第七讲机器人的机械臂结构(精选)
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机器人的机械臂结构
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。
2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。
3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。
2—连杆 3—手臂 4—支承架
活塞的行程就控制
了手臂摆角的大小。
齿轮驱动回转机构图例：
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
肩关节的摆动：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
关节型机器人传动 系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节
2．圆柱坐标型
臂部由一个转 动副和两个移 动副组成。相 对来说，所占 空间较小，工 作范围较大， 应用较广泛。
3．关节型
由动力型旋转关节 和前、下两臂组成。 关节型机器人以臂 部各相邻部件的相 对角位移为运动坐 标。动作灵活，所 占空间小，工作范 围大，能在狭窄空 间内饶过各种障碍 物。
臂部的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，而且 还直接影响到机器人的外观。
机器人的机械臂结构
17
油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：
四根导向柱 的臂部伸缩 机构：
手臂的
垂直伸缩运 动由油缸3 驱动。
特点：
工作行程长，
抓重大，适
合于抓举工
件形状不规
则、有偏转
力矩的场合。
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
18
电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：
电动伺服控制系统图例：
38
作业：
1、设计三种机器人小臂相对于大臂的直线运动方案，动力源为电机 驱动，用示意图表达。 2、画出型号为20a的工字钢的截面形状，并标注出有关几何参数。 3、解释液压伺服系统和电动伺服系统的组成及工作原理。
39
2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
21
平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
双摇杆机构
25
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
26
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
27
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
28
3．关节型机械臂的结构（2）
各运动的实现：
腕部的旋转：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构图例：
四根导向柱 的臂部伸缩 机构：
手臂的
垂直伸缩运 动由油缸3 驱动。
特点：
工作行程长，
抓重大，适
合于抓举工
件形状不规
则、有偏转
力矩的场合。
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
18
电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：
电动伺服控制系统图例：
38
作业：
1、设计三种机器人小臂相对于大臂的直线运动方案，动力源为电机 驱动，用示意图表达。 2、画出型号为20a的工字钢的截面形状，并标注出有关几何参数。 3、解释液压伺服系统和电动伺服系统的组成及工作原理。
39
2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
21
平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
双摇杆机构
25
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
26
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
27
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
28
3．关节型机械臂的结构（2）
各运动的实现：
腕部的旋转：
机器人的机械臂结构课件
三、典型机械臂结构
1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动
齿条传动的倍增机构或采用步进电机或 伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换 为直线运动。
典型结构：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
油缸—齿条机构图例：
2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
平面四杆构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
双摇杆机构
二、机械臂的运动形式
1．直角坐标型
臂部由三个相互 正交的移动副组 成。带动腕部分 别 沿 X、Y、Z 三 个坐标轴的方向 作直线移动。结 构简单，运动位 置精度高。但所 占空间较大，工 作范围相对较小。
2．圆柱坐标型
臂部由一个转 动副和两个移 动副组成。相 对来说，所占 空间较小，工 作范围较大， 应用较广泛。
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
3．关节型机械臂的结构（2）
3、《钢结构》
3、导向性能好，定位精度高
为防止手臂在直线运动中，沿运动轴 线发生相对转动，应设置导向装置。 同时要采用一定形式的缓冲措施。
机器人的机械臂结构
各运动的实现：
腕部的旋转：
电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
腕部Байду номын сангаас仰：
电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
肘关节摆动：
电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
肩关节的摆动：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。
2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。
3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。
2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
双摇杆机构
关节型机器人传动 系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节
局部图：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
腕部的旋转：
电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
腕部Байду номын сангаас仰：
电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
肘关节摆动：
电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
肩关节的摆动：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。
2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。
3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。
2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
双摇杆机构
关节型机器人传动 系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节
局部图：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
机器人的机械臂结构
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工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号工字钢即 指其高度尺寸为100mm。 2、其它参数如截面积、单位 长度的理论质量、截面静力 矩等可查相应的设计手册。 3、工字钢的长度按长度系列 购买。如：5~19m。
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槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。 3、《钢结构》
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3．关节型机械臂的结构（2）
各运动的实现：
腕部的旋转：
电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
腕部俯仰：
电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
肘关节摆动：
电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
肩关节的摆动：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
19
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm， 以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
25
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
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五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号工字钢即 指其高度尺寸为100mm。 2、其它参数如截面积、单位 长度的理论质量、截面静力 矩等可查相应的设计手册。 3、工字钢的长度按长度系列 购买。如：5~19m。
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槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。 3、《钢结构》
28
3．关节型机械臂的结构（2）
各运动的实现：
腕部的旋转：
电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
腕部俯仰：
电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
肘关节摆动：
电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
肩关节的摆动：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
19
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm， 以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
25
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
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五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
机器人的机械臂结构PPT
机械臂结构
1
一、臂部设计的基本要求
2
1．承载能力足
手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的动载荷及转 动惯性。
3
2．刚度高
为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面
大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都 比实心轴大得多。
14
三、典型机械臂结构
15
1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动
齿条传动的倍增机构或采用步进电机或 伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换 为直线运动。
典型结构：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
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油缸—齿条机构图例：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
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关节型机器人传动 系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节
局部图：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
4
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。 3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
5
槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。 3、《钢结构》
1
一、臂部设计的基本要求
2
1．承载能力足
手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的动载荷及转 动惯性。
3
2．刚度高
为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面
大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都 比实心轴大得多。
14
三、典型机械臂结构
15
1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动
齿条传动的倍增机构或采用步进电机或 伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换 为直线运动。
典型结构：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
16
油缸—齿条机构图例：
电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
28
关节型机器人传动 系统图：
关节型机器人腕部旋转 局部图：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
关节型机器人腕部俯仰 局部图：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
关节型机器人肘关节
局部图：
电机M3→两级同步带传动B3、 B3′→减速器R3→肘关节摆动n3
4
工字钢（GB706-88）：
1、工字钢的型号与高度尺 寸h有关，如：10号工字钢 即指其高度尺寸为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面静 力矩等可查相应的设计手册。 3、工字钢的长度按长度系 列购买。如：5~19m。
5
槽钢（GB707-88）
1、槽钢的型号与高度尺寸 h有关，如：10号槽钢即指 其高度尺为100mm。 2、其它参数如截面积、单 位长度的理论质量、截面 静力矩等可查相应的设计 手册。 3、《钢结构》
机器人的机械臂结构
机械臂结构
一、臂部设计的基本要求
1．承载能力足
? 手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的 重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的 动载荷及转 动惯性。
2．刚度高
? 为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面
大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都 比实心轴大得多。
3．关节型
? 由动力型旋转关节 和前、下两臂组成。 关节型机器人以臂 部各相邻部件的相 对角位移为运动坐 标。 动作灵活 ， 所 占空间小 ， 工作范 围大 ，能在狭窄空 间内饶过各种障碍 物。
4．极坐标型
? 臂部由两个转动 副和一个移动副 组成。产生沿手 臂轴X的直线移 动，绕基座轴Y 的转动和绕关节 轴Z的摆动。其 手臂可作绕Z轴 的俯仰运动 ，能 抓取地面上的物 体。
肩关节、肘关节与手腕的协调
3 ．关节型机械臂的结构（2）
? 各运动的实现：
? 腕部的旋转：
? 电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
? 腕部俯仰：
? 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
? 肘关节摆动：
? 电机M3→两级同步带传动 B3、B3′→减速器 R3→肘关节摆动 n3
3、导向性能好，定位精度高
? 为防止手臂在直线运动中，沿运动轴 线发生相对转动，应设置 导向装置 。 同时要采用一定形式的缓冲措施。
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，以减少整个 手臂对回转轴的转动惯量。
5．合理设计与腕部和机身的连接部位
? 臂部的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，而且 还直接影响到机器人的外观。
一、臂部设计的基本要求
1．承载能力足
? 手臂是支承手腕的部件，设计时不仅 要考虑抓取物体的 重量或携带工具的 重量，还要考虑运动时的 动载荷及转 动惯性。
2．刚度高
? 为了防止臂部在运动过程中产生过大 的变形，手臂的截面形状要合理选择。
工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面
大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都 比实心轴大得多。
3．关节型
? 由动力型旋转关节 和前、下两臂组成。 关节型机器人以臂 部各相邻部件的相 对角位移为运动坐 标。 动作灵活 ， 所 占空间小 ， 工作范 围大 ，能在狭窄空 间内饶过各种障碍 物。
4．极坐标型
? 臂部由两个转动 副和一个移动副 组成。产生沿手 臂轴X的直线移 动，绕基座轴Y 的转动和绕关节 轴Z的摆动。其 手臂可作绕Z轴 的俯仰运动 ，能 抓取地面上的物 体。
肩关节、肘关节与手腕的协调
3 ．关节型机械臂的结构（2）
? 各运动的实现：
? 腕部的旋转：
? 电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
? 腕部俯仰：
? 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
? 肘关节摆动：
? 电机M3→两级同步带传动 B3、B3′→减速器 R3→肘关节摆动 n3
3、导向性能好，定位精度高
? 为防止手臂在直线运动中，沿运动轴 线发生相对转动，应设置 导向装置 。 同时要采用一定形式的缓冲措施。
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，以减少整个 手臂对回转轴的转动惯量。
5．合理设计与腕部和机身的连接部位
? 臂部的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，而且 还直接影响到机器人的外观。