机器人机械结构

第三章机器人机械结构

本章主要内容：

1.机器人末端执行器

2.机器人手腕

3.机器人手臂

4.机器人基座

5.机器人传动

重点和难点：机器人的机械结构构成和分类。

课后作业：

查阅工业机器人机械结构的常见零部件，论述其特点，图文并茂以小论文形式上交。

机器人机械结构的功能是实现机器人的运动机能，完成规定的各种操作，包含手臂、手腕、手爪和行走机构等部分。机器人的“身躯”一般是粗大的基座，或称机架。机器人的“手”则是多节杠杆机械——机械手，用于搬运物品、装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。使用机械手处理高温、有毒产品的时候，它比人手更能适应工作。

1.机器人末端执行器

用在工业上的机器人的手一般称之为末端操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧专用工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。机械手能根据电脑发出的命令执行相应的动作，不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，也就是“感觉”。

末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：

(1)夹钳式取料手；

(2)吸附式取料手；

(3)专用操作器及转换器；

(4)仿生多指灵巧手。

（1）夹钳式取料手

夹钳式取料手由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，如图所示。它通过手指的开、合实现对物体的夹持。

1）手指

手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开与闭合来实现的。机器人的手部一般有两个手指，也有三个、四个或五个手指，其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。

2）传动机构

传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为单支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动，又可分为摆动回转型和平动回转型。斜楔杠杆式手部。

（2）吸附式取料手

吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手适应于大平面、易碎(玻璃、磁盘)、微小的物体，因此使用面较广。

1）气吸附式取料手

气吸附式取料手与夹钳式取料手指相比，具有结构简单、重量轻、吸附力分布均匀等优点。对于薄片状物体的搬运更具有其优越性(如板材、纸张、玻璃等物体)，广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物体表面较平整光滑，无孔、无凹槽。

2）挤压排气吸附式取料手

挤压排气吸附式取料手如图所示。其工作原理为：取料时吸盘压紧物体，橡胶吸盘变形，挤出腔内多余的空气，取料手上升，靠橡胶吸盘的恢复力形成负压，将物体吸住。释放时，压下拉杆3，使吸盘腔与大气相连通而失去负压。该取料手结构简单，但吸附力小，吸附状态不易长期保持。

3）磁吸附式取料手

磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料，因此只能对铁磁

物体起作用，但是对某些不允许有剩磁的零件禁止使用，所以磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。

（3）专用操作器及转换器

1）专用末端操作器

机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求完成各种动作，再配上各种专用的末端操作器后，就能完成各种动作。如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人，安装拧螺母机则成为一台装配机器人。

2）换接器或自动手爪更换装置

使用一台通用机器人，要在作业时能自动更换不同的末端操作器，就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成：换接器插座和换接器插头分别装在机器腕部和末端操作器上，能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。

（4）仿生多指灵巧手

1）柔性手

为了能对不同外形的物体实施抓取，并使物体表面受力比较均匀，因此研制出了柔性手。

2）多指灵巧手

机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。如图所示，多指灵巧手有多个手指，每个手指有3个回转关节，每一个关节的自由度都是独立控制的。因此，几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿，如拧螺钉、弹钢琴、作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器，将会使多指灵巧手达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛，可在各种极限环境下完成人无法实现的操作，如核工业领域、宇宙空间作业，在高温、高压、高真空环境下作业等。

2.机器人手腕

（1）概述

机器人手腕是在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件。机器人手腕主要用来确定被抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成。

机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。工业机器人一般具有六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。

（2）手腕的分类

1）按自由度分

手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。

①单自由度手腕，如图所示，图( a )是一种翻转( Roll )关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式，这种R关节旋转角度大，可达到360°以上。

图(b)、(c)是一种折曲( Bend )关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种B 关节因为受到结构上的干涉，旋转角度小，大大限制了方向角。

②二自由度手腕。二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕( a )；也可以由两个 B 关节组成BB 手腕( b )。但是，不能由两个R 关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线，所以退化了一个自由度，实际只构成了单自由度手腕( c)。

③三自由度手腕