工业-机器人结构设计课件.ppt

1、第第2章章 机器人结构设计基础机器人结构设计基础2.1 2.1 本体基本结构本体基本结构2.2 2.2 手部设计手部设计2.3 2.3 腕部设计腕部设计2.4 2.4 臂部设计臂部设计2.5 2.5 缓冲与定位缓冲与定位2.6 2.6 行走机构行走机构一、机器人本体基本结构组成：一、机器人本体基本结构组成：1、传动部件2、机身及行走机构3、臂部4、腕部5、手部2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构KUKA公司的工业机器人在工作公司的工业机器人在工作2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构二、机器人本体基本结构特点：二、机器人本体基本结构特点：1、可以简化成各连

2、杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决定了机器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构二、机器人本体基本结构特点：二、机器人本体基本结构特点：2、开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵活。2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构二、机器人本体基本结构特点：二、机器人本体基本结构特点：3、连杆驱动扭矩的顺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

3、隙和运动精度都有较高的要求。2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构二、机器人本体基本结构特点：二、机器人本体基本结构特点：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。2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构二、机器人本体基本结构特点：二、机器人本体基本结构特点： 工作负载与自重的比值工作负载与自重的比值 静、动态刚度静、动态刚度 定位精度、跟踪精度定位精度、跟踪精度 控制系统的要求、造价控制系统的要求、造价 机械系统设计的灵活性机械系统设计的灵活性 固有频率固有频率 避开工作频率避开工作频率 系统

4、的稳定性系统的稳定性2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构1 1、材料选择的、材料选择的基本要求：基本要求： 强度高强度高 弹性模量大弹性模量大 重量轻重量轻 阻尼大阻尼大 材料经济性材料经济性三、机器人本体材料的选择：三、机器人本体材料的选择：三、机器人本体材料的选择：三、机器人本体材料的选择：1 1、机器人常用材料：、机器人常用材料： 碳素结构钢和合金结构钢（广泛采用）碳素结构钢和合金结构钢（广泛采用） 铝、铝合金及其他轻合金材料（重量轻）铝、铝合金及其他轻合金材料（重量轻） 纤维增强合金（较高的纤维增强合金（较高的

5、 E/ /比）比） 陶瓷陶瓷 纤维增强复合材料（高阻尼）纤维增强复合材料（高阻尼） 粘弹性大阻尼材料粘弹性大阻尼材料2.1 2.1 机器人本体的基本结构机器人本体的基本结构SIWR-型和型水下作业机械手模拟试验装置2.2 2.2 手部设计手部设计2.2 2.2 手部设计手部设计新松的装配机器人2.2 手部设计 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 2.2.2 吸盘式手部的设计吸盘式手部的设计 2.2.3 类人机器人的手部类人机器人的手部 关节式手指关节式手指2.2 2.2 手部设计手部设计习题：设计一手部结构，用来抓取盘中的苹果。要求：画出结构，并给出关键尺寸。说明其驱动方式及计算增力

6、比N/P。 机器人的手部是重要的执行机构。从其功机器人的手部是重要的执行机构。从其功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。前者应用较多，也比较成类人机器人的手部。前者应用较多，也比较成熟，后者正处于深入研究阶段。熟，后者正处于深入研究阶段。 工业机器人的手部是用来抓取工件或工具工业机器人的手部是用来抓取工件或工具的部件。由于被抓取的工件的形状、尺寸、重的部件。由于被抓取的工件的形状、尺寸、重量、材质等的不同，手部的结构也是多种多样量、材质等的不同，手部的结构也是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求的，大部分的手部结构是根据

7、特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工作原理不同，结而专门设计的。各种手部的工作原理不同，结构型式各异。常用的手部按其握持原理的不同构型式各异。常用的手部按其握持原理的不同可分为两类，即钳爪式和吸附式。可分为两类，即钳爪式和吸附式。2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计2.2 手部设计2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 钳爪式手部的组成钳爪式手部的组成 一般的钳爪式手部由以下三部分组成：一般的钳爪式手部由以下三部分组成： 手指：手指： 传动机构：传动机构： 驱动装置：驱动装置： 此外，还有连接和支撑元件，将上述此外，还有连接和支撑元件，将上述各部分连接

8、成一个整体，以及实现手部各部分连接成一个整体，以及实现手部与机器人的腕部的连接。与机器人的腕部的连接。2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计一、手指2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计二、传动机构回转型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计斜楔杠杆式手部斜楔杠杆式手部 二、传动机构回转型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计滑槽杠杆式手部滑槽杠杆式手部 二、传动机构回转型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计双支点连杆杠杆式手部双支点连杆杠杆式手部 二、传动机构回转型传动机构2.

9、2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计齿条齿轮杠杆式手部齿条齿轮杠杆式手部 二、传动机构平移型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计直线平移型手部直线平移型手部 二、传动机构平移型传动机构2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计四连杆机构平移型手部四连杆机构平移型手部 1-齿条 2-齿轮 3-工件齿轮齿条移动式手爪1322.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计二、传动机构其它结构型式重力式手爪 二、传动机构其它结构型式拨杆杠杆式钳爪 二、传动机构其它结构型式内撑式三指钳爪 二、传动机构其它结构型式三、钳爪式手部的设计要点2

10、.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 应具有足够的夹紧力 应具有足够的张开角 应能保证工件的可靠定位 应具有足够的强度和刚度 应适应被抓取对象的要求 应尽量做到结构紧凑、重量轻、效率高 应具有一定的通用性和可互换性四、钳爪式手部结构举例以及夹紧力的分析计算2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 手部机构的结构型式不同，其特点手部机构的结构型式不同，其特点也各不相同，下面仅举几个结构实例及也各不相同，下面仅举几个结构实例及其夹紧力的计算公式供设计时参考。钳其夹紧力的计算公式供设计时参考。钳爪式手部机构夹持工件的夹紧力是通过爪式手部机构夹持工件的夹紧力是通过驱动

11、装置驱动装置( (液压、气动或电动液压、气动或电动) )所产生的所产生的驱动力经过手部机构的传递而产生的。驱动力经过手部机构的传递而产生的。四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例 齿轮齿条式手部结构齿轮齿条式手部结构 注：两手指平移 增力比（N/P）小N=P/2NNP2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例平行连杆杠杆式手部结构平行连杆杠杆式手部结构 N=PLcos(+)/(2lsincos)注：ABDE，DBAE，LBC杆长，lAB杆长；两手指保持平行；当角较小时，可获得较大的力比。NNPABCE2.2.1 2.2.1 钳爪式手部

12、的设计钳爪式手部的设计四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例 连杆杠杆式手部结构连杆杠杆式手部结构PNNcbN=Pcsin(+)/2bsinsin注：手指开闭角较小；当取较小的时，可获得较大的增力比（即NP）2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例斜楔杠杆式手部结构斜楔杠杆式手部结构 PcbPNN=Pcctg/2N2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例滑槽杠杆式手部结构滑槽杠杆式手部结构 PNNbNPc/2b2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 吸附类手

13、部也主要分为两种，即吸附类手部也主要分为两种，即气吸式和磁吸式两种。气吸式和磁吸式两种。 气吸式是指用负压吸盘吸附工件，气吸式是指用负压吸盘吸附工件，按负压产生的方式不同，可分为挤按负压产生的方式不同，可分为挤压式和真空式两种。压式和真空式两种。 磁吸式手部是在手腕部装上电磁磁吸式手部是在手腕部装上电磁铁，通过电磁吸力把工件吸住。铁，通过电磁吸力把工件吸住。2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计一、气吸式手部的种类真空吸盘系统2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计一、气吸式手部的种类123451-电机 2-真空泵 3,4-电磁阀 5-吸盘真空吸盘控制系统真空

14、吸盘控制系统42.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计一、气吸式手部的种类气流负压喷嘴吸盘结构原理图气流负压喷嘴吸盘结构原理图 挤压负压式吸盘挤压负压式吸盘 2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计 吸力大小与吸盘的直径大小，吸盘内的吸力大小与吸盘的直径大小，吸盘内的真空度真空度( (或负压大小或负压大小) )以及吸盘的吸附面以及吸盘的吸附面积的大小有关。工件被吸附表面的形状积的大小有关。工件被吸附表面的形状和表面不平度也对其有一定的影响，设和表面不平度也对其有一定的影响，设计时要充分考虑上述各种因素，以保证计时要充分考虑上述各种因素，以保证有足够的吸附力。有足

15、够的吸附力。 应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘状吸头。状吸头。二、气吸式手部的设计要素2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计三、气吸式手部的吸力计算2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计 吸盘吸力的大小主要取决于真空度吸盘吸力的大小主要取决于真空度( (或负压的大小或负压的大小) )与吸附面积的大小。与吸附面积的大小。 真空吸盘吸力真空吸盘吸力F F计算公式：计算公式：)76(43212H

16、KKKnDF 磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生磁力来吸取工件。磁铁通电后产生磁力来吸取工件。 磁吸式手部只能对铁磁物体起作磁吸式手部只能对铁磁物体起作用；另外，对某些不允许有剩磁的用；另外，对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸式手零件要禁止使用。所以，磁吸式手部的使用有一定的局限性。部的使用有一定的局限性。2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计四、磁吸式手部的原理与应用五、磁吸式手部2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计电磁铁工作原理电磁铁工作原理 五、磁吸式手部2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手

17、部的设计盘状磁吸附手部结构盘状磁吸附手部结构 五、磁吸式手部2.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计几种电磁式吸盘工作示意图几种电磁式吸盘工作示意图 应具有足够的电磁吸引力。 应根据被吸附工件的形状、大小来确定电磁吸盘的形状、大小，吸盘的吸附面应与工件的被吸附表面形状一致。 电磁吸力的计算a.直流电磁铁的吸力计算：b.交流电磁铁的吸力计算：NBS250002()NBSm平均()50022.2.2 2.2.2 吸附式手部的设计吸附式手部的设计六、磁吸式手部的设计要点及计算12345678910111.1. 磁盘；磁盘；2 2防尘盖；防尘盖；3 3线圈；线圈；4 4外壳体；外壳体；

18、5 5螺母；螺母；6 6防尘螺母；防尘螺母；7 7，9 9垫圈；垫圈；8 8螺母；螺母；1010轴承；轴承；1111出导线孔出导线孔2.2.1 2.2.1 钳爪式手部的设计钳爪式手部的设计 带带“眼睛眼睛”（机（机器视觉系统）的件器视觉系统）的件箱拆垛手爪；工料箱拆垛手爪；工料定位精度定位精度mmmm，负，负载能力载能力100kg100kg；物料最大尺寸：物料最大尺寸：1000mm1000mm600mm,600mm,可可2 2件或件或3 3件一起抓取。件一起抓取。 带带“眼睛眼睛”（机（机器视觉系统）的辅器视觉系统）的辅料堆垛手爪料堆垛手爪; ;工料工料识别准确率：识别准确率：100%100%

19、，工料定位精度工料定位精度1mm1mm，负载能力，负载能力125kg;125kg;物料最大物料最大尺寸：尺寸：600mm600mm500mm 500mm 件箱堆垛手件箱堆垛手爪：负载能力爪：负载能力100kg,100kg,物料物料最大尺寸：最大尺寸：1000mm1000mm600mm 600mm 带传感器识别、带传感器识别、抓取薄膜的拆包抓取薄膜的拆包手爪：识别定位手爪：识别定位精度精度0.5mm0.5mm，带抓取、剪断钢带抓取、剪断钢质捆扎带机构。质捆扎带机构。 烟包搬运机械烟包搬运机械手：搬运负载手：搬运负载能力能力300kg,300kg,带取夹板辅助带取夹板辅助功能。功能。 大部分的工业

20、机器人的手部只有两个大部分的工业机器人的手部只有两个手指，而且手指上一般没有关节。为了手指，而且手指上一般没有关节。为了使机器人的手臂能完成各种不同的工作，使机器人的手臂能完成各种不同的工作，有更大的适应性和通用性，除了要使臂有更大的适应性和通用性，除了要使臂部具有更大的空间活动范围外，还要在部具有更大的空间活动范围外，还要在其上安装一个更灵巧的手，即类人手。其上安装一个更灵巧的手，即类人手。这种手是由若干带有关节的手指构成。这种手是由若干带有关节的手指构成。 2.2.3 2.2.3 类人机器人的手部类人机器人的手部关节式手指关节式手指 类人机器人的手部具有多关节的三指手具有多关节的三指手 类

21、人机器人的手部1,9-1,9-适应弹簧适应弹簧 2,3,8-2,3,8-连杆连杆 4 4食指食指 5 5中指中指6 6无名指无名指 7 7小指小指 1010蜗轮蜗轮 1111驱动杆驱动杆贝尔格莱德手贝尔格莱德手1234567891011 在张启先院士的主持下，在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人北京航空航天大学机器人研究所于研究所于80年代末开始年代末开始灵巧手的研究与开发。灵巧手的研究与开发。 灵巧手有三个手指，每灵巧手有三个手指，每个手指有个手指有3个关节，个关节，3个个手指共手指共9个自由度，微电个自由度，微电机放在灵巧手的内部，各机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，关

22、节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实采用两级分布式计算机实时控制系统。时控制系统。北航研制的BH-3灵巧手 北航研制的BH-4灵巧手 BH-4型灵巧手有四个型灵巧手有四个手指，每个手指有手指，每个手指有4个关节，个关节，4个手指共个手指共16个自由度，其个自由度，其关节由齿轮传动，包括直流关节由齿轮传动，包括直流伺服电机、行星减速器和光伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。码盘在内的电机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对光码盘用于测量电机轴相对转角，关节轴绝对转角由电转角，关节轴绝对转角由电位计测量。位计测量。四指每个手指三个自由

23、度，末端两关节耦合 腱和滑轮传动直线电机驱动指端力/力矩传感器位置传感器关节力矩传感器哈尔滨工业大学研制的HIT-1手哈尔滨工业大学研制的HIT/DLR手四指每个手指三个自由 度，基关节两个，上面两个关节通过连杆耦合齿轮系、谐波齿轮 传动无刷直流电机驱动指端力/力矩传感器位置传感器关节力矩传感器传感器处理电路，电机驱动电路实现手指集成化我校研制的三指灵巧手 三指手指三自由度斜齿轮传动直流电机驱动位置传感器指端三维力传感器 Utah/MIT型灵型灵巧手外形与人手更接巧手外形与人手更接近。该手包括近。该手包括3个具个具有有4自由度的手指和自由度的手指和一个拇指，其几何尺一个拇指，其几何尺寸和人手接

24、近。寸和人手接近。 该手由该手由4个具有个具有4自由度的手指模块组自由度的手指模块组成，每个模块由腱、成，每个模块由腱、滑轮传动系统驱动。滑轮传动系统驱动。Stanford/JPL灵巧手 Stanford/JPL型灵巧手有三个手指，每个手指有型灵巧手有三个手指，每个手指有3个个自由度和自由度和4根控制线，整个手由根控制线，整个手由12个直流伺服电机组成的个直流伺服电机组成的驱动块驱动。该手的控制实验主要集中在手指尖的抓取。驱动块驱动。该手的控制实验主要集中在手指尖的抓取。德国宇航中心研制的德国宇航中心研制的DLRDLR手手 “海沟号”无人潜水器 “海沟号”无人潜水器在大海中摘西红柿机器人摘西红

25、柿机器人2.3 腕部设计 2.3.1 概述概述 2.3.2 腕部的设计要点腕部的设计要点 2.3.3 典型的腕部结构典型的腕部结构2.3.1 概述 机器人操作臂将末端工具置于机器人操作臂将末端工具置于其工作的三维空间内的任意点需要其工作的三维空间内的任意点需要三个自由度。为了进行实际操作，三个自由度。为了进行实际操作，它还应该能够将工具置于任意的方它还应该能够将工具置于任意的方位，这还需要一个腕部，它一般还位，这还需要一个腕部，它一般还需要有三个自由度，即回转、俯仰需要有三个自由度，即回转、俯仰和摆动三个自由度。和摆动三个自由度。2.3.1 概述具有回转、俯仰和摆动三个自由度的手腕具有回转、俯

26、仰和摆动三个自由度的手腕回转摆动手腕俯仰2.3.1 概述(a)(a)是一种翻转是一种翻转(Roll)(Roll)关节，它把手臂纵轴线关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共和手腕关节轴线构成共轴线形式，这种轴线形式，这种R R关节关节旋转角度大，可达到旋转角度大，可达到360360以上。以上。 (b)(c)(b)(c)是一种折曲是一种折曲(Bend)(Bend)关节，关节轴线关节，关节轴线与前后两个连接件的轴与前后两个连接件的轴线相垂直。这种线相垂直。这种B B关节关节因为受到结构上的干涉，因为受到结构上的干涉，转角度小，大大限制了转角度小，大大限制了方向角。这和人的手腕方向角。这和人的手腕差

27、不多差不多. . （d d）所示为移动关节，）所示为移动关节，也叫也叫T T关节关节2.3.1 概述二自由度手腕二自由度手腕可以由一个可以由一个R R关关节和一个节和一个B B关节关节组成组成BRBR手腕手腕(a),(a),也可以由两个也可以由两个B B关节组成关节组成BBBB手腕手腕(b)(b)。但是，不。但是，不能由两个能由两个R R关节关节组成组成RRRR手腕，因手腕，因为两个为两个R R关节共关节共轴线，所以退化轴线，所以退化了一个自由度，了一个自由度，实际只构成了单实际只构成了单自由度手腕自由度手腕(c).(c).2.3.1 概述三自由度手腕三自由度手腕可以由可以由B B关节和关节和

28、R R关节组成许多种关节组成许多种形式。此外，形式。此外，B B关节和关节和R R关节排关节排列的次序不同，列的次序不同，也会产生不同的也会产生不同的效果，也产生了效果，也产生了其它形式的三自其它形式的三自由度手腕。为了由度手腕。为了使手腕结构紧凑，使手腕结构紧凑，通常把两个通常把两个B B关关节安装在一个十节安装在一个十字接头上，这对字接头上，这对于于BBRBBR手腕来说手腕来说大大减小了手腕大大减小了手腕纵向尺寸。纵向尺寸。2.3.1 概述2.3.1 概述2.3.1 概述2.3.2 腕部的设计要点 结构应尽量紧凑、重量轻结构应尽量紧凑、重量轻 要适应工作环境的要求要适应工作环境的要求 要综

29、合考虑各方面要求，合理布要综合考虑各方面要求，合理布局局 2.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构A.具有回转运动的腕部结构具有回转缸的腕部结构具有回转缸的腕部结构腕部回转腕部回转手部夹持手部夹持2.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构一、直接驱动的腕部结构 A.A.具有回转运动的腕部结构具有回转运动的腕部结构 B.B.具有回转和摆动运动的腕部结构具有回转和摆动运动的腕部结构B.具有回转和摆动运动的腕部结构具有回转与摆动的腕部结构具有回转与摆动的腕部结构腕部摆动腕部摆动腕部回转腕部回转腕部回转缸腕部回转缸腕部摆动缸腕部摆动缸2.3.3 典型的腕部

30、结构 一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构 B.具有回转和摆动运动的腕部结构二、具有机械传动的腕部结构 A.具有两个自由度机械传动的腕部结构 a.腕部的俯仰运动；b.手部的回转运动； c.腕部的俯仰运动引起的诱起运动 A.具有两个自由度机械传动的腕部结构具有两个自由度机械传动的腕部结构原理具有两个自由度机械传动的腕部结构原理 2.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构 B.具有回转和摆动运动的腕部结构二、具有机械传动的腕部结构 A.具有两个自由度机械传动的腕部结构 a.腕部的俯仰运动；b.手部的回转运动； c.腕部的俯仰运动引起的诱起运动 B.

31、B.具有三个自由度机械传动的腕部结构具有三个自由度机械传动的腕部结构 a.a.腕部俯仰运动及其诱起运动；腕部俯仰运动及其诱起运动；b.b.腕部回转运动腕部回转运动 及其诱起运动；及其诱起运动；c.c.手部回转运动手部回转运动B.具有三个自由度机械传动的腕部结构具有三个自由度机械传动的腕部机构原理图具有三个自由度机械传动的腕部机构原理图123B2TS45678910111213141516171918B1B2.3.3 典型的腕部结构 一、直接驱动的腕部结构二、具有机械传动的腕部结构三、柔顺手腕结构 2.3.3 典型的腕部结构 2.3.3 典型的腕部结构 2.3.3 典型的腕部结构 柔顺手腕结构2

32、.3 臂部设计 2.3.1 概述概述 2.3.2 臂部设计要点臂部设计要点 2.3.3 臂部的结构形式臂部的结构形式2.3.1 概述概述 臂部是机器人的主要执行臂部是机器人的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，部件，其作用是支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。机器人并改变手部的空间位置。机器人的臂部一般有的臂部一般有2 23 3个自由度，即个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降；臂部伸缩、回转、俯仰或升降；臂部的总重量较大，受力一般比较复的总重量较大，受力一般比较复杂，在运动时，直接承受腕部，杂，在运动时，直接承受腕部，手部和工件手部和工件( (或工具或工具) )的静、动载的静、动载荷。荷。2

33、.3.2 臂部设计要点臂部设计要点手臂应具有手臂应具有足够的承载足够的承载能力和刚性能力和刚性2.3.2 臂部设计要点臂部设计要点导向性好导向性好2.3.2 臂部设计要点臂部设计要点 运动要平稳、运动要平稳、定位精度要高，定位精度要高，应注意减轻重应注意减轻重量和运动惯量量和运动惯量 PUMA-262关节型机器人驱动结构关节型机器人驱动结构 2.3.3 臂部的结构形式臂部的结构形式 工业机器人的臂部结构一般工业机器人的臂部结构一般包括臂部的伸缩、回转、俯仰或包括臂部的伸缩、回转、俯仰或升降等运动结构以及与其有关的升降等运动结构以及与其有关的构件，如传动机构、驱动装置、构件，如传动机构、驱动装置

34、、导向定位装置、支承连接件和位导向定位装置、支承连接件和位置检测元件等，此外还有与腕部置检测元件等，此外还有与腕部( (或手部或手部) )连接的有关构件及配管、连接的有关构件及配管、线等。线等。 2.3.3 臂部的结构形式臂部的结构形式 1-1- 升降升降 2 2回转回转 3 3伸缩伸缩 4 4升降位置检测器升降位置检测器 5 5控制器控制器6 6液压源液压源 7 7回转机构回转机构 8 8机身机身 9 9回转位置检测器回转位置检测器 1010升降缸升降缸圆柱坐标机器人的臂部结构圆柱坐标机器人的臂部结构213456789102.3.3 臂部的结构形式臂部的结构形式 1-1-回转用齿轮齿条副回转

35、用齿轮齿条副 2 2回转齿条缸回转齿条缸 3 3接控制柜接控制柜 4 4液压源液压源 5 5手腕弯曲油缸手腕弯曲油缸 6 6手腕回转用油缸手腕回转用油缸 7 7俯仰回转轴俯仰回转轴 8 8花键轴花键轴 9 9伸缩缸伸缩缸 1010伸缩伸缩 1111回转回转 1212上下弯曲上下弯曲 1313俯仰俯仰 1414臂回转臂回转 1515俯仰缸俯仰缸 1616机身机身极坐标型机器人的极坐标型机器人的臂部结构臂部结构123456789101112131415162.3.3 臂部的结构形式 PUMA-262关节型机器人驱动结构关节型机器人驱动结构 2.3.3 臂部的结构形式 1 1臂回转臂回转 2 2回转

36、用油缸回转用油缸 3 3液压源液压源 4 4控制柜控制柜 5 5连杆连杆 6 6臂前后运动臂前后运动7 7臂俯仰臂俯仰 8 8腕摆动腕摆动 9 9腕弯曲腕弯曲 1010示教手柄示教手柄 1111臂俯仰缸臂俯仰缸关节式臂部结构关节式臂部结构12345678910112.3.3 臂部的结构形式 1 1机座机座 2 2示教盒示教盒 3 3控制柜控制柜 4 4水平回转水平回转M1 5M1 5回转轴回转轴6 6水平回转水平回转M2 7M2 7腕回转腕回转M3 8M3 8腕上下运动腕上下运动M4M4水平多关节式臂部结构水平多关节式臂部结构 12345678M4M2M1M32.3.3 臂部的结构形式 1 1

37、- -肩回转肩回转 2 2肩弯曲肩弯曲 3 3肘弯曲肘弯曲 4 4腕回转腕回转 5 5腕弯曲腕弯曲 6 67 78 8手指弯曲手指弯曲 多关节型仿人手臂多关节型仿人手臂 123456782.3.3 臂部的结构形式 PUMA-262关节型机器人传动原理关节型机器人传动原理 2.4 缓冲与定位 2.4.1 概述概述 2.4.2 工业机器人的运动特性工业机器人的运动特性 2.4.3 工业机器人的定位方法工业机器人的定位方法 2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置工业机器人的定位缓冲装置 2.4.1 概述概述 惯性冲击的影响惯性冲击的影响 定位方法的影响定位方法的影响 结构刚性的影响结构刚性的影响 控制

38、及驱动系统的影响控制及驱动系统的影响 对于在工业生产中应用的工业机器人，对于在工业生产中应用的工业机器人，一般要求它速度快、运动平稳，重复定位精一般要求它速度快、运动平稳，重复定位精度高。因此运动平稳性和重复定位精度是衡度高。因此运动平稳性和重复定位精度是衡量机器人性能的重要指标，影响这些指标的量机器人性能的重要指标，影响这些指标的主要因素如下：主要因素如下：2.4.2 工业机器人的运动特性 工业机器人的运动特性就是指工业机器人的运动特性就是指其运动行程、运动速度和运动加速其运动行程、运动速度和运动加速度随时间变化的规律。分析机器人度随时间变化的规律。分析机器人运动特性的目的在于根据工作条件运

39、动特性的目的在于根据工作条件来选择适当的运动特性。下图是工来选择适当的运动特性。下图是工业机器人常用的几种特性曲线。业机器人常用的几种特性曲线。2.4.2 工业机器人的运动特性工业机器人的几种典型运动特性曲线工业机器人的几种典型运动特性曲线 123sOTTttt1231vaO232.4.3 工业机器人的定位方法 在机械加工、装配等的作业中，在机械加工、装配等的作业中，对机器人的定位精度要求比较高。对机器人的定位精度要求比较高。设计时应根据具体的要求选择适当设计时应根据具体的要求选择适当的定位方法。目前常用的定位方法的定位方法。目前常用的定位方法有：有：电气开关定位、机械挡块定位电气开关定位、机

40、械挡块定位和伺服定位。和伺服定位。2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 工业机器人与机械手常用的工业机器人与机械手常用的缓冲装置有缓冲装置有弹性缓冲元件、油弹性缓冲元件、油( (气气) )缸端部缓冲装置、缓冲回路缸端部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器和液压缓冲器等几种结构形式。等几种结构形式。2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 按照它们在机器人或按照它们在机器人或( (机械手机械手) )结构结构中的设置可以分为中的设置可以分为内部缓冲和外部缓冲内部缓冲和外部缓冲两类。两类。在驱动系统内设置的缓冲环节属在驱动系统内设置的缓冲环节属于于内部缓冲内部缓冲，例如油，例如油( (气气) )缸端部节流缓缸

41、端部节流缓冲环节与缓冲回路均属于此类。弹性缓冲环节与缓冲回路均属于此类。弹性缓冲环节和液压缓冲器一般设置在驱动系冲环节和液压缓冲器一般设置在驱动系统之外，故属于统之外，故属于外部缓冲外部缓冲。2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 内部缓冲内部缓冲装置具有结构简单、装置具有结构简单、紧凑等优点，但安装位置受到限制。紧凑等优点，但安装位置受到限制。 外部缓冲外部缓冲具有安装简便、灵具有安装简便、灵活、容易调整等优点，但结构较庞活、容易调整等优点，但结构较庞大一些。大一些。2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 1.1.弹性缓冲元件弹性缓冲元件水平冲击时缓冲元件吸收的能量为：水平冲击时缓冲元件吸收的能

42、量为：FdxmvPdxXX02012maxmax2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 2.2.油油( (气气) )缸端部缓冲装置缸端部缓冲装置 当活塞运动到距离油当活塞运动到距离油( (气气) )缸端盖某缸端盖某一距离时，能在活塞与端盖之间形成一一距离时，能在活塞与端盖之间形成一缓冲室，利用节流原理使缓冲室产生临缓冲室，利用节流原理使缓冲室产生临时背压阻力，使运动速度降低至定位处时背压阻力，使运动速度降低至定位处停止，这种避免硬性冲击的装置称为油停止，这种避免硬性冲击的装置称为油( (气气) )缸端部缓冲装置。缸端部缓冲装置。2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 2.2.1 1 油缸端部缓冲装

43、置油缸端部缓冲装置 2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 2.2.1 1 油缸端部缓冲装置油缸端部缓冲装置 2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 2.2.2 2 气缸端部缓冲装置气缸端部缓冲装置 ABCD2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 3.3.缓冲回路缓冲回路2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置 4.4.液压缓冲器液压缓冲器 液压缓冲器也是利用液压节流液压缓冲器也是利用液压节流产生阻力原理制造的，其结构比较产生阻力原理制造的，其结构比较简单，缓冲、制动性能可调，是气简单，缓冲、制动性能可调，是气动机械手常用的一种缓冲方法。动机械手常用的一种缓冲方法。2.5 行走机构 2.5.1 概述概述

44、 2.5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 2.5.3 履带式行走机构履带式行走机构 2.5.4 步行式行走机构步行式行走机构 2.5.5 特种移动机器人特种移动机器人2.5.1 概述 机器人可以分为机器人可以分为固定式固定式和和行走式行走式两两种。对机器人的行走机构，可根据不同种。对机器人的行走机构，可根据不同的行走环境情况，提出不同的要求，根的行走环境情况，提出不同的要求，根据机器人的行走环境，将机器人所具有据机器人的行走环境，将机器人所具有的移动机能分为以下几个方面：的移动机能分为以下几个方面：地面移地面移动机能、水中移动机能、空中移动机能动机能、水中移动机能、空中移动机能和地中移动机能

45、和地中移动机能等四个方面。等四个方面。 2.5.1 概述 具有地面行走机能的行走机构具有地面行走机能的行走机构按其特点可以分为按其特点可以分为车轮式、履带式车轮式、履带式和和关节式行走机构关节式行走机构。它们在行走过。它们在行走过程中，前两者与地面连续接触，后程中，前两者与地面连续接触，后者为间断接触。前者的形态为运行者为间断接触。前者的形态为运行车式，后者则为类人或动物的腿脚车式，后者则为类人或动物的腿脚式。式。2.5.2 车轮式行走机构 车轮式行走机构具有移动平稳、车轮式行走机构具有移动平稳、能耗小以及容易控制移动速度和方能耗小以及容易控制移动速度和方向等优点，因此得到普遍的应用，向等优点

46、，因此得到普遍的应用，但这些优点只能在平坦的地面上才但这些优点只能在平坦的地面上才能发挥出来。目前取得应用的主要能发挥出来。目前取得应用的主要是三轮式和四轮式。是三轮式和四轮式。 2.5.2 车轮式行走机构 车轮的形式车轮的形式a）充气球轮）充气球轮b）半球形轮）半球形轮c）传统车轮）传统车轮d）无缘轮）无缘轮2.5.2 车轮式行走机构 日本火星探测机器人日本火星探测机器人2.5.2 车轮式行走机构 “机遇号机遇号”美国火星探路者机器人美国火星探路者机器人2.5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 利用陀螺仪的两轮车利用陀螺仪的两轮车2.5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 日本骑车机器人日本骑

47、车机器人2.5.2 车轮式行走机构 一个驱动轮和转向机构来转弯一个驱动轮和转向机构来转弯 两个驱动轮转速差和另一个支撑轮来转弯两个驱动轮转速差和另一个支撑轮来转弯 图图2 242 42 三个轮的行走和转弯机构三个轮的行走和转弯机构OO(a)(b)2.5.2 车轮式行走机构 (a)(a)二个驱动轮和二个自位轮二个驱动轮和二个自位轮 (b)(b)二个驱动轮二个自位轮二个驱动轮二个自位轮 (c)(c)一个驱动系统和转向一个驱动系统和转向轮轮 (d)(d)一个驱动系统和二个转向轮一个驱动系统和二个转向轮 (e)(e)全部轮都装有转向机构，能减少转弯半径全部轮都装有转向机构，能减少转弯半径图图2 243

48、 43 四个轮的行走和转弯机构四个轮的行走和转弯机构OO(a)(c)O(b)OO差动齿轮装置差动齿轮装置(d)(e)2.5.2 车轮式行走机构 全方位移动机构全方位移动机构2.5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 2.5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 这台机器人配备有这台机器人配备有GPS、6台摄影机，台摄影机，一双强力的机械手臂一双强力的机械手臂（最大可举起（最大可举起75kg的物体）。其六个独的物体）。其六个独立轮可以适应各种地立轮可以适应各种地形，最大爬坡能力高形，最大爬坡能力高达达45度。度。 2.5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 2.5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 2.

49、5.2 车轮式行走机构车轮式行走机构 2.5.3 履带式行走机构 德国德国排爆机器人排爆机器人TALON 被称为世界上第被称为世界上第一个武装机器人。它基于一个武装机器人。它基于SWORDS（特殊武器观（特殊武器观测勘查探测系统）。他能测勘查探测系统）。他能够让士兵在一千米开外远够让士兵在一千米开外远程开火。这个机器人能装程开火。这个机器人能装备一系列的武器，包括备一系列的武器，包括M16步枪，步枪，M82巴雷特步巴雷特步枪和一个枪和一个40毫米的榴弹发毫米的榴弹发射器。射器。 2.5.3 履带式行走机构 容易上下台阶的履带式机器人容易上下台阶的履带式机器人2.5.3 履带式行走机构履带式行走

50、机构 履履带带式式机机器器人人的的移移动动作作业业2.5.3 履带式行走机构履带式行走机构 履履带带式式机机器器人人的的移移动动作作业业2.5.3 履带式行走机构履带式行走机构 适应地形的履带适应地形的履带2.5.4 步行式行走机构步行式行走机构 用类似于动物那样，利用脚部关节机构，用类似于动物那样，利用脚部关节机构，用步行方式，实现移动的机械，称作步行机用步行方式，实现移动的机械，称作步行机构。步行机器人采用步行机构，其特征是不构。步行机器人采用步行机构，其特征是不仅能够在凸凹不平的地上行走、跨越沟壑、仅能够在凸凹不平的地上行走、跨越沟壑、上下台阶，因而具有广泛的适应性，但控制上下台阶，因而