第二章机器人的结构
第二章机器人的结构
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带谐波减速器的机器人手臂关节结构 1－臂座 2、11－法兰盘 3、12轴承 4－驱动电动机 5-柔轮 6－从动刚轮 7－波发生器 8－套筒
9－电磁制动器 10－驱动轴 13－手臂壳体
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• 图9-23所示为机器人手臂回转驱动装置的结构， 该装置直接安装在臂座1的支承法兰盘2和11上。 驱动电动机4的输出轴用键与驱动轴10相联；轴 10与套筒8用键联接，并一同转动。波发生器7与 套筒8用法兰盘刚性联接，套筒8通过键与固定在 支承法兰盘11上的电磁制动器9相联接。不动的柔 轮5通过支承法兰盘2固定在臂座上。带内齿圈的 从动刚轮6与手臂壳体13相固联。因此手臂壳体 与刚轮一起在轴承3和12上转动。这种伺服电动
重复性（Repeatability）或重复精度： o
o
在相同的位置指令下，机器人连续重
复若干次其位置的分散情况。它是衡
量一列误差值的密集程度，即重复度。
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工作空间（Working space）：机器人 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。
角度由其接触位置决定。夹持器的夹持动作，则 油经油路2进入的压力油驱动单作用液压缸的活塞 1来完成。腕部回转运动的位置控制可采用机械挡
块定位，用位置检测器检测。这种结构紧凑、体 积小，但最大回转角度小于360°，这种结构只 能实现一个腕部自由度。
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两自由度机械传动手腕 1、2、3、12、13－轴承 4、5－链轮 6、7－链条 8－手腕壳体
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机器人技术手册
机器人技术手册第一章机器人概述随着科技的飞速发展，机器人技术成为了人们生活中不可忽视的一部分。
机器人作为一种智能化的机械设备，可以执行各种任务，从工业生产到日常生活，甚至探索未知的太空领域。
本手册将为您介绍机器人技术的相关知识和应用。
第二章机器人的组成和结构机器人由多个部件组成，包括机械结构、传感器、控制系统、电源等。
机械结构决定了机器人的形态和动作能力，传感器负责获取环境信息，控制系统则对机器人进行指令和决策。
第三章机器人的运动与定位机器人的运动是基于其机械结构和控制系统实现的。
常见的机器人运动包括步行、爬行、飞行等。
定位技术对机器人的导航和位置确定至关重要，主要采用的方法有GPS定位、惯性导航和视觉识别等。
第四章机器人的人机交互人机交互是机器人技术发展的一个重要方向，旨在让机器人能够更好地理解和响应人类指令。
语音识别、图像处理和自然语言处理等技术的应用，使得机器人能够实现智能对话和情感交流。
第五章机器人的应用领域机器人技术在各个领域都有广泛的应用。
在工业领域，机器人可以替代人力进行重复性或危险性的工作；在医疗领域，机器人可用于手术、康复和护理等；在军事领域，机器人可以执行侦查、救援和战斗任务。
第六章机器人的发展前景随着人工智能、大数据和云计算等技术的不断进步，机器人技术将会迎来更广阔的发展前景。
机器人的智能化和自主学习能力将大大提升其应用领域和工作效率。
结语机器人技术正在以惊人的速度改变着我们的生活和工作方式。
本手册致力于为读者提供机器人技术的相关知识和应用，希望能够对您的学习和工作有所帮助。
让我们共同期待机器人技术的未来！。
机器人学_第2章_机器人机械结构
– 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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腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
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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
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
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1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
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2）. 单回转腕部 结构示例
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3）双回转油缸驱动手腕
第二章 机器人的机械结构
第二章机器人的机械结构机器人的机械结构是工业机器人的重要组成部分，它的结构在某方面与传统机械有相同之处，又不同于专用设备，它有自己的特点，具有较强的灵活性。
§2-1 手部结构简介工业机器人手部的特点：①手部与手腕相连处可拆卸。
手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便的拆卸和更换手部。
②手部是工业机器人末端操作器。
可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手。
可以是类人的手抓，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。
③手部的通用性比较差。
工业机器人手部通常是专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工作；一种工具又能执行一种作业任务等。
④手部是一个独立的部件。
手部是工业机器人的关键部件之一，是用来抓取物件或握持工具的机构。
由于被握持工件的形状、尺寸、轻重、材质和表面状况不同，手部结构也是多种多样的，大部分都是根据特定件的要求而专门设计的。
各种手部的结构不仅形式不完全相同，而且工作原理也不一样，常用的手部，按握持原理，分为夹持和吸附式两大类。
夹持式：又称手指式，按夹持工件的部分不同，又可分为内撑式和外夹式两种。
吸附式：通常就是指吸盘式，多为气吸和磁吸两种。
外夹式平移式夹持式（手指式）原理形式分为内撑式回转式挤气式空气负压吸盘喷气式吸盘式真空式磁力吸盘一手指式手部手指式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成。
驱动装置：它是为传动机构提供动力，有液压、气动、电动三种形式。
传动机构：往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆等推动杠杆机构实现夹紧和松开动作。
手指：它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件，一般情况下，多采用两个手指，少数为三指或多指。
结构形式取决于被夹持工作的形状和特征。
1 对手指式手部的基本要求：①手指握力（夹紧力）大小适宜。
为使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不脱落，要求手指在夹紧工作时应有足够的加紧力。
工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构
2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
手臂回转与升降机构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动马达-锥齿轮传动的结构。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
4．类人机器人型机身结构 类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外 ，还应装有驱动腿部运动 的装置和腰部关节。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和 手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件 ，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。
第二章_机器人的机械结构分析
关节型搬运机器人
关节型焊接机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
5、平面关节型 (Selective Compliance Assembly Robot Arm ，简称SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。运动灵活 性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装 配作业。
SCARA型装配机器人
有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低。
极坐标型机器人模型
2018/11/2
Unimate
机器人
第二章
机ห้องสมุดไป่ตู้人的机械结构
机器人的构型
4、关节坐标型 (3R) 对作业的适应性好，工作空间大，工作灵活，结构紧凑， 通用性强，但坐标计算和控制较复杂，难以达到高精度。
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关节型机器人模型
2、圆柱坐标型 (R2P)
结构简单紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，控制也较 简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，但转动 惯量较大，定位精度相对较低。
圆柱坐标型机器人模型
2018/11/2
Verstran 机器人
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第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)
• 电动式
电源方便，响应快，驱动力较大，可以采用多种灵活的控制方案。
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第二章
机器人的机械结构
二、机器人的分类
1.按机器人的控制方式分类 （1）非伺服机器人 非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器 人的运动。 （2）伺服控制机器人 通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信 号比较后，得到误差信号，经放大后用以激发机器人 的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动， 到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。
第二章工业机器人的机械设计基础
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。
机器人技术第二章
图2-3所示的机器人， 臂部在xO1y面内有三 个独立运——升降(L1)、 伸缩(L2)、和转动(Φ1)， 腕部在xO1y面内有一 个独立的运动——转 动(Φ2)。机器人手部 位置需要一个独立变 量——手部绕自身轴 线O3C的旋转Φ3。
机器人自由度的选择
• 一般自由度的选择：机器人自由度都是根 据机器人的用途来设计的，在三维空间中 描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6 个自由度。工业机器人的自由度是根据其 用途而设计的，可能小于6个自由度，也可 能大于6个自由度。
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 的差异程度 。 或 在相同的位置指令
下 ， 机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。 分散情况 。 它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。 集程度，即重复度。
o
o
机器人的分辨率和精度
• 分辨率：机器人的分辨率由系统设计参数 决定，并受到位置检测反馈元件的影响。 可分为编程分辨率和控制分辨率，编程分 辨率是指程序中可以设定的最小移动单位， 又称基准分辨率；控制分辨率是指位置反 馈回路能检测到的最小位移量。当它们相 等时，系统性能达到最佳。
1、驱动系统 、 概念： 概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置 作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力 驱动系统可以是液压传动、 气动传 动、电动传动, 或者把它们结合起来应 用的综合系统; 可以是直接驱动或者是 通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等 机械传动机构进行间接驱动。
表2-3为不同作业机器人要求的重复 精度。
工作空间（ ）：机器人 工作空间（Working space）：机器人 ）： 手腕参考点或末端操作器安装点（ 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器） 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域， 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。 所能到达的区域。
第2章机器人机械系统2概要
大臂 机身
基座
小臂
腕部
连接手部
第二页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与升降机身
回转运动在 下，升降运 动在上
（a）单杆活塞气缸
（b）双杆活塞气缸
链条链轮传动实现机身回转的原理图
第三页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与俯仰机身
第四页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机身设计时要注意下列问题
第十五页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
ABB的IRB4400
ABB的IRB 4600
采用优化设计，开链结构
第十六页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机器人机械结构设计的发展方向
采用有限元、模态分析和仿真设计等现代设计方法； 采用新的高强度轻质材料，进一步提高机器人结构的负载/自重比， 使机器人机构进一步紧凑，速度和范围指标进一步提高；
动部分的质量；②使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；③采取“配重” 的方法来减小和消除偏重力矩。
➢ 运动要平稳、定位精度要高。影响因素：①惯性冲击的
影响；②定位方法的影响；③结构刚性的影响；④控制及驱动 系统的影响等。
第七页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
平衡机器人手臂的重力矩优点如下：
如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。
Euler腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后(J4，J5)，可将安装腕关节上 之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如Fig- 所示。
第二十二页，编辑于星期二：二十三点 二十三 分。
經由特殊設定，可進一步將Owc_s 與Owc 點重合（Fig-8）。如此，Fig-8 便形成理
臂部的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位 置上。 在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷， 尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲 击，影响定位的准确性。
机器人实验报告总结
机器人实验报告总结
第一章：引言
机器人技术作为人工智能领域的核心之一，一直以来备受瞩目。
近年来，随着技术的不断进步，机器人在工业、医疗、家庭等领域的应用已经成为了不可或缺的存在。
本实验旨在通过对机器人的研究和探究，进一步了解机器人的构成、运作原理和应用场景。
第二章：机器人的构成
机器人的构成主要分为四个部分：机械部分、电子部分、传感器和控制单元。
其中机械部分包括机器人的外形和内部机械结构，包括机械臂、轮子、关节等；电子部分指机器人的电子设备，包括电路板、电机、传感器等；传感器是机器人的感知系统，包括视觉传感器、声音传感器、触觉传感器等；控制单元是机器人的大脑，它能够根据传感器所接收到的信息，对机器人的行为进行控制。
第三章：机器人的运作原理
机器人的运作原理主要分为两个部分：感知和决策。
感知是指机器人通过传感器接收外界环境的信息，包括视觉、声音、触觉等；而决策则是指机器人根据传感器接收到的信息，通过控制单元进行判断和决策，从而控制机器人的行动。
第四章：机器人在工业、医疗、家庭等领域的应用
机器人在工业、医疗、家庭等领域的应用广泛。
在工业领域，机器人可以代替人
工完成一些重复性劳动，提高生产效率；在医疗领域，机器人可以实现手术自动化、康复治疗等功能，提高治疗效果；在家庭领域，机器人可以帮助人们打扫卫生、照顾老人、保卫家庭等。
第五章：结论
通过本次实验，我们深入了解了机器人的构成、运作原理和应用场景。
机器人技术的发展将极大地推进社会的进步与发展。
未来，随着机器人技术的不断发展，机器人将在更多领域发挥出更大的作用。
工业机器人技术基础-第二章-机器人结构认识
任务二 工业机器人机械结构的认知
1.关节机器人的特点
1)有很高的自由度,适合于几乎任何轨迹或角度的工作。 2)可以自由编程,完成全自动化的工作。 3)提高了生产率,降低了可控制的错误率。 4)代替很多不适合人力完成、对身体健康有害的复杂工作。 5)价格高,初期投资成本高。 6)生产前期的工作量大。
3.图解法确定工作空间
图解法求工作空间边界,得到的往往是工作空间的各类剖面(或截线),如图1-2-11所 示。它直观性强,便于和计算机结合,以显示操作机的构形特征。用图解法获得的工作 空间不仅与机器人各连杆的尺寸有关,还与机器人 的总体结构有关。
图解法确定工作空间的边界时,需要将关节分为两组,即前三关节和后三关节(有时 为两关节或单关节)。前三关节称为位置结构,主要确定工作空间的大小;后三关节称为 定向结构,主要决定手部姿势。首先分别求出两组关节所形成的腕点空间和参考点在腕 坐标系中的工作空间,再进行包络整合。
利用机器人结构运动简图,能够更好地分析和记录机器人的各种运动和运动组合 ,可简单、清晰地表明机器人的运动状态,有利于对机器人设计方案进行比较和选择。
任务二 工业机器人机械结构的认知
二、工业机器人的运动自由度
1.自由度的概念 描述物体相对于坐标系进行独立运动的数目称为自由度。物体在三维空间有6个
自由度,如图1-2-1所示。
任务二 工业机器人机械结构的认知
3.工件坐标系 工件坐标系是用户自定义的坐标系,用户坐标系也可以定义为工件坐标系。
可根据需要定义多个工件坐标系,当配备多个工作台时,选择工件坐标系操作更为 简单。 4.工具坐标系
工具坐标系是原点位于机器人末端的工具中心点(Tool Center Point,TCP)处 的坐标系,原点及方向都是随着末端位置与角度不断变化的。该坐标系实际是将 基坐标系通过旋转及位移变化而来的。因为工具坐标系的移动以工具的有效方 向为基准,与机器人的位置、姿势有关,所以不改变工具姿势,进行相对于工件的平 行移动最为适宜。
第二章_机器人的机械结构
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第二章 机器人的机械结构
气吸式手部
真空气吸吸附手部
气流负压吸附手部
挤压排气式手
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第二章 机器人的机械结构
气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可 靠等优点。广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料 的吸附。 气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤， 且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工 件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质 致密，没有透气空隙。
(1)夹持类
(2)吸附类
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第二章 机器人的机械结构
1.夹持类 (1)夹钳式 • 手指1 • 传动机构2
• 驱动装置3
• 支架4
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1）手指 ①指端的形状
第二章 机器人的机械结构
V型指
平面指
尖指
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特形指
第二章 机器人的机械结构
②指面型式 根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表 面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面 和柔性指面三种形式。 ③手指的材料 对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和 合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金； 高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下 工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀 的玻璃钢或聚四氟乙烯。
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第二章 机器人的机械结构
（2）磁吸式
磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生 的磁力来吸附材料工件的，应用较广。磁吸式手部不 会破坏被吸件表面质量。磁吸式手部比气吸式手部优 越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面光 洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。磁吸式手部的不足 之处是：被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑 （如铁屑等），影响正常工作。因此对那些不允许有 剩磁的零件要禁止使用。对钢、铁等材料制品，温度 超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式 手部。磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和 电磁铁手部。电磁铁手部由于供电不同又可分为交流 电磁铁和直流电磁铁手部。
机器人技术基础教学课件第2章
Ti ——输入力矩（N·m）；
To ——输出力矩（N·m）；
i ——输入齿轮角位移；
o ——输出齿轮角位移；
机器人技术基础
第二节 机器人的驱动机构
1．齿轮机构
Ti ,i
啮合齿轮转过的总的圆周距离相等，可以 得到齿轮半径与角位移之间的关系：
Rii Roo
TO ,O
Ri ——输入轴上的齿轮半径（m）； R0 ——输出轴上的齿轮半径（m）。
第一节 工业机器人的结构
（3）连杆杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fpc
2b tan a
连杆杠杆式回转型夹持器 1—杆；2—-连杆；3—-摆动钳爪；4—-调整垫片
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（4）齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp R
Fp c
2b sin
楔块杠杆式回转型夹持器 1—-杠杆；2—弹簧；3—滚子；4—楔块；5—气缸
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（2）滑槽杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp a 2b cos2
a
滑槽杠杆式回转型夹持器 1—支架；2—杆；3—圆柱销；4—-杠杆；
机器人技术基础
1．液压驱动
液压隧道凿岩机器人 机器人技术基础
液压混凝土破碎切割机器人
第二节 机器人的驱动机构
2．气压驱动
优点：
缺点：
（1）容易达到高速（1m/s）；
（1）压缩空气压力低；
（2）对环境无污染，使用安全；
（2）实现精确位置控制难度大；
工业机器人 第二章自由度
例2.2 计算图示并联机构的自由度 由图可知，该机构总的 构件数n=8，关节数g=9, 其中关节1－3为转动副， 关节4－6为移动副，关 节7－9为球面副，所以
9
fi 15
i 1
则有
g
M 6(ng1 ) fi6(891 )1 5 3 i 1
对于只有一个运动平台与几个分支连接 的多环机构，还可以通过直接观察法来 计算自由度，运动平台在无约束的情况 下有六个自由度，通过观察可以知道每 一分支对运动平台的约束数，则机构的 自由度为6减去所有的约束数。
5）球面关节：用字母S表示 ，允许两连 杆之间有三个独立的相对转动。这种 关节具有三许两连杆之 间有三个相对运动，即两个沿平面的移动 和一个垂直于该平面的转动。这种关节具 有三个自由度；
7）虎克铰：用字母T表示 ，允许两连杆之 间有二个相对转动。这种关节具有二个 自由度；
对于多环的空间机构，计算自由度公式还可 以写成更简单的形式
g
M fi 6l i1
式中，l 为独立的环路数目，
或 l 分支数－ 1
例2.3计算Stewart平台的自由度
计算3TPT机构的自由度
无效自由度：机构中某一部分的运动自 由度对运动平台的自由度不产生影响， 称为无效自由度。
重复约束：机构中某些分支对运动平台 的某个自由度产生了重复限制（重复约 束），应在机构自由度中加上重复约束 的次数。
2) 移动关节：用字母P表示，它允许两 相邻连杆沿关节轴线作相对移动，移动 距离为d，这种关节具有一个自由度；
3）螺旋关节：用字母H表示 ，允许两连 杆绕轴线转动的同时按螺旋规则沿轴 线移动，可以有左旋和右旋。这种关 节具有一个自由度；
4）圆柱关节：用字母C表示 ，允许两连 杆绕轴线转动的同时独立地沿轴线移 动。这种关节具有二个自由度；
工业机器人技术第2章
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.2 工业机器人的特点
（3）驱动系统。工业机器人需要灵活改变位姿，绝大多数运动轴都需要 有任意位置定位功能，需要使用伺服驱动系统；在无人搬运车（Automated Guided Vehicle，AGV）等输送机器人上，还需要配备相应的行走机构及相应 的驱动系统。而辅助机械手的安装位置、定位点和动作次序样板都是固定 不变的，大多数运动部件只需要控制起点和终点，故较多地采用气动、液 压驱动系统。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
（3）驱动器。驱动器实际上是用于控制器的插补脉冲功率放大的装置， 实现驱动电机位置、速度、转矩控制，驱动器通常安装在控制柜内。驱动 器的形式决定于驱动电机的类型，伺服电机需要配套伺服驱动器、步进电 机则需要使用步进驱动器。机器人目前常用的驱动器以交流伺服驱动器为 主，它有集成式、模块式和独立型3种基本结构形式。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
2．机器人本体 机器人本体又称操作机，它是用来完成各种作业的执行机构，包括机械 部件及安装在机械部件上的驱动电机、传感器等。 机器人本体的形态各异，但绝大多数由若干关节（Joint）和连杆（Link） 连接而成。以常用的6轴垂直串联型（Vertical Articulated）工业机器人为例， 其运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、上臂摆动 （肘关节）、腕回转和弯曲（腕关节）等。本体的典型结构如图2.1-2所示， 其主要组成部件包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部、基座等。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
集成式驱动器的全部驱动模块集成一体，电源模块可以独立或集成，这 种驱动器的结构紧凑、生产成本低，是目前使用较为广泛的结构形式。模 块式驱动器的电源模块为公用，驱动模块独立，驱动器需要统一安装。集 成式、模块式驱动器不同控制轴间的关联性强，调试、维修和更换相对比 较麻烦。独立型驱动器的电源和驱动电路集成一体，每一轴的驱动器可独 立安装和使用，因此，其安装使用灵活、通用性好，其调试、维修和更换 也较方便。
机器人基础技术教学 书
机器人基础技术教学书机器人基础技术教学书第一章：机器人概述1.1 机器人的定义和分类1.2 机器人的发展历程1.3 机器人的应用领域第二章：机器人的机械结构2.1 机器人的基本结构和组成部件2.2 机器人的关节类型和运动方式2.3 机器人的传感器和执行器第三章：机器人的感知与认知3.1 机器人的感知技术3.1.1 视觉传感器3.1.2 声音传感器3.1.3 触觉传感器3.2 机器人的认知技术3.2.1 环境建模与感知分析3.2.2 机器人的自主导航与定位第四章：机器人的控制与决策4.1 机器人的控制系统4.1.1 开环控制与闭环控制4.1.2 反馈控制与前馈控制4.2 机器人的路径规划与运动控制4.3 机器人的决策与智能算法4.3.1 强化学习算法4.3.2 遗传算法4.3.3 模糊控制算法第五章：机器人的人机交互与协作5.1 机器人的语音识别和语音合成技术5.2 机器人的自然语言理解和生成技术5.3 机器人的姿态识别和情感分析技术5.4 机器人的协作与协同技术第六章：机器人的安全与伦理6.1 机器人的安全保障措施6.1.1 硬件安全：碰撞检测与防护装置6.1.2 软件安全：权限控制与隐私保护6.2 机器人的伦理问题与社会影响6.2.1 机器人的道德规范和法律法规6.2.2 机器人的就业和人类替代性第七章：机器人的未来发展与应用展望7.1 机器人技术的发展趋势7.2 机器人在工业制造领域的应用展望7.3 机器人在医疗卫生领域的应用展望7.4 机器人在农业和服务领域的应用展望结语：机器人基础技术的学习与应用通过本书的学习，读者将掌握机器人的基本概念和分类，了解机器人的机械结构和组成部件，熟悉机器人的感知与认知技术，了解机器人的控制与决策方法，掌握机器人的人机交互与协作技术，了解机器人的安全与伦理问题，并展望机器人技术的未来发展与应用前景。
通过学习，读者将能够在机器人相关领域进行研究和创新，为推动机器人技术的发展做出贡献。
库卡机器人使用手册
库卡机器人使用手册第一章：机器人介绍库卡机器人是一款由德国公司KUKA开发的工业机器人，具有高精度、高效率和高灵活性的特点。
它可以广泛应用于各种工业领域，如汽车制造、电子产品生产、物流等。
库卡机器人拥有先进的控制系统和灵活的机械结构，可以完成各种复杂的操作任务，为企业提高生产效率和降低成本。
第二章：机器人结构1. 控制系统：库卡机器人采用先进的控制系统，可以实现高精度的运动控制和灵活的轨迹规划。
操作人员可以通过图形界面轻松地控制机器人的运动和任务执行。
2. 机械结构：库卡机器人采用轻量化的设计，具有高强度和高刚度，可以实现高速、高精度的运动。
机器人手臂可以实现多轴自由度的运动，灵活适应各种操作环境。
3. 传感器系统：库卡机器人配备了各种传感器系统，如视觉传感器、力传感器等，可以实现对环境和操作对象的感知和反馈，保证机器人的安全和稳定性。
第三章：机器人操作1. 启动与停止：按下启动按钮，机器人将进入工作状态；按下停止按钮，机器人将停止工作。
在启动前，需要确保机器人周围的安全区域没有人员和障碍物。
2. 示教操作：通过手动控制器或图形界面软件，可以对机器人进行示教操作，包括位置示教、轨迹示教等。
示教完成后，机器人可以自动执行任务。
3. 运动控制：可以通过手动控制器或图形界面软件实现对机器人的运动控制，如位置控制、速度控制、力控制等。
第四章：安全操作1. 安全防护：在启动机器人前，需要确保机器人的安全防护装置完好有效，以保证操作人员的安全。
2. 急停操作：在发生紧急情况时，可以按下急停按钮，立即停止机器人的运动。
在完成急停后，需要进行故障检查和复位操作。
3. 安全培训：使用库卡机器人需要接受相关的安全培训，了解机器人的操作规程和安全注意事项，避免发生意外事故。
第五章：维护保养1. 清洁保养：定期对机器人进行清洁和保养，包括清洁机械结构、检查电气连接、润滑轴承等，确保机器人的正常运行。
2. 故障排除：当机器人出现故障时，需要及时进行故障排除，包括检查传感器、诊断控制系统等。
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FP R FN 2l cos α
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机械工程与汽车学院
左右旋丝杠平移型夹持器 1－电动机 2－丝杠 3－导轨 4－钳爪杆
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• 由电动机1驱动的一对旋向相反的丝杠2提 供准确的平移夹紧动作。两丝杠协调一致 地安装在同一轴上。由导轨3保证钳爪杆4 的平移运动。 • 夹紧力FN和向丝杠提供的驱动力矩T之间的 计算公式为
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1. 滑槽杠杆式手部
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滑槽杠杆式回转型夹持器 1－支架 2－杆 3－圆柱销 4－杠杆
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• 当驱动器推动杆2向上运动时，圆柱销3在 两杆4的滑槽中，迫使与支架1相铰接的两 手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当 杆2向下运动时，手指松开。 • 夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为
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1－线圈 2－铁心
3－工件
磁吸式吸盘 4－内盘体 5－隔磁物
6－外盘面 7－盘体
27
机械工程与汽车学院
• 它可以分成电磁吸盘和永磁吸盘两种，电磁吸盘是用接通 和切断电磁线圈中的电流（直流或交流），产生和消除磁 力的方法来吸住和释放铁磁性物体。其具体结构如图9-48 所示。线圈1通入电流后，铁心2中产生磁通，磁力线经内 盘体4，避开隔磁物5，通过工件3、外盘面6和盘体7，回 到铁心2，形成回路。由于磁力线通过工件，工件即被吸 住。外盘面6也是给工件定位用的，可根据工件形状来设 计。永磁吸盘则是利用永久磁钢的磁力来吸住铁磁性物体 的，它是通过移动隔磁物体来改变吸盘中磁力线回路，从 而达到吸住和释放物体的目的。它具有不需电源，结构简 单，安全可靠等优点。但同样质量的吸盘，永磁吸盘的吸 力不如电磁吸盘大。
机械工程与汽车学院
机械结构
1
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第二章 机器人的结构
2.1 相关术语及性能指标
关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相 对运动的机构。
2
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第二章 机器人的结构
连杆（Link）：机器人手臂上 被相邻两关节分开的部分。
3
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刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。 它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。
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两自由度机械传动手腕 1、2、3、12、13－轴承 4、5－链轮 6、7－链条 8－手腕壳体 9、11－圆锥齿轮10、14－轴 15－机械接口法兰盘
37
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• 手腕的驱动电动机安装在大臂关节上，经谐波减速器用两 级链传动将运动通过小臂关节传递到手腕轴10上的链轮4、 5。链传动6将运动经链轮4、轴10和锥齿轮9、11带动轴 14（其上装有机械接口法兰盘15）作回转运动（θ1）， 链传动7将运动经链轮5直接带动手腕壳体8实现上下俯仰 摆动（β）。当链传动6和链轮4不动，使链传动7和链轮5 单独转运时，由于轴10不动，转运的壳体8将迫使锥齿轮 11作行星运动，齿轮11随壳体8作公转（上下俯仰），同 时还绕轴14作一附加的自转运动（称为“诱导运动”，用 θ2表示）。或齿轮9、11为正交锥齿轮传动，则θ2＝iβ，i 为锥齿轮9、11的传动比。因此，链传动6、7同时驱动时， 手腕的回转运动应是θ＝θ1±θ2，当链轮4的转向与β转向 相同时用“－”，相反时用“＋”。
2.2 工业机器人的结构
2.2.1 机构运动简图
（a）表示手指（末端执行器）； （b）表示垂直、升降运动； （c）表示水平伸缩运动； （d）表示回转运动； （e）表示俯仰运动。
注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。
7
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直角坐标式
圆柱坐标式
球坐标式
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（a）直接驱动型
FP c FN 2b t an α
18机械工程与汽车学院 Nhomakorabea齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器 1－扇形齿轮 2－齿条杆 3－电磁式驱动器 4－机座 5、6－连杆
19 7－钳爪
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• 电磁式驱动器3以驱动力FP推动齿条杆2和 两个扇形齿轮1，扇形齿轮带动杆5（它们 联接成一整体），绕O1、O2旋转。连杆5、 6，钳爪7和夹持器的机座4构成一平行四杆 机构，驱动两钳爪平移，夹紧和松开工件。 • 夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为
o
o
在相同的位置指令下，机器人连续重
复若干次其位置的分散情况。它是衡 量一列误差值的密集程度，即重复度。
5
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工作空间（Working space）：机器人 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。
6
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PUMA机器人手臂结构 a)大臂驱动机构 b)小臂驱动机构 1、10－大臂 2、3、5、6、8、9、14、15－齿轮 4、13、16－偏心套 7、11－驱动电动机 12－驱动轴 17－小臂 18－机座
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• PUMA机器人是直流伺服电动机驱动的六自由度 关节型机器人。 • 如图9-21所示，其大臂和小臂是用高强度铝合金 材料制成的薄壁框形结构， • 其运动都是采用齿轮传动，传动刚性较大。驱动 大臂的传动机构如图9-21a • 所示，大臂1的运动电动机7安置在臂的后端（兼 起重平衡作用），运动经电 • 动机轴上的小锥齿轮6、大锥齿轮5和一对圆柱齿 轮2、3，驱动大臂轴作转动 • θ2。4为偏心套，用来调整齿轮传动间隙。
T FN d 0 tan
d0为丝杠螺纹的中径（mm）；β为螺纹的螺旋角
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内撑连杆杠杆式夹持器 1－驱动器 2－杆 3－钳爪
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机械工程与汽车学院
• 其撑紧方向与外夹式相反。钳壁 撑紧工 件，为使撑紧后能准确地用内孔定位，多 采用三个钳爪 • 钳爪上撑紧力FN和驱动器1作用在推杆2上 推力FP之间的计算公式为
自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描述物
体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自
由度一般不包括在内。
4
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定位精度（ Positioning accuracy）：指 机器人末端参考点实际到达的位置与所 需要到达的理想位置之间的差距。
重复性（ Repeatability）或重复精度：
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机械工程与汽车学院 GMF M－100型机器人手臂。其手臂的升降运动和伸缩运动都是采用双 圆柱导轨导向和直流伺服电动机驱动滚珠丝杠来实现直线移动。手臂回转 运动是由位于机器人底部的回转机座来实现的。球坐标型和关节型机器人 都配置有实现回转运动的机座。
GMF M－100型机器人手臂
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32
2.2.3 工业机器人腕部结构
腕部影响手部的姿态（方位）
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手腕的自由度 1－手臂 2－机械接口
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摆动液压马达驱动的手腕 1－活塞 2、4－油路 3、7－进、排油孔 5－定片 6－动片
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• 压力油从手腕的右下部经管道3（两条）分别由进 （排）油孔3和7进入（排出）液压马达，进入的 压力油驱动动片6作正、反方向回转。当定片5与 动片6侧面接触时，即停止回转。动片的最大回转 角度由其接触位置决定。夹持器的夹持动作，则 油经油路2进入的压力油驱动单作用液压缸的活塞 1来完成。腕部回转运动的位置控制可采用机械挡 块定位，用位置检测器检测。这种结构紧凑、体 积小，但最大回转角度小于360°，这种结构只 能实现一个腕部自由度。
FP c FN 3b t an
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a) 挤压排气式
b)
气吸式吸盘的结构 真空泵排气式 c) 气流负压式 d) 特殊吸盘 1－压盖 2－密封盖 3－吸盘 4－工件
e)
双吸盘式吸头
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• •
•
• •
•
1、气吸式吸盘 它是在利用轻性橡胶或塑料制成的皮碗中形成的负压来吸住工件的。适于吸 取大而薄，刚性差的金属和木质板材、纸张、玻璃和弧形壳体零件等。根据 不同作业情况，可以做成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊开关的吸盘。按形 成负压的方法有以下几种方式： 1）挤压排气式吸盘 如图9-47a所示，靠向下挤压力将吸盘3内的空气排出， 使其内部形成负压，将工件4吸住。靠挡块（或外力FP作用）碰撞压盖1的上 部，使密封垫2抬起，进入空气，释放工件。有结构简单、质量小、成本低的 优点，但吸力不大，多用于吸取尺寸不大，薄而轻的物体。 2）气流负压式吸盘 控制阀将来自气泵的压缩空气自喷嘴通往，形成高速射 流，将吸盘内腔中的空气带走而形成负压，使吸盘吸住物体。如图9-47c所示， 若作业现场有压缩空气供应，这种吸盘比较方便，且成本低。 3）真空泵排气式吸盘 利用电磁控制阀将吸盘与真空泵相联，当抽气时，吸 盘腔内的空气被抽出，形成负压而吸住物体，见图9-47b。反之，控制阀将吸 盘与大气相连时，吸盘即失去吸力而松开工件。这种吸盘工件可靠，吸力大， 但需配备真空泵及其控制系统，费用较高。 图9-47d为吸取波纹板的特殊吸盘。图9-47e为双吸盘式吸头。
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手指类型：
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常见的另两种手部:
电磁式吸盘
滚 动 轴 承 座 圈 钢 板
齿 轮
多 孔 钢 板
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常见的另两种手部: 气吸式吸盘
双吸头吸盘 多吸头吸盘 吸取瓦楞板
双吸头吸盘
双吸头架式吸盘
多吸头板式吸盘