机械原理 工业机器人机构

1、 概概 述述 机器人是近40年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。 工业机器人是机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器人各自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具有广阔的应用前景。 机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感技术和计算机等学科领域，是一门跨学科综合技术。 而机器人机构学乃是机器人的主要基础理论和关键技术，也是现代机械原理研究的主要内容。工业机器人的应用实例：l焊接作业l清洗作业l装配作业l搬运作业操作机 用于完成各种作业任务的机械主体，主

2、要包含机械臂、驱动装置、传动单元机械臂、驱动装置、传动单元以及内部传感器内部传感器等部分。 是完成机器人控制功能的结构实现，是决定机器人功能和水平的关键部分功能和水平的关键部分。 控制器 是完成机器人控制功能的结构实现，是决定机器人功能和水平的关键部分功能和水平的关键部分。 工业机器人的系统组成工业机器人的系统组成 关节型机器人操作机基本构造 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部

3、传感器机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成等部分组成。 伺服电机伺服电机 减速器减速器 腕关节腕关节 小臂小臂 肘关节肘关节 手腕手腕 大臂大臂 连接法兰连接法兰 皮带传动皮带传动 腰部腰部 肩关节肩关节 腰关节腰关节 基座基座 机器人操作机的每个关节均机器人操作机的每个关节均采用采用 1 个交流伺服马达驱动个交流伺服马达驱动 2.1 工业机器人的系统组成 机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。 吸盘 焊枪 夹紧爪 法兰法

4、兰（Flange），又叫法兰凸缘盘或突缘。法兰是轴与轴之间相互连接的零件，用于管端之间的连接；也有用在设备进出口上的法兰，用于两个设备之间的连接伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服”词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系统。伺服”词源于希腊语“奴隶”的意思。人

5、们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系统。控制简单；控制简单；刚性最大（龙门式）；刚性最大（龙门式）；容易达到高精度；容易达到高精度；操作范围小；操作范围小；占地面积大；占地面积大；运动速度低；运动速度低；密封性差；密封性差；直角坐标型直角坐标型2.1.1 操作机 2.1 工业机器人的系统组成 中心支架附近的工作范围大；中心支架附近的工作范围大；工作空间大；工作空间大；坐标系复杂，难以控制；坐标系复杂，难以控制；存在工作死区；存在工作死区

6、；密封性较差；密封性较差；球坐标式球坐标式2.1.1 操作机 2.1 工业机器人的系统组成 工作范围可以扩大；工作范围可以扩大；计算简单；计算简单；动力输出较大；动力输出较大；手臂可达空间受到限制；手臂可达空间受到限制；直线驱动部分难以密封；直线驱动部分难以密封；安全性差；安全性差；平面多关节型平面多关节型2.1.1 操作机 2.1 工业机器人的系统组成 动作灵活；动作灵活；工作空间大；工作空间大；易密封；易密封；工作条件要求低；工作条件要求低；适合用电机驱动；适合用电机驱动；计算量大；计算量大；输出动力不大；输出动力不大；垂直多关节型垂直多关节型2.1.1 操作机 2.1 工业机器人的系统组

7、成 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 (1) 机械臂 关节型工业机器人的机械臂是由关节关节连在一起的许多机械连杆机械连杆的集合体 。实质上实质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节 - 连杆结构所构成的机械臂大体可分为 基座基座 、 腰部腰部 、 臂部（大臂和小臂）和手腕臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。 机械部分机械部分1 手部手部2 手腕手腕（次轴）（次轴）3 臂部臂部（主轴）（主轴）5 基座基座末端执行器联接联接手部手部和和手臂手臂的部分，的部分，主要改变手部的空间方主要改变手部的空间方向和将作业载荷传递到向和将作业载荷传递到手臂手

8、臂联接机身和手联接机身和手腕的部分，腕的部分，改改变手部的空间变手部的空间位置位置，并将各，并将各种载荷传递到种载荷传递到机座机座起到支起到支承作用承作用4 腰部腰部腰部是机器人手臂的腰部是机器人手臂的支承部分支承部分 。基座基座 腰部腰部 大臂大臂 小臂小臂 手腕手腕 1、手臂的运动、手臂的运动垂直移动垂直移动径向移动径向移动回转运动回转运动机器人手臂的机器人手臂的上下运动上下运动手臂的伸手臂的伸缩运动缩运动机器人绕铅机器人绕铅垂轴的转动垂轴的转动2、手腕的运动、手腕的运动手腕旋转手腕旋转 手腕弯曲手腕弯曲手腕侧摆手腕侧摆手腕绕小手腕绕小臂轴线的臂轴线的转动转动手腕的上手腕的上下摆动下摆动手

9、腕的水平手腕的水平摆动摆动2.1 工业机器人的系统组成 (2) 驱动装置 驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。 机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动液压驱动、气压驱动和电气驱动电气驱动三种基本类型。 目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。布置大都采用一个关节一个驱动器。 优点优点:(1) 可以获得较大的推力或转

10、矩。可以获得较大的推力或转矩。(2) 液压系统介质的可压缩性小液压系统介质的可压缩性小, 工作平稳可靠工作平稳可靠, 并可得到较高的位置精度。并可得到较高的位置精度。 (3) 液压传动中液压传动中, 力、力、 速度和方向比较容易实速度和方向比较容易实现自动控制。现自动控制。 (4) 液压系统采用油液作介质液压系统采用油液作介质,具有防锈性和自具有防锈性和自润滑性能润滑性能, 可以提高机械效率可以提高机械效率, 使用寿命长。使用寿命长。 液压驱动液压驱动存在的不足存在的不足: (1) 油液的粘度随温度变化而变化油液的粘度随温度变化而变化, 这将影这将影响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。响

11、工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。 (2) 液体的泄漏难于克服液体的泄漏难于克服,要求液压元件有较要求液压元件有较高的精度和质量高的精度和质量, 故造价较高。故造价较高。 (3) 需要相应的供油系统需要相应的供油系统,尤其是电液伺服系尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置统要求严格的滤油装置,否则会引起故障。否则会引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更大，液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，能构成伺服机构，常用于大型机器人常用于大型机器人关节的驱动。关节的驱动。 气动机械手气动机械手气压驱动气压驱动与液压驱动相比与液压驱动相比, 气压驱动的特点是气压驱动的特点是: (1) 压

12、缩空气粘度小压缩空气粘度小, 容易达到高速容易达到高速(1 ms)。 (2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气利用工厂集中的空气压缩机站供气, 不必添加动力设备。不必添加动力设备。(3) 空气介质对环境无污染空气介质对环境无污染,使用安全使用安全,可可直接应用于高温作业。直接应用于高温作业。 (4) 气动元件工作压力低气动元件工作压力低, 故制造要求也故制造要求也比液压元件低。比液压元件低。气压驱动的不足气压驱动的不足: (1) 压缩空气常用压力为压缩空气常用压力为0.40.6 MPa, 若若要获得较大的压力要获得较大的压力,其结构就要相对增大。其结构就要相对增大。 (2) 空气压缩性大空气压缩

13、性大,工作平稳性差工作平稳性差, 速度控制速度控制困难困难,要达到准确的位置控制很困难。要达到准确的位置控制很困难。 (3) 压缩空气的除水问题是一个很重要的问压缩空气的除水问题是一个很重要的问题题,处理不当会使钢类零件生锈处理不当会使钢类零件生锈, 导致机器人失灵导致机器人失灵.此外此外,排气还会造成噪声污染。排气还会造成噪声污染。 电动机驱动电动机驱动1 1）普通交流电动机驱动）普通交流电动机驱动2 2）交、直流伺服电动机驱动）交、直流伺服电动机驱动3 3）步进电动机驱动）步进电动机驱动输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人用于闭环控制系统，输出力矩相对小，控制性能好，可

14、实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人用于开环控制，一般用于对速度和位置要求不高要求不高的场合电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替人关节驱动逐渐为电动式所代替。2.1 工业机器人的系统组成 (3) 传动单元 减速器主要有两类： RV 减速器 和 谐波减速器 。 一般将 RV 减减速器放置在基座、腰部速器放置在基座、腰部臂、腕部或手部等轻负载的位置 ( 主要用于 20kg 以下的机器关节 ) 。 此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、

15、直线运动单元等。目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的 谐 RV 波 减 减 速 速 器 器 皮 带 传 动 机器人关节传动单元 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.2 控制器 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分 ，其基本功能有： 示教功能示教功能 、 记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功 。 依据控制系统的开放程度，机器人控制器分 3 类：封闭封闭型、开放型型、开放型和混合型混合型。目前基本上都是封闭型系统封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统混合型系统（如欧系机器人）。 按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为 集中式控制 和 分布