1、1,第2章 機器人的機械結構,2.1 機身和臂部 2.2 腕部和手部結構 2.3 傳動部件設計,2,2.1 機身和臂部,一.機身和臂部的作用 機身是直接連接支承傳動手臂和行走機構的部件，機身可以是固定的，也可以是行走式的 手臂部件用來支承腕部（關節(jié)）和手部（包括工件和工具），并帶動它們在空間運動,3,二.機身和臂部設計應注意問題,1.剛度：抵抗變形的能力 （1）合理選擇截面形狀和輪廓尺寸-封閉空心截面抗彎抗扭能力較實心和開口截面大；工字鋼的抗彎強度比園截面大 （2）提高支承剛度和接觸剛度 （3）合理布置作用力的位置和方向-減小彎曲變形 2.精度 影響因素：裝配精度，導向精度，剛度，耐磨性 3.

2、平穩(wěn)性： （1）應結構緊湊，質量輕，減少慣性力 （2）注意重心的位置 4.其他：傳動鏈力求簡短；元件布置合理緊湊,4,三.機身和臂部的配置形式,1.橫梁式 機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂，直移式運動，占地面積小，能有效的利用空間 （1）單臂懸掛式 手臂可沿橫梁移動，也可上下伸縮,5,（2）雙臂懸掛式（a）,a.雙臂平行布置，上料道與下料道分別設在機床的兩側，雙臂能同時動作，兩臂同步沿橫梁移動，縮短輔助時間,b.雙臂交叉配置，兩臂軸線交于機床的中心，兩臂交錯伸縮進行上下料，并同時沿橫梁移動,c.雙臂交叉配置，懸伸梁式，橫梁長度較a,b短，雙臂位于橫梁的同一側,6,(2).雙臂懸掛式（b）,雙臂回

3、轉型，雙臂交叉且繞同軸回轉，分別負責上下料（主要是盤狀零件），只需一個動力源，結構緊湊，動作范圍大,7,2.立柱式,（1）單臂配置 固定的立柱上配置單個臂，一般臂部水平或傾斜安裝在立柱的頂部。右圖為立柱式澆注機器人，以平行四邊形鉸接的四連桿機構作為臂部，實現俯仰運動。澆包始終鉛垂，該裝置結構簡單，穩(wěn)定可靠,8,右圖為銑端面，打中心孔機 床的上料機器人，臂架2帶動 臂3繞機身立柱1回轉，同時， 通過行星齒輪使臂3繞臂架2的 軸線回轉，手部夾持中心的軌 跡為一空間曲線，能迅速地將 工件從料架送到機床的夾具上， 但慣性較大，適用于中小型工件,9,（2）雙臂配置,雙臂同步升降和回轉機器人，兩臂互成直角

4、，當兩臂下降時，上料手在料道上取料，下料手從機床兩頂尖取下工件。兩臂上升后轉900再下降，上料手將毛坯放到頂尖間，下料手放工件,雙臂同步回轉機器人，兩臂的伸縮分別驅動用來完成較大行程的提升與轉位工作，雙臂對稱布置，較平穩(wěn),雙臂水平交叉配置機器人，它通過兩臂同時升降，交錯伸縮，實現一手上料，一手下料,10,雙臂立柱式機器人，雙臂 位于機身的前后兩側，可 同時繞立柱軸線回轉和繞 水平軸作方向相反的俯仰 運動。,11,3.機座式（1）,12,機座式（2）,可將幾臺機器圍繞機器人布置，該機器人負責傳送工件,13,4.屈伸式,大小臂在垂直于機床軸線的平面上運動，借助腕部旋轉900，把工件放到機床頂尖間,

5、大小臂回轉平面垂直,14,1.升降回轉型機身結構,四.機身的結構形式,15,2.升降臺式,活塞桿11帶動 下移軸 8左右移動，通過連桿 使平臺升降,16,2.俯仰式,4是回轉油缸， 7是俯仰油缸,17,3.直移型機身結構 直移型型機器人多為懸掛式的，其機身實際上就是手臂的橫梁,18,4.類人機器人機身,它沒有直移型的升降裝置，而是靠腿部和腰部的屈伸運動實現升降。須有驅動肩關節(jié)，腰關節(jié)，腿部的驅動裝置,19,五.機械臂的典型結構,1.手臂直線運動的機構 常見方式： 行程小時：采用油缸或氣缸直接驅動； 當行程較大時：可采用油缸或氣缸驅動齒條傳動的倍增機構或采用步進電機或伺服電機驅動，并通過絲桿螺母

6、來轉換為直線運動。 典型結構： 電機驅動的絲桿螺母直線結構,20,電機驅動絲桿螺母直線運動結構圖例,21,2手臂的回轉運動機構,常見方式： 常見的有齒輪傳動機構，鏈輪傳動機構，活塞及連桿傳動機構等。 曲柄滑塊機構： 典型機構： 液壓缸連桿回轉機構： 齒輪驅動回轉機構：,22,23,雙臂機器人手臂結構圖例：,運動特點： 手臂關節(jié)的回轉運動是通過液壓缸-連桿機構實現。控制活塞的行程就控制了手臂擺角的大小。,1鉸接活塞缸 2連桿 3手臂 4支承架,24,齒輪傳動機構（1）,25,齒輪傳動機構（2）,26,3關節(jié)型機械臂的結構（1）,存在的運動型式： 機身的旋轉運動； 肩關節(jié)和肘關節(jié)的擺動； 腕關節(jié)的

7、俯仰和旋轉運動； 5軸關節(jié)型機器人。,27,五軸關節(jié)型機器人手臂運動圖例（1）：,腰轉,肩轉,肘轉,俯仰,偏轉,腰轉姿態(tài),28,肩關節(jié)、肘關節(jié)與手腕的協調,五軸關節(jié)型機器人手臂運動圖例（2）：,29,3關節(jié)型機械臂的結構（2）,各運動的實現： 腕部的旋轉： 電機M5減速器R5鏈輪副C5錐齒輪副G5旋轉運動n5 腕部俯仰： 電機M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運動n4 肘關節(jié)擺動： 電機M3兩級同步帶傳動B3、B3減速器R3肘關節(jié)擺動n3 肩關節(jié)的擺動： 電機M2同步帶傳動B2減速器R2肩關節(jié)擺動n2,30,關節(jié)型機器人傳動 系統(tǒng)圖：,腕部的旋轉,腕部俯仰,肘關節(jié)擺動,肩關節(jié)的擺動,31,腕部旋轉局

8、部圖例：,電機M5減速器R5鏈輪 副C5錐齒輪副G5旋轉運動n5,32,電機M4減速器R4鏈輪副C4俯仰運動n4,腕部俯仰局部圖例：,33,電機M3 兩級同步帶傳動B3、B3減速器R3肘關節(jié)擺動n3,肘關節(jié)局部圖例：,34,肩關節(jié)局部圖例：,電機M2同步帶傳動B2減速器R2肩關節(jié)擺動n2,35,2.2 腕部和手部結構,一.腕部 是臂部和手部的連接件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。 為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標軸X、Y、Z的旋轉運動。這便是腕部運動的三個自由度，分別稱為翻轉R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏轉Y（Yaw）。 并不是所有的手腕都必須具備三個自由

9、度，而是根據實際使用的工作性能要求來確定。,36,手腕自由度圖例：,腕部坐標系,手腕的偏轉,手腕的俯仰,手腕的回轉,37,二.手腕的設計要求,結構緊湊、重量輕； 動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高； 強度、剛度高； 與臂部及手部的連接部位的合理連接結構，傳感器和驅動裝置的合理布局及安裝等。,38,三.手腕的分類,1按自由度的數目分（1）： 單自由度手腕： 手腕在空間可具有三個自由度，也可以具備以下單一功能： 單一的翻轉功能：手腕的關節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線，常回轉角度不受結構限制，可以回轉360以上。該運動用翻轉關節(jié)（R關節(jié)）實現。 單一的俯仰功能：手腕關節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直，轉角度受結構限

10、制，通常小于360。該運動用折曲關節(jié)（B關節(jié)）實現。 單一的偏轉功能：手腕關節(jié)軸線與手臂及手的軸線在另一個方向上相互垂直；轉角度受結構限制，通常小于360。該運動用折曲關節(jié)（B關節(jié)）實現。 手腕移動關節(jié)(Translation),39,R手腕,B手腕,B手腕,T手腕,單自由度手腕圖例：,40,1按自由度的數目分（2）：,二自由度手腕： 可以由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)聯合構成BR關節(jié)實現，或由兩個B關節(jié)組成BB關節(jié)實現，但不能由兩個RR關節(jié)構成二自由度手腕，因為兩個R關節(jié)的功能是重復的，實際上只起到單自由度的作用。,41,BR手腕,BB手腕,RR手腕(屬于單自由度),二自由度手腕圖例：,42,1按

11、自由度的數目分（3）：,三自由度手腕： 有R關節(jié)和B關節(jié)的組合構成的三自由度手腕可以有多種型式，實現翻轉、俯仰和偏轉功能。,43,BBR手腕,BBR手腕,B,三自由度手腕圖例：,44,2按手腕的驅動方式分：,直接驅動手腕： 驅動源直接裝在手腕上。這種直接驅動手腕的關鍵是能否設計和加工出尺寸小、重量輕而驅動扭矩大、驅動性能好的驅動電機或液壓馬達。 遠距離傳動手腕： 有時為了保證具有足夠大的驅動力，驅動裝置又不能做得足夠小，同時也為了減輕手腕的重量，采用遠距離的驅動方式，可以實現三個自由度的運動。,45,1）液壓直接驅動BBR手腕圖例：,R,B,B,偏轉,俯仰,回轉,46,2）. 單回轉腕部結構示

12、例,47,3）雙回轉油缸驅動手腕,結構特點： 采用雙回轉油缸驅動，一個帶動手腕作俯仰運動，另一個油缸帶動手腕作回轉運動。 V-V視圖表示的回轉缸中動片帶動回轉油缸的剛體，定片與固定中心軸聯結實現俯仰運動；L-L視圖表示回轉缸中動片與回轉中心軸聯結，定片與油缸缸體聯結實現回轉運動。,48,雙回轉油缸驅動手腕圖例：,49,4）輪系驅動的二自由度BR手腕：,結構特點： 由輪系驅動可實現手腕回轉和俯仰運動，其中手腕的回轉運動由傳動軸S傳遞，手腕的俯仰運動由傳動軸B傳遞。,50,輪系驅動二自由度手腕圖例（1）,回轉運動： 軸S旋轉錐齒輪副Z1、Z2錐齒輪副Z3、Z4手腕與錐齒輪Z4為一體手腕實現繞C軸的

13、旋轉運動,俯仰,回轉,51,輪系驅動二自由度手腕圖例（2）：,俯仰運動： 軸B旋轉錐齒輪副Z5、Z6軸A旋轉手腕殼體7與軸A固聯手腕實現繞A軸的俯仰運動,52,輪系驅動二自由度手腕圖例（3）：,附加回轉運動： 軸S不轉而B軸回轉錐齒輪Z3不轉錐齒輪Z3、Z4相嚙合迫使Z4繞C軸線有一個附加的自轉，即為附加回轉運動。 附加回轉運動在實際使用時應予以考慮。必要時應加以利用或補償。,53,附加運動動作分解：,軸主動,齒輪固定不動,行星運動,54,5）輪系驅動的RBR手腕：,結構特點： 該機構為由齒輪、鏈輪傳動實現的回轉、俯仰和360度回轉運動的RBR手腕結構。,55,輪系驅動三自由度手腕圖例（1）：

14、,回轉運動： 軸S旋轉齒輪副Z10/Z23、Z23/Z11錐齒輪副Z12、Z13錐齒輪副Z14、Z15手腕與錐齒輪Z15為一體手腕實現旋轉運動,俯仰,回轉,360度回轉,56,輪系驅動三自由度手腕圖例（2）：,俯仰運動： 軸B旋轉齒輪副Z24/Z21，Z21/Z22齒輪副Z20、Z16齒輪副Z16、Z17齒輪副Z17、Z18軸19旋轉手腕殼體與軸19固聯實現手腕的俯仰運動,57,輪系驅動三自由度手腕圖例（3）：,360度回轉運動： 油缸1中的活塞左右移動帶動鏈輪2旋轉錐齒輪副Z3/Z4帶動花鍵軸5、6旋轉花鍵軸6與行星架9連在一起帶動行星架及手腕作360度回轉運動,58,輪系驅動三自由度手腕圖

15、例（4）：,附加俯仰運動： 軸B、軸S不轉而T軸回轉齒輪Z23、Z21不轉當行星架回轉時迫使齒輪Z22繞齒輪Z21的過程中自轉經過Z20、Z16、Z17、Z18實現附加俯仰運動,59,輪系驅動三自由度手腕圖例（5）：,附加回轉運動： 軸B、軸S不轉而T軸回轉齒輪Z23、Z21不轉當行星架回轉時迫使齒輪Z11繞齒輪Z23的過程中自轉經過Z12、Z13、Z14、Z15實現附加回轉運動,60,思考題： 1、當B軸、T軸分別回轉時，手腕存在哪些運動，為什么？ 2、齒輪24、22所在的軸能否做成一體，為什么？ 3、齒輪17作的什么運動？俯仰運動輪系屬于什么輪系，試分析其運動。,61,2.3 手部結構,一

16、、手部的特點 手部是一個獨立的部件，手部對整個機器人完成任務的好壞起著關鍵的作用，它直接關系著夾持工件時的定位精度、夾持力的大小等。 1.手部與手腕相連處可拆卸： 手部與手腕處有可拆卸的機械接口：根據夾持對象的不同，手部結構會有差異，通常一個機器人配有多個手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。,62,手部可能還有一些電、氣、液的接口：由于手部的驅動方式不同造成。對這些部件的接口一定要求具有互換性。 2手部是末端操作器：可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。 3手部的通用性比較差：工業(yè)機器人的手部通常是專用裝置：一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀

17、、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務。,63,二、手部的設計要求,應具有一定的開閉范圍 從手指張開的極限位置到閉合夾緊時手指位置的變動量,開閉范圍太小,影響通用性. 回轉:角度 平移:距離 具有足夠的夾持力 N=(2-3)G 保證運動過程工件不脫落,但夾緊力過大,損壞工件 保證工件在手指內的定位精度 根據工件形狀.加工精度和裝配精度的要求,選擇適當的手指形狀和手部結構 結構緊湊,重量輕,效率高 選擇輕質材料 通用性和互換性 提高通用化程度,64,三.手部的分類,1.按夾持方式分： 外夾式： 手部與被夾件的外表面相接觸。 內撐式： 手部與工件的內表面相接觸。 內外夾持式：

18、手部與工件的內、外表面相接觸,65,夾持方式圖例,66,2按手爪的運動形式分：,回轉型： 當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。 平動型： 手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指的姿態(tài)不變，作平動。 平移型： 當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心的固定不變，不受工件直徑變化的影響。,67,回轉型圖例：,68,平動型圖例：,69,平移型圖例：,該絲桿的螺紋具有什么特點？,70,3按夾持原理分：,手指式： 外夾式、內撐式、內外夾持式。 平移式、平動式、旋轉式。 二指式、多指式。 單關節(jié)式、多

19、關節(jié)式。 吸盤式： 負壓吸盤：真空式、噴氣式、擠氣式。 磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。,71,四.典型結構,1機械式手爪結構： 氣動驅動手爪： 氣缸驅動活塞平移齒條移動扇形齒輪擺動連桿機構擺動手爪平動 斜楔杠桿式手部： 其它四種機械式手爪機構：,72,氣動手爪圖例：,73,斜楔杠桿式手部：,注意考慮： 傳力比：NP 效率 傳動比 斜楔驅動行程 手指開閉范圍,74,機械手爪圖例：,齒輪齒條式手爪,重力式手爪,滑槽式手爪,撥桿杠桿式手爪,75,2電磁吸盤(1)：,電磁吸盤的結構： 主要由磁盤、防塵蓋、線圈、殼體等組成。 工作原理：線圈通電空氣間隙的存在線圈產生大的電感和啟動電流周圍產生磁場（通電導

20、體會在周圍產生磁場）吸附工件,76,適用范圍： 適用于用鐵磁材料做成的工件；不適合于由有色金屬和非金屬材料制成的工件。 適合于被吸附工件上有剩磁也不影響其工作性能的工件。 適合于定位精度要求不高的工件。 適合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會消失。,77,構成: 由真空泵、電磁閥、電機和吸盤等構成。 工作原理： 形成真空吸附工件： 電機真空泵3電磁閥左側從吸盤5處抽氣 釋放工件： 電機、泵停轉大氣經6口 4電磁閥左側 3電磁閥右側送氣至吸盤5處,3真空式吸盤：,1DT,2DT,78,真空吸盤結構圖例：,79,4自適應吸盤：,結構特點： 該吸盤具有一個球關節(jié)，使吸盤能傾斜自如，適應工件表面

21、傾角的變化。,80,5異形吸盤：,結構特點： 可用來吸附雞蛋、錐頸瓶等物件。擴大了真空吸盤在機器人上的應用。,81,6噴氣式吸盤,當壓縮空氣剛進入時，由于噴嘴口逐漸縮小，致使氣流速度逐漸增加。當管路截面收縮到最小處時，氣流速度達到臨界速度，然后噴嘴管路的截面逐漸增加，使與橡膠皮碗相連的吸氣口處，造成很高的氣流速度而形成負壓。,82,7擠氣式吸盤：,83,五.手指的形狀,夾持旋轉工件,定位精度較差,夾持圓柱體,定位精度高,夾持具有平行平面的工件,尖指: 狹窄空間細小工件 長指: 夾持熾熱工件,不規(guī)則工件,專用的手指,具自定位能力,接觸好,84,2.3 傳動部件設計,一.傳動的方式： 直線驅動：齒

22、輪齒條裝置，滾珠絲杠，液壓氣壓驅動 旋轉驅動：齒輪，鏈，同步帶，鋼帶,諧波齒輪,85,二.鋼帶傳動,傳動比精確 傳動件質量小，慣性小 傳動參數穩(wěn)定 柔性好 不需要潤滑 強度高,鋼帶傳動結構是把鋼帶末端緊固在驅動輪和從動輪上，摩擦力不是傳動的重要因素。鋼帶傳動方式適合于有限行程的傳動。,86,三.諧波傳動,諧波齒輪傳動是諧波齒輪行星傳動的簡稱。是一種少齒差行星傳動。通常由剛性圓柱齒輪G、柔性圓柱齒輪R、波發(fā)生器H和柔性軸承等零部件構成。 柔輪和剛輪的齒形有直線三角齒形和漸開線齒形兩種，以后者應用較多 。,87,諧波齒輪傳動既可用做減速器，也可用做增速器。柔輪、剛輪、波發(fā)生器三者任何一個均可固定，

23、其余二個一為主動，另一個為從動。 傳動比大，且外形輪廓小，零件數目少，傳動效率高。效率高達92-96，單級傳動比可達50-4000。 承載能力較高：柔輪和剛輪之間為面接觸多齒嚙合，且滑動速度小，齒面摩損均勻。 柔輪和剛輪的齒側間隙是可調：當柔輪的扭轉剛度較高時，可實現無側隙的高精度嚙合。,諧波傳動特點,88,工作原理,諧波齒輪傳動中，剛輪的齒數zG略大于柔輪的齒數zR，其齒數差要根據波發(fā)生器轉一周柔輪變形時與剛輪同時嚙合區(qū)域數目來決定。即zG-zR=u。錯齒是運動產生的原因,89,波發(fā)生器的長度比未變形的柔輪內圓直徑大：當波發(fā)生器裝入柔輪內圓時，迫使柔輪產生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪輪齒插入剛輪的輪齒槽內，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀