工业机器人技术基础-第2章工业机器人的机械结构.pptx

工业机器人技术基础-第2章工业机器人的机械结构.pptx

《工业机器人技术基础-第2章工业机器人的机械结构.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业机器人技术基础-第2章工业机器人的机械结构.pptx（123页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

,提及机器人，大家更多的可能是想到那些拟人化的机器人，但事实上大多数机器人都不具有基本的人类形态，更多的是以机械手的形式存在，机器人手部也称末端执行器，那么，末端执行器有什么作用？

怎么进行分类？

它的结构组成和工作原理又是如何的呢？

工业机器人的末端执行器，也叫手部，是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。

工业机器人末端执行器的特点,常用的末端执行器分类,1手指；2传动机构；3驱动装置；4支架；5工件,手指是直接与工件接触的构件，通过手指的张开和闭合来实现工件的松开和夹紧。

指端是手指上直接与工件接触的部位，其形状分为V形指、平面指、尖指和特形指。

夹持式末端执行器通常是由两个或更多的手指组成，通过机器人控制器控制手指的开合来抓取工件或物体。

驱动装置是向传动机构提供动力的装置。

通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动。

如图所示，为气压驱动的夹钳式末端执行器，气缸4中的压缩空气推动活塞5，使齿条1做往复运动，经扇形齿轮2带动平行四边形机构，使手指3平行地快速张合。

驱动源的驱动力通过传动机构驱动手指开合并产生夹紧力。

按其手指夹持工件时运动方式的不同，可分为回转型和平移型传动机构。

如图所示为斜楔式回转型末端执行器的结构简图。

斜楔2向下运动，克服弹簧5拉力，使杠杆手指装有滚子3的一端向外撑开，从而夹紧工件8。

反之，斜楔向上运动，则在弹簧5拉力的作用下，使手指7松开。

手指与斜楔通过滚子接触，可以减少摩檫力，提高机械效率。

杠杆形手指4的一端装有V形指5，另一端则开有长滑槽。

驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铵销3）作相对回转运动，从而实现手指对工件6的夹紧与松开动作。

滑槽杠杆式传动结构的定心精度与滑槽的制造精度有关。

如图所示为双支点连杆式回转型末端执行器的结构简图，驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接，当驱动杆2作直线往复运动时，则通过连杆推动两杆手指各绕支点做回转运动，从而使手指松开或闭合。

该机构的活动环节比较多，故定心精度比斜楔传动差。

直线往复移动机构是通过手指指面作直线往复运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）。

直线往复移动机构,平面平行移动机构是通过手指指面作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（如冰箱等）。

1.气吸附式末端执行器,气吸附式末端执行器由吸盘、吸盘架和气路组成，气吸附式末端执行器按形成压力差的方法分类，可分为真空吸附、气流负压吸附、挤压排气负气压吸附等。

如图所示为真空吸附取料末端执行器的结构原理，其真空的产生是利用真空泵，真空度较高。

取料时，蝶形橡胶吸盘与物体表面接触，橡胶吸盘再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。

气流负压吸附末端执行器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。

取料时末端执行器先向下，吸盘压向工件5，橡胶吸盘4形变，将吸盘内的空气挤出；之后，手部向上提升，压力去除，橡胶吸盘恢复弹性形变使吸盘内腔形成负压，将工件牢牢吸住，机械手即可进行工件搬运。

到达目标位置后要释放工件时，用碰撞力P或电磁力使压盖2动作，使吸盘腔与大气联通而失去负压，破坏吸盘腔内的负压，释放工件。

磁吸附式末端执行器是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工件的，其应用比较广泛，不会破坏被吸件表面质量。

电磁铁吸附式末端执行器结构如图所示。

在线圈通电瞬间，由于空气间隙的存在，磁阻很大，线圈的电感和启动电流很大，这时产生磁性吸力将工件吸住，一旦断电，磁吸力消失，工件就松开。

若采用永久磁铁作为吸盘，则必须强迫性取下工件。

机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求完成各种动作，再配上各种专用的末端执行器后，就能完成各种不同的工作。

例如，在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人，安装拧螺母机则成为一台装配机器人。

如图所示机器人工具快换装置，是一种用于机器人快速更换末端执行器的装置，可以在数秒内快速更换不同的末端执行器，使机器人更具有柔性、更高效，被广泛应用于自动化行业的各个领域。

机器人工具快换装置,另外，工具快换装置在一些重要的应用中能够为工具提供备份工具，有效避免意外事件。

相对于人工需数小时更换工具，工具快换装置自动更换备用工具能够在数秒钟内就完成。

某些机器人的作业任务相对较为集中，需要换接一定量的末端执行器，又不必配备数量较多的末端操作器库，这时，可以在机器人手腕上设置一个多工位转换装置。

多工位换接装置如图所示，就像数控加工中心的刀库一样，可以有棱锥型和棱柱型两种形式。

仿人机器人末端执行器,一般末端执行器,多关节柔性手,说到手腕，我们首先会想到人的手腕，在讲述机器人手腕结构之前，大家先来想想人的手腕所处的位置以及作用，再推想一下机器人的手腕所处的位置及其作用。

那么工业机器人手腕由哪些部分组成，在工作中起什么作用呢?

工业机器人手腕的工作原理是什么呢?

为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间3个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转3个自由度。

这3个回转方向又分别称为臂转、手转、腕摆，如图所示。

腕部的自由度,1）滚转指组成关节的两个零件自身的几何回转中心和相对运动的回转轴线重合，能实现360无障碍旋转，通常用R来标记,2）弯转指两个零件的几何回转中心和其相对运动的回转轴线垂直的关节运动，其相对转动角度一般小于360，通常用B来标记,腕摆是指腕部的上下摆动，这种运动称为俯仰，又称为腕部弯曲，通常把腕摆叫做Pitch,用P表示。

手转指机器人腕部水平摆动，通常把手转叫做Yaw,用Y表示。

腕部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，常用的腕部组合的方式有臂转-腕摆-手转结构，臂转-双腕摆-手转结构等，如图所示。

（a）转-腕摆-手转结构（b）臂转-双腕摆-手转腕部的组合方式,腕,爪,腕,爪,臂,腕部根据实际使用的工作要求和机器人的工作性能来确定自由度，腕部按自由度数目来分类，可分为单自由度腕部、二自由度腕部和三自由度腕部。

单自由度腕部,二自由度腕部,三自由度腕部,BR关节由一个滚转关节和一个弯转关节构成,BB关节由两个弯转关节构成,RR关节因为两个滚转关节的功能是重复的，实际上只能起到单自由度的作用,安川HP20工业机器人的腕部结构形式（RBR）,B,R,R,按驱动方式的不同，手腕结构又可以分为液压（汽）缸驱动的腕部结构和机械传动的腕部结构两种。

（1）液压（汽）缸驱动的腕部结构,

（2）机械传动的腕部结构如图所示为三自由度的机械传动的腕部结构，是个具有三根输入轴的差动轮系。

腕部旋转使得附加的腕部结构紧凑、重量轻。

从运动分析的角度看，这是一种比较理想的三自由度腕，这种腕部可使手运动灵活，适应性广。

目前，它已成功地用于点焊、喷漆等通用机器人上。

从检测、控制的角度采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配,从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的要求,柔顺装配技术,如图所示是具有水平移动和摆动功能的浮动机构的柔顺手腕。

水平移动浮动机构由平面、钢球和弹簧构成，实现在两个方向上的浮动；摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成，实现两个方向的摆动。

在装配作业中，如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准，可自行校正。

其动作过程如图所示，在插入装配中，工件在局部被卡住时会受到阻力，促使柔顺手腕起作用，使手爪有一个微小的修正量。

说到手臂，我们首先会想到人的手臂，在讲述机器人手臂结构之前，大家先来想想人的手臂所处的位置以及作用，再推想一下机器人的手臂所处的位置及其作用。

那么工业机器人手臂由哪些部分组成，在工作中起什么作用呢?

工业机器人手臂的工作原理是什么呢?

机器人手臂是连接机身和手腕的部件，它的主要作用是确定末端执行器的空间位置。

满足机器人的作业空间要求，并将各种载荷传递到机座。

手臂的结构、灵活性、抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影响机器人的工作性能。

臂部按运动和布局、驱动方式、传动和导向装置可分为以下四种臂部结构类型。

臂部按手臂的结构形式，可分为单臂式臂部结构、双臂式臂部结构和悬挂式臂部结构等三类。

如图所示为手臂的三种结构形式。

臂部按手臂的运动形式，可分为直线运动型臂部结构、回转运动型臂部结构和复合运动型臂部结构等三类。

复合运动是指直线运动和回转运动的组合两直线运动的组合，两回转运动的组合,回转运动是指手臂的左右回转上下摆动（即俯仰）,直线运动是指手臂的伸缩、升降及横向（或纵向）移动,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运动的机构形式较多，常用的有活塞液压（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及活塞缸和连杆机构等。

双导向杆手臂的伸缩结构如图所示。

1双作用液压缸；2-活塞杆；3导向杆；4导向套；5支承座；6手腕回转缸；7-手部双导向杆手臂的伸缩结构,机器人的手臂俯仰运动一般采用活塞液压缸与连杆机构来实现。

手臂的俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用较链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，如图所示。

铰接活塞缸实现手臂俯仰的结构示意图,1手臂；2-夹紧缸；3升降缸；4小臂；5、7铰接活塞缸；6大臂；7-立柱,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、链轮传动机构、连杆机构。

下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮齿条机构为例来说明手臂的回转。

手臂复合运动机构多用于动作程序固定不变的专用机器人，它不仅使机器人的传动结构简单，而且可简化驱动系统和控制系统，并使机器人传动准确、工作可靠，因而在生产中应用得比较多。

除手臂实现复合运动外，手腕和手臂的运动也能组成复合运动。

工业机器人必须有一个便于安装的基础件基座。

机座往往与机身做成一体，机身与臂部相连，机身支承臂部，臂部又支撑腕部和手部。

那么机器人有哪些典型机身结构呢？

机器人机身与臂部之间如何配置呢？

下面我们就来学习工业机器人的机身结构。

机器人的机身（或称立柱）是直接连接、支撑和传动手臂及行走机构的部件，实现臂部各种运动的驱动装置和传动件一般都安装在机身上。

臂部的运动越多，机身的受力越复杂。

机器人的机身结构一般由机器人总体设计确定,链条链轮传动实现机身回转的原理图,机器人手臂的俯仰运动。

一般采用活塞油（气）缸与连杆机构来实现。

手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，如图所示。

机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。

机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。

目前常用的有横梁式、立柱式、机座式、屈伸式等几种。

机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人的运动形式大多为移动式的。

它具有占地面积小、能有效利用空间、直观等优点。

横梁可设计成固定的或行走的，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。

横梁式机身,立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，是一种常见的配置形式。

一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小、工作范围大的特点。

立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。

立柱式结构简单，服务于某种主机，承担上、下料或转运等工作。

立柱式机身,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。

也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。

各种运动形式的机身均可设计成机座式的。

屈伸式机身,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。

屈伸臂与机身间的配置形式关系到机器人的运动轨迹，可以实现平面运动，也可以做空间运动，如图所示。

屈伸式机身,说到行走机构，我们首先会想到人的两条腿和脚，在讲述工业机器人的行走机构之前，大家先来想想人的腿和脚所处的位置以及作用，再推想一下机器人的行走机构所处的位置及其作用。

那么工业机器人行走机构由哪些部分组成，在工作中起什么作用?

又有哪些分类呢?

固定轨迹式行走机构,车轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。

火星探测用小漫游车,感应引导的车轮式行走机器人,机器人的定位，用四轮构成的车可通过控制各轮的转向角来实现。

自由度多，能简单设定机器人所需位置及方向的移动车称为全方位移动车。

如图所示是表示全方位移动车移动方式的各车轮转向角。

履带式行走机构适合未建造的天然路面行走，是轮式行走机构的扩展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。

履带式行走机构由履带、驱动链轮、支承轮、托带轮和张紧轮（导向轮）组成。

履带行走机构,履带行走机构的形状有很多种，主要是一字形、倒梯形等。

足式行走机构有很大的适应性，尤其在有障碍物的通道（如管道、台阶）或很难接近的工作场地更有优越性；足式行走在不平地面或松软地面上的运动速度较高，能耗较少。

足式行走机器人,不同足数的行走机器人的主要性能指标对比表,工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动。

因此，传动部件是构成工业机器人的重要部件。

那么，工业机器人的传动机构有哪些，它们的工作原理又是如何呢？

驱动装置的受控运动必须通过传动装置带动机械臂产生运动，以精确的保证末端执行器所要求的位置、姿态和实现其运动。

目前工业机器人广泛采用的机械传动装置是减速器。

机器人关节减速器（精密减速器）特点：

传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等作用：

使机器人伺服电动机在一个合适的速度下运转并精确地将转速降到工业机器人各部分需要的速度在提高机械本体刚性的同时输出更大的转矩分类：

RV减速器和谐波减速器,2.6工业机器人的传动系统,此外，机器人还采用轴承传动、丝杆传动、齿轮传动、链条（带）传动、绳传动等。

2.6工业机器人的传动系统,轴承是支承元件，主要功能是支承机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。

工业机器人的轴承是其关键配套件之一，最适用于工业机器人的关节部位或者旋转部位。

等截面薄壁轴承和交叉圆柱滚子轴承是工业机器人的应用中较为主要的两大类。

2.6工业机器人的传动系统,交叉滚子轴承,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,丝杠传动有滑动式、滚珠式和静压式等。

机器人传动用的丝杠具备结构紧凑、间隙小和传动效率高的特点。

2.6工业机器人的传动系统,1丝杠；2-螺母；3滚珠；4回路管道滚珠丝杆的基本组成,如图所示为滚珠丝杠的基本组成。

导向槽连接螺母的第一圈和最后两圈，使其形成滚动体可以连续循环的导槽。

滚珠丝杠在工业机器人上的应用比滚柱丝杠多，因为后者结构尺寸大（径向和轴向），传动效率低。

2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,如图所示为行星齿轮传动的结构简图。

行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧湊；载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。

行星齿轮传动机构简图,2.6工业机器人的传动系统,同行星齿轮传动一样，谐波齿轮传动（简称谐波传动）通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个带有外齿的柔轮和一个波发生器，如图所示。

在这3个基本构件中任意固定一个，其余一个为主动件另一个为从动件（如刚轮固定不变，波发生器为主动件，柔轮为从动件）。

谐波齿轮的结构,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,RV减速器的传动装置采用的是一种新型的二级封闭行星轮系，是在摆线针轮传动基础上发展起来的一种新型传动装置，在机器人领域占有主导地位。

RV减速器具有较高的疲劳强度刚度和寿命而且回差精度稳定,谐波减速器随着使用时间增长运动精度显著降低,RV减速器,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,RV减速器结构示意图（a）,2.6工业机器人的传动系统,RV减速器结构示意图（b）,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,在工业机器人中，同步带传动主要用来传递平行轴间的运动。

同步传送带和带轮的接触面都制成相应的齿形，靠啮合传递功率，其传动原理如图所示，齿的节距用包络带轮时的圆节距t表示。

1主动轮；2从动轮；3传送带同步带的传动原理,2.6工业机器人的传动系统,同步带的计算公式为：

式中，=n1为主动轮转速，单位为r/min；n2为从动轮转速，单位为r/min；z1为主动轮齿数；z2为从动轮齿数。

2.6工业机器人的传动系统,2.6工业机器人的传动系统,图（a）CienziaMachinale绳缆驱动机器人Dexter,图（b）多关节柔性手,2.6工业机器人的传动系统,2023/5/20,