第章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)PPT課件

1、單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級* 目 錄 第一章 工業(yè)機器人概論 第二章 工業(yè)機器人的數(shù)學基礎第三章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)第四章 工業(yè)機器人的動力系統(tǒng)第五章 工業(yè)機器人的感知系統(tǒng)第六章 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)第七章 工業(yè)機器人編程與調試工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng) 主要內容3.1 工業(yè)機器人的機座（了解）3.2 工業(yè)機器人的臂部（了解）3.3 工業(yè)機器人的腕部（了解） 3.4 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（了解） 3.5 工業(yè)機器人的傳動機構（了解）工業(yè)機器人技術基礎工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)概述 機器人的機械系統(tǒng)由機座、臂部、腕部、手部或末端執(zhí)行

2、器組成，如圖3-1所示。機器人為了完成工作任務，必須配置操作執(zhí)行機構，這個操作執(zhí)行機構相當于人的手部，有時也稱為手爪或末端執(zhí)行器。而連接手部和手臂的部分相當于人的手腕，叫做腕部，作用是改變末端執(zhí)行器的空間方向和將載荷傳遞到臂部。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)工業(yè)機器人技術基礎臂部連接機身和腕部，主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機身。機座是機器人的基礎部分，它起著支承作用，對固定式機器人，直接固定在地面基礎上；對移動式機器人，則安裝在行走機構上。3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎機器人必須安裝在的基礎機座上。工業(yè)機器人機座有固定式和行走式兩種。固定式機

3、器人的機座直接接地安裝，也可以固定在機身上；機座往往與機身做成一體，機身與臂部相連，機身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。機座主要有兩種類型：1.機座固定式2.機座移動式第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎3.1.1 機座固定式固定的機座結構比較簡單。固定機器人的安裝方法分為直接地面安裝、架臺安裝和底板安裝三種形式。1. 機器人機座直接安裝在地面上時，是將底板埋入混凝土中或用地腳螺栓固定。底板要求盡可能穩(wěn)固以經(jīng)受得住機器人手臂出來的反作用力。底板與機器人機座用高強度螺栓聯(lián)接。2. 機器人架臺安裝在地面上時，此與機器人機座直接安裝在地面上的要領基本相同。機器人機座

4、與臺架用高強度螺栓固定聯(lián)接，臺架與底板用高強度螺栓固定聯(lián)接。3. 機器人機座用底板安裝在地面上時，用螺栓孔安裝底板在混凝土地面或鋼板上。機器人機座與底板用高強度螺栓固定聯(lián)接。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎3.1.2 機座移動式機座移動式，則滿足了機器人可行走，移動式機座即又充當了機器人的行走機構，它行走機器人的重要執(zhí)行部件，它由驅動裝置、傳動機構、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機器人的機身、臂部和手部；另一方面帶動機器人按照工作任務的要求進行運動。機器人的行走機構按運動軌跡分為固定軌跡式行走機構和無固定軌跡式行走機構。第3章 工業(yè)機

5、器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎3.1.2 機座移動式1.固定軌跡式行走機構固定軌跡式工業(yè)機器人的機身底座安裝在一個可移動的拖板座上，靠絲杠螺母驅動，整個機器人沿絲杠縱向移動。這類機器人除了采用這種直線驅動方式外，有時也采用類似起重機梁行走方式等。這種可移動機器人主要用在作業(yè)區(qū)域大的場合，比如大型設備裝配，立體化倉庫中的材料搬運、材料堆垛和儲運、大面積噴涂等。2.無固定軌跡式行走機構一般而言，無固定軌跡式行走機構主要有車輪式行走機構、履帶式行走機構、足式行走機構。此外，還有適合于各種特殊的場合的步進式行走機構、蠕動式行走機構、混合式行走機構和蛇行式行走機構等。下面主要介

6、紹車輪式行走機構、履帶式行走機構和足式行走機構。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎3.輪式行走機構輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種，主要行走在平坦的地面上。車輪的形狀和結構形式取決于地面的性質和車輛的承載能力。在軌道上運行的多采用實心鋼輪，室外路面行駛多采用充氣輪胎，室內平坦地面上的可采用實心輪胎。1.車輪的配置和轉向機構車輪行走機構依據(jù)車輪的多少分為一輪、二輪、三輪、四輪以及多輪。行走機構在實現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問題，實際應用的車輪式行走機構多為三輪和四輪。（1）三輪行走機構 三輪行走機構具有一定的穩(wěn)定性，代表性的車輪配置方式是一個前輪，兩個后輪，

7、如圖3-2所示，圖3-2a是兩個后輪獨立驅動，前輪僅起支承作用，靠后輪轉向；圖3-2b則是采用前輪驅動，前輪轉向的方式；圖 3-2C為利用兩后輪差動減速器減速，前輪轉向的方式。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎3.輪式行走機構（1）三輪行走機構 三輪行走機構具有一定的穩(wěn)定性，代表性的車輪配置方式是一個前輪，兩個后輪，如圖3-2所示，圖3-2a是兩個后輪獨立驅動，前輪僅起支承作用，靠后輪轉向；圖3-2b則是采用前輪驅動，前輪轉向的方式；圖 3-2C為利用兩后輪差動減速器減速，前輪轉向的方式。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎

8、3.輪式行走機構（2）四輪行走機構四輪行走機構的應用最為廣泛，四輪機構可采用不同的方式實現(xiàn)驅動和轉向，如圖3-3示。圖3-3a為后輪分散驅動；圖3-3b為用連桿機構實現(xiàn)四輪同步轉向，當前輪轉動通過四連桿機構使后輪得到相應的偏轉。這種行走機構相比僅有前輪轉向的行走機構而言可實現(xiàn)更靈活的轉向和較大的回轉半徑。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎3.輪式行走機構（3）越障輪式機構普通車輪行走機構對崎嶇不平的地面適應性很差，為了提高輪式車輛的地面適應能力，設計了越障輪式機構。這種行走機構往往是多輪式行走機構。4.履帶式行走機構履帶式行走機構適合于未建造的天然路面行走，

9、它是輪式行走機構的拓展，履帶的作用是給車輪連續(xù)鋪路。如圖3-4所示為雙重履帶式可轉向行走機構的機器人。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎4.履帶式行走機構（1）履帶行走機構的組成 履帶行走機構由履帶、驅動鏈輪、支承輪、托帶輪和張緊輪組成。如圖3-5所示。（2）履帶行走機構形狀帶行走機構的形狀有很多種，主要是一字形、倒梯形等，如圖3-6所示。一字形履帶行走機構，驅動輪及張緊輪兼作支承輪，增大支承地面面積，改善了穩(wěn)定性。倒梯形履帶行走機構，不作支承輪的驅動輪與張緊輪裝得高于地面，適合于穿越障礙，另外因為減少了泥土夾入引起損傷和失效，可以提高驅動輪和張緊輪的壽命。

10、第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎4.履帶式行走機構（2）履帶行走機構形狀帶行走機構的形狀有很多種，主要是一字形、倒梯形等，如圖3-6所示。一字形履帶行走機構，驅動輪及張緊輪兼作支承輪，增大支承地面面積，改善了穩(wěn)定性。倒梯形履帶行走機構，不作支承輪的驅動輪與張緊輪裝得高于地面，適合于穿越障礙，另外因為減少了泥土夾入引起損傷和失效，可以提高驅動輪和張緊輪的壽命。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎4.履帶式行走機構(1) 履帶行走機構的優(yōu)點1) 支承面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場地進行作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小。2)

11、越野機動性好，可以在有些凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不大的臺階，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式行走機構。3) 履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。(2) 履帶行走機構的缺點1) 由于沒有自定位輪，沒有轉向機構，只能靠左右兩個履帶的速度差實現(xiàn)轉彎，所以轉向和前進方向都會產(chǎn)生滑動。 2) 轉彎阻力大，不能準確地確定回轉半徑。3) 結構復雜，重量大，運動慣性大，減振功能差，零件易損壞。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎5.多足式行走機構車輪式行走機構只有在平坦堅硬的地面上行駛才有理想的運動特性。如果地面凸凹和車輪直徑相當

12、或地面很軟，則它的運動阻力將大大增加。履帶式行走機構雖然可行走于不平的地面上運動，但它的適應性不夠，行走時晃動太大，在軟地面上行駛運動慢。大部分地面不適合傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走。但是，足式動物卻能在這些地方行動自如，顯然足式與輪式和履帶式行走方式相比具有獨特的優(yōu)勢?，F(xiàn)有的步行機器人的足數(shù)分別為單足、雙足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的數(shù)目多，適合于重載和慢速運動。雙足和四足具有良好的適應性和靈活性。足式行走機構如圖3-7所示。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎兩足式行走機構兩足行走式機器人具有良好的適應性，也稱之為類人雙足行走機器人。類人雙足行走機

13、構是多自由度的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代控制理論很好的應用對象。這種機構除結構簡單外，在保證靜、動行走性能及穩(wěn)定性和高速運動等方面都是最困難的。如圖3-8所示的兩足步行式機器人行走機構原理圖。在行走過程中，行走機構始終滿足靜力學的靜平衡條件，也就是機器人的重心始終落在接觸地面的一只腳上。步行機器人，典型特征是不僅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越溝壑，上下臺階，具有廣泛的適應性。難點是機器人跨步時自動轉移重心而保持平衡的問題。為了能變換方向和上下臺階，一定要具備多自由度，如圖3-9所示。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.1 工業(yè)機器人的機座工業(yè)機器人技術基礎六足式行走機構這類步行式機器人是模仿

14、六足昆蟲行走的機器人。如圖3-10所示為六足原理，每條腿有三個轉動關節(jié)。行走時，三條腿為一組，足部端以相同位移移動，定時間間隔進行移動，可以實現(xiàn)XY平面內任意方向的行走和原地轉動。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.2工業(yè)機器人的臂部工業(yè)機器人技術基礎機器人的手臂部件（簡稱臂部）是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐、腕部和末端執(zhí)行器，并帶腕部和手部進行運動。手臂是為了讓機器人的手爪或末端執(zhí)行器可以達到任務所要達到的位置。3.2.1 工業(yè)機器人的臂部運動和組成1. 臂部的運動 機器人要完成空間的運動，至少需要三個自由度的運動，即垂直移動、徑向移動和回轉運動。（1）垂直運動 垂直運動是指機器人手臂的

15、上下運動。這種運動通常采用液壓缸機構或通過調整機器人機身在垂直方向上的安裝位置來實現(xiàn)。（2）徑向移動徑向移動是指手臂的伸縮運動。機器人手臂的伸縮使其手臂的工作范圍發(fā)生變化。（3）回轉運動回轉運動是指機器人繞鉛垂軸的轉動。這種運動決定了機器人的手臂所能達到的角度位置。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.2工業(yè)機器人的臂部工業(yè)機器人技術基礎3.2.1 工業(yè)機器人的臂部運動和組成2. 臂部的組成 機器人的手臂主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自轉等運動有關的傳動裝置、導向定位裝置、支承聯(lián)接和位置檢測元件等。此外，還有與之連接的支承等有關的構件、配管配線。根據(jù)臂部的運動和布局、驅動方式、傳動和導向裝置的不同

16、，可分為動伸縮臂、屈伸臂及其他專用的機械傳動臂。液（氣）壓缸驅動或直線電動機驅動；轉動伸縮型臂部結構除了軸線運動，以便使手部旋轉。3.2.2 工業(yè)機器人的臂部配置1. 工業(yè)機器人臂部的配置機身和臂部的配置形式基本上反映了機器人的總體布局。由于機器人的作業(yè)環(huán)境和場地等因素的不同，出現(xiàn)了各種不同的配置形式。目前有橫梁式、立柱式、機座式、屈伸式四種。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.2工業(yè)機器人的臂部工業(yè)機器人技術基礎3.2.2 工業(yè)機器人的臂部配置1. 工業(yè)機器人臂部的配置橫梁式機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，通常分為單臂懸掛式和雙臂懸掛式兩種，如圖3-11所示。這類機器人的運動形式大多為移動式

17、。它具有占地面積小，能有效利用空間，動作簡單直觀等優(yōu)點。橫梁可以是固定的，也可以是行走的，一般橫梁安裝在廠房原有建筑的柱梁或有關設備上，也可從地面上架設。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.2工業(yè)機器人的臂部工業(yè)機器人技術基礎3.2.2 工業(yè)機器人的臂部配置1. 工業(yè)機器人臂部的配置立柱式立柱式機器人多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動形式，是一種常見的配置形式。常分為單臂式和雙臂式兩種，如圖3-12所示。一般臂部都可在水平面內回轉，具有占地面小而工作范圍大的特點。立柱可固定安裝在空地上，也可以固定在床身上。立柱式結構簡單，服務于某種主機承擔上、下料或轉運等工作。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.2工

18、業(yè)機器人的臂部工業(yè)機器人技術基礎3.2.2 工業(yè)機器人的臂部配置1. 工業(yè)機器人臂部的配置機座式這種機器人可以是獨立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可以隨意安放和搬動，也可以沿地面上的專用軌道移動，以擴大其活動范圍。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.2工業(yè)機器人的臂部工業(yè)機器人技術基礎3.2.2 工業(yè)機器人的臂部配置1. 工業(yè)機器人臂部的配置屈伸式機器人的手臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂。屈伸臂與機身間的 關系到機器人的運動軌跡，可以實現(xiàn)平面運動，也可以作空間運動。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.2工業(yè)機器人的臂部3.2.3 臂部的驅動機器人的手臂由大臂、小臂或多臂組成。手臂的驅動方式

19、主要有液壓驅動、氣動驅動和電機驅動等幾種形式，其中電動驅動形式最為通用。臂部伸縮機構行程小時，采用油（氣）缸直接驅動；當行程較大時，可采用油（氣）缸驅動齒輪齒條傳動的倍增機構或步進電動機及伺服電動機驅動，也可用絲杠螺母或滾珠絲桿傳動。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運動時繞軸線轉動或產(chǎn)生變形，臂部伸縮機構需設置導向裝置或設計成方形、花鍵等形式的臂桿。常用的導向裝置有單導向桿和雙導向桿等，可根據(jù)手臂的結構、抓重等因素選取。手臂的俯仰通常采用擺動油（氣）缸驅動、鉸鏈連桿機構傳動實現(xiàn)；臂部回轉與升降機構回轉與升降機構常采用回轉缸與升降缸單獨驅動，適用于升降行程短而回轉角度小的情況，也有用升降缸與氣

20、動馬達錐齒輪傳動的機構。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部3.3.1 機器人腕部的運動1. 機器人腕部的運動方式腕部是臂部與手部的連接部件，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(xiàn)對空間三個坐標軸x、y、z的轉動，即具有偏轉（Yaw）、俯仰（Pitch）和回轉（Roll）三個自由度。工業(yè)機器人技術基礎如圖3-15所示這三個回轉方向分別為：臂轉、手轉和腕擺。工業(yè)機器人一般具有6個自由度才能使手部（末端執(zhí)行器）達到目標位置和處于期望的姿態(tài)使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間3個坐標軸x，y，z的旋轉運動。第3章 工業(yè)機

21、器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部2. 機器人腕部的旋轉腕部旋轉是指腕部繞小臂軸線的轉動，又叫做臂轉。有些機器人限制其腕部轉動角小于360。另一些機器人則僅僅受到控制電纜纏繞圈數(shù)的限制，腕部可以轉幾圈。按腕部轉動特點的不同，用于腕部關節(jié)的轉動又可細分為滾轉和彎轉兩種。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部2. 機器人腕部的旋轉工業(yè)機器人技術基礎滾轉是指組成關節(jié)的兩個零件自身的幾何回轉中心和相對運動的回轉軸線重合，因而實現(xiàn)360。無障礙旋轉的關節(jié)運動，通常用R來標記，如圖3-16a所示。彎轉是指兩個零件的幾何回轉中心和其相對轉動軸線垂直的關節(jié)運動。由于受到結構限制

22、，其相對轉動角度一般小于360。彎轉通常用B來標記，如圖3-16b所示。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部3.3.1 機器人腕部的運動3. 機器人腕部的彎曲腕部彎曲是指腕部的上下擺動，這種運動也稱為俯仰，又叫做手轉。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部3.3.1 機器人腕部的運動4. 機器人腕部的側擺腕部側擺指機器人腕部的水平擺動，又叫做腕擺。腕部的旋轉和俯仰兩種運動結合起可以看成是側擺運動，通常機器人的側擺運動由一個單獨的關節(jié)提供。工業(yè)機器人技術基礎腕部結構多為上述三個回轉方式的組合，組合的方式可以有多種形式，常用腕部組合的方式有：臂轉-腕擺-

23、手轉結構，臂轉-雙腕擺-手轉結構等。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部3.3.1 機器人腕部的分類手腕按自由度個數(shù)可分單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。采用幾個自由度的手腕應根據(jù)工業(yè)機器人的工作性能來確定。在有些情況下，腕部具有二個自由度：回轉和俯仰或回轉和偏轉。一些專用機械手甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動的自由度。1.單自由度手腕（1） 單一的臂轉功能機器人的關節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線，?；剞D角度不受結構限制，可以回轉360。該運動用滾轉關節(jié)(R關節(jié))實現(xiàn)，如圖3-18所示。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部1.單自

24、由度手腕（2）單一的手轉功能關節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直，?；剞D角度受結構限制，通常小于360。該運動用彎轉關節(jié)（B關節(jié)）實現(xiàn)。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部1.單自由度手腕（3）單一的側擺功能 關節(jié)軸線與手臂及手的軸線在另一個方向上相互垂直，?；剞D角度受結構限制，該運動用彎轉關節(jié)(B關節(jié))實現(xiàn)。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部1.單自由度手腕（4）單一的平移功能 腕部關節(jié)軸線與手臂及手的軸線在一個方向上成一平面，不能轉動只能平移。該運動用平移關節(jié)(T關節(jié))實現(xiàn)。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工

25、業(yè)機器人的腕部2.二自由度手腕機器人腕部的可以由一個滾轉關節(jié)和一個彎轉關節(jié)聯(lián)合構成滾轉彎轉BR關節(jié)實現(xiàn)；或由兩個彎轉關節(jié)組成BB關節(jié)實現(xiàn)；但不能用兩個滾轉關節(jié)RR構成二自由度腕部，因為兩個滾轉關節(jié)的運動是重復的，實際上只起到單自由度的作用。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3工業(yè)機器人的腕部3.三自由度手腕由R關節(jié)和B關節(jié)的組合構成的三自由度腕部可以有多種形式，實現(xiàn)臂轉、手轉和腕擺功能?？梢宰C明，三自由度腕部能使手部取得空間任意姿態(tài)。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3.3工業(yè)機器人的腕部驅動方式多數(shù)機器人將腕部結構的驅動部分安排在小臂上。首先設法使幾個電機同軸

26、旋轉的心軸和多層套簡上去，當運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。從驅動方式看，腕部驅動一般有兩種形式，即直接驅動和遠程驅動。1直接驅動直接驅動是指驅動器安裝在腕部運動關節(jié)的附近直接驅動關節(jié)運動，傳動剛度好，但腕部的尺寸和質量大、慣量大。工業(yè)機器人技術基礎驅動源直接裝在腕部上，這種直接驅動腕部的關鍵是能否設計和加工出而驅動轉矩大、驅動性能好的驅動電動機或液壓馬達。第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3.3工業(yè)機器人的腕部驅動方式2遠程驅動遠距離傳動方式的驅動器安裝在機器人的大臂、機座或小臂遠端，通過機構間接驅動腕部關節(jié)運動，因而腕部的結構緊湊，尺寸和質量小，對改善機器人的整體性能有好處，但傳動設計復雜

27、，傳動剛度也降低了。軸I做回轉運動，軸做俯仰運動，軸做偏轉運動。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3.3工業(yè)機器人的腕部驅動方式3機器人的柔順腕部一般來說，在用機器人進行精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件不一致，工件的定位夾具的定位精度不能滿足裝配要求時，會導致裝配困難。這就要求在裝配動作時具有柔順性，柔順裝配技術有兩種，包括主動柔順裝配和被動柔順裝配。（1）主動柔順裝配檢測、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，可以實現(xiàn)邊校正邊裝配。如在手爪上安裝視覺傳感器、力傳感器等檢測元件，這種柔順裝配稱為“主動柔順裝配”。主動柔順裝配需配備一定功能的傳感器，價格較貴。工業(yè)機器人技術基礎第3章

28、工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.3.3工業(yè)機器人的腕部驅動方式3機器人的柔順腕部（2）被動柔順裝配被動柔順是利用不帶動力的機構來控制手爪的運動以補償其位置誤差。在需要被動柔順裝配的機器人結構里，一般是在腕部配置一個角度可調的柔順環(huán)節(jié)以滿足柔順裝配的需要。這種柔順裝配技術稱為“被動柔順裝配（RCC)”。被動柔順腕部結構比較簡單，價格比較便宜，裝配速度快。相比主動柔順裝配技術，它要求裝配件要有傾角，允許的校正補償量受到傾角的限制，軸孔間隙不能太小。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（即手部）機器人的手部是指安裝于機器人手臂末端，直接作用于工作對象的裝置。工業(yè)機器人所

29、要完成的各種操作，最終都必須通過手部來得以實現(xiàn)；同時手部的結構、重量，又有著直接的、顯著的影響。1.手部的分類人體的手是具有許多關節(jié)的多個手指的手，可以巧妙地完成許多復雜的作業(yè)，如制作物品、使用工具、作各種手勢等。在這些功能中，機器人技術中主要關心的是手的作業(yè)功能。人手的作業(yè)功能大致可分為“抓取”和“操作”兩類，而抓取又分為捏、夾、握三小類。每一小類又可分為多種形態(tài)。機器人手部設計中，由于機構和控制系統(tǒng)方面的限制，很難設計出像人手那樣的通用裝置；同時對多數(shù)工作現(xiàn)場來說，對機器人的工作要求是有限的，因此機器人手部的設計主要是針對一定的工作對象來進行設計的。根據(jù)手部的結構和在工作中完成的功能，常見

30、的工業(yè)機器人手部一般分為三大類： 機械手部(兩指一三指、變形指)(機械手爪)； 特殊手部(吸盤、噴槍、焊槍等)(特殊末端)； 通用手部(兩指一五指)。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（即手部）2.機械手部機械手部是目前應用最廣的手部形式，可見于多種的生產(chǎn)線機器人中。它主要是利用開閉的機械機構，來實現(xiàn)特定物體的抓取。其主要的組成部分是手指，利用手指的相對運動就可抓取物體。手指一般常采用剛性的，抓取面按物體外形包絡線形成凹陷或v形槽。多數(shù)的機械手部只有兩個手指，有時也使用像三爪卡盤式的三指結構，另外還有利用連桿機構使手指形狀隨手指開閉動作發(fā)生一定變化的手部

31、。3.特殊手部機械手部對于特定對象可保證完成規(guī)定作業(yè)，但能適應的作業(yè)種類有限。在要求能操作大型、易碎或柔軟物體的作業(yè)中，采用剛性手指的機械手是無法抓取對象的。同時，機械手部一般來說重量、體積較大，給使用帶來局限。在這種情況下，即需采用適合所要求作業(yè)的特殊裝置即特殊手部。同時，根據(jù)不同作業(yè)要求，準備若干個特殊手部，將它們替換安裝，即可以使機器人成為通用性很強的機械，從而機器人的優(yōu)越性更能得以體現(xiàn)。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（即手部）3.特殊手部根據(jù)特殊手部的工作原理，常見的特殊手部有以下三種：氣吸式、磁吸式和噴射式。 氣吸式氣吸式手部按形成真空或負

32、壓的方法可將其分為真空吸盤式、氣流負壓吸盤式和擠氣負壓吸盤式。在這幾種方式中，真空式吸盤吸附可靠、吸力大、機構簡單、價格便宜，應用最為廣泛。在目前電視機生產(chǎn)線中，電視機半成品在制造和裝配過程中的搬運和位置調整，主要采用真空吸盤的手部。工作過程中，吸盤靠近電視機屏幕，真空發(fā)生器工作使吸盤吸緊屏幕，實現(xiàn)半成品電視機的抓取和搬運。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（即手部）3.特殊手部 磁吸式磁吸式手部主要是利用電磁吸盤來完成工件的抓取，通過電磁線圈中電流的通斷來完成吸附操作。它的優(yōu)點在于不需要真空源，但它有電磁線圈所特有的一些缺點，如只能適用于磁性材料、吸附

33、完成后有殘余磁性等，使得其使用受到一定限制。噴射式。噴射式手部主要用于一些特殊的使用場合，目前在機械制造業(yè)、汽車工業(yè)等行業(yè)中已經(jīng)使用的噴漆機器人、焊接機器人等，其手部均采用噴射式。在常見的搬運、碼垛等作業(yè)中，特殊手部與機械手部相比，結構簡單、重量輕，同時手部具有較好的柔順性；但其對于抓取物體的表面狀況和材料有比較高的要求，使用壽命也有一定局限。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（即手部）4. 機器人手部的特點（1）手部與腕部相連處可拆卸 手部與腕部有機械接口，也可能有電、氣、液接頭。工業(yè)機器人作業(yè)時方便拆卸和更換手部。 （2）手部是機器人末端執(zhí)行器它可以

34、像人手那樣具有手指，也可以不具備手指；可以是類人的手爪，作業(yè)的工具，比如裝在機器人腕部上的噴漆槍、焊接工具等。（3）手部的通用性比較差機器人手部通常是專用的裝置，例如，一種手爪往往只能抓握一種或寸、重量等方面相近似的工件，一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4.2 工業(yè)機器人的夾持類手部夾持類手部除常用的夾鉗式外，還有鉤托式和彈簧式。此類手部按其手指夾持工件時運動方式不同，又可分為手指回轉型和指面平移型。夾鉗式是工業(yè)機器人最常用的一種手部形式。夾鉗式一般由手指、驅動裝置、傳動機構、支架等組成。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4.2

35、工業(yè)機器人的夾持類手部1）夾鉗式手部的手指手指是直接與工件接觸的構件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開和閉合來實現(xiàn)的。一般情況下，機器人的手部只有兩個手指，少數(shù)有三個或多個手指。它們的結構形式取決于被夾持工件的形狀和特性。據(jù)工件形狀、大小及被夾持部位材質的軟硬、表面性質等的不同，手指的指面有光滑、齒型指面和柔性指面三種形式。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金鋼。為使手指經(jīng)久耐用，指面可鑲嵌硬質合金；高溫作業(yè)的手指可選耐熱鋼；在氣體環(huán)境下工作的手指，可鍍鉻或進行搪瓷處理，也可選用耐腐蝕的玻璃鋼或聚四氟乙烯。 工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4.2 工業(yè)機器人

36、的夾持類手部2）夾鉗式手部的驅動夾鉗式手部通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅動手指的開合。因為氣動手爪有：結構簡單、成本低、容易維修、而且開合迅速、重量輕許多突出的優(yōu)點。氣動手爪目前得到廣泛的應用。其缺點是空氣介質的可壓縮性使爪鉗位置控制復雜。液壓驅動手爪成本稍高一些。電動手爪的優(yōu)點是手指開合電動機的控制與機器人控制可以共用一個系統(tǒng)，但是夾緊力比氣動手爪、液壓手爪小，開合時間比它們長。電磁手爪控制信號簡單，但是電磁夾緊力與爪鉗行程有關，因此，只用在開合距離小的場合。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4.2 工業(yè)機器人的夾持類手部3）夾鉗式手部的傳動 驅動源的驅動力通過傳動機構驅

37、使手指或爪產(chǎn)生夾緊力。傳動機構是向手指傳遞運動以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構。夾鉗式手爪還常以傳動機構來命名，如圖3-25所示。對于傳動機構有運動要求和夾緊力要求。如圖3-25所示的齒輪齒條式手爪可保持爪鉗運動，夾持寬度變化大。對夾緊力的要求是爪鉗開合度不同時，夾緊力能保持不變。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4.2 工業(yè)機器人的夾持類手部3）夾鉗式手部的傳動 驅動源的驅動力通過傳動機構驅使手指或爪產(chǎn)生夾緊力。傳動機構是向手指傳遞運動以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構。夾鉗式手爪還常以傳動機構來命名，如圖3-25所示。對于傳動機構有運動要求和夾緊力要求。如圖3-25所示的齒輪齒條式手爪可

38、保持爪鉗運動，夾持寬度變化大。對夾緊力的要求是爪鉗開合度不同時，夾緊力能保持不變。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4.3 工業(yè)機器人的吸附類手部吸附式手部靠吸附力取料。根據(jù)吸附力的不同有氣吸附和磁吸附兩種。吸附式手部適用于大平面（單面接觸無法抓?。⒁姿椋úＡ?、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w，因此適用面也較大。1氣吸式手部氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤（一個或幾個）、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成。氣吸式手部具有結構簡單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點，主要用于搬運體積大，重量輕的零件，如冰箱殼體、汽車殼體等；也廣泛用于需要小心搬運的物件，如顯像管、平板玻璃等；

39、以及非金屬材料，如板材、紙張等；或材料的吸附搬運。氣吸式手部的另一個特點是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預定的位置精度要求不高；但要求工件上與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，被吸工件材質致密，沒有透氣空隙工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.4.3 工業(yè)機器人的吸附類手部1氣吸式手部氣吸式手部是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣氣吸三種。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)真空吸附手部采用真空泵能保證吸盤內持續(xù)產(chǎn)生負壓，所以這種吸盤比其他形式吸盤的吸力大。如圖3-26所示為真空氣吸吸附手部結構。真空的產(chǎn)生

40、是利用真空系，真空度較高，主要零件為橡膠吸盤1，通過固定環(huán)2安裝在支承桿4上，支承桿由螺母6固定在基板5上。取料時，橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤的邊緣起密封和緩沖作用，然后真空抽氣，吸盤內腔形成真空，進行吸附取料。放料時，管路接通大氣，失去真空，物體放下。為了避免在取放料時產(chǎn)生撞擊，有的還在支承桿上配有彈簧緩沖：為了更好地適應物體吸附面的傾斜，在橡膠吸盤背面設計有球鉸鏈。3.4.3 工業(yè)機器人的吸附類手部1氣吸式手部氣吸式手部是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣氣吸三種。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)氣流負

41、壓吸附手部 氣流負壓吸附手部，壓縮空氣進入噴嘴后，利用伯努利效應使橡膠皮腕內產(chǎn)生負壓，要取物時，壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴時，其出口處的氣壓低于吸盤腔內的氣壓，出口處的氣體被高速氣流帶走而形成負壓，完成取物動作。當需要釋放時，切斷壓縮空氣即負壓吸附手部需要的壓縮空氣，工廠一般都有空壓機站或空壓機，比較容易獲得空壓不需要專為機器人配置真空泵，所以氣流負壓吸盤在工廠內使用方便，成本較低。3.4.3 工業(yè)機器人的吸附類手部1氣吸式手部氣吸式手部是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣氣吸三種。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)擠壓

42、排氣氣吸吸附手部 擠壓排氣式手部結構簡單，既不需要真空泵系統(tǒng)也不需要壓縮空氣氣源，比較經(jīng)濟方便。但要防止漏氣，不宜長期停頓，可靠性比真空吸盤和氣流負壓吸盤差。擠氣負壓吸盤的吸力計算是在假設吸盤與工件表面氣密性良好的情況下進行的，利用熱力學定律和靜力平衡公式計算內腔最大負壓和最大極限吸力。對市場供應的三種型號耐油橡膠吸盤進行吸力理論計算及實測的結果表明，理論計算誤差主要由假定工件表面為理想狀況所造成。實驗表明，在工件表面清潔度、平滑度較好的情況下牢固吸附時間可達到30 s，能滿足一般工業(yè)機器人工作循環(huán)時間的要求。3.4.3 工業(yè)機器人的吸附類手部1氣吸式手部工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的

43、機械系統(tǒng) 真空吸盤的新設計1) 自適應吸盤。如圖3-27所示的自適應吸盤具有一個球關節(jié)，使吸盤能傾斜自如，適應工件表面傾角的變化，這種自適應吸盤在實際應用中獲得了良好的效果。 2) 異形吸盤。圖3-28為異形吸盤中的一種。通常吸盤只能吸附一般的平整工件，而該異形吸盤可用來吸附雞蛋、錐頸瓶等物件，擴大了真空吸盤在工業(yè)機器人上的應用。 3.4.3 工業(yè)機器人的吸附類手部2磁吸式手部工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件的，應用較廣。磁吸式手部不會破壞被吸件表面質量。 磁吸式手部的特點磁吸式手部比氣吸式手部優(yōu)越的方面是：有較大的單

44、位面積吸力，對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。磁吸式手部的不足之處是：被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑（如鐵屑等），影響正常工作。因此對那些不允許有剩磁的零件要禁止使用，如鐘表零件及儀表零件，不能選用磁力吸盤，可用真空吸盤。電磁吸盤只能吸住鐵磁材料制成的工件，如鋼鐵等黑色金屬工件，吸不住有色金屬和非金屬材料的工件。對鋼、鐵等材料制品，溫度超過723就會失去磁性，故在高溫時有些機器人無法使用磁吸式手部。磁力吸盤要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證可靠地吸附。3.4.3 工業(yè)機器人的吸附類手部2磁吸式手部工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)磁吸式手部的原理磁吸式手部按磁力來

45、源可分為永久磁鐵手部和電磁鐵手部。電磁鐵手部由于供電不同又可分為交流電磁鐵手部和直流電磁鐵手部。如圖3-29所示的是電磁鐵手部的結構示意圖。在線圈通電的瞬時，由于空氣間隙的存在，磁阻很大，線圈的電感和啟動電流很大，這時產(chǎn)生磁性吸力將工件吸住，一旦斷電，磁吸力消失，工件松開。若采用永久磁鐵作為吸盤，則必須強迫性地取下工件。磁力吸盤的計算主要是電磁吸盤中電磁鐵吸力的計算以及鐵心截面積、線圈導線直徑和其它參數(shù)的設計。要根據(jù)實際應用環(huán)境選擇工作情況系數(shù)和安全系數(shù)。3.4.4 多指靈活手大部分工業(yè)機器人的手部只有兩個手指，而且手指上一般沒有關節(jié)。因此取料不能適應外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾

46、持力，因此無法滿足對復雜形的物體實施夾持。因此操作機器人手部和腕部最完美的形式是模仿人手的多指靈活手。多指靈活手由多個手指組成，每一個手指有三個回轉關節(jié)，每一個關節(jié)自由度都是獨立控制的，這樣各種復雜動作能模仿。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.5 機器人的傳動機構在工業(yè)機器人中，減速器是連接機器人動力源和執(zhí)行機構的中間裝置，是保證工業(yè)機器人實現(xiàn)到達目標位置的精確度的核心部件。通過合理的選用減速器，可精確地將機器人動力源轉速降到工業(yè)機器人各部位所需要的速度。與通用減速器相比，應用于機器人關節(jié)處的減速器應當具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制等特點。 目前應用于工業(yè)機器人

47、的減速器產(chǎn)品主要有3類，分別是諧波減速器、RV減速器和擺線針輪減速器，其中關節(jié)機器人主要采用諧波減速器和RV減速器。在關節(jié)型機器人中，由于RV減速器具有更高的剛度和回轉精度，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置，而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部等輕負載的位置。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)3.5 機器人的傳動機構3.5.1工業(yè)機器人的傳動機構諧波減速器波減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器，是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。由固定的內齒剛輪、柔輪和使柔輪發(fā)生徑向變形的波發(fā)生器三個基本構件組成。與普通齒輪傳動相比，

48、具有精度高、承載力高、效率高、體積小，質量輕，結構簡單等特點。該減速器廣泛用于航空、航天、工業(yè)機器人、機床微量進給、通信設備、紡織機械、化纖機械、造紙機械、差動機構、印刷機械、食品機械和醫(yī)療器械等領域。工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng) 結構諧波減速器由具有內齒的剛輪、具有外齒的柔輪和波發(fā)生器組成。通常波發(fā)生器為主動件，而剛輪和柔輪之一為從動件，另一個為固定件。3.5 機器人的傳動機構3.5.1工業(yè)機器人的傳動機構諧波減速器工業(yè)機器人技術基礎第3章 工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)結構詳解： 波發(fā)生器波發(fā)生器與輸人軸相連，對柔輪齒圈的變形起產(chǎn)生和控制的作用。它由一個橢圓形凸輪和一個薄壁的柔性軸承組成。柔性軸承不同于普通軸承，它的外環(huán)很薄，容易產(chǎn)生徑向變形，在未裝入凸輪之前環(huán)是圓形的，裝上之后為橢圓形。 柔輪柔輪有薄壁杯形、薄壁圓筒形或平嵌式等多種。薄壁圓筒形柔輪的開口端外面有齒圈，它隨波發(fā)生器的轉動而變形，筒底部分與輸出軸連接。 剛輪。它是一個剛性的內齒輪。雙波諧波傳動的剛輪通常比柔輪多兩齒。諧波齒輪減速器多