《工业机器人技术基础》（第3章）工业机器人机械部分.pptx

工业机器人技术基础第3章 工业机器人机械部分3.1 末端执行器目录CONTENT3.2 腕部3.3 臂部3.4 机座与行走机构3.5 驱动器3.6 传动机构掌握工业机器人末端执行器的类型及特点熟悉工业机器人腕部、臂部、机座与行走机构的类型及特点熟悉工业机器人的驱动器了解工业机器人的传动机构1234学习目标3.1末端执行器3.1.1 末端执行器概述工业机器人末端执行器即工业机器人的手部，它安装在机器人的腕部上，用于直接抓握工件或执行焊接、喷涂等作业，对整个机器人任务完成的质量起着关键的作用，是工业机器人最为重要的执行机构 （a）夹持式 （b）吸附式（c）专用工具（柔性焊枪）图3-1 末端执行器的类型3.1.2 夹持式末端执行器夹持式末端执行器应用较为广泛，其主要由手指、驱动装置、传动机构和支架等组成，通过手指的开闭动作实现对物体的夹持，其结构如图3-2所示夹持式末端执行器根据手指开合的动作特点，又可分为回转型和平移型两种图3-2 夹持式末端执行器的结构1回转型末端执行器1）单作用斜楔式单作用斜楔式回转型末端执行器如图3-3所示斜楔向下运动，克服弹簧拉力，使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件；斜楔向上运动，则在弹簧拉力作用下使手指松开工件。

一般手指与斜楔通过滚子接触，可以减小摩擦力，提高机械效率图3-3 单作用斜楔式回转型末端执行器2）双支点连杆式双支点连杆式回转型末端执行器如图3-4所示当驱动杆做直线往复运动时，带动连杆推动两手指各绕支点做回转运动，控制手指松开或闭合 图3-4 双支点连杆式回转型末端执行器 3）滑槽杠杆式滑槽杠杆式回转型末端执行器如图3-5所示驱动杆上的圆柱销嵌套在滑槽内，当驱动杆同圆柱销一起做往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铰销）做相对回转运动，从而控制手指的松开或闭合图3-5 滑槽杠杆式回转型末端执行器2平移型末端执行器1）直线往复移动机构实现直线往复的移动机构很多，如斜楔平移机构、杠杆平移结构、螺旋平移机构等，如图3-6所示直线往复移动机构既可以是双指型的，也可以是三指型的，还可以是多指型的；可以是自动定心，也可以是非自动定心 （a）斜楔平移机构 （b）杠杆平移机构 （c）螺旋平移机构 图3-6 直线往复移动机构2）平面平行移动机构如图3-7所示为常用的齿条齿轮平移机构平面平行移动机构一般采用平行四边形的铰链机构（即双曲柄铰链四连杆机构），以实现手指平移平面平行移动机构的传动方法除齿条齿轮传动外，常用的方法还有蜗轮蜗杆传动和连杆斜滑槽传动等。

图3-7 齿条齿轮平移机构3末端执行器的手指手指是工业机器人直接与工件接触的部件，它的结构形式一般取决于工件的形状和特性常用的手指有V形指、平面指、尖指和特形指等，如图3-8所示a）V形指（b）平面指（c）尖指 （d）特形指图3-8 末端执行器手指3.1.3 吸附式末端执行器根据吸附原理的不同，吸附式末端执行器可分为气吸式和磁吸式两种1气吸式末端执行器气吸式末端执行器是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的，其按形成压力差方法的不同，可分为真空气吸、喷气式负压气吸和挤压排气负压气吸三种类型，如图3-10所示 （a）真空气吸 （b）喷气式负压气吸 （c）挤压排气负压气吸图3-10 气吸式末端执行器2磁吸式末端执行器磁吸式末端执行器主要由电磁式吸盘、防尘盖、线圈、壳体等组成由于磁吸式末端执行器是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料，因此只能对铁磁物体起作用a）吸附滚动轴承底座 （b）吸附钢板 （c）吸附齿轮 （d）吸附多孔钢板图3-11 几种电磁式吸盘吸料示意图如图3-12（a）所示，当线圈通电后，在铁芯内外产生磁场，磁力线经过铁芯，空气隙和衔铁被磁化并形成回路衔铁受到电磁吸力的作用被牢牢吸住。

实际使用时，一般采用如图3-12（b）所示的盘式电磁铁，其衔铁是固定的，衔铁内用隔磁材料将磁力线切断当衔铁接触铁磁物零件时，零件即被磁化而形成磁力线回路，并受到电磁吸力而被吸住 （a） （b） 图3-12 磁吸式末端执行器的工作原理 1线圈；2铁芯；3衔铁磁吸式末端执行器吸附工件的原理3.1.4 专用工具工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端执行器来执行各种动作这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户的不同加工需求，如图3-13所示 图3-13 专用工具和电磁吸盘式换接器1气路接口；2定位销；3电接头；4电磁吸盘3.2腕 部3.2.1 腕部概述1腕部的运动形式臂转：绕小臂轴线方向的旋转腕摆：末端执行器相对于臂部进行的摆动手转：末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转图3-14 腕部回转运动的形式按转动特点的不同，腕部关节的转动又可细分为滚转和弯转两种2腕部的结合方式 （a）BBR型 （b）BRR型 （c）RBR型 （d）BRB型 （e）RBB型 （f）RRR型图3-16 三自由度腕部的结合方式3.2.2 常见工业机器人腕部的工作原理1RRR型三自由度腕部RRR型腕部的中间关节是斜置的，三根转动轴内外套在同一转动轴线上，最外面的转动轴套R1直接驱动整个手腕转动，中间的轴套R2驱动斜置的中间关节运动，中心轴R3驱动第三个滚转关节。

图3-17 RRR型三自由度腕部2二自由度腕部如图3-18所示为某种二自由度腕部的设计原理图，其设计思路是通过轴B转动实现腕摆运动，通过轴S转动实现末端执行器的手转运动图3-18 某种二自由度腕部设计原理图1，2，3，4，5，6锥齿轮；7构架；8末端执行器；9夹持器3齿轮链轮传动三自由度腕部图3-19 齿轮链轮传动三自由度腕部原理图1油缸；2链轮；3，4，12，13，14，15，16，17，18，20锥齿轮；5，6花键轴；7传动轴S；8腕架；9行星架；10，11，22，24圆柱齿轮；19摆动轴；21，23双联圆柱齿轮；25传动轴B4柔顺腕部柔顺性装配技术有两种，一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的传感方法，实现边校正边装配，称为主动柔顺装配；另一种是从结构的角度在腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要，这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配图3-20 移动摆动柔顺腕部图3-21 柔顺腕部动作过程 板弹簧柔顺腕部图3-22 板弹簧柔顺腕部3.3臂 部3.3.1 臂部概述垂直移动：是指机器人臂部的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现径向移动：是指臂部的伸缩运动，机器人臂部的伸缩使其臂部的工作范围发生变化。

回转运动：是指机器人绕铅垂轴的转动，这种运动决定了机器人的臂部所能达到的角度位置3.3.2 臂部的配置形式1横梁式配置横梁式工业机器人的机座被设计成横梁，用于悬挂臂部机构，一般分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种，如图3-23所示 （a）单臂悬挂式 （b）双臂悬挂式图3-23 横梁式配置2立柱式配置立柱式工业机器人较为常见，可分为单臂式和双臂式两种，如图3-24所示 （a）单臂配置 （b）双臂配置图3-24 立柱式配置3机座式配置机座式工业机器人一般为独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动，也可以沿地面上的专用轨道移动，扩大其活动范围，如图3-25所示a）单臂回转式 （b）双臂回转式 （c）多臂回转式图3-25 机座式配置4屈伸式配置屈伸式工业机器人的臂部由大臂、小臂组成，大臂、小臂间有相对运动，称为屈伸臂屈伸臂与机座一起，结合机器人的运动轨迹，既可以实现平面运动，又可以实现空间运动，如图3-26所示a）平面屈伸式 （b）立体屈伸式图3-26 屈伸式配置1立柱；2大臂；3小臂；4腕部；5末端执行器3.3.3 臂部结构的设计工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：（1）臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。

2）合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料工字形截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板3）尽量减小臂部重量和整个臂部相对于转动关节的转动惯量，以减小运动时的动载荷与冲击4）合理设计臂部与腕部、机身的连接部位臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观3.4机座与行走机构3.4.1 移动式机座与行走机构概述移动式机座安装在行走机构上，通常由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器电缆及管路等组成移动式机座一方面支承工业机器人的臂部、腕部和末端执行器，另一方面还根据作业任务的要求，带动机器人在更广的空间内运动工业机器人的行走机构按其运动轨迹的不同，可分为固定轨迹式行走机构和无固定轨迹式行走机构1固定轨迹式行走机构固定轨迹式工业机器人的机座安装在一个可移动的拖板座上，整个机器人可以靠丝杠螺母的驱动沿丝杠纵向移动除此之外，此类机器人也采用类似起重机梁的移动方式行走2无固定轨迹式行走机构一般来讲，无固定轨迹式行走机构主要有履带式行走机构、轮式行走机构和足式行走机构等。

此外，还有适合于各种特殊场合的步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等3.4.2 履带式行走机构履带式行走机构主要由支重轮、拖链轮、导向轮（引导轮）、驱动轮、履带、行走架、张紧装置、行走液压马达和减速机等组成图3-27 履带式行走机构1导向轮；2张紧装置；3行走架；4支重轮；5履带；6拖链轮；7驱动轮；8行走液压马达和减速机履带式行走机构具有以下几个优点：（1）支承面积大，接地比压小，下陷度小，滚动阻力小，适合在松软或泥泞场地作业2）越野机动性好，可以在凹凸不平的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不大的台阶，爬坡、越沟等性能优越3）履带支承面上有履齿，因此不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力履带式行走机构具有以下不足：没有自定位轮和转向机构，履带式行走机构只能靠左右两个履带的速度差实现转弯，所以转向和前进方向都会产生滑动，且转弯阻力大，不能准确地确定回转半径履带式行走机构结构复杂、重量大、运动惯性大、减振功能差，致使零件容易损坏3.4.3 轮式行走机构轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图3-30所示车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。

图3-30 轮式行走机构在工业机器人中的应用1三轮行走机构三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图3-31所示其中，图3-31（a）所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮速度差实现转向；图3-31（b）所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31（c）所示为两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向图3-31 三轮行走机构 （a） （b） （c）2四轮行走机构四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转向，如图3-32所示其中，图3-32（a）所示为后轮分散驱动；图3-32（b）所示为四轮同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径图3-32 四轮行走机构 （a） （b）3.4.4 足式行走机构履带式行走机构可以行走在凹凸不平的地面上，但其适应性较差，行走时晃动太大，在软地面上行驶速度较慢a）单足行走机构 （b）双足行走机构 （c）三足行走机构 （d）四足行走机构 （e）六足行走机构图3-33 足式行走机构3.5 驱 动 器3.5.1 驱动器概述工业机器人驱动器按照动力源的不同，可分为电动驱动、液压驱动和气动驱动三种，其结构框图如图3-37所示。

根据需要，工业机器人可采用三种基本驱动类型中的单独一种或几种组合而成的驱动系统图3-37 工业机器人驱动器的结构框图3.5.2 电动驱动电动驱动又称为电气驱动，它是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动工业机器人的关节，以获得所要求的位置、速度和加速度的驱动方法电动驱动控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精。