工业机器人的本体结构课件.pptx

全国应用型高校工业机器人领域人才培养“十三五”规划教材工业机器人技术基础工业机器人技术基础 项目3 工业机器人的本体结构 项目3 工业机器人的本体结构【学习目标】【学习目标】 （1）熟悉工业机器人的本体基本结构形式和材料）熟悉工业机器人的本体基本结构形式和材料 （2）掌握工业机器人臂部基本结构形式和特点）掌握工业机器人臂部基本结构形式和特点 （3）掌握工业机器人腕部结构及手部结构）掌握工业机器人腕部结构及手部结构【知识要点】【知识要点】 （1）掌握工业机器人的本体的基本结构形式，并了解相对应结构的优缺点）掌握工业机器人的本体的基本结构形式，并了解相对应结构的优缺点 （2）熟练掌握机器人本体材料的相关特性）熟练掌握机器人本体材料的相关特性 （3）掌握工业机器人臂部结构的基本形式和特点）掌握工业机器人臂部结构的基本形式和特点 （4）掌握工业机器人臂部质量平衡方法）掌握工业机器人臂部质量平衡方法 （5）掌握工业机器人手部和腕部结构的基本形式和特点）掌握工业机器人手部和腕部结构的基本形式和特点【训练项目】【训练项目】 （1）工业机器人本体结构及特点）工业机器人本体结构及特点 （2）机身及臂部结构）机身及臂部结构 （3）腕部及手部结构）腕部及手部结构任务一 工业机器人本体结构及特点1.1机器人本体的基本结构形式工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式。

最广泛工业机器人主体结构设计的主要问题是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式最广泛 使使用的工业机器人坐标形式有用的工业机器人坐标形式有: : 直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式（极坐标式）、（极坐标式）、关节关节坐标式坐标式（包括平面关节式）包括平面关节式）1.1.直角坐标式机器人直角坐标式机器人直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约直角坐标式机器人主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器人总数的占工业机器人总数的14 % 14 % 左右一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动（左右一般直角坐标式机器人的手臂能垂直上下移动（Z Z 方向运方向运动），并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动（动），并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动（X X 、Y Y 方向运动）直角坐标方向运动）直角坐标式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定式机器人主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定任务一 工业机器人本体结构及特点1.1机器人本体的基本结构形式直角坐标式机器人具有如下直角坐标式机器人具有如下优点优点：（1 1）结构简单。

结构简单2 2）容易编程容易编程3 3）采用直线滚动导轨后）采用直线滚动导轨后, , 速度高速度高, , 定位精度高定位精度高4 4）在）在X X 、Y Y 和和Z Z 三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些三个坐标轴方向上的运动没有耦合作用，对控制系统设计相对容易些但是，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，带来许多问题但是，由于直角坐标式机器人必须采用导轨，带来许多问题, , 其主要其主要缺点缺点如下：如下：（1 1）导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很好导轨面的防护比较困难，不能像转动关节的轴承那样密封得很好2 2）导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围导轨的支承结构增加了机器人的重量，并减少了有效工作范围3 3）为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高为了减少摩擦需要用很长的直线滚动导轨，价格高4 4）结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大结构尺寸与有效工作范围相比显得庞大5 5）移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗移动部件的惯量比较大，增加了驱动装置的尺寸和能量消耗任务一 工业机器人本体结构及特点1.1机器人本体的基本结构形式近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标式机器人中的比重正在增加（见图近来一种起重机台架式直角坐标机器人的应用越来越多，在直角坐标式机器人中的比重正在增加（见图3-1)3-1)。

在像装配飞机构件这样的大在像装配飞机构件这样的大车间中车间中, , 这种起重机台架式直角坐标机器人的这种起重机台架式直角坐标机器人的X X 、Y Y 坐标轴方向移动距离分别可达坐标轴方向移动距离分别可达100 m 100 m 和和40 m40 m，沿，沿Z Z 坐标轴方向可达坐标轴方向可达5 m5 m，成为目前最大，成为目前最大的机器人并且的机器人并且, , 因为仅仅台架的立柱占据了安装位置，所以它能很好地利用车间的空间因为仅仅台架的立柱占据了安装位置，所以它能很好地利用车间的空间 3-1 起重机台架式直角坐标机器人任务一 工业机器人本体结构及特点3.1机器人本体的基本机器人本体的基本结结构形式构形式2.圆圆柱坐柱坐标标式机器人式机器人圆圆柱坐柱坐标标式机器人主体式机器人主体结结构具有三个自由度构具有三个自由度: 腰腰转转、升降、手臂伸、升降、手臂伸缩缩手腕通常采用两个自由度，手腕通常采用两个自由度，绕绕手臂手臂纵纵向向轴线转动轴线转动和与其垂直的水平和与其垂直的水平轴线转动轴线转动手腕若采用三个自由度，如手腕若采用三个自由度，如图图3 -2 所示，所示，则则使机器人自由度使机器人自由度总总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转转自由度有部分重复。

此自由度有部分重复此类类工工业业机器人大机器人大约约占工占工业业机器人机器人总总数的数的47% 左右圆圆柱坐柱坐标标式机器人的式机器人的优优点如下：点如下：（1）除了）除了简单简单的的“抓抓放放”作作业业外外还还可以用在可以用在许许多其他生多其他生产领产领域，与直角坐域，与直角坐标标式机器人相比增加了通用性式机器人相比增加了通用性2）结结构构紧紧凑3）在垂直方向和径向有两个往复运）在垂直方向和径向有两个往复运动动，可采用伸，可采用伸缩缩套筒式套筒式结结构当机器人开始腰构当机器人开始腰转时转时可把手臂可把手臂缩进缩进去，在很大程度上减少了去，在很大程度上减少了转动惯转动惯量量, 改善改善动动力力学学载载荷圆圆柱坐柱坐标标式机器人的缺点是由于机身式机器人的缺点是由于机身结结构的构的缘缘故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范故，手臂不能抵达底部，减少了机器人的工作范围围不过过, 当手腕具有像当手腕具有像图图 3 -2 所示的第四个所示的第四个转动转动关关节时节时，在一定程度上弥，在一定程度上弥补补了了这这个缺陷 图3-2六自由度圆柱坐标式机器人任务一 工业机器人本体结构及特点1.1机器人本体的基本机器人本体的基本结结构形式构形式3.球面坐球面坐标标式机器人式机器人球面坐球面坐标标式机器人也叫做极坐式机器人也叫做极坐标标式机器人，它具有式机器人，它具有较较大的工作范大的工作范围围，设计设计和控制系和控制系统统比比较较复复杂杂，大，大约约占工占工业业机器人机器人总总数的数的13 % 。

在在这类这类机器人中最出名的一种机器人中最出名的一种产产品是美国品是美国Unimation 公司的公司的Unimation 2000 型和型和 4000型机器人，它的型机器人，它的结结构构简图简图如如图图3-3 所示机器人主体所示机器人主体结结构有三个自由度，构有三个自由度，绕绕垂直垂直轴线轴线( 机身机身) 和水平和水平轴线轴线( 回回转转关关节节) 的的转动转动均采用了液均采用了液压压伺服伺服驱动驱动，转转角范角范围围分分别为别为200 左右和左右和 50左右，手臂伸左右，手臂伸缩缩采用液采用液压驱动压驱动的移的移动动关关节节， 其最大行程决定了球面最大半径，机器人其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际实际工作范工作范围围的形状是个不完全的形状是个不完全的球缺手腕的球缺手腕应应具有三个自由度，当机器人主体运具有三个自由度，当机器人主体运动时动时，装在手腕上的末端操作器才能，装在手腕上的末端操作器才能维维持持应应有的姿有的姿态态 图3-3球面坐标式机器人任务一 工业机器人本体结构及特点1.1机器人本体的基本机器人本体的基本结结构形式构形式4.关关节节坐坐标标式机器人式机器人关关节节坐坐标标式机器人主体式机器人主体结结构的三个自由度腰构的三个自由度腰转转关关节节、肩关、肩关节节、肘关、肘关节节全部是全部是转动转动关关节节, 手腕的三个自由度上的手腕的三个自由度上的转动转动关关节节(俯仰俯仰, 偏偏转转和翻和翻转转)用来最后确定末端操作器的姿用来最后确定末端操作器的姿态态，它是一种广泛使用的，它是一种广泛使用的拟拟人化的机器人，大人化的机器人，大约约占工占工业业机器人机器人总总数的数的25% 左右。

左右关关节节坐坐标标式机器人的式机器人的优优点如下：点如下：（1）结结构构紧紧凑，工作范凑，工作范围围大而安装占地面大而安装占地面积积小2）具有很高的可达性关）具有很高的可达性关节节坐坐标标式机器人可以使其手部式机器人可以使其手部进进入像汽入像汽车车车车身身这样这样一个封一个封闭闭的空的空间间内内进进行作行作业业，而直角坐，而直角坐标标式机器式机器人不能人不能进进行此行此类类作作业业3）因）因为为没有移没有移动动关关节节，所以不需要，所以不需要导轨导轨转动转动关关节节容易密封，由于容易密封，由于轴轴承件是大量生承件是大量生产产的的标标准件，准件，则则摩擦小，摩擦小，惯惯量小，可靠性量小，可靠性好4）所需关）所需关节驱动节驱动力矩小，能量消耗力矩小，能量消耗较较少关关节节坐坐标标式机器人的缺点如下：式机器人的缺点如下：（1）肘关）肘关节节和肩关和肩关节轴线节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直是平行的，当大、小臂舒展成一直线时虽线时虽能抵达很能抵达很远远的工作点，但机器人的的工作点，但机器人的结结构构刚刚度比度比较较低2）机器人手部在工作范）机器人手部在工作范围边围边界上工作界上工作时时有运有运动动学上的退化行学上的退化行为为。

任务一 工业机器人本体结构及特点1.2机器人本体材料的机器人本体材料的选择选择结结构件材料构件材料选择选择是工是工业业机器人机械系机器人机械系统设计统设计中的重要中的重要问题问题之一正确之一正确选选用用结结构件材料不构件材料不 仅仅可可降低工降低工业业机器人的成本价格机器人的成本价格, 更重要的是可适更重要的是可适应应工工业业机器人的高速化、高机器人的高速化、高载载荷化及高精度化荷化及高精度化, 满满足其静力及足其静力及动动力特性要求随着材料工力特性要求随着材料工业业的的发发展展, 新材料的出新材料的出现给现给工工业业机器人的机器人的发发展提供了展提供了宽宽广的道路广的道路1.材料材料选择选择的基本要求的基本要求与一般机械与一般机械设备设备相比相比, 机器人机器人结结构的构的动动力特性是十分重要的，力特性是十分重要的，这这是材料是材料选择选择的出的出发发点材料选选择择的基本要求如下的基本要求如下1）强强度高机器人的臂是直接受力的构件，高度高机器人的臂是直接受力的构件，高强强度材料不度材料不仅仅能能满满足机器人臂的足机器人臂的强强度条件，度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻轻重量。

重量 任务一 工业机器人本体结构及特点1.2机器人本体材料的机器人本体材料的选择选择（2）弹弹性模量大从材料力学公式可知，构件性模量大从材料力学公式可知，构件刚刚度度(或或变变形量形量)与材料的与材料的弹弹性模量性模量E 、G 有关有关, 弹弹性模量越大，性模量越大，变变形量越小，形量越小，刚刚度越大不同材料的度越大不同材料的弹弹性模量的差异比性模量的差异。