工业机器人 装配机器人末端执行器应用
工业机器人的末端执行器结构分析综述..
文章编号：工业机器人的末端执行器结构分析综述姜楚峰，潘传奇，马野，王磊,张芝虎（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028）摘要：工业机器人的末端执行器(夹持器机构)是机器人操作机与工件、工具等直接接触并进行作业的装置,是机器人的关键部件之一.末端执行器是直接执行工作的装置，它对扩大机器人的作业功能、应用范围和提高工作效率都有很大的影响，因此对机器人的各种末端执行器结构分析研究有着非常重要的意义.抓取不同特征的物件需要有着不同类型的结构和驱动源.。
本文就末端执行器的常用结构，根据不同类型的结构特性分类来进行分析各种夹持机构的特点和适用范围。
关键词:末端执行器，夹持器，结构分析，结构特性分类中图分类号:文献标识码：AReview of End—effectors Structure of industrial robot Analysis Jiang Chu feng，Pan Chuan—qi，Ma Ye,Wang Lei,Zhang Zhi—hu(College of Mechanical Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， China）Abstract： End—effector (the clamping device） of the industrial robot is the robot manipulator is in direct contact with the workpiece, the tool and operating the apparatus，is one of the key components of the robot. End-effector is a direct implementation of the device, it expand miracle job functions, application range and improve work efficiency has a significant impact, and a variety of robot end effector structure analysis of the research has a very important significance。
工业机器人手臂与末端执行器的设计与控制
工业机器人手臂与末端执行器的设计与控制Chapter 1 引言自动化是现代制造工业中的重要技术，而机器人是自动化生产中的局部代表。
机器人的应用范围越来越广泛，从传统领域的汽车制造、机床加工，到医疗卫生、家庭生活等领域，机器人都有着广泛的应用。
在机器人当中，工业机器人是重要的一类，又称为制造型机器人。
它主要应用于工业生产的各个领域，具有高效、精度高、灵活性强、劳动强度小等优势。
本文将介绍工业机器人手臂与末端执行器的设计与控制。
Chapter 2 工业机器人手臂的设计2.1 概述工业机器人手臂，又称为机械臂，是工业机器人的重要组成部分。
手臂的挂着末端执行器，负责实现对工件的加工、搬运、装配等作业。
因此，机器人手臂的设计是机器人研发的重要环节。
2.2 结构机器人手臂主要由控制机构、伺服机构、机械臂机构和末端执行器四部分组成。
其中，机械臂机构是机器人手臂最主要的组成部分，它主要由基座、臂架、关节和末端执行器四个部分组成。
而伺服机构则是用于驱动机器人手臂运动的关键部分，由电机、减速器、编码器、激光传感器等组成。
2.3 材料机器人手臂的材料要求高强度、高精度，同时要有良好的抗腐蚀性和密封性。
通常情况下，机器人手臂的数量较多，因此要求材料成本较低。
2.4 电路设计机器人手臂的电路设计主要包括电源电路、控制电路和输送线路三个部分。
其中，电源电路是机器人稳定工作的前提，控制电路是实现机器人自动控制的关键，输送线路则是连接各部件的重要线路。
Chapter 3 末端执行器的设计3.1 概述末端执行器是机器人手臂的重要组成部分，它通过负责工具、夹具或夹爪等操作工件，顺利地完成工件的加工、搬运和装配等作业。
3.2 结构末端执行器的结构不同于机械臂，在设计中要根据不同任务选择不同的末端执行器。
典型的末端执行器包括机器人手爪、磁力臂、舵板等，可以实现物体捡取、抓取、裁撕、打磨等功能。
3.3 材料末端执行器的材料要求很高，因为它需要完成特定的工作任务，其中机器人手爪材料需要具有足够的力和抓取力。
工业机器人末端执行器的类型及应用。
工业机器人末端执行器的类型及应用。
工业机器人末端执行器是指安装在机器人末端的用于完成特定任务的执行部件。
根据不同的应用需求，工业机器人末端执行器有多种类型，每种类型都有其特定的功能和应用领域。
一、夹持型末端执行器夹持型末端执行器主要用于夹持、抓取物体。
它们通常具有可调节的夹持力和灵活的夹持方式，可以适应不同形状、不同尺寸的物体。
夹持型末端执行器广泛应用于装配线、物流仓储、食品加工等领域，用于自动抓取和搬运物体。
二、剪切型末端执行器剪切型末端执行器主要用于切割、剪切材料。
它们通常具有高速、高精度的切割能力，可以在短时间内完成大量的切割任务。
剪切型末端执行器广泛应用于金属加工、纺织工业、塑料加工等领域，用于自动切割和剪裁材料。
三、焊接型末端执行器焊接型末端执行器主要用于焊接工艺。
它们通常具有稳定的电弧、精确的定位和高速的焊接速度，可以实现高质量的焊接效果。
焊接型末端执行器广泛应用于汽车制造、船舶建造、建筑结构等领域，用于自动焊接和焊接工艺。
四、喷涂型末端执行器喷涂型末端执行器主要用于涂装、喷涂工艺。
它们通常具有均匀的喷涂效果、可调节的喷涂厚度和高速的喷涂速度，可以实现高质量的涂装效果。
喷涂型末端执行器广泛应用于汽车制造、家具制造、建筑装饰等领域，用于自动喷涂和涂装工艺。
五、钻削型末端执行器钻削型末端执行器主要用于钻孔、铣削等工艺。
它们通常具有高速、高精度的钻削能力，可以在短时间内完成复杂的加工任务。
钻削型末端执行器广泛应用于机械制造、航空航天、电子零部件等领域，用于自动钻削和加工工艺。
六、测量型末端执行器测量型末端执行器主要用于测量、检测工艺。
它们通常具有高精度的测量能力和灵活的测量方式，可以实现精确的尺寸测量和质量检测。
测量型末端执行器广泛应用于质量控制、精密加工、医疗器械等领域，用于自动测量和检测工艺。
工业机器人末端执行器的类型多样化，每种类型都有其特定的功能和应用领域。
这些末端执行器的应用可以大幅提高生产效率、降低劳动强度，并且具有一定的灵活性和适应性，能够适应不同的工业生产需求。
工业机器人 搬运机器人末端执行器应用
任务一
项目二 工业机器人末端执行 器的分类与应用
搬运机器人末端执行器应用
导入
搬运机器人末端执行器的特点是什么？ 搬运机器人末端执行器由哪些部分组成？
目录
学习目标
知识准备
任务实施
主题讨论
学习目标
学习目标
知识目标
1 掌握搬运机器人末端执行器的工作原理 2 掌握搬运机器人末端执行器的结构
任务实施
1.搬运工作站的组成（视频案例）
——搬运装箱展示工作站
1）FANUC Robot M-3iA/6S机器人： 将传送带上杂乱排放的物料进行整理排
列，并码放到物料盒中。 2）上料装置 ：
将料仓中的物料排放到传送带上，可以 杂乱排放。 3）传送带：
将杂乱排放的物料输送到机器人下方的 工作区域中。 4）机器人控制柜：
任务实施
6.观察并分析整列过程（视频案例）
（4）抓取第二个物体
（2）抓取第一个物体
手爪下行，通过吸盘吸附第二个物体；
手爪下行，通过吸盘吸附第一个物体；
（5）以此类推。
（3）手爪对准第二个物体
通过上述过程，3个物体抓取之后的排列方向
手爪升起，使第二组吸盘到达下一个物体的正上方， 均与手爪方向一致，即达到整齐抓取的目的。上
上图中有两个绿框： 绿色内框就是抓取到的零件特征，是该零
件的矩形外轮廓，而零件其它特征均被隐去， 系统不识别。
绿色外框是指示零件所处区域，不是零件 特征。
任务实施
3. iＲVision-2D（2D视觉功能）
3）计算偏移量： 计算目标产品位置（任意位置）与事先设定
的产品基准位置之间的偏移量（offset量）； 4）视觉编程：
工业机器人末端执行器的类型及应用。
工业机器人末端执行器的类型及应用。
工业机器人末端执行器是指机器人系统中连接机械臂和工作对象的部件，也称为机械手或机器人手。
末端执行器的选择和设计直接影响到机器人的功能和应用范围。
目前市场上常见的工业机器人末端执行器主要有夹爪型、磁力型、吸盘型和喷涂型等。
夹爪型末端执行器是最常见的一种类型，它通过夹爪来抓取、抱持和放置物体。
夹爪型末端执行器具有较强的抓取能力和灵活性，适用于物体抓取、装配、搬运等各种应用场景。
夹爪型末端执行器根据需要可以设计成单指夹爪、多指夹爪、平行夹爪等多种形式，以适应不同形状和尺寸的物体。
磁力型末端执行器是利用磁力吸附物体的一种执行器。
它通常使用电磁铁或永磁体来产生磁力，将物体吸附在机器人末端执行器上。
磁力型末端执行器适用于需要固定或悬挂物体的应用，如焊接、喷涂、装配等。
磁力型末端执行器具有较大的吸附力和稳定性，能够在机器人运动过程中保持物体的位置和姿态。
吸盘型末端执行器是利用负压原理将物体吸附在执行器表面的一种执行器。
吸盘型末端执行器通常由吸盘、真空泵和气路控制系统组成。
它适用于需要抓取平面物体的应用，如玻璃板、金属板等。
吸盘型末端执行器具有较强的抓取能力和稳定性，可以通过调整吸盘数量和排列方式来适应不同形状和尺寸的物体。
喷涂型末端执行器是专门用于涂装和喷涂应用的一种执行器。
它通常由喷枪、喷嘴、喷涂控制系统等组成。
喷涂型末端执行器具有精准的喷涂控制和均匀的喷涂效果，适用于汽车、家具、电子产品等行业的涂装和喷涂工艺。
工业机器人末端执行器的应用非常广泛。
在制造业中，工业机器人末端执行器可以用于自动装配、物料搬运、焊接、喷涂、加工等各个环节。
在汽车工业中，工业机器人末端执行器可以用于汽车零部件的生产和组装，提高生产效率和品质稳定性。
在电子工业中，工业机器人末端执行器可以用于电子产品的组装和测试，提高生产速度和产品质量。
在食品工业中，工业机器人末端执行器可以用于食品加工和包装，提高生产效率和卫生安全性。
工业机器人 码垛机器人末端执行器应用
任务实施
2. 码垛参数的设置
左上图是在参数界面中指定行、列、层数； 左下图是在示教（即输入记录）4个典型位置
任务实施
3.抓抱式末端执行器的结构（例源自）：当末端执行器到达抓取位置后， 程序指令给气缸左腔供气，活塞杆 伸出，推动摇臂绕翻转轴顺时针旋 转。摇臂、翻转轴和爪臂三者刚性 连接，由此带动手爪绕翻转轴中心 顺时针转动；
工业机器人末端执行器的分类 与应用
任务三
项目二 工业机器人末端执行 器的分类与应用
码垛机器人末端执行器应用
导入
机器人码垛展示工作站的组成和工作原理？ 码垛机器人末端执行器的结构和工作原理？
目录
学习目标
知识准备
任务实施
主题讨论
学习目标
学习目标
知识目标
1 掌握码垛展示工作站的工作原理 2 掌握码垛机器人末端执行器的结构
任务实施
2. 码垛参数的设置
对于FANUC机器人的码垛功能模块，码垛一 个4行、3列、5层的料垛（如图），只需要在程 序中指定料垛的4个典型位置即可：
P(1,1,1)——底层原点 P(1,3,1)——底层1行3列点 P(4,1,1)——底层4行1列点 P(1,1,5)——5层原点
设定这4个典型位置之后，料垛中的其它位 置全部由机器人自动运算得出，无需再人工示教。
学习重点
典型码垛机器人末端执行器的结构
知识准备
▲FANUC M-410iB/140H机器人
是一款具有5自由度的高速码 垛机器人；
最大负载为140kg； 工作范围可达2850mm； J1轴有360度旋转空间； 该机器人具有本体小、手 臂细长、手腕灵活的特点，大大 提高了码垛的生产效率。
知识准备
工作流程
工业机器人技术--装配机器人及操作应用
9.2 装配机器人的系统组成
所
装配机器人的末端执行器是夹持工件移动的一种夹具，类似于搬运、码垛机器
处 位
人的末端执行器，常见的装配执行器有 吸附式、夹钳式、专用式 和 组合式 。
置 ———
➢吸附式 吸附式末端执行器在装配中仅占一小部分，广泛应用于电视、录音机、
—
鼠标等轻小物品装配场合。
【 ➢ 夹钳式 夹钳式手爪是装配过程中最常用的一类手爪，多采用气动或伺服电机驱
工业机器人技术--装配机 器人及操作应用
章节目录
学习目标 导入案例
9.1 装配机器人的分类及特点
9.2 装配机器人的系统组成
9.3 装配机器人的作业示教
9.3.1 螺栓紧固作业 9.3.2 鼠标装配作业
课堂认知 扩展与提高 本章小结
思考练习
9.4 装配机器人的周边设备 ….
9.4.1 周边设备 9.4.2 工位布局
处 配作业，在其作业中常用到的传感系统有 视觉传感系统、触觉传感系统 。
位 置
➢触觉传感系统 装配机器人的触觉传感系统主要是时刻检测机器人与被装配
——— 物件之间的配合，机器人触觉可分为 接触觉、接近觉、压觉、滑觉和力觉 等
—
五种传感器。在装配机器人进行简单工作过程中常见到的有 接触觉、接近觉
【
和力觉 等。
2 ） 精度高，具有极高重复定位精度，保证装配精度； 3 ） 提高生产效率，解放单一繁重体力劳动；
4 ） 改善工人劳作条件，摆脱有毒、有辐射装配环境；
5 ）可靠性好、适应性强，稳定性高；
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9.1 装配机器人的分类及特点
所 装配机器人在不同装配生产线上发挥着强大的装配作用，装配机器人大多由 4-
工业机器人的组成及其作用
工业机器人的组成及其作用工业机器人是一种能够自动化地执行各种工业应用任务的智能机器人，它们由多种部件组成。
本文将介绍工业机器人的组成及其作用。
一、机器人机械结构工业机器人的机械结构主要包括机械臂、关节、末端执行器等。
机械臂是工业机器人的主体结构，通常是一个具有多个关节的可运动自由度臂体。
关节是机器人的关键部件之一，它们连接机械臂和末端执行器，使机器人能够精确控制和定位。
末端执行器则负责将机器人的动作转换成物理操作，例如旋转、夹紧和切割等。
二、电子控制系统电子控制系统是工业机器人的重要组成部分，由控制器、传感器、执行器和伺服驱动器等多种组件组成。
控制器是机器人的大脑，它能够控制机械臂和末端执行器完成复杂的动作。
传感器能够实时监测机器人的状态和环境，从而更加精确地进行控制。
执行器则是机器人运动的实际载体，伺服驱动器能够更好地控制执行器的运动精度。
三、软件系统软件系统是工业机器人的核心，它通常包括控制软件、应用软件和教学软件等。
控制软件可以实现机器人的运动和操作控制，应用软件则用于特定的工作和任务，例如焊接、搬运和装配等。
教学软件则可以模仿人体动作，并使工业机器人完成功能控制和操作。
四、工业机器人的应用工业机器人的应用非常广泛，例如在汽车制造、电子生产、食品加工和医疗行业等。
在制造业中，工业机器人可用于自动化生产线，提高生产效率和质量，并实现无人化生产。
在医疗行业中，工业机器人可以被用来进行手术和治疗，提供更加可靠和准确的治疗方案。
总之，工业机器人的组成与作用非常复杂和广泛，它们不仅可以提高生产效率和质量，还可以改善工作环境和保障工人的安全。
未来随着技术的进步，工业机器人在各个领域的应用将会越来越广泛。
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采用自动寻找法，机器人不需将待装 工件装入配合零件，只要将其送到安装孔 附近即可。
任务实施
请观看微课视频：“装配机器人末端执行器应用”
主题讨论
讨论问题
装配末端执行器有哪些部分组成？ 柔顺装配主要有哪些措施？
1.“空调外壳压缩机装配展示单元”的组成和工作原理； 2. 装配末端执行器的结构； 3. 机器人装配生产案例； 4. 柔性装配。
任务实施
1.“空调外壳压缩机装配展示单元”的组成
机器人抓取原料库的 压缩机外壳，放置到装配 工位，在装配工位上与其 他零件组装后，再由机器 人将装成品移放到成品库。
原料库、装配工位、 成品库的支架均由工业铝 型材制成，支架下端必须 通过工作台固定角座与工 作站底板固定，而底板是 一块整体钢板，机器人底 座也固定在这块钢板上。 这样，原料库、装配工位、 成品库、机器人4者的位 置关系完全固定，不可移 动，保证机器人搬运产品 时，拿、放位置准确。
任务实施
4. 末端执行器的组成及结构
末端执行器 通过安装法兰固 定在机器人的末 端，夹具体与安 装法兰一体，两 个夹爪安装在夹 具体上，通过驱 动机构和导向机 构（见项目三） 实现张开与合拢 的动作。
每个夹爪上 固定有两个手指， 这样四个手指合 拢时，将圆柱形 的压缩机外壳夹 紧。
任务实施
4. 末端执行器的组成及结构
这种结构 还有类似V形块 的自定心作用， 即工件有自动 滑向同爪两个 手指中间的趋 势。
任务实施
5. 两爪4指气缸的结构特点
两爪4指气缸有卧式和立式两种。卧式的手指方向 与夹具的长度方向垂直（中图）；立式的手指方向与夹 具的长度方向一致（右图，即本任务视频案例）。
注意，同一手 爪上的两个手 指的间距是固 定的，必须按 照零件上与两 手指接触部位 的间距进行设 计，因此这种 执行器对不同 种零件的适应 性较差。
任务实施
6. 机器人装配： 例1）将气门装入气门导管：配合间隙通常在0.2~0.25毫米之间
任务实施
6. 机器人装配： 例2）安装轮胎螺丝 4个螺栓同时拧紧，并且可以设定拧紧力矩大小。
任务实施
6. 机器人装配： 例3）装配电机转子 将电机转子轴插入轴承座孔。
任务实施
6. 机器人装配： 例4）装配发动机 将活塞装入气缸套中
工业机器人末端执行器的分类 与应用
任务四
项目二 工业机器人末端执行 器的分类与应用
装配机器人末端执行器应用
导入
机器人装配展示工作站的组成和工作原理？ 装配机器人末端执行器的结构和工作原理？
目录
学习目标
知识准备
任务实施
主题讨论
学习目标
学习目标
知识目标
1 掌握装配展示工作站的工作原理 2 掌握装配机器人末端执行器的结构
电缆由三部分组 成：
一是视觉相机的 数据电缆，包括相机 照明灯电缆；
二是为驱动夹爪 开合的气缸提供压缩 空气的管路；
三是夹爪抓空信 号线，用于当夹爪未 抓到零件时（如补料 不及时等），机器人 通过该信号，控制程 序反复进行抓取动作， 直到抓到零件为止， 或反复一定次数后， 向监控人员报错。
任务实施
学习重点
典型装配机器人末端执行器的结构
知识准备
▲FANUC Robot M-710iC机器人
是一款具有6自由度的高速装 配机器人；
最大负载为70kg； 工作范围可达2050mm； J1轴有360度旋转空间； 该机器人具有本体小、手 臂细长、手腕灵活的特点，大大 提高了装配的生产效率。
知识准备
工作流程
的有效途径就是增加机械手和装配件在约束环 境中的适从性。
适从是用机器人所操作的工件和环境之 间的接触力来修正它们的相对位置和运动。
（1）采用力信息反馈（力传感器）的适 从称为主动适从；
（2）机械结构在外力作用下的适从称为 被动适从。
（3）自动寻找法
任务实施
7.柔顺装配：
3）自动寻找法 使待装配的零件自动寻找正确的
5. 两爪4指气缸的结构特点
两爪气缸（左图）是最常用的气动元件，它的优点是结构简单，价格便宜。 但两爪气缸最大的缺点是，只能对被抓工件进行一个方向(Y)的定位，并且只能 抓取工件的平面部位。
在需要抓取圆形工件，或者需要对工件进行2个方向（X,Y）定位时，可以在 两爪气缸的基础上进行改进，将每个手爪上固定2个手指，这样，4个手指就可 以对圆形或曲面零件进行抓取（中图，右图）。
任务实施
7.柔性装配：
1）机器人进行装配作业遇到的问题： ——装配零件之间位置关系的误差和不确
定性。 由于机器人本身的定位误差、末端执行
器的定位误差、工作台上被安装零件的定位误 差、毛零件的形状误差等原因，使得机器人将 零件移送到工作台上零件附近，准备进行装配 时，两者相对位置误差没有达到装配时的精度 要求，出现图中所示情况。
具有精确位置伺服以及刚度很大的机器 人不适合执行装配过程中频繁产生接触的场合， 因为很小的位置偏差将产生巨大的接触力，对 于机械手和装配件都是非常有害的。
（a）轴孔的轴线平行，但不重合，存在偏 移X； （b）由于定位精度不够，造成轴未插入孔 中时，存在夹角θ ；
任务实施
7.柔顺装配：
2）柔顺装配方法： 克服刚体之间相互接触而产生巨大接触力
位置，待装配的零件按照随机或预想 的轨迹运动，直到一个偶然的机会与 配合对象对准重合。
如图(a)所示，由于轴线偏差的存 在，气流流过待装轴时受到的阻力不 同（左侧大，右侧小），在工件两侧 的流速也就不同，V2>V1，因此，在 轴周围形成压力差，F1>F2，通过压 力差的作用将轴修正并吸入孔中。
图(b)是通过磁场分力f1来修习，使我们进 一步学习了机器人末端执行器的结构和工作原理， 并了解了柔顺装配的基本原理。
谢谢观看
任务实施
2.内置的iRVision视觉软件
机器人系统利用 内置的iRVision视觉 软件，通过移动装在 手部的2D相机，可对 摆放不同位置的压缩 机实现拍照定位，然 后抓取，有效降低了 人工劳动强度，降低 了对原料库供料位置 的精度要求。
任务实施
3.视觉相机的安装方式
视觉相机有两种安装方式： 一是相机安装在机器人手臂末端，即与末端 执行器装在一起（如本例），随机器人移动。这 样相机可以有较大的视觉范围，缺点是增加了末 端执行器的复杂程度，并且机器人的运动速度不 能太快，一般用在串联机器人上。 第二种安装方式是相机安装在固定支架上， 这一般用在并联机器人配合传送带，进行零件快 速分拣的情况（如项目一和二中）。因为并联机 器人一般运行速度较快，如果带相机一起运动对 相机的工作有影响，另外，高速运动要求末端执 行器的重量尽可能轻，因此，相机一般用支架固 定，不装在机器人上。 在传送带上分拣零件时，由于传送带宽度一 般不宽，相机的视野范围完全可以覆盖，因此固 定相机就可以满足要求。