工业机器人第二章.pptx

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1、工业机器人工业机器人第一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。第二章第二章 工业机器人机械工业机器人机械系统设计系统设计第二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计工业机器人的机械系统包括哪几个部分？工业机器人的机械系统包括哪几个部分？由第一章内容可知，工业机器人的机械系统包括由第一章内容可知，工业机器人的机械系统包括机身机身、臂部臂部、手腕手腕、末端操作器末端操作器和和行走机构行走机构等部分。等部分。第三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计本章主要内容本章主要内容 l工业机器人的总体设计工

2、业机器人的总体设计l驱动机构驱动机构l机身和臂部设计机身和臂部设计l腕部设计腕部设计l手部设计手部设计l行走机构设计行走机构设计第四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。系统分析系统分析l明确机器人的目的和任务明确机器人的目的和任务l分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性分析机器人所在系统的工作环境、机器人与已有设备的兼容性l确定机器人的基本功能和设计方案，确定具体技术指标确定机器人

3、的基本功能和设计方案，确定具体技术指标l进行必要调查研究进行必要调查研究第五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l 工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计工业机器人的技术参数包括哪几个部分？工业机器人的技术参数包括哪几个部分？由第一章内容可知，工业机器人的技术参数包括由第一章内容可知，工业机器人的技术参数包括自由度自由度、定位定位精度和重复定位精度精度和重复定位精度、工作空间工作空间、最大工作速度最大工作速度和和承载能力承载能力等等部分。部分。第六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机

4、器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计l自自由由度度：批批量量大大、可可靠靠性性高高、运运行行速速度度快快、承承载载重重量量轻轻的的情情况况下下可可选选择择少少自自由由度度；产产品品更更换换频频繁繁、系系统统柔柔性性大大的的情情况况下下可可选选择择多多自自由由度度。总总体体而而言言，在在满满足足机机器器人人工工作作需需求求的的前前提提下下，为为简简化化结结构构和和控控制制，应应使自由度尽量少使自由度尽量少。基本参数的确定基本参数的确定第七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械

5、系统设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计l工作范围：根据工作范围：根据工艺要求工艺要求和和操作动作的轨迹操作动作的轨迹来确定。来确定。l运运动动速速度度：根根据据生生产产需需要要的的工工作作节节拍拍分分配配每每个个动动作作的的时时间间，进进而而确确定个动作机器人的运动速度。定个动作机器人的运动速度。l承载能力：根据被承载能力：根据被抓取、搬运物体的质量抓取、搬运物体的质量来确定。来确定。l定位精度：根据定位精度：根据使用要求使用要求确定。确定。基本参数的确定基本参

6、数的确定第八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计 根根据据工工艺艺要要求求、工工作作现现场场、位位置置以以及及搬搬运运前前后后弓弓箭箭中中心心线线方方向向的的变变化化等等情情况况择择优优选选取取。专专用用机机械械手手一一般般要要求求23个个自自由由度度、通通用用机机器器人人必必须须具具有有46个个自自由由度度。在在满满足足需需要要的的情情况况下下，应应使使自自由由度度最最少少、结构

7、最简单结构最简单。运动形式的选择运动形式的选择第九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计 机器人总体设计一般包括两个部分：机器人总体设计一般包括两个部分：系统分析系统分析与与技术设计技术设计。技术设计技术设计 选择适合的选择适合的传感器传感器并在机械结构上设计其并在机械结构上设计其安装位置安装位置。拟定检测传感系统框图拟定检测传感系统框图 确定控制系统类型，设计确定控制系统类型，设计硬件电路硬件电路与与控制软件控制软件。控制系统总体方案控制系统总体方案 确定确定驱动方式驱动方式，选择，选择运动部件运动

8、部件和设计和设计具体结构具体结构。机械结构设计机械结构设计第十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 驱驱动动机机构构分分为为直直线线驱驱动动机机构构和和旋旋转转驱驱动动机机构构，可可以以由由以以下下几几种种不不同驱动方式来实现：同驱动方式来实现：液压驱动方式液压驱动方式l易获得较大推力或扭矩易获得较大推力或扭矩l工作平稳、位置精度高工作平稳、位置精度高l易实现力和速度的自动控制易实现力和速度的自动控制l机械效率高，使用寿命长机械效率高，使用寿命长l油油液液黏黏度度随随温温度度变变化化影影响响工工作作性能，易燃易爆性能，

9、易燃易爆l液体易泄漏液体易泄漏l需要专门的供油系统需要专门的供油系统优点优点不足不足第十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 驱驱动动机机构构分分为为直直线线驱驱动动机机构构和和旋旋转转驱驱动动机机构构，可可以以由由以以下下几几种种不不同驱动方式来实现：同驱动方式来实现：气压驱动方式气压驱动方式l空气黏度小，易达到高速空气黏度小，易达到高速l使使用用安安全全，适适用用于于恶恶劣劣工工作作环环境境l价格低廉价格低廉l能实现过载保护能实现过载保护l单位体积能提供的动力小单位体积能提供的动力小l工作平稳性差，位置精度低工作

10、平稳性差，位置精度低l除水麻烦除水麻烦l噪声污染噪声污染优点优点不足不足第十二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 驱驱动动机机构构分分为为直直线线驱驱动动机机构构和和旋旋转转驱驱动动机机构构，可可以以由由以以下下几几种种不不同同驱动方式来实现：驱动方式来实现：电气驱动方式电气驱动方式 利利用用电电动动机机直直接接驱驱动动机机械械传传动动装装置置。能能源源简简单单、使使用用方方便便、机机构构速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低速度变化范围大、机械效率高、位置精度高，噪声低。电气驱动电气驱动步进电机步进电机伺服

11、电机伺服电机直流伺服电机直流伺服电机交流伺服电机交流伺服电机第十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：齿轮齿条装置齿轮齿条装置 齿齿条条(4)固固定定，齿齿轮轮(3)转转动动时时联联通通拖拖板板(1)沿沿着着齿齿条条方方向做直线运动。向做直线运动。该装置的该装置的回差较大回差较大。第十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：普通丝杠普通丝杠 采采用

12、用一一个个旋旋转转的的精精密密丝丝杠杠驱驱动动一一个个螺螺母母沿沿着着丝丝杠杠轴轴向向移移动动，从从而而将将丝丝杠杠的的旋旋转转运运动动转转化化成成螺螺母的直线运动。母的直线运动。传传动动效效率率低低、精精度度低低、回差大回差大。第十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：滚珠丝杠滚珠丝杠 螺螺母母槽槽里里放放置置了了很很多多滚滚珠珠，在在丝丝杠杠传传动动过过程程中中以以滚滚珠珠的的滚滚动动摩摩擦擦代代替替滑滑动动摩摩擦擦，传传动动效效率率较较高高。通通常常采采用用两两个

13、个背背靠靠背背的的双双螺螺母母来来消消除除丝丝杠和螺母之间的杠和螺母之间的间隙间隙。第十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计 第十七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计微小型丝杠第十八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计11丝杠丝杠22螺母螺母33滚珠滚珠44回程引导装置回程引导装置第十九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计第二十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械

14、系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 滚珠丝杠工作特点滚珠丝杠工作特点a、传动效率高、传动效率高 b、运动可逆、运动可逆c、刚度好、刚度好 d、传动精度高、传动精度高e、寿命长、寿命长 f、不能自锁、不能自锁g、工艺复杂、工艺复杂第二十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的直线驱动机构包括：常用的直线驱动机构包括：液压液压(气压气压)缸缸 将将液液压压泵泵(或或空空气气压压缩缩机机)输输出出的的压压力力能能转转换换为为机机械械能能，驱驱动动执执行行构构件件做做直直线线往往复复运运动动。第二十二

15、页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的常用的旋转驱动机构旋转驱动机构包括：包括：齿轮链齿轮链 由由两两个个或或两两个个以以上上的的齿齿轮轮组组成成的的传传动动机机构构，可可以以传传递递运运动动角角位位移移和和角角速速度度，也也可可以以传传递递力和力矩力和力矩。第二十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链 不不计计能能量量损损失失的的情情况况下下，根根据据能能量量守守恒恒可可以以

16、得得到：到：由于啮合齿轮转过的圆周距相等，得到：由于啮合齿轮转过的圆周距相等，得到：第二十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链 进一步可以得到啮合齿轮的齿数与半径、角速度之间的关系为：进一步可以得到啮合齿轮的齿数与半径、角速度之间的关系为：输入输出轴之间传递的扭矩、角位移和角速度之间的关系为：输入输出轴之间传递的扭矩、角位移和角速度之间的关系为：第二十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构

17、驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链 将将输输出出轴轴齿齿轮轮转转动动惯惯量量等等效效到到与与电电机机相相连连的的输输入入轴轴上上，可可以以得得到系统等效转动惯量为：到系统等效转动惯量为：根据动能定理有：根据动能定理有：第二十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：齿轮链齿轮链(1)齿齿轮轮链链的的引引入入会会减减小小系系统统等等效效转转动动惯惯量量，使使电电动动机机的的响响应应时时间间缩缩短短，使使伺伺服服系系统统易易于于控控制制。输输

18、出出轴轴等等效效到到输输入入轴轴上上的的等等效效转转动动惯惯量量与与输入输入/输出齿轮齿数比的平方输出齿轮齿数比的平方成正比。成正比。(2)齿齿轮轮间间隙隙误误差差将将导导致致机机器器人人手手臂臂的的定定位位误误差差增增加加，若若不不采采取取补补偿偿措措施施还会引起还会引起伺服系统的不稳定伺服系统的不稳定。第二十七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：同步皮带同步皮带 用用于于传传递递平平行行轴轴间间的的运运动动或或将将回回转转运运动动转转换换成成直直线线运运动动。同同步

19、步皮皮带的传动比计算公式为：带的传动比计算公式为：第二十八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：同步皮带同步皮带 同同步步皮皮带带传传动动的的优优点点在在于于：传传动动时时无无滑滑动动，传传动动比比精精确确，传传动动平平稳稳；速比范围大速比范围大；初始拉力小初始拉力小，轴及轴承，轴及轴承不易过载不易过载。同同步步皮皮带带传传动动的的限限制制在在于于：对对传传动动机机构构的的制制造造及及安安装装要要求求严严格格，对对皮皮带的材料带的材料要求较高，故要求较高，故成本较高成本较

20、高。同同步步皮皮带带传传动动是是低低惯惯性性传传动动，适适合合于于电电动动机机和和高高减减速速比比减减速速器器之之间的传动。间的传动。第二十九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：谐波齿轮谐波齿轮 谐谐波波齿齿轮轮传传动动机机构构由由刚刚性性齿齿轮轮、谐谐波波发发生生器器和和柔柔性性齿齿轮轮三三部部分分组组成成。其传动特点在于：其传动特点在于：l结构简单，体积、质量小；结构简单，体积、质量小；l传动比范围大；传动比范围大；l运动精度高，承载能力大；运动精度高，承载能力大；

21、l运动平稳，无冲击，噪声小；运动平稳，无冲击，噪声小；l齿侧间隙可以调整。齿侧间隙可以调整。第三十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计试分析谐波齿轮的工作原理与特点试分析谐波齿轮的工作原理与特点 如图所示，谐波齿轮传动主要由谐波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮组如图所示，谐波齿轮传动主要由谐波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮组成。柔性齿轮具有外齿，刚性齿轮具有内齿，它们的齿形为三角形或成。柔性齿轮具有外齿，刚性齿轮具有内齿，它们的齿形为三角形或渐开线型。其齿距渐开线型。其齿距P P相等，但齿数不同。刚性齿轮的齿数、比柔性齿相等，但齿数不同。刚性齿轮的齿数

22、、比柔性齿轮齿数多轮齿数多2 2个。柔性齿轮的轮缘极薄，刚度很小，在未装配前，个。柔性齿轮的轮缘极薄，刚度很小，在未装配前，柔性齿轮是圆形的。柔性齿轮是圆形的。第三十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计试分析谐波齿轮的工作原理与特点试分析谐波齿轮的工作原理与特点由于波形发生器的直径比柔轮内圆的直径略大。所以当波形发由于波形发生器的直径比柔轮内圆的直径略大。所以当波形发生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。在椭圆生器装入柔轮的内圆时，就迫使柔轮变形，呈椭圆形。在椭圆长轴的两端，刚轮与柔轮的轮齿完全啮合，而在椭圆短轴的两长轴的两端，刚

23、轮与柔轮的轮齿完全啮合，而在椭圆短轴的两端，两轮的轮齿完全分离，长短轴之间的齿，则处于半啮合状端，两轮的轮齿完全分离，长短轴之间的齿，则处于半啮合状态，即一部分正在啮入，一部分正在脱出当谐波发生器转动态，即一部分正在啮入，一部分正在脱出当谐波发生器转动时，迫使柔轮的长短轴的方向随之发生变化柔轮与刚轮上的时，迫使柔轮的长短轴的方向随之发生变化柔轮与刚轮上的齿依次进入啮合。齿依次进入啮合。第三十二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.2 驱动机构驱动机构 常用的旋转驱动机构包括：常用的旋转驱动机构包括：摆线针轮传动减速器摆线针轮传动减速器 由由

24、渐渐开开线线圆圆柱柱齿齿轮轮行行星星减减速速机机构构和和摆摆线线针针轮轮行行星星减减速速器器两两部部分分组组成成。其传动特点在于：其传动特点在于：l轴向尺寸可大大缩小；轴向尺寸可大大缩小；l传动平稳，使用寿命长；传动平稳，使用寿命长；l通过合理设计能获得高精度；通过合理设计能获得高精度；l刚性和抗冲击性高；刚性和抗冲击性高；l传动比范围大；传动比范围大；l传动效率高。传动效率高。第三十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计 工工业业机机器器人人主主要要由由三三大大部部分分构构成成：机机身身(立立柱柱)、臂臂

25、部部(包包括括手手腕腕)、手手部部。若若是是固固定定式式，则则固固定定机机座座一一般般与与机机身身为为一一体体；若若是是移移动动式式，则则还还需要一个需要一个行走机构行走机构。机机身身是是连连接接、支支撑撑手手臂臂及及行行走走机机构构的的部部件件，用用于于安安装装臂臂部部的的驱驱动装置或传动装置。动装置或传动装置。臂臂部部机机器器人人的的主主要要执执行行部部件件，用用于于支支撑撑腕腕部部和和手手部部，带带动动手手及及腕腕在空间在空间 运动。运动。第三十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身

26、设计 机机身身一一般般用用于于实实现现升升降降、回回转转和和俯俯仰仰等等运运动动，通通常常有有13个个自自由由度度。机身结构一般由机器人的机身结构一般由机器人的坐标形式坐标形式来确定：来确定：l圆柱坐标型：回转、升降自由度；圆柱坐标型：回转、升降自由度；l球坐标型：回转、俯仰自由度；球坐标型：回转、俯仰自由度；l关节坐标型：回转自由度；关节坐标型：回转自由度；l直角坐标型：升降或水平移动自由度。直角坐标型：升降或水平移动自由度。第三十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计l采采用用摆摆

27、动动油油缸缸驱驱动动，升升降降油油缸缸在在上上、回回转转油缸在下；油缸在下；回转与升降式机身回转与升降式机身l采采用用摆摆动动油油缸缸驱驱动动，回回转转油油缸缸在在上上、升升降油缸在下；降油缸在下；l采用链条传动机构。采用链条传动机构。第三十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 俯俯仰仰动动作作一一般般采采用用液液压压(气气)缸缸与与连连杆杆机机构构来来实实现现，液液压压缸缸位位于于手手臂臂下下方方，活活塞塞杆杆和和手手臂用铰链连接。臂用铰链连接。此此外外，也也有有采采用用无无杆杆活

28、活塞塞缸缸驱驱动动齿齿条条齿轮或四连杆机构来实现俯仰运动。齿轮或四连杆机构来实现俯仰运动。回转与俯仰式机身回转与俯仰式机身第三十七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 机机身身做做垂垂直直运运动动时时，除除了了需需要要克克服服摩摩擦擦力力之之外外，还还要要克克服服运运动动部部件件的的重力重力及及惯性力惯性力。故，驱动力。故，驱动力Fq计算如下：计算如下：垂直升降运动的驱动力垂直升降运动的驱动力 Fm为为各各支支撑撑处处的的摩摩擦擦力力；Fg为为启启动动时时的的总总惯惯性性力力；G为为运

29、运动动构构件件总重力。总重力。第三十八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 回回转转运运动动的的驱驱动动力力矩矩包包括括：回回转转部部件件的的摩摩擦擦总总力力矩矩和和运运动动构构件件的的总总惯性力矩惯性力矩。故，驱动力矩。故，驱动力矩Mq计算如下：计算如下：回转运动驱动力矩回转运动驱动力矩 Mm为总摩擦阻力矩；为总摩擦阻力矩；Mg为总惯性力矩，且有：为总惯性力矩，且有：第三十九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计

30、机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 机器人手臂偏重力矩为：机器人手臂偏重力矩为：升降立柱下降不卡死的条件升降立柱下降不卡死的条件 Gi为为零零部部件件及及工工件件的的重重量量；Li为为零零部部件件及及工工件件重重心心到到机机身身回回转转轴轴的的距距离离。若若偏偏重重力力矩矩过过大大，会会使使支支承承导导向向套套与与立立柱柱之之间间的的摩摩擦擦力力过过大大，依依靠靠自自重重下下降降则则立立柱柱可可能能卡卡死死在在导向套内出现导向套内出现自锁自锁。第四十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设

31、计 为为防防止止自自锁锁必必须须根根据据偏偏重重力力矩矩来来确确定定导导向向套套的的长长度度。根根据据平平衡衡条条件可知：件可知：升降立柱下降不开死的条件升降立柱下降不开死的条件要要使使升升降降立立柱柱在在导导套套内内自自由由下下降降，臂臂部部总总重重量量G必必须须大大于于导导套套与与立立柱柱间的摩擦力间的摩擦力，因此不卡死的条件为：，因此不卡死的条件为：第四十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(1)机身设计机身设计 为为保保证证机机器器人人工工作作过过程程中中的的灵灵活活性性和和准准确确性性，还还必必

32、须须注注意意以以下下几几点：点：l机身要有足够的刚度、强度和稳定性；机身要有足够的刚度、强度和稳定性；l运运动动要要灵灵活活，用用于于实实现现升升降降运运动动的的导导向向套套长长度度不不宜宜过过短短，以以免免发生卡死现象；发生卡死现象；l驱动方式要适宜；驱动方式要适宜；l结构布置要合理。结构布置要合理。第四十二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计 工工业业机机器器人人的的臂臂部部由由大大臂臂、小小臂臂(或或多多臂臂)所所组组成成，一一般般具具有有23个个自自由由度度，完完成成伸伸缩缩、

33、回回转转、俯俯仰仰或或升升降降动动作作，是是工工业业机机器器人人的的主主要要执行部件执行部件，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。，用于支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。臂臂部部运运动动部部分分零零件件重重量量直直接接影影响响臂臂部部结结构构的的刚刚度度和和强强度度，同同时时由由于于其其承承受受运运动动过过程程中中的的动动、静静载载荷荷和和惯惯性性力力较较大大，还还影影响响着着机机器器人人定位的准确性定位的准确性。第四十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计 臂臂部部结结构构

34、的的形形式式取取决决于于机机器器人人的的运运动动形形式式、抓抓取取动动作作自自由由度度和和运动精度运动精度等。一般需要注意以下几点要求：等。一般需要注意以下几点要求：l 具有局够的承载能力和刚度；具有局够的承载能力和刚度；l 导向性要好；导向性要好；l 重量和转动惯量要小；重量和转动惯量要小；l 运动要平稳、定位精度要高。运动要平稳、定位精度要高。臂部的设计要求臂部的设计要求第四十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计 臂臂部部运运动动速速度度越越高高，惯惯性性力力引引起起的的定定位位

35、前前的的冲冲击击就就越越大大，因因此要采用一定的缓冲措施。此要采用一定的缓冲措施。工工业业机机器器人人常常用用的的缓缓冲冲装装置置有有弹弹性性缓缓冲冲元元件件、液液压压(气气)缸缸端端部部缓缓冲冲装装置置、缓缓冲冲回回路路和和液液压压缓缓冲冲器器等等。按按照照在在机机器器人人或或机机械械手手结结构构中中设置位置的不同，可分为设置位置的不同，可分为内部缓冲器装置内部缓冲器装置和和外部缓冲装置外部缓冲装置两类。两类。臂部的设计要求臂部的设计要求第四十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.3 机身和臂部设计机身和臂部设计(2)臂部设计臂部设计手

36、臂的常用结构手臂的常用结构直线直线运动运动机构机构液压缸液压缸齿轮齿条机构齿轮齿条机构丝杠螺母机构丝杠螺母机构连杆机构连杆机构回回转转运运动动机机构构叶片式回转缸叶片式回转缸齿轮传动机构齿轮传动机构链轮传动机构链轮传动机构活塞缸活塞缸连杆机构连杆机构第四十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计手臂直线运动结构手臂直线运动结构 机机器器人人手手臂臂的的伸伸缩缩、横横向向移移动动均均属属于于直直线线运运动动。为为了了使使手手臂臂移移动动的的距距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的增倍机构。离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的增倍机

37、构。第四十七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计活活塞塞杆杆3左左移移时时，与与活活塞塞杆杆相相连连接接的的齿齿轮轮2也也左左移移，并并使使运运动动齿齿条条1一一起起左左移移；由由于于齿齿轮轮2与与固固定定齿齿条条4啮啮合合，因因而而齿齿轮轮2在在移移动动的的同同时时，又又在在固固定定齿齿条条上上滚滚动动，并并将将此此运运动动传传给给运运动动齿齿条条1，从从而而使使运运动动齿齿条条1又又向向左左移移动动一一距距离离。因手臂固连于齿条因手臂固连于齿条1上，所以手臂的行程和速度均为活塞杆上，所以手臂的行程和速度均为活塞杆3的的两倍两倍。第四十八页

38、，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计手臂回转运动结构手臂回转运动结构 图为利用齿轮齿条液压缸实现图为利用齿轮齿条液压缸实现手臂回转运动的机构。压力油分别手臂回转运动的机构。压力油分别进入液压缸两腔，推动齿条活塞做进入液压缸两腔，推动齿条活塞做往复移动，与齿条啮合的齿轮即做往复移动，与齿条啮合的齿轮即做往复回转运动。齿轮与手臂固连，往复回转运动。齿轮与手臂固连，从而实现手臂的回转运动。从而实现手臂的回转运动。第四十九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计手臂回转运动结构手臂回转运动结构 图为采用活

39、塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液图为采用活塞杆和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构。当液压缸压缸1 1的两腔通压力油时，连杆的两腔通压力油时，连杆2 2带动曲柄带动曲柄3 3绕轴心绕轴心O O作作9090的上、下摆动。的上、下摆动。手臂摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架手臂摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由支承架4 4上的定位螺钉上的定位螺钉6 6和和5 5来来调节。调节。第五十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计 工业机器人的腕部是工业机器人的腕部是连接手部与臂部连接手部与臂部的部件，起的部件

40、，起支承手部支承手部的作用。的作用。机机器器人人一一般般具具有有6个个自自由由度度才才能能使使手手部部(末末端端操操作作器器)达达到到目目标标位位置和处于期望的姿态，手腕自由度主要用于置和处于期望的姿态，手腕自由度主要用于实现所期待的姿态实现所期待的姿态。第五十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计 腕腕部部一一般般要要求求能能够够实实现现对对空空间间3个个坐坐标标轴轴的的转转动动，即即具具有有回回转转(R)、俯仰俯仰(P)和和偏转偏转(Y)3个自由度个自由度。第五十二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机

41、器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计l回回转转(R)关关节节：手手臂臂纵纵轴轴线线与与手手腕腕关关节节轴轴线线共共轴轴线线旋旋转转角度大角度大；l弯弯曲曲(B)关关节节：关关节节轴轴线线与与前前后后两两个个连连接接件件的的轴轴线线垂垂直直旋旋转转角角度小度小；l移动移动(T)关节关节(1)按自由度数目分类按自由度数目分类单自由度手腕单自由度手腕第五十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计lBR关节：关节：1个个R关节与关节与1个个B关节组成；关节组成；lBB关节：关节：2个个B关节组成；关节组

42、成；lRR关节：关节：2个个R关节组成，关节组成，自由度退化为自由度退化为1。(1)按自由度数目分类按自由度数目分类二自由度手腕二自由度手腕第五十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计 常常用用的的三三自自由由度度手手腕腕的的结结构构形形式式包包括括：BBR、RRR、BRR和和RBR四种。四种。(1)按自由度数目分类按自由度数目分类三自由度手腕三自由度手腕第五十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类直接驱动手腕

43、直接驱动手腕 将将驱驱动动元元件件直直接接装装在在手手腕腕上，可以使结构十分紧凑。上，可以使结构十分紧凑。图图为为一一种种液液压压直直接接驱驱动动的的BBR手手腕腕。其其中中M1、M2、M3是是液液压压马马达达，直直接接驱驱动动实实现现手手腕腕的的偏偏转转、俯仰和翻转俯仰和翻转3个自由度的轴。个自由度的轴。第五十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 图图为为一一种种采采用用远远距距离离齿齿轮轮传传动动机机构构来来实实现现手手腕腕回回转转和和俯俯仰仰的的二二

44、自自由由度度手手腕腕。手手腕腕的的回回转转运运动动由由传传动动轴轴S传传递递，轴轴S驱驱动动锥锥齿齿轮轮1回回转转，并并带带动动锥锥齿齿轮轮2、3、4转转动动。因因手手腕腕与与锥锥齿齿轮轮4连连为为一一体，从而实现手部绕轴体，从而实现手部绕轴C的回转运动。的回转运动。第五十七页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 手手腕腕的的俯俯仰仰运运动动由由传传动动轴轴B传传递递，轴轴B驱驱动动锥锥齿齿轮轮5回回转转，并并带带动动锥锥齿齿轮轮6绕绕轴轴A回回转转，因因手手

45、腕腕的的壳壳体体7与与传传动动轴轴A用用销销连连接接为一体，从而可实现手腕的俯仰运动。为一体，从而可实现手腕的俯仰运动。第五十八页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 当当轴轴S不不转转而而轴轴B回回转转时时，轴轴B除除带带动动手手腕腕绕绕轴轴A上上、下下摆摆动动外外，还还带带动动锥锥齿齿轮轮4绕绕轴轴A转转动动。由由于于轴轴S不不动动，故故锥锥齿齿轮轮3不不转转，但但锥锥齿齿轮轮4与与3相相啮啮合合，因因此此迫迫使使锥锥齿齿轮轮4有有一一个个附附加加的的绕绕

46、轴轴C的的自自转转，即即为为手手腕腕的附加回转运动的附加回转运动。第五十九页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.4 腕部设计腕部设计(2)按驱动方式分类按驱动方式分类远距离传动手腕远距离传动手腕 因因手手腕腕俯俯仰仰运运动动引引起起的的手手腕腕附附加加回回转转运运动动称为称为诱导运动。诱导运动。因因为为手手腕腕安安装装在在手手臂臂的的末末端端，所所以以手手腕腕的的尺寸和质量是手腕设计时要考虑的关键问题。尺寸和质量是手腕设计时要考虑的关键问题。第六十页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.5

47、 手部设计手部设计 工工业业机机器器人人的的手手部部是是安安装装在在工工业业机机器器人人手手腕腕上上直直接接抓抓握握工工件件或或执行作业执行作业的部件，具有以下特点：的部件，具有以下特点：(1)手部与手腕相连处可拆卸；手部与手腕相连处可拆卸；(2)是末端操作器；是末端操作器；(3)通用性较差；通用性较差；(4)是一个独立部件。是一个独立部件。第六十一页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.5 手部设计手部设计 根根据据手手部部的的用用途途，一一般般可可以以分分为为手手爪爪和和工工具具两两大大类类，其其中中手手爪爪具具有有一一定定的的通通用用性

48、性，可可以以抓抓住住、握握持持、释释放放工工件件；工工具具则则专专门门进进行行某某种种作业作业，如喷漆枪、焊具等。，如喷漆枪、焊具等。喷漆枪喷漆枪焊具焊具第六十二页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式内撑钳爪式内撑钳爪式外夹钳爪式外夹钳爪式第六十三页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的

49、夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式齿轮齿条移动式齿轮齿条移动式重力式重力式第六十四页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式平行连杆式平行连杆式拔拔杆杆杠杠杆杆式式第六十五页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳

50、爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。机械钳爪式机械钳爪式自动调整式自动调整式多指式多指式第六十六页，编辑于星期六：二十三点 二十五分。l l工业机器人机械系统设计工业机器人机械系统设计2.5 手部设计手部设计根据手部的夹持原理，又可分为根据手部的夹持原理，又可分为机械钳爪式机械钳爪式和和吸附式吸附式两大类。两大类。吸附式吸附式 吸附式手部主要包括吸附式手部主要包括磁力吸附式磁力吸附式和和真空吸附式真空吸附式两种。两种。磁磁力力吸吸附附式式在在手手部部上上安安装装电电磁磁铁铁，通通过过磁磁场场吸吸力力把把工工件件吸吸住住。只只能能吸吸住住由由铁铁磁磁材材料料制制成成的的工工件件，且且被