第2章机器人系统及设计方法

1、 工工业业机机器器人人第章第章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.2 机器人系统设计方法机器人系统设计方法 习题习题 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成操作机操作机驱动器驱动器控制系统控制系统 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成 操作机操作机也也称为执行机构、称为执行机构、机械本体等，机械本体等，它具有和人手它具有和人手臂相似的功能，臂相似的功能，是可在空间抓是可在空间抓放物体或

2、进行放物体或进行其他操作的机其他操作的机械装置。械装置。 2.1.1 2.1.1 操作机操作机 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机 机器人的操作机器人的操作机就是通过机就是通过活动关活动关节（转动关节或移节（转动关节或移动关节）动关节）连接在一连接在一起的空间开链机构起的空间开链机构，主要由，主要由手部、腕手部、腕部、臂部部、臂部和和机座机座构构成。成。 1-手部 2-腕部 3-臂部 4-机座 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.

3、1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部1 1、手部的作用与分类、手部的作用与分类2 2、机械夹持式、机械夹持式3 3、吸附式、吸附式4 4、专用手、专用手5 5、灵巧手、灵巧手6 6、换接器、换接器 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部1 1、手部的作用与分类、手部的作用与分类作用作用：机器人的手部又称为：机器人的手部又称为末端执行器末端执行器，它是机器人，它

4、是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用工直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的最前端。手臂的最前端。 分类分类： 机械夹持式手机械夹持式手 吸附式手吸附式手 专用手专用手灵巧手灵巧手 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手

5、、机械夹持式手（1 1）组成）组成 机械夹持式手机械夹持式手由由手指手指（或手爪）、（或手爪）、传动机构传动机构、驱动机驱动机构构及及连接与支承元连接与支承元件件组成，它通过手组成，它通过手指的开、合动作实指的开、合动作实现对物体的夹持操现对物体的夹持操作。作。 1-手指 2-传动机构 3-驱动机构 4-支承元件 5-工件 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（1 1）组成）组成 有时，手指的形有时，手

6、指的形状与表面形式取决于状与表面形式取决于工件及操作要求。工件及操作要求。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（2 2）分类）分类 按手爪的运动方式分为按手爪的运动方式分为回转型回转型和和平移型平移型。 按夹持工件的方式分为按夹持工件的方式分为外夹式外夹式和和内撑式内撑式。按驱动方式分为电动、液动、气动和弹性力驱动。按驱动方式分为电动、液动、气动和弹性力驱动。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器

7、人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构 弹性力手弹性力手 弹性力手的特点弹性力手的特点是其夹持工件的抓力是其夹持工件的抓力是由弹性元件提供的，是由弹性元件提供的，不需要专门的驱动装不需要专门的驱动装置，在抓取工件时需置，在抓取工件时需要一定的压入力，而要一定的压入力，而在取下时，则需要一在取下时，则需要一定的拉力。定的拉力。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1

8、机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构回转型手回转型手 楔块杠杆式楔块杠杆式 楔块杠杆式回转型手当驱动楔块杠杆式回转型手当驱动器推动楔块前进时，通过楔块的器推动楔块前进时，通过楔块的斜面与杠杆作用，使手爪产生夹斜面与杠杆作用，使手爪产生夹紧动作和夹紧力，当楔块后退时，紧动作和夹紧力，当楔块后退时，靠弹簧的拉力使手爪松开。靠弹簧的拉力使手爪松开。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.

9、1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构回转型手回转型手 滑槽杠杆式滑槽杠杆式 滑槽杠杆式回转型手滑槽杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆向上当驱动器推动中心杆向上运动时，圆柱销在两杠杆运动时，圆柱销在两杠杆的滑槽中移动，迫使与支的滑槽中移动，迫使与支架相铰接的手爪产生夹紧架相铰接的手爪产生夹紧动作和夹紧力，当中心杆动作和夹紧力，当中心杆向下运动时，手抓松开。向下运动时，手抓松开。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.

10、1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构回转型手回转型手 连杆杠杆式连杆杠杆式 连杆杠杆式回转型手当驱动器连杆杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆上下运动时，由中心杆、推动中心杆上下运动时，由中心杆、连杆、手爪和支架就构成四杆机构，连杆、手爪和支架就构成四杆机构，从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。 注意注意：当中心杆向下运动，两个连杆处于一条水平：当中心杆向下运动，两个连杆处于一条水平线时，手爪已闭合到最小极限位置，当中心杆继续向下线时，手爪已闭合到最小极限位置，当中心杆继续

11、向下运动时，手爪不但不会闭合的更紧，反而会松开。运动时，手爪不但不会闭合的更紧，反而会松开。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构回转型手回转型手 齿轮齿条式齿轮齿条式 齿轮齿条式回转型手中心齿轮齿条式回转型手中心杆的端部两侧有齿条，与固定杆的端部两侧有齿条，与固定在手爪上的齿轮相啮合，当中在手爪上的齿轮相啮合，当中心杆上下运动时，在齿轮齿条心杆上下运动时，在齿轮齿条的啮合作

12、用下就带动两个手爪的啮合作用下就带动两个手爪回转从而产生夹紧和松开动作。回转从而产生夹紧和松开动作。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构回转型手回转型手 自重杠杆式自重杠杆式 自重杠杆式回转型手自重杠杆式回转型手手爪的开合是由铰接活塞手爪的开合是由铰接活塞油缸实现的。当手爪闭合油缸实现的。当手爪闭合抓住工件时，由于工件对抓住工件时，由于工件对手爪的作用力方向位于手手爪的作用

13、力方向位于手爪回转轴垂直线的外侧，所以手爪的夹紧是由工件自爪回转轴垂直线的外侧，所以手爪的夹紧是由工件自重产生的，工件越重，夹紧力越大。重产生的，工件越重，夹紧力越大。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构 平移型手平移型手 平移型手的特点是两个手爪做相对的往复平移运动，平移型手的特点是两个手爪做相对的往复平移运动，从而实现对工件的夹紧和松开动作，它分为从而实现对工件的夹紧和

14、松开动作，它分为直线式直线式和和圆圆弧式弧式两种。两种。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构 平移型手平移型手 齿轮齿条式齿轮齿条式 齿轮齿条式平齿轮齿条式平移型手两个手爪上移型手两个手爪上都有齿条与过渡齿都有齿条与过渡齿轮啮合。当拉动一个手爪时，另一个手爪就反向运动，轮啮合。当拉动一个手爪时，另一个手爪就反向运动，如此反复运动，即可完成手爪的夹紧与松开动作，也如此反复运动

15、，即可完成手爪的夹紧与松开动作，也可使过渡齿轮正、反旋转来完成手爪的夹紧与松开动作。可使过渡齿轮正、反旋转来完成手爪的夹紧与松开动作。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构平移型手平移型手 螺母丝杠式螺母丝杠式 螺母丝杠式平移型手螺螺母丝杠式平移型手螺杆分成左右两段，其上螺纹杆分成左右两段，其上螺纹旋向相反，两手爪上有与其旋向相反，两手爪上有与其配合的螺纹孔（即为螺母）配合的

16、螺纹孔（即为螺母）。当螺杆正、反旋转时，两。当螺杆正、反旋转时，两手爪就产生相对平移运动，手爪就产生相对平移运动，从而实现加紧和松开动作。从而实现加紧和松开动作。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构平移型手平移型手 凸轮式凸轮式 凸轮式平移型手在凸轮式平移型手在与手爪连接的滑块上有与手爪连接的滑块上有导向槽和凸轮槽。当中导向槽和凸轮槽。当中心杆上下运动时，通过心杆上下运动时

17、，通过滚子对凸轮槽的作用使滚子对凸轮槽的作用使滑块沿导向滚子做相对平移运动，从而实现手爪的夹滑块沿导向滚子做相对平移运动，从而实现手爪的夹紧和松开动作。紧和松开动作。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部2 2、机械夹持式手、机械夹持式手（3 3）典型结构）典型结构平移型手平移型手 平行连杆式平行连杆式 平行连杆式平移型平行连杆式平移型手属于圆弧式平移型式手属于圆弧式平移型式手，其原理是采用平行手，其原理是采用平行四边形平动机构，使手爪

18、在加紧和松开的过程中保持方四边形平动机构，使手爪在加紧和松开的过程中保持方向不变，从而实现平行移动，但手爪上任一点的运动轨向不变，从而实现平行移动，但手爪上任一点的运动轨迹为圆弧摆动。需要注意的是，这种手爪在夹持工件的迹为圆弧摆动。需要注意的是，这种手爪在夹持工件的瞬时，对工件表面有一个切向分力。瞬时，对工件表面有一个切向分力。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（1 1）分类）分类 吸附式手靠吸附力抓取工件

19、，特别适用于大平面吸附式手靠吸附力抓取工件，特别适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃制品）、微小（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃制品）、微小（不易抓取）的工件或物体，与机械夹持式手相比，（不易抓取）的工件或物体，与机械夹持式手相比，具有结构简单、重量轻、抓取力分布均匀的优点，适具有结构简单、重量轻、抓取力分布均匀的优点，适用面较广。用面较广。 根据吸附力的产生方法不同，将其分为：根据吸附力的产生方法不同，将其分为： 气吸式气吸式 磁吸式磁吸式 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1

20、操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（2 2）气吸式）气吸式 气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形成的压力差来工作的，根据压力差形成的原理不同，可成的压力差来工作的，根据压力差形成的原理不同，可分为：分为： 挤压排气式挤压排气式 气流负压式气流负压式真空抽气式真空抽气式 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（2 2）气

21、吸式）气吸式 挤压排气式挤压排气式 挤压排气式吸附式手当抓取挤压排气式吸附式手当抓取工件时，橡胶吸盘压紧工件从而工件时，橡胶吸盘压紧工件从而发生变形，挤出腔内多余的空气，发生变形，挤出腔内多余的空气，当手上升时，靠橡胶吸盘的恢复当手上升时，靠橡胶吸盘的恢复力是其腔内与外界气压之间形成力是其腔内与外界气压之间形成负压，从而将工件吸住。释放工件时，压下拉杆，使吸负压，从而将工件吸住。释放工件时，压下拉杆，使吸盘腔与大气相连通而失去负压。挤压排气式吸附式手结盘腔与大气相连通而失去负压。挤压排气式吸附式手结构简单，但吸附力有限，吸附状态不易长期保持。构简单，但吸附力有限，吸附状态不易长期保持。 工工业

22、业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（2 2）气吸式）气吸式 气流负压式气流负压式 气流负压式吸附式手利气流负压式吸附式手利用流体力学中射流的原理，用流体力学中射流的原理，当需要抓取工件时，高速高当需要抓取工件时，高速高压空气流经喷嘴时，其出口处的气压低于吸盘腔内的气压空气流经喷嘴时，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，由此压，于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压，由此产生吸力

23、，完成抓取工件的动作，当需要释放工件时，产生吸力，完成抓取工件的动作，当需要释放工件时，切断高速高压空气即可。气流负压式吸附式手容易取得切断高速高压空气即可。气流负压式吸附式手容易取得高速高压空气，故成本低，且吸附可靠，控制简单。高速高压空气，故成本低，且吸附可靠，控制简单。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（2 2）气吸式）气吸式 真空抽气式真空抽气式 真空抽气式吸附式手其真真空抽气式吸附式手其真空是由真

24、空泵抽气产生的，真空是由真空泵抽气产生的，真空度较高，所以吸附力最大。空度较高，所以吸附力最大。当需要抓取工件时，碟形橡胶吸盘与工件表面接触，然当需要抓取工件时，碟形橡胶吸盘与工件表面接触，然后真空泵抽气，吸盘腔内形成真空，产生吸力，从而完后真空泵抽气，吸盘腔内形成真空，产生吸力，从而完成抓取工件动作，当需要释放工件时，管路接通大气，成抓取工件动作，当需要释放工件时，管路接通大气，吸盘腔内失去真空即可。真空抽气式吸附式手工作可吸盘腔内失去真空即可。真空抽气式吸附式手工作可靠，吸附力大，但需要真空系统，成本较高。靠，吸附力大，但需要真空系统，成本较高。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人

25、系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（3 3）磁吸式）磁吸式 磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料在温度超过在温度超过723723时就会失去磁性），另外，对不时就会失去磁性），另外，对不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。用有一定的局限性。 根据磁场产生

26、的方法不同，磁吸式手可分为：根据磁场产生的方法不同，磁吸式手可分为： 永磁式永磁式电磁式电磁式 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（3 3）磁吸式）磁吸式 永磁式永磁式 永磁式磁吸式手是利用永久磁钢的磁吸力来永磁式磁吸式手是利用永久磁钢的磁吸力来工作的，通过移动隔磁物体来改变改变吸盘内的工作的，通过移动隔磁物体来改变改变吸盘内的磁力线回路，从而达到吸住和释放工件的目的磁力线回路，从而达到吸住和释放工件的目的（

27、也可用外力强迫取下工件）。它具有不需电源，（也可用外力强迫取下工件）。它具有不需电源，结构简单，安全可靠等优点，缺点是长时间使用结构简单，安全可靠等优点，缺点是长时间使用后会出现磁吸力减弱的现象，而且对同样重量的后会出现磁吸力减弱的现象，而且对同样重量的吸盘来讲，其吸力不及电磁式。吸盘来讲，其吸力不及电磁式。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（3 3）磁吸式）磁吸式 电磁式电磁式 电磁式磁电磁式磁吸式手是用

28、接吸式手是用接通和切断电磁通和切断电磁线圈中的电流线圈中的电流（直流或交流），产生和消除磁吸力的方法来吸住和（直流或交流），产生和消除磁吸力的方法来吸住和释放工件的，当衔铁接触铁磁性工件时，工件被磁化释放工件的，当衔铁接触铁磁性工件时，工件被磁化形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部3 3、吸附式手、吸附式手（3 3）磁吸式）磁吸式 电磁式电磁式 电磁式电磁式吸

29、附式手的吸附式手的各种形状。各种形状。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部4 4、专用手、专用手 机器人的专用机器人的专用手是指用来完成某手是指用来完成某一特定操作的、具一特定操作的、具有特殊功能的末端有特殊功能的末端执行器，其实质就执行器，其实质就是各种各样的专用是各种各样的专用工具，例如焊接机工具，例如焊接机器人的焊枪、喷涂器人的焊枪、喷涂机器人的喷枪等。目前常用的机器人专用手有焊枪、喷机器人的喷枪等。目前常用的机器人专用手有焊枪

30、、喷枪、砂轮、拧螺母机、激光切割机等。枪、砂轮、拧螺母机、激光切割机等。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部5 5、灵巧手、灵巧手 机器人的灵巧手是为了适应被抓取工件的不规则机器人的灵巧手是为了适应被抓取工件的不规则外形变化，并可使工件表面承受到比较均匀的抓取力。外形变化，并可使工件表面承受到比较均匀的抓取力。机器人常用的灵巧手有柔性手和多指灵巧手。机器人常用的灵巧手有柔性手和多指灵巧手。柔性手柔性手 工工业业机机器器人人第第2 2章

31、章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部5 5、灵巧手、灵巧手 多指灵巧手多指灵巧手 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部6 6、换接器、换接器 换接器一般由两部换接器一般由两部分组成：分组成：换接器插座换接器插座和和换接器插头换接器插头。 它们分别装在机器它们分别装在机器人的手部和机器人的腕人的手部和机器人的腕部

32、，能够使机器人快速部，能够使机器人快速自动的更换手部。自动的更换手部。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.1 2.1.1.1 手部手部6 6、换接器、换接器 对换接器的要求：同时具备气源、电源和信号的对换接器的要求：同时具备气源、电源和信号的快速联接与切断；能承受手部的工作载荷；在失电、快速联接与切断；能承受手部的工作载荷；在失电、失气的情况下，机器人停止工作时不会自行脱离；具失气的情况下，机器人停止工作时不会自行脱离；具有一定的换接精度等。多工位换接器如下图所

33、示：有一定的换接精度等。多工位换接器如下图所示： 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部1 1、腕部的作用与自由度、腕部的作用与自由度 2 2、腕部的典型结构、腕部的典型结构 3 3、柔顺腕部结构、柔顺腕部结构 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部1 1、腕部的作用与自由度、腕部的

34、作用与自由度（1 1）作用）作用：改变或调整机器人手部在空间的：改变或调整机器人手部在空间的姿态姿态 ( (方向方向) )，并连接机器人的手部和臂部。，并连接机器人的手部和臂部。（2 2）自由度）自由度： 分别为分别为回转（回转（x） 俯仰（俯仰（y） 偏摆（偏摆（z） 由三个回转关节由三个回转关节组合而成。组合而成。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部2 2、腕部的典型结构、腕部的典型结构（1 1）液压摆动缸）液压摆动缸 工工业业机

35、机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部2 2、腕部的典型结构、腕部的典型结构（2 2）轮系机构）轮系机构2 2自由度（诱导运动）自由度（诱导运动） 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部2 2、腕部的典型结构、腕部的典型结构（2 2）轮系机构）轮系机构2 2自由度（差动式）自由度（差动式）)(

36、2121)(2121回转回转偏摆偏摆 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部2 2、腕部的典型结构、腕部的典型结构（2 2）轮系机构）轮系机构 3 3自由度自由度 ( (正交）正交） 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部2 2、腕部的典型结构、腕部的典型结构（2 2）轮系机构）轮系

37、机构 3 3自由度自由度 ( (正交）正交） 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部2 2、腕部的典型结构、腕部的典型结构（2 2）轮系机构）轮系机构 3 3自由度自由度 ( (斜交）斜交） 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部3 3、柔顺腕部结构、柔顺腕部结构（1 1）作用：）作

38、用：消除机器人在进行装配作业时的装配误差。消除机器人在进行装配作业时的装配误差。（2 2）装配误差）装配误差：角度误差：角度误差 位置误差位置误差 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部3 3、柔顺腕部结构、柔顺腕部结构（3 3）解决办法）解决办法 主动柔顺主动柔顺 边检测，边检测，边修正。边修正。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.

39、1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部3 3、柔顺腕部结构、柔顺腕部结构（3 3）解决办法）解决办法 被动柔顺被动柔顺 角度误差角度误差回转运动回转运动 - -回转机构回转机构 位置误差位置误差平移运动平移运动 - -平移机构平移机构 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.2 2.1.1.2 腕部腕部3 3、柔顺腕部结构、柔顺腕部结构（3 3）解决办法）解决办法 被动柔顺被动柔顺典型结构典型结构 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计

40、方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.3 2.1.1.3 臂部臂部1 1、臂部的作用与关节类型、臂部的作用与关节类型 2 2、臂部的平移运动机构、臂部的平移运动机构 3 3、臂部的回转运动机构、臂部的回转运动机构 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.3 2.1.1.3 臂部臂部1 1、臂部的作用与关节类型、臂部的作用与关节类型（1 1）作用）作用：改变机器人手在空间的位置。：改变机器人手

41、在空间的位置。（2 2）关节类型）关节类型：平移关节平移关节和和回转关节回转关节。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.3 2.1.1.3 臂部臂部2 2、臂部的平移运动机构、臂部的平移运动机构 机器人臂部的伸缩、升降和纵（横）向的移动均机器人臂部的伸缩、升降和纵（横）向的移动均属于平移运动，其实现的典型机构主要有：属于平移运动，其实现的典型机构主要有： （1 1）活塞油缸、活塞气缸）活塞油缸、活塞气缸 （2 2）齿轮齿条机构）齿轮齿条机构 （3 3）丝杠螺母机构

42、）丝杠螺母机构 （4 4）曲柄滑块机构）曲柄滑块机构 （5 5）凸轮机构）凸轮机构 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.3 2.1.1.3 臂部臂部3 3、臂部的回转运动机构、臂部的回转运动机构 机器人臂部回转运动常用的典型机构有：机器人臂部回转运动常用的典型机构有： （1 1）油马达、气马达、摆动液压缸）油马达、气马达、摆动液压缸 （2 2）各种轮系机构）各种轮系机构 （3 3）齿条齿轮机构）齿条齿轮机构 （4 4）滑块曲柄机构）滑块曲柄机构 （5 5）活塞缸加

43、连杆机构）活塞缸加连杆机构 （机器人臂部的俯仰运动）（机器人臂部的俯仰运动） 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.4 2.1.1.4 机座机座1 1、机座的作用与分类、机座的作用与分类 2 2、固定式机座、固定式机座 3 3、移动式机座、移动式机座 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.4 2.1.1.4 机座机座1 1、机座的作用与分

44、类、机座的作用与分类（1 1）作用）作用：支承着机器人自身重量及作业时的负载。：支承着机器人自身重量及作业时的负载。（2 2）分类）分类：固定式固定式和和移动式移动式 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.4 2.1.1.4 机座机座2 2、固定式机座、固定式机座 固定式机座固定式机座一般直接联接在一般直接联接在地面基础上，或地面基础上，或与机身固定在一与机身固定在一起，它通过活动起，它通过活动关节与机器人臂关节与机器人臂部相连。部相连。 工工业业机机器器人人第第2

45、 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机2.1.1.4 2.1.1.4 机座机座3 3、移动式机座、移动式机座 机器人的移动式机座是机器人的移动式机座是一个由驱动装置、传动机构一个由驱动装置、传动机构和检测元件等组成可以移动和检测元件等组成可以移动的平台。的平台。 按其运动轨迹可分为按其运动轨迹可分为固固定轨迹式定轨迹式和和无固定轨迹式无固定轨迹式。 按其运动实现的方式可按其运动实现的方式可分为分为轮式、履带式轮式、履带式和和行走式行走式。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系

46、统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机机构简图机构简图 机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号来表达机器人的各种运动及结构特征。在国标来表达机器人的各种运动及结构特征。在国标GB/T12643-90中规定了机器人有关的各种运动功能的中规定了机器人有关的各种运动功能的图形符号。图形符号。 机座机座：手部手部：关节关节平移平移回转回转 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.1 2.1.1 操作机操作机机构简

47、图机构简图直角坐标式直角坐标式圆柱坐标式圆柱坐标式球坐标式球坐标式关节坐标式关节坐标式 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器 驱动器是驱动器是用来驱动机器用来驱动机器人操作机工作人操作机工作的动力装置。的动力装置。 常见的驱常见的驱动器主要有动器主要有电电动驱动器动驱动器、液液压驱动器压驱动器和和气气动驱动器动驱动器。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2

48、.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器 电动驱动器是利用电能来实现旋转运动的驱动器，电动驱动器是利用电能来实现旋转运动的驱动器，常见主要有：常见主要有： 步进电机（步进电机（stepping motor) 直流（直流（DC）伺服电机）伺服电机 交流（交流（AC）伺服电机）伺服电机 直接驱动（直接驱动（Direct Drive）电机）电机 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器1、步进电机（、步进电机（steppin

49、g motor) 步进电机轴按照与脉冲频率成正比的速度旋转。控步进电机轴按照与脉冲频率成正比的速度旋转。控制电路给电机输入一个脉冲，电机轴仅仅旋转一定的制电路给电机输入一个脉冲，电机轴仅仅旋转一定的角度，旋转角叫做步距角（角度，旋转角叫做步距角（step angle)。步进电机的控。步进电机的控制较为简单，适用于开环回路驱动器。制较为简单，适用于开环回路驱动器。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器1、步进电机（、步进电机（

50、stepping motor) （1 1）步进电机驱动方法）步进电机驱动方法 定电压驱动方法：施加在绕组上的电压固定，改变定电压驱动方法：施加在绕组上的电压固定，改变脉冲频率，电机转速就改变，改变电流，转矩就改变。脉冲频率，电机转速就改变，改变电流，转矩就改变。 定电流驱动方法：固定绕组电流或让电流按照指令定电流驱动方法：固定绕组电流或让电流按照指令值发生变化。适用于高速运转的场合。值发生变化。适用于高速运转的场合。 单相励磁和二相励磁：单相励磁这会引起低频电气单相励磁和二相励磁：单相励磁这会引起低频电气振动，步距角的偏差很大，因此通常都采用二相励磁振动，步距角的偏差很大，因此通常都采用二相励

51、磁运转方式，即始终对运转方式，即始终对A A相、相、B B相同时励磁，通过控制励相同时励磁，通过控制励磁极性的组合顺序产生旋转运动。磁极性的组合顺序产生旋转运动。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器1 1、步进电机（、步进电机（stepping motor) stepping motor) （2 2）步进电机基本特性）步进电机基本特性 平衡点与制动位置：被励磁的电机在无载荷时停平衡点与制动位置：被励磁的电机在无载荷时停止的

52、位置称为平衡点或稳定点（止的位置称为平衡点或稳定点（equilibrium equilibrium position)position)，无励磁时停止的位置称为制动位置，无励磁时停止的位置称为制动位置（detent position)detent position)。 定位精度：步距角误差（定位精度：步距角误差（step position error)step position error)：让转子一步步转动从某一个平衡点到达相邻平衡点时，让转子一步步转动从某一个平衡点到达相邻平衡点时，实际转动角度与步距角的位置误差的最大值。实际转动角度与步距角的位置误差的最大值。 工工业业机机器器人人第第2

53、 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器1 1、步进电机（、步进电机（stepping motor) stepping motor) （2 2）步进电机基本特性）步进电机基本特性 静止角度误差（静止角度误差（positional accuracy)positional accuracy)：从某一：从某一个基准点所观察到的所有稳定点与理论稳定点（步距个基准点所观察到的所有稳定点与理论稳定点（步距角的整数倍）相比的偏差的最大值。角的整数倍）相比的偏差的最大值

54、。 保持力与停止转矩：给处于励磁状态的电机施加保持力与停止转矩：给处于励磁状态的电机施加的外力使电机轴转动的最小值就是保持力（也称作最的外力使电机轴转动的最小值就是保持力（也称作最大静止转矩，大静止转矩，holding torque) holding torque) 。在无励磁状态下，。在无励磁状态下，仅靠永久磁铁的磁力稳固位置的极限值叫做停止转矩仅靠永久磁铁的磁力稳固位置的极限值叫做停止转矩（detent torque)detent torque)。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2

55、 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器1 1、步进电机（、步进电机（stepping motor) stepping motor) （2 2）步进电机基本特性）步进电机基本特性 步进电机加减速运转：步进电机从静止状态一下步进电机加减速运转：步进电机从静止状态一下子用高频脉冲启动比较困难，为了使它能高速运转，子用高频脉冲启动比较困难，为了使它能高速运转，可以通过调整脉冲间隔达到加速、等速、减速运转的可以通过调整脉冲间隔达到加速、等速、减速运转的目的。脉冲变化如图所示目的。脉冲变化如图所示。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2

56、.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器2 2、直流（、直流（DCDC）伺服电机）伺服电机 直流电机最适合工业机器人的试制阶段或竞技用。直流电机最适合工业机器人的试制阶段或竞技用。（1 1）直流伺服电机的特点）直流伺服电机的特点 直流伺服电机的转矩直流伺服电机的转矩T基本与电流基本与电流i成比例，其比成比例，其比例常数例常数KT叫做转矩常数，即叫做转矩常数，即 直流伺服电机的无负载速度直流伺服电机的无负载速度 与电压与电压e成比例，比成比例，比例系数是例系数是KE，即，即TTK iEeK 工工业业机机器器

57、人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器2 2、直流（、直流（DCDC）伺服电机）伺服电机（2 2）直流伺服电机的运转方式）直流伺服电机的运转方式 线性驱动：即给电机施加的电压以模拟量的形式线性驱动：即给电机施加的电压以模拟量的形式连续变化，是电机理想驱动方式，但在电子线路中易连续变化，是电机理想驱动方式，但在电子线路中易产生大量热损耗。产生大量热损耗。 PWM驱动：驱动：也称脉宽调制方法（也称脉宽调制方法（pulse-width-pulse-

58、width-modulationmodulation），特点是在低速时转矩大，速度快时，），特点是在低速时转矩大，速度快时，转矩急速下降。因此，常用于竞技机器人的驱动器。转矩急速下降。因此，常用于竞技机器人的驱动器。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1 电动驱动器电动驱动器2 2、直流（、直流（DCDC）伺服电机）伺服电机（3 3）直流伺服电机的控制方法）直流伺服电机的控制方法 直流伺服电机利用速度传感器和位置传感器，采直流伺服电机利用速度传感

59、器和位置传感器，采用闭环实现速度和位置的控制。直流伺服电机的速度用闭环实现速度和位置的控制。直流伺服电机的速度控制有以下两种基本方式：控制有以下两种基本方式： 电压控制：向电机施加与速度偏差成比例的电压。电压控制：向电机施加与速度偏差成比例的电压。控制电路简单。控制电路简单。 电流控制：向电机供给与速度偏差成比例的电流。电流控制：向电机供给与速度偏差成比例的电流。 控制具有较好的稳定性。控制具有较好的稳定性。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统及设计方法机器人系统及设计方法2.1 2.1 机器人系统组成机器人系统组成2.1.2 2.1.2 驱动器驱动器2.1.2.1 2.1.2.1

60、 电动驱动器电动驱动器3 3、交流（、交流（ACAC）伺服电机）伺服电机 交流伺服电机常见的有三类：交流伺服电机常见的有三类：鼠笼式感应型电机鼠笼式感应型电机、交流整流子型电机交流整流子型电机和和同步电机同步电机。 交流伺服电机可以实现精确的速度控制和定位功交流伺服电机可以实现精确的速度控制和定位功能。能。 交流伺服电机还具备直流伺服电机的基本性质，交流伺服电机还具备直流伺服电机的基本性质，又可以理解为是把电刷和整流子换为半导体元件的装又可以理解为是把电刷和整流子换为半导体元件的装置，所以它也叫做置，所以它也叫做无刷直流伺服电机无刷直流伺服电机。 工工业业机机器器人人第第2 2章章 机器人系统