機器人機械結構1第一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2.1機身和臂部一.機身和臂部的作用機身是直接連接支承傳動手臂和行走機構的部件，機身可以是固定的，也可以是行走式的手臂部件用來支承腕部（關節）和手部（包括工件和工具），并帶動它們在空間運動2第二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日二.機身和臂部設計應注意問題1.剛度：抵抗變形的能力（1）合理選擇截面形狀和輪廓尺寸--封閉空心截面抗彎抗扭能力較實心和開口截面大；工字鋼的抗彎強度比園截面大（2）提高支承剛度和接觸剛度（3）合理布置作用力的位置和方向-減小彎曲變形2.精度影響因素：裝配精度，導向精度，剛度，耐磨性3.平穩性：（1）應結構緊湊，質量輕，減少慣性力（2）注意重心的位置4.其他：傳動鏈力求簡短；元件布置合理緊湊3第三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日三.機身和臂部的配置形式1.橫梁式機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂，直移式運動，占地面積小，能有效的利用空間（1）單臂懸掛式手臂可沿橫梁移動，也可上下伸縮4第四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日（2）雙臂懸掛式（a）a.雙臂平行布置，上料道與下料道分別設在機床的兩側，雙臂能同時動作，兩臂同步沿橫梁移動，縮短輔助時間b.雙臂交叉配置，兩臂軸線交于機床的中心，兩臂交錯伸縮進行上下料，并同時沿橫梁移動c.雙臂交叉配置，懸伸梁式，橫梁長度較a,b短，雙臂位于橫梁的同一側5第五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日(2).雙臂懸掛式（b）雙臂回轉型，雙臂交叉且繞同軸回轉，分別負責上下料（主要是盤狀零件），只需一個動力源，結構緊湊，動作范圍大6第六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2.立柱式（1）單臂配置固定的立柱上配置單個臂，一般臂部水平或傾斜安裝在立柱的頂部。右圖為立柱式澆注機器人，以平行四邊形鉸接的四連桿機構作為臂部，實現俯仰運動。澆包始終鉛垂，該裝置結構簡單，穩定可靠7第七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日右圖為銑端面，打中心孔機床的上料機器人，臂架2帶動臂3繞機身立柱1回轉，同時，通過行星齒輪使臂3繞臂架2的軸線回轉，手部夾持中心的軌跡為一空間曲線，能迅速地將工件從料架送到機床的夾具上，但慣性較大，適用于中小型工件8第八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日（2）雙臂配置雙臂同步升降和回轉機器人，兩臂互成直角，當兩臂下降時，上料手在料道上取料，下料手從機床兩頂尖取下工件。兩臂上升后轉900再下降，上料手將毛坯放到頂尖間，下料手放工件雙臂同步回轉機器人，兩臂的伸縮分別驅動用來完成較大行程的提升與轉位工作，雙臂對稱布置，較平穩雙臂水平交叉配置機器人，它通過兩臂同時升降，交錯伸縮，實現一手上料，一手下料9第九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日雙臂立柱式機器人，雙臂位于機身的前后兩側，可同時繞立柱軸線回轉和繞水平軸作方向相反的俯仰運動。10第十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日3.機座式（1）11第十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日機座式（2）可將幾臺機器圍繞機器人布置，該機器人負責傳送工件12第十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日4.屈伸式大小臂在垂直于機床軸線的平面上運動，借助腕部旋轉900，把工件放到機床頂尖間大小臂回轉平面垂直13第十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日1.升降回轉型機身結構四.機身的結構形式14第十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2.升降臺式活塞桿11帶動下移軸8左右移動，通過連桿使平臺升降15第十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2.俯仰式4是回轉油缸，7是俯仰油缸16第十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日3.直移型機身結構直移型型機器人多為懸掛式的，其機身實際上就是手臂的橫梁17第十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日4.類人機器人機身它沒有直移型的升降裝置，而是靠腿部和腰部的屈伸運動實現升降。須有驅動肩關節，腰關節，腿部的驅動裝置18第十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日五.機械臂的典型結構1.手臂直線運動的機構常見方式：

行程小時：采用油缸或氣缸直接驅動；當行程較大時：可采用油缸或氣缸驅動齒條傳動的倍增機構或采用步進電機或伺服電機驅動，并通過絲桿螺母來轉換為直線運動。典型結構：電機驅動的絲桿螺母直線結構

19第十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日電機驅動絲桿螺母直線運動結構圖例20第二十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2．手臂的回轉運動機構常見方式：

常見的有齒輪傳動機構，鏈輪傳動機構，活塞及連桿傳動機構等。曲柄滑塊機構：

典型機構：

液壓缸—連桿回轉機構：齒輪驅動回轉機構：21第二十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日22第二十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日雙臂機器人手臂結構圖例：運動特點：手臂關節的回轉運動是通過液壓缸-連桿機構實現。控制活塞的行程就控制了手臂擺角的大小。1—鉸接活塞缸2—連桿3—手臂4—支承架23第二十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日齒輪傳動機構（1）24第二十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日齒輪傳動機構（2）25第二十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日3．關節型機械臂的結構（1）

存在的運動型式：

機身的旋轉運動；肩關節和肘關節的擺動；腕關節的俯仰和旋轉運動；5軸關節型機器人。

26第二十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日五軸關節型機器人手臂運動圖例（1）：腰轉肩轉肘轉俯仰偏轉腰轉姿態27第二十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日肩關節、肘關節與手腕的協調五軸關節型機器人手臂運動圖例（2）：28第二十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日3．關節型機械臂的結構（2）各運動的實現：腕部的旋轉：電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉運動n5腕部俯仰：電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n4肘關節擺動：電機M3→兩級同步帶傳動B3、B3′→減速器R3→肘關節擺動n3肩關節的擺動：電機M2→同步帶傳動B2→減速器R2→肩關節擺動n2

29第二十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日關節型機器人傳動系統圖：腕部的旋轉腕部俯仰肘關節擺動肩關節的擺動30第三十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日腕部旋轉局部圖例：電機M5→減速器R5→鏈輪副C5→錐齒輪副G5→旋轉運動n531第三十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日電機M4→減速器R4→鏈輪副C4→俯仰運動n4腕部俯仰局部圖例：32第三十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日電機M3→兩級同步帶傳動B3、B3′→減速器R3→肘關節擺動n3肘關節局部圖例：33第三十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日肩關節局部圖例：電機M2→同步帶傳動B2→減速器R2→肩關節擺動n234第三十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2.2腕部和手部結構一.腕部是臂部和手部的連接件，起支承手部和改變手部姿態的作用。

為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標軸X、Y、Z的旋轉運動。這便是腕部運動的三個自由度，分別稱為翻轉R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏轉Y（Yaw）。并不是所有的手腕都必須具備三個自由度，而是根據實際使用的工作性能要求來確定。35第三十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日手腕自由度圖例：腕部坐標系手腕的偏轉手腕的俯仰手腕的回轉36第三十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日二.手腕的設計要求結構緊湊、重量輕；動作靈活、平穩，定位精度高；強度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的合理連接結構，傳感器和驅動裝置的合理布局及安裝等。37第三十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日三.手腕的分類1．按自由度的數目分（1）：單自由度手腕：

手腕在空間可具有三個自由度，也可以具備以下單一功能：單一的翻轉功能：手腕的關節軸線與手臂的縱軸線共線，常回轉角度不受結構限制，可以回轉360°以上。該運動用翻轉關節（R關節）實現。單一的俯仰功能：手腕關節軸線與手臂及手的軸線相互垂直，轉角度受結構限制，通常小于360°。該運動用折曲關節（B關節）實現。單一的偏轉功能：手腕關節軸線與手臂及手的軸線在另一個方向上相互垂直；轉角度受結構限制，通常小于360°。該運動用折曲關節（B關節）實現。Ｔ手腕－移動關節(Translation)38第三十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日R手腕B手腕B手腕T手腕單自由度手腕圖例：39第三十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日1．按自由度的數目分（2）：二自由度手腕：

可以由一個R關節和一個B關節聯合構成BR關節實現，或由兩個B關節組成BB關節實現，但不能由兩個RR關節構成二自由度手腕，因為兩個R關節的功能是重復的，實際上只起到單自由度的作用。40第四十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日BR手腕BB手腕RR手腕(屬于單自由度)二自由度手腕圖例：41第四十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日1．按自由度的數目分（3）：三自由度手腕：有R關節和B關節的組合構成的三自由度手腕可以有多種型式，實現翻轉、俯仰和偏轉功能。42第四十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日BBR手腕BBR手腕B三自由度手腕圖例：43第四十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2．按手腕的驅動方式分：

直接驅動手腕：

驅動源直接裝在手腕上。這種直接驅動手腕的關鍵是能否設計和加工出尺寸小、重量輕而驅動扭矩大、驅動性能好的驅動電機或液壓馬達。遠距離傳動手腕：

有時為了保證具有足夠大的驅動力，驅動裝置又不能做得足夠小，同時也為了減輕手腕的重量，采用遠距離的驅動方式，可以實現三個自由度的運動。44第四十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日1）液壓直接驅動BBR手腕圖例：RBB偏轉俯仰回轉45第四十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2）.單回轉腕部結構示例46第四十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日3）雙回轉油缸驅動手腕結構特點：采用雙回轉油缸驅動，一個帶動手腕作俯仰運動，另一個油缸帶動手腕作回轉運動。V-V視圖表示的回轉缸中動片帶動回轉油缸的剛體，定片與固定中心軸聯結實現俯仰運動；L-L視圖表示回轉缸中動片與回轉中心軸聯結，定片與油缸缸體聯結實現回轉運動。47第四十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日雙回轉油缸驅動手腕圖例：48第四十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日4）輪系驅動的二自由度BR手腕：結構特點：

由輪系驅動可實現手腕回轉和俯仰運動，其中手腕的回轉運動由傳動軸S傳遞，手腕的俯仰運動由傳動軸B傳遞。49第四十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動二自由度手腕圖例（1）回轉運動：

軸S旋轉→錐齒輪副Z1、Z2→錐齒輪副Z3、Z4→手腕與錐齒輪Z4為一體→手腕實現繞C軸的旋轉運動俯仰回轉50第五十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動二自由度手腕圖例（2）：俯仰運動：

軸B旋轉→錐齒輪副Z5、Z6→軸A旋轉→手腕殼體7與軸A固聯→手腕實現繞A軸的俯仰運動51第五十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動二自由度手腕圖例（3）：附加回轉運動：

軸S不轉而B軸回轉→錐齒輪Z3不轉→錐齒輪Z3、Z4相嚙合→迫使Z4繞C軸線有一個附加的自轉，即為附加回轉運動。附加回轉運動在實際使用時應予以考慮。必要時應加以利用或補償。52第五十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日附加運動動作分解：軸主動齒輪固定不動行星運動53第五十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日5）輪系驅動的RBR手腕：結構特點：該機構為由齒輪、鏈輪傳動實現的回轉、俯仰和360度回轉運動的RBR手腕結構。54第五十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動三自由度手腕圖例（1）：回轉運動：軸S旋轉→齒輪副Z10/Z23、Z23/Z11→錐齒輪副Z12、Z13→錐齒輪副Z14、Z15→手腕與錐齒輪Z15為一體→手腕實現旋轉運動俯仰回轉360度回轉55第五十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動三自由度手腕圖例（2）：俯仰運動：軸B旋轉→齒輪副Z24/Z21，Z21/Z22→齒輪副Z20、Z16→齒輪副Z16、Z17→齒輪副Z17、Z18→軸19旋轉→手腕殼體與軸19固聯→實現手腕的俯仰運動56第五十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動三自由度手腕圖例（3）：360度回轉運動：油缸1中的活塞左右移動→帶動鏈輪2旋轉→錐齒輪副Z3/Z4→帶動花鍵軸5、6旋轉→花鍵軸6與行星架9連在一起→帶動行星架及手腕作360度回轉運動57第五十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動三自由度手腕圖例（4）：附加俯仰運動：軸B、軸S不轉而T軸回轉→齒輪Z23、Z21不轉→當行星架回轉時→迫使齒輪Z22繞齒輪Z21的過程中自轉→經過Z20、Z16、Z17、Z18實現附加俯仰運動58第五十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日輪系驅動三自由度手腕圖例（5）：附加回轉運動：軸B、軸S不轉而T軸回轉→齒輪Z23、Z21不轉→當行星架回轉時→迫使齒輪Z11繞齒輪Z23的過程中自轉→經過Z12、Z13、Z14、Z15實現附加回轉運動59第五十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日思考題：

1、當B軸、T軸分別回轉時，手腕存在哪些運動，為什么？

2、齒輪24、22所在的軸能否做成一體，為什么？

3、齒輪17作的什么運動？俯仰運動輪系屬于什么輪系，試分析其運動。60第六十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2.3手部結構一、手部的特點手部是一個獨立的部件，手部對整個機器人完成任務的好壞起著關鍵的作用，它直接關系著夾持工件時的定位精度、夾持力的大小等。1.手部與手腕相連處可拆卸：手部與手腕處有可拆卸的機械接口：根據夾持對象的不同，手部結構會有差異，通常一個機器人配有多個手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。61第六十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日手部可能還有一些電、氣、液的接口：由于手部的驅動方式不同造成。對這些部件的接口一定要求具有互換性。2．手部是末端操作器：可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。3．手部的通用性比較差：工業機器人的手部通常是專用裝置：一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執行一種作業任務。62第六十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日二、手部的設計要求應具有一定的開閉范圍

從手指張開的極限位置到閉合夾緊時手指位置的變動量,開閉范圍太小,影響通用性.回轉:角度平移:距離具有足夠的夾持力N=(2-3)G

保證運動過程工件不脫落,但夾緊力過大,損壞工件保證工件在手指內的定位精度

根據工件形狀.加工精度和裝配精度的要求,選擇適當的手指形狀和手部結構結構緊湊,重量輕,效率高選擇輕質材料通用性和互換性提高通用化程度63第六十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日三.手部的分類1.按夾持方式分：

外夾式：手部與被夾件的外表面相接觸。

內撐式：手部與工件的內表面相接觸。

內外夾持式：手部與工件的內、外表面相接觸64第六十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日夾持方式圖例65第六十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2．按手爪的運動形式分：回轉型：當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型：手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指的姿態不變，作平動。平移型：當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心的固定不變，不受工件直徑變化的影響。66第六十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日回轉型圖例：67第六十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日平動型圖例：68第六十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日平移型圖例：該絲桿的螺紋具有什么特點？69第六十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日3．按夾持原理分：手指式：外夾式、內撐式、內外夾持式。平移式、平動式、旋轉式。二指式、多指式。單關節式、多關節式。吸盤式：負壓吸盤：真空式、噴氣式、擠氣式。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。70第七十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日四.典型結構1．機械式手爪結構：氣動驅動手爪：氣缸驅動活塞平移→齒條移動→扇形齒輪擺動→連桿機構擺動→手爪平動斜楔杠桿式手部：其它四種機械式手爪機構：

71第七十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日氣動手爪圖例：72第七十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日斜楔杠桿式手部：注意考慮：傳力比：N／P效率傳動比斜楔驅動行程手指開閉范圍73第七十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日機械手爪圖例：齒輪齒條式手爪重力式手爪滑槽式手爪撥桿杠桿式手爪74第七十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2．電磁吸盤(1)：電磁吸盤的結構：

主要由磁盤、防塵蓋、線圈、殼體等組成。工作原理：線圈通電→空氣間隙的存在→線圈產生大的電感和啟動電流→周圍產生磁場（通電導體會在周圍產生磁場）→吸附工件75第七十五頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日適用范圍：適用于用鐵磁材料做成的工件；不適合于由有色金屬和非金屬材料制成的工件。適合于被吸附工件上有剩磁也不影響其工作性能的工件。適合于定位精度要求不高的工件。適合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會消失。76第七十六頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日構成:由真空泵、電磁閥、電機和吸盤等構成。工作原理：形成真空吸附工件：電機→真空泵→3＃電磁閥左側→從吸盤5處抽氣釋放工件：電機、泵停轉→大氣經6＃口→4＃電磁閥左側→3＃電磁閥右側→送氣至吸盤5處3．真空式吸盤：1DT2DT77第七十七頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日真空吸盤結構圖例：78第七十八頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日4．自適應吸盤：結構特點：

該吸盤具有一個球關節，使吸盤能傾斜自如，適應工件表面傾角的變化。79第七十九頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日5．異形吸盤：結構特點：

可用來吸附雞蛋、錐頸瓶等物件。擴大了真空吸盤在機器人上的應用。80第八十頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日6．噴氣式吸盤當壓縮空氣剛進入時，由于噴嘴口逐漸縮小，致使氣流速度逐漸增加。當管路截面收縮到最小處時，氣流速度達到臨界速度，然后噴嘴管路的截面逐漸增加，使與橡膠皮碗相連的吸氣口處，造成很高的氣流速度而形成負壓。81第八十一頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日7．擠氣式吸盤：82第八十二頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日五.手指的形狀夾持旋轉工件,定位精度較差夾持圓柱體,定位精度高夾持具有平行平面的工件尖指:狹窄空間細小工件長指:夾持熾熱工件不規則工件,專用的手指具自定位能力,接觸好83第八十三頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日2.3傳動部件設計一.傳動的方式：直線驅動：齒輪齒條裝置，滾珠絲杠，液壓氣壓驅動旋轉驅動：齒輪，鏈，同步帶，鋼帶,諧波齒輪84第八十四頁，共九十二頁，編輯于2023年，星期日二.鋼帶傳動傳動比精確傳動件質量小，慣性小傳動參數穩定柔性好不需要潤滑強度高

鋼帶傳動結構是把鋼帶末端緊固在驅動輪和從動輪上，摩擦力不是傳動的重要因素。鋼帶傳動方式適合于有限行程的傳動。85第八十五頁，共九十二頁