(完整版)第2章工业机器人的机械结构
工业机器人的机械结构
其它行走机器人
其它行走机器人
可以普通行走； 在管内把脚向上方伸，用管端面上的三个点支撑移动； 骑在管子上沿轴向或圆周移动；
第七节 机器人机械设计的基 本要求及影响因素
提高机器人性能指标的基本要求
机构定位精度和重复精度的影响因素
提高机器人性能指标的基本要求
保证工作循环的要求
足式行走机构
足式行走机构有很大的适应性； 尤其适于在有障碍物的通道行走；
对行走机器人的一般要求
首先机器人能够面对一个物体自行重新定位； 行走机器人应能够绕过其运行轨道上的障碍物；
计算机视觉系统是提供上述能力的方法之一 能够支持机器人的重量并具有保持稳定的能力；
增加机器人移动机构的重量和刚性√ 进行实时计算和施加所需平衡力 灵活性
车轮式行走机器人
（（e）a）一（个b驱）动两系个统驱和动两轮个和转两向个轮自位轮 （（f）c全）部一轮个都驱装动有系转统向和机转构向轮
车轮式行走机器人
四个轮子全装有转向机 如果机构器，人任本何体向方前向倾都倒能行走、 时，车拐轮弯的；接地点变得比 行重走心时更行车靠轮走前旋和，转转所；以弯能是够相稳互独立 上定下站台立的阶时；臂回转；
工业机器人的机械结构
手部机构 机器人的行走能力 机器人机械设计的基本要求及影响因素
第五节 手部(末端执行器)机构
抓紧和握紧（吸附）工件或夹持专用工具
（如喷枪、扳手、焊枪）进行操作的部件，模 仿人手，装在手臂前端。
（1）夹钳式取料手
（2）吸附式取料手
（3）专用操作器及转换器 （4）仿生多指灵巧手
(二)手部的传动机构
向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动 作。
根据手指开合的动作特点分为：回转型传动机 构和移动型传动机构。
第二章机器人的结构
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带谐波减速器的机器人手臂关节结构 1－臂座 2、11－法兰盘 3、12轴承 4－驱动电动机 5-柔轮 6－从动刚轮 7－波发生器 8－套筒
9－电磁制动器 10－驱动轴 13－手臂壳体
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• 图9-23所示为机器人手臂回转驱动装置的结构， 该装置直接安装在臂座1的支承法兰盘2和11上。 驱动电动机4的输出轴用键与驱动轴10相联；轴 10与套筒8用键联接，并一同转动。波发生器7与 套筒8用法兰盘刚性联接，套筒8通过键与固定在 支承法兰盘11上的电磁制动器9相联接。不动的柔 轮5通过支承法兰盘2固定在臂座上。带内齿圈的 从动刚轮6与手臂壳体13相固联。因此手臂壳体 与刚轮一起在轴承3和12上转动。这种伺服电动
重复性（Repeatability）或重复精度： o
o
在相同的位置指令下，机器人连续重
复若干次其位置的分散情况。它是衡
量一列误差值的密集程度，即重复度。
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工作空间（Working space）：机器人 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。
角度由其接触位置决定。夹持器的夹持动作，则 油经油路2进入的压力油驱动单作用液压缸的活塞 1来完成。腕部回转运动的位置控制可采用机械挡
块定位，用位置检测器检测。这种结构紧凑、体 积小，但最大回转角度小于360°，这种结构只 能实现一个腕部自由度。
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两自由度机械传动手腕 1、2、3、12、13－轴承 4、5－链轮 6、7－链条 8－手腕壳体
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工业机器人的机械结构
重复精度
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
TBRU 分辨率
分辨率、精度、重复精度的关系
第二节 机身和臂部机构
一、机身和臂部的作用
机身
臂部
起连接、支承和传 动的作用 既可以是固定式的， 也可以是行走式的
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。
（4.）屈伸式
屈伸式机器人的臂部可以有大小臂组成，大小臂间有相对 运动，成为屈伸臂。
五、机身和臂部设计应注意的问题
＃刚度
根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 ※采用封闭型空心截面的结构作为臂杆 ※适当减小壁厚，加大轮廓尺寸 提高支承刚度和接触刚度 ※支座的结构形状、底板的连接形式 ※提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工
手腕按自由度个数可分单自由度手腕，二自由度手腕 和三自由度手腕．采用几个自由度的手腕应根据机器 人的工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有二个 自由度：回转和俯仰或回转和偏转。一些专用机械手 甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移 动的自由度。 结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。
第二章_机器人的机械结构分析
关节型搬运机器人
关节型焊接机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
5、平面关节型 (Selective Compliance Assembly Robot Arm ，简称SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。运动灵活 性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装 配作业。
SCARA型装配机器人
有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低。
极坐标型机器人模型
2018/11/2
Unimate
机器人
第二章
机ห้องสมุดไป่ตู้人的机械结构
机器人的构型
4、关节坐标型 (3R) 对作业的适应性好，工作空间大，工作灵活，结构紧凑， 通用性强，但坐标计算和控制较复杂，难以达到高精度。
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关节型机器人模型
2、圆柱坐标型 (R2P)
结构简单紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，控制也较 简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，但转动 惯量较大，定位精度相对较低。
圆柱坐标型机器人模型
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Verstran 机器人
Verstran 机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)
• 电动式
电源方便，响应快，驱动力较大，可以采用多种灵活的控制方案。
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第二章
机器人的机械结构
二、机器人的分类
1.按机器人的控制方式分类 （1）非伺服机器人 非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器 人的运动。 （2）伺服控制机器人 通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信 号比较后，得到误差信号，经放大后用以激发机器人 的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动， 到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。
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。
工业机器人技术基础 第2章 工业机器人的机械结构
和腕部相连处可拆卸
一个机器人有多个末端 执行器装置或工具
通用性较差
一种工具往往只能执行 一种作业任务
形态各异
是一个独立的部件
可以具有手指或无手指 可以有手爪或作业工具
手部是工业机器人机械系统 的三大部件之一
工业机器人末端执行器的特点
由于工业机器人所能完成的工作非常广泛，末端执行器很难做到标 准化，因此在实际应用当中，末端执行器一般都是根据其实际要完成的 工作进行定制。常用的有以下几种分类：
3、传动机构
驱动源的驱动力通过传动机 构驱动手指开合并产生夹紧力。 按其手指夹持工件时运动方式 的不同，可分为回转型和平移 型传动机构。
（1） 回转型
（2） 平移型
（1）回转型传动机构
夹钳式末端执行器中用得最多的 是回转型传动机构
其手指就是一对杠杆，一般再 与斜楔、滑槽、连杆、齿轮、 蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复 合式杠杆传动机构，用以改变 传动比和运动方向等
与夹钳式末端执行器 相比，结构简单，重 量轻、吸附力分布均 匀，对于薄片状物体 的搬运更具有优越性
适用场合
广泛应用于非金属材 料或不可剩磁的材料 的吸附，但要求物体 表面较平整光滑、无 孔、无凹槽
1、气吸附式末端执行器
气吸附式末端执行器由吸盘、吸盘架和气路组成，气吸附式末端执 行器按形成压力差的方法分类，可分为真空吸附、气流负压吸附、挤压 排气负气压吸附等。
内撑式
外夹式
移动式 回转式
二手指 多手指
2、驱动装置
驱动装置是向传动机构提 供动力的装置。通常采用气动、 液动、电动和电磁来驱动。如 图所示，为气压驱动的夹钳式 末端执行器，气缸4中的压缩 空气推动活塞5，使齿条1做 往复运动，经扇形齿轮2带动 平行四边形机构，使手指3平 行地快速张合。
(完整)工业机器人技术及应用(教案)2-工业机器人的机械结构和运动控制
第二章工业机器人的机械结构和运动控制章节目录2。
1 工业机器人的系统组成2。
1。
1 操作机2。
1。
2 控制器2。
1.3 示教器2。
2 工业机器人的技术指标学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习2.3 工业机器人的运动控制2.3.1 机器人运动学问题2。
3。
2 机器人的点位运动…2。
3.3 机器人的位置控制课前回顾何为工业机器人？工业机器人具有几个显著特点,分别是什么？工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。
学习目标认知目标*熟悉工业机器人的常见技术指标*掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能＊了解工业机器人的运动控制能力目标＊能够正确识别工业机器人的基本组成*能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动导入案例国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈众所周知,中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。
虽然中国机器人产业经过 30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口.整个机器人产业链主要分为上游核心零部件(主要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑")、中游机器人本体（机器人的“身体”)和下游系统集成商（国内 95% 的企业都集中在这个环节上）三个层面.课堂认知2.1 工业机器人的系统组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。
对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统,它们分别由传感器及软件实现。
工业机器人系统组成2。
1.1 操作机操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。
它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成.关节型机器人操作机基本构造机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。
(1）机械臂关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。
机器人的机械结构ppt课件
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图为采用四根导向柱的臂伸缩结构．手臂的垂直伸缩 运动由油缸3驱动．其特点是行程长，抓重大．工件形 状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，采用四根 导向柱．这种结构多用于箱体加工线上．
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三、机器人机身和臂部的配置形式（4种）
1. 横梁式 ① 单臂悬挂式 ② 双臂悬挂式 ③ 多臂悬挂 ④ 多用于自动化生产中，在工位间传送工 件
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18
圆柱坐标机器人： 1个回转运动，2个直线运动
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19
球坐标（极坐标）机器人： 2个转动， 1个直线运动
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关节坐标机器人：3个转动自由度
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21
SCARA机器人：2个旋转运动， 1个直线运动
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22
机器人 关节1 关节2 关节3 转动关节数
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按照应用领域
工业机器人、农业机器人、军事机器人、 医用机器人、空间机器人、水下机器人
按照驱动方式
•液压驱动：机构紧凑、力大、运行平稳，密封
要求高
•气压驱动：结构简单造价低，负荷能力小
•电动驱动：结构简单紧凑，控制灵活
•新型：记忆合金、人工肌肉、压电
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5
按控制方式分类(4种)
5、控制方式：机器人用于轴的控制方式，
伺服/非伺服,PTP/CP
6、驱动方式：关节执行器的动力源形式
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7、精度、重复精度、分辨率：用来定义机 器人手部的定位能力。
▪ 分辨率 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 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器 人驱动器的分辨率及反馈装置有关。
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
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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
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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
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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。
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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。
第2章工业机器人的机械结构
第三十七页，共67页。
2.4 工业机器人手部结构
平面平行移动机构
第三十八页，共67页。
2.4 工业机器人手部结构
三、工业机器人的夹持式手部
2．钩托式手部
它的主要特征是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、托、捧等动作 来托持工件。
钩托式手部
a)无驱动装置 b)有驱动装置 1-齿条 2-齿轮 3-手指 4-销子 5-液压缸 6、7-杠杆手指
第二十六页，共67页。
2.4 工业机器人手部结构
二、工业机器人手部的分类 1．按用途分类
（1）手爪 手爪具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件—握持工件—释放工件。 （2）专用操作器
专用操作器也称作工具， 是进行某种作业的专用工 具，如机器人涂装用喷枪、 机器人焊接用焊枪等。
第二十七页，共67页。
一、工业机器人手部的特点
1．手部与手腕相连处可拆卸 根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，
因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。
2．手部是机器人末端操作器 可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的 喷枪、焊枪等。
第二十五页，共67页。
臂转：指腕部绕小臂轴线方向的旋转，也称作腕部旋转；
腕摆：指手部绕垂直小臂轴线方向进行旋转，腕摆分为俯仰和偏转，其中同 时具有俯仰和偏转运动的称作双腕摆；
手转：指手部绕自身的轴线方向旋转。
第十六页，共67页。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部的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，常用的腕部组合
第十三页，共67页。
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 2．臂部俯仰机构
工业机器人技术-工业机器人机械结构ppt课件
☞ 见P61、图3.3-10
电机
减速器 上臂
下臂
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
❖ 大型机器人结构1
☞ S轴采用同步皮带传动、手腕电机后置（后驱）
目的：
✓ 减小S轴电机； ✓ 平衡上臂重力； ✓ 提高结构稳定性。
☞ 见P43、图3.1-11, P45、图3.1-13
B/T电机位置 上臂回转
B/T电机位置
腕部回转
前驱
后驱
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
前驱特点 ✓ 结构简单、外形紧凑； ✓ 传动链短、传动精度高； ✓ 电机规格受限，承载能力低，适合小型机器人； ✓ 电机安装空间小、散热差，维修困难； ✓ 上臂前端重量大、重心远，结构稳定性差。
减速器
手腕电机
S轴电机 同步皮带
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
❖ 大型机器人结构2
☞ S轴采用同步皮带传动、上臂连杆驱动
目的：
✓ 减小S、U轴电机； ✓ 降低机器人重心； ✓ 提高结构稳定性。
❖ 典型结构剖析1（前驱）
R轴
☞ 见P64、图3.3-14
连接轴
减速器
电机
上臂回转段 上臂固定段
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
工业机器人的机械结构
第二章工业机器人的机械结构工业机器人操作机由机身(机座㊁立柱)㊁手臂㊁手腕和手部等部分组成,如图2-1所示㊂图2-1工业机器人操作机一般用运动自由度来表示工业机器人动作的灵活程度,也就是确定操作机位置时所需要的独立运动参数的数目㊂对于只进行二维平面作业的工业机器人只需要三个自由度,若要使操作具有随意的空间位置与姿态,工业机器人至少需要六个自由度㊂而对于回避障碍作业的工业机器人则需要有比六个自由度更多的冗余自由度㊂工业机器人常采用回转副或移动副来实现各个自由度㊂第一节工业机器人的手臂与手腕一、工业机器人的手臂手臂是操作机中的主要运动部件,它用来支承手腕和手部,并用来调整手部在空间的位置㊂手臂一般有三个自由度,即手臂的伸缩㊁回转和升降(或俯仰)运动㊂手臂的直线运动可通过液压缸或汽缸驱动来实现,也可以通过齿轮齿条㊁滚珠丝杠㊁直线电动机等来实现㊂回转运动的实现方法很多,例如蜗轮蜗杆式㊁齿轮齿条式㊁链轮链条式,以及谐波齿轮传动装置等㊂手臂不仅承受被抓取工件的重量,还承受末端执行器㊁手腕和手臂自身重量㊂图2-2所示为P UMA 型工业机器人的手臂传动机构㊂其大㊁小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结构,各运动都采用齿轮传动㊂驱动大臂的传动机构如图2-2(a )所示,大臂1的驱动电动机7安置在臂的后端,兼起配重平衡作用,运动经电动机轴上的小锥齿轮6㊁大锥齿轮5和一对圆柱齿轮2㊁3驱动大臂轴转动㊂驱动小臂17的传动机构如图2-2(b )所示,驱动装置安装于大臂10的框形臂架,驱动电动机11也置于大臂后端,经驱动轴12,锥齿轮9㊁8,圆柱齿轮14㊁15,驱动小臂轴转动㊂回转机座的回转运动则由伺服电动机24经齿轮23㊁22㊁21和19驱动,如图2-2(c )所示㊂图中偏心套4㊁13㊁16及20用来调整齿轮传动间隙㊂图2-2 P UMA 机器人手臂传动机构11第二章 工业机器人的机械结构二㊁工业机器人的手腕1.腕部的作用工业机器人手腕是手臂和手部的连接部件,起支承手部和改变手部姿态的作用㊂机器人一般具有六个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态,手腕上的自由度主要实现所期望的姿态㊂2.手腕的自由度为了使手部能处于空间任意方向,要求腕部能实现对空间三个坐标轴X ㊁Y ㊁Z 的转动,即具有翻转㊁俯仰和偏转三个自由度,如图2-3所示㊂通常把手腕的翻转称为R o l l ,用R 表示;把手腕的俯仰称为P i t c h ,用P 表示;把手腕的偏转称为Y a w ,用Y 表示㊂图2-3(d )所示手腕即可实现R P Y 运动㊂图2-3 工业机器人手腕的自由度手腕按自由度数目可分为单自由度手腕㊁二自由度手腕和三自由度手腕等㊂(1)单自由度手腕单自由度手腕如图2-4所示㊂其中,图2-4(a )所示为一种回转(r o l l )关节,它使手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式,这种R 关节旋转角度大,可达360ʎ以上;图2-4(b )㊁图2-4(c )所示为一种弯曲(b e n d )关节,也称B 关节,关节轴线与前㊁后两个连接件的轴线相垂直㊂这种B 关节因为受到结构上的干涉,旋转角度小,方向角大大受限㊂图2-4(d )所示为移动(t r a n s l a t e )关节,也称T 关节㊂图2-4 单自由度手腕(2)二自由度手腕二自由度手腕如图2-5所示㊂二自由度手腕可以是由一个R 关节和一个B 关节组成的21工业机器人应用与编程技术B R 手腕[图2-5(a )],也可以是由两个B 关节组成的B B 手腕[图2-5(b )]㊂但是不能由两个R R 关节组成R R 手腕,因为两个R 关节共轴线,所以退化了一个自由度,实际只构成单自由度手腕[图2-5(c )]㊂二自由度手腕中最常用的是B R 手腕㊂图2-5 二自由度手腕(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B B R ㊁R R R ㊁B R R 和R B R 四种,如图2-6所示㊂P UMA262机器人的手腕采用的是R R R 结构形式,安川H P 20机器人的手腕采用的是R B R 结构形式(图2-7)㊂图2-6三自由度手腕图2-7 安川H P 20工业机器人腕部结构形式(R B R )31第二章 工业机器人的机械结构第二节工业机器人的手部工业机器人的手部也称末端执行器,它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件㊂对于整个工业机器人来说手部是完成作业好坏㊁作业柔性优劣的关键部件之一㊂工业机器人的手部可以像人手那样具有手指,也可以是不具备手指的手;可以是类人的手爪,也可以是进行专业作业的工具,例如装在机器人手腕上的喷漆枪㊁焊接工具等㊂一㊁机械手爪1.手爪的驱动机械手爪的作用是抓住工件㊁握持工件和释放工件㊂通常采用气动㊁液动㊁电动和电磁来驱动手指的开合,气动手爪目前得到广泛的应用,主要由于气动手爪具有结构简单㊁1 扇形齿轮;2 齿条;3 活塞;4 汽缸;5 爪钳图2-8气压驱动的手爪成本低㊁容易维修,而且开合迅速,质量轻,其缺点在于空气介质的可压缩性,使爪钳位置控制比较复杂㊂液压驱动手爪成本要高些㊂电动手爪的优点在于手指开合电机的控制与机器人控制共用一个系统,但是夹紧力比气动手爪㊁液压手爪小,相比而言开合时间要稍长㊂如图2-8所示为一种气动手爪,汽缸4中压缩空气推动活塞3使连杆齿条2做往复运动,经扇形齿轮1带动平行四边形机构,使爪钳5平行地快速开合㊂2.手爪的传动机构驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力㊂对于传动机构有运动要求和夹紧力要求㊂如图2-8及图2-9(a)所示的平行连杆式手爪和齿轮齿条式手爪可保持爪钳平行运动,夹持宽度变化大㊂对夹紧力要求是爪钳开合度不同时夹紧力能保持不变㊂3.爪钳爪钳是与工件直接接触的部分㊂它们的形状和材料对夹紧力有很大影响㊂夹紧工件的接触点越多,所要求的夹紧力越小,对夹持工件来说更显得安全㊂图2-10所示是具有V 形爪钳表面的手爪,有四条折线与工件相接触,形成力封闭形式的夹持状态㊂二㊁磁力吸盘磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种㊂磁力吸盘是在手部装上电磁铁,通过磁场吸力把工件吸住㊂图2-11为电磁吸盘的结构示意图㊂线圈通电后产生磁性吸力将工件吸住, 41工业机器人应用与编程技术图2-9四种手爪传动机构断电后磁吸力消失将工件松开㊂若采用永久磁铁作为吸盘,则必须是强迫性取下工件㊂电磁吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件,吸不住有色金属和非金属材料的工件㊂磁力吸盘的缺点是被吸取工件有剩磁,吸盘上常会吸附一些铁屑,致使不能可靠地吸住工件㊂对于不准有剩磁的场合,不能选用磁力吸盘,可用真空吸盘,例如钟表及仪表零件㊂另外高温条件下不宜使用磁力吸盘,主要在于钢㊁铁等磁性物质在723ħ以上时磁性会消失㊂图2-10 V形爪钳1 磁盘;2 防尘盖;3 线圈;4 外壳体图2-11电磁吸盘结构51第二章工业机器人的机械结构三㊁真空式吸盘真空式吸盘主要用在搬运体积大㊁质量轻的如冰箱壳体㊁汽车壳体等零件;也广泛用在需要小心搬运的物件如显像管㊁平板玻璃等㊂真空式吸盘对工件表面要求平整光滑㊁干燥清洁㊁能气密㊂根据真空产生的原理,可分为三种㊂1.真空吸盘图2-12所示为产生负压的真空吸盘控制系统㊂采用真空泵能保证吸盘内持续产生负压㊂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㊂2.气流负压吸盘气流负压吸盘的工作原理如图2-13所示㊂压缩空气进入喷嘴后,利用伯努利效应使橡胶皮碗内产生负压㊂在工厂一般都有空压机或空压站,空压机气源比较容易解决,不用专为机器人配置真空泵,因此气流负压吸盘在工厂使用方便㊂1 电机;2 真空泵;3㊁4 电磁阀;5 吸盘;6 通大气图2-12真空吸盘控制系统图2-13气流负压吸盘1 吸盘架;2 压盖;3 密封垫;4 吸盘;5 工件图2-14挤气负压吸盘3.挤气负压吸盘挤气负压吸盘结构如图2-14所示㊂当吸盘压向工件表面时,将吸盘内空气挤出;松开时,去除压力,吸盘恢复弹性变形使吸盘内腔形成负压,将工件牢牢吸住,机械手即可进行工件搬运;到达目标位置后,可用碰撞力或用电磁力使压盖2动作,使空气进入吸盘腔内,释放工件㊂这种挤气负压吸盘不需要真空泵也不需要压缩空气气源,比较经济方便,但是可靠性比真空吸盘和气流负压吸盘差㊂61工业机器人应用与编程技术第三节 工业机器人的传动机构工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动,从而实现机身㊁手臂和手腕的运动㊂因此,传动部件是构成工业机器人的重要部件㊂根据传动类型的不同,传动部件可以分为两大类:直线传动机构和旋转传动机构㊂一㊁直线传动机构工业机器人常用的直线传动机构可以直接由汽缸或液压缸和活塞产生,也可以采用齿轮齿条㊁滚珠丝杠螺母等传动元件由旋转运动转换得到㊂1.移动关节导轨在运动过程中移动关节导轨可以起到保证位置精度和导向的作用㊂移动关节导轨有五种:普通滑动导轨㊁液压动压滑动导轨㊁液压静压滑动导轨㊁气浮导轨和滚动导轨㊂前两种导轨具有结构简单㊁成本低的优点,但是它必须留有间隙以便润滑,而机器人载荷的大小和方向变化很快,间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化;另外,这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化,在低速时容易产生爬行现象等缺点㊂第三种静压导轨结构能产生预载荷,能完全消除间隙,具有高刚度㊁低摩擦㊁高阻尼等优点,但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构㊂第四种气浮导轨的缺点是刚度和阻尼较低㊂目前第五种滚动导轨在工业机器人中应用最为广泛,如图2-15所示为包容式滚动导轨的结构,用支承座支承,可以方便地与任何平面相连,此时套筒必须是开式的,嵌入在滑枕中,既增强刚度也方便了与其他元件的连接㊂2.齿轮齿条装置齿轮齿条装置中(图2-16),如果齿条固定不动,当齿轮转动时,齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动㊂这样,齿轮的旋转运动就转换成拖板的直线运动㊂拖板是由导杆或导轨支承的,该装置的回差较大㊂图2-15 滚动导轨1 拖板;2 导向杆;3 齿轮;4 齿条图2-16 齿轮齿条式增倍机构的手臂结构71第二章 工业机器人的机械结构3.滚珠丝杠与螺母在工业机器人中经常采用滚珠丝杠,这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快㊂由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力,摩擦力较小,因此传动效率高,同时可消除低速运动时的爬行现象;在装配时施加一定的预紧力,可消除回差㊂如图2-17所示滚珠丝杠螺母里的滚珠经过研磨的导槽循环往复传递运动与动力㊂滚珠丝杠的传动效率可以达到90%㊂图2-17 滚珠丝杠螺母副4.液(气)压缸液(气)压缸是将液压泵(空压机)输出的压力能转换为机械能㊁做直线往复运动的执行元件,使用液(气)压缸可以容易地实现直线运动㊂液(气)压缸主要由缸筒㊁缸盖㊁活塞㊁活塞杆和密封装置等部件构成,活塞和缸筒采用精密滑动配合,压力油(压缩空气)从液(气)压缸的一端进入,把活塞推向液(气)压缸的另一端,从而实现直线运动㊂通过调节进入液(气)压缸液压油(压缩空气)的流动方向和流量可以控制液(气)压缸的运动方向和速度㊂二㊁旋转传动机构一般电动机都能够直接产生旋转运动,但其输出力矩比所要求的力矩小,转速比要求的转速高,因此需要采用齿轮㊁皮带传送装置或其他运动传动机构,把较高的转速转换成较低的转速,并获得较大的力矩㊂运动的传递和转换必须高效率地完成㊂并且不能有损于机器人系统所需要的特性,包括定位精度㊁重复定位精度和可靠性等㊂通过下列传动机构可以实现运动的传递和转换㊂81工业机器人应用与编程技术1.齿轮副齿轮副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,如图2-18所示,一个齿轮装在输入轴上,另一个齿轮装在输出轴上,可以得到齿轮的齿数与其转速成反比[式(2-1)],输出力矩与输入力矩之比等于输出齿数与输入齿数之比[式(2-2)]㊂z i z o =n o n i (2-1)T o T i =z o z i(2-2)2.同步带传动装置在工业机器人中同步带传动主要用来传递平行轴间的运动㊂同步传送带和带轮的接触面都制成相应的齿形,靠啮合传递功率,其传动原理如图2-19所示㊂齿的节距用包络带轮时的圆节距t 表示㊂图2-18 齿轮传动副图2-19 同步带传动原理同步带的计算公式为i =n 2n 1=z 1z 2(2-3)式中:n 1为主动轮转速(r /m i n );n 2为被动轮转速(r /m i n );z 1为主动轮齿数;z 2为被动轮齿数㊂同步带传动的优点:传动时无滑动,传动比准确,传动平稳;速比范围大;初始拉力小;轴与轴承不易过载㊂但是,这种传动机构的制造及安装要求严格,对带的材料要求也较高,因而成本较高㊂同步带传动适合于电动机和高减速比减速器之间的传动㊂3.谐波齿轮目前工业机器人的旋转关节有60%~70%都使用谐波齿轮传动㊂谐波齿轮传动由刚性齿轮㊁谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成,如图2-20所示㊂工作时,刚性齿轮6固定安装,各齿均布于圆周上,具有外齿圈2的柔性齿轮5沿刚性齿轮的内齿圈3转动㊂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向转过两个齿的相应转角㊂谐波发生器4具有椭圆形轮廓,装在其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㊂转动时,柔性齿轮的91第二章 工业机器人的机械结构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㊂通常刚性齿轮固定,谐波发生器作为输入端,柔性齿轮与输出轴相连㊂1 输入轴;2 柔性外齿圈;3 刚性内齿圈;4 谐波发生器;5 柔性齿轮;6 刚性齿轮;7 输出轴图2-20 谐波齿轮传动谐波齿轮传动比计算公式为i =z 2-z 1z 2(2-4)式中:z 1为柔性齿轮的齿数;z 2为刚性齿轮的齿数㊂假设刚性齿轮有100个齿,柔性齿轮比它少两个齿,则当谐波发生器转50圈时,柔性齿轮转1圈,这样只占用很小的空间就可以得到1ʒ50的减速比㊂通常将谐波发生器装在输入轴,把柔性齿轮装在输出轴,以获得较大的齿轮减速比㊂4.摆线针轮传动减速器1 针齿壳;2 输出轴;3 针齿;4 摆线轮;5 曲柄轴;6 行星轮;7 中心轮图2-21 摆线针轮传动摆线针轮传动是在针摆传动基础上发展起来的一种新型传动方式,20世纪80年代日本研制出了用于机器人关节的摆线针轮传动减速器,图2-21所示为摆线针轮传动简图,它由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星减速机构两部分组成㊂渐开线行星轮6与曲柄轴5连成一体,作为摆线针轮传动部分的输入㊂如果渐开线中心轮7顺时针旋转,那么,渐开线行星齿轮在公转的同时还逆时针自转,并通过曲柄轴带动摆线轮做平面运动㊂此时,摆线轮因受与之啮合的针轮的约束,在其轴线绕针轮轴线公转的同时,还将反方向自转,即顺时针转动㊂同时,它通过曲柄轴推动行星架输出机构顺时针转动㊂02工业机器人应用与编程技术第二章工业机器人的机械结构习题二2.1简述工业机器人操作机的组成㊂2.2简述工业机器人手臂与手腕的运动自由度㊂2.3试说明气压驱动式手爪的结构与原理?2.4试说明工业机器人四种手爪传动机构㊂2.5试说明负压式真空吸盘的结构与工作原理㊂2.6工业机器人常见的直线传动机构有哪些?2.7工业机器人常见的旋转式传动机构有哪些?12。
机器人机械结构资料课件
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右图为铣端面，打中心孔机 床的上料机器人，臂架2带动
臂3绕机身立柱1回转，同时， 通过行星齿轮使臂3绕臂架2的 轴线回转，手部夹持中心的轨 迹为一空间曲线，能迅速地将 工件从料架送到机床的夹具上， 但惯性较大，适用于中小型工件
图2 .2 .6 立柱式单赞机苔人 1一立柱；2—臂架：3一臂：4一手都
35
腕部坐标系
Y
手腕的俯仰
手腕的偏转
手腕的回转
36
.手腕的设计要求
· 结构紧凑、重量轻； · 动作灵活、平稳，定位精度高； · 强度、刚度高； · 与臂部及手部的连接部位的合理连接结构，传
感器和驱动装置的合理布局及安装等。
37
三.手腕的分类
1 . 按自由度的数目分(1): · 单自由度手腕：
·手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下单 一功能：
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(2)双臂配置
(a)
双臂同步升降和回 转机器人，两臂互 成直角，当两臂下 降时，上料手在料 道上取料，下料手 从机床两顶尖取下 工件。两臂上升后 转900再下降，上料 手将毛坯放到顶尖 间，下料手放工件
(b)
双臂同步回转机 器人，两臂的伸 缩分别驱动用来 完成较大行程的 提升与转位工作， 双臂对称布置， 较平稳
4)轮系驱动的二自由度BR手腕：
·结构特点：
· 由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动，其 中手腕的回转运动由传动轴S传递，手腕的 俯仰运动由传动轴B传递。
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轮系驱动二自由度手腕图例(1)
· 回转运动： 轴S 旋转 → 锥齿 俯 仰
轮副Z、Z₂→ 锥齿 轮副Z₃ 、Z₄→手腕 与锥齿轮Z₄为一体 →手腕实现绕C轴的 旋转运动
第2章工业机器人的结构分析
特点: 传动比大、体积 小、重量轻和效率高外, 结构更为简单 ,承载能 力大，传动平稳 .
二、谐波传动的主要特点 (1) 传动比大，单级为50—300，双级可达2x106。 (2)传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。 在相同的工作条件下，体积可减小20一50％。 (3)齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好 时，对=100的传动，效率可达0.85。 (4)传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度 可比普通齿轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿 轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。 (5)回差小。精密谐波传动的回差一般可小于 3’，甚至可以实 现无回差传动。 (6)可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。 (7)谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。
运动控制系统包括： 运动控制装置
位置检测装置
示教再现装置（记忆） 对于机器人的组成，还有其他划分或描述方式，如 考虑了环境和操作任务，则把机器人、环境和操作任务 作为一个系统来描述。认为机器人系统包括环境、操作 机、操作任务和计算机四部分组成。
控制
操作机
内部传感信息
计算机
语言
环境 图2－4
操作任务 机器人系统的组成
手部
手臂
立柱
机座
二、驱动系统（或动力系统）
各种电、气、液组成的传动装置或运动器，用 来驱动执行机构。 三种驱动系统
电力：电机 液压式机器人 仿真演示 气动：气缸 液压：油缸，液压驱动系统：要求密封可靠。
有一体式：驱动系统与执行机构组装在一起，外观为一整体； 分离式：驱动系统安装在单独的液压柜内。
第2章机器人机械的结构
（2）适应性
机器人的适应性是指它对环境的自适应能力，即所设计的机器人是否能够自我执 行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这 一能力要求机器人认识其工作的环境，即具有人工知觉。包括以下几方面能力： 分析任务所处的空间和对执行操作进行规划的能力 运用传感器测试周围环境的能力 具备自动指令模式
2）特殊的履带移动结构 ① 形状可变履带机器人 所谓形状可变履带机器人，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条 件和作业要求进行适当变化。下图1所示为一种形状可变履带机器人的外形示 意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱 动。当两条履带的速度相同时，机器人实现前进或后退移动；当两条履带的 速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动 行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境，如 图2所示，图a越障；图b为上下台阶
a）单足跳跃机器人 b）双足机器人 c）三足机器人 d）四足机器人 e）六足机器人
2.3.3 工业机器人的应用范围
1. 在工业生产中的应用
主要是焊接、喷涂、搬运、装配等方面的应用
2. 在恶劣生产条件下的应用
（6）按机器人具有的运动自由度分：
工业机器人的自由度一般为2~7个，简易型机器人为2~4个自由度；复 杂型机器人为5~7个自由度。自由度越多，机器人的“柔性”越大，但 结构和控制也就越复杂，并非越多越好。 （7）按使用范围分：
可编程序的通用机器人。其工作程序可以改变，通用性强。适用于多 品种，中小批量的生产系统中；固定程序专用机器人。根据工作要求设 计成固定程序，多采用液动或气动驱动，结构比较简单。
1、额定速度
机器人在保持运动平稳性和位置精度的前提下所能达到的最 大速度称为额定速度。其某一关节运动的速度称为单轴速度，由 各轴速度分量合成的速度称为合成速度。
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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
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
a）单臂回转式
b）双臂回转式
c）多臂回转式
பைடு நூலகம்
2.2 工业机器人臂部结构
二、机器人机身和臂部的配置 4．屈伸式配置 屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。
a）平面屈伸式
b）立体屈伸式
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 机器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）构成。 1．手臂直线运动机构 机器人手臂的伸缩、升 降及横向（或纵向）移 动均属于直线运动，而 实现手臂往复直线活塞 和连杆机构等运动的机 构形式较多。
《工业机器人技术与应用》
第2章 工业机器人的机械结构
教学目标 1.熟悉工业机器人的常见技术指标 2.掌握工业机器人的机械结构及各部分的功能 3.正确分析工业机器人的传动机构及传动路线
目录页
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2.1 工业机器人机身结构 2.2 工业机器人臂部结构
2.3 工业机器人腕部结构
a）臂转R手腕
b）俯仰B手腕
c）偏转B手腕
d）T手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 1．手腕的分类 （2）二自由度手腕
二自由度手腕 a）BR手腕 b）BB手腕 c）RR手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 1．手腕的分类 （3）3自由度手腕
2.3 工业机器人腕部结构
2.2 工业机器人臂部结构
二、机器人机身和臂部的配置
机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。
1．横梁式配置 机身设计成横梁式， 用于悬挂手臂部件通 常分为单臂悬挂式和 双臂悬挂式两种。具 有占地面积小、能有 效利用空间、动作简 单直观等优点。
a）单臂悬挂式
b）双臂悬挂式
2.2 工业机器人臂部结构
腕部关节配置图 a）臂转、腕摆、手转结构 b）臂转、双腕摆、手转结构
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 1．手腕的分类 （1）单自由度手腕 R关节：组成转动副关节的两个构件自身几何回转中心和转动副回转轴线重合 ，多数情况下，手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线。 B关节:组成转动副关节的两个构件自身几何回转中心和转动副回转轴线垂直 ，多数情况下，关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
4．类人机器人型机身结构 类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外 ，还应装有驱动腿部运动 的装置和腰部关节。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
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，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂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。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。
2.1 工业机器人机身结构
2．回转与俯仰型机身机构 回转与俯仰型机器人的机身主要由实现手臂左右回转和上下俯仰运动的部 件组成，它用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。
手臂俯仰驱动缸安置示意图
2.1 工业机器人机身结构
3．直移型机身结构 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。
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
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。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。
要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为： 臂转：指腕部绕小臂轴线方向的旋转，也称作腕部旋转； 腕摆：指手部绕垂直小臂轴线方向进行旋转，腕摆分为俯仰和偏转， 其中同时具有俯仰和偏转运动的称作双腕摆； 手转：指手部绕自身的轴线方向旋转。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部的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，常 用的腕部组合方式有臂转—腕摆—手转结构，臂转—双腕摆—手转结构等。
1—手部 2—夹紧缸 3—油缸 4—导向柱 5—运行架 6—行走车轮 7—导轨 8—支座
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 2．臂部俯仰机构
机器人手臂的俯 仰运动一般采用 活塞（气）缸与 连杆机构联用来 实现。
铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图 1—手部 2—夹紧缸 3—升降缸 4—小臂 5、7—摆动气缸 6—大臂 8—立柱
二、机器人机身和臂部的配置 2．立柱式配置 立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配 置形式。通常分为单臂式和双臂式两种。
具有占地面积小而工 作范围大的特点。
a）单臂式
b）双臂式
2.2 工业机器人臂部结构
二、机器人机身和臂部的配置 3．机座式配置 机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可以 随意安放和搬动。
2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。