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会计学1工业机器人资料工业机器人资料2023/3/162/68关节（关节（Joint）：即运动副，）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。发生相对运动的机构。连杆连杆（Link）：）：机器人手臂上机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。被相邻两关节分开的部分。BaseLink0Joint1Link2Link3Joint3End of ArmLink1Joint22.1 相相关关术语第1页/共55页2023/3/163/68定位精度（定位精度（Positioning accuracy）指指机机器器人人末末端端参参考考点点实实际际到到达达的的位位置与所需要到达的理想位置之间的差距。置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复性（重复性（Repeatability）或重复精度）或重复精度：在在相相同同的的位位置置指指令令下下，机机器器人人连连续续重重复复若若干干次次其其位位置置的的分分散散情情况况。它它是是衡衡量量一一列列误误差差值值的的密密集集程程度度，即即重重复复度。度。oo第2页/共55页2023/3/164/68工作空间（工作空间（Working space）机器人手腕机器人手腕参考点或末端操作参考点或末端操作器安装点（不包括器安装点（不包括末端操作器）所能末端操作器）所能到达的所有空间区到达的所有空间区域，一般不包括末域，一般不包括末端操作器本身所能端操作器本身所能到达的区域。到达的区域。第3页/共55页2023/3/165/68注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。（a）表示手指（末端执行器）；）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直、升降运动；）表示垂直、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；）表示水平伸缩运动；（d）表示回转运动；）表示回转运动；（e）表示俯仰运动。）表示俯仰运动。机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图第4页/共55页2023/3/166/68123456123456第5页/共55页2023/3/167/68关节关节名称名称qqTranslational motionTranslational motionn nLinear joint(LLinear joint(L型型)线性关节线性关节线性关节线性关节n nOrthogonal joint(OOrthogonal joint(O型型)正交关节正交关节正交关节正交关节qqRotary motionRotary motionn nRotational joint(RRotational joint(R型型)销轴回转关节销轴回转关节销轴回转关节销轴回转关节n nTwisting joint(TTwisting joint(T型型)同轴回转关节同轴回转关节同轴回转关节同轴回转关节n nRevolving joint(VRevolving joint(V型型)V V型回转关节型回转关节型回转关节型回转关节第6页/共55页2023/3/168/68关节配置关节配置关节配置关节配置n n关节符号用字母L,O,R,T,V表示；n n手腕用冒号:与机体及手臂分开。n n关节配置例:TLR:TR第7页/共55页2023/3/169/68Polar Coordinate Body-and-Arm AssemblyPolar Coordinate Body-and-Arm AssemblyNotation:TRLNotation:TRL第8页/共55页2023/3/1610/68Cylindrical Body-and-Arm AssemblyCylindrical Body-and-Arm AssemblyNotation:TLO第9页/共55页2023/3/1611/68Cartesian Coordinate Body-and-Arm Assembly Cartesian Coordinate Body-and-Arm Assembly Notation:LOO第10页/共55页2023/3/1612/68Jointed-Arm RobotJointed-Arm RobotNotation:TRR第11页/共55页2023/3/1613/682.2 2.2 工工工工业业机器人的机器人的机器人的机器人的结结构构构构1.手部手部(末端执行器末端执行器)2.驱动系统驱动系统3.传动机构传动机构4.手臂手臂5.手腕手腕6.机身（座）机身（座）第12页/共55页2023/3/1614/681.1.手部手部手部手部(末端执行器末端执行器末端执行器末端执行器)手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的作业。的作业。的作业。的作业。1)1)手部的特点手部的特点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手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕相连处可拆卸 手手手手部部部部与与与与手手手手腕腕腕腕处处处处有有有有可可可可拆拆拆拆卸卸卸卸的的的的机机机机械械械械接接接接口口口口：根根根根据据据据夹夹夹夹持持持持对对对对象象象象的的的的不不不不同同同同，手手手手部部部部结结结结构构构构会会会会有有有有差差差差异异异异，通通通通常常常常一一一一个个个个机机机机器器器器人人人人配配配配有有有有多多多多个个个个手手手手部部部部装装装装置置置置或或或或工工工工具具具具，因因因因此此此此要要要要求求求求手手手手部部部部与与与与手手手手腕腕腕腕处处处处的的的的接接接接头头头头具具具具有有有有通通通通用性和互换性。用性和互换性。用性和互换性。用性和互换性。手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱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。动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。第13页/共55页2023/3/1615/68(2)(2)手部是末端操作器手部是末端操作器手部是末端操作器手部是末端操作器 可以具有手指，也可以不具有可以具有手指，也可以不具有可以具有手指，也可以不具有可以具有手指，也可以不具有手指手指手指手指；可以有手爪，也可；可以有手爪，也可；可以有手爪，也可；可以有手爪，也可以是专用以是专用以是专用以是专用工具工具工具工具。(3)(3)手部是一个独立的部件手部是一个独立的部件手部是一个独立的部件手部是一个独立的部件 工业机器人通常分为三个大的部件：工业机器人通常分为三个大的部件：工业机器人通常分为三个大的部件：工业机器人通常分为三个大的部件：机身机身机身机身、手臂（含手手臂（含手手臂（含手手臂（含手腕）腕）腕）腕）、手部手部手部手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的。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作用，它直接关系着夹持工件时的作用，它直接关系着夹持工件时的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度定位精度定位精度定位精度、夹持力的大小夹持力的大小夹持力的大小夹持力的大小等。等。等。等。(4)(4)手部的通用性比较差手部的通用性比较差手部的通用性比较差手部的通用性比较差 工业机器人的手部通常是专用装置：工业机器人的手部通常是专用装置：工业机器人的手部通常是专用装置：工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能一种手爪往往只能一种手爪往往只能一种手爪往往只能抓住一种或几种在抓住一种或几种在抓住一种或几种在抓住一种或几种在形状形状形状形状、尺寸尺寸尺寸尺寸、重量重量重量重量等方面相近的工件；一等方面相近的工件；一等方面相近的工件；一等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。种工具只能执行一种作业任务。种工具只能执行一种作业任务。种工具只能执行一种作业任务。第14页/共55页2023/3/1616/68每个手指有三个或四个关节。技术关键是手指之间的协调控制。第15页/共55页2023/3/1617/68末端操作器图例(2)手部是焊枪手部是焊枪第16页/共55页2023/3/1618/68 2)2)手部的设计要求手部的设计要求uu 具有足够的夹持力。具有足够的夹持力。具有足够的夹持力。具有足够的夹持力。uu 保证适当的夹持精度保证适当的夹持精度保证适当的夹持精度保证适当的夹持精度 手手指指应应能能顺顺应应被被夹夹持持工工件件的的形形状状，应应对对被被夹夹持持工工件件形形成成所要求的约束。所要求的约束。uu 考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度 主主要要是是根根据据作作业业对对象象的的大大小小、形形状状、位位置置、姿姿态态、重重量量、硬度硬度和和表面质量表面质量等来综合考虑。等来综合考虑。uu 智能化手部还应配有相应的传感器智能化手部还应配有相应的传感器智能化手部还应配有相应的传感器智能化手部还应配有相应的传感器 由由于于感感知知手手爪爪和和物物体体之之间间的的接接触触状状态态、物物体体表表面面状状况况和和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等第17页/共55页2023/3/1619/68 3)3)手部的构成手部的构成手部的构成手部的构成 主要由手指、驱动机构和传动机构组成。主要由手指、驱动机构和传动机构组成。4)4)手部的分类手部的分类 (1)(1)按用途分按用途分 手手手手爪爪爪爪：具具有有一一定定的的通通用用性性。主主要要功功能能是是抓抓住住工工件件、握持工件、释放工件。握持工件、释放工件。抓抓住住：在在给给定定的的目目标标位位置置和和期期望望姿姿态态上上抓抓住住工工件件，工工件件必必须须有有可可靠靠的的定定位位，保保持持工工件件和和手手爪爪之之间间的的准准确确的的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。握握住住：确确保保工工件件在在搬搬运运过过程程中中或或零零件件装装配配过过程程中中定定义了的位置和姿态的准确性。义了的位置和姿态的准确性。释放：释放：在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。工具：工具：工具：工具：进行作业的专用工具。进行作业的专用工具。第18页/共55页2023/3/1620/68(2)按夹持方式分 外夹式外夹式 手部与被夹件的外表面相接触。内撑式内撑式 手部与工件的内表面相接触。内外夹持式内外夹持式 手部与工件的内、外表面相接触。第19页/共55页2023/3/1621/68夹持方式图例第20页/共55页2023/3/1622/68 (3)(3)按手爪的运动形式分按手爪的运动形式分 回转型回转型回转型回转型 当当手手爪爪夹夹紧紧和和松松开开物物体体时时，手手指指作作回回转转运运动动。当当被被抓抓物物体体的的直直径径大大小小变变化化时时，需需要要调调整整手手爪爪的的位位置置才才能能保保持持物物体体的的中心位置不变。中心位置不变。平动型平动型平动型平动型 手手指指由由平平行行四四杆杆机机构构传传动动，当当手手爪爪夹夹紧紧和和松松开开物物体体时时，手指姿态不变，作平动手指姿态不变，作平动。平移型平移型平移型平移型 当当手手爪爪夹夹紧紧和和松松开开工工件件时时，手手指指作作平平移移运运动动，并并保保持持夹夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。第21页/共55页2023/3/1623/68回转型图例压缩弹簧拉伸弹簧第22页/共55页2023/3/1624/68平动型图例第23页/共55页2023/3/1625/68平移型图例该丝杆的螺纹具有什么特点？此时手部是张开还是合拢？第24页/共55页2023/3/1626/68 (4)(4)按夹持原理分按夹持原理分 手指式：手指式：手指式：手指式：外夹式、内撑式、内外夹持式。外夹式、内撑式、内外夹持式。平移式、平动式、旋转式。平移式、平动式、旋转式。二指式、多指式。二指式、多指式。单关节式、多关节式。单关节式、多关节式。吸盘式：吸盘式：吸盘式：吸盘式：负压吸盘：负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。真空式、喷气式、挤气式。磁力吸盘：磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。永磁吸盘、电磁吸盘。第25页/共55页2023/3/1627/68 5)5)典型结构典型结构典型结构典型结构 (1)(1)机械式手爪结构机械式手爪结构 气动驱动气动驱动手爪手爪：气缸驱动活塞平移气缸驱动活塞平移齿条移动齿条移动扇形齿轮摆动扇形齿轮摆动连杆机连杆机构摆动构摆动手爪平动手爪平动 其它四种机械式手爪机构其它四种机械式手爪机构第26页/共55页2023/3/1628/68气动手爪图例气动手爪图例气动手爪图例气动手爪图例问题：1、分析手部的运动。2、手部作的是什么类型运动？第27页/共55页2023/3/1629/68机械手爪图例机械手爪图例机械手爪图例机械手爪图例重力式手爪齿轮齿条式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪第28页/共55页2023/3/1630/68 (2)(2)电磁吸盘电磁吸盘电磁吸盘电磁吸盘 电磁吸盘的电磁吸盘的电磁吸盘的电磁吸盘的结构结构结构结构：主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：夹持工件：夹持工件：线圈通电线圈通电空气间隙的存在空气间隙的存在线圈产生大的电感线圈产生大的电感和启动电流和启动电流周围产生磁场周围产生磁场(通电导体一定会在周围通电导体一定会在周围产生磁场产生磁场)吸附工件吸附工件 放开工件：放开工件：线圈断电线圈断电磁吸力消失磁吸力消失工件落位工件落位第29页/共55页2023/3/1631/68 适用范围：适用范围：适用范围：适用范围：uu适适用用于于用用铁铁磁磁材材料料做做成成的的工工件件；不不适适合合于于由由有有色色金金属和非金属材料制成的工件。属和非金属材料制成的工件。uu 适适合合于于被被吸吸附附工工件件上上有有剩剩磁磁也也不不影影响响其其工工作作性性能能的的工件。工件。uu 适合于定位精度要求不高的工件。适合于定位精度要求不高的工件。uu 合合于于常常温温状状况况下下工工作作。铁铁磁磁材材料料高高温温下下的的磁磁性性会会消消失。失。第30页/共55页2023/3/1632/68电磁吸盘图例电磁吸盘图例电磁吸盘图例电磁吸盘图例第31页/共55页2023/3/1633/68 (3)(3)真空式吸盘真空式吸盘真空式吸盘真空式吸盘 构成构成:由真空泵、电磁阀、由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。电机和吸盘等构成。工作原理：工作原理：形成真空吸附工件：形成真空吸附工件：电机电机真空泵真空泵3 3电电磁阀左侧磁阀左侧从吸盘从吸盘5 5处抽处抽气气 释放工件：释放工件：电机、泵停转电机、泵停转大气大气经经6 6口口 4 4电磁阀左侧电磁阀左侧 3 3电磁阀右侧电磁阀右侧送气送气至吸盘至吸盘5 5处处1Y2Y第32页/共55页2023/3/1634/68真空吸盘结构图例真空吸盘结构图例真空吸盘结构图例真空吸盘结构图例第33页/共55页2023/3/1635/686)6)手部结构的应用实例手部结构的应用实例手部结构的应用实例手部结构的应用实例 (1)(1)平行指手爪机构平行指手爪机构工作原理：工作原理：回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。第34页/共55页2023/3/1636/68 (3)(3)上料吸盘上料吸盘上料吸盘上料吸盘A A第35页/共55页2023/3/1637/68 (4)(4)上料吸盘上料吸盘上料吸盘上料吸盘B B第36页/共55页2023/3/1638/682.驱驱动系动系统统 工业机器人驱动系统主要有液压驱动、气压驱动和电气工业机器人驱动系统主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种形式。每种方式都有直线型和旋转型。驱动三种形式。每种方式都有直线型和旋转型。直线型电动直线电机液压活塞液压缸气压伸缩软管、气缸旋转型电动直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机液压旋转马达气压气压马达、涡轮第37页/共55页2023/3/1639/68各种主要驱动方式特点的比较各种主要驱动方式特点的比较各种主要驱动方式特点的比较各种主要驱动方式特点的比较 方式内容液压驱动气压驱动电气驱动交、直流电机伺服电机、步进电机输出力大小大小控制性能可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精确定位难，阻尼效果差，低速不易控制控制性能较差，惯性大，不易精确定位控制性能好，能精确定位，但控制系统复杂体积在输出力相同条件下体积小较大要有减速装置，故体积较大较小维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便方便较复杂对环境影响易漏油，易燃排气有噪声无无应用范围重型低速驱动中小型快速驱动抓取重量大而速度低的中、重型机器人可用于要求严格控制运动轨迹的中小型机器人成本元件成本较高低低较高第38页/共55页2023/3/1640/683.传传动机动机构构 传动机构用来将原动机发出的机械能传递给关节或其他传动机构用来将原动机发出的机械能传递给关节或其他工作部分，以实现机器人各种运动。工作部分，以实现机器人各种运动。常用传动方案如下表所示。常用传动方案如下表所示。常用传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带及链传动等。常用传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带及链传动等。直线电机III变速电机 (回转关节)伺服电机 (减速机构)(回转变直线机构)(直动关节)II液压泵或空压机 (液压或气动驱动器)(连杆机构、摆杆机构)I执 行 部 件传动机构原 动 机方案第39页/共55页2023/3/1641/68 1)齿齿轮传轮传动动uu 谐波减速器谐波减速器uu RVRV减速器：内齿轮为带滚针的圆弧齿，外齿减速器：内齿轮为带滚针的圆弧齿，外齿轮采用周摆线齿，内外齿轮在整个圆周上始终保轮采用周摆线齿，内外齿轮在整个圆周上始终保持啮合。持啮合。第40页/共55页2023/3/1642/68RV减速器工作原理图RV减速器特点l传动比范围大；l扭转刚度大；l高精度和小间隙回差；l传动效率高；l结构紧凑。第41页/共55页2023/3/1643/68 2)2)螺旋传动螺旋传动螺旋传动螺旋传动 螺旋传动可实现旋转运动和平移运动的转换。螺旋传螺旋传动可实现旋转运动和平移运动的转换。螺旋传动均匀准确，主动件上作用较小扭矩，即可在从动件上获动均匀准确，主动件上作用较小扭矩，即可在从动件上获得很大的轴向力。螺杆旋转一周，螺母只移动一个导程。得很大的轴向力。螺杆旋转一周，螺母只移动一个导程。按摩擦性质分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。按摩擦性质分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。uu 滑动螺旋：丝杠螺母副滑动螺旋：丝杠螺母副uu 滚动螺旋：滚珠丝杠副滚动螺旋：滚珠丝杠副uu 静压螺旋：变滑动、滚动摩擦为流体自身的粘性力摩擦，静压螺旋：变滑动、滚动摩擦为流体自身的粘性力摩擦，如使用气体静压螺旋，则摩擦力很小，但承载能力也小。如使用气体静压螺旋，则摩擦力很小，但承载能力也小。第42页/共55页2023/3/1644/68滑动螺旋传动原理图滚动螺旋传动内部结构图滚珠丝杠实物图第43页/共55页2023/3/1645/68静压螺旋传动内部结构示意图第44页/共55页2023/3/1646/68 3)3)带、链传动带、链传动带、链传动带、链传动 工业机器人中的带传动主要指同步齿形带传动，链传动工业机器人中的带传动主要指同步齿形带传动，链传动主要指精密套筒滚子链传动。主要指精密套筒滚子链传动。主要用于平行轴之间的传动。主要用于平行轴之间的传动。4)其他传动方式其他传动方式 除上述三种主要传动形式外，工业机器人中还有采用液压传动、气压传动、连杆机构和凸轮机构等。第45页/共55页2023/3/1647/684.手手臂臂 手臂用来调节末端执行器在空间的位置，或把工件、工手臂用来调节末端执行器在空间的位置，或把工件、工具运送到工作范围内的指定位置上。一般具有三个自由度，具运送到工作范围内的指定位置上。一般具有三个自由度，这些自由度可以是移动副、绕同轴回转的回转副和绕销轴摆这些自由度可以是移动副、绕同轴回转的回转副和绕销轴摆转的回转副。转的回转副。关节型机器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就关节型机器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是关节。是关节。回转关节用来连接手臂与机座、手臂相邻杆件及手臂与回转关节用来连接手臂与机座、手臂相邻杆件及手臂与手腕，并实现两构件间的相对回转手腕，并实现两构件间的相对回转(或摆动或摆动)。它由驱动器、。它由驱动器、回转轴和轴承组成。回转轴和轴承组成。第46页/共55页2023/3/1648/68 驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。这种驱动方式具有以下特点：A.机械传动精度高；B.振动小，结构刚性好；C.结构紧凑，可靠性高；D.电机的重量会增加转动负担。第47页/共55页2023/3/1649/68 回转关节回转轴与驱动器装在同一轴上。SCARA型机器人中常用。本形式位置精度高，但应注意加强手臂刚度和选择紧凑的减速装置减速装置。第48页/共55页2023/3/1650/68 移动关节由直线运动机构和直线导轨组成。在工业机器移动关节由直线运动机构和直线导轨组成。在工业机器人中，为满足高速、高精度要求，常采用紧凑、低价的滚动人中，为满足高速、高精度要求，常采用紧凑、低价的滚动导轨。导轨。直线滚动导轨结构示意图第49页/共55页2023/3/1651/68直线滚动导轨产品第50页/共55页2023/3/1652/685.手手腕腕 手腕位于手臂末端，用来支撑末端执行器并调整其姿态。手腕位于手臂末端，用来支撑末端执行器并调整其姿态。一般手腕由多个同轴回转副一般手腕由多个同轴回转副(R)(R)或销轴回转副或销轴回转副(B)(B)的关节的关节组成。手腕按自由度分类，可分为单回转、双回转、三回转组成。手腕按自由度分类，可分为单回转、双回转、三回转三种。常见的双回转副配置形式有三种。常见的双回转副配置形式有B-RB-R和和R-BR-B；三回转副的配；三回转副的配置形式有置形式有B-B-RB-B-R，B-R-RB-R-R，R-B-RR-B-R，R-R-RR-R-R，R-B-BR-B-B五种。五种。三回转手腕结构形式有偏置结构和球腕结构两类。前者三回转手腕结构形式有偏置结构和球腕结构两类。前者手腕各关节轴作相对偏置，这在计算控制上较为复杂；后者手腕各关节轴作相对偏置，这在计算控制上较为复杂；后者手腕各关节轴线相交于一点，这在运动分析和计算时，可等手腕各关节轴线相交于一点，这在运动分析和计算时，可等效于一高副球腕结构处理。效于一高副球腕结构处理。第51页/共55页2023/3/1653/68手腕自由度配置形式第52页/共55页2023/3/1654/68手腕结构实例第53页/共55页2023/3/1655/686.机机身身（座）（座）机器人机械结构由三大部分构成：机身、手臂机器人机械结构由三大部分构成：机身、手臂(含手腕含手腕)、手部。其中机身又称立柱，是支承臂部的部件。同时，大多手部。其中机身又称立柱，是支承臂部的部件。同时，大多数工业机器人必须有一个便于安装的基础部件，这就是机器数工业机器人必须有一个便于安装的基础部件，这就是机器人的基座，基座往往与机身做成一体。人的基座，基座往往与机身做成一体。有些机器人需要行走，机身下面还会安装有行走机构。有些机器人需要行走，机身下面还会安装有行走机构。第54页/共55页2023/3/16武汉理工大学机电学院56/68感谢您的观看。感谢您的观看。第55页/共55页
