工业机器人技术基础 工业机器人驱动装置
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第四章 机器人的驱动与传动装置
13
步进电机
步进电机驱动放大器
14
15
4.5 其它驱动器
作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金等
压电微驱动并联机器人
形状记忆合金驱动机器人手
16
4.6 驱动器的选择及安装
1．驱动器的选择
驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件， 以价格高低、技术水平为评价标准。
一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电 动驱动器，并根据机器人的用途选择合适的电机。
只须点位控制且功率较小者，或有防暴、清洁等特殊 要求者，可采用气动驱动器。
负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液 压驱动器。
对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调 速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统。
17
2．驱动器的安装 底座安装——较大体积的驱动器。 法兰安装——中小型驱动器。 卡箍安装——微小型驱动器。 临时安装——微小型驱动器。
第四章 机器人的驱动装置及选择
4.1 机器人驱动装置的类型和特点
机器人
执行机构
传动装置
驱动装置
控制系统
感知系统
手腕臂腰 部部部部
（ 固基
定 或
移座
动
）
电 驱 动 装 置
液 压 驱 动 装 置
气 压 驱 动 装 置
关
节
处 理 器
伺 服 控 制
器
内外 部部 传传 感感 器器
1．电动驱动器类型和特点
气动驱动器可分为以下几种类型。
气缸 气动驱动
气动马达
回转马达 摆动马达
5
气缸
气动回转马达
气动摆动马达
步进电机
步进电机驱动放大器
14
15
4.5 其它驱动器
作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金等
压电微驱动并联机器人
形状记忆合金驱动机器人手
16
4.6 驱动器的选择及安装
1．驱动器的选择
驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件， 以价格高低、技术水平为评价标准。
一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电 动驱动器，并根据机器人的用途选择合适的电机。
只须点位控制且功率较小者，或有防暴、清洁等特殊 要求者，可采用气动驱动器。
负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液 压驱动器。
对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调 速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统。
17
2．驱动器的安装 底座安装——较大体积的驱动器。 法兰安装——中小型驱动器。 卡箍安装——微小型驱动器。 临时安装——微小型驱动器。
第四章 机器人的驱动装置及选择
4.1 机器人驱动装置的类型和特点
机器人
执行机构
传动装置
驱动装置
控制系统
感知系统
手腕臂腰 部部部部
（ 固基
定 或
移座
动
）
电 驱 动 装 置
液 压 驱 动 装 置
气 压 驱 动 装 置
关
节
处 理 器
伺 服 控 制
器
内外 部部 传传 感感 器器
1．电动驱动器类型和特点
气动驱动器可分为以下几种类型。
气缸 气动驱动
气动马达
回转马达 摆动马达
5
气缸
气动回转马达
气动摆动马达
教案-工业机器人基础第5章01
第五章机器人驱动系统5.1机器人驱动系统概述【内容提要】本课主要学习机器人驱动系统的主要几个指标:驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
知识要点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件✓机器人的传动机构✓机器人的制动机构重点：✓机器人的驱动方式✓机器人的驱动元件难点：✓机器人的传动机构关键字：✓驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构【本课内容】【内容提要】本章主要介绍机器人的驱动系统。
内容包括机器人的直接与间接驱动方式，液压、气压、电动驱动元件与特点，驱动机构与传动机构，制动器；液压系统组成与工作原理，液压系统的主要设各；气压系统组咸与王作原理，气压系统的主要设备；直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，步进电动机的结构原理与参数，直线步进电动机简介。
学习完本章的内容后，学生应能够；了解机器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件的性能与特点，熟悉驱动机构、传动机构及其传动方式的图例与特点，了解制动器的基本功能；能够熟练地分析实际机器人的驱动机构、驱动方式与制动原理，能够绘制出传动原理图。
掌握机器人的液压驱动系统的组成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动系统的故障环节。
掌握机器人的气压驱动系统的组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理；能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱动系统的故障环节。
了解伺服系统与伺服电动机的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结构原理与参数，掌握交流电动机与交流伺服电动机的结构原理与参数，掌握步进电动机的结构原理与参数；能够分析电动机驱动系统的工作特性，能够找出电动机驱动系统的控制要点。
5.1机器人驱动系统概述机器人是运动的，各个部位都需要能源和动力，因此设计和选择良好的驱动系统是非常重要的.本节主要介绍机器人驱动系统的主要几个指标；驱动方式、驱动元件、传动机构、制动机构。
工业机器人技术基础5.6工业机器人的驱动装置-液压驱动(3)
• 但液压驱动系统对密封的要求 较高，对温度有要求，此外要 求的制作精度较高，
小臂 铰接活塞缸 大臂 升降缸 夹臂缸 手爪
铰接活塞缸 立柱
二、液压驱动式特点
三、液压驱动式的应用
Nachi的SC700机器人与SC500机器人
自重式手部结构
工业机器人的驱动装置 ——液压驱动式
主要内容
• 液压驱动的工作原理
• 液压驱动式特的工作原理
• 液压驱动将油压泵产生的工作油的压力能，转变成机械能。
高压储能罐 液压 马达/泵
发动机
低压罐
二、液压驱动式特点
• 液压驱动系统具有控制精度较高、可无极调速、反应灵敏、可实现连续轨 迹控制； • 操作力大、功率体积比大，适 合于大负载、低速驱动。
小臂 铰接活塞缸 大臂 升降缸 夹臂缸 手爪
铰接活塞缸 立柱
二、液压驱动式特点
三、液压驱动式的应用
Nachi的SC700机器人与SC500机器人
自重式手部结构
工业机器人的驱动装置 ——液压驱动式
主要内容
• 液压驱动的工作原理
• 液压驱动式特的工作原理
• 液压驱动将油压泵产生的工作油的压力能，转变成机械能。
高压储能罐 液压 马达/泵
发动机
低压罐
二、液压驱动式特点
• 液压驱动系统具有控制精度较高、可无极调速、反应灵敏、可实现连续轨 迹控制； • 操作力大、功率体积比大，适 合于大负载、低速驱动。
工业机器人技术基础 工业机器人技术参数
O B
h
B
h
(b)
（b ）良好定位(精c) 度，很差重复定位精度
(d)
（a）合理定位精度，良好重复定位精度
（c）很差定位精度，良好重复定位精度
工业机器人工作空间
• 定义
工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合
• 参考点
手部中心、手腕中心或手指指尖 参考点不同，工作空间的大小、形状也不同
U-3
L-2
R-4 B-5 T-6
S-1
工业机器人自由度
• 工业机器人是典型机构，我们可以直接数出它的自由度。 • 组成机器人的旋转关节或移动关节，每个关节具有一个自由度! • 通常情况下，每个轴可以增加一个自由度。 • 常见的工业机器人有：4轴，6轴，7轴
工业机器人自由度
• 4自由度—SCARA机器人
• 3个旋转关节+1个移动关节 • 结构轻便、响应快 • 适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业
工业机器人自由度
• 6自由度
• 第一个关节能在水平面自由旋转 • 二、三两个关节能在垂直平面移动； • “手臂”（四关节）+两个“手腕” （五六关节）可
以拿起水平面上任意朝向的部件，以特殊的角度放入 包装产品里。还可以执行许多由熟练工人才能完成的 操作。
工业机器人工作空间
• 决定因素
行程、尺寸、角度
• 意义
工作范围的形状和大小十分重要，机器人在执 行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死 区而不能完成任务。
工业机器人最大速度
• 定义
• 设计角度：工业机器人主要自由度上的最大稳定角速度，单位：rad/s或°/s • 功能角度：在各轴联动的情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度，单位：
《工业机器人技术基础》(第3章)
（a）
（b）
图3-12 磁吸式末端执行器的工作原理
1—线圈；2—铁芯；3—衔铁
3.1.4 专用工具
工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端 执行器来执行各种动作。
这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户 的不同加工需求，如图3-13所示。
（a）
（b） 图3-31 三轮行走机构
（c）
2．四轮行走机构
四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转 向，如图3-32所示。其中，图3-32〔a〕所示为后轮分散驱动；图3-32〔b〕所示为四轮 同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。
（a）
（b）
图3-32 四轮行走机构
3.4.3 轮式行走机构
轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图330所示。车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。
图3-30 轮式行走机构在工业机器人中的应用
1．三轮行走机构
三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图331所示。其中，图3-31〔a〕所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮 速度差实现转向；图3-31〔b〕所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31〔c〕所示为 两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。
3.3.3 臂部结构的设计
工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：
〔1〕臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。 〔2〕合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料。工字形截面的 弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多， 所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。 〔3〕尽量减小臂部重量和整个臂部相对于转动关节的转动惯量，以减小 运动时的动载荷与冲击。 〔4〕合理设计臂部与腕部、机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅 关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。
工业机器人技术基础-第一章-机器人基础知识
任务一 认识工业机器人
图1-1-1 世界上第一台工业机器人Unimate
任务一
2.工业机器人的发展现状
认识工业机器人
机器人作为20世纪人类最伟大的发明之一,自20世纪60年代初问世以来,从简单机
器人发展到智能机器人,意味着机器人技术的发展已取得长足进步。
2005年,日本安川(YASKAWA)公司推出能够从事此前由人类完成的组装及搬运作业 的产业机器人MOTOMAN-DA20和MO-TOMAN-IA20,如图1-1-2所示。MOTOMAN-DA20 机器人是一款在仿造人类上半身的构造物上配备2个六轴驱动臂型的双臂机器人,其上半身 构造物本身具有绕垂直轴旋转的关节,尺寸与成年男性大体相同,可直接配置在此前人类进 行作业的场所。因为可实现接近人类两臂的动作,因此MOTOMAN-DA20机器人可以稳定 地搬运工件,还可以从事紧固螺母以及部件的组装和插入等作业。另外,它与协调控制2个臂 型机器人相比,占地面积更小。其单臂负重能力为20kg,双臂最多可搬运40kg的工件。
任务一 认识工业机器人
(1)第一代机器人——示教再现机器人 示教再现机器人能够按照人类预先示教的轨迹、 行为、顺序和速度重复作业。示教可以由操作人员手把手地进行。例如操作人员握住机器 人上的喷枪,沿喷漆路线示教一遍,机器人会记住这一连串运动,工作时,自动重复这些运动, 从而完成给定位置的涂装工作。这种手把手示教方式即所谓的直接示教, 如图1-1-6a所示。 但是,比较普遍的方式是通过示教器示教,如图1-1-6b所示。操作人员利用示教器上的开关或 按键来控制机器人一步一步运动,机器人自动记录,然后重复。目前在工业现场应用的机器 人大多属于第一代机器人。
管组件受到机械性损伤,而且可以防止软管在机器人改变方
工业机器人技术基础 项目三-工业机器人的机械结构
的台阶，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构。
③ 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。
1.3.2 移动式机座
（3）足式行走机构
车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上
行驶才有理想的运动特性，如果地面凹凸
和车轮直径相当或地面很软，则它的运动
阻力将大大增加。
①可以在高低不平的地段上行走。
作用
• 移动式机座一方面支撑机器人的机身、臂部和手部，因而具有足
够的刚度和稳定性。
分类
• 机器人的行走机构按运动轨迹分为固定轨迹式行走机构和无固定
轨迹式行走机构。
1.3.2 移动式机座
1.固定轨迹式行走机构
固定轨迹一种配置形式，运动形式大多为直移式，具有占地面积小、有效
置。
1.垂直运动
工业机器人要完成空间的
运动，至少需要几个自由
2.径向运动
度进行运动呢？
3.回转运动
3.2.1 工业机器人手臂的运动
1.垂直运动
垂直运动是指机器人手臂的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整
机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。
工业机器人要
完成空间的运
动，至少需要
三个自由度的
总结
1.工业机器人的机械结构由机座、臂部、腕部、末端执行器组成。
2.固定式机器人由大臂、立柱、机座、小臂和手腕组成。
3.足式行走机构主要行走在平坦的地面上，车轮的形状和结构形式取决于地面
的性质和车辆的承载能力
4.履带行走机构由履带板、履带架、驱动链轮、导向轮、驱动轮、支重轮、托
链轮和张紧装置组成。
3.2工业机器人手臂
完成空间的运
动，至少需要
③ 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。
1.3.2 移动式机座
（3）足式行走机构
车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上
行驶才有理想的运动特性，如果地面凹凸
和车轮直径相当或地面很软，则它的运动
阻力将大大增加。
①可以在高低不平的地段上行走。
作用
• 移动式机座一方面支撑机器人的机身、臂部和手部，因而具有足
够的刚度和稳定性。
分类
• 机器人的行走机构按运动轨迹分为固定轨迹式行走机构和无固定
轨迹式行走机构。
1.3.2 移动式机座
1.固定轨迹式行走机构
固定轨迹一种配置形式，运动形式大多为直移式，具有占地面积小、有效
置。
1.垂直运动
工业机器人要完成空间的
运动，至少需要几个自由
2.径向运动
度进行运动呢？
3.回转运动
3.2.1 工业机器人手臂的运动
1.垂直运动
垂直运动是指机器人手臂的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整
机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。
工业机器人要
完成空间的运
动，至少需要
三个自由度的
总结
1.工业机器人的机械结构由机座、臂部、腕部、末端执行器组成。
2.固定式机器人由大臂、立柱、机座、小臂和手腕组成。
3.足式行走机构主要行走在平坦的地面上，车轮的形状和结构形式取决于地面
的性质和车辆的承载能力
4.履带行走机构由履带板、履带架、驱动链轮、导向轮、驱动轮、支重轮、托
链轮和张紧装置组成。
3.2工业机器人手臂
完成空间的运
动，至少需要
工业机器人技术基础-第2版-课件--第1章-工业机器人概论-
实际作业tact time最大缩 监视ROBOT的姿势、负荷， 设置面积A4尺寸，重量约
特
短15%幅度。附加功能：附 依据实际调整伺服增益/滤
加轴控制、追踪机能、
波。
８kg的新设计小型控制器。 搭载独自开发的5节闭连结
点 Ethernet等提升目标。
冲突检知机能，支持原点 机构及64bitCPU；
参 最大合成速度：5.5m/s 数 最大可搬重量：3.5kg
随着工业机器人的应用越来越广泛，我国也在积极推动我国机器人产业的发展。尤其是进入 “十三.五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016-2020）》对机器人产业进行了全面 规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进工业机器人产业化进程。
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
第1章 工业机器人概论
工业机器人技术基础
工业机器人在我国发展概况
中国的机器人产业应走什么道路，如何建立自己的发展模式，确实值得探讨。中国工程院在 2003年12月完成并公开的《我国制造业焊接生产现状与发展战略研究总结报告》中认为，我国应 从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。
目前，我国基本掌握了工业机器人的结构设计和制造、控制系统硬件和软件、运动学和轨迹规划等技术， 形成了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。一些公司开发出的喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人 已经在多家企业的自动化生产线上获得规模应用，弧焊机器人也已广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。总体来 看，在技术开发和工程应用水平与国外相比还有一定的差距。主要表现在以下几个方面：
迅猛。由此可见，未来工业机器人的应用依托汽车产业，并迅速向各行业延伸。对于
机器人行业来讲，这是一个非常积极的信号。
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发动机
液压驱动式：
• 原理：将液压泵产生的工作油的压力能转变成机械能
液压 马达/泵
低压罐
• 优点：控制精度较高、可无极调速、反应灵敏、可实现连续轨迹控制；操作力 大、功率体积比大
• 缺点：对密封的要求较高，不宜在高温或低温的场合工作，要求的制作精度较 高，快速反应的伺服阀成本高，漏夜维护复杂
• 应用：适合于大负载、低速驱动
• 液压驱动器：直线液压缸和液压马达等
驱动装置分类
气动驱动式：
• 原理：靠压缩空气来推动气缸运动进而带动元件运动 • 优点：结构简单，成本低 • 缺点：精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现伺服控制，能效比
较低 • 应用：轻负载，快速驱动，精度要求较低的有限点位控制的工业机器人
驱动装置分类
气动驱动式：
控制精度，速度较高的机器人
驱动装置分类
电动驱动式：
• 电机
• 直流电机
• 步进电机
式：
• 永磁式直流电机
• 低成本永磁电动机（陶瓷磁铁）：玩具机器人和非专业机器人 • 无铁心转子式电动机：小机器人，电感系数很低，摩擦很小，没有嵌齿转
矩，热容量低 • 直流有刷电动机：换向时有火花，对环境的防爆性能较差
• 驱动装置组成：气源，气动三联件，气动阀，气动动力机构 • 气源：空气压缩机（气泵），储气罐，汽水分离器，调压过滤器 • 气动三联件：分水滤气器，调压器，油雾器 • 气动阀：电磁阀、节流调速阀，减压阀 • 气动动力机构：直线气缸和摆动气缸
总结
1. 掌握工业机器人驱动系统的作用和组成 2. 掌握工业机器人三种驱动装置的工作原理、优缺点、 应用
工业机器人驱动装置
学习目标
工业机器人 驱动装置
驱动系统分类、作用、组成，驱动装置分类、优缺点、应用
驱动装置概述
• 作用：驱动系统相当于机器人“肌肉”与筋络，向机械结构系统各部件
提供动力
• 组成：
驱动装置分类
电动驱动式：
• 原理：由电能产生动能，直接或间接地驱动 机器人各关节动作
• 特点：控制精度高，能精确定位，反应灵敏 • 应用：用于中小负载，要求具有较高的位置
驱动装置分类
电动驱动式：
• 无刷电动机
• 无刷直流电动机：在低成本的条件下表现突出 • 交流伺服电动机：应用广，反应迅速、速度不受负载影响、加减速快、精
度高抗过载能力强
驱动装置分类
电动驱动式：
• 步进电动机
• 特点：不累积误差，调速范围相对较小 • 应用：小型或简易型机器人
驱动装置分类
高压储能罐