第5章 机器人本体结构

1—吸盘架；2—压盖；3—密封垫；4—吸盘；5—工件
工作原理
4．真空吸盘的新设计
自适应吸盘
异形吸盘
2）轴承
2．移动关节 (1) 按滚动体分类——球、圆柱滚子和滚针。 (2) 按轨道分类——圆轴式、平面式和滚道式。 (3) 按滚动体是否循环分类——循环式、非循环式。 二、机器人传动机构 1．齿轮传动 常用行星齿轮传动机构和谐波传动机构。 最优传动比。
本体基本结构要求： 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 于系统的稳定。
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。
(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
2．回转与俯仰机身
回转与俯仰机身
二、机身驱动力(力矩)计算
1.垂直升降运动驱动力 P 的计算 q 摩擦力/总重力/惯性力:
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)；
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。
三、手爪设计和选用的要求 1.被抓握的对象物 1) 几何参数 (1) 工件尺寸。(2) 可能给予抓握表面的数目。(3) 可 能给予抓握表面的位置和方向。 (4) 夹持表面之间的距 离。(5) 夹持表面的几何形状。 2) 机械特性 (1) 质量。(2) 材料。(3) 固有稳定性。(4) 表面质量和 品质。(5) 表面状态。(6) 工件温度。 2.物料馈送器或储存装置 3.机器人作业顺序 4.手爪和机器人匹配 5.环境条件
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。
W 为运动部件的总重力(N) 。
2.回转运动驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
M m 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
3.升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算
Gi Li L Gi
h 2 fL
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。
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
四导向柱式臂部伸缩机构 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
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
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。
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。
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。
二、机器人本体基本结构的举例 腕部
大臂 姿 态 机 构
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
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1—回转油缸；2—定片； 3—腕回转轴；4—动片；5—手腕
2.齿轮传动二自由度腕部
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
具有回转与摆动的二自由度腕部结构
1—手腕；2—中心轴；3—固定中心轴；4—定片；5—摆动回转 油缸；6—动片；7—回转轴；8—回转油缸
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
m3O3G3 SV m
m2O2G2 m3O3G3 O2V m
则总力矩：
M 0
二、弹簧平衡方法
M 0 Fr1 sin
r2 sin(90 ) r2 cos sin l l

F k (l l0 )
5.3.2 机器人手部结构的基本形式和特点 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。
二、手部的分类 1．按用途分 1) 手爪 2) 工具
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。
谐波传动 如果刚轮(圆形花键轮)1不转动
Z 7 Z 2 i31 Z2
如果柔轮6静止
Z7 i35 Z 2 Z 7
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
谐波传动的优点： ①尺寸小→惯量低； ②误差均布在多个啮合点上→传动精度高； ③加预载啮合→传动侧隙非常小； ④多齿啮合→传动具有高阻尼特性。 谐波传动的缺点： ①柔轮的疲劳问题； ②扭转刚度低； ③以2、4、6倍输入轴速度的啮合频率产生振动； ④谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和 较轻的重量，但是刚度比行星减速器差
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。 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 。
二、无固定轨迹式行走机器人
1．对行走机器人的一般要求 1）移动
2）自行重新定位（可用计算机视觉系统定位) 3）自身要平衡
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。
柔性齿轮消隙
5.4.2 机器人行走机构结构的基本形式和特点 行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱 动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电 缆及管路等组成。
行走机构可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。 一、固定轨迹可移动机器人
丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。 也可采用类似起重机梁行走方式：主要用在作业区 域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓库中的 材料搬运、材料堆垛和储运及大面积喷涂等。
滚转和弯转 滚转：能实现360°无障碍旋转的关节运动，通常用R 来标记。 弯转：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。
6种三自由度手腕的结合方式示意图
二、RRR型手腕 1. RRR型手腕结构示意 制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。
液压静压谐波发生器的谐波传动
1—凸轮；2—柔轮；3—小孔
2．丝杠传动
滚珠丝杠的基本组成 1—丝杠；2—螺母；3—滚珠；4—导向槽
丝杠螺母传动的手臂升降机构
1—电动机； 2—蜗杆； 3—臂架； 4—丝杠； 5—蜗轮； 6—箱体； 7—花键套
3．带传动与链传动 4．绳传动与钢带传动
ADEPT机器人
油缸和齿轮齿条手臂机构
气缸和齿轮齿条增倍手臂机构
1—运动齿条；2—齿轮；3—活塞杆
三、传动件的定位和消隙
1．传动件的定位 1) 电气开关定位 2) 机械挡块定位 3) 伺服定位
利用机械插销定位的结构 1—节流阀；2—圆盘；3—插销；4—定位油缸；
2．传动件的消隙
消隙齿轮
1、2—薄齿轮；3—螺钉
四、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
气流负压吸盘
挤气负压吸盘
末杆+ 手部
大臂
腰部
机座 上述操作机的分类是按位置机构的结构形式分的。
位 置 机 构
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
1个腰关节
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。
in J a / J m
Ja为工作臂的惯性矩； Jm 为电动机的惯性矩。
行星齿轮传动
谐波传动 如果刚轮(圆形花键轮)1不转动
Z 7 Z 2 i31 Z2
如果柔轮6静止
Z7 i35 Z 2 Z 7
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
k (l l0 )r1r2 M0 cos l
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。
5.3 腕部及手部结构
5．连杆与凸轮传动
重复完成简单动作的搬运机器人中广泛采用连杆与凸轮 机构，例如，从某位置抓取物体放在另一位置上的作业。
凸轮机构
连杆机构
6．流体传动
液压传动由液压泵、液压马达或液压缸组成，可得 到高扭矩-惯性比。 气压传动比其他传动运动精度差，但由于容易达到 高速，多数用在完成简易作业的搬运机器人上。 液压、气压传动中，模块化和小型化的机构较易得 到应用。
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。
3．三自由度手腕
1) 液压直接驱动Hale Waihona Puke Baidu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T；7—传动轴S；8—腕架；9—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； 21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B