1、工业机器人的机械结构工业机器人的机械结构n手部机构手部机构n机器人的行走能力机器人的行走能力n机器人机械设计的基本要求及影响因素机器人机械设计的基本要求及影响因素第五节第五节 手部手部(末端执行器末端执行器)机构机构 抓紧和握紧（吸附）工件或夹持专用工具抓紧和握紧（吸附）工件或夹持专用工具（如喷枪、扳手、焊枪）进行操作的部件，模（如喷枪、扳手、焊枪）进行操作的部件，模仿人手，装在手臂前端。仿人手，装在手臂前端。（1）夹钳式取料手）夹钳式取料手（2）吸附式取料手）吸附式取料手（3）专用操作器及转换器）专用操作器及转换器（4）仿生多指灵巧手）仿生多指灵巧手依兴趣自学依兴趣自学夹钳式手部夹钳式手部1
2、、手部的组成手部的组成夹钳式手部夹钳式手部2.夹钳式手部设计的注意事项夹钳式手部设计的注意事项手指应具有一定的开闭范围手指应具有一定的开闭范围开闭范围太小，将限制手部的通用性，开闭范围太小，将限制手部的通用性，甚至使手部不能完成正常的抓放工作甚至使手部不能完成正常的抓放工作手指应具有适当的夹紧力手指应具有适当的夹紧力N=(23)G要保证工件在手指内的定位精度要保证工件在手指内的定位精度结构紧凑，重量轻，效率高结构紧凑，重量轻，效率高通用性和可换性通用性和可换性(一一)手指手指n一般有两个，三个或多个，其结构形式和材料常取决一般有两个，三个或多个，其结构形式和材料常取决于被夹持工件的形状和特性。
3、于被夹持工件的形状和特性。 1）指端形状）指端形状直接与工件接触，结构形式取决于工件形状。直接与工件接触，结构形式取决于工件形状。V形指形指：圆柱形工件：圆柱形工件 平面指平面指：方形、板形工件和细小棒料：方形、板形工件和细小棒料尖指尖指：小型或柔性：小型或柔性工件工件薄指薄指：位于狭窄工：位于狭窄工作场地的细小工件作场地的细小工件长指长指：炽热的工件：炽热的工件特形指特形指：形状不规则工件：形状不规则工件2)指面形状指面形状根据工件形状、大小及其被夹持部位材质、软硬、根据工件形状、大小及其被夹持部位材质、软硬、表面性质不同，指面有：表面性质不同，指面有：A.光滑指面：夹持已加工表面，防止受伤
4、。光滑指面：夹持已加工表面，防止受伤。B.齿形指面：指面刻有齿纹，夹持表面粗糙的毛坯齿形指面：指面刻有齿纹，夹持表面粗糙的毛坯或半成品。或半成品。C.柔性指面：指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等物，夹柔性指面：指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等物，夹持已加工表面、炽热件，薄壁件和脆性工件。持已加工表面、炽热件，薄壁件和脆性工件。3)手指的材料手指的材料一般碳素钢和合金结构钢；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，可选择耐热钢；高温作业的手指，可选择耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行搪在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬
5、或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。(二二)手部的传动机构手部的传动机构n向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作。作。n根据手指开合的动作特点分为：根据手指开合的动作特点分为：回转型传动机回转型传动机构构和和移动型传动机构。移动型传动机构。斜楔杠杆式（回转型）斜楔杠杆式（回转型）斜楔驱动杆斜楔驱动杆滚子滚子圆柱销圆柱销拉簧拉簧铰销铰销手指手指工件工件承载能力较大承载能力较大适合夹持中小型工件适合夹持中小型工件圆柱销圆柱销铰销铰销 手指手指调整各杆之间角度或调整各杆之间角度或杆长，可改变握力的
6、杆长，可改变握力的大小及指间开度；结大小及指间开度；结构简单动作灵活，夹构简单动作灵活，夹持范围大持范围大无自锁功能，精度问无自锁功能，精度问题题滑槽杠杆式（回转型）滑槽杠杆式（回转型）连杆杠杆式（回转型）连杆杠杆式（回转型）1、承载能力大；、承载能力大；2、开闭范围不大；、开闭范围不大；3、用于夹持大型工件；、用于夹持大型工件；4、机构活动环节较多，定心精、机构活动环节较多，定心精度不如斜楔式度不如斜楔式齿条齿轮杠杆式（回转型）齿条齿轮杠杆式（回转型）平移型传动机构平移型传动机构n手指做直线往复运动或平面移动来实现张手指做直线往复运动或平面移动来实现张开与闭合；开与闭合；n用于夹持具有平行平
7、面的工件，结构复杂，用于夹持具有平行平面的工件，结构复杂，不如回转型应用广泛；不如回转型应用广泛；n承载能力大；承载能力大；n但开闭范围不大；但开闭范围不大；n可用于夹持大型工件；可用于夹持大型工件；1)平面平行移动机构平面平行移动机构构件多；构件多；传动效率低；传动效率低；2)直线往复移动机构直线往复移动机构斜楔式斜楔式杠杆式杠杆式2)直线往复移动机构直线往复移动机构齿轮齿条式齿轮齿条式螺旋式螺旋式其它结构形式的手部其它结构形式的手部n勾托式手部勾托式手部n气吸式手部气吸式手部n磁吸式手部磁吸式手部n挠性手部挠性手部n弹簧式手部弹簧式手部n类人式手部类人式手部勾托式手部勾托式手部n利用工件本
8、身的重量来托持工件利用工件本身的重量来托持工件,因此可因此可降低对驱动力的要求降低对驱动力的要求n其他自由度靠摩擦力限制其他自由度靠摩擦力限制n适用于在水平面内和垂直面内搬运大型适用于在水平面内和垂直面内搬运大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的工件变形的工件齿条齿条齿轮齿轮手指手指销子销子驱动油驱动油缸缸手指手指吸附式手部吸附式手部n靠靠吸附力吸附力取料，根据吸附力的不同分为取料，根据吸附力的不同分为气吸附气吸附(真空吸附真空吸附)和磁吸附两种。和磁吸附两种。适用适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微
9、小（不易抓取）的（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体物体。n利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作；与利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作；与夹钳式相比，具有结构简单、重量轻、吸附力分布均夹钳式相比，具有结构简单、重量轻、吸附力分布均匀等优点；匀等优点；n广泛适用于薄片状的非金属材料或不可有剩磁的材料广泛适用于薄片状的非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附，但要求物体表面平整光滑，无孔无凹槽。比的吸附，但要求物体表面平整光滑，无孔无凹槽。比如：板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸如：板材、薄壁零件、陶瓷搪瓷制品、玻璃制品、纸张、塑料等。张、塑料等。气吸附式气吸附式气吸附式手部气吸
10、附式手部气吸附式手部气吸附式手部气吸附式手部气吸附式手部吸附式手部吸附式手部磁吸附式磁吸附式n利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁吸力取料，利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁吸力取料，因此只能对铁磁物体起作用，另外，对某些不允许因此只能对铁磁物体起作用，另外，对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用，所以具有一定的局限性有剩磁的零件要禁止使用，所以具有一定的局限性；n吸附头上常吸附磁性铁屑，会划伤对象物，吸不平；吸附头上常吸附磁性铁屑，会划伤对象物，吸不平；n723摄氏度以上时摄氏度以上时，磁性消失。磁性消失。挠性手部挠性手部n软手爪；软手爪；n由多个关节组成，每个关节都有伺服机构，在由多个关节组成，
11、每个关节都有伺服机构，在自动控制下产生弯曲运动而抓取物体。自动控制下产生弯曲运动而抓取物体。弹簧式手部弹簧式手部类人式手部类人式手部n常见的是三指或五指；常见的是三指或五指；n每个手指的关节通常通过钢丝绳、记忆合金、人每个手指的关节通常通过钢丝绳、记忆合金、人造肌纤维驱动；造肌纤维驱动；第六节第六节 机器人的行走能力机器人的行走能力n驱动装置驱动装置n传动机构传动机构n位置检测元件位置检测元件n传感器传感器n电线及管路电线及管路n支承机器人的机身、臂支承机器人的机身、臂部和手部；部和手部；n带动机器人实现在更广带动机器人实现在更广阔的空间内运动；阔的空间内运动；组成：组成：作用：作用：行走机构
12、分类行走机构分类n固定轨迹式固定轨迹式 多见于工业机器人：机器人的机身底座安装在一个可多见于工业机器人：机器人的机身底座安装在一个可移动的托板座上，靠丝杠螺母驱动；起重机梁行走方移动的托板座上，靠丝杠螺母驱动；起重机梁行走方式。式。n无固定轨迹式无固定轨迹式 与地面连续接触：轮式、履带式与地面连续接触：轮式、履带式 与地面间断接触：步行式与地面间断接触：步行式行走机构分类行走机构分类是机器人应用中最多的，是机器人应用中最多的，在相对平坦坚硬的地面上，在相对平坦坚硬的地面上，用车轮移动的行走方式是优越的。用车轮移动的行走方式是优越的。足式行走机构有很大的适应性；足式行走机构有很大的适应性；尤其适
13、于在有障碍物的通道行走；尤其适于在有障碍物的通道行走；车轮式行走机构车轮式行走机构足式行走机构足式行走机构对行走机器人的一般要求对行走机器人的一般要求n首先机器人能够面对一个物体自行重新定位；首先机器人能够面对一个物体自行重新定位；n行走机器人应能够绕过其运行轨道上的障碍物；行走机器人应能够绕过其运行轨道上的障碍物； 计算机视觉系统是提供上述能力的方法之一计算机视觉系统是提供上述能力的方法之一n能够支持机器人的重量并具有保持稳定的能力；能够支持机器人的重量并具有保持稳定的能力； 增加机器人移动机构的重量和刚性增加机器人移动机构的重量和刚性 进行实时计算和施加所需平衡力进行实时计算和施加所需平衡
14、力n灵活性灵活性车轮式行走机器人车轮式行走机器人（a a）（）（b b）两个驱动轮和两个自位轮）两个驱动轮和两个自位轮（c c）一个驱动系统和转向轮）一个驱动系统和转向轮（e）一个驱动系统和两个转向轮）一个驱动系统和两个转向轮（f）全部轮都装有转向机构）全部轮都装有转向机构车轮式行走机器人车轮式行走机器人n四个轮子全装有转向机四个轮子全装有转向机构，任何方向都能行走、构，任何方向都能行走、拐弯；拐弯；n行走和转弯是相互独立行走和转弯是相互独立的；的；全方位移动机器人全方位移动机器人摇动摆线移动机构摇动摆线移动机构如果机器人本体向前倾倒如果机器人本体向前倾倒时，车轮的接地点变得比时，车轮的接地点
15、变得比重心更靠前，所以能够稳重心更靠前，所以能够稳定站立定站立转臂式阶梯升降机构转臂式阶梯升降机构行走时车轮旋转；行走时车轮旋转；上下台阶时臂回转；上下台阶时臂回转；车轮式行走机器人车轮式行走机器人n每组轮子在各自的驱动电机每组轮子在各自的驱动电机的带动下自由地转动，使机的带动下自由地转动，使机器人移动；器人移动；n驱动电机控制系统可同时驱驱动电机控制系统可同时驱动三组轮子，也可分别驱动动三组轮子，也可分别驱动其中两组轮子；其中两组轮子；n机器人的稳定性不够，易倾机器人的稳定性不够，易倾倒，且运动稳定性随负载轮倒，且运动稳定性随负载轮子的相对位置不同而变化；子的相对位置不同而变化；具有三组轮子
16、的轮系具有三组轮子的轮系两足步行式机器人两足步行式机器人n结构简单；结构简单；n在动静行走性能、稳定性和高速运动方面，很困难；在动静行走性能、稳定性和高速运动方面，很困难；四足步行式机器人四足步行式机器人1、步行时，一只脚抬起，必须移动身体，让重心落在、步行时，一只脚抬起，必须移动身体，让重心落在另三只脚组成的三角形内；另三只脚组成的三角形内；2、改变步行方向和上下台阶，各脚需要三个自由度；、改变步行方向和上下台阶，各脚需要三个自由度；五脚机器人五脚机器人n在平地上靠脚尖上的轮在平地上靠脚尖上的轮子行走；子行走；n腿可以伸缩，使脚踏上腿可以伸缩，使脚踏上台阶，能升能降；台阶，能升能降；六脚步行
17、机器人六脚步行机器人12个自由度，只能前进，不能改变方向个自由度，只能前进，不能改变方向18个自由度，能前进，能改变方向个自由度，能前进，能改变方向履带式行走机器人履带式行走机器人n可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶；能爬梯度不太高的台阶；n没有自位轮，没有转向机构，转弯靠两个履带没有自位轮，没有转向机构，转弯靠两个履带的速度差；的速度差；n横向和前进方向均会产生滑动，转弯阻力大；横向和前进方向均会产生滑动，转弯阻力大；装有转向机构的履带式机器人装有转向机构的履带式机器人形状可变式履带机构形状可变式履带机构其它行走机器人其它行走
18、机器人其它行走机器人其它行走机器人n可以普通行走；可以普通行走；n在管内把脚向上方伸，用管端面上的三个点支撑移动；在管内把脚向上方伸，用管端面上的三个点支撑移动；n骑在管子上沿轴向或圆周移动；骑在管子上沿轴向或圆周移动；第七节第七节 机器人机械设计的基机器人机械设计的基 本要求及影响因素本要求及影响因素n提高机器人性能指标的基本要求提高机器人性能指标的基本要求n机构定位精度和重复精度的影响因素机构定位精度和重复精度的影响因素提高机器人性能指标的基本要求提高机器人性能指标的基本要求n保证工作循环的要求保证工作循环的要求n增加机器人驱动功率增加机器人驱动功率 选用输出力矩大、力矩特性选用输出力矩大
19、、力矩特性好、质量轻、惯量小的电机；好、质量轻、惯量小的电机；n减小关节和连杆的质量和转动惯量减小关节和连杆的质量和转动惯量 合理地选择机合理地选择机器人手臂的形状和材料；器人手臂的形状和材料；n改进控制方法改进控制方法 采用最佳轨迹计算机控制方法；采用最佳轨迹计算机控制方法；提高机器人性能指标的基本要求提高机器人性能指标的基本要求n保证精度的要求保证精度的要求n结构设计方面；结构设计方面；n注意选材；注意选材；n精心制作；精心制作；n严格的检查和试验；严格的检查和试验；提高机器人性能指标的基本要求提高机器人性能指标的基本要求n使用寿命、可靠性和维修方便程度使用寿命、可靠性和维修方便程度n使用寿命（使用寿命（40000h）、平均失效时间（）、平均失效时间（ 400h）、平均维修时间（）、平均维修时间（8h）；）；n改进机器人的设计，尽可能采用较少的零件并改进机器人的设计，尽可能采用较少的零件并使零件容易更换；使零件容易更换；机构定位精度和重复精度的影响因素机构定位精度和重复精度的影响因素n重力影响重力影响n惯性效应惯性效应n齿隙误差齿隙误差n热效应热效应n轴承的游动轴承的游动n扭曲效应扭曲效应
