第2章机器人机械结构讲解
• 为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对 空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动 的 三 个 自 由 度 ， 分 别 称 为 翻 转 R （ Roll ） 、 俯 仰 P （Pitch）和偏转Y（Yaw）。
• 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据 实际使用的工作性能要求来确定。
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
44
1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
45
2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕
• 结构特点：
–采用双回转油缸驱动，一个带动手腕作俯仰 运动，另一个油缸带动手腕作回转运动。
• 单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一 个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于360°。 该运动用折曲关节（B关节）实现。
• Ｔ手腕－移动关节(Translation)
38
单自由度手腕图例：
R手腕 B手腕
B手腕 T手腕 39
1．按自由度的数目分（2）：
• 二自由度手腕： –可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关 节实现，或由两个B关节组成BB关节实现， 但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因 为两个R关节的功能是重复的，实际上只起 到单自由度的作用。
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
–V-V视图表示的回转缸中动片带动回转油缸 的刚体，定片与固定中心轴联结实现俯仰运 动；L-L视图表示回转缸中动片与回转中心 轴联结，定片与油缸缸体联结实现回转运动。
47
双回转油缸驱动手腕图例：
48
4）轮系驱动的二自由度BR手腕：
• 结构特点：
–由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动，其 中手腕的回转运动由传动轴S传递，手腕的 俯仰运动由传动轴B传递。
2.3 手部结构
一、手部的特点
手部是一个独立的部件，手部对整个机器人完 成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着 夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。
1.手部与手腕相连处可拆卸：
• 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持 对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机 器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部 与手腕处的接头具有通用性和互换性。
8
（2）双臂配置
双臂同步升降和回 转机器人，两臂互 成直角，当两臂下 降时，上料手在料 道上取料，下料手 从机床两顶尖取下 工件。两臂上升后 转900再下降，上料 手将毛坯放到顶尖 间，下料手放工件
双臂同步回转机 器人，两臂的伸 缩分别驱动用来 完成较大行程的 提升与转位工作， 双臂对称布置， 较平稳
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
27
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
28
3．关节型机械臂的结构（2）
• 各运动的实现：
– 腕部的旋转：
• 电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
– 腕部俯仰：
• 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
– 肘关节摆动：
6
2.立柱式
（1）单臂配置 固定的立柱上配置单个臂， 一般臂部水平或倾斜安装 在立柱的顶部。右图为立 柱式浇注机器人，以平行 四边形铰接的四连杆机构 作为臂部，实现俯仰运动。 浇包始终铅垂，该装置结 构简单，稳定可靠
7
右图为铣端面，打中心孔机 床的上料机器人，臂架2带动 臂3绕机身立柱1回转，同时， 通过行星齿轮使臂3绕臂架2的 轴线回转，手部夹持中心的轨 迹为一空间曲线，能迅速地将 工件从料架送到机床的夹具上， 但惯性较大，适用于中小型工件
Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动
58
轮系驱动三自由度手腕图例（5）：
• 附加回转运动：
–轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架
回转时→迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、
Z13、Z14、Z15实现附加回转运动
59
• 思考题：
1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？ 2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？ 动。3、齿轮17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试分析其60 运
双臂水平交叉配置 机器人，它通过两 臂同时升降，交错 伸缩，实现一手上 料，一手下料
9
双臂立柱式机器人，双臂 位于机身的前后两侧，可 同时绕立柱轴线回转和绕 水平轴作方向相反的俯仰 运动。
10
3.机座式（1）
11
机座式（2）
可将几台机器围绕机器人
布置，该机器人负责传送
工件
12
4.屈伸式
大小臂在垂直于机床轴 线的平面上运动，借助 腕部旋转900，把工件放 到机床顶尖间
31
腕部俯仰局部图例：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
32
肘关节局部图例：
电机M3 →两级同步带 传动B3、B3′→减速器 R3→肘关节摆动n3
33
动n2
34
2.2 腕部和手部结构
• 一.腕部
• 是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态 的作用。
55
轮系驱动三自由度手腕图例（2）：
• 俯仰运动：
–轴 B 旋 转 → 齿 轮 副 Z24/Z21 ， Z21/Z22→ 齿 轮 副 Z20 、 Z16→齿轮副Z16、Z17→齿轮副Z17、Z18→轴19旋转 →手腕壳体与轴19固联→实现手腕的俯仰运动
56
轮系驱动三自由度手腕图例（3）：
• 360度回转运动：
51
轮系驱动二自由度手腕图例（3）：
• 附加回转运动：
轴S不转而B轴回转→锥 齿轮Z3不转→锥齿轮Z3、 Z4相啮合→迫使Z4绕C轴线 有一个附加的自转，即为 附加回转运动。 • 附加回转运动在实际使用 时应予以考虑。必要时应
加以利用或补偿。
52
附加运动动作分解：
轴主动
行星运动
齿轮固 定不动
53
40
二自由度手腕图例：
BR手腕
BB手腕
RR手腕(属于单自由度)
41
1．按自由度的数目分（3）：
• 三自由度手腕：
–有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕 可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功 能。
42
三自由度手腕图例：
BBR手腕
B
BBR手腕
43
2．按手腕的驱动方式分：
• 直接驱动手腕：
–驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕 的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻 而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液 压马达。
它没有直移型的升降 装置，而是靠腿部 和腰部的屈伸运动 实现升降。须有驱 动肩关节，腰关节， 腿部的驱动装置
18
五.机械臂的典型结构
• 1.手臂直线运动的机构 • 常见方式：
–行程小时：采用油缸或气缸直接驱动； –当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动齿条传动的
倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动，并通过 丝杆螺母来转换为直线运动。 • 典型结构： –电机驱动的丝杆螺母直线结构
19
电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例
20
2．手臂的回转运动机构
• 常见方式：
– 常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活 塞及连杆传动机构等。
• 曲柄滑块机构： • 典型机构：
– 液压缸—连杆回转机构： – 齿轮驱动回转机构：
21
22
双臂机器人手臂结构图例：
运动特点：
手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制 活塞的行程就控制 了手臂摆角的大小。
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
61
• 手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手 部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一 定要求具有互换性。
• 2．手部是末端操作器：可以具有手指，也可 以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工 具。
• 3．手部的通用性比较差：工业机器人的手部 通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种 或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件； 一种工具只能执行一种作业任务。
大小臂回转平面垂直
13
四.机身的结构形式
1.升降回转 型机身结构
14
2.升降台式
活塞杆11带动 下移轴 8左右移动，通过连杆 使平台升降
15
2.俯仰式
• 4是回转油缸， • 7是俯仰油缸
16
• 3.直移型机身结构 直移型型机器人多为悬挂式的，其机身实际上 就是手臂的横梁
17
4.类人机器人机身
• 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
29
腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
• 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据 实际使用的工作性能要求来确定。
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
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1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
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2）. 单回转腕部 结构示例
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3）双回转油缸驱动手腕
• 结构特点：
–采用双回转油缸驱动，一个带动手腕作俯仰 运动，另一个油缸带动手腕作回转运动。
• 单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一 个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于360°。 该运动用折曲关节（B关节）实现。
• Ｔ手腕－移动关节(Translation)
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单自由度手腕图例：
R手腕 B手腕
B手腕 T手腕 39
1．按自由度的数目分（2）：
• 二自由度手腕： –可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关 节实现，或由两个B关节组成BB关节实现， 但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因 为两个R关节的功能是重复的，实际上只起 到单自由度的作用。
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
–V-V视图表示的回转缸中动片带动回转油缸 的刚体，定片与固定中心轴联结实现俯仰运 动；L-L视图表示回转缸中动片与回转中心 轴联结，定片与油缸缸体联结实现回转运动。
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双回转油缸驱动手腕图例：
48
4）轮系驱动的二自由度BR手腕：
• 结构特点：
–由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动，其 中手腕的回转运动由传动轴S传递，手腕的 俯仰运动由传动轴B传递。
2.3 手部结构
一、手部的特点
手部是一个独立的部件，手部对整个机器人完 成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着 夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。
1.手部与手腕相连处可拆卸：
• 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持 对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机 器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部 与手腕处的接头具有通用性和互换性。
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（2）双臂配置
双臂同步升降和回 转机器人，两臂互 成直角，当两臂下 降时，上料手在料 道上取料，下料手 从机床两顶尖取下 工件。两臂上升后 转900再下降，上料 手将毛坯放到顶尖 间，下料手放工件
双臂同步回转机 器人，两臂的伸 缩分别驱动用来 完成较大行程的 提升与转位工作， 双臂对称布置， 较平稳
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
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五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
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3．关节型机械臂的结构（2）
• 各运动的实现：
– 腕部的旋转：
• 电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
– 腕部俯仰：
• 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
– 肘关节摆动：
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2.立柱式
（1）单臂配置 固定的立柱上配置单个臂， 一般臂部水平或倾斜安装 在立柱的顶部。右图为立 柱式浇注机器人，以平行 四边形铰接的四连杆机构 作为臂部，实现俯仰运动。 浇包始终铅垂，该装置结 构简单，稳定可靠
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右图为铣端面，打中心孔机 床的上料机器人，臂架2带动 臂3绕机身立柱1回转，同时， 通过行星齿轮使臂3绕臂架2的 轴线回转，手部夹持中心的轨 迹为一空间曲线，能迅速地将 工件从料架送到机床的夹具上， 但惯性较大，适用于中小型工件
Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动
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轮系驱动三自由度手腕图例（5）：
• 附加回转运动：
–轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架
回转时→迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、
Z13、Z14、Z15实现附加回转运动
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• 思考题：
1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？ 2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？ 动。3、齿轮17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试分析其60 运
双臂水平交叉配置 机器人，它通过两 臂同时升降，交错 伸缩，实现一手上 料，一手下料
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双臂立柱式机器人，双臂 位于机身的前后两侧，可 同时绕立柱轴线回转和绕 水平轴作方向相反的俯仰 运动。
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3.机座式（1）
11
机座式（2）
可将几台机器围绕机器人
布置，该机器人负责传送
工件
12
4.屈伸式
大小臂在垂直于机床轴 线的平面上运动，借助 腕部旋转900，把工件放 到机床顶尖间
31
腕部俯仰局部图例：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
32
肘关节局部图例：
电机M3 →两级同步带 传动B3、B3′→减速器 R3→肘关节摆动n3
33
动n2
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2.2 腕部和手部结构
• 一.腕部
• 是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态 的作用。
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轮系驱动三自由度手腕图例（2）：
• 俯仰运动：
–轴 B 旋 转 → 齿 轮 副 Z24/Z21 ， Z21/Z22→ 齿 轮 副 Z20 、 Z16→齿轮副Z16、Z17→齿轮副Z17、Z18→轴19旋转 →手腕壳体与轴19固联→实现手腕的俯仰运动
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轮系驱动三自由度手腕图例（3）：
• 360度回转运动：
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轮系驱动二自由度手腕图例（3）：
• 附加回转运动：
轴S不转而B轴回转→锥 齿轮Z3不转→锥齿轮Z3、 Z4相啮合→迫使Z4绕C轴线 有一个附加的自转，即为 附加回转运动。 • 附加回转运动在实际使用 时应予以考虑。必要时应
加以利用或补偿。
52
附加运动动作分解：
轴主动
行星运动
齿轮固 定不动
53
40
二自由度手腕图例：
BR手腕
BB手腕
RR手腕(属于单自由度)
41
1．按自由度的数目分（3）：
• 三自由度手腕：
–有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕 可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功 能。
42
三自由度手腕图例：
BBR手腕
B
BBR手腕
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2．按手腕的驱动方式分：
• 直接驱动手腕：
–驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕 的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻 而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液 压马达。
它没有直移型的升降 装置，而是靠腿部 和腰部的屈伸运动 实现升降。须有驱 动肩关节，腰关节， 腿部的驱动装置
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五.机械臂的典型结构
• 1.手臂直线运动的机构 • 常见方式：
–行程小时：采用油缸或气缸直接驱动； –当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动齿条传动的
倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动，并通过 丝杆螺母来转换为直线运动。 • 典型结构： –电机驱动的丝杆螺母直线结构
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电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例
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2．手臂的回转运动机构
• 常见方式：
– 常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活 塞及连杆传动机构等。
• 曲柄滑块机构： • 典型机构：
– 液压缸—连杆回转机构： – 齿轮驱动回转机构：
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双臂机器人手臂结构图例：
运动特点：
手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制 活塞的行程就控制 了手臂摆角的大小。
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
61
• 手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手 部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一 定要求具有互换性。
• 2．手部是末端操作器：可以具有手指，也可 以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工 具。
• 3．手部的通用性比较差：工业机器人的手部 通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种 或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件； 一种工具只能执行一种作业任务。
大小臂回转平面垂直
13
四.机身的结构形式
1.升降回转 型机身结构
14
2.升降台式
活塞杆11带动 下移轴 8左右移动，通过连杆 使平台升降
15
2.俯仰式
• 4是回转油缸， • 7是俯仰油缸
16
• 3.直移型机身结构 直移型型机器人多为悬挂式的，其机身实际上 就是手臂的横梁
17
4.类人机器人机身
• 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
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腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
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第二章 机器人的机械结构
第二章机器人的机械结构机器人的机械结构是工业机器人的重要组成部分，它的结构在某方面与传统机械有相同之处，又不同于专用设备，它有自己的特点，具有较强的灵活性。
§2-1 手部结构简介工业机器人手部的特点：①手部与手腕相连处可拆卸。
手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便的拆卸和更换手部。
②手部是工业机器人末端操作器。
可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手。
可以是类人的手抓，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。
③手部的通用性比较差。
工业机器人手部通常是专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工作；一种工具又能执行一种作业任务等。
④手部是一个独立的部件。
手部是工业机器人的关键部件之一，是用来抓取物件或握持工具的机构。
由于被握持工件的形状、尺寸、轻重、材质和表面状况不同，手部结构也是多种多样的，大部分都是根据特定件的要求而专门设计的。
各种手部的结构不仅形式不完全相同，而且工作原理也不一样，常用的手部，按握持原理，分为夹持和吸附式两大类。
夹持式：又称手指式，按夹持工件的部分不同，又可分为内撑式和外夹式两种。
吸附式：通常就是指吸盘式，多为气吸和磁吸两种。
外夹式平移式夹持式（手指式）原理形式分为内撑式回转式挤气式空气负压吸盘喷气式吸盘式真空式磁力吸盘一手指式手部手指式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成。
驱动装置：它是为传动机构提供动力，有液压、气动、电动三种形式。
传动机构：往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆等推动杠杆机构实现夹紧和松开动作。
手指：它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件，一般情况下，多采用两个手指，少数为三指或多指。
结构形式取决于被夹持工作的形状和特征。
1 对手指式手部的基本要求：①手指握力（夹紧力）大小适宜。
为使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不脱落，要求手指在夹紧工作时应有足够的加紧力。
工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构
2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而 回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
4．类人机器人型机身结构 类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外 ，还应装有驱动腿部运动 的装置和腰部关节。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
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，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂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。 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：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。
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
Verstran 机器人
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。
第二章工业机器人的机械设计基础
相邻关节轴线垂直或水平
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。
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。
第2章机器人机械系统2概要
大臂 机身
基座
小臂
腕部
连接手部
第二页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与升降机身
回转运动在 下，升降运 动在上
（a）单杆活塞气缸
（b）双杆活塞气缸
链条链轮传动实现机身回转的原理图
第三页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与俯仰机身
第四页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机身设计时要注意下列问题
第十五页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
ABB的IRB4400
ABB的IRB 4600
采用优化设计，开链结构
第十六页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机器人机械结构设计的发展方向
采用有限元、模态分析和仿真设计等现代设计方法； 采用新的高强度轻质材料，进一步提高机器人结构的负载/自重比， 使机器人机构进一步紧凑，速度和范围指标进一步提高；
动部分的质量；②使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；③采取“配重” 的方法来减小和消除偏重力矩。
➢ 运动要平稳、定位精度要高。影响因素：①惯性冲击的
影响；②定位方法的影响；③结构刚性的影响；④控制及驱动 系统的影响等。
第七页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
平衡机器人手臂的重力矩优点如下：
如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。
Euler腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后(J4，J5)，可将安装腕关节上 之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如Fig- 所示。
第二十二页，编辑于星期二：二十三点 二十三 分。
經由特殊設定，可進一步將Owc_s 與Owc 點重合（Fig-8）。如此，Fig-8 便形成理
臂部的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位 置上。 在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷， 尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲 击，影响定位的准确性。
机器人的机械结构ppt课件
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39
图为采用四根导向柱的臂伸缩结构．手臂的垂直伸缩 运动由油缸3驱动．其特点是行程长，抓重大．工件形 状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，采用四根 导向柱．这种结构多用于箱体加工线上．
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40
三、机器人机身和臂部的配置形式（4种）
1. 横梁式 ① 单臂悬挂式 ② 双臂悬挂式 ③ 多臂悬挂 ④ 多用于自动化生产中，在工位间传送工 件
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18
圆柱坐标机器人： 1个回转运动，2个直线运动
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19
球坐标（极坐标）机器人： 2个转动， 1个直线运动
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20
关节坐标机器人：3个转动自由度
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21
SCARA机器人：2个旋转运动， 1个直线运动
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22
机器人 关节1 关节2 关节3 转动关节数
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4
按照应用领域
工业机器人、农业机器人、军事机器人、 医用机器人、空间机器人、水下机器人
按照驱动方式
•液压驱动：机构紧凑、力大、运行平稳，密封
要求高
•气压驱动：结构简单造价低，负荷能力小
•电动驱动：结构简单紧凑，控制灵活
•新型：记忆合金、人工肌肉、压电
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5
按控制方式分类(4种)
5、控制方式：机器人用于轴的控制方式，
伺服/非伺服,PTP/CP
6、驱动方式：关节执行器的动力源形式
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27
7、精度、重复精度、分辨率：用来定义机 器人手部的定位能力。
▪ 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 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器 人驱动器的分辨率及反馈装置有关。
工业机器人技术基础-第二章-机器人结构认识
任务二 工业机器人机械结构的认知
1.关节机器人的特点
1)有很高的自由度,适合于几乎任何轨迹或角度的工作。 2)可以自由编程,完成全自动化的工作。 3)提高了生产率,降低了可控制的错误率。 4)代替很多不适合人力完成、对身体健康有害的复杂工作。 5)价格高,初期投资成本高。 6)生产前期的工作量大。
3.图解法确定工作空间
图解法求工作空间边界,得到的往往是工作空间的各类剖面(或截线),如图1-2-11所 示。它直观性强,便于和计算机结合,以显示操作机的构形特征。用图解法获得的工作 空间不仅与机器人各连杆的尺寸有关,还与机器人 的总体结构有关。
图解法确定工作空间的边界时,需要将关节分为两组,即前三关节和后三关节(有时 为两关节或单关节)。前三关节称为位置结构,主要确定工作空间的大小;后三关节称为 定向结构,主要决定手部姿势。首先分别求出两组关节所形成的腕点空间和参考点在腕 坐标系中的工作空间,再进行包络整合。
利用机器人结构运动简图,能够更好地分析和记录机器人的各种运动和运动组合 ,可简单、清晰地表明机器人的运动状态,有利于对机器人设计方案进行比较和选择。
任务二 工业机器人机械结构的认知
二、工业机器人的运动自由度
1.自由度的概念 描述物体相对于坐标系进行独立运动的数目称为自由度。物体在三维空间有6个
自由度,如图1-2-1所示。
任务二 工业机器人机械结构的认知
3.工件坐标系 工件坐标系是用户自定义的坐标系,用户坐标系也可以定义为工件坐标系。
可根据需要定义多个工件坐标系,当配备多个工作台时,选择工件坐标系操作更为 简单。 4.工具坐标系
工具坐标系是原点位于机器人末端的工具中心点(Tool Center Point,TCP)处 的坐标系,原点及方向都是随着末端位置与角度不断变化的。该坐标系实际是将 基坐标系通过旋转及位移变化而来的。因为工具坐标系的移动以工具的有效方 向为基准,与机器人的位置、姿势有关,所以不改变工具姿势,进行相对于工件的平 行移动最为适宜。
第二章_机器人的机械结构
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部
真空气吸吸附手部
气流负压吸附手部
挤压排气式手
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可 靠等优点。广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料 的吸附。 气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤， 且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工 件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质 致密，没有透气空隙。
(1)夹持类
(2)吸附类
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第二章 机器人的机械结构
1.夹持类 (1)夹钳式 • 手指1 • 传动机构2
• 驱动装置3
• 支架4
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1）手指 ①指端的形状
第二章 机器人的机械结构
V型指
平面指
尖指
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特形指
第二章 机器人的机械结构
②指面型式 根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表 面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面 和柔性指面三种形式。 ③手指的材料 对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和 合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金； 高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下 工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀 的玻璃钢或聚四氟乙烯。
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第二章 机器人的机械结构
（2）磁吸式
磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生 的磁力来吸附材料工件的，应用较广。磁吸式手部不 会破坏被吸件表面质量。磁吸式手部比气吸式手部优 越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面光 洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。磁吸式手部的不足 之处是：被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑 （如铁屑等），影响正常工作。因此对那些不允许有 剩磁的零件要禁止使用。对钢、铁等材料制品，温度 超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式 手部。磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和 电磁铁手部。电磁铁手部由于供电不同又可分为交流 电磁铁和直流电磁铁手部。
机器人技术基础教学课件第2章
Tii Too
Ti ——输入力矩（N·m）；
To ——输出力矩（N·m）；
i ——输入齿轮角位移；
o ——输出齿轮角位移；
机器人技术基础
第二节 机器人的驱动机构
1．齿轮机构
Ti ,i
啮合齿轮转过的总的圆周距离相等，可以 得到齿轮半径与角位移之间的关系：
Rii Roo
TO ,O
Ri ——输入轴上的齿轮半径（m）； R0 ——输出轴上的齿轮半径（m）。
第一节 工业机器人的结构
（3）连杆杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fpc
2b tan a
连杆杠杆式回转型夹持器 1—杆；2—-连杆；3—-摆动钳爪；4—-调整垫片
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（4）齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp R
Fp c
2b sin
楔块杠杆式回转型夹持器 1—-杠杆；2—弹簧；3—滚子；4—楔块；5—气缸
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（2）滑槽杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp a 2b cos2
a
滑槽杠杆式回转型夹持器 1—支架；2—杆；3—圆柱销；4—-杠杆；
机器人技术基础
1．液压驱动
液压隧道凿岩机器人 机器人技术基础
液压混凝土破碎切割机器人
第二节 机器人的驱动机构
2．气压驱动
优点：
缺点：
（1）容易达到高速（1m/s）；
（1）压缩空气压力低；
（2）对环境无污染，使用安全；
（2）实现精确位置控制难度大；
Ti ——输入力矩（N·m）；
To ——输出力矩（N·m）；
i ——输入齿轮角位移；
o ——输出齿轮角位移；
机器人技术基础
第二节 机器人的驱动机构
1．齿轮机构
Ti ,i
啮合齿轮转过的总的圆周距离相等，可以 得到齿轮半径与角位移之间的关系：
Rii Roo
TO ,O
Ri ——输入轴上的齿轮半径（m）； R0 ——输出轴上的齿轮半径（m）。
第一节 工业机器人的结构
（3）连杆杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fpc
2b tan a
连杆杠杆式回转型夹持器 1—杆；2—-连杆；3—-摆动钳爪；4—-调整垫片
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（4）齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp R
Fp c
2b sin
楔块杠杆式回转型夹持器 1—-杠杆；2—弹簧；3—滚子；4—楔块；5—气缸
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（2）滑槽杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp a 2b cos2
a
滑槽杠杆式回转型夹持器 1—支架；2—杆；3—圆柱销；4—-杠杆；
机器人技术基础
1．液压驱动
液压隧道凿岩机器人 机器人技术基础
液压混凝土破碎切割机器人
第二节 机器人的驱动机构
2．气压驱动
优点：
缺点：
（1）容易达到高速（1m/s）；
（1）压缩空气压力低；
（2）对环境无污染，使用安全；
（2）实现精确位置控制难度大；