机械手臂的结构设计
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世博期间，一旦面临降雨，世博轴也能“轻松应 对”。机施公司透露，世博轴底部还设置了雨水沟渠， 用来收集雨水。除了满足特大暴雨时的蓄洪要求，雨 水在经过处理后，还能用于浇灌和世博轴内“小气候” 的调节。
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4
一、臂部设计的基本要求
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5
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。
机械臂结构
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1
上海世博轴阳光谷焊接施工
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2
机器人焊接阳光谷11060个节点
连接世博中国馆、主题馆、世博中心、演艺中心的世 博轴今天上午完成了主体结构施工。上海建工机施公司董 事长张立新透露，在6个形如喇叭、距地30米高空的阳光谷 的施工中，机施公司动用了机器人，焊接了11060个节点。
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
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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
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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：
活塞的行程就控制
了手臂摆角的大小。
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Leabharlann Baidu
24
齿轮驱动回转机构图例：
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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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26
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
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。
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12
二、机械臂的运动形式
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13
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。
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
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29
关节型机器人传动 系统图：
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
腕部俯仰局部图例：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
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21
平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
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双摇杆机构
22
平面四杆机构演变图例：
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曲柄滑块机构
23
双臂机器人手臂结构图例：
运动特点：
1—铰接活塞缸
手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制
2—连杆 3—手臂 4—支承架
作为世博轴的最大亮点，6个阳光谷尺寸不一、间距不 一、形状也不完全一样。阳光谷的基本构建为方形钢管， 几根钢管连接于同一点，称为“节点”。机施公司副总工 程师陈晓明表示，阳光谷施工中采用的机器人，外形根据 施工环境而改变，“编制程序后，给机器人发指令，随后 机器人开始做动作。”目前，这一套机器人施工技术，已 纳入国家863计划。
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油缸—齿条机构图例：
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19
电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：
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20
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：
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6
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。
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7
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。
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三、典型机械臂结构
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1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或汽缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或汽缸驱动
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
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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5．合理设计与腕部和机身的连接部位：
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此前，世博轴顶部的索膜结构也已完工。建设者 总共安装了69块巨大的白色膜布，面积达68000平方 米。如此巨大的膜布厚度仅为1毫米，但其设计张拉力 每米达5吨，是当今世界强度最高的膜材。
世博轴是一个由商业服务、餐饮、会展服务等多 功能组成的大型商业、交通综合体。长度大约为1000 米，宽约110米，跨越4条城市道路，联系5个街区，连 通3个轨道交通站。在世博轴设置6个阳光谷，考虑的 是把阳光和空气引入地下，“降低”建筑密度。此外， 世博轴还引入黄浦江水作冷热源，用全生态绿色节能 技术营造舒适宜人的室内环境。
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一、臂部设计的基本要求
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5
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。
机械臂结构
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1
上海世博轴阳光谷焊接施工
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2
机器人焊接阳光谷11060个节点
连接世博中国馆、主题馆、世博中心、演艺中心的世 博轴今天上午完成了主体结构施工。上海建工机施公司董 事长张立新透露，在6个形如喇叭、距地30米高空的阳光谷 的施工中，机施公司动用了机器人，焊接了11060个节点。
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
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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
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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：
活塞的行程就控制
了手臂摆角的大小。
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齿轮驱动回转机构图例：
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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）：
偏转 肘转
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。
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二、机械臂的运动形式
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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。
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
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关节型机器人传动 系统图：
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
腕部俯仰局部图例：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
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平面四杆机构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
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双摇杆机构
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平面四杆机构演变图例：
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曲柄滑块机构
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双臂机器人手臂结构图例：
运动特点：
1—铰接活塞缸
手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制
2—连杆 3—手臂 4—支承架
作为世博轴的最大亮点，6个阳光谷尺寸不一、间距不 一、形状也不完全一样。阳光谷的基本构建为方形钢管， 几根钢管连接于同一点，称为“节点”。机施公司副总工 程师陈晓明表示，阳光谷施工中采用的机器人，外形根据 施工环境而改变，“编制程序后，给机器人发指令，随后 机器人开始做动作。”目前，这一套机器人施工技术，已 纳入国家863计划。
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油缸—齿条机构图例：
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19
电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：
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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：
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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。
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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。
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三、典型机械臂结构
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1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或汽缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或汽缸驱动
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
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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8
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。
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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。
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15
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。
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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。
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10
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。
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5．合理设计与腕部和机身的连接部位：
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此前，世博轴顶部的索膜结构也已完工。建设者 总共安装了69块巨大的白色膜布，面积达68000平方 米。如此巨大的膜布厚度仅为1毫米，但其设计张拉力 每米达5吨，是当今世界强度最高的膜材。
世博轴是一个由商业服务、餐饮、会展服务等多 功能组成的大型商业、交通综合体。长度大约为1000 米，宽约110米，跨越4条城市道路，联系5个街区，连 通3个轨道交通站。在世博轴设置6个阳光谷，考虑的 是把阳光和空气引入地下，“降低”建筑密度。此外， 世博轴还引入黄浦江水作冷热源，用全生态绿色节能 技术营造舒适宜人的室内环境。