第3章 工业机器人机械系统

1、 第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统 工业机器人的机械系统概述工业机器人的机械系统概述 机器人的机械系统由机座、臂部、腕部、手部或末端执行器组成，如图机器人的机械系统由机座、臂部、腕部、手部或末端执行器组成，如图3-3-1 1所示。机器人为了完成工作任务，必须配置操作执行机构，这个操作执行机所示。机器人为了完成工作任务，必须配置操作执行机构，这个操作执行机构相当于人的手部，有时也称为手爪或末端执行器。而连接手部和手臂的部分构相当于人的手部，有时也称为手爪或末端执行器。而连接手部和手臂的部分相当于人的手腕，叫做腕部，作用是改变末端执行器的空间方向和将载荷传递相当于人的手腕，

2、叫做腕部，作用是改变末端执行器的空间方向和将载荷传递到臂部。到臂部。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统臂部连接机身和腕部，主要作用是改变臂部连接机身和腕部，主要作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机身。机座是间，并将各种载荷传递到机身。机座是机器人的基础部分，它起着支承作用，机器人的基础部分，它起着支承作用，对固定式机器人，直接固定在地面基础对固定式机器人，直接固定在地面基础上；对移动式机器人，则安装在行走机上；对移动式机器人，则安装在行走机构上。构上。3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座机器人

3、必须安装在的基础机座上。工业机器人机座有固定式和行走式两种。机器人必须安装在的基础机座上。工业机器人机座有固定式和行走式两种。固定式机器人的机座直接接地安装，也可以固定在机身上；机座往往与机固定式机器人的机座直接接地安装，也可以固定在机身上；机座往往与机身做成一体，机身与臂部相连，机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。身做成一体，机身与臂部相连，机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。机座主要有两种类型：机座主要有两种类型：1. 1.机座固定式机座固定式2.2.机座移动式机座移动式第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座3.1.1 3

4、.1.1 机座固定式机座固定式固定的机座结构比较简单。固定机器人的安装方法分为直接地面安装、架固定的机座结构比较简单。固定机器人的安装方法分为直接地面安装、架台安装和底板安装三种形式。台安装和底板安装三种形式。1. 1. 机器人机座直接安装在地面上时，是将底板埋入混凝土中或用地脚螺栓机器人机座直接安装在地面上时，是将底板埋入混凝土中或用地脚螺栓固定。底板要求尽可能稳固以经受得住机器人手臂出来的反作用力。底板固定。底板要求尽可能稳固以经受得住机器人手臂出来的反作用力。底板与机器人机座用高强度螺栓联接。与机器人机座用高强度螺栓联接。2. 2. 机器人架台安装在地面上时，此与机器人机座直接安装在地面

5、上的要领机器人架台安装在地面上时，此与机器人机座直接安装在地面上的要领基本相同。机器人机座与台架用高强度螺栓固定联接，台架与底板用高强基本相同。机器人机座与台架用高强度螺栓固定联接，台架与底板用高强度螺栓固定联接。度螺栓固定联接。3. 3. 机器人机座用底板安装在地面上时，用螺栓孔安装底板在混凝土地面或机器人机座用底板安装在地面上时，用螺栓孔安装底板在混凝土地面或钢板上。机器人机座与底板用高强度螺栓固定联接。钢板上。机器人机座与底板用高强度螺栓固定联接。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座3.1.2 3.1.2 机座移动式机

6、座移动式机座移动式，则满足了机器人可行走，移动式机座即又充当了机器人的机座移动式，则满足了机器人可行走，移动式机座即又充当了机器人的行行走机构走机构，它，它行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部；另一方面带动机器人按照工作任务的要求进行运动。机器人的部和手部；另一方面带动机器人按照工作任务的要求进行运动。机器人的行走机构按运动轨迹分为固定轨迹式行走机构和无固定轨迹式行走机构。行走机构按运动轨

7、迹分为固定轨迹式行走机构和无固定轨迹式行走机构。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座3.1.2 3.1.2 机座移动式机座移动式1. 1.固定轨迹式行走机构固定轨迹式行走机构固定轨迹式工业机器人的机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠固定轨迹式工业机器人的机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。这类机器人除了采用这种直线驱螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。这类机器人除了采用这种直线驱动方式外，有时也采用类似起重机梁行走方式等。这种可移动机器人主要动方式外，有时也采用类似起重机梁行走

8、方式等。这种可移动机器人主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓库中的材料搬运、用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓库中的材料搬运、材料堆垛和储运、大面积喷涂等。材料堆垛和储运、大面积喷涂等。2.2.无固定轨迹式行走机构无固定轨迹式行走机构一般而言，无固定轨迹式行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机一般而言，无固定轨迹式行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构、足式行走机构。此外，还有适合于各种特殊的场合的步进式行走机构、构、足式行走机构。此外，还有适合于各种特殊的场合的步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等。下面主要介绍车蠕动式行走机

9、构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等。下面主要介绍车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构。轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座3.3.轮轮式行走机构式行走机构轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种，主要行走在平坦的地面上。轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种，主要行走在平坦的地面上。车轮的形状和结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。在轨道上运车轮的形状和结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。在轨道上运行的多采用实心钢轮，室外路面行驶多采用充气轮胎，室内平坦地面上的行

10、的多采用实心钢轮，室外路面行驶多采用充气轮胎，室内平坦地面上的可采用实心轮胎。可采用实心轮胎。1. 1.车轮的配置和转向机构车轮的配置和转向机构车轮行走机构依据车轮的多少分为一轮、二轮、三轮、四轮以及多轮。行车轮行走机构依据车轮的多少分为一轮、二轮、三轮、四轮以及多轮。行走机构在实现上的主要障碍是稳定性问题，实际应用的车轮式行走机构多走机构在实现上的主要障碍是稳定性问题，实际应用的车轮式行走机构多为三轮和四轮。为三轮和四轮。（1 1）三轮行走机构）三轮行走机构 三轮行走机构具有一定的稳定性，代表性的车轮配置方式是一个前轮，两三轮行走机构具有一定的稳定性，代表性的车轮配置方式是一个前轮，两个后轮

11、，如图个后轮，如图3-23-2所示，图所示，图3-2a3-2a是两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，是两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，靠后轮转向；图靠后轮转向；图3-2b3-2b则是采用前轮驱动，前轮转向的方式；图则是采用前轮驱动，前轮转向的方式；图 3-2C 3-2C为利用为利用两后轮差动减速器减速，前轮转向的方式。两后轮差动减速器减速，前轮转向的方式。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座3.3.轮轮式行走机构式行走机构（1 1）三轮行走机构）三轮行走机构 三轮行走机构具有一定的稳定性，代表性的车轮配置方式是一个前轮，

12、两三轮行走机构具有一定的稳定性，代表性的车轮配置方式是一个前轮，两个后轮，如图个后轮，如图3-23-2所示，图所示，图3-2a3-2a是两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，是两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，靠后轮转向；图靠后轮转向；图3-2b3-2b则是采用前轮驱动，前轮转向的方式；图则是采用前轮驱动，前轮转向的方式；图 3-2C 3-2C为利用为利用两后轮差动减速器减速，前轮转向的方式。两后轮差动减速器减速，前轮转向的方式。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座3.3.轮轮式行走机构式行走机构（2 2）四四轮行走机构轮行

13、走机构四轮行走机构的应用最为广泛，四轮机构可采用不同的方式实现驱动和转四轮行走机构的应用最为广泛，四轮机构可采用不同的方式实现驱动和转向，如图向，如图3-33-3示。图示。图3-3a3-3a为后轮分散驱动；图为后轮分散驱动；图3-3b3-3b为用连杆机构实现四轮为用连杆机构实现四轮同步转向，当前轮转动通过四连杆机构使后轮得到相应的偏转。这种行走同步转向，当前轮转动通过四连杆机构使后轮得到相应的偏转。这种行走机构相比仅有前轮转向的行走机构而言可实现更灵活的转向和较大的回转机构相比仅有前轮转向的行走机构而言可实现更灵活的转向和较大的回转半径。半径。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机

14、械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座3.3.轮轮式行走机构式行走机构（3 3）越障轮式机构）越障轮式机构普通车轮行走机构对崎岖不平的地面适应性很差，为了提高轮式车辆的地普通车轮行走机构对崎岖不平的地面适应性很差，为了提高轮式车辆的地面适应能力，设计了越障轮式机构。这种行走机构往往是多轮式行走机构。面适应能力，设计了越障轮式机构。这种行走机构往往是多轮式行走机构。4.4.履带履带式行走机构式行走机构履带式行走机构适合于未建造的天然路面行走，它是轮式行走机构的拓展，履带式行走机构适合于未建造的天然路面行走，它是轮式行走机构的拓展，履带的作用是给车轮连续铺路。如图履带的作用是给车

15、轮连续铺路。如图3-43-4所示为双重履带式可转向行走机所示为双重履带式可转向行走机构的机器人。构的机器人。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座4.4.履带履带式行走机构式行走机构（1 1）履带行走机构的组成）履带行走机构的组成 履带行走机构由履带、驱动链轮、支承轮、托带轮和张紧轮组成。如图履带行走机构由履带、驱动链轮、支承轮、托带轮和张紧轮组成。如图3-53-5所示。所示。（2 2）履带）履带行走机构形状行走机构形状带行走机构的形状有很多种，主要是一字形、倒梯形等，如图带行走机构的形状有很多种，主要是一字形、倒梯形等，如图

16、3-63-6所示。一字形履所示。一字形履带行走机构，驱动轮及张紧轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性。带行走机构，驱动轮及张紧轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性。倒梯形履带行走机构，不作支承轮的驱动轮与张紧轮装得高于地面，适合于穿越倒梯形履带行走机构，不作支承轮的驱动轮与张紧轮装得高于地面，适合于穿越障碍，另外因为减少了泥土夹入引起损伤和失效，可以提高驱动轮和张紧轮的寿障碍，另外因为减少了泥土夹入引起损伤和失效，可以提高驱动轮和张紧轮的寿命。命。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座4.4.履带履带式行走机构

17、式行走机构（2 2）履带）履带行走机构形状行走机构形状带行走机构的形状有很多种，主要是一字形、倒梯形等，如图带行走机构的形状有很多种，主要是一字形、倒梯形等，如图3-63-6所示。一字形履所示。一字形履带行走机构，驱动轮及张紧轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性。带行走机构，驱动轮及张紧轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性。倒梯形履带行走机构，不作支承轮的驱动轮与张紧轮装得高于地面，适合于穿越倒梯形履带行走机构，不作支承轮的驱动轮与张紧轮装得高于地面，适合于穿越障碍，另外因为减少了泥土夹入引起损伤和失效，可以提高驱动轮和张紧轮的寿障碍，另外因为减少了泥土夹入引起损伤和失效，可以

18、提高驱动轮和张紧轮的寿命。命。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座4.4.履带履带式行走机构式行走机构(1) (1) 履带行走机构的优点履带行走机构的优点1) 1) 支承面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，支承面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小。滚动阻力小。2) 2) 越野机动性好，可以在有些凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬越野机动性好，可以在有些凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不大的台阶，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构。梯度不大的台阶，爬坡、越

19、沟等性能均优于轮式行走机构。3) 3) 履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。牵引力。(2) (2) 履带行走机构的缺点履带行走机构的缺点1) 1) 由于没有自定位轮，没有转向机构，只能靠左右两个履带的速度差实现由于没有自定位轮，没有转向机构，只能靠左右两个履带的速度差实现转弯，所以转向和前进方向都会产生滑动。转弯，所以转向和前进方向都会产生滑动。 2) 2) 转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。3) 3) 结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏。结构

20、复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座5.5.多足多足式行走机构式行走机构车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上行驶才有理想的运动特性。如果地车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上行驶才有理想的运动特性。如果地面凸凹和车轮直径相当或地面很软，则它的运动阻力将大大增加。履带式行面凸凹和车轮直径相当或地面很软，则它的运动阻力将大大增加。履带式行走机构虽然可行走于不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时晃动太走机构虽然可行走于不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时晃动太大，在软地面

21、上行驶运动慢。大部分地面不适合传统的轮式或履带式车辆行大，在软地面上行驶运动慢。大部分地面不适合传统的轮式或履带式车辆行走。但是，足式动物却能在这些地方行动自如，显然足式与轮式和履带式行走。但是，足式动物却能在这些地方行动自如，显然足式与轮式和履带式行走方式相比具有独特的优势。走方式相比具有独特的优势。现有的步行机器人的足数分别为单足、双足、现有的步行机器人的足数分别为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的数三足、四足、六足、八足甚至更多。足的数目多，适合于重载和慢速运动。双足和四足目多，适合于重载和慢速运动。双足和四足具有良好的适应性和灵活性。足式行走机构具有良好的适应性和灵活性。

22、足式行走机构如图如图3-73-7所示。所示。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座两足两足式行走机构式行走机构两足行走式机器人具有良好的适应性，也称两足行走式机器人具有良好的适应性，也称之为类人双足行走机器人。类人双足行走机之为类人双足行走机器人。类人双足行走机构是多自由度的控制系统，是现代控制理论构是多自由度的控制系统，是现代控制理论很好的应用对象。这种机构除结构简单外，很好的应用对象。这种机构除结构简单外，在保证静、动行走性能及稳定性和高速运动在保证静、动行走性能及稳定性和高速运动等方面都是最困难的。等方面都是最困难的。如

23、图如图3-83-8所示的两足步行式机器人行走机构所示的两足步行式机器人行走机构原理图。在行走过程中，行走机构始终满足原理图。在行走过程中，行走机构始终满足静力学的静平衡条件，也就是机器人的重心静力学的静平衡条件，也就是机器人的重心始终落在接触地面的一只脚上。步行机器人，始终落在接触地面的一只脚上。步行机器人，典型特征是不仅能在平地上，而且能在凹凸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，不平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶，具有广泛的适应性。难点是机器人跨步时自具有广泛的适应性。难点是机器人跨步时自动转移重心而保持平衡的问题。为了能变换动转移重心而保持平衡的问

24、题。为了能变换方向和上下台阶，一定要具备多自由度，如方向和上下台阶，一定要具备多自由度，如图图3-93-9所示。所示。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3.1 .1 工业机器人工业机器人的机座的机座六足六足式行走机构式行走机构这类步行式机器人是模仿六足昆虫行走的机器人。如图这类步行式机器人是模仿六足昆虫行走的机器人。如图3-103-10所示为六足原理，所示为六足原理，每条腿有三个转动关节。行走时，三条腿为一组，足部端以相同位移移动，每条腿有三个转动关节。行走时，三条腿为一组，足部端以相同位移移动，定时间间隔进行移动，可以实现定时间间隔进行移动，可以实现XYXY平面内任

25、意方向的行走和原地转动。平面内任意方向的行走和原地转动。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .2 2工业机器人工业机器人的臂部的臂部机器人的手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是机器人的手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑、腕部和末端执行器，并带腕部和手部进行运动。手臂是为了让机支撑、腕部和末端执行器，并带腕部和手部进行运动。手臂是为了让机器人的手爪或末端执行器可以达到任务所要达到的位置。器人的手爪或末端执行器可以达到任务所要达到的位置。3 3. .2.1 2.1 工业机器人工业机器人的臂部运动和组成的臂部运动和组成1. 1.

26、 臂部的运动臂部的运动 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。向移动和回转运动。（1 1）垂直运动）垂直运动 垂直运动是指机器人手臂的上下运动。这种运动通常采用液压缸机构或通垂直运动是指机器人手臂的上下运动。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。过调整机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。（2 2）径向移动）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

27、。生变化。（3 3）回转运动）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。达到的角度位置。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .2 2工业机器人工业机器人的臂部的臂部3 3. .2.1 2.1 工业机器人工业机器人的臂部运动和组成的臂部运动和组成2. 2. 臂部的臂部的组成组成 机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的传动机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的传动装置、导向定位装置、支承联接和位置检测元件等。此外，还

28、有与之连接装置、导向定位装置、支承联接和位置检测元件等。此外，还有与之连接的支承等有关的构件、配管配线。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传的支承等有关的构件、配管配线。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，可分为动伸缩臂、屈伸臂及其他专用的机械传动臂动和导向装置的不同，可分为动伸缩臂、屈伸臂及其他专用的机械传动臂。液（气）压缸驱动或直线电动机驱动；转动伸缩型臂部结构除了轴线运。液（气）压缸驱动或直线电动机驱动；转动伸缩型臂部结构除了轴线运动，以便使手部旋转。动，以便使手部旋转。3 3. .2.2 2.2 工业机器人工业机器人的臂部配置的臂部配置1. 1. 工业机器人臂部的配置工

29、业机器人臂部的配置机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的作业环机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前有横梁式、立柱式、境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前有横梁式、立柱式、机座式、屈伸式四种。机座式、屈伸式四种。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .2 2工业机器人工业机器人的臂部的臂部3 3. .2.2 2.2 工业机器人工业机器人的臂部配置的臂部配置1. 1. 工业机器人臂部的配置工业机器人臂部的配置横梁式横梁式机身设计成横梁式，用于悬挂手

30、臂部件，通常分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两机身设计成横梁式，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，如图种，如图3-113-11所示。这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，所示。这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效利用空间，动作简单直观等优点。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，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或横梁可以是固定的，也可以是行走的，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面上架设。有关设备上，也可从地面上架设。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .2 2工

31、业机器人工业机器人的臂部的臂部3 3. .2.2 2.2 工业机器人工业机器人的臂部配置的臂部配置1. 1. 工业机器人臂部的配置工业机器人臂部的配置立柱式立柱式立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，是一种常见的配置立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，是一种常见的配置形式。常分为单臂式和双臂式两种，如图形式。常分为单臂式和双臂式两种，如图3-123-12所示。一般臂部都可在水平面内所示。一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面小而工作范围大的特点。回转，具有占地面小而工作范围大的特点。立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。立柱式结构简单，服务于某立柱可固定安装

32、在空地上，也可以固定在床身上。立柱式结构简单，服务于某种主机承担上、下料或转运等工作。种主机承担上、下料或转运等工作。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .2 2工业机器人工业机器人的臂部的臂部3 3. .2.2 2.2 工业机器人工业机器人的臂部配置的臂部配置1. 1. 工业机器人臂部的配置工业机器人臂部的配置机座式机座式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，以扩大其活动范围。以沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。第第3 3章章 工业

33、机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .2 2工业机器人工业机器人的臂部的臂部3 3. .2.2 2.2 工业机器人工业机器人的臂部配置的臂部配置1. 1. 工业机器人臂部的配置工业机器人臂部的配置屈伸式屈伸式机器人的手臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机器人的手臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机身间的机身间的 关系到机器人的运动轨迹，可以实现平面运动，也可以作空间运动关系到机器人的运动轨迹，可以实现平面运动，也可以作空间运动。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .2 2工业机器人工业机器人的臂部的臂部3.

34、2.3 3.2.3 臂部的驱动臂部的驱动机器人的手臂由大臂、小臂或多臂组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、机器人的手臂由大臂、小臂或多臂组成。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。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

35、臂在动，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，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、抓重等因素选取。可根据手臂的结构、抓重等因素选取。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，适用于回转与升降机构回

36、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锥齿轮传动的机构。的机构。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部3.3.1 3.3.1 机器人腕部的运动机器人腕部的运动1. 1. 机器人腕部的运动方式机器人腕部的运动方式腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。为了腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。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使手部能处于空

37、间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴x x、y y、z z的的转动，即具有偏转（转动，即具有偏转（YawYaw）、俯仰（）、俯仰（PitchPitch）和回转（）和回转（RollRoll）三个自由度。）三个自由度。如图如图3-153-15所示这三个回转方向分别为：臂转、所示这三个回转方向分别为：臂转、手转和腕摆。工业机器人一般具有手转和腕摆。工业机器人一般具有6 6个自由个自由度才能使手部（末端执行器）达到目标位置度才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态使手部能处于空间任意方和处于期望的姿态使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间向，要求腕部能实现对空间3 3个坐标轴

38、个坐标轴x x，y y，z z的旋转运动。的旋转运动。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部2. 2. 机器人腕部的机器人腕部的旋转旋转腕部旋转是指腕部绕小臂轴线的转动，又叫做臂转。有些机器人限制其腕部腕部旋转是指腕部绕小臂轴线的转动，又叫做臂转。有些机器人限制其腕部转动角小于转动角小于360360。另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，腕部。另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，腕部可以转几圈。按腕部转动特点的不同，用于腕部关节的转动又可细分为滚转可以转几圈。按腕部转动特点的不同，用于腕部关节的转动又可细分为

39、滚转和弯转两种。和弯转两种。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部2. 2. 机器人腕部的机器人腕部的旋转旋转滚转滚转是指组成关节的两个零件自身的几何回转中心和相对运动的回转轴线重合，是指组成关节的两个零件自身的几何回转中心和相对运动的回转轴线重合，因而实现因而实现360360。无障碍旋转的关节运动，通常用。无障碍旋转的关节运动，通常用R R来标记，如图来标记，如图3-16a3-16a所示。所示。弯转弯转是指两个零件的几何回转中心和其相对转动轴线垂直的关节运动。由于受是指两个零件的几何回转中心和其相对转动轴线垂直的关节运动。由

40、于受到结构限制，其相对转动角度一般小于到结构限制，其相对转动角度一般小于360360。弯转通常用。弯转通常用B B来标记，如图来标记，如图3-3-16b16b所示。所示。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部3.3.1 3.3.1 机器人腕部的运动机器人腕部的运动3. 3. 机器人腕部的机器人腕部的弯曲弯曲腕部弯曲是指腕部的上下摆动，这种运动也称为俯仰，又叫做手转腕部弯曲是指腕部的上下摆动，这种运动也称为俯仰，又叫做手转。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部

41、3.3.1 3.3.1 机器人腕部的运动机器人腕部的运动4. 4. 机器人腕部的机器人腕部的侧摆侧摆腕部侧摆指机器人腕部的水平摆动，又叫做腕摆。腕部的旋转和俯仰两种腕部侧摆指机器人腕部的水平摆动，又叫做腕摆。腕部的旋转和俯仰两种运动结合起可以看成是侧摆运动，通常机器人的侧摆运动由一个单独的关运动结合起可以看成是侧摆运动，通常机器人的侧摆运动由一个单独的关节提供节提供。腕部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，常用腕部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，常用腕部组合的方式有：臂转腕部组合的方式有：臂转- -腕摆腕摆- -手转结构，臂转手转结构，臂转- -

42、双腕摆双腕摆- -手转结构等手转结构等。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部3.3.1 3.3.1 机器人腕部的机器人腕部的分类分类手腕按自由度个数可分单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。采手腕按自由度个数可分单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。采用几个自由度的手腕应根据工业机器人的工作性能来确定。在有些情况下用几个自由度的手腕应根据工业机器人的工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有二个自由度：回转和俯仰或回转和偏转。一些专用机械手甚至，腕部具有二个自由度：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

43、的腕部为了特殊要求还有横向移动的自由度。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。1. 1.单自由度手腕单自由度手腕（1 1） 单一的臂转功能单一的臂转功能机器人的关节轴线与手臂的纵轴线共线，常回转角度不受结构限制，可以机器人的关节轴线与手臂的纵轴线共线，常回转角度不受结构限制，可以回转回转360360。该运动用滚转关节。该运动用滚转关节(R(R关节关节) )实现，如图实现，如图3-183-18所示。所示。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部1. 1.单自由度手腕单自由度手腕（2 2）单一的手转功能）单一的手转功

44、能关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直，常回转角度受结构限制，通常小于关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直，常回转角度受结构限制，通常小于360360。该运动用弯转关节（。该运动用弯转关节（B B关节）实现。关节）实现。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部1. 1.单自由度手腕单自由度手腕（3 3）单一的侧摆功能）单一的侧摆功能 关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直，常回转角度受结构关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直，常回转角度受结构限制，该运动用弯转关节限制，该运动用弯转关节(B(B关节关节) )实现。实现。

45、第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部1. 1.单自由度手腕单自由度手腕（4 4）单一的平移功能）单一的平移功能 腕部关节轴线与手臂及手的轴线在一个方向上成一平面，不能转动只能平腕部关节轴线与手臂及手的轴线在一个方向上成一平面，不能转动只能平移。该运动用平移关节移。该运动用平移关节(T(T关节关节) )实现实现。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部2.2.二二自由度手腕自由度手腕机器人腕部的可以由一个滚转关节和一个弯转关节联合构成滚转弯转机器人腕部的可以由一

46、个滚转关节和一个弯转关节联合构成滚转弯转BRBR关关节实现；或由两个弯转关节组成节实现；或由两个弯转关节组成BBBB关节实现；但不能用两个滚转关节关节实现；但不能用两个滚转关节RRRR构成二自由度腕部，因为两个滚转关节的运动是重复的，实际上只起到单构成二自由度腕部，因为两个滚转关节的运动是重复的，实际上只起到单自由度的作用。自由度的作用。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3 3工业机器人工业机器人的腕部的腕部3.3.三三自由度手腕自由度手腕由由R R关节和关节和B B关节的组合构成的三自由度腕部可以有多种形式，实现臂转、关节的组合构成的三自由度腕部可以有多种形

47、式，实现臂转、手转和腕摆功能。可以证明，三自由度腕部能使手部取得空间任意姿态。手转和腕摆功能。可以证明，三自由度腕部能使手部取得空间任意姿态。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3.33.3工业机器人工业机器人的腕部驱动方式的腕部驱动方式多数机器人将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电机同多数机器人将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电机同轴旋转的心轴和多层套简上去，当运动传入腕部后再分别实现各个动作。轴旋转的心轴和多层套简上去，当运动传入腕部后再分别实现各个动作。从驱动方式看，腕部驱动一般有两种形式，即直接驱动和远程驱动。从驱动方式看，

48、腕部驱动一般有两种形式，即直接驱动和远程驱动。1 1直接驱动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。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，这种直驱动源直接装在腕部上，这种直接驱动腕部的关键是能否设计和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。好的驱动电动机或液压马达。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3.33.3工业机器人工业机器人的腕部驱

49、动方式的腕部驱动方式2 2远程远程驱动驱动远距离传动方式的驱动器安装在机器人的大臂、机座或小臂远端，通过机远距离传动方式的驱动器安装在机器人的大臂、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有好处，但传动设计复杂，传动刚度也降低了。轴机器人的整体性能有好处，但传动设计复杂，传动刚度也降低了。轴I I做回做回转运动，轴转运动，轴做俯仰运动，轴做俯仰运动，轴做偏转运动。做偏转运动。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3.33.3工业机器人工业机

50、器人的腕部驱动方式的腕部驱动方式3 3机器人的柔顺腕部机器人的柔顺腕部一般来说，在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件不一致，工件一般来说，在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件不一致，工件的定位夹具的定位精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就要求的定位夹具的定位精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就要求在装配动作时具有柔顺性，柔顺装配技术有两种，包括主动柔顺装配和被在装配动作时具有柔顺性，柔顺装配技术有两种，包括主动柔顺装配和被动柔顺装配。动柔顺装配。（1 1）主动柔顺装配）主动柔顺装配检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，可以实现边校正边装配。检测、控制的角度，采取

51、各种不同的搜索方法，可以实现边校正边装配。如在手爪上安装视觉传感器、力传感器等检测元件，这种柔顺装配称为如在手爪上安装视觉传感器、力传感器等检测元件，这种柔顺装配称为“主动柔顺装配主动柔顺装配”。主动柔顺装配需配备一定功能的传感器，价格较贵。主动柔顺装配需配备一定功能的传感器，价格较贵。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .3.33.3工业机器人工业机器人的腕部驱动方式的腕部驱动方式3 3机器人的柔顺腕部机器人的柔顺腕部（2 2）被被动柔顺装配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

52、动柔顺装配的机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。这种柔顺装配柔顺环节以满足柔顺装配的需要。这种柔顺装配技术称为技术称为“被动柔顺装配（被动柔顺装配（RCC)”RCC)”。被动柔顺腕。被动柔顺腕部结构比较简单，价格比较便宜，装配速度快。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角相比主动柔顺装配技术，它要求装配件要有倾角，允许的校正补偿量受到倾角的限制，轴孔间隙，允许的校正补偿量受到倾角的限制，轴孔间隙不能太小。不能太小。第第3 3章章

53、 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .4 4工业机器人工业机器人的末端执行器（即手部）的末端执行器（即手部）机器人的手部是指安装于机器人手臂末端，直接作用于工作对象的装置。工业机器人的手部是指安装于机器人手臂末端，直接作用于工作对象的装置。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；同时手部的结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；同时手部的结构、重量，又有着直接的、显著的影响。构、重量，又有着直接的、显著的影响。1. 1.手部的分类手部的分类人体的手是具有许多关节的多个手指的手，可以巧妙地完成许多复杂的作业，人体的手是具有许多关节的多个手指的

54、手，可以巧妙地完成许多复杂的作业，如制作物品、使用工具、作各种手势等。在这些功能中，机器人技术中主要关如制作物品、使用工具、作各种手势等。在这些功能中，机器人技术中主要关心的是手的作业功能。人手的作业功能大致可分为心的是手的作业功能。人手的作业功能大致可分为“抓取抓取”和和“操作操作”两类，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；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

55、人的工作要求是有限的，因此机器人手部的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一定的工作对象来进行设计的。设计主要是针对一定的工作对象来进行设计的。根据手部的结构和在工作中完成的功能，常见的工业机器人手部一般分为三大根据手部的结构和在工作中完成的功能，常见的工业机器人手部一般分为三大类：类： 机械手部机械手部( (两指一三指、变形指两指一三指、变形指)( )(机械手爪机械手爪) )； 特殊手部特殊手部( (吸盘、喷枪、焊枪等吸盘、喷枪、焊枪等)( )(特殊末端特殊末端) )； 通用手部通用手部( (两指一五指两指一五指) )。第第3 3章章 工业机器人

56、的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .4 4工业机器人工业机器人的末端执行器（即手部）的末端执行器（即手部）2.2.机械手部机械手部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，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形包络线形成凹陷或v v形槽。多数的机

57、械手部只有两个手指，有时也使用像三爪形槽。多数的机械手部只有两个手指，有时也使用像三爪卡盘式的三指结构，另外还有利用连杆机构使手指形状随手指开闭动作发生一卡盘式的三指结构，另外还有利用连杆机构使手指形状随手指开闭动作发生一定变化的手部。定变化的手部。3.3.特殊手部特殊手部机械手部对于特定对象可保证完成规定作业，但能适应的作业种类有限。在要机械手部对于特定对象可保证完成规定作业，但能适应的作业种类有限。在要求能操作大型、易碎或柔软物体的作业中，采用刚性手指的机械手是无法抓取求能操作大型、易碎或柔软物体的作业中，采用刚性手指的机械手是无法抓取对象的。同时，机械手部一般来说重量、体积较大，给使用带

58、来局限。在这种对象的。同时，机械手部一般来说重量、体积较大，给使用带来局限。在这种情况下，即需采用适合所要求作业的特殊装置即特殊手部。同时，根据不同作情况下，即需采用适合所要求作业的特殊装置即特殊手部。同时，根据不同作业要求，准备若干个特殊手部，将它们替换安装，即可以使机器人成为通用性业要求，准备若干个特殊手部，将它们替换安装，即可以使机器人成为通用性很强的机械，从而机器人的优越性更能得以体现。很强的机械，从而机器人的优越性更能得以体现。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .4 4工业机器人工业机器人的末端执行器（即手部）的末端执行器（即手部）3.3.特殊手部特殊

59、手部根据特殊手部的工作原理，常见的特殊手部有以下三种：气吸式、磁吸式和喷根据特殊手部的工作原理，常见的特殊手部有以下三种：气吸式、磁吸式和喷射式。射式。 气吸式气吸式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

60、整，主要采用真空吸盘的手部。工作过程中，吸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。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。取和搬运。第第3 3章章 工业机器人的机械系统工业机器人的机械系统3 3. .4 4工业机器人工业机器人的末端执行器（即手部）的末端执行器（即手部）3.3.特殊手部特殊手部 磁吸式磁吸式磁吸式手部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磁吸式手部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