工业机器人第4章 工业机器人的基本结构
合集下载
8第四章 机器人本体基本结构(1)
机器人常用材料简介 1）碳素结构钢和合金结构钢——这类材料强度好，特 别是合金结构钢，其强度增大了4～5倍，弹性模量E大，抗 变形能力强，是应用最广泛的材料。适合制造传动件、连 接件、连杆体支承件骨架等。 2）铝、铝合金及其他轻合金材料——这类材料的共同 特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故 E/之比仍可与钢材相比。适合制造连杆体等。 3）纤维增强合金——这类合金如硼纤维增强铝合金、 石墨纤维增强镁合金等。这种纤维增强金属材料具有非常 高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 适合制造连杆体等
机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电动机驱动齿轮和蜗轮蜗杆传动。 机身的升降运动可以采用：直线液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的连杆式升降台；电动机驱动丝 杠螺母传动。 俯仰运动大多采用摆式直线液压（气）驱动，液压（气） 驱动齿条齿轮或四连杆机构传动；也有电动机驱动齿轮 和蜗轮蜗杆传动。 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。
4.1 概述
机器人本体是机器人的重要组成部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的 运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影 响整体性能。
4.1.1 机器人本体的基本结构形式 机器人本体基本结构组成
机器人本体主要包括:
1) 传动部件； 2) 机身及行走机构； 3) 臂部； （见六伺服机械手臂视频） 4) 腕部；
机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电（b)双杆活塞气缸驱动链条链轮传 传动机构） 动机构 图4－1 链条链轮传动实现机身回转的原理图（P104）
第4章 机器人本体结构
4.2 机身及臂部结构
• 机器人机械结构由三大部分构成：机身、 手臂（含手腕）、手部。其中机身又称立 柱，是支承臂部的部件。同时，大多数工 业机器人必须有一个便于安装的基础部件， 这就是机器人的基座，基座往往与机身做 成一体。有些机器人需要行走，机身下面 还会安装有行走机构。机身和臂部相连， 机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。 机身和臂部运动的平稳性也是应重点注意 的问题。
• (3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常 复杂，且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属 于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间 隙和运动精度都有较高的要求。 • (4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是 随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动 或出现其他不稳定现象。 • 综合以上特点可见，合理的机器人本体结构应当 使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大， 结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的 固有频率和改善系统的动态性能。
• 二、机器人本体基本结构的举例 • 下面以关节型机器人为例来说明机器人本 体的基本结构。 • 进行机器人本体的运动学、动力学和其他 相关分析时，一般将机器人简化成由连杆、 关节和末端执行器首尾相接，通过关节相 连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的 开端安装有末端执行器(也简称为手部)，如 图所示。
一、 机身的自由度和运动
1．机身的自由度：
• 机身往往具有升降、回转及俯仰三个自由度。 • 机身结构一般由机器人总体设计确定。比如， 圆柱坐标型机器人把回转与升降这两个自由度 归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰这 两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把 回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有 时把升降(Z轴)或水平移动(X轴)自由度归属于 机身。现介绍回转与升降机身和回转与俯仰机 身。
简述工业机器人的基本组成及其作用
简述工业机器人的基本组成及其作用工业机器人是一种广泛应用于工业生产中的先进机器设备，它通过自动化、智能化的技术实现生产过程中的自主操作和控制。
工业机器人的基本组成包括机械结构、控制系统、传感器和执行器等部分，通过它们的协同工作，实现了工业机器人的高效运行与作用。
一、机械结构工业机器人的机械结构是支撑和保护其内部元件的重要部分。
通常由机器人臂、关节、末端执行器等组成。
机器人臂一般采用铝合金、碳纤维等轻质材料制作，使其具备较轻的自重和较高的刚性，提高了机器人的精度和稳定性。
关节作为机器人运动的关键部分，采用了高精度减速器和电机驱动系统，确保机器人的灵活性和准确性。
末端执行器负责完成具体任务，可以是机器人手、夹具或各种传感器等，根据不同的应用需求而定。
二、控制系统工业机器人的控制系统是指控制机器人运动和执行任务的核心部分。
它主要包含控制器、编码器、伺服系统等。
控制器是机器人的大脑，它负责接收和处理指令，控制机器人的动作和行为。
编码器用于测量和反馈机器人的位置和速度信息，确保机器人的运动准确性。
伺服系统通过减速器和电机等传动装置，实现机器人的精确控制和复杂动作的执行。
三、传感器工业机器人的传感器主要用于获取环境信息和工件信息，以便机器人能够根据实际情况做出相应的反应和决策。
常见的传感器包括视觉传感器、力传感器、温度传感器等。
视觉传感器可以捕捉图像并进行图像识别和处理，实现机器人的视觉功能。
力传感器可以感知外部力的大小和方向，使机器人能够进行力控制和力触觉操作。
温度传感器用于测量环境和工件的温度，帮助机器人在高温或低温环境下进行自主作业。
四、执行器工业机器人的执行器是机器人完成具体任务和动作的重要部件。
常见的执行器有液压执行器、电动执行器、气动执行器等。
液压执行器在工业机器人中多用于承担大负荷、高力矩的重型作业；电动执行器可以实现高速、精准的动作控制；气动执行器则具备简单、可靠、成本低等特点，适用于一些简单的装配和运输工作。
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。
工业机器人第四章-工业机器人结构设计
优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
智能制造装备设计与故障诊断课件第4章-工业机器人基础
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
工业机器人的设计与大多数机器设计过程相同，在进行工业机器人选型设 计之前，首先要对工业机器人的作业目的、功能需求、作业空间和生产条 件等做出规划，然后由机器人技术参数可选择机器人机械结构和坐标形式， 这度、作业范围、最大工作速度和承载能力等。
目前，由于工业机器人具有重复精度高、可靠性好、适用性强等优点，已广泛应用于汽车、 机械、电子、物流等行业，如在自动化生产线上的垛码机器人、包装机器人、转线机器人 等；在汽车生产线上的焊接机器人等。
One
4.1
工业机器人整体方案
工业机器人是应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，能 够自动执行工作指令，靠自身动力和控制能力来实现预期功能的装置。它 既可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的指令程序运行，现代智能工 业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领作业，达到智能处理 作业的水平。
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
（2）精度
工业机器人精度往往指的是定位精度与重复定位精度两个精度指标。
➢定位精度是指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏 差，它是由于受机器人的机械误差、控制算法与系统分辨率等参 数影响产生。
➢重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一 命令下，机器人连续重复运动若干次，每一次的运动目标位置分 布情况，是一个关于位姿精度的统计数据。
机器人。运动耦合性强，控制较复杂，但运动灵活性最好，自身占据空间
最小。多关节型机器人的臂部有多个转动关节。
α
θ4
θ5
θ3
θ6
φ θ
示意图
θ2 θ1
EDUBOT-PUMA 560
4.1.3工业机器人的分类
第四章 工业机器人设计(机械制造装备设计 第四版)
机械制造装备设计
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
机械制造装备设计
4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
机械制造装备设计
4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
工业机器人的基本组成与技术参数
55°至205°
280（°）/s
Axis4 手腕 Axis5 弯曲
230°至230° 120°至125°
560（°）/s 420（°）/s
Axis6 翻转
400°至400°
750（°）/s
工业机器人基础
人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，如计算机的标 准终端、信息显示板、指令控制台、危险信号报警器等。该系统归纳起来可分为指令给定 装置和信息显示装置两大类。
2）控制系统
通过对工业机器人驱动系统的控制，使执行机构按照规定的要求进行工 作。工业机器人的控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算 机不仅发出指令，协调各关节驱动之间的运动，同时要完成编程示教及再现， 在其他环境状态（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（如电焊机）之 间传递信息和协调工作。伺服控制器控制各个关节的驱动器，使各杆按一定 的速度、加速度和位置要求进行运动。
（2）说明书上提供的工作范围往往要小于运动学意义上的最大空间。
（3）实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工 作范围的内部也存在着臂端不能到达的区域，这类区域称为空洞或空腔。
2．自由度
自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活 程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。
4．运动速度
运动速度影响工业机器人的工作效率和运动周期，它与工业机器人所提取的重力和位 置精度均有密切的关系。运动速度提高，工业机器人所承受的动载荷会增大，所承受的 加减速时的惯性力也会增大，这会影响工业机器人的工作平稳性和位置精度。以目前的 技术水平而言，一般工业机器人的最大直线运动速度大多在1 000 mm/s以下，最大回转速 度一般不超过120（°）/s。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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；
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；
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。
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。
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：
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。
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。
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。
（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。
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
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。
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。
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
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。
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；
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；
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。
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。
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：
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。
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。
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。
（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。
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
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。
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。
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
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。