机器人结构分析
机器人的组成结构
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
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：
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1. 滑槽杠杆式手部
2.齿轮齿条式手部
4. 斜 楔 杠 杆 式
3.滑块杠杆式手部
5.移动型连杆式手部
6.齿轮齿条式手部
7.内涨斜块式手部
8.连杆杠杆式手部
手指类型：
吸附式取料手
吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬 运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。 1）气吸附取料手
连杆（Link）：机器人手臂上 被相邻两关节分开的部分。
刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。 它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。
自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描述物体 运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由 度一般不包括在内。
• 圆柱坐标型机械手有一 个围绕基座轴的旋转运 动和两个在相互垂直方 向上的直线伸缩运动。 它适用于采用油压(或气 压)驱动机构，在操作对 象位于机器人四周的情 况下，操作最为方便。
第二章_机器人的机械结构分析
关节型搬运机器人
关节型焊接机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
5、平面关节型 (Selective Compliance Assembly Robot Arm ，简称SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。运动灵活 性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装 配作业。
SCARA型装配机器人
有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低。
极坐标型机器人模型
2018/11/2
Unimate
机器人
第二章
机ห้องสมุดไป่ตู้人的机械结构
机器人的构型
4、关节坐标型 (3R) 对作业的适应性好，工作空间大，工作灵活，结构紧凑， 通用性强，但坐标计算和控制较复杂，难以达到高精度。
2018/11/2
关节型机器人模型
2、圆柱坐标型 (R2P)
结构简单紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，控制也较 简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，但转动 惯量较大，定位精度相对较低。
圆柱坐标型机器人模型
2018/11/2
Verstran 机器人
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第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)
• 电动式
电源方便，响应快，驱动力较大，可以采用多种灵活的控制方案。
2018/11/2
第二章
机器人的机械结构
二、机器人的分类
1.按机器人的控制方式分类 （1）非伺服机器人 非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器 人的运动。 （2）伺服控制机器人 通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信 号比较后，得到误差信号，经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。
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。
机器人技术第二章
图2-3所示的机器人， 臂部在xO1y面内有三 个独立运——升降(L1)、 伸缩(L2)、和转动(Φ1)， 腕部在xO1y面内有一 个独立的运动——转 动(Φ2)。机器人手部 位置需要一个独立变 量——手部绕自身轴 线O3C的旋转Φ3。
机器人自由度的选择
• 一般自由度的选择：机器人自由度都是根 据机器人的用途来设计的，在三维空间中 描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6 个自由度。工业机器人的自由度是根据其 用途而设计的，可能小于6个自由度，也可 能大于6个自由度。
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 的差异程度 。 或 在相同的位置指令
下 ， 机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。 分散情况 。 它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。 集程度，即重复度。
o
o
机器人的分辨率和精度
• 分辨率：机器人的分辨率由系统设计参数 决定，并受到位置检测反馈元件的影响。 可分为编程分辨率和控制分辨率，编程分 辨率是指程序中可以设定的最小移动单位， 又称基准分辨率；控制分辨率是指位置反 馈回路能检测到的最小位移量。当它们相 等时，系统性能达到最佳。
1、驱动系统 、 概念： 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。
表2-3为不同作业机器人要求的重复 精度。
工作空间（ ）：机器人 工作空间（Working space）：机器人 ）： 手腕参考点或末端操作器安装点（ 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器） 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域， 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。 所能到达的区域。
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。
工业机器人机器人本体设计分析
工业机器人机器人本体设计分析声明：本文内容信息来源于公开渠道，对文中内容的准确性、完整性、及时性或可靠性不作任何保证。
本文内容仅供参考与学习交流使用，不构成相关领域的建议和依据。
一、机器人结构设计机器人的结构设计是指针对特定任务和工作环境，对机器人的外形、连接方式、关节结构等进行设计和优化的过程。
合理的机器人结构设计能够提高机器人的功能性、灵活性和稳定性，从而更好地完成各种任务。
下面将从机器人的外形设计、连接方式设计以及关节结构设计三个方面详细论述机器人结构设计相关内容。
（一）外形设计1、外形尺寸设计：机器人的外形尺寸设计需要考虑到工作空间的限制以及任务的需求。
合理的外形尺寸设计可以使机器人在狭小的空间内自由移动，并且能够达到所需的工作范围。
2、外形材料选择：机器人的外形材料选择应考虑到机器人的使用环境和任务特点。
例如，在潮湿的环境中工作的机器人可以选择防水材料，而在高温环境中工作的机器人则需要选择耐高温材料。
3、外形形状设计：机器人的外形形状设计既要满足机器人的运动需求，又要符合人类对机器人的认知和接受。
因此，外形形状设计需要考虑到机器人的动态特性和人机交互的需求。
（二）连接方式设计1、运动连接方式设计：机器人的运动连接方式包括传动装置、连接结构等。
传动装置的设计应满足机器人的工作要求，如速度、精度、承载能力等。
连接结构的设计应具有稳定性和刚度，以确保机器人在高速和大力矩下不发生松动或变形。
2、电气连接方式设计：机器人的电气连接方式包括电缆布线、接插件等。
电缆布线的设计应考虑到机器人的自由度和运动范围，并保证电缆的可靠性和耐久性。
接插件的选择和布局应方便维护和更换。
3、通讯连接方式设计：机器人的通讯连接方式包括传感器和控制系统之间的通讯方式。
合理的通讯连接方式可以提高机器人的响应速度和数据传输效率，从而提高机器人的工作效率和稳定性。
（三）关节结构设计1、关节类型选择：关节是机器人身体各部分连接起来并实现运动的重要组成部分。
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
四足步行机器人结构设计分析
四足步行机器人结构设计分析四足步行机器人是一种模仿动物四肢运动原理，实现步行功能的机器人系统。
它具有重要的工程应用价值，可以应用于紧急救援、探险勘测、军事侦察等领域。
而其结构设计是保证机器人顺利实现步行功能的关键。
本文将对四足步行机器人结构设计进行详细分析。
1.四足步行机器人的结构设计原理四足步行机器人的结构设计原理主要来源于仿生学和机械工程学。
在仿生学方面，研究人员通过对动物四肢运动原理的深入研究，发现了动物在运动中所具备的平衡性、适应性以及高效性等特点。
这些特点对于机器人的设计具有借鉴意义，可以帮助机器人在不同的环境中实现稳定的步行功能。
四足步行机器人的结构设计主要包括机身结构、关节结构和传动结构三个方面。
首先是机身结构。
四足步行机器人的机身结构通常采用轻质高强度材料制成，以保证机器人在运动过程中具备足够的稳定性和承载能力。
在机身结构设计中，研究人员通常会根据机器人的具体应用需求，确定机身的长度、宽度和高度等参数，并在此基础上进行结构强度分析和优化设计。
其次是关节结构。
四足步行机器人的关节结构通常采用多自由度结构设计，以提高机器人在运动过程中的灵活性和适应性。
在关节结构设计中，研究人员通常会考虑到机器人的步态模式、关节角度限制等因素，并采用柔性传感器、电机控制等技术手段，实现机器人步行功能的顺利实现。
在进行四足步行机器人结构设计时，研究人员通常会采用一系列优化方法，以提高机器人的性能和适应性。
首先是多学科综合设计方法。
在进行四足步行机器人结构设计时，研究人员通常会汇集机械工程学、控制工程学等多个学科的知识，进行综合设计和分析。
通过多学科综合设计方法，研究人员可以充分发挥各学科的优势，最大限度地提高机器人的性能和适应性。
其次是多目标优化设计方法。
在进行四足步行机器人结构设计时，研究人员通常会考虑到机器人的多个性能指标，如稳定性、效率、可靠性等。
通过多目标优化设计方法，研究人员可以找到一组最优解，从而实现不同性能指标之间的平衡，并最终提高机器人的综合性能。
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• 例题:德国KUKA机器人手腕传动系统
•
•
三.柔顺手腕结构
机器人精密装配作业
• §2—7 机器人手臂
• 手臂自由度：一般为3 • 作用： • 承受工件重量，将抓 取的工件送到指定位 置。
六自由度工业机器人
• 类型：按手臂结构：单臂、双臂、悬挂式 • 按手臂运动形式：直线运动（伸缩、升降、纵 横）、回转运动、仰俯摆动
公共约束 m＝1（X）
F (6 m)n (5 m) P5 (4 m) P4 (3 m) P3 (2 m) P2 P 1
5n 4P5 3P4 2P3 1P2
5 3 4 3 2 1 1
F 6n (5P 5 4P 4 3P 3 2P 2 P 1) 6n (5P5 ) 6 3 (5 4) 2
主要类型
（1）直角坐标型（PPP型) （2）圆柱坐标型（PPR型） （3）球坐标型（RRP型） （4）关节型 (RRR型）
• 坐标形式 • 直角坐标
• 圆柱坐标
• 球坐标
• 关节坐标
4.操作机的工作范围。
工作空间
手腕参考点空间活动最大范围－注意死区
•
• • • • • •
§2—4机器人自由度
•
气流负压吸附-流体力学原理，切断空 气卸料—成本低
• 挤压排气吸附
2.磁吸附
• 电磁吸盘
• 电磁吸盘
• 电磁吸盘
• 电磁吸盘
•
三.专用末端操作器及换接器
• 换接器或自动手爪更换装置
• 多工位换接装置
四.仿生多指灵巧手
多关节柔性手腕—牵引钢丝 驱动—电机、液压、气动
• 柔性手—柔性材料，双管，一侧充气（液体），另 一侧抽气或液
1 5
• 例题：n=3,P5=2,P4=1,P3=1
F 6n (5P 5 4P 4 3P 3 2P 2 P 1)
6n (5P5 4P4 3P3 )
6 3 (5 2 4 1 3 1) 1
• （2）公共约束 m
F 6n (5P5 )
• §2—2空间机构的组成
• • • • • • • • • 一、构件 平面自由构件：X Y 绕 Z 轴回转 三个自由度 空间自由构件：X Y Z 绕 X Y Z 轴回转 六个自由度 二、运动副 1、平面运动副： 低副：移动副 回转副 高副：齿轮副、 凸轮副
• 2、空间运动副 • 转动副：约束 5 • Ⅴ级副：
• B) 平面指—夹持方形零件，细小棒料
• C) 尖指、薄指、长指—夹持小零件、柔性零 件、工作场地狭小
• D) 特型指—不规则工件
•
2)指面形状 – 光滑指面—夹持精密、已加工好面 – 齿形指面—夹持粗糙毛坯 – 柔性指面—指面上镶嵌橡胶、泡沫、石棉。 隔热、保护
• •
几种典型手爪 弹性力手爪—抓取压入，卸料（执行机构）－ 机器人赖以完成各种作业 的主体部分。通常为开式空间连杆机构。
驱动电机 控制装置
执行机构
机器人本体部分 5自由度焊接机器人
工业机器人的应用实例：
焊接作业 装配作业 清洗作业 搬运作业
传动机构
齿轮传动
同步带传动
2.机器人操作机 操作机 工业机器人的机械结构部分称为操作机。 它由机座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部组成。 3．操作机主要类型
一.位姿所需自由度 空间位置自由度需求：3 夹持器姿态自由度需求：3 用途已知：自由度可以小于6 例如：球放入给定位置 3个自由度即可 关节：机器人中运动副通常都称为关节。
•
• • • • •
二.局部自由度
局部自由度－－不算机器人自由度 例如： 机器人钻孔钻头旋转 机器人夹手开闭 机器人底座运动
•变位机可降低机器人自由度
•
• • •
§2—5 机器人末端执行器－手部
末端执行器：抓取、握紧、吸附、夹持等 专用工具 被夹对象：喷枪、焊枪、扳手等 模仿人器官：手
•手部组成:手指、驱动机 构 、传动机构、支承元 件。
末端执行器的设计
• 一.夹钳式取料手
•手指：可以两个、三个、多个手指
• • •
1、指端形状 A)V 型指 —夹持圆柱型（滚柱V 型—可快速加持旋 转零件
自由度 4
• 空间点接触高副：约束 1 • Ⅰ级副：
自由度 5
• 三、机构自由度 • 1、闭式链机构 • 平面机构：
F 3n 2P l P h
• 空间机构： • (1)计算通式 • P－该级运动副个数
F 6n (5P5 4 P4 3P3 2 P2 P 1) 6n iPi
自由度 1
• 移动副：约束 5 • Ⅴ级副：
自由度 1
• 螺旋副：约束 5
自由度 1
Ⅴ级副：
• 圆柱副：约束 4 • Ⅳ级副
自由度 2
• 球销副：约束 4 • Ⅳ级副
自由度 2
• 平面高副 ：约束 4 • Ⅳ级副：
自由度 2
• 球面副：约束 3 • Ⅲ级副：
自由度 3
• 曲面副：约束 2 • Ⅱ级副：
• 多指灵巧手--每个关节独立控制
•
• • • •
§2—6 机器人手腕
手腕自由度 手腕：连接末端执行器与手臂 作用：调整改变工件方位 自由度：1或2或3。通常3个
操作机手腕机构的设计
• 3自由度：臂转、腕转、手转
•
手腕典型结构－两自由度弧焊机器人
行星轮系
z3 1 H i 3 H z1
•
手臂升降与回转运动
•
手臂仰俯运动机构
•
手臂复合运动机构
•
•
§2—8机器人机座
固定机座
• 移动机座
– – – – 固定轨迹行走机构 车轮行走机构 履带行走机构 步行行走机构
四轮行走，双轮驱动
四轮行走，差速驱动
盘吸
磁吸
• 例题一:美国Unimation公司PUMA-262机器人 传动系统
•
•
三.冗余自由度
定义：机构自身具有的自由度多于确定夹 持物体在空间位置和姿态所需的自由度称 为冗余度。 例如：我们人体，手臂，手的自由度 6自由度机器人得到广泛应用。 回避障碍物－大于自由度6的机器人
• • •
F 6n (5P5 4 P4 3P3 2 P2 P 1) 6 8 (5 7 4 1) 9
• • • •
位置自由度:3 姿态自由度:3 电机:6 联轴器:螺旋挠性
• • • •
例题二:日本日立A4010机器人传动系统 位置自由度:3 姿态自由度:1 电机:4
虚约束－ 变成实际 约束
解除约束
F 6n (5P5 4P4 3P3 2P2 P 1) 6n (5P5 4P4 3P3 )
6 3 (5 2 4 1 3 1) 1
F 6n 5P5
6 3 (5 4) 2
6 3 (5 4) 2
F (6 m)n (5 m) P5 (4 m) P4 (3 m) P3 (2 m) P2 P 1
3n 2P5 P4
F 3n 2P l P h
公共约束 m＝3
F (6 3)n (5 3) P5 (4 3) P4 (3 3) P3 3n 2 P5 P4 1
•
弹性力手爪
•
弹性力手爪
• 摆动式手爪—抓取圆柱物体
• 摆动式手爪
固 定 支 点
• 齿轮齿条手爪
•
• 自重式手爪
• 弹簧外卡式手爪
•
平动式手爪—夹持两个平行平面物体
•
二.吸附式取料手
1.气吸附—板材、纸张、玻璃
•
•
①真空吸附—真空泵，成本高。
• 球铰真空吸附
• 微小零件吸附
H 13
i1H
n1 z3 1 nH z1
3
渐开线少齿差行星传动
1 H z2 i 2 H z1
H 12
i1H
n1 z2 1 nH z1
iHV
渐开线一齿差行星传动
Z1 iH 1 Z 2 Z1
iHV iH1 Z1
iHV
Z1 iH 1 Z 2 Z1
机器人技术 Robot Technology
• 第二章
机器人结构分析
Structure Analysis of Industrial Robot
• §2—1 概述
• • • • • • • • 复习： 机械←机构、机器←构件←零件 构件：运动单元体 零件：加工制造单元体 机构：平面、空间 平面机构自由度： F=3n-2Pl-Ph 机器人属空间机构。
滑块用圆柱副
C点用球面副
F 6n (5P 5 4P 4 3P 3)
6 3 (5 2 4 1 3 1) 1
正切机构
F 6n (5P5 1P 1)
6 2 (5 2 11) 1
• 2、开式运动链 • 运动副自由度
fi 6 i
公共约束 m＝3
F (6 3)n (5 3) P5 (4 3) P4 (3 3) P3 3n 2 P5 P4 1
公共约束 m＝4
F (6 m)n (5 m) P5 (4 m) P4 (3 m) P3 (2 m) P2 P 1 2n P5
Pi
F f i Pi
1 5
i
运动副 级数
该级运动副数 机构自由度
F 6n (5P 5 4P 4 3P 3 2P 2 P 1)