《工业机器人技术基础 》课件-第三章 工业机器人机械系统

工业机器人技术基础智能制造学院复习内容：工业机器人由机械系统、驱动系统、感知系统、控制系统等部分组成。感知系统感知系统是工业机器人的“感知器官”，类似人的五官，负责检测和收集机器人自身状态信息（机器人的位置、姿态、速度等信息）和周围环境信息（物体位置、运动状态、距离等），转换成可处理的数据反馈给控制系统。控制系统控制系统是工业机器人的“大脑”，负责接收感知系统的信息，根据预设的程序和算法，对信息进行处理，通过向驱动系统发出指令，对机器人的运动进行控制，如运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作时间等。机械系统机械系统是工业机器人的基础结构，决定了机器人的外形及基本运动形态。机械部分通常由传动机构、机座、腰部、臂部、腕部、末端执行器组成，有的工业机器人还具备行走系统。驱动系统驱动系统是工业机器人的动力来源，负责根据控制系统的指令驱动机械部分运动，实现指定操作。驱动系统通常由驱动装置和传动装置等组成，通常采用电气、液压、气压驱动方式或是几种方式的结合，根据实际需要选择合适的驱动方式。复习内容：第三章工业机器人机械系统目录CONTENTS

3.1工业机器人机身及行走机构3.2工业机器人传动机构

3.3工业机器人臂部3.4工业机器人腕部3.5工业机器人手部/末端执行器工业机器人机械结构机身及行走机构：机身又称机座，是整个工业机器人的支持部分，具有一定的刚度和稳定性。机身有固定式和移动式两类，若机身不具备行走功能，则构成固定式机器人；若机身具备移动机构，则构成移动式机器人。传动机构：包括各种驱动电机、减速器、齿轮、轴承、传动皮带等部件组成。臂部：手臂一般由大臂、小臂（或多臂）所组成，用来支撑腕部和手部，实现较大运动范围。手腕：腕部位于工业机器人末端执行器和臂部之间，腕部主要帮助手部呈现期望的姿态，扩大臂部运动范围。手部：手部又称为末端执行器，是工业机器人执行任务的工具，一般安装于工业机器人末端法兰上。根据应用功能不同，手部可以分为夹持式、吸附式、专用手部工具和仿生多指灵活手等多种形式。3.1工业机器人机身及行走机构01PART

ONE3.1.1工业机器人固定式机身工业机器人机身（机座）是机器人的基本组成部分，具有支承作用。工业机器人机身（机座）有固定式和行走式两种，工业机器人固定式机身结构较简单，安装方式可分为三种形式：工业机器人机身直接安装在地面上，用高强度螺栓固定机器人机身，使之能够承受机器人手臂传递过来的反作用力；工业机器人机身用高强度螺栓安装在操作台上，操作台固定在地面使工业机器人在指定工位上作业；工业机器人机身用底板及化学制剂安装在地面、倒挂在横梁或者侧挂在墙体上，以便于在最佳角度进入作业状态。固定轨迹式行走机身无固定轨迹行走机身VS工业机器人机身及底座安装在可移动的操作台或者托板座上，根据提前设定好的移动轨迹在作业过程中进行移动工业机器人的位置。这种机器人主要应用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体仓库中材料搬运、材料码垛、大面积喷涂等等。无固定轨迹行走机身又分轮式行走机身、履带式行走机身和足式行走机身，近年随着AI技术的不断进步，又出现了蠕动式、蛇形式、混合式等多种行走机身。工业机器人的行走机身根据运动轨迹分为固定轨迹式行走机身和无固定轨迹行走机身：3.1.2工业机器人行走式机身轮式行走机身轮式行走机身是最常见的机器人行走机身之一，它采用轮子作为行走的主要方式。轮式行走机身通常由一轮、两轮、三轮、四轮以及多轮行走机构组成，可以实现前进、后退、转弯等运动。3.1.2工业机器人行走式机身三轮式行走机身具有一定的稳定性，最常见的车轮配置是一个前轮和两个后轮，如图所示。（a）图为两后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，靠后轮的转速差实现转向；（b）图为采用前轮驱动，前轮转向的方式；（c）图为利用两后轮差动减速器驱动，前轮转向的方式。三轮式行走机身：（a）两个后轮独立驱动（b）前轮驱动及转向（c）后轮差动/前轮转向3.1.2工业机器人行走式机身四轮行走机身可采用不同的方式实现驱动和转向。如图（a）所示为后轮分散驱动；（b）所示为四轮同步转向机构，当前轮转向时，通过四连杆机构使后轮得到相应的偏转，这种转向机械相比仅有前轮转向的车辆可实现更小的转向回转半径。四轮行走机身的运动稳定性有很大提高。但是，要保证4个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4个驱动电动机，控制系统也比较复杂，造价也较高。机器人可以根据需要让4个车轮呈横向、纵向或同心方向行走，可以增加机器人的运动灵活性。。四轮行走机身：(a)后轮分散驱动(b)四轮同步转向机构3.1.2工业机器人行走式机身多轮行走机身：多轮行走机身的设计解决了地面崎岖不平及爬楼梯时，机器人稳定性的能力，如图所示。3.1.2工业机器人行走式机身“玉兔”月球车车轮：2013年我国自主研发的“玉兔”月球车如图3-9所示，车轮是镂空金属带轮，镂空是为了减少扬尘。“玉兔”轮子辐条采用钛合金，筛网用金属丝编制，在保持高强度和抓地力的同时，减轻了轮子的重量。“玉兔”月球车是由6个独立的摇臂作为每个车轮的支撑，每个车轮可以独立驱动、独立旋转、独立伸缩。“玉兔”月球车可以凭借6个轮子实现前进、后退、原地转向、行进间转向、20°爬坡、20cm越障等。玉兔号月球车已于2016年7月31日晚超额完成任务并停止工作，在月球上生存工作了972天。3.1.2工业机器人行走式机身履带式行走机身的机器人具有牵引力大、不易打滑、越野性能好等优点，可以搭载摄像头、探测器等设备代替人类从事一些危险工作（如排爆、化学探测等），减少不必要的人员伤亡。履带式行走机身由履带、驱动链轮、支承轮、托带轮和张紧轮(导向轮)组成，如图所示。履带式行走机身：3.1.2工业机器人行走式机身履带式行走机身根据形状可分为一字形和倒梯形，如图3-11所示。图3-11（a）所示为一字形履带式行走机身，驱动轮及张紧轮兼做支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性，此时驱动轮和导向轮只略微高于地面。图3-11（b）所示为倒梯形履带式行走机身，不做支承轮的驱动轮与张紧轮装得高于地面，链条引入引出时角度达50°，其好处是适合于穿越障碍，另外因为减少了泥土夹入引起的磨损和失效，可以延长驱动轮和张紧轮的寿命。履带式行走机身：(a)一字形履带式行走机身

(b)倒梯形履带式行走机身3.1.2工业机器人行走式机身车轮式行走机身只有在平坦、坚硬的地面上行驶才有理想的运动特性，若地面凸凹程度与车轮直径相当或地面很软，则机器人运动阻力将增大，履带式行走机身虽然可在高低不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时稳定性较差，在松软地面上行驶速度较慢。根据调查，地球表面有近一半的地面不适合传统的轮式或履带式机器人行走。但足式行走方式可以在这样地面行动自如，显然足式行动机身与轮式行走机身和履带式行走机身相比具有独特的优势。现有的足式机器人如图3-12所示，根据足数可分为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多足数的机器人。多足机器人的稳定性好，并且承载的重量也较大

足式行走机身：图3-12单足、双足、三足、四足、六足行走机身机器人(a)单足行走机身机器人(b)双足行走机身机器人(c)三足行走机身机器人(d)四足行走机身机器人(b)六足行走机身机器人3.1.2工业机器人行走式机身

不同足数行走式机器人行走能力比较足数保持稳定姿态的能力静态稳定行走的能力高速静态稳定行走的能力动态稳定行走的能力用自由度数衡量的结构简单性1无无无有最好2无无无有最好3好无无最好好4最好好有最好好5最好最好好最好好6最好最好最好好一般7最好最好最好好一般8最好最好最好好一般3.1.2工业机器人行走式机身两足步行式机器人具有最好的适应性，也最接近人类，故也称为类人双足行走机器人。类人双足行走机身是多自由度的控制系统如图3-13所示，是现代控制理论很好的应用对象。这种机身除结构简单外，在保证静、动行走性能及稳定性和高速运动等方面都是最困难的。

足式行走机身：图3-13双足行走式机器人原理图3.1.2工业机器人行走式机身

足式行走机身：图3-14六足行走式机器人四足机器人在静止状态是稳定的。在步行时，当一只脚抬起，另三只脚支承自重时，必须移动身体，让重心落在三只脚接地点所组成的三角形内。在设计阶段，静平衡机器人的物理特性和行走方式都经过认真协调，因此在行走时不会发生严重偏离平衡位置的现象。为了保持静平衡，机器人需要仔细考虑足的配置。保证至少同时有三个足着地来保持平衡，也可以采用大的机器足，使机器人重心始终落在接触地面的足上，易于控制平衡。六足行走式机器人如图3-14所示，由于行走时可保证至少有三足同时支承机体，在行走时三足为一组，足端以固定时间间隔、相同位移移动，可以实现XY平面内任意方向行走或原地转动，也更容易得到稳定的重心。3.1.2工业机器人行走式机身

特殊移动机身：一些特殊场合也可以实现轮足混合使用，如图3-15所示。例如：蛇形机器人可以在狭小的空间中穿行，具有极高的灵活性和适应性，一般由多个电动机控制连杆和关节组成，可以实现自由扭曲和拉伸，用于探测隐蔽空间和救援等领域；飞行器移动机身通常包括固定翼、旋翼和推进器等，可以实现在空中的自由运动；水下靠类鱼尾一样的部件摆动进行移动的机器人，进行水下勘探等等。3.1.2工业机器人行走式机身

3.2工业机器人传动机构02PART

TWO3.2工业机器人传动机构工业机器人中的减速器类似于工业机器人的“肌腱”，减速器连接着工业机器人动力源和执行机构，是保证工业机器人能够精准到达目标位置的核心部件。减速器：每个关节都要用到不同的减速机产品第一梯队德国SEW、弗兰德等外资品牌，占据国内高端市场。其零部件自制率高，并且会外采全球顶级标准件，产品广泛应用于各个行业；内资领导企业，主要占据中端市场，例如万里扬、秦川机床、巨轮智能、联诚精密等公司。第二梯队企业外采国产标准件，产品应用于某几个特定行业；内资小品牌，主要占据国内中低端市场，数量较多，零部件和标准件均需要外采。3.2工业机器人传动机构第三梯队第二梯队国内减速器市场现状：工业机器人中的减速器需要具有传动链短、体积小、功率大、重量轻和容易控制等相关特点。3.2工业机器人传动机构工业机器人中的减速器特点：谐波减速器：谐波减速器放置在小臂、腕部和手部等轻负载的位置。RV减速器：RV减速器一般放置在工业机器人的机身、大臂、肩部等重负载的位置；摆线针轮减速器：关节机器人主要采用谐波减速器和RV减速器。工业机器人中减速器分类：谐波减速器通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式；通常波发生器为原动体，柔轮和刚轮之一为从动体，另一个为固定件。波发生器由一个椭圆盘和一个柔性球轴承组成，或者由一个两端均带有滚子的转臂组成。刚轮是一个刚性的内齿轮；柔轮是一个容易变形的薄壁圆筒外齿轮，它们一同具有三角形（或渐开线）的齿形，且两者的周节相等，但刚轮比柔轮多几个齿3.2.1

谐波减速器OPTION02OPTION01OPTION03承载能力高：谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高；传动比大：单级谐波齿轮传动的传动比在50~300之间，优选在75~250之间；结构简单、体积小、重量轻；传动效率高、寿命长；传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高；由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。谐波减速器的特点：3.2.1

谐波减速器柔轮周期性地发生变形，因而产生交变应力，使之易于产生疲劳破坏；转动惯量和起动力矩大，不宜用于小功率的跟踪传动；不能用于传动速比小于35的场合；采用滚子波发生器(自由变形波)的谐波传动，其瞬时传动比不是常数；散热条件差。谐波减速器的缺点：谐波齿轮减速器按其机械波数目的多少可分为：单波、双波及三波，其中最常用的是双波传达。在谐波传动中，刚轮与柔轮的齿数差应等于机械波数的整数倍，通常取其等于波数。3.2.1

谐波减速器谐波减速器工作原理：3.2.1

谐波减速器刚轮固定-柔轮输出刚轮固定不变，以波发生器为主动件，柔轮为从动件，如图(a)所示。该输出形式结构简单、传动比范围较大、效率较高、应用广泛，传动比i=75~500。谐波减速器的传动形式：波发生器固定-刚轮输出柔轮主动，单级微小减速，如图(c)所示。该输出形式传动比准确，适用于高精度微调传动装置，传动比i=1.002~1.015。柔轮固定-刚轮输出波发生器主动，单级减速，如图(b)所示。该输出形式结构简单、传动比范围较大、效率较高，可用于中小型减速器，传动比i=75~500。3.2.1

谐波减速器谐波减速器的应用领域：谐波减速器在航空、航天、工业机器人、航海、造船、仿生机械、常用军械、机床、仪表、电子设备、矿山冶金、交通运输、起重机械、石油化工机械、纺织机械、农业机械以及医疗器械等领域得到广泛的应用，特别是在高动态性能的伺服系统中，采用谐波齿轮传动更显示出其优越性。3.2.1

谐波减速器3.2.2工业机器人的RV减速器工业机器人中的RV减速器结构如图所示，核心部件是一个柔性齿轮，由于齿轮材质的特殊性质，其可以将输入轴的高速旋转运动转换为输出轴的低速旋转运动。RV减速器的输出轴与输入轴垂直，因此也被称为垂直减速器。RV减速器存在的缺陷：承载能力不足，RV减速器中绝大多数传动机构是滚动传动，但是针齿和针齿壳正齿轮和输入齿轮之间是例外，其实际表现为滑动摩擦为主，受力磨损情况和滑动轴承类似，滑动轴承主要适用工况是高速轻载，因此限制了其承载能力。实际工况中RV减速器需要反复的精确定位，也就是不断的启动和刹车，为了保持一定精度不衰减，延长使用寿命，对正齿轮和输入齿轮以及外壳的加工精度、材料和工艺都有相当高的要求。这也是精密RV减速器较难生产的重要原因之一。3.2.2工业机器人的RV减速器RV减速器优势：RV减速器相比机器人中常用的谐波传动减速器具有高得多的抗疲劳强度、刚度和使用寿命，回差误差小。谐波传动减速器随着使用时间增长，运动精度会显著降低，故世界上许多国家高精度机器人传动多采用RV减速器。因此，该种RV减速器在先进机器人传动中有逐渐取代谐波减速器的发展趋势。3.2.2工业机器人的RV减速器3.3工业机器人臂部03PART

THREE3.3.1工业机器人臂部组成及分类机器人的臂部又称手臂，是机器人连接机身和手腕的部件。在6自由度关节机器人中多由大臂、小臂（或多臂）构成。工业机器人的手臂是主要的执行部件，它的主要作用是支撑腕部和手部，并将被抓取的工件运送到指定位置上。机器人的臂部主要包括臂杆及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的传动装置、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。此外，还有与之连接的支承等有关构件、配线配管。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构和其他专用的机械传动臂部结构。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。臂部按手臂的运动形式，可分为垂直运动型臂部结构、径向移动臂部结构和回转运动臂部结构三类。

工业机器人臂部运动：机器人要完成空间的运动，至少需要三个自由度的运动，即垂直移动、径向移动和回转运动。垂直运动垂直运动是指机器人手臂的上下、横向（或纵向）运动。这种运动通常采用液压缸机构或通过调整机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。径向移动径向移动是指手臂的伸缩运动。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作范围发生变化。回转运动回转运动是指机器人绕铅垂轴的转动。这种运动决定了机器人的手臂所能达到的角度位置。3.3.2工业机器人臂部运动

机器人的机械臂是由数个刚性杆体和旋转或移动的关节连接而成的，它是一个开环关节链，开环关节链的一端固接在机身（基座）上，另一端是自由的，安装着末端执行器（如焊枪），在机器人工作时，机器人机械臂前端的末端执行器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。工业机器人臂部配置方式机器人运动控制中，必须知道机械臂各关节变量空间和末端执行器的位置与姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。一台机器人机械臂的几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。由于机器人的作业环境和场地等因素不同，出现了各种配置形式。目前有横梁式、立柱式、机座式和屈伸式四种。3.3.3工业机器人臂部的配置和驱动1)横梁式配置a）单臂悬挂式b）双臂悬挂式机身设计成横梁式如图所示，用于悬挂手臂部件通常分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种。这类机器人的运动形式大多为移动式。具有占地面积小、能有效利用空间、动作简单直观等优点。横梁可以是固定的，也可以是行走的，一般安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可以直接在地面上进行架设结构。3.3.3工业机器人臂部的配置和驱动2)立柱式配置立柱式机器人如图所示，多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配置形式。通常分为单臂式和双臂式两种。立柱式配置具有占地面积小，工作范围大的特点。立柱可以固定安装在空地上，也可以固定在机身上。立柱式机器人结构简单，多用于其它主机的部分配置，承担上、下料或转运等工作。a）单臂式b）双臂式3.3.3工业机器人臂部的配置和驱动3)机座式配置机身设计成机座式如图所示，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沿地面上的专用轨道移动，以便于扩大其活动范围。a）单臂回转式b）双臂回转式c）多臂回转式

3.3.3工业机器人臂部的配置和驱动4)屈伸式配置屈伸式机器人如图所示，臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机身一起，结合机器人的运动轨迹，既可以实现平面运动也可以实现空间运动。3.3.3工业机器人臂部的配置和驱动工业机器人的臂部驱动1．手部2.夹紧缸3.油缸4.导向柱5.运行架6.行走车轮7.导轨8.支座图3-20四导向柱式臂部伸缩机构手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电机驱动等几种形式，其中电动驱动形式最为通用。臂部伸缩机构行程小时，采用油（气）缸直接驱动；当行程较大时，可采用油（气）缸驱动齿轮齿条传动的倍增机构或步进电动机及伺服电动机驱动，也可用丝杠螺母或滚珠丝杆传动。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，臂部伸缩机构需设置导向装置或设计成方形、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等，可根据手臂的结构、手部重量等因素选取，如图3-20四导向柱式臂部伸缩机构，这种结构多用于箱体加工线上。手臂的俯仰通常采用摆动油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现；臂部回转与升降机构回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小的情况，也有用升降缸与气动马达—锥齿轮传动的机构。

3.3.3工业机器人臂部的配置和驱动3.4工业机器人腕部04PART

FOUR3.4.1工业机器人腕部组成及运动方式腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。工业机器人腕部组成及运动方式腕部坐标系腕摆手转臂转图3-21腕部坐标系及运动方式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，如图3-21所示。通常把腕部的回转称为Roll，用R表示；把腕部的俯仰称为Pitch，用P表示；把腕部的偏转称为Yaw，用Y表示。确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：臂转：指腕部绕小臂轴线方向的旋转，也称作腕部旋转；腕摆：指手部绕垂直小臂轴线方向进行旋转，腕摆分为俯仰和偏转，其中同时具有俯仰和偏转运动的称作双腕摆；手转：指手部绕自身的轴线方向旋转。常用的腕部组合方式如图3-22所示，有臂转—腕摆—手转结构，臂转—双腕摆—手转结构等。（a）臂转—腕摆—手转(b)臂转—双腕摆—手转结构图3-22腕部组合方式腕部的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，3.4.1工业机器人腕部组成及运动方式3.4.2工业机器人腕部分类滚转可以实现腕部的旋转，弯转可以实现腕部的弯曲，滚转和弯转的结合可以实现腕部的侧摆。因手腕安装在臂部的末端，腕部在设计时要求结构紧凑、重量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。腕部的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，工业机器人腕部分类：工业机器人腕部是手臂和手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。机器人一般具有6个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态，腕部上的自由度主要用于实现所期望的姿态。按自由度数分类腕部按自由度个数可分为单自由度腕部、双自由度腕部和三自由度腕部。具体采用几个自由度的腕部应根据工业机器人的实际工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有两个自由度：回转和俯仰或回转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要求还有横向移动的自由度。按自由度数分类1）单自由度腕部单自由度腕部在工业机器人的关节轴线与臂部的纵轴线共线时使用，如图3-23（a）所示为滚转关节R实现，回转角度不受结构限制，可达360°以上；图（b）、（c）所示为弯转关节B，关节轴线与前、后两个连接件的轴线相垂直。B关节因为受到结构上的干涉，旋转角度小，方向角大大受限。图（d）所示为平移关节T，腕部关节轴线与臂部及手的轴线在一个方向上成一个平面，不能转动只能平移。3.4.2工业机器人腕部分类按自由度数分类2）双自由度腕部双自由度手腕可以是由一个R关节和一个B关节组成的BR手腕如图3-24(a)所示，也可以是由两个B关节组成的BB手腕如图(b)所示。但是不能由两个RR关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线，会减少一个自由度，实际只构成单自由度手腕如图(c)所示。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。3.4.2工业机器人腕部分类按自由度数分类3）三自由度腕部三自由度手腕如图3-25所示，可以是由B关节和R关节组成的多种形式的手腕，但在实际应用中，常用的有BBR、RRR、BRR、RBR、BRB和RBB共6种组合。(e)BRB手腕(f)RBB手腕3.4.2工业机器人腕部分类按驱动方式分类1）直接驱动直接驱动是指驱动器安装在腕部运动关节的附近直接驱动关节运动，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大、惯量大。驱动源直接装在腕部上如图3-26所示，这种直接驱动腕部的关键是能否设计和加工出而驱动转矩大、驱动性能好的驱动电动机或液压马达。图3-26液压直接驱动BBR腕部3.4.2工业机器人腕部分类按驱动方式分类2）远程驱动远程驱动安装在工业机器人的大臂、机座或小臂远端，通过机构间接驱动腕部关节运动，因而腕部的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机器人的整体性能起到了一定的作用。但同时由于传动设计复杂导致传动刚度也有所下降。如图3-27所示，轴Ⅰ做回转运动，轴Ⅱ做俯仰运动，轴Ⅲ做偏转运动，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动

。图3-27远程驱动腕部3.4.2工业机器人腕部分类按驱动方式分类3）柔顺腕部在用机器人进行的精密装配作业中，当被装配零件之间的配合精度相当高，由于被装配零件的不一致性，工件的定位夹具，机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难，因而就提出了装配动作的柔顺性要求。柔顺装配技术有两种：主动柔顺装配和被动柔顺装配。一种是主动柔顺装配：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。例如：手爪上装配有检测元件如视觉传感器、力传感器等，这就是所谓主动柔顺装配，主动柔顺装配需配备一定功能的传感器，价格较贵。3.4.2工业机器人腕部分类按驱动方式分类3）柔顺腕部另一种是被动柔顺装配：被动柔顺是利用不带动力的机构来控制手爪的运动以补偿其位置误差。在需要被动柔顺装配的机器人结构里，一般是在腕部配置一个角度可调的柔顺环节以满足柔顺装配的需要。这种柔顺装配技术称为“被动柔顺装配（RCC)”如图3-28所示。被动柔顺腕部结构比较简单，价格比较便宜，装配速度快。相比主动柔顺装配技术，它要求装配件要有倾斜角，允许的校正补偿量受到倾角的限制，轴孔间隙不能太小。(a)水平浮动和摆动浮动机构(b)运动过程图3-28柔顺腕部3.4.2工业机器人腕部分类3.5工业机器人手部05PART

FIVE3.5.1工业机器人手部分类及特点机器人的手一般称为末端执行器，安装于机器人手腕上直接用于抓取和握紧专用工具并进行操作的部件。工业机器人所要完成的各种操作，最终都必须通过手部来得以实现。手部的结构、重量、作业端柔性优劣对完成作业有着直接的、显著的影响。手部与手腕之间的接口方式有机械接口、电动接口、气动接口和液压接口。工业机器人手部分类及特点:人体的手具有多个手指，每个手指又有许多关节，可以巧妙地完成许多复杂的作业，工业机器人的手部作业功能大致可分为“抓取”和“操作”两类，而抓取又分为捏、夹、握三小类。每一小类又可分为多种形态。机器人手部设计中，由于机构和控制系统方面的限制，很难设计出像人手那样的通用装置；同时对多数工作现场来说，对机器人的工作要求是有限的，因此机器人手部的设计主要是针对特定的工作对象的形状、大小、位置、姿势、重量、硬度、表面质量等多方面综合需求来进行设计。随着工业机器人技术的不断发展及用户需求不断提升，工业机器人手部加装了具有识别功能的传感器，使手部具有了触觉（在手掌和手指上安装了弹性触点元件）、感知冷热（加装了热敏元件）和感知抓取物体的形状和大小（在各指节的连接轴上安装精密的电位器）等相关感知功能。3.5.1工业机器人手部分类及特点工业机器人手部分类:按手部的结构和工作中完成的功能，手部可分为下列四种类型：夹持式取料手(两指一三指、变形指)(机械手爪)；吸附式取料手(气吸式、磁吸式)；专用工具(喷枪、焊枪等)；仿生多指灵活手按工件夹持方式分类：外夹式；内撑式；内外夹持式三种类型。图3-29夹持方式工业机器人手部特点：（1）手部与腕部相连处可拆卸

手部与腕部有机械接口，也可能有电、气、液接头。工业机器人作业时方便拆卸和更换手部。

（2）手部是机器人末端执行器它可以像人手那样具有手指，也可以不具备手指；可以是类人的手爪，作业的工具，比如装在机器人腕部上的喷漆枪、焊接工具等。（3）手部的通用性比较差机器人手部通常是专用的装置，例如，一种手爪往往只能抓握一种尺寸、重量等方面相近似的工件，一种工具只能执行一种作业任务。3.5.1工业机器人手部分类及特点3.5.2工业机器人夹持式取料手机械手部是目前应用最广的手部形式，可见于多种的生产线机器人中。它主要是利用开闭的机械机构，来实现特定物体的抓取。其主要的组成部分是手指，利用手指的相对运动就可抓取物体。手指一般常采用刚性的，抓取面按物体外形包络线形成凹陷或v形槽等。多数的机械手部只有两个手指如图3-30所示，有时也使用像三爪卡盘式的三指结构也有四指或五指结构的，形式常取决于被夹持工件的形状。图3-30夹持式取料手结构夹持式取料手分类根据手指的形状可分为下面几种类型：V型指如图3-31(a)所示，这种形状适合夹持圆柱形工件，夹持力较大，平稳可靠并且误差小，能够快速加持旋转中的圆柱体，并且可自定位，与工件接触好。但浮动件是机构中的不稳定因素，在加紧时和运动中受到的外力必须有固定支承来承受，可以设计成自锁的浮动件。平面指如图3-31(b)所示，一般用于夹持方形工件、具有两个平行平面的工件、方形板或者细小棒料等。尖指和长指如图3-31(c)所示，用于夹持小型或柔性工件；尖指用于加持位于狭窄工作场地的细小工件，避免和周围障碍物碰撞；长指用于夹持炽热的工件，以避免热辐射对手部传动机构的影响。特形指如图3-31(d)所示，根据工件形状、大小及其被夹持部件材质软硬、表面性质等不同因素，手指的指面可分为光滑指面、齿形指面和柔性指面等形式。图3-31夹持式取料手的指端形状3.5.2工业机器人夹持式取料手夹持式取料手的驱动1.齿条；2.扇形齿轮；3.爪钳；4.气缸；5.活塞图3-32气压驱动的手爪

机械手爪的手指的开合通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动，气动手爪如图3-32所示，目前得到广泛的应用，主要由于气动手爪具有结构简单、成本低、容易维修，且开合迅速、质量轻等优点，其缺点在于空气介质存在可压缩性，使爪钳位置控制比较复杂。液压驱动手爪成本要高些。电动手爪的优点在于手指开合电动机的控制与机器人控制共用一个系统，但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小，相比而言开合时间要稍长。气压驱动的手爪，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，使爪钳3平行地快速开合。3.5.2工业机器人夹持式取料手夹持式取料手的传动驱动机构的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力。对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。图3-32及图3-33所示的手爪传动机构可保持爪钳平行运动，夹持宽度变化大。对夹紧力的要求是爪钳开合度不同时，夹紧力能保持不变。图3-33手爪传动机构的类型3.5.2工业机器人夹持式取料手3.5.3工业机器人吸附式取料手吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同吸附式手部有气吸式和磁吸式两种类型。吸附式手部适用于大平面、易碎、微小的物体，因此适用范围较广。其中气吸式具有结构简单、重量轻、吸附力分布均匀等优点，这种结构被广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料吸附场合。气吸式图3-34气吸附取料手气吸式手部按形成真空或负压的方法可将其分为真空吸盘式、气流负压吸盘式和挤气负压吸盘式。在这几种方式中，真空式吸盘吸附可靠、吸力大、机构简单、价格便宜，应用最为广泛。在目前电视机生产线中，电视机半成品在制造和装配过程中的搬运和位置调整，主要采用真空吸盘的手部如图3-34所示。工作过程中，吸盘靠近电视机屏幕，真空发生器工作使吸盘吸紧屏幕，实现半成品电视机的抓取和搬运。3.5.3工业机器人吸附式取料手磁吸式1.外壳体；2.线圈；3.防尘盖；4.磁盘图3-35磁吸附取料手磁吸式手部如图3-35所示，主要是利用电磁吸盘来完成工件的抓取，通过电磁线圈中电流的通断来完成吸附操作。它的优点在于不需要真空源，但它有电磁线圈所特有的一些缺点，如只能适用于磁性材料、吸附完成后有残余磁性等，使得其使用受到一定限制。3.5.4工业机器人手部专用工具工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据不同作业要求，准备若干个特殊手部，将它们替换安装。图3-36快换装置母盘结构例如，在工业机器人末端安装上一个快换装置又称快换装置母盘，如图