智能制造裝備設(shè)計(jì)與故障診斷課件第4章-工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)

智能制造裝備設(shè)計(jì)與故障診斷第四章

工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)CONTENTS章節(jié)目錄4.2核心零部件設(shè)計(jì)4.3工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)4.4工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人整體方案4.1我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643—90將工業(yè)機(jī)器人定義為“是一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。自20世紀(jì)60年代初機(jī)器人問世以來，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，在汽車、電子等工業(yè)領(lǐng)域已作出了實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)和成果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）提高工廠自動化水平工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有利于提高材料的輸送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。（2）改善勞動條件在高溫、高壓、有毒或粉塵、噪音等惡劣的工作環(huán)境中，工業(yè)機(jī)器人可代替人類安全地完成作業(yè)任務(wù)，大幅度改善工人的勞動條件。（3）降低生產(chǎn)成本工業(yè)機(jī)器人可大量代替現(xiàn)有的簡單重復(fù)性工作，減少生產(chǎn)人力成本。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人的工作效率高、工作時(shí)間長，可大幅度提高工廠生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)時(shí)間成本。目前，由于工業(yè)機(jī)器人具有重復(fù)精度高、可靠性好、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電子、物流等行業(yè)，如在自動化生產(chǎn)線上的垛碼機(jī)器人、包裝機(jī)器人、轉(zhuǎn)線機(jī)器人等；在汽車生產(chǎn)線上的焊接機(jī)器人等。4.1One工業(yè)機(jī)器人整體方案工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)械裝置，能夠自動執(zhí)行工作指令，靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的裝置。它既可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的指令程序運(yùn)行，現(xiàn)代智能工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則和綱領(lǐng)作業(yè)，達(dá)到智能處理作業(yè)的水平。一般情況下，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該具有四個(gè)特征：＊特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)；＊從事各種工作的通用性能；＊具有感知、學(xué)習(xí)、計(jì)算、決策等不同程度的智能；＊相對獨(dú)立性。4.1.1工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成工業(yè)機(jī)器人主要由操作機(jī)（或稱機(jī)器人本體）、控制器、示教器等幾部分組成。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機(jī)。它由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。即由手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)組成?？刂破魇歉鶕?jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素，也是機(jī)器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分。示教器也稱示教編程器或示教盒，外觀主要由液晶屏幕和操作按鍵組成，可由操作者手持移動。它是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，機(jī)器人的所有操作基本上都可以通過示教器來完成。4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與大多數(shù)機(jī)器設(shè)計(jì)過程相同，在進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人選型設(shè)計(jì)之前，首先要對工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)目的、功能需求、作業(yè)空間和生產(chǎn)條件等做出規(guī)劃，然后由機(jī)器人技術(shù)參數(shù)可選擇機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)形式，這是機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)有自由度、精度、作業(yè)范圍、最大工作速度和承載能力等。機(jī)器人技術(shù)參數(shù)作業(yè)目的功能需求作業(yè)空間生產(chǎn)條件自由度精度作業(yè)范圍最大工作速度承載能力機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)形式4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

（1）自由度自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)中，兩相鄰的連桿之間有一個(gè)公共的軸線，兩桿之間可以沿該軸線相對移動或繞該軸線相對轉(zhuǎn)動，構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動副，即稱為關(guān)節(jié)。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是通過關(guān)節(jié)將一些桿件（或稱連桿）連接起來，常見的為二元關(guān)節(jié)，即一個(gè)關(guān)節(jié)只與兩個(gè)連桿相連接。1）轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)：通常用字母R表示，它允許兩相鄰連桿繞關(guān)節(jié)軸線作相對轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)角為θ，該關(guān)節(jié)自由度數(shù)目為1。2）移動關(guān)節(jié)：通常用字母P表示，它允許兩相鄰連桿沿關(guān)節(jié)軸線作相對移動，移動距離為d，該關(guān)節(jié)自由度數(shù)目為1。3）球面關(guān)節(jié)：通常用字母S表示，它允許兩相鄰連桿之間有三個(gè)獨(dú)立的相對轉(zhuǎn)動，該關(guān)節(jié)自由度數(shù)目為3。4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

（1）自由度按機(jī)構(gòu)學(xué)理論，在三維空間中有n個(gè)完全不受約束的物體，并且任選其中一個(gè)為固定參照物，因每個(gè)物體相對參照物都有六個(gè)運(yùn)動自由度，則n個(gè)物體相對參照物共有6（n－1）個(gè)運(yùn)動自由度。如將所有連桿（物體）用關(guān)節(jié)連接起來，設(shè)第i個(gè)關(guān)節(jié)的約束為ui（即該關(guān)節(jié)限制的自由度數(shù)目），如果所有連桿之間的關(guān)節(jié)數(shù)目為g，則該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動自由度為：或?qū)懗桑浩渲校?，為第i個(gè)關(guān)節(jié)的自由度數(shù)目。4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

自由度計(jì)算：例：如圖所示機(jī)器人的自由度包括機(jī)座在內(nèi)，共有7個(gè)連桿，6個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度。將n=7，g=6，fi=1帶入公式，得：M=6(7－6－1)+6＝6。4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

（1）自由度常見的工業(yè)機(jī)器人為串聯(lián)機(jī)器人，串聯(lián)機(jī)器中常用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)R和移動關(guān)節(jié)P兩種單自由度關(guān)節(jié)，因此它的一個(gè)自由度對應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)，所以自由度數(shù)目與關(guān)節(jié)數(shù)目總是相等的，即六軸機(jī)器人（六關(guān)節(jié)機(jī)器人）的自由度數(shù)為6，四軸機(jī)器人（四關(guān)節(jié)機(jī)器人）的自由度數(shù)為4。自由度是反應(yīng)機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)，自由度數(shù)目越多，機(jī)器人靈活性就越大，但相應(yīng)的結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜，系統(tǒng)控制也越困難，所以在設(shè)計(jì)機(jī)器人自由度參數(shù)時(shí)，需根據(jù)機(jī)器人用途合理選擇。？人的手臂（不含手指）有幾個(gè)自由度4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

（2）精度工業(yè)機(jī)器人精度往往指的是定位精度與重復(fù)定位精度兩個(gè)精度指標(biāo)。定位精度是指機(jī)器人末端執(zhí)行器的實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的偏差，它是由于受機(jī)器人的機(jī)械誤差、控制算法與系統(tǒng)分辨率等參數(shù)影響產(chǎn)生。重復(fù)定位精度是指在同一環(huán)境、同一條件、同一目標(biāo)動作、同一命令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)運(yùn)動若干次，每一次的運(yùn)動目標(biāo)位置分布情況，是一個(gè)關(guān)于位姿精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

（3）作業(yè)范圍作業(yè)范圍是指機(jī)器人運(yùn)動時(shí)手臂末端或手腕中心所能達(dá)到的區(qū)域范圍，也稱為工作區(qū)域。由于末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小根據(jù)作業(yè)內(nèi)容的不同而有很大區(qū)別，因此為反應(yīng)機(jī)器人特征參數(shù)的真實(shí)性，工業(yè)機(jī)器人作業(yè)范圍通常指的是未安裝末端執(zhí)行器時(shí)的工作區(qū)域。作業(yè)范圍的大小不僅與機(jī)器人各臂桿的長度相關(guān)，也與機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)布局相關(guān)。廣數(shù)RB-504.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

（4）最大工作速度機(jī)器人最大工作速度一般是指手臂末端最大的合成速度。最大工作速度越大，機(jī)器人能夠達(dá)到的工作效率就越高。但同時(shí)，工作速度越高，機(jī)器人作業(yè)軌跡中需要的加速和減速時(shí)間越長，或者對機(jī)器人最大加速效率或最大減速效率的要求就越高。4.1.2工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)

（5）承載能力承載能力是指機(jī)器人高速運(yùn)行時(shí)，在作業(yè)范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大負(fù)載。承載能力不僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，而且與機(jī)器人的運(yùn)行速度、加速度的大小和方向均相關(guān)。設(shè)計(jì)機(jī)器人承載能力時(shí)，不僅需要考慮工作負(fù)載質(zhì)量，還要計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人的承載能力是根據(jù)結(jié)構(gòu)工藝裝備的基本組成和各種不同質(zhì)量的零部件分布情況決定的。若機(jī)器人采用多手臂結(jié)構(gòu)，機(jī)器人參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要設(shè)計(jì)計(jì)算總成長在能力，還需計(jì)算出各手臂的承載能力。4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類方式很多，可以按機(jī)械結(jié)構(gòu)、操作機(jī)坐標(biāo)形式、程序輸入方式和運(yùn)動控制方式等進(jìn)行分類。4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類（1）按機(jī)械結(jié)構(gòu)分類1）串聯(lián)機(jī)器人：串聯(lián)機(jī)器人其串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是一個(gè)開放的運(yùn)動鏈，其所有運(yùn)動桿并沒有形成一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)鏈。串聯(lián)機(jī)器人的工作空間大，運(yùn)動分析比較容易可以避免驅(qū)動軸之間的耦合效應(yīng)。但其機(jī)構(gòu)各軸必須要獨(dú)立控制，并且需要搭配編碼器和傳感器來提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)的精準(zhǔn)度。其一個(gè)軸的運(yùn)動會改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，如六關(guān)節(jié)機(jī)器人。4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類2）并聯(lián)機(jī)器人：并聯(lián)機(jī)器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機(jī)器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系，它是一個(gè)封閉的運(yùn)動鏈。并聯(lián)機(jī)器人不易產(chǎn)生動態(tài)誤差，無誤差積累精度較高。且結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，輸出軸大部分承受軸向力，機(jī)器剛性高，承載能力大。但并聯(lián)機(jī)器人在位置求解上正解比較困難，而反解容易。常見的并聯(lián)機(jī)器人如圖所示。4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類（2）按操作機(jī)坐標(biāo)形式分類1）圓柱坐標(biāo)型：主要由垂直柱子、水平移動關(guān)節(jié)和底座構(gòu)成。水平移動關(guān)節(jié)裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運(yùn)動。垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動關(guān)節(jié)一起繞底座轉(zhuǎn)動，這種機(jī)器人的工作空間就形成一個(gè)圓柱面。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作。示意圖rxθ柱面坐標(biāo)機(jī)器人—Versatranxθr4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類2）球坐標(biāo)型：這種機(jī)器人像坦克的炮塔一樣，機(jī)械手能夠做里外伸縮移動、在垂直平面內(nèi)擺動以及繞底座在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。因此，這種機(jī)器人的工作空間形成球面的一部分，稱為球面坐標(biāo)機(jī)器人。球坐標(biāo)型機(jī)器人的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮。rθβ示意圖θβr球面坐標(biāo)機(jī)器人—Unimate4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類3）多關(guān)節(jié)型：這種機(jī)器人主要由底座、大臂和小臂構(gòu)成。大臂和小臂可在通過底座的垂直平面內(nèi)運(yùn)動。大臂和小臂間的關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)，大臂和底座間的關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)。在水平平面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，既可由肩關(guān)節(jié)完成，也可以繞底座旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)器人與人的手臂非常類似，稱為關(guān)節(jié)式機(jī)器人。運(yùn)動耦合性強(qiáng)，控制較復(fù)雜，但運(yùn)動靈活性最好，自身占據(jù)空間最小。多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。θ1θ2θ3θ4θ5θ6EDUBOT-PUMA560αθφ示意圖4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類4）平面關(guān)節(jié)型：在一個(gè)平面上，有兩個(gè)平行旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)工作的機(jī)器人。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的軸線相互平行,實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向。EDUBOT-PUMA5604.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類5）直角坐標(biāo)型：直角坐標(biāo)型機(jī)器人的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動。EDUBOT-PUMA560yxzxzyEDUBOT-直角坐標(biāo)機(jī)器人示意圖4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類（3）按程序輸入方式分類1）編程輸入型機(jī)器人：編程輸入型是將計(jì)算機(jī)上已編好的作業(yè)程序文件，通過串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機(jī)器人控制柜。2）示教輸入型機(jī)器人：示教輸入型的示教方法有兩種，一種是由操作者手動操縱示教盒，將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動作順序和運(yùn)動軌跡運(yùn)行。另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按要求的動作順序和運(yùn)動軌跡運(yùn)行。在示教過程中工作程序的信息將自動存入程序存儲器中，在機(jī)器人自動工作時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類（4）按運(yùn)動控制方式分類1）點(diǎn)位式：只要求能準(zhǔn)確地控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的工作位置，而對工作路徑無需求。例如，在印刷電路板上安插元件、點(diǎn)焊、裝配等工作，都屬于點(diǎn)位式控制方式。一般來說，點(diǎn)位式控制比較簡單，但精度較低。4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類2）軌跡式：在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度進(jìn)行運(yùn)動。軌跡式控制方式類似于控制原理中的跟蹤系統(tǒng)，可稱之為軌跡伺服控制。4.1.3工業(yè)機(jī)器人的分類3）力（力矩）控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時(shí)，除要準(zhǔn)確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進(jìn)行工作，這時(shí)就要利用力（力矩）伺服方式。這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸人量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。有時(shí)也利用接近、滑動等傳感功能進(jìn)行自適應(yīng)式控制。4）智能控制方式：工業(yè)機(jī)器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫做出相應(yīng)的決策。采用智能控制技術(shù)，使工業(yè)機(jī)器人具有了較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習(xí)能力。智能控制技術(shù)的發(fā)展有賴于近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。4.2TWO工業(yè)機(jī)器人核心零部件設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器等，如圖所示：伺服電機(jī)減速器腕關(guān)節(jié)小臂肘關(guān)節(jié)手腕大臂連接法蘭皮帶傳動腰部肩關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)基座▲機(jī)器人操作機(jī)的每個(gè)關(guān)節(jié)均采用1個(gè)交流伺服馬達(dá)驅(qū)動關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作機(jī)基本構(gòu)造在設(shè)計(jì)機(jī)器人零部件之前，首先需要分析機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)特性：（1）工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)可以簡化成各連桿首尾相接、末端無約束的開式連桿系，連桿系末端自由且無支承，這決定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。（2）開式連桿系中的每根連桿都具有獨(dú)立的驅(qū)動器，屬于主動連桿系，連桿的運(yùn)動各自獨(dú)立，不同連桿的運(yùn)動之間沒有依從關(guān)系，運(yùn)動靈活。（3）連桿驅(qū)動扭矩的順態(tài)過程在時(shí)域中的變化非常復(fù)雜，且和執(zhí)行器反饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動精度都有較高的要求。（4）連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。由此可見，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的基本要求為：＊強(qiáng)度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料經(jīng)濟(jì)性。工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)參考材料：（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼（廣泛采用）（2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料（重量輕）（3）纖維增強(qiáng)合金（較高的E/ρ比）（4）陶瓷（5）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（高阻尼）（6）粘彈性大阻尼材料4.2.1基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基座是工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用，可以分為固定式和行走式兩種，其中固定式基座最為常見，一般工業(yè)機(jī)器人中的立柱式、機(jī)座式和屈伸式機(jī)器人大多是固定式的。行走式機(jī)器人基座根據(jù)不同的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)可分為固定軌跡式、車輪式、履帶式和步行式行走機(jī)構(gòu)。4.2.1基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）固定軌跡式固定軌跡式行走機(jī)器人的機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這是工廠中常見的一種配置形式。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運(yùn)動。4.2.1基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）車輪式行走機(jī)構(gòu)車輪式行走機(jī)構(gòu)具有移動平穩(wěn)、能耗小以及容易控制移動速度和方向等優(yōu)點(diǎn)，因此得到普遍的應(yīng)用，但這些優(yōu)點(diǎn)只能在較為平坦的地面上才能發(fā)揮出來。如圖所示為能夠跨越小臺階的車輪機(jī)構(gòu)機(jī)器人。4.2.1基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）履帶式行走機(jī)構(gòu)輪式行走機(jī)構(gòu)在野外或海底工作，遇到松軟地面時(shí)可能陷車，故宜采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。它是輪式移動機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。如圖所示為履帶式行走的工業(yè)機(jī)器人。4.2.1基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）步行式行走機(jī)構(gòu)用類似于動物那樣，利用腳部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，用步行方式，實(shí)現(xiàn)移動的機(jī)械，稱作步行式行走機(jī)構(gòu)。與運(yùn)行車式機(jī)構(gòu)相比，步行式行走機(jī)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以在高低不平的地段上行走；2）由于腳的主動性，身體不隨地面晃動，運(yùn)動平穩(wěn)；3）在柔軟的地面上運(yùn)動，效率并不顯著降低。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.1手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)分類（1）手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動均屬于直線運(yùn)動，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。直線往復(fù)運(yùn)動可采用液壓或氣壓驅(qū)動的活塞油（氣）缸。由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.1手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)分類（1）手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)如圖所示。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端。當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí)，則推動活塞桿2（即手臂）做往復(fù)直線移動；導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動，以防手臂伸縮式的轉(zhuǎn)動（并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在2根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單、傳動平穩(wěn)、外形整齊美觀、結(jié)構(gòu)緊湊。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.1手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)分類（2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)。如圖所示為以齒輪傳動機(jī)構(gòu)中活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)為例的手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.1手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)分類（3）手臂仰俯運(yùn)動機(jī)構(gòu)機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動，一般采用活塞油缸與連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。如圖所示，手臂的俯仰運(yùn)動用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱聯(lián)接。1-手臂；2-夾緊缸；3-升降缸；4-小劈；5，7-鉸接活塞缸；6-大臂；8-立柱4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.1手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)分類（4）手臂復(fù)合運(yùn)動機(jī)構(gòu)手臂的復(fù)合運(yùn)動多數(shù)用于動作程序固定不變的專用機(jī)器人，它不僅使機(jī)器人的傳動結(jié)構(gòu)簡單，而且可簡化驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并使機(jī)器人傳動準(zhǔn)確、工作可靠，因而在生產(chǎn)中應(yīng)用的比較多。除手臂實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動外，手腕和手臂的運(yùn)動亦能組成復(fù)合運(yùn)動。手臂(或手腕)和手臂的復(fù)合運(yùn)動，可以由動力部件(如活塞缸、回轉(zhuǎn)缸、齒條活塞缸等)與常用機(jī)構(gòu)(如凹槽機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等)按照手臂的運(yùn)動軌跡(即路線)或手臂和手腕的動作要求進(jìn)行組合。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.1手臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)分類（5）新型的蛇形機(jī)械手臂蛇型手臂一般具有高度柔性，可深入裝配結(jié)構(gòu)當(dāng)中進(jìn)行均勻涂層，從而增加生產(chǎn)率，適用于在飛機(jī)翼盒的組裝探視工作及引擎組裝中進(jìn)行深度檢測等。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求手臂由機(jī)器人的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，手臂有時(shí)也包括肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)，是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中最重要的部件。它的作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。機(jī)器人的臂部一般有2～3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降。對手臂機(jī)構(gòu)的要求包括：手臂承載能力大、剛性好旦自重輕；手臂運(yùn)動速度適當(dāng)，慣性小，動作靈活；手臂位置精度高；通用性強(qiáng)，適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整等。（1）手臂承載能力大、剛性好且自重輕手臂的承載能力及剛性直接影響到手臂抓取工件的能力及動作的平穩(wěn)性、運(yùn)動速度和定位精度。如承載能力小，則會引起手臂的振動或損壞；剛性差則會在平面內(nèi)出現(xiàn)彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形，直至動作無法進(jìn)行。為此，手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來加大手臂的剛度，手臂支承、連接件的剛性也有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動力。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（2）手臂運(yùn)動速度適當(dāng)，慣性小，動作靈活手臂通常要經(jīng)歷由靜止?fàn)顟B(tài)到正常運(yùn)動速度，然后減速到停止不動的運(yùn)動過程。當(dāng)手臂自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。對此，手臂運(yùn)動速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求決定，不宜盲目追求高速度。手臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊小巧，這樣手臂運(yùn)動便輕快、靈活。為了手臂運(yùn)動輕快、平穩(wěn)，通常在運(yùn)動臂上加裝滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對于懸臂式機(jī)械手臂，還要考慮零件在手臂上的布置。要計(jì)算手臂移動零件時(shí)，還應(yīng)考慮其重量對回轉(zhuǎn)、升降、支撐中心等部位的偏移力矩。（3）手臂位置精度高機(jī)械手臂要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還注意以下幾個(gè)問題：①機(jī)械手臂的剛度、偏移力矩、慣性力及緩沖效果均對手臂的位置精度產(chǎn)生直接影響；②需要加設(shè)定位裝置及行程檢測機(jī)構(gòu)；③合理選擇機(jī)械手臂的坐標(biāo)形式。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（4）設(shè)計(jì)合理，工藝性好上述對手臂機(jī)構(gòu)的要求，有時(shí)是相互矛盾的。如剛性好、載重大時(shí)，其結(jié)構(gòu)往往粗大、導(dǎo)向桿也多，會增加手臂自重；如當(dāng)轉(zhuǎn)動慣量增加時(shí)，沖擊力大，位置精度便降低。因此，在設(shè)計(jì)手臂時(shí)，應(yīng)該根據(jù)手臂抓取重量、自由度數(shù)、工作范圍、運(yùn)動速度及機(jī)器人的整體布局和工作條件等各種因素綜合考慮，以達(dá)到動作準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)合理，從而保證手臂的快速動作及位置精度。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.3手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程手臂的多種運(yùn)動通常由驅(qū)動裝置、各種傳動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支承連接件和位置檢測元件等來實(shí)現(xiàn)，因此它受力比較復(fù)雜，其自重較大。由于手臂直接承受腕部、手部及被抓取工件的靜、動載荷；尤其是高速運(yùn)動時(shí)，將產(chǎn)生較大的慣性力，易引起沖擊及影響定位的準(zhǔn)確性。臂部運(yùn)動部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。對此，機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動形式、抓取重量、動作自由度、運(yùn)動精度等因素來確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到手臂的受力情況、驅(qū)動裝置及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此，手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程的內(nèi)容包括運(yùn)動性能、力學(xué)特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、精度要求、詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與修改等。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.3手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程（1）方案制定明確手臂機(jī)構(gòu)在機(jī)器人整機(jī)中的作用及位置，制定手臂機(jī)構(gòu)的方案。按照抓取工件的要求，機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。（2）運(yùn)動性能及參數(shù)根據(jù)機(jī)器人的目標(biāo)運(yùn)動性能及參數(shù)，繪制手臂機(jī)構(gòu)的傳動鏈和運(yùn)動原理簡圖。（3）力學(xué)特性根據(jù)臂部的受力情況分析，可知手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)器人的工作性能。針對機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對象，制定滿足其結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與參數(shù)。對手臂機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等計(jì)算。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.3手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程（4）零部件建模與設(shè)計(jì)在滿足運(yùn)動性能計(jì)算、力學(xué)特性分析的前提下，進(jìn)行機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)的零部件建模與設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)應(yīng)包括手臂關(guān)鍵零件及專用零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。（5）精度要求精度要求與機(jī)械手臂的坐標(biāo)形式有關(guān)。如直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動都比較簡單、誤差也小?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的誤差是放大時(shí)的尺寸誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時(shí)，手臂伸出越長，其誤差越大。關(guān)節(jié)式機(jī)械手因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手端的定位由各部關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來確定，其誤差是積累誤差，因而精度較差，其位置精度也更難保證。因此合理選擇機(jī)械手臂的坐標(biāo)形式是滿足精度要求的方式之一。在手臂機(jī)構(gòu)的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還必須考慮選用件的匹配及零部件間的配合，也包括傳動誤差分析，以滿足精度要求。4.2.2手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.2.3手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程（6）上下料節(jié)拍上下料節(jié)拍由上下料需要的時(shí)間決定，不同工件設(shè)置不同時(shí)間的節(jié)拍。（7）詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與修改在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行手臂機(jī)構(gòu)及全部零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證手臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能、力學(xué)特性及精度要求，修改零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)，直至滿足各項(xiàng)技術(shù)要求。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人一般需要6個(gè)自由度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置并處于期望的姿態(tài)。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對空間三個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動，即具有翻轉(zhuǎn)、仰俯和偏轉(zhuǎn)三個(gè)自由度，如圖3.14所示。通常也把手腕的翻轉(zhuǎn)叫做Roll，用R表示；把手腕的仰俯叫做Pitch，用P表示；把手腕的偏轉(zhuǎn)叫Yaw，用Y表示。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.1手腕機(jī)構(gòu)的分類手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕、2自由度手腕和3自由度手腕。（1）單自由度手腕如圖所示，圖(a)是一種翻轉(zhuǎn)(Roll)關(guān)節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸形式。這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大，可達(dá)到360°以上。圖(b)、(c)是一種折曲(Bend)關(guān)節(jié)(簡稱B關(guān)節(jié))，關(guān)節(jié)軸線與前后兩個(gè)連接件的軸線相垂直。這種B關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)上的干涉，旋轉(zhuǎn)角度小，大大限制了方向角。圖(d)所示為移動關(guān)節(jié)。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.1手腕機(jī)構(gòu)的分類（2）2自由度手腕如圖所示，2自由度手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成BR手腕(見圖(a))，也可以由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB手腕(見圖(b))。但是，不能由兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成RR手腕,因?yàn)閮蓚€(gè)R共軸線，所以退化了一個(gè)自由度，實(shí)際只構(gòu)成了單自由度手腕，見圖(c)。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.1手腕機(jī)構(gòu)的分類（3）3自由度手腕3自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式。圖(a)所示是通常見到的BBR手腕，使手部具有仰俯、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動，即RPY運(yùn)動。圖(b)所示是一個(gè)B關(guān)節(jié)和兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成的BRR手腕，為了不使自由度退化，使手部產(chǎn)生RPY運(yùn)動,第一個(gè)R關(guān)節(jié)必須進(jìn)行如圖所示的偏置。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.1手腕機(jī)構(gòu)的分類（3）3自由度手腕圖(c)所示是三個(gè)R關(guān)節(jié)組成的RRR手腕，它也可以實(shí)現(xiàn)手部RPY運(yùn)動。圖(d)所示是BBB手腕，很明顯，它已退化為二自由度手腕，只有PY運(yùn)動，實(shí)際上不采用這種手腕。此外，B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同，也會產(chǎn)生不同的效果，同時(shí)產(chǎn)生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊，通常把兩個(gè)B關(guān)節(jié)安裝在一個(gè)十字接頭上，這對于BBR手腕來說，大大減小了手腕縱向尺寸。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.2手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求手腕是用于支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴(kuò)大手臂的動作范圍，一般有2~3個(gè)回轉(zhuǎn)自由度用以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。當(dāng)然，有些專用機(jī)器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求包括以下幾個(gè)部分。（1）手腕要與末端執(zhí)行器相連。對此，應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)連接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。由于手腕部安裝在手臂的末端，在設(shè)計(jì)手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)緊湊。為了減輕手腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)0動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.2手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（2）要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。（3）手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。（4）手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動的傳遞。（5）手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。手腕自由度數(shù)目越多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度越大，則手腕部的靈活性越高，對作業(yè)的適應(yīng)能力也越強(qiáng)。但是，自由度的增加，必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，手腕的控制更困難，成本也會增加。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能少。要具體問題具體分析，考慮機(jī)械手的多種布局及運(yùn)動方案，使用滿足要求的最簡單的方案。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程的內(nèi)容包括運(yùn)動性能、力學(xué)特性、機(jī)械結(jié)構(gòu)、精度要求、詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與修改等。（1）方案制定手腕在操作機(jī)的最末端并與手臂配合運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動軌跡與運(yùn)動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。制定手腕機(jī)構(gòu)的方案時(shí)，應(yīng)明確手腕機(jī)構(gòu)在機(jī)器人整機(jī)中的作用及位置。常規(guī)手腕一般安裝在手臂的末端，所以在減輕手臂載荷的同時(shí)應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積。（2）運(yùn)動性能及參數(shù)通過繪制機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)的傳動鏈或運(yùn)動原理簡圖，可保證機(jī)器人的手腕和末端操作器能以正確的姿態(tài)抓取工件。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程（3）力學(xué)特性針對機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對象，制定滿足其結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與參數(shù)。對手腕機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵零部件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等計(jì)算。（4）零部件建模與設(shè)計(jì)在滿足運(yùn)動性能計(jì)算、力學(xué)特性分析的前提下進(jìn)行機(jī)器人手腕機(jī)構(gòu)的零部件建模與設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)應(yīng)包括手腕關(guān)鍵零件及專用零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。4.2.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.3.3手腕機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程（5）精度要求在手腕機(jī)構(gòu)的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮選用件的匹配及零部件間的配合，也包括傳動誤差分析，以滿足精度要求。（6）詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與修改在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行手腕機(jī)構(gòu)及全部零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證手腕機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能、力學(xué)特性及精度要求，修改零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)，直至滿足各項(xiàng)技術(shù)要求。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)用在工業(yè)上的機(jī)器人的手一般稱之為末端操作器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊專用工具進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類由于被抓取的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)等的不同，手部的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的。各種手部的工作原理不同，結(jié)構(gòu)型式各異，大致可分為以下幾類：（1）夾鉗式取料手夾鉗式取料手由手指(手爪)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)及連接與支承元件組成，如圖所示。它通過手指的開、合實(shí)現(xiàn)對物體的夾持。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）夾鉗式取料手一般的鉗爪式手部由手指、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置三部分組成。此外，還有連接和支撐元件，以及實(shí)現(xiàn)手部與機(jī)器人的腕部的連接。1）手指手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人的手部一般有兩個(gè)手指，也有三個(gè)、四個(gè)或五個(gè)手指，其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性，最常見的為V型指如圖所示。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。（a）固定V型（b）滾柱V型（c）自定位式V型4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）夾鉗式取料手2）傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)是向手指傳遞運(yùn)動和動力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動作的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移型。夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部，其手指就是一對（或幾對）杠桿，再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動機(jī)構(gòu)，來改變傳力比、傳動比及運(yùn)動方向等?；剞D(zhuǎn)型又分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動還是平動，又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動或平面移動來實(shí)現(xiàn)張開或閉合動作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體等）。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不如回轉(zhuǎn)型應(yīng)用廣泛。平移型傳動機(jī)構(gòu)據(jù)其結(jié)構(gòu)，大致可分平面平行移動機(jī)構(gòu)和直線往復(fù)移動機(jī)構(gòu)兩種類型。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）夾鉗式取料手3）驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置是指向傳動機(jī)構(gòu)提供動力的裝置。按驅(qū)動方式不同有液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動之分。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（2）吸附式取料手吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附式、擠壓排氣吸附式和磁吸附式取料手三種。吸附式取料手適應(yīng)于大平面、易碎(玻璃、磁盤)、微小的物體，因此使用面較廣。1）氣吸附式取料手氣吸式手部是工業(yè)機(jī)器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤（一個(gè)或幾個(gè)）、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成。1-橡膠吸盤；2-固定環(huán)；3-墊片；4-支承桿；5-基板；6-螺母4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）吸附式取料手1）氣吸附式取料手氣吸附式取料手具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于非金屬材料（如板材、紙張、玻璃等物體）或不可有剩磁的材料的吸附。氣吸式手部的另一個(gè)特點(diǎn)是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預(yù)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(zhì)致密，沒有透氣空隙。氣吸式手部是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負(fù)壓氣吸、擠壓排氣負(fù)壓氣吸。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）吸附式取料手2）擠壓排氣吸附式取料手工作原理為：取料時(shí)吸盤壓緊物體，橡膠吸盤變形，擠出腔內(nèi)多余的空氣，取料手上升，靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負(fù)壓，將物體吸住。釋放時(shí)，壓下拉桿3，使吸盤腔與大氣相連通而失去負(fù)壓。該取料手結(jié)構(gòu)簡單，但吸附力小，吸附狀態(tài)不易長期保持。1-橡膠吸盤；2-彈簧；3-拉桿4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）吸附式取料手3）磁吸附磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附工件的，其應(yīng)用較廣。磁吸式手部與氣吸式手部相同，不會破壞被吸收表面質(zhì)量。磁吸收式手部比氣吸收式手部優(yōu)越的方面是：有較大的單位面積吸力，對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料，因此只能對鐵磁物體起作用，但是對某些不允許有剩磁的零件禁止使用，所以磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器1）專用末端操作器機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動化設(shè)備，可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動作，再配上各種專用的末端操作器后，就能完成各種動作。如圖所示，在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機(jī)器人，安裝擰螺母機(jī)則成為一臺裝配機(jī)器人。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器2）專用轉(zhuǎn)換器使用一臺通用機(jī)器人，要在作業(yè)時(shí)能自動更換不同的末端操作器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成：換接器插座和換接器插頭分別裝在機(jī)器腕部和末端操作器上，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對末端操作器的快速自動更換。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（4）仿生多指靈巧手目前，大部分工業(yè)機(jī)器人的手部只有2個(gè)手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。因此取料不能適應(yīng)物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法滿足對復(fù)雜形狀、不同材質(zhì)的物體實(shí)施夾持和操作。為了提高機(jī)器人手部和手腕的操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，使機(jī)器人能像人手一樣進(jìn)行各種復(fù)雜的作業(yè)，就必須有一個(gè)運(yùn)動靈活、動作多樣的靈巧手，即仿生多指靈巧手。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（4）仿生多指靈巧手1）柔性手為了能對不同外形的物體實(shí)施抓取，并使物體表面受力比較均勻，因此研制出了柔性手，如圖所示。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類2）多指靈巧手機(jī)器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。多指靈巧手有多個(gè)手指，每個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的。因此，幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜動作它都能模仿，如擰螺釘、彈鋼琴、作手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器，將會使多指靈巧手達(dá)到更完美的程度。多指靈巧手的應(yīng)用前景十分廣泛，可在各種極限環(huán)境下完成人無法實(shí)現(xiàn)的操作，如核工業(yè)領(lǐng)域、宇宙空間作業(yè)，在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.4.2末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)要求（1）鉗爪式手部的設(shè)計(jì)要求：應(yīng)具有足夠的夾緊力；應(yīng)具有足夠的張開角；應(yīng)能保證工件的可靠定位；應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；應(yīng)適應(yīng)被抓取對象的要求；應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高；應(yīng)具有一定的通用性和可互換性。4.2.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.4.2末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)要求（2）氣吸式手部的設(shè)計(jì)要素：吸力大小與吸盤的直徑大小，吸盤內(nèi)的真空度(或負(fù)壓大小)以及吸盤的吸附面積的大小有關(guān)。工件被吸附表面的形狀和表面不平度也對其有一定的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮上述各種因素，以保證有足夠的吸附力。應(yīng)根據(jù)被抓取工件的要求確定吸盤的形狀。由于氣吸式手部多吸附薄片狀的工件，故可用耐油橡膠壓制不同尺寸的盤狀吸頭。（3）磁吸式手部的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：應(yīng)具有足夠的電磁吸引力；應(yīng)根據(jù)被吸附工件的形狀、大小來確定電磁吸盤的形狀、大小，吸盤的吸附面應(yīng)與工件的被吸附表面形狀一致。4.3Three工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)4.3.1驅(qū)動系統(tǒng)分類工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動可分為液壓、氣動和電動三種基本類型。（1）液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動有以下特點(diǎn)：1）驅(qū)動力或驅(qū)動力矩大，即功率重量比大，響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高，壓力可達(dá)20~30MPa(機(jī)器人多用0.6~7MPa)。2）液壓缸可直接用作機(jī)器人關(guān)節(jié)的一部分，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。3）速度調(diào)節(jié)方便易控，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的無級調(diào)速和換向。容易實(shí)現(xiàn)自動化。4）液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長。液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。4.3.1驅(qū)動系統(tǒng)分類（2）氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動有以下特點(diǎn)：1）氣源方便，氣源系統(tǒng)簡單、清潔無污染。2）壓縮空氣在管路中流速可達(dá)100m/s（液壓油流速只有5m/s），所以作業(yè)速度快。3）與液壓相比，氣壓工作壓力低，通常為0.4~0.6MPa。氣動系統(tǒng)體積大，由于空氣可壓縮，因而運(yùn)動平穩(wěn)差，工作時(shí)噪聲大，位置精度低。一般用于小負(fù)荷機(jī)器人。4.3.1驅(qū)動系統(tǒng)分類（3）電力驅(qū)動功率在1KW以下的工業(yè)機(jī)器人多采用電力驅(qū)動。電力驅(qū)動可分為普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)輸出力矩相對較小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于要求嚴(yán)格的中小型機(jī)器人。交、直流伺服電動機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機(jī)則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)。下表為各種驅(qū)動方式及特點(diǎn)：驅(qū)動方式特點(diǎn)輸出力控制性能維修性能結(jié)構(gòu)體積使用范圍制造成本氣壓驅(qū)動氣壓壓力低，輸出力較小氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU連接，精確定位困難維修方便體積較大能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄露無影響。應(yīng)用于中小型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低液壓驅(qū)動壓力高，可獲得大的輸出力油液壓縮性小，壓力、流量均容易控制，可無極調(diào)速，反應(yīng)靈敏維修方便與氣壓驅(qū)動方式相比較小可用于中小型機(jī)器人，重型機(jī)器人多為液壓驅(qū)動液壓元件成本較高，油路復(fù)雜電力驅(qū)動異步電動機(jī)、直流電動機(jī)輸出力較大慣性大，不易精確定位維修方便需要減速裝置，體積較大適用于速度低、承載大的工業(yè)機(jī)器人成本低步進(jìn)或伺服電動機(jī)輸出力較小或較大易與CPU連接，控制性能好，響應(yīng)快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜維修使用較復(fù)雜體積較小可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人成本較高4.4four工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)4.4.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)基本功能

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下：（1）記憶功能：存儲作業(yè)順序、運(yùn)動路徑、運(yùn)動方式、運(yùn)動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。（2）示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。（3）與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。（4）坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。（5）人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。（6）傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。4.4.1工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)基本功能

（7）位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動、運(yùn)動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補(bǔ)償?shù)取＃?）故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。4.4.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成（1）控制計(jì)算機(jī)：控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。一般為微型機(jī)、微處理器有32位、64位等如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。（2）示教盒：示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互。（3）操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。（4）硬盤和軟盤存儲存：儲機(jī)器人工作程序的外圍存儲器。（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。（6）打印機(jī)接口：記錄需要輸出的各種信息。（7）傳感器接口：用于信息的自動檢測，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。4.4.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成（8）軸控制器：完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。（9）輔助設(shè)備控制：用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。（10）通信接口：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。（11）網(wǎng)絡(luò)接口1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺或單臺機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過E