机器人结构类型
机器人的结构形式及各类结构的特点
机器人的结构形式及各类结构的特点
1、静态机器人
静态机器人是指对机械组件不需要更换，机器人的位置静止不动，它仅根据输入信号调整机器人内的电机运行，以改变机器人内部的执行逻辑程序，具有结构简单、易于安装、易于维护等特点。
2、动态机器人
动态机器人是指其外壳外形及内部结构可以变换，并具有智能识别、路径规划、动作控制等技术。
它具有灵活性强、可编程性强及安全性高等特点。
3、半空间机器人
半空间机器人是指在小型的机器人施行任务时，机器人会在有限的空间内运动，它可以在半空中完成任务，具有运动性能好、控制精度高、耐受变化能力强等特点。
4、飞行机器人
飞行机器人是指机器人在飞行中可以自由移动，它搭载的传感器可对周围的环境进行检测，根据各种参数，它可以采取相应的行程，具有运行速度快、自主能力强等特点。
5、游离机器人
游离机器人是指采用无线通信技术，可实现远距离远程操作的一种分布式机器人，它拥有自主性强、动态性好等特点。
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。
机器人的机械结构
机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。
共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。
机器人采用电机驱动，电机分为步进电机或直流伺服电机。
直流伺服电机能构成闭环控制、精度高、额定转速高、但价格较高，而步进电机驱动具有成本低、控制系统简单。
各部件组成和功能描述如下：
（1）底座部件：底座部件包括底座、回转部件、传动部件和驱动电机等。
（2）腰部回转部件：腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器、制动器和步进电机等。
（3）大臂：大臂和传动部件
（4）小臂：小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端固定驱动手腕三个运动的步进电机。
（5）手腕部件：手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。
（6）末端执行器：根据抓取物体的形状、材质等选择合理的结构。
（7）。
机器人结构和分类
t
2）定位方式 ） 定位方式决定了机构的精度 接近开关：0.1 – 1 mm 接近开关： 机械挡板： 机械挡板：0.01 – 0.1 mm 编码器： 减速比(1:120) ≈ 1” 编码器：0.036°/减速比 ° 减速比
2. 防振： 防振：
振动问题影响运动精度（轨迹精度、定位精度） 振动问题影响运动精度（轨迹精度、定位精度） 机器人的振动： 机器人的振动：机械结构共振和速度冲击振动
4-6 个自由度 自由度 6 个以上 ② 动作形态
直角坐标 坐标形式 多关节型 圆柱坐标 极坐标
电动 驱动方式 ③ 驱动方式 气动 液压 弧焊： 弧焊：CO2/MAG/MIG/ TIG/Plasma/Laser 点焊：交流/直流 直流/凸焊 点焊：交流 直流 凸焊 ④ 用途 切割： 切割：Plasma/Laser/ 水/火焰 火焰 涂胶 装配 搬运 ……
一般电弧焊工件的外形轮廓尺寸分布
单位： 单位：mm 长度 ≤ 250 方向 长 (L) 宽 (W) 高 (H) 15% 40% 70% 250 – 500 – 1000 – 500 1000 1500 ≥ 1500 40% 30% 10% 5% 20% 10% 5% 3% 5% 2%
30% 15%
R
φ2
T θ
3）直角坐标型机器人： ）直角坐标型机器人： 运动范围： 运动范围：立方体 特点： 特点：结构简单 活动范围大 运动直观性强 缺点： 缺点：占地面积大 定位精度较低 动作灵活性较差 用途： 用途：大型机器人 φ
X
Z
Y T
4）多关节型机器人： ）多关节型机器人： 机器人 运动范围： 运动范围：近似于球体 特点： 特点：通用性强 动作灵活 活动范围大 缺点：运动直观性差 缺点： 运动控制较复杂 用途： 用途：通用型 S L T U R B
工业机器人的五大机械结构和三大零部件解析
工业机器人的五大机械结构和三大零部件解析一、五大机械结构：1.手臂结构：工业机器人的手臂结构类似于人的手臂，用于搬运和操作物体。
它通常由多段关节构成，这些关节可以进行旋转和伸缩。
手臂结构可以根据不同的任务来设计，手臂的长度、关节的自由度和负载能力等可以根据实际需求进行调整。
2.底座结构：底座结构是工业机器人的支撑部分，它承载整个机器人和工作负载的重量，并提供机器人的旋转能力。
底座通常由电机和减速器组成，通过控制电机的旋转实现整体机器人的转动。
3.关节结构：关节结构是工业机器人手臂各关节连接的部分，它具有旋转和转动的能力。
关节结构通常由电机、减速器和编码器等组成，电机提供动力，减速器提供转动和转动的精度，编码器用于反馈位置和速度等参数。
4.手持器结构：手持器结构是机器人手臂的末端装置，用于夹取和操纵物体。
手持器通常由夹爪、吸盘、焊枪等组成，它们可以根据不同的任务和工作环境进行选择和装配。
5.支撑结构：支撑结构是机器人的框架和支撑部分，它提供机器人的稳定性和强度。
支撑结构通常由铝合金、碳纤维等材料制成，具有轻巧、刚性和耐用等特点。
二、三大零部件：1.电机：电机是工业机器人的核心动力部件，它提供驱动力和旋转力。
根据不同的应用需求，电机可以选择步进电机、直流电机、交流伺服电机等，它们具有不同的功率、转速和扭矩等特性。
2.减速器：减速器是机器人关节结构中的关键部件，它将电机的高速转动转换为低速高扭矩的输出。
减速器能够提供精确的旋转和转动控制，确保机器人的高精度和灵活性。
3.编码器：编码器是机器人关节结构中的传感器部件，它用于测量关节的位置和速度等参数。
编码器通过提供准确的反馈信号，帮助控制系统实时控制和监测机器人的运动状态。
以上是对工业机器人的五大机械结构和三大零部件的解析。
机器人的结构和零部件的选择和设计根据不同的应用和需求来进行，它们共同作用于机器人的性能和功能，实现自动化生产和工作的目标。
随着科技的不断发展，工业机器人在各个领域的应用也将越来越广泛。
机器人的机械结构
机器人的机械结构一、机械臂：机械臂是机器人最重要的部分，它模拟人类的手臂动作，用于实现各种任务。
一般机械臂由几段连杆组成，每个连杆之间通过关节连接。
机械臂的结构决定了机械臂的运动范围和灵活性，常见的机械臂结构有直线运动结构、旋转关节结构、虫轮驱动结构等。
二、关节：关节是机械臂的重要组成部分，它连接两个连杆，使机械臂能够进行转动或弯曲。
常见的关节有旋转关节、滚动关节、剪刀关节等，它们通过电机驱动和传动装置来实现运动，可以实现机械臂的多个自由度运动。
三、传动装置：机器人的运动需要通过传动装置实现，常见的传动装置有齿轮传动、皮带传动、蜗轮传动等。
传动装置可以将电机的转动传递给机械臂，并根据需求进行速度调节和力矩放大，实现机器人的运动控制。
四、传感器与执行器：机器人的机械结构与传感器和执行器紧密相关。
传感器可以感知环境和物体的信息，如光电传感器、触摸传感器、距离传感器等，通过传感器，机器人可以实现对环境的感知和交互。
执行器是机器人运动的驱动器，如电机、气缸等。
它们与机械结构相互配合，使机器人能够具有自主执行任务的能力。
五、框架与支撑结构：机器人的框架和支撑结构起到支撑和保护机器人的作用，使其能够稳定地进行运动。
框架通常是由刚性材料制成，如金属或复合材料，以确保机器人的稳定性和刚性。
支撑结构支持机器人的各个部件，同时还能降低振动和噪音等对机器人性能的不良影响。
六、人机接口和控制系统：机器人的机械结构是人机接口和控制系统的基础，通过人机接口和控制系统，人们可以与机器人进行交互和控制。
人机接口包括各种控制按钮、触摸屏、语音识别等，通过人机接口，人们可以向机器人发出指令和进行交互。
控制系统是机器人的大脑，可以控制机械臂的运动、传感器的数据采集和分析等，实现机器人的智能化运作。
总之，机器人的机械结构是机器人的骨架，是实现机器人运动和任务的基础。
机械结构的设计与制造决定了机器人的功能和性能，可以根据不同的任务需求进行灵活的设计和优化。
简要描述机器人控制系统硬件结构的三种类型及其特点
简要描述机器人控制系统硬件结构的三种类型及其特点
1. 单板机型：该类型的机器人控制系统硬件结构采用单一的主控单板，主要包含处理器、存储器、输入输出接口等基本模块。
其特点是结构简单、成本低廉、体积小巧，适用于小型机器人的控制。
但由于控制能力有限，适用于简单的任务场景。
2. 模块化型：该类型的机器人控制系统硬件结构采用模块化设计，主要由主控模块、驱动模块、感知模块等组成。
各个模块通过接口相互连接，可以根据需求灵活组合。
其特点是可扩展性强、适用性广，可以适应不同类型的机器人以及复杂的任务场景。
3. 分布式型：该类型的机器人控制系统硬件结构采用分布式架构，主要由多个节点组成，每个节点包括计算节点、驱动节点、传感器节点等。
各个节点通过网络互相通信，实现协同控制。
其特点是灵活性高、可靠性强，可以实现多领域、多任务的复杂机器人控制。
(完整版)机器人基本结构
• 手腕：改变手部空间方向并将作业载荷传到手臂， 独立自由度；
• 手臂：将被抓取工件传送到给定位置，并将载荷 传递到机座；
• 机身：支撑作用，基础部分； • 移动机构：移动机器人，一定空间范围内运动， • 臂杆质量小，结构静，动态刚度高，固有频率避
控制系统
• 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程 序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人 的执行机构完成规定的运动和功能。若不具 备信息反馈特种，则为开环控制系统；具备 信息反馈特征则为闭环控制系统。根据控制 原理可分为程序控制系统，适应性控制系统， 人工智能控制系统；根据控制运动形式分为 点位控制和轨迹控制。
• 感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成， 获取内部和外部环境状态信息，确定机械部件各部 分的运行轨迹、状态、位置和速度等信息，使机械 部件各部分按预定程序和工作需要进行动作。智能 传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智 能化水平。人类感知系统对外部信息获取比较灵巧， 但一些特殊信息传感器感知更有效。
• 重复定位精度±0.2： • 不同速度、不同方位反复试
验次数越多重复定位精度评 价越准确；
工作范围
• 指手臂安装点或手腕中心所能达到的空间区 域，末端操作器形状尺寸多样，不考虑；
• 机器人工作范围的形状和大小非常 工作速度是指机器人在工作载荷条件下，匀速运 动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时 间内所移动的距离或转动的角度。
• 一般描述一个物体的位置和姿态需要六个自由 度；
• 机器人自由度是根据用途设计的，可多用六个 自由度，也可小于六个自由度。
• 三自由度机器人：底座水平转动，上臂弯曲， 肘弯曲；
• 自由度多通用性好，但结构复杂，矛盾。工业 机器人自由度选择与生产要求有关：批量生产 要求速度快、可靠性高，自由度可以少些；更 换产品，增加柔性，自由度可多。工业机器人 自由度一般4~6个，7个以上为冗余自由度，主 要增加避障。
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§2.3机器人的机械结构与运动
一、机器人机械结构的组成 1. 手 部 2. 手 腕
3. 臂 部
4. 机 身
一、机器人机械结构的组成
１．手部
机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为 手爪或末端操作器． ２．手腕 联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将 作业载荷传递到手臂． ３．臂部
１．机身结构
常用的机身结构： １）升降回转型机身结构
２）俯仰型机身结构
３）直移型机身结构
４）类人机器人机身结构
２．臂部结构
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手部，并带动 它们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂 杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的 构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装 置、支撑联接和位置检测元件等。此外，还 有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的 构件、配管配线等。
２．臂部结构
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：
１）伸缩型臂部结构
２）转动伸缩型臂部结构
３）驱伸型臂部结构
４）其他专用的机械传动臂部结构
３．机身和臂部的配置形式
机身和臂部的配置形式基本上反映了机器 人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作 对象、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。目前常用的有如下几种 形式：
３．工作速度
工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动 过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移 动的距离或转动的角度。 确定机器人手臂的最大行程后，根据循环时间安排 每个动作的时间，并确定各动作同时进行或顺序进行， 就可确定各动作的运动速度。分配动作时间除考虑工艺 动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、驱动和控制方 式、定位和精度要求。 为了提高生产效率，要求缩短整个运动循环时间。 运动循环包括加速度起动，等速运行和减速制动三个过 程。过大的加减速度会导致惯性力加大，影响动作的平 稳和精度。为了保证定位精度，加减速过程往往人
伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能 力。伺服系统的被控量可为机器人手部执行装置 的位置、速度、加速度和力等。通过传感器取得 反馈信号与来自给定装置的综合信号，用比较器 加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激 发机器人的驱动装置，进而带动手部执行装置以 一定规律运动，到达规定的位置或速度等，这是 一个反馈控制系统。
７．精度、重复精度和分辨率
表2-3为不同作业机器人要求的重复精度。
７．精度、重复精度和分辨率
图2-5为一台持重 30Kg,供搬运、 检测、装配用的 圆柱坐标型工业 机器人，这台机 器人的主要技术 指标如下页：
７．精度、重复精度和分辨率
自由度：如图a所示，共有三个基本关节1,2,3和两 个选用关节4,5； 工作范围：见图b所示意； 关节移动范围及速度： A1 3000 2.10r/s A2 500mm 600mm/s A3 500mm 1200mm/s A4 3600 2.10r/s A5 1900 1.05r/s 重复定位误差 +/-0.05mm 控制方式：五轴同时可控，点位控制； 持重（最大伸长、最高速度下）：30kg 驱动方式：三个基本关节由交流伺服电动机驱动， 并采用增量式角位移检测装置。
３．机身和臂部的配置形式
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 型式，是一种常见的配置形式。一般臂部都可在水平面内回转， 具有占地面积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。立主式结构简单，服务于某种主机， 承担上、下料或转运等工作。
３．机身和臂部的配置形式
１、按机器人的控制方式分类
连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某 个规定的路径，其轨迹往往是某条不在预编 程端点停留的曲线路径。连续轨迹伺服控制 机器人具有良好的控制和运行特性，由于数 据是依时间采样的，而不是依预先规定的空 间采样，因此机器人的运行速度较快、功率 较小、负载能力也较小。连续轨迹伺服控制 机器人主要用于弧焊、喷涂、打飞边毛刺和 检测机器人。
目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大， 最大可大9KN。
５．控制方式
机器人用于控制轴的方式，是伺服还 是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹 还是点到点的运动。
６．驱动方式
驱动方式是指关节执行器的动力源形 式。
７．精度、重复精度和分辨率
精度：一个位置相对于其参照系的绝对度量，指机 器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之 间的差距。 重复精度：在相同的运动位置命令下，机器人连续 若干次运动轨迹之间的误差度量。如果机器人重复 执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同， 而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而 变化的幅度代表重复精度。
（１）横梁式 （２）立柱式 （３）机座式 （４）驱伸式
３．机身和臂部的配置形式
横梁式：机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，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，直观等优点。横梁可设计成固定的或行走的，一般横梁安 装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。
圆柱坐标型机器人的结构 如右图所示，R、θ 和x为 坐标系的三个坐标，其中R、 是手臂的径向长度，θ是手 臂的角位置，x是垂直方向 上手臂的位置。如果机器 人手臂的径向坐标R保持 不变，机器人手臂的运动 将形成一个圆柱表面。
２、按机器人结构坐标系特点方式分类
(3) 极坐标型机器人
极坐标型机器人又称为球 坐标型机器人，其结构如 右图所示，R， θ和β为坐 标系的坐标。其中θ是绕 手臂支撑底座垂直的转动 角， β是手臂在铅垂面内 的摆动角。这种机器人运 动所形成的轨迹表面是半 球面。
联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满 足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座．
４．机身
机器人的基础部分，起支承作用．对固定式机器人，直接联接 在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上．
二、机器人机构的运动
１．手臂的运动 (1) 垂直移动 ２．手腕的运动
(1)手腕旋转
(2)手腕弯曲
２、按机器人结构坐标系特点方式分类 (4) 多关节机器人
如右图所示，它是以其各相邻 运动部件之间的相对角位移作 为坐标系的。θ 、α和Φ 为坐 标系的坐标，其中θ是绕底座 铅垂轴的转角， Φ是过底座的 水平线与第一臂之间的夹角， α是第二臂相对于第一臂的转 角。这种机器人手臂可以达到 球形体积内绝大部分位置，所 能达到区域的形状取决于两个 臂的长度比例。
第二章 机器人结构
§2.1机器人的组成和分类
一、机器人的组成 (1) 机械部分； (2) 传感器(一个或多个)； (3) 控制器； (4) 驱动源。
第二章 机器人结构
二、机器人的分类 １、按机器人的控制方式分类 ２、按机器人结构坐标系特点方式分类
３、机器人常见的图形符号
１、按机器人的控制方式分类
４．工作载荷
机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承 受的最大负载量(包括手部)。用质量、力矩、惯性矩 来表示。
负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和 力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由 运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般低 速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速 运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。
图2-4给出了分辨率精 度和重复精度的关系。 工业机器人的精度、重 复精度和分辨率要求是根据 其使用要求确定的。机器人 本身所能达到的精度取决于 机器人结构的刚度、运动速 度控制和驱动方式、定位和 缓冲等因素。 由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因 此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般难测定，通常工业机 器人只给出重复精度。
机座式：机身设计成机 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。也可以具有 行走机构，如沿地面上 的专用轨道移动，以扩 大其活动范围。各种运 动形式均可设计成机座 式。
３．机身和臂部的配置形式
７．精度、重复精度和分辨率 分辨率：指机器人每根轴能够实现的最小移动 距离或最小转动角度。精度和分辨率不一定相 关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动 位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位 置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运 动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。
７．精度、重复精度和分辨率
１、按机器人的控制方式分类
伺服控制机器人分为：
(1)点位伺服控制；
(2)连续轨迹伺服控制。
１、按机器人的控制方式分类
点位伺服控制机器人的受控运动方式为从一 个点位目标移向另一个点位目标，只在目标 点上完成操作。机器人可以以最快的和最直 接的路径从一个端点移到另一端点。通常， 点位伺服控制机器人能用于只有终端位置是 重要而对编程点之间的路径和速度不做主要 考虑的场合。点位控制主要用于点焊、搬运 机器人。
右表 总结 了不 同坐 标结 构机 器人 的特 点。
３、机器人常见的图形符号
３、机器人常见的图形符号
３、机器人常见的图形符号
§2.2 机器人的主要技术参数
１．自由度 ２．工作空间 ３．工作速度 ４．工作载荷 ５．控制方式 ６．驱动方式
７．精度、重复精度和分辨率
１．自由度
自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机 器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的 直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作 不包括在内。 机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能， 通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器 人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。 工业机器人一般多为４～６个自由度，７个以上的 自由度是冗余自由度，是用来避障碍物的。
２、按机器人结构坐标系特点方式分类 (1) (2) 直角坐标机器人； 圆柱坐标型机器人；
(3)
(4)