机器人本体机械结构

操作机的主要技术指标(8/8)
（3）灵活度
灵活度是指操作机末端执行器在工作（如抓取物件） 时，所能采取的姿态的多少。 若能从各个方位抓取物体，则其灵活度最大；若只能 从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。
§2-3 传动机构 1．直线传动机构
（1）齿轮齿条装置（旋转平移）
如图所示：拖板是由导杆或导轨支撑的。 通常，齿条是固定不动的；当齿轮转动时，带动齿轮轴 连同拖板沿齿条方向作直线运动。这样，齿轮的旋转运 动就转换成为拖板的直线运动。和制动
（1）驱动方式的选用原则
液压传动和气压传动主要适用于工厂生产线上的大功率 机器人。在独立机器人设计制作中（特别是业余爱好制作 中），一般不使用液压和气压驱动，而使用电驱动。 在机器人业余制作中，从节约成本和减少驱动元件、传 动元件、提高传动效率和减少体积等方面综合考虑： 凡能使用旋转传动实现的，尽量不要使用直线传动； 必须使用直线传动的场合，一般可使用齿轮齿条副和滚珠 丝杠副； 旋转传动方式优先采用同步带； 使用范围受限而又需要大减速比的使用谐波齿轮传动。
传动机构(10/10)
（2）制动器
各关节处往往需要安装制动器，其作用是： 在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变。 在突发断电时，保持位置自锁，不会因自重和惯性等造成 对周围物体的人员伤害。 制动器松闸方法： 费电模式：制动器通常是按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。其缺点是在 工作期间 要不断花费电力使制动器放松。 省电模式：需要 各关节运动时，先接通主电源，松开制动 器，然后接通备用电源，驱动一个挡销将制动器锁在放松状 态；主电源失电时，备用电源反向接通移开档销以便自锁。 这样所需要的电力仅仅是把挡销放到位所花费的电力。
2．操作机的主要技术指标 （1）自由度
自由度是操作机独立 驱动的关节（不包括手 指），它是对机器人进 行运动和受力分析的原 始数据。 自由度数目是反映操 作机的通用性和适应性 的一项重要指标。自由 度越多则越通用，但也 越复杂，机器人自由度 大多为3-6个。
例：图中机器人共有L1、L2两个 平移自由度和φ1、φ2、φ3这三 个旋转自由度，共5个自由度。
操作机的主要技术指标(7/8)
（2）工作空间
即操作机的工作范围，是指机器人末端执行器安装点 所能达到的所有空间区域，但不包括末端执行器本身 所能达到的区域。 机器人所具有的自由度数目及各自由度的关节运动形 式（转动滑动等类型及方位）组合不同，则其运动图 形不同；而自由度的变化量(即直线运动距离和回转角 度的大小)则决定着运动图形的大小。 手部在空间的运动范围和位置基本上取决于臂部的自 由度，因此臂部的运动也称为机器人的主运动，它主 要确定手部的空间位置；腕部的自由度主要用来调整 手部在空间的姿态。 单关节机器人的工作范围很容易确定，多关节机器人 的工作范围则要借助于运动学分析来确定。
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（2）圆柱坐标型
优点： ①圆柱坐标型机器人可以绕中心轴旋转一个角，因此其工作 范围可以扩大，且计算简单； ②它的直线驱动部分如果采用液压驱动， 仍可以输出较大的动力； ③它能够伸入型腔式机器的内部。 缺点： ①手臂可以到达的空间受到限制，不能 到达靠近立柱或地面的空间； ②直线驱动部分仍难以密封、防尘及防 御腐蚀性物质； ③后缩手臂工作时，手臂后端仍会碰到 工作范围内的其他物体。
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2．机身和臂部设计应注意的问题 （1）刚度
根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。封闭形空 心截面结构作臂杆，不仅有利于提高刚度，而且空心内部还 可以布置驱动装置、传动机构及管线等，使结构紧凑、美观。 提高支承刚度和接触刚度。 合理布置作用力的位置和方向。例如，可设法使各作用力 引起的变形相互抵消。
例图 手臂的重力偏心：1—工件；2—手部； 3—腕部；4—臂部；5—立柱；6一臂架 G1—工件重量；G2—手部重量；G3—腕部重量； G4—臂部重量；G5—臂架重量；GH—总重
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（4）其他
传动系统应力求简短，以提高传动精度和效率。 各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动的测控元件等 布置要合理紧凑，操作维护要方便。 对于在特殊条件下工作的机器人，设计时应有针对性地采 取相应措施。例如，高温环境应考虑热辐射的影响；腐蚀性 介质环境应考虑防腐问题；粉尘环境应考虑防尘问题；危险 环境应考虑防爆问题等。
机器人的运动形式与主要技术指标(2/8)
（1）直角坐标型
优点： ①直角坐标型机器人在 X、Y、Z轴上的运动是独立的，其运 动方程可以独立处理，同时方程又是线性的，因此对这类机 器人进行计算机控制很简单； ②它可以两端支撑，因此对于给定的结构长度，其刚性最大； ③它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高 精度。 缺点： ①操作范围小； ②手臂收缩的同时，又向相反方向伸 出，不仅妨碍工作，而且占地面积大； ③运动速度低； ④密封性不好。
压力油从液压缸的一端进入，把活塞推向液压缸的另一 端，调节液压和油量即可控制活塞的运动。 优点： 常用油压为2.5~6.3MPa，体积小、推力或转矩大； 液压油可压缩性小，工作平稳； 油液有防锈和自润滑性，可提高机械效率和寿命； 力、速度和方向较易实现自动控制。 缺点： 油液粘度随温度变化，影响工作性能，高温易燃易爆； 因泄漏难于克服，要求液压元件高精度，故造价较高； 需要供油系统、需要严格的滤油装置否则易故障； 适用： 生产线固定式大功率机器人；对于单独的机器人机构， 今后的发展将以电动驱动为主要方向。
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优点： 在小空间内实现了大的减速比（是刚性内齿轮做 不 到 的 ） ， 高 达 50~500 ； 且 传 动 效 率 高 达 69% ～ 96% 。 且可承受较大的负载力矩。 传力柔性。 缺点： 柔性齿轮扭转变形比刚性齿轮大。 适用： 减速比要求大，但工作空间有限、 不允许安装齿轮链或同步带传动的 场合。 目前，机器人的旋转关节有60% 一70%都使用谐波齿轮。
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（3）谐波齿轮
谐波齿轮传动机构由刚性齿轮、谐波 发生器和柔性齿轮三个主要零件组成。 刚性齿轮固定安装，柔性齿轮沿刚性 齿轮的内齿转动。柔性齿轮比刚性齿 轮少两个齿，所以柔性齿轮沿刚性齿 轮每转一圈就反方向转过两个齿的相 应转角。谐波发生器具有椭圆形轮廓， 装在谐波发生器上的滚珠用于支承柔 性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋 转并使之发生塑性变形。转动时，柔 性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚 性齿轮啮合，只有这样，柔性齿轮才 能相对于刚性齿轮自由地转过一定的 角度。
机器人的运动形式与主要技术指标(5/8)
（4）多关节型
优点： ①多关节机器人可以实现多方 向的自由运动，动作较灵活， 工作空间大； ②关节驱动处容易密封，工作 条件要求较低，可在水下等环 境工作； ③适合用电机驱动。 缺点： ①运动学、动力学计算量大； ②不适于用液压驱动等缺点。
操作机的主要技术指标(6/8)
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2．旋转传动机构 （1）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。 假设齿轮工作时没有能量损失，齿轮的转动惯量和摩擦力略 去不计。根据力矩平衡原理和传动比，可以得到输入齿轮和 输出齿轮之间的转角、角速度、力矩等若干关系式；以及在 与驱动电机相连的输入轴上，系统总的等效转动惯量。 优点： 基于杠杆原理可以获得大的变速比和大的 力矩比。 缺点： 齿轮链的引入会增加系统的等效转动惯量， 从而使驱动电机的响应时间变长； 齿轮间隙误差累积会导致机器人手臂定位 误差增加。
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（2）丝杠传动（旋转平移）
普通丝杠传动是由一个旋转的精 密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向 移动。滑动摩擦力大、低速时易 产生爬行现象、且回差大。 通过在丝杠螺母的螺旋槽里放置 了许多滚珠，演变成滚珠丝杠。 滚动摩擦小、运动平稳、双螺母 预紧去回差。
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（3）液压传动（直接平移）
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（3）极坐标型
又称为球坐标型，极坐标型 机器人与圆柱坐标型机器人一样， 可以绕中心轴旋转。 优点： ①在中心支架附近的工作范围大， 覆盖工作空间较大； ②两个转动驱动装置容易密封； 缺点： ①坐标系复杂，较难控制； ②其直线驱动装置仍存在密封及 工作死区问题。
§2-2 机器人的运动形式与主要技术指标 1．机器人的坐标形式
（1）直角坐标型（PPP型) （2）圆柱坐标型（PPR型） （3）球坐标型（RRP型） （4）多关节型 (RRR型） 机器人设计第一步： 根据末端操作机对工件的操作要求，确定合理的 运动形式并建立相应坐标系统，是机器人总体设计的 第一步。 该步骤为分析机器人的具体尺寸参数、运动学分 析和动力学分析等建立数学模型的分析框架。
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（4）气压传动（直接平移）
与液压传动相比，气压传动的特点是： 优点： 压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)； 利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备； 空气介质对环境无污染，使用安全，可应用于高温作业； 气动元件压力低，故制造要求也比液压元件低。 缺点： 压力为0.4-0.6MPa，出力小； 空气压缩性大，工作平稳性差，速度和位置控制都困难； 压缩空气中的水分会使钢类零件生锈，需要定期水气混排； 排气会造成噪声污染。 适用： 生产线固定式小功率机器人。
（2）精度
尽量消除累计误差：要考虑各关节件的制造和装配精度、 手部或腕部在臂上的定位和连接方式及臂部和机身运动的导 向装置和定位方式等。
机身和臂部机构(3/4)
（3）平稳性
在满足刚度条件下通过使用轻质材料和平衡重心，减少惯 性力、避免运动失稳。 如图，由于臂部总重心 GH 与机身立柱转轴不重 合，偏心距为 L ，因此在 立柱和导套间将作用一附 加 力 矩 GH· L，使立柱和 导套变形，对臂的转动和 升降运动均产生影响。惯 性动载荷方向在臂部转动 中是不断变化的，当转速 较高和速度变化剧烈时， 将有较大的冲击和振动。