工业机器人技术及应用 课件 项目2 工业机器人的机械系统

项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.1工业机器人本体机械结构工业机器人的机械系统2.1工业机器人本体机械结构

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置项目2工业机器人的机械系统——任务2.1工业机器人本体机械结构谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.1工业机器人本体机械结构——2.1.1手部工业机器人的机械系统2.1工业机器人本体机械结构

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.1.1手部81.末端执行器末端执行器则是直接执行作业任务的装置；末端执行器的结构和尺寸是依据其不同作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。末端执行器安装在执行机构的手腕或手臂的机械接口上。根据用途可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器专用工具三类。2.1.1手部（1）机械式夹持器机械式夹持器组成 ：手爪、传动机构、驱动装置等。通过手爪的开、合动作实现对物料的夹持。

夹持圆柱形物料的机械式夹持器1-手爪2-传动机构3-驱动装置4-支架5-物料2.1.1手部1）手爪手爪是直接与物料接触的部件，夹持器松开和夹紧物料是通过手爪的张开和闭合来实现的。机械式夹持器的结构形式取决于被夹持物料的形状和特性。2）传动机构传动机构是向手爪传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。传动机构按其运动方式分为回转型和移动型，回转型又分为单支点回转型和双支点回转型。3）驱动装置驱动装置是向传动机构提供动力的装置，它一般有液压、气动、机械等驱动方式。2.1.1手部图

双支点连杆杠杆式手部

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其支点作回转运动,从而使手指松开或闭合。

2.1.1手部2.1.1手部图

滑槽式杠杆回转型手部

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(铰销3)作相对回转运动,从而实现手指的夹紧与松开动作。

2.1.1手部平行指手爪机构：工作原理：回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。2.1.1手部问题：1、分析手部的运动。2、手部作的是什么类型运动？2.1.1手部2.1.1手部2.1.1手部2.1.1手部2.1.1手部2.1.1手部图

各种专用末端操作器2.1.1手部

使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器,就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成:换接器插座和换接器插头,分别装在机器腕部和末端操作器上,能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。专用末端操作器换接器的要求主要有:同时具备气源、电源及信号的快速联接与切换;能承受末端操作器的工作载荷;在失电、失气情况下,机器人停止工作时不会自行脱离;具有一定的换接精度等。2.1.1手部23（2）吸附式末端执行器吸附式取料手气吸附式取料手磁吸附式取料手真空吸附气流负压吸附挤压排气式电磁吸盘永磁吸盘2.1.1手部（2）吸附式末端执行器气吸式手部利用真空吸力及负压吸力吸持工件，它适用于抓取薄片、易碎工件，通常吸盘由橡胶或塑料制成；磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性物质的小五金工件。适用于大平面、易碎、微小的物体抓取，结构简单，对薄片状的物体搬运具有优越性，要求物体表面平整光滑，无孔无凹槽。2.1.1手部

（2）吸附式末端执行器

抓取物料时，碟形橡胶吸盘与物料表面接触，橡胶吸盘起到密封和缓冲两个作用，真空泵进行真空抽气，在吸盘内前形成负压，实现物料的抓取。

放料时，吸盘内通入大气，失去真空后，物料放下。2.1.1手部2.1.1手部磁吸附式磁力吸盘式在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住，有电磁吸盘和永磁吸盘两种。2.1.1手部

当线圈1通电后，在铁芯2内外产生磁场，磁力线经过铁芯，空气隙和衔铁3被磁化并形成回路，衔铁受到电磁吸力F的作用被牢牢吸住。一旦断电，电磁吸力即消失，工件因此被松开。

若采用永久磁铁作为吸盘，则必须强制性取下工件。2.1.1手部2.1工业机器人本体机械结构（3）多指灵巧手几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿,诸如拧螺钉等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器,将会使多指灵巧手达到更完美的程度。

多指灵巧手的应用前景十分广泛,可在各种极限环境下完成人无法实现的操作,如核工业领域作业,在高温、高压、高真空环境下作业等。

2.1.1手部各种各样的机械手2.1.1手部2.1.1手部2.1.1手部2.1.1手部灵巧机器手，该机器手有40个气动肌健，它能完成24个运动

2.1.1手部机器手抓取杠铃

2.1.1手部多指灵巧手授课人：黄健安项目2工业机器人的机械系统——任务2.1工业机器人本体机械结构谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.1工业机器人本体机械结构——2.1.2腕部工业机器人的机械系统2.1工业机器人本体机械结构

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.1.2腕部2.手腕手腕是连接末端执行器和手臂的部件，作用：是调整或改变末端执行器方位，组成：三个独立的回转关节。2.1.2腕部手腕的自由度：为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。2.1.2腕部腕部坐标系手腕的偏转手腕的俯仰手腕的回转2.1.2腕部应用最为广泛，适用于各种场合2.1.2腕部手部腕部小臂（上臂）大臂（下臂）腰部

基座绕小臂轴线X旋转的臂转

---偏转Y相对于小臂摆动的腕摆

---俯仰P绕自身轴线旋转的手转

---翻转R2.1.2腕部偏转Y，小臂中心线为轴线，由交流伺服电机—谐波减速器组成。为减小转动惯量，电机安装在肘关节处，和肘关节电机交错安装。2.1.2腕部俯仰P，P轴和Y轴的轴线垂直，由交流伺服电机—同步带—谐波齿轮组成，驱动腕关节做俯仰运动。电机安装在小臂内部末端。2.1.2腕部翻转R，P轴和R轴的轴线垂直，由交流伺服电机—谐波齿轮—法兰盘组成，电机安装在腕部。末端操作器通过法兰盘，安装在机械手末端。2.1.2腕部2.1.2腕部应用少2.1.2腕部典型应用PUMA262，主要应用在喷涂行业2.1.2腕部1.远距离传动手腕有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。2.1.2腕部问题：1、各轴分别实现什么运动？2、当手腕进行俯仰运动时，能否同时进行回转运动？回转运动俯仰运动偏转运动2.1.2腕部偏转运动俯仰运动回转运动2.1.2腕部2.轮系驱动的二自由度BR手腕：

结构特点：

由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动，其中手腕的回转运动由传动轴S传递，手腕的俯仰运动由传动轴B传递。2.1.2腕部回转运动：

轴S旋转→锥齿轮副Z1、Z2→锥齿轮副Z3、Z4→手腕与锥齿轮Z4为一体→手腕实现绕C轴的旋转运动俯仰回转2.1.2腕部俯仰运动：

轴B旋转→锥齿轮副Z5、Z6→轴A旋转→手腕壳体7与轴A固联→手腕实现绕A轴的俯仰运动2.1.2腕部思考题：

图中所示的情况，当S轴不输入，只有B轴输入时，腕部存在哪些运动，为什么？2.1.2腕部附加回转运动：

轴S不转而B轴回转→锥齿轮Z3不转→锥齿轮Z3、Z4相啮合→迫使Z4绕C轴线有一个附加的自转，即为附加回转运动。附加回转运动在实际使用时应予以考虑。必要时应加以利用或补偿。2.1.2腕部附加运动动作分解：轴主动齿轮固定不动行星运动2.1.2腕部3．轮系驱动的三自由度手腕：结构特点：该机构为由齿轮、链轮传动实现的偏转、俯仰和回转三个自由度运动的手腕结构。2.1.2腕部回转运动：轴S旋转→齿轮副Z10/Z23、Z23/Z11→锥齿轮副Z12、Z13→锥齿轮副Z14、Z15→手腕与锥齿轮Z15为一体→手腕实现旋转运动2.1.2腕部俯仰运动：轴B旋转→齿轮副Z24/Z21，Z21/Z22→齿轮副Z20、Z16→齿轮副Z16、Z17→齿轮副Z17、Z18→轴19旋转→手腕壳体与轴19固联→实现手腕的俯仰运动2.1.2腕部偏转运动：油缸1中的活塞左右移动→带动链轮2旋转→锥齿轮副Z3/Z4→带动花键轴5、6旋转→花键轴6与行星架9连在一起→带动行星架及手腕作偏转运动2.1.2腕部附加俯仰运动：轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架回转时→迫使齿轮Z22绕齿轮Z21的过程中自转→经过Z20、Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动2.1.2腕部附加回转运动：轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架回转时→迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、Z13、Z14、Z15实现附加回转运动2.1.2腕部思考题：1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？

2.1.2腕部4.腕部旋转电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n52.1.2腕部腕部俯仰：电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n42.1.2腕部机器人的手腕结构的时候需注意：可以由手臂完成的动作，尽量不设置手腕；手腕结构尽可能简化，对不需要三个自由度的手腕，可采用两个或一个回转关节；手腕处的结构要求紧凑，重量轻，驱动装置多用分离式授课人：黄健安项目2工业机器人的机械系统——任务2.1工业机器人本体机械结构谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.1工业机器人本体机械结构——2.1.3臂部工业机器人的机械系统2.1工业机器人本体机械结构

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.1.3臂部工业机器人的臂部由大臂、小臂(或多臂)所组成，一般具有2~3个自由度，完成伸缩、回转、俯仰或升降动作，是工业机器人的主要执行部件，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。

臂部运动部分零件重量直接影响臂部结构的刚度和强度，同时由于其承受运动过程中的动、静载荷和惯性力较大，还影响着机器人定位的准确性。2.1.3臂部手臂：是支持末端执行器和手腕的部件，是机械操作臂中的重要部件。组成：大臂和小臂功能：完成伸缩运动、回转、升降或上下摆动运动。作用：是把物料运送到工作范围内的给定位置上。2.1.3臂部臂部结构的形式取决于机器人的运动形式、抓取动作自由度和运动精度等。一般需要注意以下几点要求：臂部的设计要求2.1.3臂部1．承载能力足：手臂是支承手腕的部件，设计时不仅要考虑抓取物体的重量或携带工具的重量，还要考虑运动时的动载荷及转动惯性。2.1.3臂部2．刚度高：

为了防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。

工字型截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多。2.1.3臂部工字钢（GB706-88）：1、工字钢的型号与高度尺寸h有关，如：10号工字钢即指其高度尺寸为100mm。2、其它参数如截面积、单位长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。3、工字钢的长度按长度系列购买。如：5~19m。2.1.3臂部槽钢（GB707-88）1、槽钢的型号与高度尺寸h有关，如：10号槽钢即指其高度尺为100mm。2、其它参数如截面积、单位长度的理论质量、截面静力矩等可查相应的设计手册。2.1.3臂部3、导向性能好，定位精度高：

为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置。2.1.3臂部4．重量轻、转动惯量小：

为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。2.1.3臂部5．合理设计与腕部和机身的连接部位：

臂部的安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响到机器人的外观。2.1.3臂部臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击就越大，因此要采用一定的缓冲措施。工业机器人常用的缓冲装置有弹性缓冲元件、液压(气)缸端部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器等。按照在机器人或机械手结构中设置位置的不同，可分为内部缓冲器装置和外部缓冲装置两类。臂部的设计要求jiz2.1.3臂部机械臂的几种运动形式直角坐标型圆柱坐标型关节型

2.1.3臂部1．直角坐标型：

结构简单，运动位置精度高。但所占空间较大，工作范围相对较小。通常把x水平移动的自由度归为臂部部分。2.1.3臂部2．圆柱坐标型：

具有三个自由度：一个回转运动腰转及两个直线移动升降运动及手臂伸缩运动。相对来说，所占空间较小，工作范围较大.

手臂伸缩运动通常由臂部来实现。2.1.3臂部3．关节型：

由动力型旋转关节和大、小两臂组成。关节型机器人以臂部各相邻部件的相对角位移为运动坐标。动作灵活，所占空间小，工作范围大，能在狭窄空间内饶过各种障碍物。

三个自由度均为回转运动，构成机器人的回转运动、俯仰运动和偏转运动。通常把肩、肘回转运动归结为臂部。2.1.3臂部典型的臂部结构

手臂结构形式的选取需考虑机器人的抓取物料重量、运动方式、速度、自由度数等。手臂的驱动方式：液压驱动、气压驱动、电力驱动及复合驱动等。2.1.3臂部手臂的常用结构直线运动机构液压缸齿轮齿条机构丝杠螺母机构连杆机构回转运动机构叶片式回转缸齿轮传动机构链轮传动机构活塞缸连杆机构2.1.3臂部1．手臂直线运动机构

常见方式：

行程小时：采用油缸或汽缸直接驱动；当行程较大时：可采用油缸或汽缸驱动齿条传动的倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换为直线运动。典型结构：油缸驱动的手臂伸缩运动结构电机驱动的丝杆螺母直线运动结构2.1.3臂部2.1.3臂部电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例：2.1.3臂部2．手臂的回转运动机构常见方式：

常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连杆传动机构等。曲柄滑块机构：假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时，可以推动曲柄做摆动或圆周运动。典型机构：

液压缸—连杆回转机构：齿轮驱动回转机构：2.1.3臂部平面四杆机构图例：平面四杆机构双曲柄机构双摇杆机构2.1.3臂部平面四杆机构演变图例：曲柄滑块机构2.1.3臂部摇杆AB为原动件，通过连杆BC带动从动件CD也作往复摆动，虚线AB1、AB2为摇杆AB的两极限位置，也是当摇杆AB为原动件时，机构的两死点位置。2.1.3臂部当曲柄AB为原动件作匀速回转时，曲柄CD跟随作周期性的匀速圆周回转，2.1.3臂部2.1.3臂部因导路的中线通过曲柄的回转中心而得名。该机构能把回转运动转换为往复直线运动或作相反的转变2.1.3臂部因导路的中线不通过曲柄的回转中心而得名。2.1.3臂部双臂机器人手臂结构图例：

运动特点：手臂关节的回转运动是通过液压缸-连杆机构实现。控制活塞的行程就控制了手臂摆角的大小。2.1.3臂部齿轮驱动回转机构图例：2.1.3臂部3．关节型机械臂的结构（1）

存在的运动型式：

机身的旋转运动；肩关节和肘关节的摆动；腕关节的俯仰和旋转运动；各运动的协调：

称为5轴关节型机器人。

2.1.3臂部五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：腰转肩转肘转俯仰偏转腰转姿态2.1.3臂部五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：肩关节、肘关节与手腕的协调2.1.3臂部3．关节型机械臂的结构（2）

各运动的实现：腕部的旋转：电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5腕部俯仰：电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4肘关节摆动：电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n3肩关节的摆动：电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2

2.1.3臂部关节型机器人传动系统图：2.1.3臂部腕部旋转局部图例：电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n52.1.3臂部腕部俯仰局部图例：电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n42.1.3臂部肘关节局部图例：电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动n32.1.3臂部肩关节局部图例：电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2授课人：黄健安项目2工业机器人的机械系统——任务2.1工业机器人本体机械结构谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.1工业机器人本体机械结构——2.1.4腰部工业机器人的机械系统2.1工业机器人本体机械结构

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.1.4腰部

腰部是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰部上，它承受了机器人的全部重量。2.1.4腰部

腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，且应具有较高的运动精度和刚度。

腰关节多采用高刚性的RV减速器传动，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆传动。其转动副多采用薄壁轴承或四点接触轴承，有的还设计有调隙机构。对于液压驱动关节，多采用回转缸+齿轮传动机构。2.1.4腰部在设计机器人腰部结构时，要注意以下设计原则：

（1）腰部要有足够大的安装基面，用以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。2.1.4腰部（2）腰部要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的机座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。2.1.4腰部（3）机器人的腰部是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。2.1.4腰部（4）腰部的回转运动要有相应的驱动装置，包括驱动器电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。2.1.4腰部（5）腰部结构要便于安装调整。腰部与机器人手臂的联合要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。2.1.4腰部

（6）为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。授课人：黄健安项目2工业机器人的机械系统——任务2.1工业机器人本体机械结构谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.1工业机器人本体机械结构——2.1.5基座工业机器人的机械系统2.1工业机器人本体机械结构

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.1.5基座工业机器人主要由三大部分构成：机身(立柱)、臂部(包括手腕)、手部。若是固定式，则固定机座一般与机身为一体；若是移动式，则还需要一个行走机构。机身是连接、支撑手臂及行走机构的部件，用于安装臂部的驱动装置或传动装置。2.1.5基座(1)机身设计

为保证机器人工作过程中的灵活性和准确性，还必须注意以下几点：机身要有足够的刚度、强度和稳定性；运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以免发生卡死现象；驱动方式要适宜；结构布置要合理。2.1.5基座(1)机身设计机身一般用于实现升降、回转和俯仰等运动，通常有1~3个自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式来确定：直角坐标型：这种类型的机器人主体结构具有三个自由度且都是直线运动。通常把升降运动或水平移动的自由度归为机身部分。2.1.5基座(1)机身设计机身一般用于实现升降、回转和俯仰等运动，通常有1~3个自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式来确定：圆柱坐标型：具有三个自由度：一个回转运动腰转及两个直线移动升降运动及手臂伸缩运动）。腰转运动及升降运动通常由机身来实现。2.1.5基座135(1)机身设计机身一般用于实现升降、回转和俯仰等运动，通常有1~3个自由度。机身结构一般由机器人的坐标形式来确定：关节坐标型：三个自由度均为回转运动，构成机器人的回转运动、俯仰运动和偏转运动。通常仅把回转运动归结为机身。2.1.5基座二、机身典型结构

2.1.5基座1．回转与升降运动机身(1)：

链轮—液压缸机构：

构成：主要由链轮机构、液压缸机构、机身本体部分构成。且升降机构位于转动机构的上方。工作原理：回转运动：通过液压缸活塞的移动→带动链条的移动→链轮的转动→机身的转动升降运动：活塞的上下移动→带动机身的上下升降2.1.5基座链轮—液压缸机构图例：问题：要使立柱作大于360°的旋转，对活塞的行程有什么要求？每个液压缸只有一个油口。2.1.5基座直线运动液压缸—摆动

液压缸机构：

构成：主要由直线运动液压缸、摆动液压缸、花键导向轴、机身本体等部分构成。工作原理：升降运动：活塞1下腔进油→活塞推动机身沿花键轴上升活塞1上腔进油→活塞推动机身沿花键轴下降2.1.5基座直线运动液压缸—摆动

液压缸机构：

工作原理：回转运动：摆动液压缸进油→摆动缸动片7摆动→带动摆动缸套5摆动由于花键轴3只起导向作用而不回转，摆动缸定片与花键轴之间通过平键和螺钉固定连接，保证定片的位置确定。2.1.5基座问题：1、摆动液压缸的动片与缸的什么部件相连？机械臂将与摆动液压缸的什么部件相连？2、为什么采用长度较短的花键套导向？3、机身升降运动的行程和回转运动角度取决于什么？4、画出零件2的结构图。2.1.5基座2.1.5基座

俯仰动作一般采用液压(气)缸与连杆机构来实现，液压缸位于手臂下方，活塞杆和手臂用铰链连接。

此外，也有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构来实现俯仰运动。回转与俯仰式机身2.1.5基座2.1.5基座腰关节

腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾覆力矩，且应具有较高的运动精度和刚度

腰关节多采用高刚性的RV减速机传动。为方便走线，常采用中空型RV2.1.5基座肩、肘关节

肩、肘关节承受很大扭矩（肩关节同时承受来自平衡装置的弯矩）且应具有较高的运动精度和刚度；多采用高刚性的RV减速机传动。2.1.5基座三、机器人行走机构

2.1.5基座1．行走机构的构成：

机器人行走机构通常由驱动装置、传动装置、位置检测装置、传感器、电缆和管路等构成。2.1.5基座2．行走机构的分类：

按运行轨迹分：分为固定轨迹式和无固定轨迹式两种。固定轨迹式主要用于工业机器人按行走机构的特点分：对于无固定轨迹机器人，可分为轮式、履带式和步行式等。前两者与地面连续接触，后者与地面为间断接触。2.1.5基座3．固定轨道式机器人运动的实现：

机器人机身底座，安装在一个可移动的拖板上，依靠丝杆螺母副的运动将来自电机的旋转运动转化为直线运动。2.1.5基座3．固定轨道式机器人运动的实现：

机器人机身底座，安装在一个可移动的拖板上，依靠丝杆螺母副的运动将来自电机的旋转运动转化为直线运动。2.1.5基座4．车轮式行走机器人：分类：车轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六轮之分。它们或有驱动轮和自位轮，或有驱动轮和转向机构，用来转弯。适用范围：最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。2.1.5基座图

利用陀螺仪的二轮车

2.1.5基座2.1.5基座三轮行走机器人结构及驱动：构成：三个车轮、转向叉、驱动装置等。驱动方案：电机5驱动轮1：通过V1、V2的不同速度控制小车的移动方向，同时，转向叉3自动地转向正确的方向。此时轮2受到地面的摩擦而滚动。电机6驱动轮2：由电机6驱动，小车的方向由专用电机7驱动转向叉实现。此时轮1自由滚动。缺陷：施加在角落的力容易产生使机器人翻倒，对负载有一定的限制。2.1.5基座

图2.59所示的三组轮是由美国Unimationstanford行走机器人课题研究小组设计研制的。它采用了三组轮子,呈等边三角形分布在机器人的下部。

图

2.59三组轮

2.1.5基座2.1.5基座2.1.5基座图

2.60四轮车的驱动机构和运动

2.1.5基座

图2.62所示为四轮防爆机器人,该轮系由于采用了四组轮子,运动稳定性有很大提高。但是,要保证四组轮子同时和地面接触,必须使用特殊的轮系悬挂系统。它需要四个驱动电机,控制系统也比较复杂,造价也较高。

2.1.5基座5．履带式行走机器人：特点：可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。没有自位轮，依靠左右两个履带的速度差转弯，会产生滑动，转弯阻力大，且不能准确地确定回转半径。2.1.5基座2.1.5基座2.1.5基座救援机器人德国排爆机器人2.1.5基座

6．脚踏行走机器人：

脚踏行走机器人即步行机器人，典型特征是不仅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶，具有广泛的适应性。主要设计难点是机器人跨步时自动转移重心而保持平衡的问题。2.1.5基座两足步行机器人图例：控制特点：使机器人的重心经常在接地的脚掌上，一边不断取得准静态平衡，一边稳定的步行。结构特点：为了能变换方向和上下台阶，一定要具备多自由度。2.1.5基座图

2.65两足步行式行走机构原理图

2.1.5基座步行式2.1.5基座四足机器人图例（1）：特点：四足机器人在静止状态下是稳定的，具有很高的实用性。四足机器人步行时，一只脚抬起，三只脚支撑自重，这时有必要移动身体，让重心落在三只脚接地点组成的三角形内。2.1.5基座四足机器人图例（2）：2.1.5基座四足机器人图例（3）：2.1.5基座7．其它行走机器人：

爬壁机器人：车轮和脚混合式机器人：2.1.5基座其它行走机器人图例：

2.1.5基座4.其它移动方式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人蛇形机器人授课人：黄健安项目2工业机器人的机械系统——任务2.1工业机器人本体机械结构谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.2工业机器人驱动方式——2.2.1电动机驱动工业机器人的机械系统2.2工业机器人驱动方式

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.2.1电动机驱动电气驱动方式利用电动机直接驱动机械传动装置。能源简单、使用方便、机构速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低。电气驱动步进电机伺服电机直流伺服电机交流伺服电机2.2.1电动机驱动安川松下三菱2.2.1电动机驱动伺服电动机是一种受输入电信号控制，并做出快速响应的电动机，其转速与控制电压成正比，转速随着转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控制电压为零时能够立即停止。直流伺服电动机是用直流供电的伺服电动机。其功能是将输入的受控电压/电流能量转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。（1）直流伺服电动机驱动2.2.1电动机驱动结构如图2-19所示，它由定子、转子（电枢）、换向器和机壳组成。定子的作用是产生磁场，转子由铁心、线圈组成，用于产生电磁转矩；换向器由整流子、电刷组成，用于改变电枢线圈的电流方向，保证电枢在磁场作用下连续旋转。2.2.1电动机驱动PWM伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好、响应快、效率高、过载能力强等特点，在工业机器人中常作为直流伺服电动机驱动器，直流伺服电动机及启动器实物图如图2-20所示。2.2.1电动机驱动（2）交流伺服电动机驱动同直流伺服电动机驱动系统相比，交流伺服电动机驱动器具有转矩转动惯量比高、无电刷及换向火花等优点，在工业机器人中得到广泛应用。交流伺服电动机分为两种，同步型（SM）和感应型（LM）。同步型采用永磁结构的同步电动机，又称为无刷直流伺服电动机。其特点为：无接触换向部件；需要磁极位置检测器（如编码器）；具有直流伺服电动机的全部优点。感应型指笼型感应电动机。2.2.1电动机驱动其特点为：对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制；具有直流伺服电动机的全部优点。交流伺服电动机由于采用电子换向，无换向火花，在易燃易爆环境中得到了广泛使用。交流伺服电动机及启动器实物图如图2-21所示。2.2.1电动机驱动（3）步进电动机驱动步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电动机。在负载能力的范围内，步进电动机的角位移和线位移量与脉冲数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比，这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，误差不长期积累，步进电动机驱动系统可以在较宽的范围内，通过改变脉冲频率来调速，实现快速起动、正反转制动。2.2.1电动机驱动但由于其存在过载能力差、调速范围相对较小、低速运动有脉动、不平衡等缺点，且步进电动机驱动多为开环控制，控制简单，功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。步进电动机实物图如图2-22所示。另一种是通过改变电动机的电压来控制机器人手臂的运动速度2.2.1电动机驱动（4）电动机驱动的控制方法一种是通过改变电动机的电流来控制机器人手臂的力矩。另一种是通过改变电动机的电压来控制机器人手臂的运动速度2.2.1电动机驱动

在工业机器人中，交流伺服电动机、直流伺服电动机都采用闭环控制，常用于位置精度和速度要求高的机器人中。目前，一般负载1000N以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是AC伺服电动机和DC伺服电动机。步进电动机主要适于开环控制系统，一般用于位置和速度精度要求不高的环境。机器人关节驱动电动机的功率范围—般为0.1～10kW。机器人末端执行器(手爪)应采用体积、质量尽可能小的电动机。

项目2工业机器人的机械系统——任务2.2工业机器人驱动方式谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.2工业机器人驱动方式——2.2.2液压驱动工业机器人的机械系统2.2工业机器人驱动方式

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.2.2液压驱动在机器人的发展过程中，液压驱动是较早被采用的驱动方式。世界上首先问世的商品化工业机器人尤尼梅特就是液压机器人。2.2.2液压驱动液压驱动的组成：（1）油源：通常把油箱、滤油器、压力表等构成单元称为油源。通过电动机带动油泵，把油箱中的低压油变成高压油，供给液压执行机构。机器人液压系统的油液工作压力一般是7~14MPa。

（2）执行机构：液压系统的执行机构分为直线油箱和回转油箱。机器人运动部件的直线运动和回转运动绝大多数都是直接用直线运动的液压缸和液压马达驱动产生，称为直接驱动方式；有时由于结构安排的需要也可以用转换产生回转或直线运动2.2.2液压驱动（3）控制调节原件：溢流阀，方向阀，流量阀等。（4）辅助元件：管件、蓄能器等。2.2.2液压驱动2.2.2液压驱动基本的液压驱动回路。由一般的发动机带动液压泵，液压泵转动形成高压液流（也就是动力），经溢流阀稳压后，高压液流（液压油）接着进入方向控制阀，方向控制阀根据电信号，改变阀芯的位置使高压液压油进入液压缸A腔或者B腔，驱动活塞向右或者向左运动，由活塞杆将动力传出，带动机器人关节做功。2.2.2液压驱动液压驱动执行装置除了上面提到的可把液压油的能量变换成直线运动的液压缸，还有可变换成旋转运动的液压马达以及变换成摇摆运动的摆动马达等。2.2.2液压驱动液压驱动能够以较小的驱动器输出较大的驱动力或力矩，即获得较大的功率重量比。可以把驱动油缸直接做成关节的一部分，故结构简单紧凑，刚性好。由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的开停。液压驱动调速比较简单和平稳，能在很大调整范围内实现无级调速。使用安全阀可简单而有效地防止过载现象发生。2.2.2液压驱动液压驱动具有润滑性能好、寿命长等特点。油液容易泄漏。这不仅影响工作的稳定性与定位精度，而且会造成环境污染。因油液粘度随温度而变化，且在高温与低温条件下很难应用。因油液中容易混入气泡、水分等，使系统的刚性降低，速度特性及定位精度变坏。需配备压力源及复杂的管路系统，因此成本较高。液压驱动方式大多用于要求输出力较大而运动速度较低的场合。2.2.2液压驱动在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具有代表性。电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵有关的液压控制元件动作，控制液压执行元件使其跟随输入信号而动作。这类伺服系统中电、液两部分之间都采用电液伺服阀作为转换元件。电液伺服系统根据物理量的不同可分为位置控制、速度控制、压力控制和电液伺服控制。项目2工业机器人的机械系统——任务2.2工业机器人驱动方式谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.2工业机器人驱动方式——2.2.3气压驱动工业机器人的机械系统2.2工业机器人驱动方式

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基座（固定或移动）传动装置2.2.3气压驱动

气压驱动系统的组成与液压系统有许多相似之处，图2-24为一典型的气压驱动回路。2.2.3气压驱动压缩空气由空气压缩机产生，其压力约为0.4-1.0Mpa，并被送入储气罐。然后由储气罐用管道接入驱动回路。在过滤器内除去灰尘和水分后，流向调压阀调压，在油雾器中，压缩空气被混入油雾。这些油雾用于润滑系统的滑阀及气缸，同时也起一定的防锈作用。2.2.3气压驱动从油雾出来的压缩空气接着进入电磁换向阀，电磁换向阀根据电信号，改变阀芯的位置使压缩空气进入气缸A腔或者B腔，驱动活塞向右或者向左运动，由活塞杆将动力传出，带动机器人关节做功。当压缩空气从A端进气、从B端排气时，单向节流阀A的单向阀开启，向气缸无杆腔快速充气；由于单向节流阀B的单向阀关闭，有杆腔的气体只能经节流阀排气，调节节流阀B的开度，便可改变气缸伸出时的运动速度。反之，调节节流阀A的开度则可改变气缸缩回时的运动速度。这种控制方式，活塞运行稳定，是最常用的方式。2.2.3气压驱动

气压驱动执行装置除了上面提到的可把压缩空气的能量变换成直线运动的气缸，还有可变换成旋转运动的气动马达以及变换成摇摆运动的摆动式气动驱动器等。2.2.3气压驱动气压驱动在工业机器人中用的较多。一般工厂都有压缩空气站供应压缩空气，气源方便，亦可由空气压缩机取得。废气可直接排入大气不会造成污染，因而在任何位置只需一根高压管连接即可工作，所以比液压驱动干净而简单。2.2.3气压驱动基于气体的可压缩性，气压驱动很难保证较高的定位精度。使用后的压缩空气向大气排放时，会产生噪声。因压缩空气含冷凝水，使得气压系统易锈蚀，在低温下易结冰。2.2.3气压驱动由于空气的可压缩性，气压驱动系统具有较好的缓冲作用。并可以把驱动器做成工业机器人关节的一部分，因而气压驱动结构简单、成本低。但因为工作压力偏低，所以功率重量比小、驱动装置体积大。2.2.3气压驱动两位式或有限点位控制的工业机器人(如冲压机器人)中；作为装配机器人的气动夹具；用于点焊等较大型通用机器人的气动平衡中。使用的压力通常在0.4-0.6Mpa，最高可达1Mpa。

项目2工业机器人的机械系统——任务2.2工业机器人驱动方式谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.3工业机器人传动装置——2.3.1直线-直线传动装置工业机器人的机械系统2.3工业机器人传动装置

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.3.1直线-直线传动装置常用的直线-直线驱动机构包括：液压(气压)缸将液压泵(或空气压缩机)输出的压力能转换为机械能，驱动执行构件做直线往复运动。项目2工业机器人的机械系统——任务2.3工业机器人传动装置谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.3工业机器人传动装置——2.3.2旋转-直线传动装置工业机器人的机械系统2.3工业机器人传动装置

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基座（固定或移动）传动装置S2.3.2旋转-直线传动装置

随着电动机驱动方式的大量使用，旋转-直线传动装置是业内应用最广泛的装置之一。S2.3.2旋转-直线传动装置齿轮齿条装置齿条(4)固定，齿轮(3)转动时联通拖板(1)沿着齿条方向做直线运动。

该装置的回差较大。2.3.2旋转-直线传动装置该机构可以把齿轮的旋转运动转化为齿条的往复移动，或者把齿条的往复移动转化为齿轮的旋转运动。2.3.2旋转-直线传动装置该机构是由非完全齿轮机构演变而来的。主动齿轮上只制出一个或几个轮齿，主动轮匀速转动，带动齿条往复移动。2.3.2旋转-直线传动装置普通丝杠采用一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿着丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转运动转化成螺母的直线运动。

传动效率低、精度低、回差大。2.3.2旋转-直线传动装置滚珠丝杠螺母槽里放置了很多滚珠，在丝杠传动过程中以滚珠的滚动摩擦代替滑动摩擦，传动效率较高。2.3.2旋转-直线传动装置

丝杠螺母副将旋转运动转变成直线运动，用较小的驱动力矩就可获得较大的轴向牵引力。2.3.2旋转-直线传动装置滚珠丝杠副传动部件2.3.2旋转-直线传动装置单螺母内循环式双螺母消隙内循环式单螺母外循环式双螺母外循环垫片消隙式2.3.2旋转-直线传动装置螺杆转动,螺母移动.这种机构占据空间小，用于长行程螺杆,但螺杆两端的轴在和螺母防转机构使其结构较复杂。2.3.2旋转-直线传动装置螺杆不动,螺母旋转并移动.由于螺杆固定不转,因而两端支承结构简单,但精度不高.如应用于某些钻床工作台的升降.2.3.2旋转-直线传动装置螺母固定不动,螺杆转动并移动.这种结构以固定螺母为主要支承,结构简单,但占据空间大.常用于螺旋压力机、螺旋起重器、千分尺等.2.3.2旋转-直线传动装置螺母转动,螺杆移动.螺杆应设置防转装置和螺母转动要设置轴承均使结构复杂,且螺杆运动时占据空间尺寸,故很少应用项目2工业机器人的机械系统——任务2.3工业机器人传动装置谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.3工业机器人传动装置——2.3.3直线-旋转传动装置工业机器人的机械系统2.3工业机器人传动装置

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置的的2.3.3直线-旋转传动装置由于电动机驱动方式已大量使用，若设计旋转运动装置，通常采用电动机驱动作为源，故直线-旋转传动装置在业内应用较少。2.3.3直线-旋转传动装置2.3.3直线-旋转传动装置项目2工业机器人的机械系统——任务2.3工业机器人传动装置谢谢大家观看《工业机器人技术及应用》项目2工业机器人的机械系统《工业机器人技术及应用》2.3工业机器人传动装置——2.3.4旋转-旋转传动装置工业机器人的机械系统2.3工业机器人传动装置

机器人本体的结构形式机器人本体机械机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置2.3.4旋转-旋转传动装置