第三讲工业机器人的机械结构
工业机器人的基本结构
工业机器人的基本结构工业机器人是一种用于自动化生产的机器人系统，它具有复杂的结构和多样的功能。
下面将介绍工业机器人的基本结构。
工业机器人主要由机械结构、传感器、控制系统和执行器四个主要部分组成。
一、机械结构工业机器人的机械结构是机器人的骨架，它决定了机器人的外形和运动能力。
机械结构包括机器人的机身、关节、连杆、末端执行器等部分。
1. 机身：机身是机器人的主体部分，承载着各个关节和执行器。
一般采用铝合金、钢材或碳纤维等材料制作，具有较强的刚性和轻量化特性。
2. 关节：关节是连接机身和连杆的部分，用于实现机器人的运动。
根据运动方式的不同，关节可以分为旋转关节和直线关节。
旋转关节可以使机器人在水平方向上旋转，而直线关节可以使机器人在垂直方向上进行上下运动。
3. 连杆：连杆是连接关节和末端执行器的部分，它们通过关节的旋转和直线运动，使机器人能够完成各种复杂的任务。
连杆一般采用铝合金或钢材制作，具有一定的刚性和强度。
4. 末端执行器：末端执行器是机器人的“手”，用于实现机器人的具体操作。
常见的末端执行器包括夹爪、焊枪、刀具等，不同的末端执行器适用于不同的工作任务。
二、传感器传感器是工业机器人的感知器官，用于获取周围环境的信息，帮助机器人做出相应的动作。
常见的传感器包括视觉传感器、力传感器、位置传感器等。
1. 视觉传感器：视觉传感器可以通过拍摄和分析图像，实现对物体的识别、定位和测量。
它可以帮助机器人在不同的工作环境中准确定位和操作物体。
2. 力传感器：力传感器可以测量机器人施加在物体上的力和力矩，帮助机器人控制力的大小和方向，实现精确的操作和装配。
3. 位置传感器：位置传感器可以测量机器人各个关节的位置和姿态，提供给控制系统进行运动控制。
常见的位置传感器有编码器、陀螺仪等。
三、控制系统控制系统是工业机器人的大脑，负责对机器人进行运动控制和任务规划。
它由硬件和软件两部分组成。
1. 硬件：硬件部分包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口等。
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。
工业机器人组成结构
工业机器人组成结构工业机器人是一种用于自动化生产的机器，它能够完成人类在生产线上的工作任务。
工业机器人的组成结构是多样的，下面将从机械结构、电气控制和软件系统三个方面来介绍工业机器人的组成结构。
一、机械结构工业机器人的机械结构是支持其运动和操作的基础。
通常，它由底座、臂架、关节、末端执行器等部分组成。
1. 底座：底座是机器人的基础，通常由铸铁或钢板制成，具有足够的强度和稳定性。
底座上通常安装有电机和减速器，用于提供机器人的旋转运动。
2. 臂架：臂架是机器人的主体结构，通常由铝合金或碳纤维等材料制成，具有轻量化和高强度的特点。
臂架上的关节连接着各个运动部件，使机器人能够进行多轴运动。
3. 关节：关节是机器人的运动部件，通常由电动机、减速器和编码器等组成。
关节能够提供机器人的转动和抬升等运动，使机器人能够灵活地完成各种工作任务。
4. 末端执行器：末端执行器是机器人的工作部件，通常根据需要选择不同的执行器，如夹爪、吸盘、焊枪等。
末端执行器能够完成机器人的具体操作任务，如抓取、装配、焊接等。
二、电气控制电气控制是机器人的神经系统，负责控制机器人的运动和操作。
它由电机驱动系统、传感器系统和控制器等组成。
1. 电机驱动系统：电机驱动系统是机器人的动力源，通常由伺服电机和伺服驱动器等组成。
电机驱动系统能够提供机器人的运动能力，使机器人能够精确地控制运动轨迹和速度。
2. 传感器系统：传感器系统能够感知机器人周围的环境和工件信息，通常包括视觉传感器、力传感器、接近开关等。
传感器系统能够为机器人提供反馈信号，使机器人能够根据实际情况进行调整和控制。
3. 控制器：控制器是机器人的大脑，负责整个系统的协调和控制。
控制器通常由工控机或嵌入式控制器组成，可以通过编程来实现机器人的自动化控制和任务规划。
三、软件系统软件系统是机器人的智能核心，负责实现机器人的智能化和自主性。
它由操作系统、控制算法和应用软件等组成。
1. 操作系统：操作系统是机器人的基础软件平台，通常采用实时操作系统（RTOS），如VxWorks、RobotWare等。
工业机器人的五大机械结构和三大零部件解析
工业机器人的五大机械结构和三大零部件解析一、五大机械结构：1.手臂结构：工业机器人的手臂结构类似于人的手臂，用于搬运和操作物体。
它通常由多段关节构成，这些关节可以进行旋转和伸缩。
手臂结构可以根据不同的任务来设计，手臂的长度、关节的自由度和负载能力等可以根据实际需求进行调整。
2.底座结构：底座结构是工业机器人的支撑部分，它承载整个机器人和工作负载的重量，并提供机器人的旋转能力。
底座通常由电机和减速器组成，通过控制电机的旋转实现整体机器人的转动。
3.关节结构：关节结构是工业机器人手臂各关节连接的部分，它具有旋转和转动的能力。
关节结构通常由电机、减速器和编码器等组成，电机提供动力，减速器提供转动和转动的精度，编码器用于反馈位置和速度等参数。
4.手持器结构：手持器结构是机器人手臂的末端装置，用于夹取和操纵物体。
手持器通常由夹爪、吸盘、焊枪等组成，它们可以根据不同的任务和工作环境进行选择和装配。
5.支撑结构：支撑结构是机器人的框架和支撑部分，它提供机器人的稳定性和强度。
支撑结构通常由铝合金、碳纤维等材料制成，具有轻巧、刚性和耐用等特点。
二、三大零部件：1.电机：电机是工业机器人的核心动力部件，它提供驱动力和旋转力。
根据不同的应用需求，电机可以选择步进电机、直流电机、交流伺服电机等，它们具有不同的功率、转速和扭矩等特性。
2.减速器：减速器是机器人关节结构中的关键部件，它将电机的高速转动转换为低速高扭矩的输出。
减速器能够提供精确的旋转和转动控制，确保机器人的高精度和灵活性。
3.编码器：编码器是机器人关节结构中的传感器部件，它用于测量关节的位置和速度等参数。
编码器通过提供准确的反馈信号，帮助控制系统实时控制和监测机器人的运动状态。
以上是对工业机器人的五大机械结构和三大零部件的解析。
机器人的结构和零部件的选择和设计根据不同的应用和需求来进行，它们共同作用于机器人的性能和功能，实现自动化生产和工作的目标。
随着科技的不断发展，工业机器人在各个领域的应用也将越来越广泛。
工业机器人技术基础 项目三-工业机器人的机械结构
③ 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。
1.3.2 移动式机座
（3）足式行走机构
车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上
行驶才有理想的运动特性，如果地面凹凸
和车轮直径相当或地面很软，则它的运动
阻力将大大增加。
①可以在高低不平的地段上行走。
作用
• 移动式机座一方面支撑机器人的机身、臂部和手部，因而具有足
够的刚度和稳定性。
分类
• 机器人的行走机构按运动轨迹分为固定轨迹式行走机构和无固定
轨迹式行走机构。
1.3.2 移动式机座
1.固定轨迹式行走机构
固定轨迹一种配置形式，运动形式大多为直移式，具有占地面积小、有效
置。
1.垂直运动
工业机器人要完成空间的
运动，至少需要几个自由
2.径向运动
度进行运动呢？
3.回转运动
3.2.1 工业机器人手臂的运动
1.垂直运动
垂直运动是指机器人手臂的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整
机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。
工业机器人要
完成空间的运
动，至少需要
三个自由度的
总结
1.工业机器人的机械结构由机座、臂部、腕部、末端执行器组成。
2.固定式机器人由大臂、立柱、机座、小臂和手腕组成。
3.足式行走机构主要行走在平坦的地面上，车轮的形状和结构形式取决于地面
的性质和车辆的承载能力
4.履带行走机构由履带板、履带架、驱动链轮、导向轮、驱动轮、支重轮、托
链轮和张紧装置组成。
3.2工业机器人手臂
完成空间的运
动，至少需要
工业机器人技术-机器人本体结构
工业机器人技术与应用项目三工业机器人的机械系统任务二机器人的本体结构导入●什么是机器人的本体结构？●机器人的本体结构在哪里？目录学习目标知识准备任务实施主题讨论12学习目标机器人基座、腰部结构机器人上、下臂结构知识目标机器人基座、腰部及上、下臂结构一、机器人基座、腰部结构1. 基座及腰部结构基座7是整个机器人的基础件，机器人通过基座与地基或者其它工作平台固定，同时机器人的电缆、气管等也是通过基座上的连接插座进入机器人的。
腰体6位于基座和下臂之间，可以带动下臂及以上部分在基座上回转。
腰体上凸耳，凸耳一侧通过下臂安装端面5与下臂连接，另一侧安装下臂驱动电机。
一、机器人基座、腰部结构视频：基座及腰部结构二、机器人的上、下臂结构1. 下臂结构下臂安装在腰部和上臂之间，可以带动上臂及以后部分一同摆动。
下臂断面呈U形结构，用于布置各种电缆及管线。
二、机器人的上、下臂结构视频下臂结构二、机器人的上、下臂结构2. 上臂后段结构上臂后段是连接下臂和上臂前段的中间体，可带动上臂前段及手腕部分一起，相对于下臂旋转。
上臂后段为箱体结构，上方箱体内安装R轴（J4）回转电机（对于前驱RBR 结构）。
二、机器人的上、下臂结构视频上臂后段结构二、机器人的上、下臂结构3. R 轴传动结构谐波减速器的刚轮3.1与电机1的外壳、电机座2一起，固定在上臂后段6的壳体中；谐波减速器的柔轮3.3与过渡轴5的后端面、径向轴承4的里圈连接，轴承4的外圈安装在上臂后段6的壳体中作为支撑；过渡轴5的前端与上臂前段8、CRB轴承的里圈连接，轴承外圈固定在上臂后段6的前端面上作为支撑。
电机1的输出轴与谐波减速器的谐波发生器3.2连接，动力传递给柔轮，通过柔轮带动过渡轴5旋转，进而带动上臂后段8作手腕回转运动（J4轴）。
二、机器人的上、下臂结构视频R轴传动结构任务实施学习视频，完成工作页内容主题讨论讨论问题◆基座、腰部及上、下臂由哪些部分组成？◆基座、腰部及上、下臂结构的特点？小结完成本任务学习后，掌握了机器人基座、腰部及上、下臂结构，为后续学习打下了基础。
工业机器人的基本组成结构
工业机器人的基本组成结构1.机械结构：机械结构是工业机器人的骨架，支撑和保护其他组件。
它通常由铝合金、钢材等材料制成，并具有足够的刚度和强度。
机械结构包括机器人的臂、手和底座等部分。
-臂：机器人的臂是由多个关节连接而成，类似于人的手臂。
每个关节可以执行旋转或者移动操作，使机器人能够在三维空间内实现多个自由度的运动。
-手：机器人的手是用来抓取、操作和处理工件的部分。
手的结构和数量根据具体的任务需求而定，有些机器人的手是用来紧握工件的爪子，而有些则是专为特定任务设计的工具。
-底座：机器人的底座是连接机械臂和其它部分的基座，在一些情况下也可以作为机器人的移动平台。
底座通常具有旋转功能，以便使机器人能够在工作空间内转动。
2.控制系统：控制系统是工业机器人的大脑，负责指挥和控制机器人的运行。
控制系统由硬件和软件两部分组成。
-硬件：控制系统的硬件包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出接口、传感器接口等。
它们协同工作，使得机器人能够接收指令、处理数据并控制运动。
-软件：控制系统的软件是机器人操作的核心。
它包括机器人的操作系统、运动控制算法、路径规划算法等。
软件可以使机器人自动执行预先编程的任务，也可以响应外部输入进行实时调整。
3.传感器：传感器是工业机器人获取外部信息的重要组件，它可以使机器人感知和反馈环境信息，从而实现自主决策和适应性处理。
常见的传感器包括视觉传感器、力传感器、触觉传感器、温度传感器等。
-视觉传感器：通过摄像头或激光传感器等录取影像信息，用于实现目标识别、测量、定位等任务。
-力传感器：测量和记录机器人在与外部物体交互时的力和压力，用于力控制、力学分析等应用。
-触觉传感器：用于检测机器人的接触感知，例如检测机器人手指是否碰触了物体以及物体的质地、形状等。
4.执行机构：执行机构是工业机器人的动力源，它通过驱动机械结构实现机器人的运动。
执行机构通常由电动机、减速器、传动机构等组成。
-电动机：提供动力以驱动机器人的运动。
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
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升降回转台
齿 条
升降缸体
活 塞
活塞
油
活塞杆
缸
驱 动
固定导套
的
回
转
齿轮套筒
型
机
身
齿条缸 固定立柱
齿
条
活
塞
1、活塞
油
2、花键套
缸 驱
3、花键轴
动
4、升降油缸
的
5、摆动油缸
回 转6、摆动缸定片型7、摆动缸动片机
身
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。
机器人的机械机构（一）
机器人的机械机构（一）
密封性差；
二、机身的典型结构
圆柱坐标型
机器人的机械机构（一）
工作范围可以扩大； 计算简单；
动力输出较大；
手臂可达空间受到限制； 直线驱动部分难以密封；
安全性差；
二、机身的典型结构
球坐标式
机器人的机械机构（一）
中心支架附近的工作范围大； 工作空间大；
坐标系复杂，难以控制； 存在工作死区； 密封性较差；
第一节 机器人的主要技术参数
工作空间
机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安置 点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能 达到的区域。
工作空间的形状取决于机器人的构型，工作空 间的大小取决于组成机器人各部件的自身尺寸和运 动尺寸。
第一节 机器人的主要技术参 数
工作速度
工作速度是指机器人在工作载荷条件下，匀速运 动过程，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所 移动的距离或转动的角度。
动的作用
在空间运动
既可以是固定式的， 在工作中直接承受腕、手和工
也可以是行走式的
件的静、动载荷，自身运动又
较多，故受力复杂。
机器人的机械机构（一）
二、机身的典型结构
控制简单；
采用哪种自由度形式由机刚器性人最大的（总龙体门设式计）来； 定
容易达到高精度；
直角坐标型
机器人的机械机构（一）
操作范围小； 占地面积大； 运动速度低；
第三讲 机器人的机械结构
机器人的主要技术参数 机身和臂部机构 驱动机构
机器人的机械机构（一）
第一节 机器人的主要技术参数
自由度
操作机的自由度多，机构运动的灵活性大，通用 性强，但机构的结构也更复杂，刚性变差。机构的自 由度多于为完成生产任务所必需的自由度时，多余的 自由度称为冗余自由度。设置冗余自由度使操作机具 有一定的避障能力，在进行运动逆解时，使各关节的 运动具有优选的条件。工业机器人一般多为4~6个自 由度。
精度和表面粗糙度
合理布置作用力的位置和方向
机器人的机械机构（一）
四、机身和臂部设计应注意的问题
＃精度(手部位置精度)
※刚度 ※各运动部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 ※臂部和机身运动的导向装置和定位方式
四、机身和臂部设计应注意的问题
＃平稳性
※臂部和机身的运动部件应力求紧凑、质量 轻，以减少惯性力。 铝合金或非金属材料 ※必须注意运动部件各部分的质量对转轴或 支承的分布情况，即重心的布置。
工作载荷
机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受 的最大负载量（包括手部）。用质量、力矩、惯性矩 来表示。
第一节 机器人的主要技术参 数
控制方式
机器人用于控制轴的方式，使伺服还是非伺服， 伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。
驱动方式
指的是关节执行器的动力源形式：电气驱动、液 压驱动、气压驱动、其它驱动形式。
第一节 机器人的主要技术参 数
精度、重复精度和分辨率
精度、重复精度、和分辨率用来定义机器人手部 的定位能力。
精度
是一个位置量相对于其参照系的绝对度量。
任务 机 床重上下复精冲度床上下料 点焊 模锻 喷漆 装配 测量
弧焊
料
指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次
重复 ±（运0.0动5~轨1) 迹±1之间的误±差1 度±量0。.1~ ±3 ±(0.01 ±(0.01 ±(0.2~
（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
机器人的机械机构（一）
四、机身与臂部的配置形式
（1.）横梁式
机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人大都为 移动式。
（2.）立柱式
立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式， 是一种常见的配置形式。
（3.）机座式
机身设计成机座式，这种机器人可以使独立的、自成系统， 的完整装置，可以随意安放和搬动。
机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱 动装置及电缆的安装。
腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度 影响最大，故设计精度要求高。
二、机身的典型结构
平面多关节型
机器人的机械机构（一）
垂直方向上刚度高； 水平面内动作灵活； 适于孔轴装配工作；
二、机身的典型结构
动作灵活； 工作空间大；
易密封； 工作条件要求低； 适合用电机驱动；
垂直多关节型
机器人的机械机构（一）
计算量大； 输出动力不大；
机身的典型结构
回转与升降机身 回转与俯仰机身
四、机身和臂部设计应注意的问题
＃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，设计时要 有针对性地采取措施： 防热辐射、防腐、防 尘、防爆
腰部机构的设计注意事项
机械手的腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全 部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢 制造，
性
2
~0.5) ~0.5) 0.5)
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
分辨率、精度、重复精度的关系
TBRU 分辨率
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 支承腕部和手部，并带动它们