工业机器人

1、工业机器人的结构组成？

通用工业机器人主要机械结构可划分为基座、臂部、腕部和末端执行器(手爪)。基座起支承作用，固定式机器人的基座直接联接在地面基础上，移动式机器人的基座安装在移动机构上。臂部联接基座和手腕，主要改变末端执行器的空间位置。腕部联接臂部和末端执行器，主要改变末端执行器的空间姿态。末端执行器也称为手爪部份或手部，是机器人的作业工具。如抓取工件的各种抓手、取料器、专用工具的夹持器等，还包括部分专用工具，如拧螺钉螺母机、喷枪、焊枪、切割头、测量头等。

本节主要介绍部分机器人手腕和末端执行器的结构。

一、手腕机械结构

手腕确定末端执行器的作业姿态，一般需要三个自由度，由三个回转关节组合而成，组合方式多样。回转方向分：臂转是绕小臂轴线方向的旋转；手转是使末端执行器绕自身的轴线旋转；腕摆是使手部相对臂部的摆动。

1．通用手腕结构腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧，避免干涉。通常将腕部的驱动部分安排在小臂上，几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上。运动传入腕部后再分别实现各个动作。

图4-34和图4-35所示为PT-600型弧焊机器人手腕部结构图和传动简图。

图4-34PT-600型弧焊机器人手腕部结构图

1-腕摆框2-腕摆齿形带3-小臂4-腕摆带轮5-腕摆轴6、12-端盖7-腕摆谐波减速器8-联结法兰9-锥齿轮10-手转谐波减速器11-手转轴13-手转带轮14-手转齿形带

图4-35PT-600机器人手腕部传动简图

这是一个腕摆、手转二自由度的手腕结构。其传动路线为：腕摆电机通过同步齿形带带动腕摆谐波减速器7，减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动；手转电动机通过同步齿形带带动手转谐波减速器10，减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动。注意，当腕

摆框摆动而手转电动机不转时，联接手部的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动，产生附加的手转运动，控制上要进行修正。

图4-36KUKA IR-662/100型机器人手腕传动结构简图

图4-37KUKA IR-662/100型机器人手腕结构图

1-中心轴2-空心轴3-手腕壳体4、18-定轮5、14-动转6、7、9、19、26、27-锥齿轮8、16-柔轮10、15-波发生器11-盖12-腕摆壳体13-零件17-法兰盘20-底座21-带键轴22、24、25-带23-花键轴

图4-36所示为KUKA IR-662／100型机器人的手腕部传动简图。这是一个三自由度的手腕结构，关节配置形式为臂转、腕摆、手转结

构。其传动链分成二部分，一部分在机器人小臂壳内，三个电机的输出通过带传动分别传递到同轴转动的心轴、中间套、外套筒上。另一部分传动链安排在手腕部，图4-37所示为手腕的结构图。

其传动路线为：

(1)臂转运动臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接，外套简直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。

(2)腕摆运动臂部中间套通过花键与空心轴2联接，空心轴另一端通过一对锥齿轮6、7带动腕摆谐波减速器的波发生器10，波发生器上套有轴承和柔轮8，谐波减速器的定轮4与手腕壳体相联，动轮5通过盖11与腕摆壳体12相固接，当中间套带动空心轴旋转时，腕摆壳体作腕摆运动。

(3)手转运动臂部心轴通过花键与腕部中心轴1联接，中心轴的另一端通过锥齿轮27、26带动花键轴23，花键轴的一端通过同步齿形带传动24、25、22带动带键轴2l，再通过锥齿轮19，9带动手转谐波减速器的波发生器15，波发生器上套有轴承和柔轮16，谐波减速器的定轮18通过底座20与腕摆壳体相联，动轮14通过零件13与联接手部的法兰盘17相固定．当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时，法兰盘作手转运动。

值得注意的是，臂转、腕摆、手转三个传动并不是相互独立的，存在较复杂的干涉现象。当中心轴1和空心轴2固定不转，仅有手腕壳体3作臂转运动时，由于锥齿轮6不转，锥齿轮7在其上滚动，因此有附加的腕转运动输出，同理，锥齿轮26在锥齿轮27上滚动，也

产生附加的手转运动。当中心轴1和手腕壳体3固定不转，空心轴2转动使手腕作腕摆运动时，也会产生附加的手转运动。最后通过控制系统进行修正。

2．柔性手腕结构柔性手腕是为喷漆作业机器而设计开发的。图4-38所示为一种多节联动万向节式柔性手腕的机构原理图，它由连杆机构，球面齿轮机构和万向联轴器机构组成。当俯仰或偏摆连杆受到作动器的牵连作用时，柔性手腕结构沿相应方向弯曲，连杆件数越多、弯曲的曲率越大。图4-39所示为柔性手腕的结构剖视。其中的球面齿轮是一种较新的传动结构。

图4-38多节联动万向节式柔性手腕机构简图

图4-39多节联动万向节式柔性手腕结构

3．柔顺手腕结构用机器人进行精密装配作业，当被装配零件之间的配合精度相当高，被装配零件的不一致性、工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了装配动作的柔顺性要求。

柔顺装配技术有两种，一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。有的手爪上还配有检测元件如视觉传感器(图4-40所示)、力传感器等，这就是所谓主动柔顺装配。另

一种是从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。这种柔顺装配技术称为“被动柔顺装配”(RCC)。

图4-41所示是具有水平和摆动浮动机构的柔顺手腕。水平浮动机构由平面，钢球和弹簧构成实现在二个方向上进行浮动，摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成，实现二个方向的摆动。在装配作业中如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准时可自行校正。其动作过程如图4-42所示，在插入装配中工件局部被卡住时，将会受到阻力，促使柔顺手腕起作用，使手爪有一个微小的修正量，工件便能顺利地插人。图4-43所示是另一种结构形式的柔顺手腕，其工作原理与上述柔顺手腕相似。图4-44所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕，在基座上通过板弹簧1、2联接框架，框架另二个侧面上通过板弹簧3、4联接平板和轴。装配时通过4块板弹簧的变形实现柔顺性装配。图4-45所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的温柔手腕。

图4-40带检测元件的手腕

图4-41移动摆动柔顺手腕

图4-42柔顺手腕动作过程

图4-43柔顺手腕

图4-44板弹簧柔顺手腕

图4-45钢丝弹簧柔顺手腕

主动柔顺手腕需配传感器，价格较贵，由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢；但是，主动柔顺手腕可以在较大范围内进行对中校正，装配间隙可少至几个微米，并可实现无倾角孔的插入，通用性强。被动柔顺手腕结构比较简单，价格较便宜；装配速度比主动式要快；但是，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；轴孔间隙不能太小，否则插入阻力较大。为了扬长补短，近年来综合上述两种柔顺手腕优点的主／被动柔顺手腕正在发展中。二、末端夹持器

末端夹持器种类繁多，主要介绍下列几种。

(一)气吸式吸盘吸盘主要用在搬运体积大、重量轻的如像冰箱壳体、汽车壳体等零件；也广泛用于需要小心搬运的如显象管、平板玻璃等物体。真空吸盘对工件表面要求平整光滑、干燥清洁、能气密。气吸式与钳爪式手部相比较，气吸式手部具有结构简单，重量轻等优点。

按形成负压(或真空)的方法，气吸式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气吸盘。

气吸式吸盘选用要素如下：

1)应具有足够的吸力。由于吸力的大小与吸盘直径大小，气压强弱和气体流有关系，并与工件形状和表面不平度有关，为了保证吸力一定，可在气路中增设减压阀以便调节吸力大小。

2)应根据被抓取对象的要求确定吸盘形状和数量。

3)选用多个吸盘时，应合理布局，确保工件在传递过程中的平衡及平稳。

下面介绍气流负压式吸盘。

气流负压式吸盘按形成负压的方法可分成；喷射式负压吸盘和扩散式负压吸盘。下面主要讨论喷射式负压吸盘。其工作原理如图4-46所示。

图4-46喷射气流原理图

根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此在最简单的情况下，低流速(高压强)截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速(低压强)截面的喷嘴应有小面积。所以压缩空气由喷嘴进口处A进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，沿气流流动方向截面收缩到最小处K时(即临界面积)，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即A≈0.5P1。为了使喷嘴出口处的压力P2低于Pk，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速，并在该处建立低压区域，使C处的气体不断地被高速流体卷带走，如C处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形成负压。当在C处连接橡胶皮碗吸盘，即可吸住工件。图4—47为喷射式负压吸盘的结构图。

由上述分析可知，从一般的气体流速增速到超音速而建立低压区，必须使管道截面积的变化规律先收缩到某一最小截面Smin，然后再扩大，这种喷嘴称为“收缩喷嘴”，或称为“拉伐尔喷嘴”。

为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应有适当的间隙，以便将被抽气体带走，如图4-48所示。当间隙太小时，喷射气流和被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽气速率；

当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就愈低，同时间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体亦愈多，这就使抽气速率大大地降低。因此，间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节，以便喷嘴有效地工作。图4-49为可调的喷射式负压吸盘的结构图，喷嘴5与喷嘴套6的相对位置是可以调节的，以便改变问隙的大小。

图4-47喷射负压吸盘结构

1-吸盘2-压盖3-芯座4、6-螺母5-喷嘴套7-喷嘴座8-喷嘴9-密封垫

图4-48喷嘴与喷嘴套的安装间隙

图4-49可调喷射式负压吸盘结构

1-橡胶吸盘2-吸盘芯子3-通气螺钉4-吸盘体5-喷嘴6-喷嘴

套

挤压排气式吸盘

对于轻小片状工件，还可以采用橡胶吸盘紧压工件表面，靠挤压力作用使吸盘内的空气被挤出，造成负压将工件吸住。图4—50所示为挤压排气式吸盘。由吸盘1与工件相接触并将吸盘内的空气挤出造成负压而吸住工件。当吸盘架3运动时，若碰到挡块(或受外力作用)将压盖2抬起，这时吸盘内腔经8孔通大气，压差消失即放下工件。

图4-51带电磁铁的挤压排气式吸盘。弹簧2使阀杆3始终在下端位置堵住通气孔，当手臂向下移动吸盘1紧压工件时，将吸盘内的空气挤出而吸住工件。若手臂移动到规定的位置时，碰行程开关发信号，靠电磁铁的衔铁4吸动阀杆3，使吸盘内腔与大气相通而放下工

件。

图4-50挤压排气式吸盘

1-吸盘2-压盖3-吸盘架

图4-51带电磁铁挤压排气式吸盘

1-吸盘2-螺母3-阀杆4-衔铁

(二)手爪

手爪的设计和选用最主要是满足功能上的要求，具体来说要在下面几个方面进行调查，提出设计参数和要求。

l．被抓握的对象物手爪的设计和选用首先要考虑的是什么样的工件要被抓握。因此，必须充分了解工件的几何形状、机械特性。

(1)几何参数有：

工件尺寸

可能给予抓握表面的数目

可能给予抓握表面的位置和方向

夹持表面之间的距离

夹持表面的几何形状

(2)机械特性有以下方面：

质量

材料

固有稳定性

表面质量和品质

表面状态

工作温度

2．物料馈送器或储存装置与机械手配合工作的零件馈送器或储存装置对手爪必需的最小和最大爪钳之间的距离以及必需的夹紧力都有要求，同时，还应了解其它可能的不确定的因素对手爪工作的影响。

3．机械手作业顺序一台机械手在齿轮箱装配作业中需要搬动齿轮和轴，并进行装配，虽然手部可以既抓握齿轮也可以夹持轴，但是不同零件所需的夹紧力和爪钳张开距离是不同的，手部设计上要考虑到被夹持对象物的顺序。在必需的时候，可采用多指手爪，以增加手部作业的柔性。

4．手爪和机械手匹配手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连

接，手爪自重增加了机械臂的载荷，这两个问题必须给予仔细考虑。手爪是可以更换的，手爪形式可以不同，但是与手腕的机械接口必须相同，这就是接口匹配。手爪自重不能太大，机械手能抓取工件的重量是机械手承载能力减去手爪重量。手爪自重要与机械手承载能力匹配。

5．环境条件在作业区域内的环境状况很重要，比如高温、水、油等环境会影响手爪工作。一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件坯必须保证手爪的开合，驱动在高温环境中均能正常工作。

6．手爪间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角，手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

7．应保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱型工件采用带“V”型面的手指，以便自动定心。

8．应考虑手指的多用性手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指如图4—52所示。对于这种手指的要求结构简单，安装维修方便，更换迅速准确，以便扩大机械手的使用范围。

图4-52组合式手指结构

1-杠杆2-连杆3-活塞杆4-调整垫5-可换手指此外有采用速换手部装置，而不采用万能手指，因后者比前者复杂，图4-53为手部速换装置图。若须更换手部时可停止供应手部卡紧用的压缩空气，使卡紧套1靠弹簧作用左移，滚珠2被卡人凹槽内即放松可换手部3，从而实现迅速的更换手部。

图4-53速换手部结构

1-卡紧套2-滚珠3-可换手部

机械式手爪结构的种类很多。图4-54为与机械结合的气动手爪。

图23手动气爪

1-锥齿轮2-齿条3-活塞4-气缸5-爪钳

(三)多指灵巧手

简单的卡爪式取料手不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状，不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手爪和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，如装配作业、维修作业、设备操作以及机器人模特儿的礼仪手势等，就必需有一个运动灵活、动作多样的灵巧手。近年来国内外对灵巧手的研究十分重视。

多指灵巧手的开创性工作是ETL手，它的出色的机构设计为以后所开发的许多多指灵巧手所采用。图4-55分别为ETL手部的外形和各部分的详细结构图。手指自由度是这样构成的，相当于人手拇指的手指有3个自由度，其余的两个手指和人的手指一样有4个自由度。各关节通过约1m长的柔管-钢丝绳动力传递系统和带减速器的22W 直流伺服电动机驱动，减速器的减速比为1／94.3。这里每个关节只有一个驱动器，所以预先必须使钢丝绳有足够的初始张力。

图4-55ETL手部

如图4-56所示。分别为Stanford／JPL三指灵巧手的Utah／MIT 四指灵巧手。他们的每一个手指有三个回转关节，每一个关节自由度都是独立控制。这样，几乎人手能完成的各种复杂动作它都能模仿。

图4-56多指灵巧手

a）Stanford/JPL三指手b）Utah/MIT四指手

Stanford／JPL三指灵巧手的每个手指有3个自由度，而每个手指用四台电动机驱动，各电动机根据安装在手腕部分的张力传感器和电

动机侧的位置传感器的输出同时控制钢丝绳的张力和位置。它与一个电动机控制一个关节的方法相比，电动机的数量多了一个。但它却没有必要担心钢丝绳会松弛。该手部不需要进行很麻烦的初始张力的调节，但是它也有缺点，那就是各个轴的运动相互之间存在耦合。

Utah／MIT四指灵巧手各个手指都有4个自由度，除了没有小指以外，其结构是非常接近于人手的。图4-57是为驱动手指而开发的压力控制型双重结构气压式驱动器的外形图和原理图。

图4-57Utah/M.I.T手部的驱动器

a）外形图b）原理图

每个手指关节用两个驱动器控制。每个驱动器的控制是以力伺服控制为基础，通过图4-58所示安装在手部手腕部分的张力传感器的输出反馈而构成的。另外各个手指关节处还装有特殊试制的利用霍尔效应元件的角度变化传感器(图4-59)。这个传感器的线形度在0～95°