工业机器人技术基础-课件 单元2 工业机器人机械结构

单元2

工业机器人机械结构2.1认识工业机器人机械结构2.22.3工业机器人的传动部件目录CONTENTS工业机器人的关节与连杆2.1

认识工业机器人机械结构单元2工业机器人机械结构

工业机器人的机械结构又称为操作臂，它是工业机器人用以完成作业任务的实体，通常由一系列连杆通过关节顺序连接而成。从功能角度来讲，工业机器人的机械结构可分为基座、腰部、手臂、手腕和末端执行器等。图2-1工业机器人的机械结构1—基座；2—腰部；3—末端执行器；4—手腕；5—手臂2.1

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1.基座

基座是整个工业机器人的支承部分，有固定式和移动式两类。

固定式基座直接固定安装在地面、台架或地板上；

移动式基座用来扩大工业机器人的工作空间，有的是专门的行走装置，有的是轨道、滚轮机构等。2.腰部

腰部是连接手臂和基座的部件，通常是回转部件。它的回转再加上手臂的运动，能使手腕做空间运动。腰部是工业机器人机械结构中的关键部件，它的制作误差、运动精度和稳定性对工业机器人的定位精度有决定性的影响。2.1

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3.手臂

手臂用来连接腰部和手腕。它通常由两个臂杆（大臂和小臂）组成，用以带动手腕运动。

（1）手臂的组成

工业机器人的手臂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、导向定位装置、支承连接和位置检测元件等。

（2）手臂的运动

1）垂直移动

工业机器人手臂的上下运动。2）径向移动

手臂的伸缩运动。

3）回转运动

工业机器人绕铅垂轴的转动。2.1

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1）刚度要求高，有足够的承载能力；

2）导向性好；3）质量和转动惯量小；4）运动平稳，定位精度高。

（3）手臂的设计要求

2.1

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（1）手腕的运动方式4.手腕

手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其作用主要是改变和调整末端执行器在空间的方位，从而使手爪握持的工具或工件获得指定的姿态。图2-2手腕坐标系及臂转、手转和腕摆2.1

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（2）手腕回转

手腕回转指手腕绕小臂轴线的转动，又叫臂转。按手腕转动特点的不同，手腕关节的转动可分为滚转和弯转两种。图2-3手腕的滚转和弯转

（3）手转手转指手腕的上下摆动，又称为俯仰或手腕弯曲，如图2-2（c）所示。2.1

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（4）腕摆

腕摆指工业机器人手腕的水平摆动，又称为手腕侧摆，如图2-2（d）所示。

手腕运动多为臂转、手转、腕摆三种运动方式的组合，组合的方式有多种，常见的有臂转-腕摆-手转结构及臂转-双腕摆-手转结构。(a)臂转-腕摆-手转结构(b)臂转-双腕摆-手转结构图2-4常见手腕运动的组合方式2.1

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（5）手腕的分类

工业机器人的手腕按自由度不同可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。1）单自由度手腕图2-5单自由度手腕2.1

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2）二自由度手腕（a）BR关节

（b）BB关节

（c）RR关节（单自由度）图2-6二自由度手腕2.1

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3）三自由度手腕图2-7三自由度手腕的组合方式2.1

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（6）手腕设计时的注意事项

1）结构尽量紧凑，质量尽可能小。2）转动灵活，密封性好。3）注意手腕与末端执行器、手臂的连接，各自由度的位置检测、管线布置以及润滑、维修和调整问题。2.1

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5.末端执行器

末端执行器又称为手部或工具，是工业机器人执行作业的部件，装在工业机器人手腕上用来直接抓取和放置工件。它是决定完成作业质量、作业柔性好坏的关键部件之一。

（1）气吸附式末端执行器

气吸附式末端执行器是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差进行工作的。按照形成压力差的方法，可将其分为真空吸附式、气流负压吸附式、挤压排气负压吸附式等几种。图2-8真空吸附式末端执行器

1—橡胶吸盘；2—固定环；3—垫片；4—支承杆；5—基板；6—螺母2.1

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（1）气吸附式末端执行器图2-9气流负压吸附式末端执行器

1—橡胶吸盘；2—真空发生器图2-10挤压排气负压吸附式末端执行器1—吸盘架；2—橡胶吸盘；3—工件；4—密封垫；5—压盖单元2工业机器人机械结构

152.1

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（1）气吸附式末端执行器图2-11自适应吸盘1—吸盘；2—球关节；3—真空图2-12异形吸盘单元2工业机器人机械结构

162.1

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（2）磁吸附式末端执行器

磁吸附式末端执行器利用电磁铁通电后产生的电磁吸力进行取料，它仅能对铁磁物体起作用，而不能用于某些不允许有剩磁的零件，因此有一定的局限性。图2-13磁吸附式末端执行器1—线圈；2—铁芯；3—衔铁单元2工业机器人机械结构

172.1

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（3）夹钳式末端执行器

夹钳式末端执行器是工业机器人最常用的一种手爪式末端执行器，它通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。图2-14夹钳式末端执行器1—支架；2—工件；3—手爪；4—传动机构；5—驱动装置单元2工业机器人机械结构

182.1

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（4）专用末端执行器

工业机器人作为一种通用性很强的自动化设备，当配置各种专用末端执行器后，就能完成各种生产任务。图2-15专用末端执行器

1—气路接口；2—定位销；3—电接头；4—电磁吸盘单元2工业机器人机械结构

192.1

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（5）工具快换装置

由于有些工业机器人工作站需要承担多种不同的任务，因此在作业时需要自动更换不同的末端执行器，使用工具快换装置能快速装卸工业机器人的末端执行器。工具快换装置由换接器插座和换接器插头两部分组成，它们分别装在工业机器人手腕和末端执行器上，能够实现工业机器人快速、自动更换末端执行器。图2-16专用末端换接器图2-17工具快换装置连接面单元2工业机器人机械结构

202.2

工业机器人的关节与连杆

工业机器人的机械结构系统通常由一系列关节、连杆或其他形式的运动副组成。

一.工业机器人的关节

关节即运动副，是允许工业机器人手臂各零件间发生相对运动的机构，是两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接。工业机器人常用的关节如下：（a）移动关节

（b）回转关节

（c）圆柱关节

（d）球关节图2-18工业机器人的关节单元2工业机器人机械结构

212.2

工业机器人的关节与连杆二.工业机器人的连杆

连杆指工业机器人手臂上被相邻两关节分开的部分，是保持各关节间固定关系的刚体，是机械连杆机构中两端分别与主动构件和从动构件铰接以传递运动和动力的构件。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或“工”字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而形成铰接。

连杆是工业机器人的重要部件，它连接着关节，其作用是将一种运动形式转变为另一种运动形式，并把作用在主动构件上的力传给从动构件以输出功率。单元2工业机器人机械结构

222.2

工业机器人的关节与连杆技术实践：

如图2-19所示，基于RoboDK软件将工业机器人的连杆装配成一款完整的工业机器人。图2-19机器人连杆的组成单元2工业机器人机械结构

232.2

工业机器人的关节与连杆技术实践：

第1步：将本书配套的数字资源中abbRobot文件夹的内容拷贝到RoboDK\Library文件夹中。第2步：打开RoboDK软件。第3步：单击菜单“文件”→“打开”，选择“abbRobot”→“Base”，调出基座Base。第4步：在树形结构中右键单击“Base”，在弹出的列表中单击“选项”，弹出操作面板“物体详情：Base”，将Base的位姿数据修改为［100，200，0，0，0，0］。完成上述操作后，即可确定基座Base的位姿。第5步：单击菜单“文件”→“打开”，选择“abbRobot”→“Link1”，调出连杆Link1。第6步：在树形结构中右键单击“Link1”，在弹出的列表中单击“选项”，弹出操作面板“物体详情：Link1”，将Link1的位姿数据修改为［100，200，0，0，0，0］。完成上述操作后，即可将Link1安装到Base上。单元2工业机器人机械结构

242.2

工业机器人的关节与连杆技术实践：

第7步：单击菜单“文件”→“打开”，选择“abbRobot”→“Link2”，调出连杆Link2。第8步：在树形结构中右键单击“Link2”，在弹出的列表中单击“选项”，弹出操作面板“物体详情：Link2”，将Link2的位姿数据修改为［100，200，0，0，0，0］。完成上述操作后，即可将Link2安装到Link1上。第9步：单击菜单“文件”→“打开”，选择“abbRobot”→“Link3”，调出连杆Link3。第10步：在树形结构中右键单击“Link3”，在弹出的列表中单击“选项”，弹出操作面板“物体详情：Link3”，将Link3的位姿数据修改为［100，200，0，0，0，0］。完成上述操作后，即可将Link3安装到Link2上。第11步：单击菜单“文件”→“打开”，选择“abbRobot”→“Link4”，调出连杆Link4。单元2工业机器人机械结构

252.2

工业机器人的关节与连杆技术实践：

第12步：在树形结构中右键单击“Link4”，在弹出的列表中单击“选项”，弹出操作面板“物体详情：Link4”，将Link4的位姿数据修改为［100，200，0，0，0，0］。完成上述操作后，即可将Link4安装到Link3上。第13步：单击菜单“文件”→“打开”，选择“abbRobot”→“Link5”，调出连杆Link5。第14步：在树形结构中右键单击“Link5”，在弹出的列表中单击“选项”，弹出操作面板“物体详情：Link5”，将Link5的位姿数据修改为［100，200，0，0，0，0］。完成上述操作后，即可将Link5安装到Link4上。第15步：单击菜单“文件”→“打开”，选择“abbRobot”→“Link6”，调出连杆Link6。单元2工业机器人机械结构

262.2

工业机器人的关节与连杆技术实践：

第16步：在树形结构中右键单击“Link6”，在弹出的列表中单击“选项”，弹出操作面板“物体详情：Link6”，将Link6的位姿数据修改为［100，200，0，0，0，0］。完成上述操作后，即可将Link6安装到Link5上。

最后得到的工业机器人如图2-20所示。图2-20装配完成的工业机器人单元2工业机器人机械结构

272.2

工业机器人的关节与连杆1.工业机器人运动副的图形符号表2-1工业机器人常用运动副的图形符号

工业机器人所用的零件、材料及装配方法等与现有的其他机械相同。工业机器人常用运动副的图形符号见表2-1。

三.工业机器人常用的图形符号单元2工业机器人机械结构

282.2

工业机器人的关节与连杆2.工业机器人运动机构的图形符号表2-2工业机器人常用运动机构的图形符号

工业机器人常用运动机构的图形符号见表2-2。单元2工业机器人机械结构

292.2

工业机器人的关节与连杆

3.工业机器人的机构简图和机构运动原理图

工业机器人的机构简图是描述工业机器人组成机构的直观图形，是将工业机器人各运动部件用简明的符号和图形表达出来的一种方式。

（a）直角坐标型

（b）圆柱坐标型

（c）极坐标型

（d）多关节型图2-21常见四种坐标工业机器人的机构简图单元2工业机器人机械结构

302.2

工业机器人的关节与连杆

机构运动原理图将工业机器人的运动原理用简明的符号和图形表达出来，是建立工业机器人坐标、进行工业机器人运动学和动力学分析、设计工业机器人传动原理图的基础。（a）机构简图

（b）机构运动原理图图2-22工业机器人机构简图和机构运动原理图示例单元2工业机器人机械结构

312.3

工业机器人的传动部件

工业机器人的驱动机构通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动。因此，传动部件是构成工业机器人的重要部件。根据传动类型的不同，传动部件可分为直线传动机构和旋转传动机构两大类。

一.直线传动机构图2-23移动关节导轨图2-24齿轮齿条装置1—拖板；2—导杆；3—齿轮；4—齿条图2-25滚珠丝杠螺母副1—螺母；2—滚珠；3—丝杠；a、c—滚道；b—回路管道单元2工业机器人机械结构

322.3

工业机器人的传动部件

二.旋转传动机构

一般电动机都能直接产生旋转运动，但其输出力矩比要求的小，转速比要求的高，因此需要采用齿轮、皮带传送装置或其他传动机构，把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。1.普通旋转传动机构图2-26齿轮传动机构图2-27同步带传动机构单元2工业机器人机械结构

332.3

工业机器人的传动部件2.精密旋转传动机构

极端作业环境对工业机器人的传动精度和承载能力提出很高的要求，因而需要采用精密旋转传动机构。目前常用的精密旋转传动机构有谐波齿轮减速器和RV减速器。

（1）谐波齿轮减速器

谐波齿轮传动由刚性齿轮（刚轮）、谐波发生器和柔性齿轮（柔轮）三个主要零件组成，谐波发生器具有椭圆形轮廓，装在其上的滚珠用于支承柔性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使之发生塑性变形。转动时，柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合，只有这样，柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度。图2-28谐波齿轮传动

1—刚性齿轮；２—柔性齿轮；３—谐波发生器单元2工业机器人机械结构

342.3

工业机器人的传动部件

当谐波发生器发生连续转动时，柔性齿轮的轮齿在“啮入→啮合→啮出→脱开”四种状态下循环往复，不断改变各自原来的啮合状态，如图2-29所示，这种现象称为错齿运动。错齿运动使减速器将输入的高速转动变为输出的低速转动。通常刚性齿轮固定，谐波发生器作为输入端，柔性齿轮与输出轴相连。当谐波发生器相对于刚性齿轮转动—周时，柔性齿轮相对于刚性齿轮的角位移为两个齿距。这个角位移正是减速器输出轴的转角位移，从而达到了减速的目的。图2-29谐波齿轮轮齿状态1—滚轮；２—转臂；３—刚性齿轮；４—柔性齿轮单元2工业机器人机械结构

352.3

工业机器人的传动部件（2）RV减速器

RV减速器是由一个行星齿轮减速器的前级和一个摆线针轮减速器的后级组成的减速机构，它主要由齿轮轴、行星轮、曲柄轴、摆线轮、针轮、刚性盘及输出盘等零部件组成。图2-30RV减速器的组成单元2工业机器人机械结构

362.3

工业机器人的传动部件齿轮轴：又称为渐开线中心轮，用来传递输入功率，且与行星轮互相啮合。行星轮：与曲柄轴固连，均匀地分布在一个圆周上，起功率分流的作用，即将输入功率传递给摆线针轮行星机构。曲柄轴：摆线轮的旋转轴。其一端与行星轮相连，另一端与刚性盘相连。它既可以带动摆线轮产生公转，又可以使摆线轮产生自转。摆线轮：为了在传动机构中实现径向力的平衡，一般要在曲柄轴上安装两个完全相同的摆线轮，且两摆线轮的偏心位置互成180°。针

轮：与机架固连在一起，统称为针轮壳体，其上装有多个针齿。刚性盘：动力传动机构，其上均匀分布着轴承孔，曲柄轴的输出端通过轴承安装在其上。输出盘：减速器与外界从动工作机相连接的构件，与刚性盘连为一体，输出运动或动力。（2）RV减速器单元2工业机器人机械结构

372.3

工业机器人的传动部件RV减速器的传动原理如图2-31所示。

第一级减速是通过渐开线中心轮与渐开线行星轮的啮合实现的，按照渐开线中心轮与渐开线行星轮的齿数比进行减速，传动过程中如果渐开线中心轮顺时针转动，那么渐开线行星轮将绕自身轴线逆时针自转，同时绕渐开线中心轮的轴线公转。第一级传动部分中的渐开线行星轮与曲柄轴连成一体，并通过曲柄轴带动摆线轮做偏心运动，该偏心运动为第二级传动部分的输入。第二级减速是通过RV齿轮与针轮的啮合实现的，在RV齿轮与针轮啮合传动的过程中，RV齿轮在绕针轮轴线公转的同时，还会反方向自转，即顺时针转动。最后，传动力通过曲柄轴推动行星架输出轴顺时针转动。图2-31RV减速器的传动原理1—渐开线中心轮；２—渐开线行星轮；３—曲柄轴；４—摆线轮；５—针轮；６—输出轴；７—针轮壳体单元2工业机器人机械结构

382.3

工业机器人的传动部件RV减速器的传动比计算公式为式中

z1——渐开线中心轮的齿数；z2——渐开线行星轮的齿数；

z4——RV齿轮的齿数；

z5——针轮的齿数。

RV减速器具有结构紧凑、转矩大、定位精度高、振动小、传动比大、噪声小、能耗低等诸多优点，被广泛应用于工业机器人中。单元2工业机器人机械结构

392.3

工业机器人的传动部件三.手腕的传动机构

多数工业机器人将手腕结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法将几台电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上，当运动传入手腕后再分别实现各个动作。从驱动方式来看，手腕驱动一般有两种形式，即直接驱动和远程驱动。单元2工业机器人机械结构

402.3

工业机器人的传动部件1.直接驱动

直接驱动指驱动器安装在手腕关节的附近，从而直接驱动关节运动。直接驱动的传动刚度大，