1、,第2章 工业机器人的机械结构,教学目标,工业机器人技术与应用,1.熟悉工业机器人的常见技术指标 2.掌握工业机器人的机械结构及各部分的功能 3.正确分析工业机器人的传动机构及传动路线,目录页,PAGE OF CONTENT,工业机器人机身结构,工业机器人臂部结构,工业机器人腕部结构,工业机器人手部结构,工业机器人驱动与传动,工业机器人机身结构,2.1,工业机器人机身是直接连接、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、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等组成。,1回转与升降型机身结构,回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。,工业机器人机身结构,
2、2.1,2回转与俯仰型机身机构,回转与俯仰型机器人的机身主要由实现手臂左右回转和上下俯仰运动的部件组成，它用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。,手臂俯仰驱动缸安置示意图,工业机器人机身结构,2.1,3直移型机身结构,直移型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是悬挂手臂的横梁。为使手臂能沿横梁平移，除了要有驱动和传动机构外，导轨是一个重要的构件。,4类人机器人型机身结构,类人机器人的机身上除装有驱动臂部的运动装置外，还应装有驱动腿部运动的装置和腰部关节。,工业机器人机身结构,2.1,工业机器人机身结构,2.1,没有手臂的双足机器人Cassie,工业机器人臂部结构,2.2,手臂部件（简称臂部
3、）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间都与臂部的运动和臂部的参数有关。,一、机器人臂部的组成,机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。,根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传动臂部结构。,工业机器人臂部结构,2.2,二、机器人机身和臂部的配置,机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。,1横梁式配置,机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件通常分
4、为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种。具有占地面积小、能有效利用空间、动作简单直观等优点。,a）单臂悬挂式 b）双臂悬挂式,工业机器人臂部结构,2.2,二、机器人机身和臂部的配置,2立柱式配置,立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配置形式。通常分为单臂式和双臂式两种。,具有占地面积小而工作范围大的特点。,a）单臂式 b）双臂式,工业机器人臂部结构,2.2,二、机器人机身和臂部的配置,3机座式配置,机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动。,a）单臂回转式 b）双臂回转式 c）多臂回转式,工业机器人臂部结构,2.2,二、机器人机身和臂部
5、的配置,4屈伸式配置,屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。,a）平面屈伸式 b）立体屈伸式,工业机器人臂部结构,2.2,三、机器人臂部机构,机器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）构成。,1手臂直线运动机构,1手部 2夹紧缸 3油缸 4导向柱 5运行架 6行走车轮 7导轨 8支座,机器人手臂的伸缩、升降及横向（或纵向）移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线活塞和连杆机构等运动的机构形式较多。,工业机器人臂部结构,2.2,三、机器人臂部机构,2臂部俯仰机构,1手部 2夹紧缸 3升降缸 4小臂 5、7摆动气缸 6大臂 8立柱,机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞（气）缸与连杆机构
6、联用来实现。,铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图,工业机器人臂部结构,2.2,三、机器人臂部机构,3臂部回转与升降机构,手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。,工业机器人腕部结构,2.3,腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。,要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为： 臂转：指腕部绕小臂轴线方向的旋转，也称作腕部旋转； 腕摆：指手部绕垂直小臂轴线方向进行旋转，腕摆分为俯仰和偏转，其中同时具
7、有俯仰和偏转运动的称作双腕摆； 手转：指手部绕自身的轴线方向旋转。,工业机器人腕部结构,2.3,腕部的结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式，常用的腕部组合方式有臂转腕摆手转结构，臂转双腕摆手转结构等。,腕部关节配置图 a）臂转、腕摆、手转结构 b）臂转、双腕摆、手转结构,工业机器人腕部结构,2.3,一、机器人手腕的典型结构,a）臂转R手腕 b）俯仰B手腕 c）偏转B手腕 d）T手腕,1手腕的分类,（1）单自由度手腕,R关节：组成转动副关节的两个构件自身几何回转中心和转动副回转轴线重合，多数情况下，手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线。,B关节:组成转动副关节的两个构件自身几何回
8、转中心和转动副回转轴线垂直，多数情况下，关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直。,工业机器人腕部结构,2.3,一、机器人手腕的典型结构,二自由度手腕 a）BR手腕 b）BB手腕 c）RR手腕,1手腕的分类,（2）二自由度手腕,工业机器人腕部结构,2.3,一、机器人手腕的典型结构,1手腕的分类,（3）3自由度手腕,工业机器人腕部结构,2.3,一、机器人手腕的典型结构,2手腕的典型结构,（1）单自由度回转运动手腕,回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕,工业机器人腕部结构,2.3,一、机器人手腕的典型结构,2手腕的典型结构,（2）双自由度回转运动手腕
9、,工业机器人腕部结构,2.3,一、机器人手腕的典型结构,2手腕的典型结构,（3）三自由度回转运动手腕,KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图,工业机器人腕部结构,2.3,二、柔顺手腕结构,柔顺手腕是顺应现代机器人装配作业产生的一项技术，它主要被应用于机器人轴孔装配作业中。柔顺手腕可主动或被动的调整装配体之间的相对位姿，补偿装配误差，以顺利完成装配作业。,移动摆动柔顺手腕 柔顺手腕动作过程,工业机器人手部结构,2.4,一、工业机器人手部的特点,手部是装在机器人手腕末端法兰上直接抓握工件或执行作业的部件。机器人的手部也叫末端执行器，它分为两类：手部和专用操作器。,1手部与手腕相连处可拆卸
10、,根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器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。,2手部是机器人末端操作器,可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷枪、焊枪等。,工业机器人手部结构,2.4,一、工业机器人手部的特点,3手部的通用性比较差,机器人手部通常是专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。,4手部是一个独立的部件,假如把手腕归属于手臂，那么机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部。手部对于整个工业机器人来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键
11、部件之一。,工业机器人手部结构,2.4,二、工业机器人手部的分类,1按用途分类,（1）手爪,手爪具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件握持工件释放工件。,（2）专用操作器,专用操作器也称作工具，是进行某种作业的专用工具，如机器人涂装用喷枪、机器人焊接用焊枪等。,工业机器人手部结构,2.4,二、工业机器人手部的分类,2按夹持方式分类,手部按照夹持方式划分，可以分为外夹式、内撑式和内外夹持式三类。,3按工作原理分类,（1）夹持类手部，通常又叫机械手爪，分靠摩擦力夹持和吊钩承重两种。,（2）吸附类手部：吸附类手部有磁力类吸盘和真空（气吸）类吸盘两种。,磁力类吸盘主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸
12、盘两种。真空类吸盘主要是真空式吸盘，根据形成真空的原理可分为真空吸盘、流负压吸盘和挤气负压吸盘三种。,工业机器人手部结构,2.4,工业机器人手部结构,2.4,二、工业机器人手部的分类,4按手指或吸盘数目分类,按手指数目可分为二指手爪及多指手爪。,三指手 多关节柔性手指手爪,工业机器人手部结构,2.4,二、工业机器人手部的分类,5.按智能化分类,按手部的智能化划分，可以分为普通式手爪和智能化手爪两类。,普通式手爪不具备传感器。智能化手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等，手爪与传感器集成成为智能化手爪。,工业机器人手部结构,2.4,三、工业机器人的夹持式手部,1夹钳式手部
13、,由手指（手爪）和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。,夹钳式手部的组成 1-手指 2-传动机构 3-驱动装置 4-支架 5-工件,工业机器人手部结构,2.4,三、工业机器人的夹持式手部,1夹钳式手部,（1）手指,夹钳式手的指端 a) V形指 b) 平面指 c) 尖指 d) 特形指,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。,工业机器人手部结构,2.4,三、工业机器人的夹持式手部,1夹钳式手部,（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。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。
14、回转型又分为一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。,1）回转型传动机构,a) 斜楔杠杆式 b) 滑槽式杠杆回转型 c) 双支点连接杠杆式 d) 齿条齿轮杠杆式 a) 1-壳体 2-斜楔驱动杆 3-滚子 4-圆柱销 5-拉簧 6-铰销 7-手指 8-工件 b) 1-驱动杆 2-圆柱销 3-铰销 4-手指 5-V形指 6-工件 c) 1-壳体 2-驱动杆 3-铰销 4-连杆 5、7-圆柱销 6-手指 8-V形指 9-工件d) 1-壳体 2-驱动杆 3-小轴 4-扇齿轮 5-手指 6-V形指 7-工件,工业机器人手部结构,2.4,b 滑槽杠杆式抓取机构,
15、工业机器人手部结构,2.4,c 双支点连接杠杆式,工业机器人手部结构,2.4,三、工业机器人的夹持式手部,1夹钳式手部,（2）传动机构：,平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体等）。根据其结构，可分平面平行移动机构和直线往复移动机构两种类型。,2）平移型传动机构,平移型传动机构 a）平面平行移动机构 b）直线往复移动机构 1-驱动器 2-驱动元件 3-主动摇杆 4-从动摇杆 5-手指,工业机器人手部结构,2.4,平面平行移动机构,工业机器人手部结构,2.4,三、工业机器人的夹持式手部,2钩托式手部,它的主要特征是不靠
16、夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、托、捧等动作来托持工件。,钩托式手部 a)无驱动装置 b)有驱动装置 1-齿条 2-齿轮 3-手指 4-销子 5-液压缸 6、7-杠杆手指,工业机器人手部结构,2.4,三、工业机器人的夹持式手部,3弹簧式手部,弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单。它的使用特点是工件进入手指和从手指中取下工件都是强制进行的。由于弹簧力有限，故只适于夹持轻小工件。,弹簧式手部 1-工件 2-套筒 3-弹簧片 4-扭簧 5-销钉 6-螺母 7-螺钉,工业机器人手部结构,2.4,四、工业机器人的吸附式手部,1气吸附式手部,由吸盘、吸盘架及进排气
17、系统组成，利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作。具有结构简单、重量轻、使用方便可靠、对工件表面没有损伤、吸附力分布均匀等优点。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，冷搬运环境。,按形成压力差的原理，可分为真空吸附、气流负压气吸附、挤压排气式等3种。,工业机器人手部结构,2.4,四、工业机器人的吸附式手部,1气吸附式手部,1）真空吸附取料手,取料时，碟形橡胶吸盘与物体表面接触，橡胶吸盘在边缘既起到密封作用，又起到缓冲作用，然后真空抽气，吸盘内腔形成真空，吸取物料。放料时，管路接通大气，失去真空，物体放下。为避免在取、放料时产生撞击，有的还在支承
18、杆上配有弹簧缓冲。,1-橡胶吸盘 2-固定环 3-垫片 4-支撑杆 5-基板 6-螺母,工业机器人手部结构,2.4,四、工业机器人的吸附式手部,1气吸附式手部,2）气流负压吸附取料手,气流负压吸附取料手是利用流体力学的原理，当需要取物时，压缩空气高速流经喷嘴5时，其出口处的气压低于吸盘腔内的气压，于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压，完成取物动作；当需要释放时，切断压缩空气即可。,b）1-橡胶吸盘 2-心套 3-通气螺钉 4-支撑杆 5-喷嘴 6-喷嘴套,工业机器人手部结构,2.4,四、工业机器人的吸附式手部,1气吸附式手部,2）气流负压吸附取料手,利用负压吸附取料的还有球形取料手，它的握持
19、部件是一个填充了研磨咖啡粉的气球。,工业机器人手部结构,2.4,四、工业机器人的吸附式手部,1气吸附式手部,3）挤压排气式取料手,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。,c）1-橡胶吸盘 2-弹簧 3-拉杆,工业机器人手部结构,2.4,四、工业机器人的吸附式手部,2磁吸附式手部,磁吸附式手部是利用永久磁铁或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；另外，对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。,电磁工作原理 1-线圈 2-
20、铁芯 3-衔铁,工业机器人手部结构,2.4,五、仿生多指灵巧手,1柔性手,手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成，每个手指由两根钢丝绳牵引，一侧为握紧，另一侧为放松。,工业机器人手部结构,2.4,五、仿生多指灵巧手,2多指灵巧手,手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成，每个手指由两根钢丝绳牵引，一侧为握紧，另一侧为放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，诸如拧螺钉、弹钢琴、作礼仪手势等动作松。,多指灵巧手,工业机器人驱动与传动,2.5,一、驱动装置,1液压驱动装置,液压驱动装置输出力矩大，可省去减速装置，
21、直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，但是响应较慢，驱动精度不高。需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合。故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。,2气动驱动装置,气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用，但与液压驱动装置相比，输出力矩较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。,工业机器人驱动与传动,2.5,一、驱动装置,3电动驱动装置,电动驱动装置的能源简单，速度变化范围，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相连，直接驱动比较困难，电动驱动装置又可分为直流（DC）、交流（AC）伺服电机驱动和步进电机驱动。,电动驱动装置 )
22、直流有刷电机 ) 盘式直流无刷电机 ) 步进电机 ) 伺服电机,工业机器人驱动与传动,2.5,一、驱动装置,工业机器人驱动与传动,2.5,一、驱动装置,工业机器人驱动与传动,2.5,一、驱动装置,工业机器人驱动与传动,2.5,一、驱动装置,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,1直线驱动机构,（1）齿轮齿条装置,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,1直线驱动机构,（2）滚珠丝杠,滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。传动效率高，消除了低速运动时的爬行现象。,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,1直线驱动机构,（3）液压传动,（4）同步带滑台,工业机器人驱动与传动,2.5,
23、二、传动机构,2旋转传动机构,（1）轮系,轮系是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构，它不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,2旋转传动机构,（2）同步齿形带,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,2旋转传动机构,（3）谐波减速器,谐波齿轮传动机构由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成。,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,2旋转传动机构,（3）谐波减速器,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,2旋转传动机构,（4）RV减速器,相比于谐波减速器，RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，
24、一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部；行星减速器一般用在直角坐标机器人上。同时，RV减速机较机器人中常用的谐波传动具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定。,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,3工业机器人的制动器,许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。,制动器通常是按失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。其缺点是在工作期间要不
25、断花费电力使制动器放松。,工业机器人驱动与传动,2.5,二、传动机构,3工业机器人的制动器,电磁失电制动器 1-磁轭 2-线圈 3-弹簧 4-衔铁 5-螺栓释放 6-空心螺栓 7-安装螺钉 8-制动盘 9-花键套 10-电机端面,思考与习题,2.6,一、填空题 1. 机器人机身和臂部的配置形式有 、 、 和 。 2. 腕部是联接 和 的结构部件，它的主要作用是确定手部的 。 3. 若手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线，该手腕关节称为 ，若手腕的关节轴线与手臂的纵轴线垂直，该手腕关节称为 。 4. 手部按其抓握原理可以分为 和 。 5. 主要有三种驱动方式： 、 和 。 二、判断题 1. 臂部是机
26、器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，确定手部的位姿。（ ） 2. 工业机器人的手部为专用部件，通用性比较差。（ ） 3. 一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置，而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部。（ ）,思考与习题,2.6,三、简答题 1图2-42所示的机器人为何种坐标类型的机器人？ 2试述精度、重复精度和分辨率之间的关系和区别？ 3机器人机械结构由哪几部分组成，每一部分的作用是什么？ 4机器人的俯仰型机身机构是如何工作的？ 5机器人腕部机构的转动方式有哪几种？ 6试述机器人的手部机构的特点，机器人手部有哪些种类？ 7夹持类手部、吸附类手部和仿人类手部分别适用于哪些作业场合？ 8夹持类手部有哪几类？夹钳式手部由哪几个部分组成？,图2-42 习题1图,THANK YOU,
