《机器人结构设计》
工业机器人结构设计
1绪论1.1工业机器人概述工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。
从某种意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非工业领域的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
工业机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，由它代替人进行正常的工作，意义更为重大。
因此，工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。
工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。
1.2工业机器人的组成和分类1.2.1工业机器人的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。
SCARA机器人装配及结构设计
SCARA机器人装配及结构设计一、SCARA机器人的结构设计1.底座：SCARA机器人的底座是机器人的支撑结构，通常由坚固的金属材料制成，以确保机器人的稳定性和刚性。
2.铰链臂：SCARA机器人的铰链臂由几个关节连接而成，可以实现自由度的运动。
通常，它由两个旋转关节和一个平移关节组成。
旋转关节负责机器人的水平旋转运动，而平移关节负责机器人的垂直运动。
3.终端执行器：SCARA机器人的终端执行器通常是机器人手臂的工作部分，用于进行装配和包装等操作。
根据不同的应用需求，终端执行器可以是夹子、吸盘或工具握持器等。
4.控制系统：SCARA机器人的控制系统通常由电脑和控制器组成，用于控制机器人的运动。
控制系统可以根据预设的程序和传感器反馈的信息来进行调整和控制。
二、SCARA机器人的装配过程1.连接底座：首先，将机器人的底座与工作平台或其他支撑结构连接，确保机器人的稳定性和安全性。
2.安装铰链臂：将机器人的铰链臂插入底座上的旋转关节，并用螺丝固定。
确保旋转关节可以自由旋转，但又不会摇晃或松动。
3.安装平移关节：将机器人的平移关节连接到铰链臂的末端，并用螺丝固定。
确保平移关节可以平稳地移动，但又不会滑动或卡住。
4.安装终端执行器：根据不同的应用需求，选择适当的终端执行器，并将其连接到机器人的平移关节上。
确保终端执行器可以牢固地固定在平移关节上，并具有良好的操作性能。
5.连接控制系统：将机器人的控制系统与电脑和控制器连接，确保机器人可以接收和执行指令。
同时，连接必要的传感器和开关，以确保机器人的安全性和操作性能。
6.校准和测试：完成机器人的装配后，进行校准和测试。
校准包括机器人的零点位置校准、关节运动范围校准等。
测试包括机器人的运动测试、负载测试、精度测试等。
通过校准和测试，确保机器人能够正常工作并达到预期的性能。
总结：SCARA机器人是一种常见的装配机器人，其结构设计和装配过程需要注意机器人的稳定性、可靠性和操作性能。
《机器人结构设计》课件
螺丝连接
适用于各种材料的连接，拆卸 方便，但连接强度较低。
粘接
适用于塑料、玻璃等材料的连 接，操作简便，但耐久性较差
。
扣件连接
适用于各种材料的连接，连接 强度较高，拆卸方便。
驱动系统设计
01
02
03
电动机驱动
利用电动机产生的扭矩或 直线推力驱动机器人运动 。
液压驱动
利用液压油产生的压力驱 动机器人运动，具有较大 的推力。
详细描述
可变形机器人通过先进的材料、驱动系统和控制算法，实现 自主变形和适应环境变化的能力。这种机器人可以在复杂环 境中执行任务，如搜救、探测和军事行动等。
微型机器人
总结词
微型机器人是指尺寸微小的机器人， 具有高度的机动性和灵活性。
详细描述
微型机器人在微纳操作、医疗、环保 等领域具有广泛的应用前景。通过精 密制造和智能控制技术，微型机器人 可以实现复杂的运动和操作功能，如 细胞操作、药物输送等。
02
足式机器人由腿部、关节、电机、控制器和身体等部分组成，
可以通过调节电机的输出实现机器人的步态控制。
足式机器人在人机交互、影视特效、反恐等领域有广泛应用。
03
飞行机器人
飞行机器人是一种能够在空中飞行的 机器人，具有高度的机动性和灵活性 。
飞行机器人在航拍、侦查、搜救等领 域有广泛应用。
飞行机器人通常由机翼、电机、控制 器和机身等部分组成，通过调节电机 的输出实现机器人的升降、俯仰、偏 航等动作。
环境中能够正常运行。
工业机器人
工业机器人是一种用于工业生产 的机器人，如焊接机器人、装配
机器人等。
工业机器人的结构设计需要考虑 机器人的负载能力、精度、稳定
履带侦察机器人结构设计
履带侦察机器人结构设计
履带侦察机器人的结构设计基本上包括底盘设计和机身设计两个部分。
底盘设计：
1. 履带：使用履带作为机器人的底盘，以增强其在不平地形上的稳定性和通过能力。
2. 驱动系统：采用电动马达驱动履带的转动，以使机器人能够自由移动。
3. 悬挂系统：在履带上安装悬挂装置，以增加机器人通过不平地形的能力。
4. 转向系统：设置转向装置，使机器人能够改变行进方向。
机身设计：
1. 机身外壳：机身外壳应具有坚固耐用的特性，以保护内部机械部件免受外部环境的影响。
2. 摄像装置：在机身上安装摄像装置，用于收集和传输图像信息。
3. 传感器：在机身上配置环境感知传感器，如红外传感器、雷达等，以提供机器人周围环境的感知能力。
4. 数据传输装置：通过在机身上设置数据传输装置，将机器人收集到的信息传输给操作者或其他系统。
5. 能源系统：机身内部配置电池或电源供应装置，为机器人的电动驱动系统和其他电子部件提供能源。
总的来说，履带侦察机器人的结构设计需要考虑到机器人在不
同地形中的行进能力和操作需求，并充分利用各种传感器和装置来实现侦察任务的要求。
工业机器人第四章-工业机器人结构设计
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
移动机器人结构设计
移动机器人结构设计一、引言随着科技的快速发展，机器人技术不断取得新突破，其中，移动机器人的发展尤为引人注目。
移动机器人的应用场景广泛，包括但不限于服务型机器人、工业自动化、无人驾驶、智慧城市等领域。
结构设计是移动机器人设计的重要组成部分，其决定了机器人的运动性能、稳定性和耐用性。
本文将对移动机器人的结构设计进行深入探讨。
二、移动机器人的基本结构移动机器人通常由以下几部分组成：1、运动系统：包括轮子、履带、足等运动部件，用于实现机器人的移动。
2、控制系统：包括电机、驱动器、控制器等，用于驱动运动部件，控制机器人的运动轨迹和速度。
3、感知系统：包括摄像头、激光雷达、GPS等感知设备，用于获取周围环境信息，为机器人提供导航和定位数据。
4、计算系统：包括计算机主板、处理器、内存等，用于处理感知数据，做出决策，控制机器人的运动。
5、电源系统：包括电池、充电器等，为机器人的运行提供电力。
三、移动机器人的结构设计要点1、轻量化设计：为了提高机器人的移动性能和续航能力，需要尽量减轻机器人的重量。
因此，应选择轻质材料，优化结构设计，减少不必要的重量。
2、稳定性设计：机器人在移动过程中需要保持稳定，避免因摇晃或震动导致结构损坏或数据丢失。
因此，需要设计合适的支撑结构和防震措施。
3、耐用性设计：考虑到机器人的使用寿命和维修需求，结构设计应便于维护和更换部件。
同时，应考虑材料和部件的耐久性，确保机器人在恶劣环境下的正常运行。
4、适应性设计：由于应用场景的多样性，机器人的结构应具有较强的适应性。
例如，在复杂地形或狭小空间中，机器人需要具备爬坡、过坎、越障等能力；在无人驾驶领域，机器人需要具备快速反应和灵活避障的能力。
因此，结构设计应具有足够的灵活性和可扩展性，以满足不同场景的需求。
5、安全性设计：考虑到机器人与人或其他物体的交互，结构设计应确保安全性。
例如，应避免尖锐的边缘和突出的部件，以减少碰撞风险；在感知系统中加入安全预警机制，避免潜在的危险情况。
(完整word版)工业机器人结构设计
1绪论1.1工业机器人概述工业机器人由操作机（机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。
特别适合于多品种、变批量的柔性生产。
它对稳定、提高产品质量,提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域.机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。
机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力。
从某种意义上说它也是机器进化过程的产物，它是工业以及非工业领域的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。
机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。
工业机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产，尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，由它代替人进行正常的工作，意义更为重大.因此，工业机械手在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用.工业机械手的结构形式开始比较简单专用性较强，仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手。
随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。
由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。
1.2工业机器人的组成和分类1。
仿青蛙跳跃机器人的结构设计
仿青蛙跳跃机器人的结构设计1. 仿青蛙跳跃机器人概述随着科技的发展，机器人技术在各个领域的应用越来越广泛。
仿生机器人作为一种模仿生物形态和行为的新型机器人，受到了广泛关注。
本篇文档将详细介绍一种仿青蛙跳跃机器人的结构设计。
仿青蛙跳跃机器人是一种以青蛙为原型，模拟其跳跃行为的机器人。
其主要特点在于模仿青蛙的肌肉结构、关节运动和平衡机制，使其具有优异的跳跃能力和灵活性。
这种机器人不仅可以应用于军事侦察、救援行动等危险环境，还可以在体育、娱乐等领域发挥重要作用。
躯干结构：躯干是机器人的主体部分，负责支撑四肢和各种传感器。
采用轻质材料制作，以减轻整体重量，提高跳跃能力。
四肢结构：四肢包括前肢和后肢，分别模拟青蛙的前臂和后腿。
每个肢体的关节由伺服电机驱动，实现弯曲、伸展和扭转等功能。
腿部结构：腿部结构负责提供跳跃的动力和稳定性。
采用弹性材料制作，以吸收冲击力，保护内部结构。
滑行装置：滑行装置位于机器人底部，用于在地面滑动。
可以采用滑轮、轮胎等不同类型的滑行装置，根据实际需求进行选择。
传感器模块：传感器模块用于感知周围环境，如地形、障碍物等。
包括深度传感器、触觉传感器、声音传感器等，为机器人提供丰富的信息来源。
控制系统：控制系统负责指挥和协调各部件的工作。
采用嵌入式控制系统，具有较高的处理能力和稳定性。
仿青蛙跳跃机器人通过模仿青蛙的跳跃行为，实现了高效、灵活的跳跃能力。
在未来的发展中，这种机器人将在更多领域发挥重要作用，为人类的生产和生活带来更多便利。
1.1 研究背景随着科技的不断发展，仿生学在各个领域取得了显著的成果。
仿生机器人作为一种新兴的研究领域，旨在通过模仿生物体的结构、功能和行为来设计和制造具有特定功能的机器人。
青蛙作为自然界中一种具有高度智能和灵活性的动物，其跳跃能力在动物界中独树一帜。
研究如何将青蛙跳跃机制应用于机器人的设计中，具有重要的科学价值和实际应用前景。
仿青蛙跳跃机器人的研究逐渐受到国内外学者的关注，这类机器人在军事、医疗、救援等领域具有广泛的应用潜力。
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成本高
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模块化结构设计
模块化工业机器人。由一些标准化、系列化的模块件通过具有 特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。
模块化工业机器人的特点
(1)经济性。
设计和制造通用性很强的工业机器人是很不经济的，价
格昂贵。用户希望厂商能为诸多的作业岗位提供可选择的，
自由度尽可能少，控制和编程简单，实用性强的专用机器
②为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的 手臂模块或加接手臂模块。下图所示是一种多关节多臂检测机 器人，不仅多臂模块组合成的手臂很长，而且手臂可作波浪运 动。
③能不断对现役模块化工业机器人更新改造。比如，用户可 以选用伸缩套筒式手臂模块来更替原有固定长度的模块；随着 控制技术和传感技术的发展，可更换更高性能的控制模块和更 高精度的传感器模块；更换新模块来进行工业机器人的维修保 养。
间接传动 直接驱动
减速比远>1的传 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不
动装置 与关节相 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差，降
连
方便一些运动转换 低可靠性
不经中 间关节或 传动精度高，振动小，控制系统设计困难，
经速比=1的传动 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高，
装置与关节相连 高整理，课件响应快
机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工
具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如
下分析工作：
(1)明确采用机器人的目的和任务。
(2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。
(3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方 案。 如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重 量……
构、尺寸和参数进行修改，加以完善。
机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的
设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅
相成，构成一个完整的机器人系统。
整理课件
6
主体结构设计
主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式 （1）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩 （2）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降 、伸缩 （3）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动 和伸缩 （4）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动
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传动方式选择
（1）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式 （2）工业机器人的传动形式
传动形式 直接连结传动
特征
优点
直接装在关节上 结构紧凑
缺点
需考虑电机自重，转 动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装 不需考虑电机自重， 额外的间隙和柔性，
置与关节相连 平衡性良好
结构庞大，能耗大
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5
3、仿真分析
(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。
(2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满
足要求。
(3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实
现机器人的运动仿真。
(4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿
真计算。
(5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结
工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同 工艺过程所要求的定位精度如下：
金属切削机床上下料：±(0.05-1.00) mm 冲床上下料：±1 mm
模锻：
±(0.1-2.0) mm 点焊： ±1 mm
装配、测量： ±(0.01-0.50) mm 喷涂： ±3 mm
当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹 具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。
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4
(2) 机器人运动形式的选择。 常见机器人的运动形式有 五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 SCARA型。 (3) 拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便结 构设计时考虑安装位置。
(4) 确定控制系统总体方案，绘制框图。 (5) 机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设计 具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。
(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。
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3
2、技术设计
(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、 运动速度及定位精度等。
举例：定位精度的确定
机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手 本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚 性、驱动方式、缓冲方式等。
工业机器人的本体结构设计
任务1：工业机器人的总体设计 任务2：工业机器人的驱动与传动 任务3：机身和臂部设计 任务4：腕部设计
任务5：手部设计
整理课件
1
任务1 工业机器人总体设计
总体设计的步骤 主体结构设计 传动方式选择 模块化结构设计 材料选择 平衡系统设计
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2
总体设计的步骤
1、系统分析
人。
机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量
制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼
装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。
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9
(2)灵活性。其主要体现在：
①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机 器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多 台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴 模块,工业机器人成为移动式机器人。
(3)虽然功能模块的形式有多种多样，但是尚未真正做到 根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。
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12
机器人本体材料的选择
强度高
弹性模量大
重量轻
经济性好 阻尼大
材料选择 基本要求
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13
(1)强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅 能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减 轻重量。
整理课件
10
整理课件
11
3.模块化工业机器人所存在的问题
(1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。因为 模块之间的结合是可方便拆卸的，尽管在设计上已经注意到 了标准机械接口的高精度要求，但实际制造仍会存在误差， 所以与整体结构相比刚度相对地差些。
(2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工 业机器人的整体重量有可能增加。
(2)弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度(或变形量)与 材料的弹性模量E、G有关，弹性模量越大，变形量越小，刚度 越大。不同材料的弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性 对弹性模量却没有多大差别。比如，普通结构钢的强度极限为 420MPa，高合金结构钢的强度极限为2000～2300MPa，但是 二者的弹性模量 E 却没有多大变化，均为210000MPa。因此， 还应寻找其它提高构件刚度的途径。