 4 / Z 3 4.625
Z6/Z7 0.4/0.4
i1 Z 6 / Z 5 4.725 i37/8 1 Z 6 / Z 5 4.725 i1 Z 8 / Z 7 2.5625 i1 Z 8 / Z 7 2.5625
传动机构
是将驱动器输出的动 力传送到工作单元的一种
装置，作为能量源和执行
装置之间的连接装置，在 机器人的机构中有极其重 要的地位，起着能量传递 和能量转换作用。
传动机构的作用
1、运动形式的转换 直线到旋转、 旋转到直线、连续运动和间歇运动的变换。 2、运动速度的转换 工作单元往往和驱动器速度不一致，利用传动机构达到改变输出速 度的目的。 3、运动方向的转换 工作单元的运动方向与驱动器的输出方向不一致。 4、运动地点的转换 工作单元的运动与驱动器的输出不在同一地点。 5、调转矩 调整驱动器的转矩使其适合工作单元使用。
机器人的机械结构
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(2)手腕 手腕是连接手臂和末端执 行器的部件，用以调整末端执行器 的方位和姿态。
(3)手臂 手臂是支承手腕和末端执
行器的部件。它由动力关节和连杆 组成，用来改变末端执行器的空间
位置。(Βιβλιοθήκη )机座 机座是工业机器人的基础 部件，承受相应的载荷，机座分为 固定式和移动式两类。
机器人常用传动机构
传 动 机 构
齿 轮 传 动
丝 杠 螺 母 传 动
带 链 钢 丝 传 动
连 杆 凸 轮 传 动
流 体 传 动
特 殊 减 速 机 构
直齿圆柱齿轮在舵机设计中的应用
齿轮外形
名称 Z1
模数 0.3
齿数 10
3 减速比计算3 减速比计算
Z2/Z3 0.3/0.4 50/8
舵机空载转速计算 舵机空载转速计算 总传动比： 空载转速：
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机器人的机械结构
工业机器人一般有以下几部分构成： 机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构 成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行 走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰 。 手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。 末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各 种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。 关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各 部分、末端操作器之间的相对运动。
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2.3机身和臂部设计
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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臂部结构
手臂部件(简称臂部)是机器人 的主要执行部件，它的作用是支 撑腕部和手部，并带动它们在空 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 联接和位置检测元件等。此外， 还有与腕部或手臂的运动和联接 支撑等有关的构件、配管配线等。
rpm ÷ 274 = 62.04 rpm； 即舵机的空载理论输出转速为 62.04 rpm 或 60°/0.16S。
行星齿轮式减速机构
行星齿轮减速器结构紧凑、 传动比较大，传动效率比蜗轮 蜗杆减速器高。
直齿圆锥齿轮应用
机器人齿轮传动实例
齿轮齿条在机器人手部的应用
齿轮齿条及行星机构在机器人手腕中的应用
Z8
0.4
41
则：总减速比
i i1 i2 i3 i4 所以 Rn=17000 i 则：总减速比 i1 i2 i3 i4 =274.067 =274.067
因为： Rn = Rd ÷ i 因为： Rn = Rd ÷ i 其中 Rn 为舵机的空载输出转速 其中 Rn 为舵机的空载输出转速 Rd 为直流电机空载输出转速 Rd 为直流电机空载输出转速 i 为减速比； Rd = 17000 rpm，i= 274 i 为减速比； 所以 Rn=17000 rpm ÷ 274 = 62.04 rpm； Rd = 17000 rpm， i= 274 即舵机的空载理论输出转速为 62.04 rpm 或 60°/0.16S。
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2.2驱动机构
液压驱动、气动驱动、电动驱动、机械驱动及新型驱动方式 液压驱动：具有大的抓举力；结构紧凑，传动平稳，动作 灵敏；要求密封性能好，温度适中，成本较高。 气压驱动：空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低 ；空气的可压缩性致使工作速度的稳定性差；抓举力小。 电气驱动：利用电动机产生的力或力矩，直接或经过减速 机构驱动机器人，以获得所需的位移、速度、加速度。现 在多用，无污染、易控制、运动精度高，成本低、驱动效 率高。 机械驱动：利用各种机械运动副完成直线和旋转运动。 新型驱动方式：静电驱动器、压电驱动器、光驱动器等。
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液压驱动
缺点： 1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高 温容易引起燃烧爆炸等危险；
2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度 和质量，故造价较高；
3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严 格的滤油装臵，否则会引起故障。
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气压驱动
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液压驱动
优点：
1)液压容易达到较高的压力(常用液压为2.5到6.3MPa)，体积 较小，可以获得较大的推力或转矩；
2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较 高的位臵精度；
3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；
4)液压系统采用油作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以 提高机械效率，使用寿命长。
与液压驱动相比，气压驱动的特点： 1)压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)； 2)利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力 设备； 3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于 高温作业； 4)气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低。
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气压驱动
缺点：
1)压缩空气常用压力为0.4~0.6MPa，若要获得较大 的力，其结构就要相对增大；
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工业机器人 各组成部分关系
控制系统 驱动系统 执行机构 操作对象
检测系统
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机器人的体系结构
六个系统：
A． 驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的 原动力。 B．机械结构系统：完成各种动作。 C．感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。 D．机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备 的联系和协调并构成功能单元。 E．人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单 元。 F．控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人 动作的中心。分为开环系统和闭环系统。
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驱动机构方式
２．旋转驱动机构
多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋 转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所 需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高 的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时 也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要 把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换 必须高效率的完成，并且不能有损于机器人系统所需 要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运 动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步带传动和 谐波齿轮等传动方式。
2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难， 要达到准确的位臵控制很困难； 3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理 不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外， 排气还会造成噪声污染。
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电动驱动
电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服 电动机和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需要加减速装臵，输出力矩 大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。 伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能 好，可实现速度和位臵的精确控制，适用于中小型机器人。 交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进 电动机则主要用于开换控制系统，一般用于速度和位臵精 度要求不高的场合。