工业机器人第4章 工业机器人的基本结构

1. 手臂的直线运行结构
机械手的伸缩、升降及横向（或 纵向）运动的机构实现形式较多， 常用的有活塞油（气）缸、活塞 缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机 图4.6 臂部伸缩结构机器人 构以及活塞缸和连杆机构等。 1—手部；2—夹紧缸；3—油缸； 4—导向柱；5—运行架；6—行 走车轮；7—轨道；8—支座
2. 手臂回转和俯仰运行机构
3.从机器人基本组成的主体结构、臂部结构、手腕部结构和常见移 动机器人机构等角度出发，了解和掌握常见机构在机器人设计中的 应用。
4.1 工业机器人的主体结构
机械系统通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和 手爪等，构成一个多自由度的机械系统。
4.1.1 主体结构的基本形式
常见的主体结构形式有：直角坐标形式、圆柱坐标形式、球 面坐标形式、关节坐标形式。下面分别就四种形式进行介绍。
（3）尽量减小手臂重量和整个手臂相对于转动关节的转动惯量， 以减小运动时的动载荷与冲击。 （4）合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不 仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器 人的外观。
2. 臂部材料选择
应当优先选择强度大而密度小的材料制作手臂，其中非金属材料有 尼龙 6、聚乙烯（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别 是铝合金）为主。
由于机身结构的原因，手臂不能到达底部，减小了机器人的 工作范围，同时结构也较庞大。
3. 球面坐标形式机器人
美国Unimation公司的Unimation系列机器人就 是球面坐标形式的代表。 图4.3 球面坐标机器人 球面坐标形式机器人的特点是：占地面积较小，结构紧凑，位 置精度尚可，但避障性能较差，存在平衡问题。
4.3 工业机器人的腕部和手部结构
工业机器人的腕部起到支承手部的作用，机器人一般具有6个 自由度才能使手部（末端操作器）达到目标位置和处于期望 的姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。
1. 直角坐标形式机器人 直角坐标形式机器人具有如下优点：
（1）结构简单。 （2）编程容易，在X，Y，Z三个方向的 运动没有耦合，便于控制系统的设计。 （3）直线运动速度快，定位精度高，避 障性能较好。 缺点和问题： （1）动作范围小，灵活性较差。 （2）导轨结构较复杂，维护比较困难，导轨暴露面大，不如转 动关节密封性好。 （3）结构尺寸较大，占地面积较大。
4. 关节坐标形式机器人
关节坐标形式机器人主要有以下优点： （1）结构紧凑，占地面积小。 （2）灵活性好，手部到达位置好， 具有较好的避障性能。 （3）没有移动关节，关节密封性能 好，摩擦小，惯量小。 （4）关节驱动力小，能耗较低。 关节坐标形式机器人的缺点有： （1）运动过程中存在平衡问题，控制存在耦合。 （2）当大臂和小臂舒展开时，机器人结构刚度较低。
手臂的作用：将抓取的工件运送到给定的位置上，因而一般机器 人的手臂有3个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰） 运动。
手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定 位精度都直接影响机器人的工作性能，所以必须根据机器人的 抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度以及定位精度的要 求来设计手臂的结构形式。
图4.1 直角坐标机器人
（4）移动部分惯量较大，增加了对驱动性能的要求。
2. 圆柱坐标形式机器人
圆柱坐标形式机器人主要有如下优点： （1）控制精度较高，控制较简单，结构紧 凑。
（2）对比直角坐标形式，在垂直和径向的 两个往复运动可以采用伸缩套筒式结构， 图4.2 圆柱坐标机器人 在腰部转动时可以把手臂缩回去，从而减 小了转动惯量，改善了力学负载。 主要缺点：
实现机械手回转运动的常见机构有叶片式回转缸、齿轮传动 机构、链传达机构、连杆机构等。
3. 手臂的复合运动机构 手臂的复合运动多数用于动 作程序固定不变的专用机器 人，它不仅使机器人的传动 结构简单，而且可简化驱动 系统和控制系统，并使机器
图4.7 油缸铰链结构的俯仰机器人
人传动准确、工作可靠，因而在生产中应用比较多。除手臂实现复 合运动外，手腕和手臂的运动亦能组成复合运动。手臂（或手腕） 和手臂的复合运动，可以由动力部件（如活塞缸、回转缸、齿条活 塞缸等）与常用机构（如凹槽机构、连杆机构、齿轮机构等）按照 手臂的运动轨迹（即路线）或手臂和手腕的动作要求进行组合。
4.2.1 臂部结构的基本形式
按手臂的结构形式区分:手臂有单臂、双臂及悬挂式，如图4.5 所示。
（a）单臂机器人
（b）双臂机器人
（c）单臂结构
（d）双臂结构 图4.5 单臂、双臂结构机器人
按机械手手臂的运动形式分:有直线运动、回转运动和复合运动等 不同的运动方式，对应不同的机械手臂部的结构。
直线运动有手臂的伸缩、升降以及横向（或纵向）移动； 回转运动有手臂的左右回转、上下摆动（俯仰）；复合运动 是既有直线运动又有回转运动。
图4.4 关节坐标机器人
4.1.2 主体结构的设计
工业机器人主体结构及其机身设计时的注意事项： 1.作为整个机器人支撑的主体应该具有足够大的刚度、强度和稳 定性； 2.主体结构自身应该保证运动灵活，避免在结构设计上出现自锁 卡死的问题，选择合适的驱动方式，结构布置合理。 机器人主体结构材料的选择
4.2 工业机器人的臂部结构
4.2.2 臂部结构的设计
工业机器人的臂部由大臂、小臂所组成，一般具有2～3个自由 度，即伸缩、回转或者俯仰。 手臂的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电驱动几种形式， 其中电驱动最为通用。 1. 臂部设计的特点和要求 对机械手臂的设计要求有： （1）手臂的结构应该满足机器人作业空间的要求。
（2）合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。工字形截 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，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用 工字钢和槽钢制作支承板。
第四章
工业机器人的基本结构
4.1 工业机器人的主体结构
4.2 工业机器人的臂部结构 4.3 工业机器人的腕部和手部结构 4.4 移动式机器人
工业机器人的机械系统，包括机器人的机体结构和机械传动系统。
1.机器人的机械系统是机器人的本体，机器人需要通过本体的运动 和动作来完成特定的任务；
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2.不同应用领域的工业机器人的机械系统存在着较大差异；