第四章 机器人本体基本结构(1)

1、n机器人本体是机器人的重要组成部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影响整体性能。管内机器人管内机器人隧道凿岩隧道凿岩机器人机器人大型喷浆大型喷浆机器人机器人室外保安室外保安机器人机器人德国排爆机器人德国排爆机器人消防消防机器人机器人防暴防暴机器人机器人n关节型机器关节型机器人本体基本结构人本体基本结构 关节型机器人的主要特点是模仿人类腰部到手臂的基本结构。本体结构通常包括机座、机身（腰部+立柱）、大臂、小臂、手腕和末端执行器(手爪)，以人体构造形象命名。部分之间的划分一般以关节为界，把从机座开始的前一个关节划入对应的

2、构件。 分析问题时，机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系。连杆系的开端安装有末端执行器。 n组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类，一类是组成手臂的长连杆，也称臂杆臂杆，其产生主运动，是机器人的位置机构；另一类是组成手腕的短连杆短连杆，它实际上是一组位于臂杆端部的关节组，是机器人的姿态机构。 末端执行器(手部)是机器人直接参与工作的部分。手部可以是各种夹持器，也可以是各种工具，如焊枪、喷头等。， 综合以上特点可见，合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性

3、能。 结构静、动态刚度高有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的跟踪精度。刚度高还可降低对控制系统的要求和系统造价。机器人具有较好的刚度还可以增加机械系统设计的灵活性，刚度高的结构允许传感器放在离执行器较远的位置上，减少了设计方面的限制。 提高机器人结构固有频率的目的在于避开机器人的工作频率。通常机器人的低阶固有频率为525Hz，以中等速度运动时，输入信号的脉冲频率相当于在120Hz，可能会激发振荡。提高机械系统的固有频率有利于系统的稳定。运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量机器人动力学性能好坏的重要指标。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从而提高机器人的使用性能

4、。4.1.2 4.1.2 机器人本体材料的选择（见机器人本体材料的选择（见P102P102） 机器人本体所用的材料也是结构材料。但另一方面，机器人本体又不单是固定结构件，机器人臂是运动的，机器人整体也是运动的，所以，运动部分的材料质量应轻。精密机器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度有要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。从材料角度看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧密相关。另外，家用和服务机器人的外观与传统机械大有不同，故将会出现比传统工业材料更富有美感的机器人本体材料。 正确选用结构件材料不仅可降低

5、机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化要求。基本要求： 1) 强度高。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。 2) 弹性模量大。构件刚度与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越大，刚度越大。不同材料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太多改变。 3) 重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度也大的材料是不合理的。 4) 阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。从提高定位精度和传动平稳

6、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振动能量。 5) 材料经济性。n机器人常用材料简介机器人常用材料简介 1）碳素结构钢和合金结构钢这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度增大了45倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。适合制造传动件、连接件、连杆体支承件骨架等。 2）铝、铝合金及其他轻合金材料这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍可与钢材相比。适合制造连杆体等。 3）纤维增强合金这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等。这种纤维增强金属材料具有非常高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。适合制造连杆

7、体等 4）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部需特殊设计。 5）纤维增强复合材料这类材料具有极好的E/比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀以及与金属件连接困难等问题。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出的大阻尼的优点。在高速机器人上应用复合材料的实例越来越多。适合制造连杆体等 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。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人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。适合制造连杆体等“材料是制造业的基础，决定着整个国家的强富与贫穷。强国梦

8、，材料不可或缺。”2013年3月23日，中国“材料之父”、两院资深院士师昌绪在中国科技馆作了题为材料与社会的报告，探讨中国梦实现之路。4.2 4.2 机身及臂部结构机身及臂部结构4.2.1 4.2.1 机身和臂部的作用机身和臂部的作用 机身是直接连接、支承和传动臂部及底座（或行走机构）的部件，是臂部连接、支承和传动手腕的部件。有些情况下，实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置和一部分传动件安装在机身上。 实现手腕多个回转运动的驱动装置和一部分传动件安装在臂部，臂部和手腕的运动愈多，机身和臂部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

9、架空轨道运行。机身和臂部是长连杆，其关节运动主要决定了手部的位置。 1 大臂；大臂；2 关节关节1电机；电机；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 气动阀；气动阀； 6 立柱；立柱；7 直齿轮；直齿轮； 8 中间齿轮；中间齿轮；9 机座；机座； 10 主齿轮；主齿轮；11 管形连接轴；管形连接轴；12 手腕手腕4.2.2 4.2.2 机身结构的基本形式和特点机身结构的基本形式和特点n机身的典型结构l机身结构一般由机器人总体设计确定。常用的机身结构有：l升降回转型机身结构圆柱坐标型机器人把臂部的回转与升降这两个自由度归属于机身；。 l俯仰型机身结构球坐标型机器人把臂部回转与俯仰这两个自

10、由度归属于机身； l回转型机身结构关节坐标型机器人把臂部回转自由度归属于机身； l直移型机身结构直角坐标型机器人有时把臂部升降或水平移动自由度归属于机身。 l类人机器人机身结构。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。腰部关节实现左右和前后的俯仰和人身轴线方向的回转运动。l机身运动多采用液压（气）缸和电动机为动力源。液压（气）驱动适合中等载荷以上机器人；电动机驱动适合轻载机器人。 l机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动；直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链轮）；电动机驱动齿轮和蜗轮蜗杆传动。l机身的升降运动可以采用：直线液压（气）

11、缸直接驱动；直线液压（气）缸驱动的连杆式升降台；电动机驱动丝杠螺母传动。l俯仰运动大多采用摆式直线液压（气）驱动，液压（气）驱动齿条齿轮或四连杆机构传动；也有电动机驱动齿轮和蜗轮蜗杆传动。l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。 图41 链条链轮传动实现机身回转的原理图（P104）（a)单杆活塞气缸驱动链条链轮传动机构）（b)双杆活塞气缸驱动链条链轮传动机构机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动；直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链轮）；电动机驱动齿轮和蜗轮蜗杆传动。l直移型机器人的机身

12、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。图42 回转与俯仰机身（具体介绍见P105）机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油（气）缸与连杆机构实现。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。此外有时也采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。机身回转运动可机身回转运动可采用采用：回转轴液压（气）缸直接驱动；直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链轮）；电动机驱动齿轮电动机驱动齿轮传动传动。关节是操作机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类关节是操作

13、机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，它们构成了操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿它们构成了操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配置。置。一、腰关节一、腰关节腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的RV减速器减速器减速，也可采用谐

14、波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。 补充：工业机器人前三个关节（腰、肩、肘补充：工业机器人前三个关节（腰、肩、肘关节）的构造及其传动配置关节）的构造及其传动配置腰关节腰关节1 电机电机 ；2 齿轮；齿轮；3 立柱；立柱；4 结合螺栓结合螺栓2134腰关节的构造主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接腰关节的构造主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式平行轴式。前者结构紧凑，腰关节高度触式轴承的同轴式平行轴式。前者结构紧凑，腰关节高度尺寸小尺寸小(使用特制轴承的缘故使用特制轴承的缘故)，但后面关节的各种电缆走线，但后面关节的各种电缆走线比较困难，

15、大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形比较困难，大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，联接于于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。支座的固定接线板上。二、肩关节和肘关节二、肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高刚性的刚性的RV减速器减速，也可

16、采用谐波传动或摆线针轮。减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。 肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。三、三、直动关节直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采用滚动丝杠和导柱用滚动丝杠和导柱(轨轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速移动结构。移动结构。1 大臂；大臂；2 关节关节1电机；电机；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂

17、；5 气动阀；气动阀； 6 立柱；立柱；7 直齿轮；直齿轮； 8 中间齿轮；中间齿轮；9 机座；机座； 10 主齿轮；主齿轮；11 管形连接轴；管形连接轴；12 手腕手腕n 机身驱动力(力矩)计算（略）n 机身设计要求（参见机身设计要求（参见P107P107） 1) 机身承受机器人全部重力和工作载荷，应有足够的强度、刚度。 合理选择截面形状和尺寸。封闭的空心截面在两个互相垂直的方向上抗弯刚度较大，抗扭刚度较实心和开口截面大。空心内部还可以布置驱动装置、传动机构及管线等，使整体结构紧凑，外形整齐。 提高接触刚度，要保证配合表面的加工精度和表面粗糙度。 采用滚动导轨或滚动轴承时，应考虑施加预紧力，

18、提高接触刚度。 合理布置作用力的位置和方向，设法使各作用力的变形相抵消。 因为变形会使末端执行器的位置精度下降。 2）机座轴系及传动链的精度对末端执行器的运动精度影响最大。要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。各主要传动、导向部件的制造和装配精度、耐磨性对机器人的精度影响也很大。 3）机座要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性。 4) 运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。 5) 驱动方式适宜。 6) 结构布置合理。各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动的测、控元件等布置要合理紧凑，操作维护要方便。 7）传动系统应力求简短，有利提高传动精度和效率 8）在特殊条件下工作的机器人，设计时应有

19、针对性地采取措施。4.2.2 4.2.2 机器人臂部结构的基本形式和特点（机器人臂部结构的基本形式和特点（P107P107） 手臂由大臂、小臂手臂由大臂、小臂( (或多臂或多臂) )所组成所组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式。 n 臂部的典型机构臂部的典型机构l臂部伸缩行程小时，采用油(气)缸直接驱动；行程较大时，可采用油(气)缸或电动机驱动齿条传动的倍增机构，也可采用电动机驱动丝杠螺母传动。为了增加手臂的刚性，防止绕轴线转动，需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。常用的导向装置有单导向杆和双导向杆、导轨等。l手臂转动通常采用摆式直线液压（气）驱动、铰链连杆

20、机构传动；回转轴液压（气）缸直接驱动；回转轴液压（气）缸驱动；回转轴液压（气）缸、电动机驱动齿轮杆传动。图4.4 四导向柱式臂部伸缩机构（详细见P108）手臂的垂直伸缩运动由油缸3驱动，其特点是行程长，抓重大。工件形状不规则时，为防止产生较大的偏重力矩，可采用四根导向柱。这种结构多用于箱体加工线上。手臂俯仰运动机构：手臂俯仰运动机构： 通常采用摆臂油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，如图4.5所示。 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。此外有时也采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动

21、。图4.5 摆动油缸驱动连杆俯仰臂机构（见P108）n 机器人手臂材料的选择机器人手臂材料的选择 (见P109)n l机器人手臂在关节带动下运动，重量和质量是关节驱动的负载，材料应是轻型材料。手臂在运动过程中往往会产生振动，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼综合考虑，以提高动态性能（抗振性）。l机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和断裂，即要具有一定的强度。l综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料，其中，非金属综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料，其中，非金属材料有尼龙材料有尼龙6 6、聚乙烯、聚乙烯(PEH)(PEH)和碳素纤维等；金属材料以和碳素纤维等；金属材

22、料以轻合金轻合金( (特别是铝合金特别是铝合金) )为主为主。手臂结构设计要求：手臂结构设计要求： 1）手臂的结构和尺寸应满足作业工作空间要求。 2）防止臂部在运动过程中产生过大的变形，根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 采用空心的薄壁矩形框体或圆管，以提高其抗弯刚度和抗扭刚度，减小自身的质量。内部可以方便地安置驱动和传动等部件。 3）承载能力足够。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑自身、腕部重量和运动时的动载荷。 4）导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。 5）为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。定位前惯性力引起的冲击大，造成运动不平稳，定位精度下降，力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。 6)尽量减小手臂质量、转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置负荷，减少动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。 7) 减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。 8) 合理设计与腕和机身的连接部位。以下为几个机身和臂部实际结构：以下为几个机身和臂部实际结构：谐波减速器n 如图所示，波发生器凸轮2(H)，在高速轴