工业机器人的本体结构课件.pptx

1、全国应用型高校工业机器人领域人才培养“十三五”规划教材 项目3 工业机器人的本体结构 【学习目标】【学习目标】 （1）熟悉工业机器人的本体基本结构形式和材料）熟悉工业机器人的本体基本结构形式和材料 （2）掌握工业机器人臂部基本结构形式和特点）掌握工业机器人臂部基本结构形式和特点 （3）掌握工业机器人腕部结构及手部结构）掌握工业机器人腕部结构及手部结构【知识要点】【知识要点】 （1）掌握工业机器人的本体的基本结构形式，并了解相对应结构的优缺点）掌握工业机器人的本体的基本结构形式，并了解相对应结构的优缺点 （2）熟练掌握机器人本体材料的相关特性）熟练掌握机器人本体材料的相关特性 （3）掌握工业机器

2、人臂部结构的基本形式和特点）掌握工业机器人臂部结构的基本形式和特点 （4）掌握工业机器人臂部质量平衡方法）掌握工业机器人臂部质量平衡方法 （5）掌握工业机器人手部和腕部结构的基本形式和特点）掌握工业机器人手部和腕部结构的基本形式和特点【训练项目】【训练项目】 （1）工业机器人本体结构及特点）工业机器人本体结构及特点 （2）机身及臂部结构）机身及臂部结构 （3）腕部及手部结构）腕部及手部结构任务一 工业机器人本体结构及特点 1.1机器人本体的基本结构形式 工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。最广泛工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形

3、式。最广泛 使使用的工业机器人坐标形式有用的工业机器人坐标形式有: 直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式（极坐标式）、（极坐标式）、关节坐关节坐标式标式（包括平面关节式）。（包括平面关节式）。 1.直角坐标式机器人直角坐标式机器人 直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器人总数的占工业机器人总数的14 % 左右。一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动（左右。一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动（Z 方向运方向运动），并可沿滑架和横梁

4、上的导轨进行水平面内二维移动（动），并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动（X 、Y 方向运动）。直角坐标式方向运动）。直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。任务一 工业机器人本体结构及特点 1.1机器人本体的基本结构形式直角坐标式机器人具有如下直角坐标式机器人具有如下优点优点：（1）结构简单。）结构简单。（2）容易编程。）容易编程。（3）采用直线滚动导轨后）采用直线滚动导轨后, 速度高速度高, 定位精度高。定位精度高。（4）在）在X 、Y 和和Z 三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系

5、统设计相对容易些。三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些。但是，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，带来许多问题但是，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，带来许多问题, 其主要其主要缺点缺点如下：如下：（1）导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很好。）导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很好。（2）导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。）导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围。（3）为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。）为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高。（4）结构尺寸与有效工作范围相比显得

6、庞大。）结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大。（5）移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。）移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗。任务一 工业机器人本体结构及特点 1.1机器人本体的基本结构形式近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标式机器人中的比重正在增加（见图近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标式机器人中的比重正在增加（见图3-1)。在像装配飞机构件这样的大。在像装配飞机构件这样的大车间中车间中, 这种起重机台架式直角坐标机器人的这种起重机台架式直角坐标机器人的X 、Y 坐标轴方向移动距离分别可达坐标轴方向移动距离分

7、别可达100 m 和和40 m，沿，沿Z 坐标轴方向可达坐标轴方向可达5 m，成为目前最大的，成为目前最大的机器人。并且机器人。并且, 因为仅仅台架的立柱占据了安装位置，所以它能很好地利用车间的空间。因为仅仅台架的立柱占据了安装位置，所以它能很好地利用车间的空间。 3-1 起重机台架式直角坐标机器人任务一 工业机器人本体结构及特点 3.1机器人本体的基本结构形式机器人本体的基本结构形式2.圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度: 腰转、升降、手臂伸缩。手腕通常采用两个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。腰转、

8、升降、手臂伸缩。手腕通常采用两个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，如图手腕若采用三个自由度，如图3 -2 所示，则使机器人自由度总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有部分重复。此类所示，则使机器人自由度总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有部分重复。此类工业机器人大约占工业机器人总数的工业机器人大约占工业机器人总数的47% 左右。左右。圆柱坐标式机器人的优点如下：圆柱坐标式机器人的优点如下：（1）除了简单的）除了简单的“抓抓放放”作业外还可以用在许多其他生产领域，与直角坐标式机器人相比增加了通用性。作业外还可以

9、用在许多其他生产领域，与直角坐标式机器人相比增加了通用性。（2）结构紧凑。）结构紧凑。（3）在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量）在垂直方向和径向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量, 改善动改善动力学载荷。力学载荷。圆柱坐标式机器人的缺点是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。不过圆柱坐标式机器人的缺点是由于机身结构的缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围。不过, 当手腕具有像图当手腕具有像图 3 -2 所示的第四个转动关

10、所示的第四个转动关节时，在一定程度上弥补了这个缺陷。节时，在一定程度上弥补了这个缺陷。 图3-2六自由度圆柱坐标式机器人任务一 工业机器人本体结构及特点 1.1机器人本体的基本结构形式机器人本体的基本结构形式3.球面坐标式机器人球面坐标式机器人球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人，它具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约球面坐标式机器人也叫做极坐标式机器人，它具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约占工业机器人总数的占工业机器人总数的13 % 。在这类机器人中最出名的一种产品是美国。在这类机器人中最出名的一种产品是美国Unimation 公司的公司的Unimation 200

11、0 型和型和 4000型机器人，它的结构简图如图型机器人，它的结构简图如图3-3 所示。机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线所示。机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线( 机身机身) 和水平轴线和水平轴线( 回转关节回转关节) 的转动均采用了液压伺服驱动，转角范围分别为的转动均采用了液压伺服驱动，转角范围分别为200 左右和左右和 50左右，手臂伸左右，手臂伸缩采用液压驱动的移动关节，缩采用液压驱动的移动关节， 其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手

12、腕上的末端操作器才能维持应有的全的球缺。手腕应具有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手腕上的末端操作器才能维持应有的姿态。姿态。 图3-3球面坐标式机器人任务一 工业机器人本体结构及特点 1.1机器人本体的基本结构形式机器人本体的基本结构形式4.关节坐标式机器人关节坐标式机器人关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节关节坐标式机器人主体结构的三个自由度腰转关节、肩关节、肘关节全部是转动关节, 手腕的三个自由度上的转动关节手腕的三个自由度上的转动关节(俯仰俯仰, 偏偏转和翻转转和翻转)用来最后确定末端操作器的姿态，它是一种广泛使用的拟人化的机器人，大约占工业机

13、器人总数的用来最后确定末端操作器的姿态，它是一种广泛使用的拟人化的机器人，大约占工业机器人总数的25% 左右。左右。关节坐标式机器人的优点如下：关节坐标式机器人的优点如下：（1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。（2）具有很高的可达性。关节坐标式机器人可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标式机器）具有很高的可达性。关节坐标式机器人可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标式机器人不能进行此类作业。人不能进行此类作业。（3）因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准

14、件，则摩擦小，惯量小，可靠性）因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯量小，可靠性好。好。（4）所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。）所需关节驱动力矩小，能量消耗较少。关节坐标式机器人的缺点如下：关节坐标式机器人的缺点如下：（1）肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度比较低。）肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时虽能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度比较低。（2）机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。）机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。

15、 任务一 工业机器人本体结构及特点 1.2机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择结构件材料选择是工业机器人机械系统设计中的重要问题之一。正确选用结构件材料不结构件材料选择是工业机器人机械系统设计中的重要问题之一。正确选用结构件材料不 仅可仅可降低工业机器人的成本价格降低工业机器人的成本价格, 更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及高精度化更重要的是可适应工业机器人的高速化、高载荷化及高精度化, 满足其静力及动力特性要求。随着材料工业的发展满足其静力及动力特性要求。随着材料工业的发展, 新材料的出现给工业机器人的发展提供了新材料的出现给工业机器人的发展提供了宽广的道路。宽广的道路。1.

16、材料选择的基本要求材料选择的基本要求与一般机械设备相比与一般机械设备相比, 机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选机器人结构的动力特性是十分重要的，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求如下。择的基本要求如下。（1）强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，）强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。 任务一 工业机器人本体结构及特点 1.2机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择（2）弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度

17、）弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度(或变形量或变形量)与材料的弹性模量与材料的弹性模量E 、G 有关有关, 弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有多大差别。比如，普通结构钢的强度极限为的改性对弹性模量却没有多大差别。比如，普通结构钢的强度极限为 420 MP a，高合金结构，高合金结构钢的强度极限为钢的强度极限为 2 000 2 300 MPa，但是二者的弹性模量，但是二者的弹性模量 E 却没有多大变化，均为却没有多大变化，均为 2. 1 10

18、5 MP a。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。（3）重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构件的质）重量轻。在机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说量有关。也就是说, 为了提高构件刚度选用弹性模量为了提高构件刚度选用弹性模量E 大而密度大而密度也大的材料是不合理的。因也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量、低密度的材料要求，可用此，提出了选用高弹性模量、低密度的材料要求，可用E / 指标来衡量。表指标来衡量。表3 -1 列出了几种列出了几种材料的材料的E 、和和 E

19、/ 值，值， 供参考。供参考。 材料材料E / 105 MPa/ 103 ( kg/ m3 )( E / )/ 107 ( m2 / s2 )钢、合金钢钢、合金钢2.107.82.7铝、铝合金铝、铝合金0.722.82.6钪铝钪铝合金合金(62% Be)1.92.19.1锂铝合金锂铝合金( 3. 2% Li)0.822.7153.02硼纤维增强铝材硼纤维增强铝材2.92.5311.4任务一 工业机器人本体结构及特点 1.2机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择（4）阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大、重量轻，而且希望材料的阻尼）阻尼大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大、重量轻，而且希望

20、材料的阻尼尽可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动尽可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬时，构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生的瞬时，构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生“残余振残余振动动”。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。阻尼的措施来吸收能量。（5）材料价格低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如）材料价格低。材料价格是工业机器

21、人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维硼纤维 增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。价格昂贵。 任务一 工业机器人本体结构及特点 1.2机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择2.结构件材料介绍结构件材料介绍（1）碳素结构钢、合金结构钢）碳素结构钢、合金结构钢: 强度好，特别是合金结构钢强度增大了强度好，特别是合金结构钢强度增大了4 至至5 倍，弹性模量倍，弹性模量E大，抗变形能大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。力强，是应用最广泛的材料。（2）铝、铝合金及其他轻合金材料）铝、铝合金

22、及其他轻合金材料: 这类材料的共同特点是重量轻，弹量模量这类材料的共同特点是重量轻，弹量模量E 并不大，并不大， 但是材料密度小，但是材料密度小，故故E/ 值仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善值仍可与钢材相比。有些稀贵铝合金的品质得到了更明显的改善, 例如添加了例如添加了3. 2% 重量的锂的铝合金重量的锂的铝合金, 弹性模量增加了弹性模量增加了14% , E / 值增加了值增加了 16 % 。（3）纤维增强合金）纤维增强合金: 如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金, 其其E / 值分别达到值分别达到1 1. 4 107 m2/ s

23、2 和和8. 9 107 m2/ s 2。这种纤维增强金属材料具有非常高的。这种纤维增强金属材料具有非常高的E / 值，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。值，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。（4）陶瓷）陶瓷: 陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂的样品。部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂的样品。 任务一 工业机器人本体结构及特点 1.2机器人本体

24、材料的选择机器人本体材料的选择2.结构件材料介绍结构件材料介绍（5）纤维增强复合材料：这类材料具有极好的）纤维增强复合材料：这类材料具有极好的E / 值，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困值，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大, 而且还具有十分突出的阻尼大的优点，传统金属材料不可能具有而且还具有十分突出的阻尼大的优点，传统金属材料不可能具有这么大的阻尼。所以，在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用这么大的阻尼。所以，在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料

25、的制造工艺还允许用户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼值。户进行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻尼值。（6）粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来）粘弹性大阻尼材料：增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理层阻尼处理(cons trained layer d

26、amping t reatment) ，如图，如图3-4 所示。吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻所示。吉林工大和西安交大进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明：机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明：机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为0 . 30 mm，处理后为处理后为0. 16 mm；残余振动时间在阻尼处理前、后分别为；残余振动时间在阻尼处理前、后分别为0. 9 s 和和 0. 5 s。 任务二：机身及臂部结构 2.1机器人机身结构基本形式和特点机器人机身结构基本形式和特点 机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件

27、。它是由臂部运动机身是直接联接、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、升降、平移、回转和俯仰回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。机身结构有很大差异。 一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈

28、多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。 常用的机身结构：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人常用的机身结构：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人机器人机身结构。机器人机身结构。 任务二：机身及臂部结构 2.2机器人臂部结构基本形式和特点机器人臂部结构基本形式和特点 工业机器人的臂部一般具有工业机器人的臂部一般具有23 个自由度，即伸

29、缩、回转或俯仰。臂部总重量较大个自由度，即伸缩、回转或俯仰。臂部总重量较大, 受力一般较复受力一般较复杂杂, 在运动时在运动时, 直接承受腕部、手部和工件直接承受腕部、手部和工件( 或工具或工具)的静、动载荷的静、动载荷, 尤其高速运动时尤其高速运动时, 将产生较大的惯将产生较大的惯性力性力( 或惯性力矩或惯性力矩) , 引起冲击引起冲击, 影响定位的准确性。影响定位的准确性。 1、臂部设计的基本要求、臂部设计的基本要求 臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来 确定。同确定。同

30、时时, 设计时必须考虑到手臂的受力情况设计时必须考虑到手臂的受力情况, 油油( 气气) 缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求。因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求。 （1）刚度要求高）刚度要求高 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形为防止臂部在运动过程中产生过大的变形, 手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大圆截面大; 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, 所以常用钢管作臂杆及导向

31、杆所以常用钢管作臂杆及导向杆, 用工字钢和用工字钢和槽钢作支承板。槽钢作支承板。 任务二：机身及臂部结构 2.2机器人臂部结构基本形式和特点机器人臂部结构基本形式和特点 1、臂部设计的基本要求、臂部设计的基本要求 （2）导向性要好）导向性要好 为防止手臂在直线运动中为防止手臂在直线运动中, 沿运动轴线发生相对转动沿运动轴线发生相对转动, 或设置导向装置或设置导向装置, 或设计方形、花键等形式的臂或设计方形、花键等形式的臂 杆。杆。 （3）重量要轻）重量要轻 为提高机器人的运动速度为提高机器人的运动速度, 要尽量减小臂部运动部分的重量要尽量减小臂部运动部分的重量, 以减小整个手臂对回转轴的转动惯

32、量。以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。 （4）运动要平稳、定位精度要高）运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高由于臂部运动速度越高, 惯性力引起的定位前的冲击也就越大惯性力引起的定位前的冲击也就越大, 运动既不平稳运动既不平稳, 定位精度也不高。因此定位精度也不高。因此, 除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外, 同时要采用一定形式的缓冲措施。同时要采用一定形式的缓冲措施。 任务二：机身及臂部结构 2.2机器人臂部结构基本形式和特点机器人臂部结构基本形式和特点 2、手臂的常用结构、手臂的常用结构 1）手臂直线运动机构）手臂直线运动机构 机器人手臂的

33、伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较 多多, 常用的常用的有活塞油有活塞油( 气气)缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞油缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。由于活塞油( 气气) 缸的体积小、重量缸的体积小、重量轻轻, 因而在机器人的手臂结构中应用比较多。因而在机器人的手臂结构中应用比较多。 2）手臂回转运动机构）手臂回转运动机构 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的, 常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传

34、常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。动机构、活塞缸和连杆机构等。 任务二：机身及臂部结构 2.2机器人臂部结构基本形式和特点机器人臂部结构基本形式和特点 2、手臂的常用结构、手臂的常用结构 2）手臂回转运动机构）手臂回转运动机构图图3-5 所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图。手臂的上下摆动所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图。手臂的上下摆动由铰接活塞油缸和连杆机构来实现。当活塞油缸由铰接活塞油缸和连杆机构来实现。当活塞油缸 1 的两腔通压力油时的两腔通压力油时, 通过连杆通过连杆 2 带动曲柄带动曲柄3 ( 即手臂即手臂)

35、 绕轴心绕轴心O 作作 90 的上下摆动的上下摆动(如双点画线所示位置如双点画线所示位置) 。手臂下摆到水平位置时。手臂下摆到水平位置时, 其水平和侧向的定位由其水平和侧向的定位由支承架支承架4 上的定位螺钉上的定位螺钉 6 和和5 来调节。此手臂结构具有传动结构简单、紧凑和轻巧等特点。来调节。此手臂结构具有传动结构简单、紧凑和轻巧等特点。 任务二：机身及臂部结构 2.3机器人的平稳性和臂杆平衡方法机器人的平稳性和臂杆平衡方法 1.工业机器人平衡系统的作用工业机器人平衡系统的作用 工业机器人是一个多刚体耦合系统工业机器人是一个多刚体耦合系统, 系统的平衡性是极其重要的系统的平衡性是极其重要的,

36、 在工业机器人设计中采用平衡系统在工业机器人设计中采用平衡系统的理由如下。的理由如下。 （1）安全。根据机器人动力学方程知道）安全。根据机器人动力学方程知道, 关节驱动力矩包括重力矩项关节驱动力矩包括重力矩项, 即各连杆质量对关节产生重力即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的矩。因为重力是永恒的, 即使机器人停止了运动即使机器人停止了运动, 重力矩项仍然存在。这样重力矩项仍然存在。这样, 当机器人完成作业切断电当机器人完成作业切断电源后源后, 机器人机构会因重力而失去稳定。平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳机器人机构会因重力而失去稳定。平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳

37、, 引起向地引起向地面面“倒塌倒塌”的趋势。的趋势。 （2）借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值。）借助平衡系统能降低因机器人构形变化而导致重力引起关节驱动力矩变化的峰值。 任务二：机身及臂部结构 2.3机器人的平稳性和臂杆平衡方法机器人的平稳性和臂杆平衡方法 1.工业机器人平衡系统的作用工业机器人平衡系统的作用 （3）借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。）借助平衡系统能降低因机器人运动而导致惯性力矩引起关节驱动力矩变化的峰值。 （4）借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项）借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合

38、项和非线性项, 改进机器人动力特性。改进机器人动力特性。 （5）借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。）借助平衡系统能减小机械臂结构柔性所引起的不良影响。 （6）借助平衡系统能使机器人运行稳定）借助平衡系统能使机器人运行稳定, 降低地面安装要求。降低地面安装要求。 任务三：腕部及手部结构 3.1机器人腕部结构基本形式和特点机器人腕部结构基本形式和特点 1、概述、概述 工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才能工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。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

39、态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。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。 为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三坐标轴为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯的转动，即具有翻转、俯仰和偏转的三个自由度，如下图所示：仰和偏转的三个自由度，如下图所示： 通常也把手腕的反转叫做通常也把手腕的反转叫做Roll，用，用R表示；把手腕的俯仰用表示；把手腕的俯仰用Pitch，用，用P表示，把手腕的偏转叫做表示，把手腕的偏转叫做Yaw，用用Y表示。下图手腕就可以实现表示。下图手腕就可以实现

40、PRY运动。运动。 任务三：腕部及手部结构 3.2机器人手部结构基本形式和特点机器人手部结构基本形式和特点 工业机器人的手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上用于夹持工件或让工具按照规工业机器人的手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。人体的手与末端执行器的作用十分相似，所以人们更多地使用手部这个术定的程序完成指定的工作。人体的手与末端执行器的作用十分相似，所以人们更多地使用手部这个术语来代替末端执行器。人的手有语来代替末端执行器。人的手有5根手指，它由许多关节组成，能巧妙地完成许多复杂的作业。人们用根手指，它由许多关节组成，

41、能巧妙地完成许多复杂的作业。人们用手完成的作业是各种各样的，从制作物品、使用工具到对其他人做手势等。在这些功能中，机器人技手完成的作业是各种各样的，从制作物品、使用工具到对其他人做手势等。在这些功能中，机器人技术更关心的是手的作业功能，而不在于它的信息传递功能。术更关心的是手的作业功能，而不在于它的信息传递功能。1、机器人的手部具有以下特点：、机器人的手部具有以下特点： （1）手部与手腕连接处可拆卸：）手部与手腕连接处可拆卸： 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，首部结构会有差异，通常一个机器人配手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，首部结构会有差异，通常一个机器

42、人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。 手部可能还有一些电、气、液的接口：这是由于手部的驱动方式不同造成的。对这些部件的接口一手部可能还有一些电、气、液的接口：这是由于手部的驱动方式不同造成的。对这些部件的接口一定要求具有互换性。定要求具有互换性。 任务三：腕部及手部结构 3.2机器人手部结构基本形式和特点机器人手部结构基本形式和特点（2）手部是末端操作器）手部是末端操作器可以具有手指，也可以不具有手指。可以有手爪，也可以是专用工具。可以具有手指，也可以不具有手指。可以有手爪，也可以是专用工具

43、。（3）手部是一个独立的部件）手部是一个独立的部件工业机器人通常分为三个大的部件：机身、手臂（含手腕）、手部。手部对整个工业机器人完成任务工业机器人通常分为三个大的部件：机身、手臂（含手腕）、手部。手部对整个工业机器人完成任务的好坏起着关键作用，它直接关系着加持工件的定位精度、夹持力的大小等。的好坏起着关键作用，它直接关系着加持工件的定位精度、夹持力的大小等。（4）手部的通用性比较差）手部的通用性比较差工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具

44、往往只能执行一种作业任务。近的工件；一种工具往往只能执行一种作业任务。 任务三：腕部及手部结构 3.2机器人手部结构基本形式和特点机器人手部结构基本形式和特点2、机器人机器人手部的分类手部的分类（1）按用途分）按用途分1）手爪：具有一定通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、释放工件。抓住工件是指在给定的目）手爪：具有一定通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、释放工件。抓住工件是指在给定的目标位置和期望姿态上上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的准确的相对位置关标位置和期望姿态上上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的准确的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准

45、确性；握住工件是指确保工件在搬运过程中定义的位置和姿态的准确系，以保持机器人后续作业的准确性；握住工件是指确保工件在搬运过程中定义的位置和姿态的准确性；释放是指在指定位置结束手部和工件的约束关系。性；释放是指在指定位置结束手部和工件的约束关系。2）工具：进行作业的专用工具。）工具：进行作业的专用工具。 任务三：腕部及手部结构 3.2机器人手部结构基本形式和特点机器人手部结构基本形式和特点2、机器人机器人手部的分类手部的分类（2）按夹持方式分：）按夹持方式分：1）外夹式（如图）外夹式（如图3-8（a）：手部与被夹件的外表面相接触）：手部与被夹件的外表面相接触2）内撑式（如图）内撑式（如图3-8（

46、b）：手部与工件的内表面相接触）：手部与工件的内表面相接触3）内外夹持式（如图）内外夹持式（如图3-8（c）：手部与工件的内、外表面相接触）：手部与工件的内、外表面相接触 任务三：腕部及手部结构 3.2机器人手部结构基本形式和特点机器人手部结构基本形式和特点2、机器人机器人手部的分类手部的分类（3）按手爪的运动形式分：）按手爪的运动形式分：1）回转型，当手爪加紧或松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手）回转型，当手爪加紧或松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。爪的位置才能保持物体的中心位置不变。2）平动

47、型，手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。）平动型，手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。3）平移型，当手爪加紧或松开物体时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变）平移型，当手爪加紧或松开物体时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。化的影响。习题及思考习题及思考1、列表说明直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人、极坐标式机器人、关节坐标式、列表说明直角坐标式机器人、圆柱坐标式机器人、极坐标式机器人、关节坐标式( 包括平包括平面关节面关节) 机器人的结构特点、应用特点及占工业机器人总数的比重。机器人的结构特点、应用特点及占工业机器人总数的比重。2、对工业机器人结构件材料的选用有哪些基本要求、对工业机器人结构件材料的选用有哪些基本要求?3、为什么要选用弹性模量、为什么要选用弹性模量/ 密度比大的材料密度比大的材料?4、材料阻尼大有什么好处、材料阻尼大有什么好处?5、工业机器人手部的特点是什么、工业机器人手部的特点是什么?解释解释“抓住抓住”、“握持握持”、“释放释放”。