工业机器人的机械结构资料.pdf

第三讲第三讲 机器人的机械结构机器人的机械结构 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 机身和臂部机构机身和臂部机构 驱动机构驱动机构 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 自由度自由度 操作机的自由度多，机构运动的灵活性大，通用操作机的自由度多，机构运动的灵活性大，通用 性强，但机构的结构也更复杂，刚性变差机构的自性强，但机构的结构也更复杂，刚性变差机构的自 由度多于为完成生产任务所必需的自由度时，多余的由度多于为完成生产任务所必需的自由度时，多余的 自由度称为冗余自由度设置冗余自由度使操作机具自由度称为冗余自由度设置冗余自由度使操作机具 有一定的避障能力，在进行运动逆解时，使各关节的有一定的避障能力，在进行运动逆解时，使各关节的 运动具有优选的条件工业机器人一般多为运动具有优选的条件工业机器人一般多为4~6个自个自 由度 第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 工作空间工作空间 机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安置机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安置 点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能 达到的区域。

达到的区域 工作空间的形状取决于机器人的构型，工作空工作空间的形状取决于机器人的构型，工作空 间的大小取决于组成机器人各部件的自身尺寸和运间的大小取决于组成机器人各部件的自身尺寸和运 动尺寸 第一节第一节 机器人的主要技术参机器人的主要技术参 数数 工作速度工作速度 工作速度是指机器人在工作载荷条件下，匀速运工作速度是指机器人在工作载荷条件下，匀速运 动过程，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所动过程，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所 移动的距离或转动的角度移动的距离或转动的角度 工作载荷工作载荷 机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受 的最大负载量（包括手部）用质量、力矩、惯性矩的最大负载量（包括手部）用质量、力矩、惯性矩 来表示 第一节第一节 机器人的主要技术参机器人的主要技术参 数数 控制方式控制方式 机器人用于控制轴的方式，使伺服还是非伺服，机器人用于控制轴的方式，使伺服还是非伺服， 伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动 驱动方式驱动方式 指的是关节执行器的动力源形式：电气驱动、液指的是关节执行器的动力源形式：电气驱动、液 压驱动、气压驱动、其它驱动形式。

压驱动、气压驱动、其它驱动形式 第一节第一节 机器人的主要技术参机器人的主要技术参 数数 精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率 精度、重复精度、和分辨率用来定义机器人手部精度、重复精度、和分辨率用来定义机器人手部 的定位能力的定位能力 精度精度 是一个位置量相对于其参照系的绝对度量是一个位置量相对于其参照系的绝对度量 重复精度重复精度 指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次 运动轨迹之间的误差度量运动轨迹之间的误差度量 任务任务机床上下机床上下 料料 冲床上下料冲床上下料点焊点焊模锻模锻喷漆喷漆装配装配测量测量弧焊弧焊 重复重复 性性 ±±（（0.05~1) ±±1±±1±±0.1~ 2 ±±3±±(0.01 ~0.5) ±±(0.01 ~0.5) ±±(0.2~ 0.5) 第一节第一节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 分辨率分辨率 是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角 度精度和分辨率不一定相关精度和分辨率不一定相关 反馈尺反馈尺 实实际际位位置置 重复重复 精度精度 精度精度 分辨率分辨率 TBRU 给定位置给定位置 第二节第二节 机身和臂部机构机身和臂部机构 机身机身 起连接、支承和传起连接、支承和传 动的作用动的作用 既可以是固定式的，既可以是固定式的， 也可以是行走式的也可以是行走式的 臂部臂部 支承腕部和手部，并带动它们支承腕部和手部，并带动它们 在空间运动在空间运动 在工作中直接承受腕、手和工在工作中直接承受腕、手和工 件的静、动载荷，自身运动又件的静、动载荷，自身运动又 较多，故受力复杂。

较多，故受力复杂 一、机身和臂部的作用一、机身和臂部的作用 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 二、机身的典型结构二、机身的典型结构 采用哪种自由度形式由机器人的总体设计来定采用哪种自由度形式由机器人的总体设计来定 直角坐标型直角坐标型 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 控制简单；控制简单； 刚性最大（龙门式）；刚性最大（龙门式）； 容易达到高精度；容易达到高精度； 操作范围小；操作范围小； 占地面积大；占地面积大； 运动速度低；运动速度低； 密封性差；密封性差； 二、机身的典型结构 圆柱坐标型圆柱坐标型 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 工作范围可以扩大；工作范围可以扩大； 计算简单；计算简单； 动力输出较大；动力输出较大； 手臂可达空间受到限制；手臂可达空间受到限制； 直线驱动部分难以密封；直线驱动部分难以密封； 安全性差；安全性差； 二、机身的典型结构 球坐标式球坐标式 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 中心支架附近的工作范围大；中心支架附近的工作范围大； 工作空间大；工作空间大； 坐标系复杂，难以控制；坐标系复杂，难以控制； 存在工作死区；存在工作死区； 密封性较差；密封性较差； 二、机身的典型结构 平面多关节型平面多关节型 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 垂直方向上刚度高；垂直方向上刚度高； 水平面内动作灵活；水平面内动作灵活； 适于孔轴装配工作；适于孔轴装配工作； 二、机身的典型结构 垂直多关节型垂直多关节型 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 动作灵活；动作灵活； 工作空间大；工作空间大； 易密封；易密封； 工作条件要求低；工作条件要求低； 适合用电机驱动；适合用电机驱动； 计算量大；计算量大； 输出动力不大；输出动力不大； 机身的典型结构 回转与升降机身回转与升降机身 回转与俯仰机身回转与俯仰机身 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 齿 条 活 塞 油 缸 驱 动 的 回 转 型 机 身 齿 条 活 塞 油 缸 驱 动 的 回 转 型 机 身 升降回转台升降回转台 升降缸体升降缸体 活塞活塞 活塞杆活塞杆 固定导套固定导套 齿轮套筒齿轮套筒 齿条缸齿条缸 固定立柱固定立柱 齿 条 活 塞 油 缸 驱 动 的 回 转 型 机 身 齿 条 活 塞 油 缸 驱 动 的 回 转 型 机 身 1、活塞、活塞 2、花键套、花键套 3、花键轴、花键轴 4、升降油缸、升降油缸 5、摆动油缸、摆动油缸 6、摆动缸定片、摆动缸定片 7、摆动缸动片、摆动缸动片 链条链轮型回转机身链条链轮型回转机身 回转与俯仰机身回转与俯仰机身 采用尾部耳环或中部采用尾部耳环或中部 销轴与立柱连接销轴与立柱连接 铰链连接铰链连接 三、臂部的典型机构 臂部伸缩机构臂部伸缩机构 臂部俯仰运动机构臂部俯仰运动机构 手臂回转与升降机构手臂回转与升降机构 手臂回转与升降机构通常是通过臂部相对手臂回转与升降机构通常是通过臂部相对 于立柱的运动机构来实现。

常采用回转缸与升于立柱的运动机构来实现常采用回转缸与升 降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度 小于小于360°°的情况，也有采用升降缸与气马的情况，也有采用升降缸与气马 达达——锥齿轮传动的结构锥齿轮传动的结构 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 四、机身与臂部的配置形式四、机身与臂部的配置形式 （（1.）横梁式）横梁式 机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人大都为机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人大都为 移动式 （（2.）立柱式）立柱式 立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式， 是一种常见的配置形式是一种常见的配置形式 （（3.）机座式）机座式 机身设计成机座式，这种机器人可以使独立的、自成系统，机身设计成机座式，这种机器人可以使独立的、自成系统， 的完整装置，可以随意安放和搬动的完整装置，可以随意安放和搬动 （（4.）屈伸式）屈伸式 屈伸式机器人的臂部可以有大小臂组成，大小臂间有相对屈伸式机器人的臂部可以有大小臂组成，大小臂间有相对 运动，成为屈伸臂。

运动，成为屈伸臂 五、机身和臂部设计应注意的问题五、机身和臂部设计应注意的问题 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸 ※采用封闭型空心截面的结构作为臂杆采用封闭型空心截面的结构作为臂杆 ※适当减小壁厚，加大轮廓尺寸适当减小壁厚，加大轮廓尺寸 提高支承刚度和接触刚度提高支承刚度和接触刚度 ※支座的结构形状、底板的连接形式支座的结构形状、底板的连接形式 ※提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工提高配合面间的接触刚度，即保证配合表面的加工 精度和表面粗糙度精度和表面粗糙度 合理布置作用力的位置和方向合理布置作用力的位置和方向 ＃刚度＃刚度 机器人的机械机构（一）机器人的机械机构（一） 四、机身和臂部设计应注意的问题四、机身和臂部设计应注意的问题 ＃精度＃精度(手部位置精度手部位置精度) ※刚度刚度 ※各运动部件的制造和装配精度各运动部件的制造和装配精度 ※臂部和机身运动的导向装置和定位方式臂部和机身运动的导向装置和定位方式 ※手部或腕部在臂上的定位和连接方式手部或腕部在臂上的定位和连接方式 四、机身和臂部设计应注意的问题四、机身和臂部设计应注意的问题 ＃平稳性＃平稳性 ※臂部和机身的运动部件应力求紧凑、质量臂部和机身的运动部件应力求紧凑、质量 轻，以减少惯性力。

轻，以减少惯性力 铝合金或非金属材料铝合金或非金属材料 ※必须注意运动部件各部分的质量对转轴或必须注意运动部件各部分的质量对转轴或 支承的分布情况，即重心的布置支承的分布情况，即重心的布置 四、机身和臂部设计应注意的问题四、机身和臂部设计应注意的问题 ＃其他＃其他 ※传动系统应力求简短，以提高传动精度和效率传动系统应力求简短，以提高传动精度和效率 ※各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动 的测、控元件等布置要合理紧凑，操作维护要的测、控元件等布置要合理紧凑，操作维护要 方便 ※对于在特殊条件下工作的机器人，设计时要对于在特殊条件下工作的机器人，设计时要 有针对性地采取措施：有针对性地采取措施：防热辐射、防腐、防防热辐射、防腐、防 尘、防爆尘、防爆 腰部机构的设计注意事项腰部机构的设计注意事项 机械手的腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全机械手的腰部包括机座和腰关节，机座承受机器人全 部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢部重量，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢 制造，制造， 机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱机座要有一定的尺寸以保证操作机的稳定，并满足驱 动装置及电缆的安装。

动装置及电缆的安装 腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度腰关节是负载最大的运动轴，对末端执行器运动精度 影响最大，故设计精度要求高影响最大，故设计精度要求高 腰部机构的设计注意事项腰部机构的设计注意事项 腰关节的轴可采用腰关节的轴可采用普通轴承普通轴承 的支承结构，其优点是结构的支承结构，其优点是结构 简单、安装调整方便，但腰简单、安装调整方便，但腰 部高度较高部高度较高 现在大多数。