第一周-机器人本体结构
第4章 机器人本体结构
4.2 机身及臂部结构
• 机器人机械结构由三大部分构成：机身、 手臂（含手腕）、手部。其中机身又称立 柱，是支承臂部的部件。同时，大多数工 业机器人必须有一个便于安装的基础部件， 这就是机器人的基座，基座往往与机身做 成一体。有些机器人需要行走，机身下面 还会安装有行走机构。机身和臂部相连， 机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。 机身和臂部运动的平稳性也是应重点注意 的问题。
• (3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常 复杂，且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属 于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间 隙和运动精度都有较高的要求。 • (4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是 随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动 或出现其他不稳定现象。 • 综合以上特点可见，合理的机器人本体结构应当 使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大， 结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的 固有频率和改善系统的动态性能。
• 二、机器人本体基本结构的举例 • 下面以关节型机器人为例来说明机器人本 体的基本结构。 • 进行机器人本体的运动学、动力学和其他 相关分析时，一般将机器人简化成由连杆、 关节和末端执行器首尾相接，通过关节相 连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的 开端安装有末端执行器(也简称为手部)，如 图所示。
一、 机身的自由度和运动
1．机身的自由度：
• 机身往往具有升降、回转及俯仰三个自由度。 • 机身结构一般由机器人总体设计确定。比如， 圆柱坐标型机器人把回转与升降这两个自由度 归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰这 两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把 回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有 时把升降(Z轴)或水平移动(X轴)自由度归属于 机身。现介绍回转与升降机身和回转与俯仰机 身。
机器人本体结构
节目录
（3）手臂(shǒu bì)回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用(shìyòng) 于升降行程短而回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气马达-锥 齿轮传动的结构。
2. 机器人手臂材料(cáiliào)的选择 优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料
节目录 (mùlù)
2. 机身(jī shēn)驱动力(力矩)计算
（1）垂直(chuízhí)升降运动驱动力的计算
Pq Fm Fg W
（2）回转运动(yùndòng)驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
Mg
J0
t
章目录 第十页，共54页。
节目录
（3）升降立柱(lìzhù)下降不卡死 (不自锁)的条件计算
机器人本体(běntǐ)结构
2021/11/8
第一页，共5Biblioteka 页。本章主要内容2.1 概述(ɡài shù) 2.2 机身(jī shēn)及臂部结 构 2.3 腕部及手部结构 (jiégòu) 2.4 传动及行走机构
第二页，共54页。
2.1 概述(ɡài 2.1.1 机器人本体sh的ù基)本结构(jiégòu)
第七章页，目共录54页。
2.2.1 机身结构的基本形式和特点
1. 机身(jī shēn)的典型结构
1）回转(huízhuǎn)与升降机身
单杆活塞气缸 驱动(qū dònɡ)链传动机
构
章目录 第八页，共54页。
双杆活塞气缸 驱动链传动机构
节目录
（2）回转与俯仰(fǔyǎng)机身
章目录 第(九m页，ù共l5ù4页)。
19—摆动轴；21，23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B
2机器人本体结构
2机器人本体结构机器人本体结构是指机器人的物理实体，包括机器人的整体外形、机械结构、材料等方面。
机器人的整体外形通常是由设计师根据机器人的功能和使用环境进行设计的。
它可以是像人类一样的人形机器人，也可以是车辆、动物或其他形状的机器人。
机器人的外形设计一般需要满足人机工程学的要求，即能够方便地与人类进行交互，不引起不必要的干扰或恐惧。
机器人的机械结构是机器人的重要组成部分，它包括支撑骨架、关节、传动系统等。
支撑骨架一般由钢材、铝合金等材料制成，能够承受机器人整体的重量和外界的冲击力。
关节则为机器人提供了运动的自由度，使其能够模拟人类的运动方式。
关节的设计一般采用电机和传动装置，比如齿轮、弹簧等，以提供足够的力量和精确的控制。
机器人的材料选择一般根据机器人的用途和需求来确定。
常见的机器人材料包括金属、塑料、纤维材料等。
金属材料一般用于机器人的结构件，如支撑骨架和关节。
塑料材料具有轻质、易加工等特点，常用于机器人的外壳等部分。
纤维材料一般用于机器人的柔性传感器、驱动器等部分，可以提供机器人更精细的触觉和精确的运动控制。
除了上述部分，机器人的本体结构还包括一些附属装置，如传感器、执行器等。
传感器负责获取机器人周围环境的信息，包括视觉、听觉、触觉、力觉等方面。
执行器则根据机器人的任务需求，将控制信号转化为相应的运动，并驱动机器人进行操作。
总体来说，机器人的本体结构是一个复杂的系统工程，需要考虑机器人的功能需求、机械设计、材料选择等多个因素。
优秀的机器人本体结构设计既要能够满足机器人的功能需求，又要具有高度的可靠性、稳定性和适应性，以保证机器人在各种工作环境中的良好表现。
机器人本体结构
4.1.2 机器人本体材料的选择 一、材料选择的基本要求 (1)强度高 减轻重量。 (1)强度高:减轻重量。 强度高: (2)弹性模量大 刚度大。 (2)弹性模量大:刚度大。 弹性模量大: 但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。 碳结构钢不增加刚度 但是用合金钢代替碳结构钢不增加刚度。 普通碳结构钢： 420MPa， =2.1× 普通碳结构钢：σb= 420MPa， E =2.1×105MPa 高合金结构钢： 2000MPa， =2.1×105MPa 高合金结构钢：σb= 2000MPa， E =2.1×105MPa (3)密度小 重量轻。 (3)密度小：重量轻。 密度小： (4)阻尼大：减小稳定时间。 (4)阻尼大：减小稳定时间。 阻尼大 (5) 经济性。 经济性。
3．三自由度手腕 1) 液压直接驱动三自由度手腕
2) 齿轮链轮传动三自由度腕部
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图 1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴 ；7—传动轴 ；8—腕架；9—行星架； 油缸； 链轮； 、 锥齿轮； 、 花键轴T； 传动轴S； 腕架； 行星架； 油缸 链轮 锥齿轮 花键轴 传动轴 腕架 行星架 10、11、22、24—圆柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴； 圆柱齿轮； 、 、 、 、 、 、 、 锥齿轮； 摆动轴； 、 、 、 圆柱齿轮 锥齿轮 摆动轴 21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴 双联圆柱齿轮； 传动轴B 、 双联圆柱齿轮 传动轴
4.3 腕部及手部结构 4.3.1 机器人腕部结构的基本形式和特点 驱动方式：远程驱动和直接驱动。 驱动方式：远程驱动和直接驱动。 直接驱动： 直接驱动：驱动器安装在手腕运动关节的附近 传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大。 传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大。 远程驱动：驱动器安装在机器人的大臂、 远程驱动：驱动器安装在机器人的大臂、基座或小 臂远端上，通过连杆、 臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕 部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂， 部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传 动刚度也降低了。 动刚度也降低了。
工业机器人本体结构解析
工业机器人本体结构解析
关于机器人本体结构，我们先来看一张本体结构形式图。
再来看一个拆解视频，直观的了解下机器人本体的内部构成！
好了，最后我们按照组成结构一一详解！
一、机器人驱动装置
概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。
驱动系统：可以是液压传动、气动传动、电动传动, 或者把它们结合起来应用的综合系统; 可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。
1、电动驱动装置
电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。
但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。
电动驱动装置又可分为直流(DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。
直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。
无刷直流电机也得到了越来越广泛的应用。
步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。
电动上电运行前要作如下检查：
1）电源电压是否合适（过压很可能造成驱动模块的损坏）；对于直流输入的+/-极性一定不能接错，驱动控制器上的电机型号或电流设定值是否合适（开始时不要太大）；
2）控制信号线接牢靠，工业现场最好要考虑屏蔽问题（如采用双绞线）；
3）不要开始时就把需要接的线全接上，只连成最基本的系统，运行良好后，再逐步连接。
4）一定要搞清楚接地方法，还是采用浮空不接。
5）开始运行的半小时内要密切观察电机的状态，如运动是否正常，声音和温升情况，发。
机器人本体结构_图文
腕部及手部结构
机器人腕部结构的基本形式和特点
机器人的手部作为末端执行器是完成抓握工件或执行特定作业的重要部件，也需要有多种结构。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。目前，RRR型三自由度手腕应用较普遍。
腕部是机器人的小臂与末端执行器(手部或称手爪)之间的连接部件，其作用是利用自身的活动度确定手部 的空间姿态。对于一般的机器人，与手部相连接的手腕都具有独驱自转的功能，若手腕能在空间取任意 方位，那么与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。 从驱动方式看，手腕一般有两种形式，即远程驱动和直接驱动。直接驱动是指驱动器安装在手腕运动关 节的附近直接驱动关节运动，因而传动路线短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯量大。远程驱 动方式的驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕 部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机器人的整体动态性能有好处，但传动设计 复杂，传动刚度也降低了。 按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。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，因而能实现360°无障碍旋转的关节运动，通常用R来标 记。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。由于受到结构的限制，其相 对转动角度一般小于360°。弯转通常用B来标记。
一、腕部的自由度
手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。
腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具 有两个自由度，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有些腕部为 了满足特殊要求还有横向移动自由度。
6种三自由度手腕的结合方式示意图
工业机器人结构设计ppt课件
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都 具有独立的驱动器，属于主动连 杆系，连杆的运动各自独立，不 同连杆的运动之间没有依从关系， 运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 时域中的变化非常复杂，且和执 行器反馈信号有关。连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传 动系统的刚度、间隙和运动精度 都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ
工业机器人技术-机器人本体结构
工业机器人技术与应用项目三工业机器人的机械系统任务二机器人的本体结构导入●什么是机器人的本体结构？●机器人的本体结构在哪里？目录学习目标知识准备任务实施主题讨论12学习目标机器人基座、腰部结构机器人上、下臂结构知识目标机器人基座、腰部及上、下臂结构一、机器人基座、腰部结构1. 基座及腰部结构基座7是整个机器人的基础件，机器人通过基座与地基或者其它工作平台固定，同时机器人的电缆、气管等也是通过基座上的连接插座进入机器人的。
腰体6位于基座和下臂之间，可以带动下臂及以上部分在基座上回转。
腰体上凸耳，凸耳一侧通过下臂安装端面5与下臂连接，另一侧安装下臂驱动电机。
一、机器人基座、腰部结构视频：基座及腰部结构二、机器人的上、下臂结构1. 下臂结构下臂安装在腰部和上臂之间，可以带动上臂及以后部分一同摆动。
下臂断面呈U形结构，用于布置各种电缆及管线。
二、机器人的上、下臂结构视频下臂结构二、机器人的上、下臂结构2. 上臂后段结构上臂后段是连接下臂和上臂前段的中间体，可带动上臂前段及手腕部分一起，相对于下臂旋转。
上臂后段为箱体结构，上方箱体内安装R轴（J4）回转电机（对于前驱RBR 结构）。
二、机器人的上、下臂结构视频上臂后段结构二、机器人的上、下臂结构3. R 轴传动结构谐波减速器的刚轮3.1与电机1的外壳、电机座2一起，固定在上臂后段6的壳体中；谐波减速器的柔轮3.3与过渡轴5的后端面、径向轴承4的里圈连接，轴承4的外圈安装在上臂后段6的壳体中作为支撑；过渡轴5的前端与上臂前段8、CRB轴承的里圈连接，轴承外圈固定在上臂后段6的前端面上作为支撑。
电机1的输出轴与谐波减速器的谐波发生器3.2连接，动力传递给柔轮，通过柔轮带动过渡轴5旋转，进而带动上臂后段8作手腕回转运动（J4轴）。
二、机器人的上、下臂结构视频R轴传动结构任务实施学习视频，完成工作页内容主题讨论讨论问题◆基座、腰部及上、下臂由哪些部分组成？◆基座、腰部及上、下臂结构的特点？小结完成本任务学习后，掌握了机器人基座、腰部及上、下臂结构，为后续学习打下了基础。
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1.需要完成动力、SMB电缆、示教器电缆和电源线的连接。
机器人本体底座的插座，如图所示。R1.MP的插座为电动
机动力插座，R1.SMB的插座为转数计数器接
口，R1.CP/CS的插座为用户电缆接口，Air1、Air2、Air3、Air4
的四个插孔为压缩空气接口。
2.控制柜面板，如图所示。
单个信号以及组信号的创建
难点
各个硬件的功能。
各个硬件的构成。
教法学法
案例法、提问法、演示法、启发引导法
自主学习、小组讨论、合作探究
教学内容
一、工业机器人的控制柜构成
控制柜是完成机器人控制功能的结构实现，是决定机器人
水平的关键部分，以IRB 2600机器人本体的控
制柜IRC5控制器为例来说明，其外形如图所示。
XS1为电动机动力输出接口，XS2为转数计数器接口，
XS41为用户电缆接口，XS4为示教器电缆接口，下面
是一个电源输入接口。
授
课
过
程
一、情境导入
1.机器人的构成？学生讨论分组作答，进而引出本节课内容，控制柜的构成。
二、新课讲授
1. 设置探究问题：通过图形了解控制柜的构成。
教师引导学生思考自己认为图中三个组成部分的作用，提示大家大胆设想，把最终大家的讨论结果汇总并把正确的信息传达给同学们。
打开柜门后，内部构造如图所示。
二、控制柜与机器人本体安装
需要将工业机器人本体安装固定到工作台上 ，控制柜安装放置到工作台上 。
控制柜与机器人本体安装步骤如下：
步骤1 将机器人本体进行拆箱
步骤2 使用扳手拆掉将机器人固定在底座上的螺丝，一共有4枚。
步骤3 将机器人安装到机器人工作台，并且紧固到机器人本体底盘上的4颗螺丝。然后，将固定机器人姿态的支架拆卸。并将控制柜从底座上安放到工作台上面。
机器人本体结构
2023年 2 月25日
课题
机器人本体结构
课时
理论1实践1
教学
目标
知识与技能：正确掌握工业机器人的本体构造。
过程与方法：通过系统和硬件的学习，培养学生对机器人的基本认知能力。
情感态度与价值观：引导学生探究发现，以培养学生独立思考、用于创新的精神和良好的学习习惯。
重点
系统组成各个硬件的梳理重要内容，清楚重难点，使学生不断深化所学知识。
五、课后作业
本体链接的注意事项
课后
反思
通过本次授课，发现学生的学习积极性有一定程度的提高，但是总有少数同学会掉队，以后要尽可能的把课堂打造的更具有吸引力一些让更多的同学参与进来。
（通过视频和实际操作来加深同学们对知识点的认知深度）
2.电气连接
通过图形引导学生自主回答，如图所示
切记理论和实践要结合起来，一边讲解知识点一边通过电脑仿真操作可以提高学生学习积极性，有利于同学们加深对知识点的深层次理解。
三、巩固练习
采用快问快答法，PPT展示问题，学生举手回答，快问快答法激发学生的好胜心，提高课堂参与度，同时巩固已学知识。