第6章工业机器人素材优秀PPT.ppt

机械制造装备设计机械制造装备设计全国本科院校机械全国本科院校机械类创类创新型新型应应用人才培育用人才培育规规划教材划教材第第6 6章章 工业机器人工业机器人26.16.26.36.4 概述概述传动机构设计传动机构设计 机身和臂部设计机身和臂部设计 腕部和手部设计腕部和手部设计 本章分六个小节：本章分六个小节：6.5 行走机构设计行走机构设计6.6工业机器人在制造业中的应用工业机器人在制造业中的应用3 6.1 概述概述 工业机器人的定义工业机器人的定义 工业机器人由操作机（机械本体）、限制器、伺工业机器人由操作机（机械本体）、限制器、伺服驱动系统以及检测传感装置等构成，是一种仿人操服驱动系统以及检测传感装置等构成，是一种仿人操作、自动限制、可重复编程、能在三维空间完成各种作、自动限制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的集成度特别高的机电一体化设备。对工业机器作业的集成度特别高的机电一体化设备。对工业机器人的定义不同的国家有不同的看法。人的定义不同的国家有不同的看法。国际标准化组织的定义是：国际标准化组织的定义是：“工业机器人是一种工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程实力的多功能操作机，自动的、位置可控的、具有编程实力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务我国国家标准的定义是：我国国家标准的定义是：“工业机器人是一种能自工业机器人是一种能自动限制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，动限制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。4 6.1 概述概述工业机器人的组成和分类工业机器人的组成和分类 工业机器人的组成工业机器人的组成 工业机器人系统是由机器人和作业对象及环工业机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的，包括三大部分境共同构成的，包括三大部分六个系统，三大部分是机六个系统，三大部分是机械部分、传感部分和限制、械部分、传感部分和限制、部分；六个系统是驱动系部分；六个系统是驱动系统、机械结构系统、感受统、机械结构系统、感受系统、机器人系统、机器人环境交互环境交互系统、人系统、人机交互系统和机交互系统和限制系统限制系统 。数据管理5 6.1 概述概述（1）驱动系统 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；可以干脆驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。（2）机械结构系统 工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。数据管理6 6.1 概述概述（3）感受系统 感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，以获得内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的运用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。（4）机器人环境交互系统 工业机器人环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。数据管理7 6.1 概述概述（5）人机交互系统 人机交互系统是使操作人员参与机器人限制，与机器人进行联系的装置，例如计算机的标准终端、指令限制台、信息显示板、危急信号报警器等。归纳起来为两大类：指令给定装置和信息显示装置。（6）限制系统 限制系统的任务是依据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。依据限制原理可分为程序限制系统、适应性限制系统和人工智能限制系统。依据限制运动的形式可分为点位限制和轨迹限制。数据管理8 6.1 概述概述v 工业机器人的分类v 工业机器人按机械结构可分为以下五类：v （1）直角坐标型机器人v 直角坐标型机器人由三个相互垂直的直线移动关节分别作X向、Y向和Z向移动组成。这三个方向的直线运动的复合就确定了机器人手部在工作空间内的位置。这一结构方案的优点是各轴线位移辨别率在操作容积内任一点均为恒定，计算简洁。9 6.1 概述概述 （2）圆柱坐标型机器人 圆柱坐标型机器人由一个升降直线运动关节（轴向）、一个圆周旋转运动关节（周向）和一个径向直线运动关节组合而成。这种结构方案的优点是终端效应器可获得较高速度，缺点是终端效应器外伸离柱轴心愈远，其线位移辨别精度愈低。10 6.1 概述概述 （3）球坐标型机器人 球坐标型机器人也称为极坐标型机器人，其由两个回转运动关节和一个直线运动关节分别作为方位旋转关节、俯仰旋转关节和径向直线运动关节组合而成。和圆柱坐标结构相比较，这种结构更为敏捷。11 6.1 概述概述 （4）垂直多关节型机器人 垂直多关节型机器人由一个回转运动关节作方位运动，加上由两个回转轴线相平行且平行于水平面的回转运动关节组成一个能在垂直平面上作平面运动的连杆机构，组合而成的多关节机器人。这种结构占地面积小，操作容积较大，可获得较高的末端执行器线速度，且操作敏捷性较好，能绕过障碍。12 6.1 概述概述 （5）水平多关节型机器人 水平多关节型机器人由两个回转轴线垂直于水平面的回转运动关节组成一个能在水平面上作平面运动的连杆机构，加上一个直线运动关节作垂直升降运动组合而成的多关节机器人。这种机器人也称为SCARA机器人，主要用于装配作业。13 6.1 概述概述 工业机器人的技术参数工业机器人的技术参数 技术参数是机器人制造商在产品供货时所供应技术参数是机器人制造商在产品供货时所供应的技术数据。的技术数据。（1 1）自由度）自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运行自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运行的数目，不包括末端操作器的开合自由度。机器人的的数目，不包括末端操作器的开合自由度。机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度与关节的概念一个自由度对应一个关节，所以自由度与关节的概念是相等的。自由度是表示机器人动作敏捷程度的参数，是相等的。自由度是表示机器人动作敏捷程度的参数，自由度越多越敏捷，但结构也越困难，限制难度越大，自由度越多越敏捷，但结构也越困难，限制难度越大，所以机器人的自由度要依据其用途设计，一般在所以机器人的自由度要依据其用途设计，一般在3636个之间。个之间。数据管理14 6.1 概述概述 （2）定位精度和重复定位精度 定位精度和重复定位精度是机器人的两个精度指标。定位精度是指机器人末端操作器的实际位置与目标位置之间的偏差，由机械误差、限制算法误差与系统辨别率等部分组成。重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一吩咐之下，机器人连续重复运动若干次时，其位置的分散状况，是关于精度的统计数据。因重复定位精度不受工作载荷变更的影响，通常用重复定位精度这一指标作为衡量示教再现方式工业机器人水平的重要指标。数据管理15 6.1 概述概述 （3）工作空间 工作空间表示机器人的工作范围，它是机器人运行时手臂末端或手腕中心所能到达的全部点的集合，也称为工作区域。由于末端操作器的形态和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作空间是指担忧装末端操作器时的工作区域。16 6.1 概述概述 （4）最大工作速度 生产机器人的厂家不同，其所指的最大工作速度也有不同，有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的合成速度，通常都会在技术参数中加以说明。（5）承载实力 承载实力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。为保证平安起见，将承载实力这一技术指标确定为高速运行时的承载实力。通常，承载实力不仅指负载质量，且包括机器人末端操作器的质量。17 6.2 传动机构设计传动机构设计 传动方式传动方式 传动机构用于把驱动元件的运动传递到机器传动机构用于把驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部分，传动可以通过机械传动、液压人的关节和动作部分，传动可以通过机械传动、液压传动气压传动和电传动等形式来实现。传动气压传动和电传动等形式来实现。机械传动机械传动 机械传动是利用带轮、齿轮、链轮、轴、蜗机械传动是利用带轮、齿轮、链轮、轴、蜗杆与蜗轮、螺母与螺杆等机械零件作为介质来进行功杆与蜗轮、螺母与螺杆等机械零件作为介质来进行功率和运动的传递，即接受带传动、链传动、齿轮传动、率和运动的传递，即接受带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动和螺旋传动等装置来进行功率和运动的传递。蜗杆传动和螺旋传动等装置来进行功率和运动的传递。数据管理18v 液压传动v 液压传动是接受液压元件，利用处于密封容积内的液体（油或水）作为工作介质，以其压力进行功率和运动的传递。v 气压传动v 气压传动是接受气动元件，利用压缩空气作为工作介质，以其压力进行运动和功率的传递。v 电传动v 电传动是利用电动机干脆或通过机械传动装置来驱动执行机构。6.2 传动机构设计传动机构设计19 6.2 传动机构设计传动机构设计 直线运动机构直线运动机构 机器人接受的直线驱动方式包括直角坐标结机器人接受的直线驱动方式包括直角坐标结构的构的x/y/zx/y/z三个方向的驱动，圆柱坐标结构的径向驱三个方向的驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。螺旋传动螺旋传动 螺旋传动是利用由带螺纹的零件构成的螺旋螺旋传动是利用由带螺纹的零件构成的螺旋副将回转运动转变为直线运动的一种机械传动方式，副将回转运动转变为直线运动的一种机械传动方式，螺旋传动主要由螺杆、螺母和机架组成。螺旋机构按螺旋传动主要由螺杆、螺母和机架组成。螺旋机构按螺旋副中的摩擦性质，可分为滑动螺旋、滚动螺旋两螺旋副中的摩擦性质，可分为滑动螺旋、滚动螺旋两种类型。种类型。数据管理20 6.2 传动机构设计传动机构设计 滑动螺旋的螺杆与螺母干脆接触，处于滑动摩擦状态。滑动螺旋具有以下特点：螺杆与螺母之间的摩擦大，易磨损，且传动效率低；可设计成自锁特性的传动；结构简洁、制造便利。若将螺旋副的内、外螺纹改成内、外螺旋状的滚道，并在其间放入滚动体，便是滚动螺旋。数据管理21v 液压（气压）缸v 液压（气压）缸是将液压泵（空气压缩机）输出的压力能转换为机械能、做直线往复运动的执行元件，运用液压（气压）缸可以很简洁地实现直线运动。v 液压（气压）缸主要由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆和密封装置等部件构成，活塞和缸筒接受精密滑动协作，压力油（压缩空气）从液压（气压）缸的一端进入，把活塞推向液压（气压）缸的另一端，从而实现直线运动。6.2 传动机构设计传动机构设计22 6.2 传动机构设计传动机构设计 旋转运动机构旋转运动机构 多数一般电动机和伺服电动机都能够干脆产多数一般电动机和伺服电动机都能够干脆产生旋转运动，但其输出力矩比所要求的力矩小，转速生旋转运动，但其输出力矩比所要求的力矩小，转速比所要求的转速高，因此须要接受皮带传动、齿轮传比所要求的转速高，因此须要接受皮带传动、齿轮传动装置或其他运动传动机构，把较高的转速转换成较动装置或其他运动传动机构，把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也接受液压缸或低的转速，并获得较大的力矩。有时也接受液压缸或气缸作为动力源，这就须要把直线运动转换成旋转运气缸作为动力源，这就须要把直线运动转换成旋转运动。动。带传动带传动 带传动是一种应用很广泛的机械传动装置，它带传动是一种应用很广泛的机械传动装置，它是利用传动带作为中间的挠性件，依靠传动带与带轮是利用传动带作为中间的挠性件，依靠传动带与带轮之间的摩擦力来传递运动和动力。之间的摩擦力来传递运动和动力。数据管理23 6.2 传动机构设计传动机构设计 依据两轴在空间的相互位置和转动方向的不同，带传动主要有开口传动、交叉传动和半交叉传动三种传动形式。（1）开口传动 开口传动用于两轴平行并且旋转方向相同的场合。两轴保持平行，两皮带轮的中间平面应重合。开口传动的性能较好，可以传递较大的功率。数据管理24 6.2 传动机构设计传动机构设计 （2）交叉传动 交叉传动用于两轴平行但旋转方向相反的场合。由于交叉处皮带有摩擦和扭转，因此传动带的寿命和载荷容量都较低，允许的工作速度也较小，线速度一般在11m/s以下。（3）半交叉传动 半交叉传动用于空间的两交叉轴之间的传动，交角通常为90。传动带在进入主动轮和从动轮时，方向必需对准该轮的中间平面，否则，传动带会从带轮上掉下来。25 6.2 传动机构设计传动机构设计 依据传动原理，带传动可分为摩擦型带传动和啮合型带传动两类。（1）摩擦型带 带传动的主要类型是摩擦型带传动。依据带的截面形态，常用的摩擦型带传动可分为平带传动、V带传动、多楔带传动和圆带传动。数据管理26 6.2 传动机构设计传动机构设计 （2）啮合型带 啮合型带传动是依靠带上的齿与带轮轮齿的相互啮合传递运动和动力，比较典型的是同步带传动，它除保持了摩擦带传动的优点外，还具有传递功率大，传动比精确等优点，故多用于要求传动平稳、传动精度较高的场合。数据管理27v 齿轮传动v 齿轮传动的类型很多：v 依据一对齿轮轴线间的相互位置不同，可分为两轴平行的齿轮传动，如圆柱齿轮传动；两轴相交的齿轮传动，如圆锥齿轮传动；两轴交织的齿轮传动，如螺旋圆柱齿轮传动。v 依据轮齿的方向，可分为直齿、斜齿、人字齿、圆弧齿等齿轮传动。v 按啮合状况不同，又可分为外啮合齿轮传动、内啮合齿轮传动、齿轮与齿条啮合传动。6.2 传动机构设计传动机构设计28 6.2 传动机构设计传动机构设计数据管理29 6.2 传动机构设计传动机构设计数据管理30v 齿轮传动v 由一对齿轮组成的机构是齿轮传动的最简洁形式，但在应用过程中，为了将输入轴的一种转速变换为输出轴的多种转速，或为了获得大的传动比等，常接受一系列相互啮合的齿轮来达到此要求。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为齿轮系，简称轮系。v 通常依据轮系运动时齿轮轴线位置是否固定，将轮系分为定轴轮系和周转轮系两种。6.2 传动机构设计传动机构设计31v 齿轮传动v 传动时，全部齿轮轴线的位置都是固定不变的轮系称为定轴轮系。v 至少有一个齿轮的轴线可绕另一齿轮的固定轴线转动的轮系称为周转轮系。6.2 传动机构设计传动机构设计32v 谐波齿轮v 目前，工业机器人的旋转关节有6070%都是运用的谐波齿轮传动。v 谐波齿轮传动装v置是由三个基本构v件组成的，即具有v内齿的刚轮G、具v有外齿简洁变形的v薄壁圆筒状柔轮Rv和波发生器H。6.2 传动机构设计传动机构设计33v 谐波齿轮v 从传动效率考虑和实际应用须要，常用的谐波传动可分以下两种状况：v （1）波发生器主动、刚轮固定、柔轮从动时，波发生器与柔轮的减速传动比为v v （2）波发生器主动、柔轮固定、刚轮从动时，波发生器和刚轮的减速传动比为 6.2 传动机构设计传动机构设计34v 谐波齿轮v 波发生器固定时，若刚轮主动而柔轮从动，其传动比略小于1；反之，柔轮主动而刚轮从动时，其传动比略大于1。而当波发生器从动时，无论是刚轮固定、柔轮主动，还是柔轮固定、刚轮主动，均具有较大的增速传动比。但这几种方式在实际中很少运用。v v 由于谐波减速传动装置具有传动比大（一级谐波齿轮减速比可以在50500之间，接受多级或复波式传动时，传动比可以更大）、承载实力强、传动精度高、传动平稳、效率高（一般可达0.700.90）、体积小、质量轻等优点，已广泛用于工业机器人中。6.2 传动机构设计传动机构设计35 6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计 机身设计机身设计 机身是干脆联接、支承和传动手臂及行走机机身是干脆联接、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。仰）机构及有关的导向装置、支撑件等组成。机身设计的基本要求机身设计的基本要求（1 1）要有足够大的安装基面，以保证机器人工作）要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性。时的稳定性。（2 2）机座承受机器人全部重力和工作载荷，应保）机座承受机器人全部重力和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载实力。证足够的强度、刚度和承载实力。（3 3）机床轴承系及传动链的精度和刚度对末端执）机床轴承系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。行器的运动精度影响最大。36v 机身的典型结构 v 一般状况下，实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈困难。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它们的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。v 常用的机身结构有：v 升降回转型机身v 俯仰型机身v 直移型机身v 类人机器人机身 6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计37 （1）升降回转型机身 升降回转型机器人的机身主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。机身的回转运动可接受：回转轴液压（气）缸驱动；直线液压（气）缸驱动的传动链；蜗轮蜗杆机械传动等。机身的升降运动可以接受：直线缸驱动；丝杆-螺母机构驱动；直线缸驱动的连杆式升降台。6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计38 （2）府仰型机身 机器人手臂的俯仰运动一般接受液压（气）缸与连杆机构来实现。手臂俯仰运动用的液压缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体接受尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计39 （3）直线型机身 直线型机器人多为悬挂式的，其机身事实上就是悬挂手臂的横梁。为使手臂能沿横梁平移，除了要有驱动和传动机构外，导轨是一个重要的构件。（4）类人机器人机身 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。靠腿部和腰部的屈伸运动来实现升降，腰部关节实现左右和前后的俯仰和人身轴线方向的回转运动。6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计40 6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计 臂部设计臂部设计 工业机器人的臂部由大臂、小臂所组成，一工业机器人的臂部由大臂、小臂所组成，一般具有般具有2323个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降。个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降。臂部设计的基本要求臂部设计的基本要求（1 1）手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任）手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。务提出的工作空间要求。（2 2）依据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择）依据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形态和高强度轻质材料。手臂截面形态和高强度轻质材料。（3 3）尽量减小手臂质量和相对其关节回转轴的转）尽量减小手臂质量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏心力矩。动惯量和偏心力矩。（4 4）要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高）要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。运动的精确性和运动刚度。41v 臂部的典型结构 v 臂部是机器人的主要执行部件，它的作用是支承腕部和手部，并带动他们在空间运动。机器人的臂部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、定向定位装置、支承连接等。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支承等有关的构件、配管配线等。v 依据臂部的驱动方式、布局、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。6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计42 伸缩型臂部机构可由液压（气）缸驱动或直线电动机驱动；转动伸缩型臂部结构除了臂部做伸缩运动，还绕自身轴线转动，以使手部获得旋转运动。6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计1、10-大臂活塞杆;2、3、14、15-齿轮;4、13、16-偏心套;5-大锥齿轮;6-小锥齿轮;7、11-驱动电动机;8、9-锥齿轮;12-驱动轴;17-小臂;18-机座43 6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计 机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式 机身和臂部的配置形式基本上反应了机器人机身和臂部的配置形式基本上反应了机器人的总体布局。的总体布局。横梁式横梁式 机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人的运动形式大多为移动式。横梁上配置多个类机器人的运动形式大多为移动式。横梁上配置多个悬身臂为多臂悬挂式，适用于刚性联接的自动生产线，悬身臂为多臂悬挂式，适用于刚性联接的自动生产线，用于工位间传送工件。用于工位间传送工件。立柱式立柱式 立柱式机器人多接受回转型、俯仰型或屈伸立柱式机器人多接受回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，是一种常见的配置形式。立柱可固定型的运动形式，是一种常见的配置形式。立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。安装在空地上，也可以固定在床身上。44v 机座式 机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。各种运动形式均可设计成机座式。v 屈伸式 屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，简称屈伸臂。屈伸臂与机身间的配置形式关系到机器人的运动轨迹，可实现平面运动，也可以作空间运动。6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计45 6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计 腕部设计腕部设计 工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。它的主要作用是确定手部的作业方向。为了使手部能为了使手部能处于空间随意方处于空间随意方向，要求腕部能向，要求腕部能实现对空间实现对空间3 3个坐个坐标轴标轴x x、y y、z z的转的转动，即具有回转、动，即具有回转、俯仰和偏转俯仰和偏转3 3个自个自由度。由度。(a)腕部坐标系；(b)手腕的偏转；(c)手腕的俯仰；(d)手腕的回转46v 腕部设计的基本要求v （1）由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减小其质量和体积。v （2）手腕部件的自由度愈多，各关节角的运动范围愈大，其动作的敏捷性愈高，机器人对作业的适应实力也愈强。v （3）为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，应尽量削减机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。v（4）对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计47v 手腕的分类 手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕等。（1）单自由度手腕 手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下单一功能。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计(a)腕部坐标系；(b)手腕的偏转；(c)手腕的俯仰；(d)手腕的回转48 （2）二自由度手腕 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BB关节组成BB关节实现 6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计(a)BR手腕；(b)BB手腕；(c)RR手腕49 （3）三自由度手腕 三自由度手腕可以是由B关节和R关节组成的多种形式的手腕，实现翻转、俯仰和偏转功能，常用的有BR、RRR、BRR、RBR和RBB等形式。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计50v 手腕的分类 由于作业要求的不同，手腕的自由度数及其配置也会有不同，在拟定手腕驱动装置的结构方面也会有差异，因此手腕的结构形式繁多。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计1-活塞杆;2、4-油路;3、7-进、排油孔;5-定片;6-动片51 6.3 机身和臂部设计机身和臂部设计 手部设计手部设计 工业机器人的手部是装在机器人手腕上干脆工业机器人的手部是装在机器人手腕上干脆抓握工件或执行作业的部件。它具有仿照人手动作的抓握工件或执行作业的部件。它具有仿照人手动作的功能并安装于机器人手臂的前端。功能并安装于机器人手臂的前端。手部的特点手部的特点 （1 1）手部与手腕相连处可拆卸。）手部与手腕相连处可拆卸。（2 2）手部是工业机器人的末端操作器。）手部是工业机器人的末端操作器。（3 3）手部的通用性比较差。）手部的通用性比较差。（4 4）手部是一个独立的部件，假如把手腕归）手部是一个独立的部件，假如把手腕归属于臂部，那么工业机器人机械系统的三大件就是机属于臂部，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、臂部和手部。身、臂部和手部。52v 手部的分类v 机器人的手部是多种多样的，大致可分为夹钳式手部、吸附式手部、仿生多指灵活手和其它手等。v （1）夹钳式手部v 夹钳式手部与人手相像，是工业机器人广为应用的一种手部形式。它一般由手指和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。v 1）手指v 一般状况下，机器人的手部只有两个手指，少数有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形态和特性。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计53 1）手指 a）指端的形态 指端是手指上干脆与工件接触的部位，它的结构形态取决于工件的形态。类型有V形指、平面指、尖指或薄、长指和特形指。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计(a)固定V型 (b)滚柱V型 (c)自定位式V型54 b）指面形式 依据工件形态、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。c）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，可镀铬或进行陶瓷处理，也可以选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计55 2）传动机构 它是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开运动的机构。该机构依据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为一支点回转和多支点回转。依据手爪夹紧是摇摆还是平动，又可分为摇摆回转型和平动回转型。a）回转型传动机构 夹钳式手部中较多的是回转型手部，其手指是一队（或几对）杠杆，在同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构，来变更传力比、传动比及运动方向。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计56 a）回转型传动机构 6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计1-壳体;2-驱动杆;3-中间齿轮;4-扇齿轮;5-手指;6-V形指;7-工件57 b）平移型传动机构 平移型夹钳式手部是通过手指的指面做直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体等）。3）驱动装置 它是向传动机构供应动力的装置。按驱动方式不同，有气动、液动、电动和电磁驱动之分。4）支架 它使手部与机器人的腕或臂相连接。此外，还有联接和支承元件，它们将上述有关部分联成一个整体。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计58 （2）吸附式手部 吸附式手部靠吸附力取料。依据吸附力的不同有气吸附和磁吸附两种。吸附式手部适应于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃、磁盘）、微小（不易抓取）的物体，因此运用面也较大。1）气吸式 气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘（一个或几个）、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简洁、重量轻、运用便利牢靠等优点。广泛用于非金属材料（如板材、纸张、玻璃等物体）或不行有剩磁的材料的吸附。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计59 1）气吸式 气吸式手部是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。按形成压力差的方法，可分为挤压排气式、真空气吸式和气流负压式三种。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计 (a)挤压排气式 (b)真空气吸式 (c)气流负压式1-压盖;2-密封盖;3-吸盘;4-工件60 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工件的，其应用较广。磁吸式手部与气吸式手部相同，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，对工件表面粗糙度及通孔、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运用。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计61 （3）仿生多指灵活手 目前，大部分工业机器人的手部只有两个手指，而且手指上一般没有关节。因此取料不能适应物体外形的变更，不能使物体表面承受比较匀整的支持力，因此无法满足对困难形态、不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手部和腕部的操作实力、敏捷性和快速反应实力，让机器人能像人手一样进行各种困难的作业，如装配作业、修理作业、设备操作等，就必需有一个运动敏捷、动作多样的灵活手，即仿生多指灵活手。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计62 （3）仿生多指灵活手 仿生多指灵活手的开创性工作是ETL手，它的精彩的机构设计为以后所开发的很多多指灵活手所接受 6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计ETL手部(a)StanfordJPL三指灵活手 (b)UtahMIT四指灵活手63 （3）其他手 1）弹簧式手部 弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不须要专用的驱动装置，结构简洁。它的运用特点是工件进入手指和从手指中取下工件都是强制进行的。由于弹簧力有限，故只适用于夹持轻小工件。2）钩托式手部 钩托式手部并不靠夹紧力来夹持工件，而是利用工件本身的重量，通过手指对工件的勾、托、捧等动作来托持工件。应用勾托方式可降低对驱动力的要求简化手部结构，甚至可以省略手部驱动装置。6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计64 2）钩托式手部 钩托式手部可分为无驱动装置型和有驱动装置型 6.4 腕部和手部设计腕部和手部设计(a)无驱动装置的手部 (b)有驱动装置的手部1-齿条;2-齿轮;3-手指;4-销子;5-驱动油缸;6、7-杠杆手指65 6.5 行走机构设计行走机构设计 行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还依据工作任务的要求，带动机器人实现在更广袤的空间内运动。行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构 该类机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。除了这种直线驱动方式外，还有类似起重机梁行走方式等。66 6.5 行走机构设计行走机构设计 无固定轨迹式行走机构无固定轨迹式行走机构 车轮式行走机构车轮式行走机构 车轮式行走机构是机器人中应用最多的一种车轮式行走机构是机器人中应用最多的一种行走机构。行走机构。（1 1）车轮的形式）车轮的形式 车轮的形态或结构形式取决于地面的性质和车轮的形态或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载实力。车辆的承载实力。(a)充气球轮 (b)半球形轮 (c)传统车轮 (d)无缘轮67 6.5 行走机构设计行走机构设计 （2）车轮的配置和转向机构 车轮式行走机构依据车轮的多少分为一轮、二轮、三轮、四轮以及多轮机构。一轮和二轮行走机构在实现上的主要障碍是稳定性问题，实际应用的车轮式行走机构多为三轮和四轮。三轮式具有最基本的稳定性，其主要问题是如何实现移动方向的限制。四轮行走机构的应用最为广泛，四轮机构接受不同的方式实现驱动和转向。68 6.5 行走机构设计行走机构设计 （3）越障轮式机构 一般车轮行走机构对坎坷不平地面适应性很差，为了提高轮式车辆的地面适应实力，探讨了越障轮式机构。履带式行走机构 履带式行走机构适合于未加工的自然路面行走，它是轮式行走机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。履带式行走机构与轮式行走机构相比，有如下特点：接地比压小；越野机动性好；不易打滑,牵引附着性能好；结构困难，重量大减振功能差69 6.5 行走机构设计行走机构设计 履带行走机构的形态：图(a)驱动轮及导向轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性，此时驱动轮和导向轮只微量高于地面。图(b)不作支承轮的驱动轮与导向轮装得高于地面，链条引入引出时角度达50度，其好处是适合于穿越障碍，另外因为削减了泥土夹入引起的磨损和失效可以提高驱动轮和导向轮的寿命。70 6.5 行走机构设计行走机构设计通过进一步接受适应地形的履带，可产生更有效的利用履带特性的方法。71v 足式行走机构v 足式运动方式的优越性：v （1）因为足式运动方式的立足点是离散的点，他可以在可能达到的地面上选择最优的支撑点；v （2）足式运动方式具有主动隔振实力，尽管凹凸不平，机身的运动仍旧可以相当平稳；v （3）足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高、能耗较少。6.5 行走机构设计行走机构设计72 6.5 行走机构设计行走机构设计 （1）足的数目 足式行走机构有一足、两足、三足、四足、六足等，足的数目越多，承载实力越强，但是运动速度越慢，双足和四足具有良好的适应性和敏捷性，最接近人类和动物。(a)单足跳动机器人 (b)双足机器人(c)三足机器人 (d)四足机器人 (e)六足机器人73 6.5 行走机构设计行走机构设计 （2）足的配置 足的配置指足相对于机体的位置和方位的支配，这个问题对于多于两足时尤为重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一种配置因简洁引起腿间的干涉而事实上很少用到。(a)正向对称分布 (b)前后向对称分布74 6.5 行走机构设计行走机构设计 （3）足式行走机构的平衡和稳定性 1)静态稳定的多足机 其机身的稳定通过足够数量的足支撑来保证。在行走过程中，机身重心的垂直投影始终落在支撑足着落地点的垂直投影所形成的凸多边形内。2）动态稳定 在动态稳定中，机体重心有时不在支撑图形中，利用这种重心超出面积外而向前产生倾倒的分力作为行走的动力并不停地调整平衡点以保证不会跌倒。这类机构一般运动速度较快，消耗能量小。其步态可以是小跑和跳动。75 6.5 行走机构设计行走机构设计 （3）足式行走机构的平衡和稳定性足数评价指标足数评价指标12345678保持稳定姿态的能力保持稳定姿态的能力无无无无好好最好最好最好最好最好最好最好最好最好最好静态稳定行走的能力静态稳定行走的能力无无无无无无好好最好最好最好最好最好最好最好最好高速静稳定行走能力高速静稳定行走能力无无无无无无有有好好最好最好最好最好最好最好动态稳定行走的能力动态稳定行走的能力有有有有最好最好最好最好最好最好好好好好好好用自由度数衡量的用自由度数衡量的机械结构之简单性机械结构之简单性最最好好最好最好好好好好好好有有有有有有76 6.6 工业机器人在制造业中的应用工业机器人在制造业中的应用 目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。工业机器人的应用准则 在设计和应用工业机器人时，应全面和均衡考虑机器人的通用性、环境的适应性、耐久性、牢靠性和经济性等因素，具体遵循的准则如下。（1）在恶劣的工作环境中应用机器人（2）在生产率和生产质量落后的部门应用机器人（3）从长远考虑须要机器人（4）机器人的运用成本（5）应用机器人时须要人77 工业机器人在制造业中的应用工业机器人在制造业中的应用焊接机器人焊接机器人 焊接机器人是从事焊接的工业机器人。依据国焊接机器人是从事焊接的工业机器人。依据国际标准化组织工业机器人术语标准焊接机器人的定认，际标准化组织工业机器人术语标准焊接机器人的定认，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动限制工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动限制操作机，具备一个或更多可编程的轴，并能将焊接工操作机，具备一个或更多可编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具的机器。焊接工具的机器。（1 1）点焊机器人）点焊机器人 点焊机器人主要用于点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主生产过程由各大汽车主机厂负责完成。机厂负责完成。6.6 工业机器人在制造业中的应用工业机器人在制造业中的应用78 （2）弧焊机器人 弧焊机器人是可以进行自动弧焊的工业机器人。一般的弧焊机器人由示教盒、限制盘、机器人