1、工业机器人的机械系统包括哪几个部分？工业机器人的机械系统包括哪几个部分？由第一章内容可知，工业机器人的机械系统包括由第一章内容可知，工业机器人的机械系统包括机身机身、臂臂部部、手腕手腕、末端操作器末端操作器和和行走机构行走机构等部分。等部分。本章主要内容本章主要内容 l 工业机器人的总体设计工业机器人的总体设计l 驱动机构驱动机构l 机身和臂部设计机身和臂部设计l 腕部设计腕部设计l 手部设计手部设计l 行走机构设计行走机构设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。系统分析系统分析l
2、明确机器人的目的和任务明确机器人的目的和任务l 分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性l 确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标l 进行必要调查研究进行必要调查研究工业机器人的技术参数包括哪几个部分？工业机器人的技术参数包括哪几个部分？由第一章内容可知，工业机器人的技术参数包括由第一章内容可知，工业机器人的技术参数包括自由度自由度、定位精度和重复定位精度定位精度和重复定位精度、工作空间工作空间、最大工作速度最大工作速度和和承承载能力载能力等部分。等部分。2.1 工业机
3、器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计l 自由度：自由度：批量大批量大、可靠性高可靠性高、运行速度快运行速度快、承载重量轻承载重量轻的情况的情况下可选择下可选择少自由度少自由度；产品更换频繁产品更换频繁、系统柔性大系统柔性大的情况下可选的情况下可选择择多自由度多自由度。总体而言，在满足机器人工作需求的前提下，为。总体而言，在满足机器人工作需求的前提下，为简化结构和控制，应简化结构和控制，应使自由度尽量少使自由度尽量少。基本参数的确定基本参数的确定2.1 工业机器人总体设计工业机器人总
4、体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计l 工作范围：根据工作范围：根据工艺要求工艺要求和和操作动作的轨迹操作动作的轨迹来确定。来确定。l 运动速度：根据生产需要的运动速度：根据生产需要的工作节拍工作节拍分配分配每个动作的时间每个动作的时间，进，进而确定个动作机器人的运动速度。而确定个动作机器人的运动速度。l 承载能力：根据被承载能力：根据被抓取、搬运物体的质量抓取、搬运物体的质量来确定。来确定。l 定位精度：根据定位精度：根据使用要求使用要求确定。确定。基本参数的确定基本参数的确定2.1 工业机器人总体设计
5、工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计 根据根据工艺要求工艺要求、工作现场工作现场、位置以及、位置以及搬运前后弓箭中心线方搬运前后弓箭中心线方向的变化向的变化等情况择优选取。等情况择优选取。专用专用机械手一般要求机械手一般要求23个自由度、个自由度、通用通用机器人必须具有机器人必须具有46个自由度。在满足需要的情况下，应使个自由度。在满足需要的情况下，应使自由度最少、结构最简单自由度最少、结构最简单。运动形式的选择运动形式的选择2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括
6、两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计 选择适合的选择适合的传感器传感器并在机械结构上设计其并在机械结构上设计其安装位置安装位置。拟定检测传感系统框图拟定检测传感系统框图 确定控制系统类型，设计确定控制系统类型，设计硬件电路硬件电路与与控制软件控制软件。控制系统总体方案控制系统总体方案 确定确定驱动方式驱动方式，选择，选择运动部件运动部件和设计和设计具体结构具体结构。机械结构设计机械结构设计2.2 驱动机构驱动机构 驱动机构分为驱动机构分为直线驱动机构直线驱动机构和和旋转驱动机构旋转驱动机构，可以由以下几，可以由以下几种不同驱动方式来实
7、现：种不同驱动方式来实现：液压驱动方式液压驱动方式l 易获得较大推力或扭矩易获得较大推力或扭矩l 工作平稳、位置精度高工作平稳、位置精度高l 易实现力和速度的自动控制易实现力和速度的自动控制l 机械效率高，使用寿命长机械效率高，使用寿命长l 油液黏度随温度变化影响工油液黏度随温度变化影响工作性能，易燃易爆作性能，易燃易爆l 液体易泄漏液体易泄漏l 需要专门的供油系统需要专门的供油系统2.2 驱动机构驱动机构 驱动机构分为驱动机构分为直线驱动机构直线驱动机构和和旋转驱动机构旋转驱动机构，可以由以下几，可以由以下几种不同驱动方式来实现：种不同驱动方式来实现：气压驱动方式气压驱动方式l 空气黏度小，
8、易达到高速空气黏度小，易达到高速l 使用安全，适用于恶劣工作使用安全，适用于恶劣工作环境环境l 价格低廉价格低廉l 能实现过载保护能实现过载保护l 单位体积能提供的动力小单位体积能提供的动力小l 工作平稳性差，位置精度低工作平稳性差，位置精度低l 除水麻烦除水麻烦l 噪声污染噪声污染2.2 驱动机构驱动机构 驱动机构分为驱动机构分为直线驱动机构直线驱动机构和和旋转驱动机构旋转驱动机构，可以由以下几，可以由以下几种不同驱动方式来实现：种不同驱动方式来实现：电气驱动方式电气驱动方式 利用电动机利用电动机直接直接驱动机械传动装置。驱动机械传动装置。能源简单、使用方便、能源简单、使用方便、机构速度变化
9、范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低机构速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低。2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：齿轮齿条装置齿轮齿条装置 齿条齿条(4)固定，齿轮固定，齿轮(3)转动时联通拖板转动时联通拖板(1)沿着齿条沿着齿条方向做直线运动。方向做直线运动。该装置的该装置的回差较大回差较大。2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：普通丝杠普通丝杠 采用一个旋转的精密丝采用一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿着丝杠轴杠驱动一个螺母沿着丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转向移动，从而将丝杠的旋转运动转化成螺母的直线运动。
10、运动转化成螺母的直线运动。传动效率低、精度低、传动效率低、精度低、回差大回差大。2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：滚珠丝杠滚珠丝杠 螺母槽里放置了很多滚螺母槽里放置了很多滚珠，在丝杠传动过程中以滚珠，在丝杠传动过程中以滚珠的滚动摩擦代替滑动摩擦，珠的滚动摩擦代替滑动摩擦，传动效率较高传动效率较高。通常采用两。通常采用两个个背靠背的双螺母背靠背的双螺母来来消除消除丝丝杠和螺母之间的杠和螺母之间的间隙间隙。微小型丝杠11丝杠丝杠22螺母螺母33滚珠滚珠44回程引导装置回程引导装置2.2 驱动机构驱动机构 滚珠丝杠工作特点滚珠丝杠工作特点a、传动效率高、传动效
11、率高 b、运动可逆、运动可逆c、刚度好、刚度好 d、传动精度高、传动精度高e、寿命长、寿命长 f、不能自锁、不能自锁g、工艺复杂、工艺复杂2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：液压液压(气压气压)缸缸 将液压泵将液压泵(或空气压缩或空气压缩机机)输出的压力能转换为输出的压力能转换为机机械能械能，驱动执行构件做，驱动执行构件做直线直线往复运动往复运动。2.2 驱动机构驱动机构 常用的常用的旋转驱动机构旋转驱动机构包括：包括：齿轮链齿轮链 由两个或两个以上的齿由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，可以轮组成的传动机构，可以传传递运动角位移和角速度递运动角位移和角
12、速度，也，也可以可以传递力和力矩传递力和力矩。2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链 不计能量损失的情况下，根据能量守恒不计能量损失的情况下，根据能量守恒可以得到：可以得到：iiooTT 由于啮合齿轮转过的圆周距相等，得到：由于啮合齿轮转过的圆周距相等，得到：iiooRR2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链 进一步可以得到啮合齿轮的齿数与半径、角速度之间的关系为：进一步可以得到啮合齿轮的齿数与半径、角速度之间的关系为：iioooizRzR 输入输出轴之间传递的扭矩、角位移和角速度之间的关系为：输入
13、输出轴之间传递的扭矩、角位移和角速度之间的关系为：oiioioioiioozzzTTzzz2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链 将输出轴齿轮转动惯量等效到与电机相连的输入轴上，可以得将输出轴齿轮转动惯量等效到与电机相连的输入轴上，可以得到系统等效转动惯量为：到系统等效转动惯量为：2ioiozJJJz 根据动能定理有：根据动能定理有：222111222kiiooiEJJJ2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链(1)齿轮链的引入会齿轮链的引入会减小减小系统等效转动惯量，使电动机的系统等效转动惯量，使电
14、动机的响应时间响应时间缩短缩短，使伺服系统，使伺服系统易于控制易于控制。输出轴等效到输入轴上的等效转。输出轴等效到输入轴上的等效转动惯量与动惯量与输入输入/输出齿轮齿数比的平方输出齿轮齿数比的平方成正比。成正比。(2)齿轮间隙误差齿轮间隙误差将导致机器人手臂的定位误差增加，若不采取补将导致机器人手臂的定位误差增加，若不采取补偿措施还会引起偿措施还会引起伺服系统的不稳定伺服系统的不稳定。2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：同步皮带同步皮带 用于传递用于传递平行轴间平行轴间的运动或的运动或将回转运动转换成直线运动。同将回转运动转换成直线运动。同步皮带的传动比计
15、算公式为：步皮带的传动比计算公式为：2112nzinz2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：同步皮带同步皮带 同步皮带传动的优点在于：传动时同步皮带传动的优点在于：传动时无滑动无滑动，传动比精确，传动比精确，传传动平稳动平稳；速比范围大速比范围大；初始拉力小初始拉力小，轴及轴承，轴及轴承不易过载不易过载。同步皮带传动的限制在于：对传动机构的同步皮带传动的限制在于：对传动机构的制造制造及及安装要求严安装要求严格格，对，对皮带的材料皮带的材料要求较高，故要求较高，故成本较高成本较高。同步皮带传动是同步皮带传动是低惯性传动低惯性传动，适合于电动机和，适合于电动机和
16、高减速比高减速比减速减速器之间的传动。器之间的传动。2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：谐波齿轮谐波齿轮 谐波齿轮传动机构由谐波齿轮传动机构由刚性齿轮刚性齿轮、谐波发生器谐波发生器和和柔性齿轮柔性齿轮三部三部分组成。其传动特点在于：分组成。其传动特点在于：l结构简单，体积、质量小；结构简单，体积、质量小；l传动比范围大；传动比范围大；l运动精度高，承载能力大；运动精度高，承载能力大；l运动平稳，无冲击，噪声小；运动平稳，无冲击，噪声小；l齿侧间隙可以调整。齿侧间隙可以调整。试分析谐波齿轮的工作原理与特点试分析谐波齿轮的工作原理与特点 如图所示，谐波齿轮传动
17、主要由谐波发生器、柔性齿轮和刚如图所示，谐波齿轮传动主要由谐波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮组成。柔性齿轮具有外齿，刚性齿轮具有内齿，它们的性齿轮组成。柔性齿轮具有外齿，刚性齿轮具有内齿，它们的齿形为三角形或渐开线型。其齿距齿形为三角形或渐开线型。其齿距P P相等，但齿数不同。刚性相等，但齿数不同。刚性齿轮的齿数、比柔性齿轮齿数多齿轮的齿数、比柔性齿轮齿数多2 2个。柔性齿轮的轮缘极薄，个。柔性齿轮的轮缘极薄，刚度很小，在未装配前，柔性齿轮是圆形的。刚度很小，在未装配前，柔性齿轮是圆形的。试分析谐波齿轮的工作原理与特点试分析谐波齿轮的工作原理与特点由于波形发生器的直径比柔轮内圆的直径略大。所以当波
18、形发由于波形发生器的直径比柔轮内圆的直径略大。所以当波形发生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。在椭圆生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。在椭圆长轴的两端，刚轮与柔轮的轮齿完全啮合，而在椭圆短轴的两长轴的两端，刚轮与柔轮的轮齿完全啮合，而在椭圆短轴的两端，两轮的轮齿完全分离，长短轴之间的齿，则处于半啮合状端，两轮的轮齿完全分离，长短轴之间的齿，则处于半啮合状态，即一部分正在啮入，一部分正在脱出当谐波发生器转动态，即一部分正在啮入，一部分正在脱出当谐波发生器转动时，迫使柔轮的长短轴的方向随之发生变化柔轮与刚轮上的时，迫使柔轮的长短轴的方向随之发生变化柔轮与刚轮上的齿依次进入
19、啮合。齿依次进入啮合。2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：摆线针轮传动减速器摆线针轮传动减速器 由由渐开线圆柱齿轮行星减速机构渐开线圆柱齿轮行星减速机构和和摆线针轮行星减速器摆线针轮行星减速器两部两部分组成。其传动特点在于：分组成。其传动特点在于：l轴向尺寸可大大缩小；轴向尺寸可大大缩小；l传动平稳，使用寿命长；传动平稳，使用寿命长；l通过合理设计能获得高精度；通过合理设计能获得高精度；l刚性和抗冲击性高；刚性和抗冲击性高；l传动比范围大；传动比范围大；l传动效率高。传动效率高。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计 工业机器人主要由三大部分构成：工业机器人
20、主要由三大部分构成：机身机身(立柱立柱)、臂部臂部(包括手包括手腕腕)、手部手部。若是。若是固定式固定式，则固定机座一般与机身为一体；若是，则固定机座一般与机身为一体；若是移移动式动式，则还需要一个，则还需要一个行走机构行走机构。机身是机身是连接连接、支撑支撑手臂及行走机构的部件，用于安装臂部的手臂及行走机构的部件，用于安装臂部的驱动装置或传动装置。驱动装置或传动装置。臂部机器人的臂部机器人的主要执行部件主要执行部件，用于支撑腕部和手部，带动手，用于支撑腕部和手部，带动手及腕在空间及腕在空间 运动。运动。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 机身一般用于实现机身一般用于实
21、现升降升降、回转回转和和俯仰俯仰等运动，通常有等运动，通常有13个自由度。机身结构一般由机器人的个自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式坐标形式来确定：来确定：l圆柱坐标型：回转、升降自由度；圆柱坐标型：回转、升降自由度；l球坐标型：回转、俯仰自由度；球坐标型：回转、俯仰自由度；l关节坐标型：回转自由度；关节坐标型：回转自由度；l直角坐标型：升降或水平移动自由度。直角坐标型：升降或水平移动自由度。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计l 采用摆动油缸驱动，升降油缸在上、采用摆动油缸驱动，升降油缸在上、回转油缸在下；回转油缸在下；回转与升降式机身回转与升降式机身l 采用摆动油
22、缸驱动，回转油缸在上、采用摆动油缸驱动，回转油缸在上、升降油缸在下；升降油缸在下；l 采用链条传动机构。采用链条传动机构。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 俯仰动作一般采用液压俯仰动作一般采用液压(气气)缸与缸与连连杆机构杆机构来实现，液压缸位于手臂下方，来实现，液压缸位于手臂下方，活塞杆和手臂用铰链连接。活塞杆和手臂用铰链连接。此外，也有采用无杆活塞缸驱动齿此外，也有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构来实现俯仰运动。条齿轮或四连杆机构来实现俯仰运动。回转与俯仰式机身回转与俯仰式机身2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 机身做机身做垂直垂直运
23、动时，除了需要克服运动时，除了需要克服摩擦力摩擦力之外，还要克服运之外，还要克服运动部件的动部件的重力重力及及惯性力惯性力。故，驱动力。故，驱动力Fq计算如下：计算如下：垂直升降运动的驱动力垂直升降运动的驱动力qmgFFFG Fm为各支撑处的摩擦力；为各支撑处的摩擦力；Fg为启动时的总惯性力；为启动时的总惯性力；G为运动为运动构件总重力。构件总重力。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 回转运动的驱动力矩包括：回转部件的回转运动的驱动力矩包括：回转部件的摩擦总力矩摩擦总力矩和运动构和运动构件的件的总惯性力矩总惯性力矩。故，驱动力矩。故，驱动力矩Mq计算如下：计算如下：回转
24、运动驱动力矩回转运动驱动力矩 Mm为总摩擦阻力矩；为总摩擦阻力矩；Mg为总惯性力矩，且有：为总惯性力矩，且有：qmgMMM0gMJt2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 机器人手臂偏重力矩为：机器人手臂偏重力矩为：升降立柱下降不卡死的条件升降立柱下降不卡死的条件 Gi为零部件及工件的重量；为零部件及工件的重量；Li为零部为零部件及工件重心到机身回转轴的距离。若件及工件重心到机身回转轴的距离。若偏偏重力矩过大重力矩过大，会使支承导向套与立柱之间，会使支承导向套与立柱之间的的摩擦力过大摩擦力过大，依靠自重依靠自重下降则立柱可能下降则立柱可能卡死卡死在导向套内出现在导向套内出现
25、自锁自锁。iiiiiG LMGLGG LG2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 为防止自锁必须根据偏重力矩来确定为防止自锁必须根据偏重力矩来确定导向套的长度导向套的长度。根据平。根据平衡条件可知：衡条件可知：升降立柱下降不开死的条件升降立柱下降不开死的条件112NNNLF hGLFFGh要使升降立柱在导套内自由下降，要使升降立柱在导套内自由下降，臂部总重量臂部总重量G必须大于导套与必须大于导套与立柱间的摩擦力立柱间的摩擦力，因此不卡死的条件为：，因此不卡死的条件为：121222mmNLGFFFfGfhfLh2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 为保证
26、机器人工作过程中的为保证机器人工作过程中的灵活性灵活性和和准确性准确性，还必须注意以，还必须注意以下几点：下几点：l 机身要有足够的刚度、强度和稳定性；机身要有足够的刚度、强度和稳定性；l 运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以免运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以免发生卡死现象；发生卡死现象；l 驱动方式要适宜；驱动方式要适宜；l 结构布置要合理。结构布置要合理。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计 工业机器人的臂部由工业机器人的臂部由大臂大臂、小臂小臂(或多臂或多臂)所组成，一般具有所组成，一般具有23个自由度，完成个自由度，完成伸缩伸缩
27、、回转回转、俯仰俯仰或或升降升降动作，是工业机器动作，是工业机器人的人的主要执行部件主要执行部件，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。置。臂部臂部运动部分零件重量运动部分零件重量直接影响臂部结构的直接影响臂部结构的刚度刚度和和强度强度，同，同时由于其承受运动过程中的时由于其承受运动过程中的动、静载荷动、静载荷和和惯性力惯性力较大，还影响着较大，还影响着机器人机器人定位的准确性定位的准确性。2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计 臂部结构的形式取决于机器人的臂部结构的形式取决于机器人的运动形式运动形式、抓取动作自抓取动作自由度由度
28、和和运动精度运动精度等。一般需要注意以下几点要求：等。一般需要注意以下几点要求：l 具有局够的承载能力和刚度；具有局够的承载能力和刚度；l 导向性要好；导向性要好；l 重量和转动惯量要小；重量和转动惯量要小；l 运动要平稳、定位精度要高。运动要平稳、定位精度要高。臂部的设计要求臂部的设计要求2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计 臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击就越大，因臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击就越大，因此要采用一定的缓冲措施。此要采用一定的缓冲措施。工业机器人常用的缓冲装置有弹性缓冲元件、液压工业机器人常用的缓冲装置有弹性缓冲元件、液压(气气)
29、缸端缸端部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器等。按照在机器人或机械手部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器等。按照在机器人或机械手结构中设置位置的不同，可分为结构中设置位置的不同，可分为内部缓冲器装置内部缓冲器装置和和外部缓冲装置外部缓冲装置两类。两类。臂部的设计要求臂部的设计要求2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计手臂的常用结构手臂的常用结构手臂直线运动结构手臂直线运动结构 机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。为了使手臂机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。为了使手臂移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的增倍移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传
30、动的增倍机构。机构。活塞杆活塞杆3左移时，与活塞杆相连接的齿轮左移时，与活塞杆相连接的齿轮2也左移，并使运动齿条也左移，并使运动齿条1一一起左移；由于齿轮起左移；由于齿轮2与固定齿条与固定齿条4啮合，因而齿轮啮合，因而齿轮2在移动的同时，又在移动的同时，又在固定齿条上滚动，并将此运动传给运动齿条在固定齿条上滚动，并将此运动传给运动齿条1，从而使运动齿条，从而使运动齿条1又又向左移动一距离。因手臂固连于齿条向左移动一距离。因手臂固连于齿条1上，所以手臂的行程和速度均上，所以手臂的行程和速度均为活塞杆为活塞杆3的的两倍两倍。手臂回转运动结构手臂回转运动结构 图为利用齿轮齿条液压缸实图为利用齿轮齿条
31、液压缸实现手臂回转运动的机构。压力油现手臂回转运动的机构。压力油分别进入液压缸两腔，推动齿条分别进入液压缸两腔，推动齿条活塞做往复移动，与齿条啮合的活塞做往复移动，与齿条啮合的齿轮即做往复回转运动。齿轮与齿轮即做往复回转运动。齿轮与手臂固连，从而实现手臂的回转手臂固连，从而实现手臂的回转运动。运动。手臂回转运动结构手臂回转运动结构 图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液压缸压缸1 1的两腔通压力油时，连杆的两腔通压力油时，连杆2 2带动曲柄带动曲柄3 3绕轴心绕轴心O O作作9090的上、下摆动。的上、下摆动。手臂摆到水
32、平位置时，其水平和侧向的定位由支承架手臂摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架4 4上的定位螺钉上的定位螺钉6 6和和5 5来调节。来调节。2.4 腕部设计腕部设计 工业机器人的腕部是工业机器人的腕部是连接手部与臂部连接手部与臂部的部件，起的部件，起支承手部支承手部的的作用。作用。机器人一般具有机器人一般具有6个自由度个自由度才能使手部才能使手部(末端操作器末端操作器)达到目标达到目标位置和处于期望的姿态，手腕自由度主要用于位置和处于期望的姿态，手腕自由度主要用于实现所期待的姿态实现所期待的姿态。2.4 腕部设计腕部设计 腕部一般要求能够实现对空间腕部一般要求能够实现对空间3个坐标轴个坐标
33、轴的的转动转动，即具有，即具有回回转转(R)、俯仰俯仰(P)和和偏转偏转(Y)3个自由度个自由度。2.4 腕部设计腕部设计l 回转回转(R)关节：手臂纵轴线与关节：手臂纵轴线与手腕关节轴线手腕关节轴线共轴线共轴线旋转旋转角度大角度大；l 弯曲弯曲(B)关节：关节轴线与前关节：关节轴线与前后两个连接件的轴线后两个连接件的轴线垂直垂直旋转角度小旋转角度小；l 移动移动(T)关节关节(1)按自由度数目分类按自由度数目分类单自由度手腕单自由度手腕2.4 腕部设计腕部设计l BR关节：关节：1个个R关节与关节与1个个B关节组成；关节组成；l BB关节：关节：2个个B关节组成；关节组成；l RR关节：关节
34、：2个个R关节组成，关节组成，自由度退化为自由度退化为1。(1)按自由度数目分类按自由度数目分类二自由度手腕二自由度手腕2.4 腕部设计腕部设计 常 用 的 三 自常 用 的 三 自由度手腕的结构由度手腕的结构形式包括：形式包括：BBR、R R R、B R R 和和RBR四种。四种。(1)按自由度数目分类按自由度数目分类三自由度手腕三自由度手腕2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类直接驱动手腕直接驱动手腕 将驱动元件直接装在手腕将驱动元件直接装在手腕上，可以使结构十分紧凑。上，可以使结构十分紧凑。图为一种液压直接驱动的图为一种液压直接驱动的BBR手腕。其中手腕。其中M1、M
35、2、M3是液压马达，直接驱动实现手是液压马达，直接驱动实现手腕的偏转、俯仰和翻转腕的偏转、俯仰和翻转3个自由个自由度的轴。度的轴。2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 图为一种采用远距离齿轮传动机构来图为一种采用远距离齿轮传动机构来实现手腕回转和俯仰的二自由度手腕。手实现手腕回转和俯仰的二自由度手腕。手腕的回转运动由传动轴腕的回转运动由传动轴S传递，轴传递，轴S驱动锥驱动锥齿轮齿轮1回转，并带动锥齿轮回转，并带动锥齿轮2、3、4转动。转动。因手腕与锥齿轮因手腕与锥齿轮4连为一体，从而实现手部连为一体，从而实现手部绕轴绕轴C的回转运动。的回转运动
36、。2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 手腕的俯仰运动由传动轴手腕的俯仰运动由传动轴B传递，轴传递，轴B驱动锥齿轮驱动锥齿轮5回转，并带动锥齿轮回转，并带动锥齿轮6绕绕轴轴A回转，因手腕的壳体回转，因手腕的壳体7与传动轴与传动轴A用用销连接为一体，从而可实现手腕的俯仰销连接为一体，从而可实现手腕的俯仰运动。运动。2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 当轴当轴S不转而轴不转而轴B回转时，轴回转时，轴B除带除带动手腕绕轴动手腕绕轴A上、下摆动外，还带动锥上、下摆动外，还带动锥齿轮齿轮4绕轴绕轴A转动
37、。由于轴转动。由于轴S不动，故锥不动，故锥齿轮齿轮3不转，但锥齿轮不转，但锥齿轮4与与3相啮合，因此相啮合，因此迫使锥齿轮迫使锥齿轮4有一个附加的绕轴有一个附加的绕轴C的自转，的自转，即为即为手腕的附加回转运动手腕的附加回转运动。2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 因手腕俯仰运动引起的手腕附加回转因手腕俯仰运动引起的手腕附加回转运动称为运动称为诱导运动。诱导运动。因为手腕安装在手臂的末端，所以手因为手腕安装在手臂的末端，所以手腕的尺寸和质量是手腕设计时要考虑的关腕的尺寸和质量是手腕设计时要考虑的关键问题。键问题。2.5 手部设计手部设计 工业
38、机器人的手部是安装在工业机器人工业机器人的手部是安装在工业机器人手腕手腕上上直接抓握工直接抓握工件件或或执行作业执行作业的部件，具有以下特点：的部件，具有以下特点：(1)手部与手腕相连处可拆卸；手部与手腕相连处可拆卸；(2)是末端操作器；是末端操作器；(3)通用性较差；通用性较差；(4)是一个独立部件。是一个独立部件。2.5 手部设计手部设计 根据手部的用途，一般可以分为根据手部的用途，一般可以分为手爪手爪和和工具工具两大类，其中手两大类，其中手爪具有一定的爪具有一定的通用性通用性，可以，可以抓住抓住、握持握持、释放释放工件；工具则专门工件；工具则专门进行进行某种作业某种作业，如喷漆枪、焊具等
39、。，如喷漆枪、焊具等。喷漆枪喷漆枪焊具焊具2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式内撑钳爪式内撑钳爪式外夹钳爪式外夹钳爪式2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式齿轮齿条移动式齿轮齿条移动式重力式重力式2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式平行连杆式平行连杆式拔
40、拔杆杆杠杠杆杆式式2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式自动调整式自动调整式多指式多指式2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。吸附式吸附式 吸附式手部主要包括吸附式手部主要包括磁力吸附式磁力吸附式和和真空吸附式真空吸附式两种。两种。磁力吸附式在手部上安装电磁铁，通过磁力吸附式在手部上安装电磁铁，通过磁场吸力磁场吸力把工件吸住。把工件吸住。只能吸住只能吸住由铁磁材料制成由铁磁材料制成的工件，
41、且被吸取过的工件上会有的工件，且被吸取过的工件上会有剩磁剩磁，只适用于工件只适用于工件对磁性要求不高对磁性要求不高的场合。的场合。真空吸附式用于搬运真空吸附式用于搬运体积大体积大、质量小质量小、易碎易碎等物体，在工业等物体，在工业自动化生产中得到了自动化生产中得到了广泛应用广泛应用。2.5 手部设计手部设计磁力吸附式磁力吸附式 磁力吸盘式在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住，磁力吸盘式在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住，有有电磁吸盘电磁吸盘和和永磁吸盘永磁吸盘两种。两种。2.5 手部设计手部设计磁力吸附式磁力吸附式 当线圈当线圈1通电后，在铁芯通电后，在铁芯2内外产生磁场，磁力线经过
42、铁芯，内外产生磁场，磁力线经过铁芯，空气隙和衔铁空气隙和衔铁3被磁化并形成回路，衔铁受到电磁吸力被磁化并形成回路，衔铁受到电磁吸力F的作用被的作用被牢牢吸住。盘式电磁铁中，衔铁是固定的，在衔铁内用隔磁材料牢牢吸住。盘式电磁铁中，衔铁是固定的，在衔铁内用隔磁材料将磁力线切断，当衔铁接触由铁磁材料制成的工件时，工件将被将磁力线切断，当衔铁接触由铁磁材料制成的工件时，工件将被磁化，形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。一旦断电，电磁化，形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。一旦断电，电磁吸力即消失，工件因此被松开。若采用永久磁铁作为吸盘，则磁吸力即消失，工件因此被松开。若采用永久磁铁作为吸盘，则必须
43、强制性取下工件。必须强制性取下工件。2.5 手部设计手部设计真空吸附式真空吸附式 真空吸附式手部主要用于搬运体积大、质量小、易碎、体积真空吸附式手部主要用于搬运体积大、质量小、易碎、体积微小的物体。微小的物体。真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：(1)真空源的选择真空源的选择 是真空系统的是真空系统的“心脏心脏”部分，分为部分，分为真空泵真空泵和和真空发生器真空发生器。2.5 手部设计手部设计真空泵真空泵是比较常用的真空源，其结构和工作原理与空气压缩机相是比较常用的真空源，其结构和工作原理与空气压缩机相似，不同的是真空泵的进气口是负压，排气口
44、是大气压。似，不同的是真空泵的进气口是负压，排气口是大气压。真空发生器真空发生器是一种新型真空源，以压缩空气为动力源，利用气体是一种新型真空源，以压缩空气为动力源，利用气体在文丘里管中流动、喷射的高速气体对周围气体的卷吸作用来产在文丘里管中流动、喷射的高速气体对周围气体的卷吸作用来产生真空。生真空。2.5 手部设计手部设计文丘里管：文丘里管：利用异形管使流经该管流体的速度发生变化从而产生利用异形管使流经该管流体的速度发生变化从而产生差压的流量检测元件。轴向截面由入口收缩部分、圆筒形喉部和差压的流量检测元件。轴向截面由入口收缩部分、圆筒形喉部和圆锥形扩散段组成。圆锥形扩散段组成。2.5 手部设计
45、手部设计对于确定的真空吸附系统，应从以下三方面考虑真空源的选择：对于确定的真空吸附系统，应从以下三方面考虑真空源的选择：1)如果有压缩空气源，选用真空发生器；如果有压缩空气源，选用真空发生器；2)对于真空连续工作的场合，优先选用真空泵，对于真空间歇工作对于真空连续工作的场合，优先选用真空泵，对于真空间歇工作的场合，可选用真空发生器；的场合，可选用真空发生器；3)对于易燃、易爆、多尘埃的恶劣工作环境，优先选用真空发生器。对于易燃、易爆、多尘埃的恶劣工作环境，优先选用真空发生器。2.5 手部设计手部设计真空吸附式真空吸附式真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：真空吸附式手部系统设计的关键问题
46、有以下三个：(2)吸盘的结构吸盘的结构 按结构可分为按结构可分为普通型普通型与与特殊型特殊型两大类。两大类。普通型吸盘普通型吸盘一般用来吸附表面光滑平整的工件。普通吸盘橡胶部一般用来吸附表面光滑平整的工件。普通吸盘橡胶部分的形状一般为碗状。吸盘的形状可分为长方形、圆形和圆弧形。分的形状一般为碗状。吸盘的形状可分为长方形、圆形和圆弧形。特殊型吸盘特殊型吸盘是为了满足特殊应用场合而专门设计的。是为了满足特殊应用场合而专门设计的。2.5 手部设计手部设计真空吸附式真空吸附式真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：真空吸附式手部系统设计的关键问题有以下三个：(3)吸盘的吸附能力吸盘的吸附能力 真空
47、吸附技术以大气压为作用力，通过真空源抽出一定量的真空吸附技术以大气压为作用力，通过真空源抽出一定量的气体分子，使吸盘与工件形成的气体分子，使吸盘与工件形成的 密闭容积内压力降低，从而使吸密闭容积内压力降低，从而使吸盘的内外形成压力差。在这个压力差的作用下，吸盘被压向工件，盘的内外形成压力差。在这个压力差的作用下，吸盘被压向工件，从而把工件吸起。从而把工件吸起。2.5 手部设计手部设计真空吸附式真空吸附式(3)吸盘的吸附能力吸盘的吸附能力 所产生的吸盘力为所产生的吸盘力为W吸附力吸附力(N)p吸盘内真空度吸盘内真空度 A吸盘的有效吸附面积吸盘的有效吸附面积(m2)f安全系数安全系数 -4=1.7
48、78 10pAWf2.6 行走机构设计行走机构设计 行走机构是行走式机器人的重要执行部件，它由行走机构是行走式机器人的重要执行部件，它由行走驱动装行走驱动装置置、传动机构传动机构、位置检测元件位置检测元件、传感器传感器、电缆电缆及及管路管路等组成。其等组成。其主要有两方面作用：主要有两方面作用：(1)支承支承机器人的机身、臂部和手部，必须具有一定的刚度和机器人的机身、臂部和手部，必须具有一定的刚度和稳定性；稳定性；(2)根据作业任务要求，实现机器人在更广阔的空间内根据作业任务要求，实现机器人在更广阔的空间内运动运动。2.6 行走机构设计行走机构设计 按照行走机构的按照行走机构的运动轨迹运动轨迹
49、可以分为可以分为固定轨迹式固定轨迹式和和无固定无固定轨迹轨迹式两类：式两类：l固定轨迹式：固定轨迹式：主要用于工业机器人领域主要用于工业机器人领域；l无固定轨迹式：无固定轨迹式：轮式行走机构轮式行走机构、履带式行走机构履带式行走机构、步行式步行式机构机构和和其他方式行走机构其他方式行走机构。2.6 行走机构设计行走机构设计车轮式行走机构车轮式行走机构 车轮是行走机构具有车轮是行走机构具有移动平稳移动平稳、能耗小能耗小、容易控制容易控制等特点。等特点。目前应用较多的车轮式行走机构主要为目前应用较多的车轮式行走机构主要为三轮式三轮式和和四轮式四轮式。三轮式三轮式转向方案转向方案1：前轮做支撑轮，两
50、个后前轮做支撑轮，两个后轮轮独立驱动独立驱动实现转向。实现转向。2.6 行走机构设计行走机构设计车轮式行走机构车轮式行走机构 车轮是行走机构具有车轮是行走机构具有移动平稳移动平稳、能耗小能耗小、容易控制容易控制等特点。等特点。目前应用较多的车轮式行走机构主要为目前应用较多的车轮式行走机构主要为三轮式三轮式和和四轮式四轮式。三轮式三轮式转向方案转向方案2：前轮作为前轮作为操纵舵操纵舵来改变来改变方向，后轮用来驱动。方向，后轮用来驱动。2.6 行走机构设计行走机构设计车轮式行走机构车轮式行走机构 车轮是行走机构具有车轮是行走机构具有移动平稳移动平稳、能耗小能耗小、容易控制容易控制等特点。等特点。目
