机器人的结构

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1、机械结构 关 节 （ Joint） ： 即 运 动 副 ， 允 许 机 器 人 手 臂 各 零 件 之 间 发 生 相对 运 动 的 机 构 。 连 杆 （ Link） ： 机 器 人 手 臂 上被 相 邻 两 关 节 分 开 的 部 分 。 自 由 度 （ Degree of freedom） ： 或 者 称 坐 标 轴 数 ， 是 指 描 述 物体 运 动 所 需 要 的 独 立 坐 标 数 。 手 指 的 开 、 合 ， 以 及 手 指 关 节 的 自由 度 一 般 不 包 括 在 内 。刚 度 （ Stiffness） ： 机 身 或 臂 部 在 外 力 作 用 下 抵 抗 变 形 的

2、 能 力 。它 是 用 外 力 和 在 外 力 作 用 方 向 上 的 变 形 量 （ 位 移 ） 之 比 来 度 量 。 定 位 精 度 （ Positioning accuracy） ： 指机 器 人 末 端 参 考 点 实 际 到 达 的 位 置 与 所需 要 到 达 的 理 想 位 置 之 间 的 差 距 。重 复 性 （ Repeatability） 或 重 复 精 度 ： 在 相 同 的 位 置 指 令 下 ， 机 器 人 连 续 重复 若 干 次 其 位 置 的 分 散 情 况 。 它 是 衡量 一 列 误 差 值 的 密 集 程 度 ， 即 重 复 度 。 o o 工 作 空

3、间 （ Working space） ： 机 器 人手 腕 参 考 点 或 末 端 操 作 器 安 装 点 （ 不包 括 末 端 操 作 器 ） 所 能 到 达 的 所 有 空间 区 域 ， 一 般 不 包 括 末 端 操 作 器 本 身所 能 到 达 的 区 域 。 注 意 ： 不 同 的 书 上 ， 运 动 简 图 的 符 号 表 示 可 能 不 一 样 。（ a） 表 示 手 指 （ 末 端 执 行 器 ） ；（ b） 表 示 垂 直 、 升 降 运 动 ；（ c） 表 示 水 平 伸 缩 运 动 ；（ d） 表 示 回 转 运 动 ；（ e） 表 示 俯 仰 运 动 。2.2 工 业

4、机 器 人 的 结 构 直 角 坐 标 式 圆 柱 坐 标 式球 坐 标 式 关 节 坐 标 式（a）直接驱动型（b）平行连杆型（c）偏置型（d）平面型 123 4 5 612 3 4 5 6 机械式夹持器a)单支点回转型b)双支点回转型c)平移型d)内撑式 1. 滑 槽 杠 杆 式 手 部 滑槽杠杆式回转型夹持器1支架2杆3圆柱销4杠杆 当驱动器推动杆2向上运动时，圆柱销3在两杆4的滑槽中，迫使与支架1相铰接的两手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当杆2向下运动时，手指松开。夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为 2cos2b aFF PN 楔块杠杆式回转型夹持器1杠杆2弹簧3滚子4楔块5驱动

5、器 当气缸将楔块4向前推进时，楔块上的斜面推动杠杆1，使两个手爪产生夹紧动作和夹紧力。当楔块后移时，靠弹簧2的拉力使手指松开。装在杠杆上端的滚子3与杆块为滚动接触。夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为 sin2b cFF PN 连杆杠杆式回转型夹持器1杆2连杆3摆动钳爪4调整垫片 当驱动器推动杆1上下移动时，由杆1、连杆2、摆动的钳爪3和夹持器体构成四杆机构，迫使钳爪（手指）完成夹紧和松开动作。 夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为b cFF PN tan2 齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器1扇形齿轮2齿条杆3电磁式驱动器4机座5、6连杆7钳爪 电磁式驱动器3以驱动力FP推动齿条杆2和两个扇

6、形齿轮1，扇形齿轮带动杆5（它们联接成一整体），绕O1、O2旋转。连杆5、6，钳爪7和夹持器的机座4构成一平行四杆机构，驱动两钳爪平移，夹紧和松开工件。夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为l RFF PN cos2 左右旋丝杠平移型夹持器1电动机2丝杠3导轨4钳爪杆 由电动机1驱动的一对旋向相反的丝杠2提供准确的平移夹紧动作。两丝杠协调一致地安装在同一轴上。由导轨3保证钳爪杆4的平移运动。夹紧力FN和向丝杠提供的驱动力矩T之间的计算公式为 tan 0d TFN d0为丝杠螺纹的中径（mm）；为螺纹的螺旋角 内撑连杆杠杆式夹持器1驱动器2杆3钳爪 其撑紧方向与外夹式相反。钳壁撑紧工件，为使撑紧

7、后能准确地用内孔定位，多采用三个钳爪 钳爪上撑紧力FN和驱动器1作用在推杆2上推力FP之间的计算公式为tan3b cFF PN 气吸式吸盘的结构a)挤压排气式b)真空泵排气式c)气流负压式d)特殊吸盘e)双吸盘式吸头1压盖2密封盖3吸盘4工件 1、气吸式吸盘它是在利用轻性橡胶或塑料制成的皮碗中形成的负压来吸住工件的。适于吸取大而薄，刚性差的金属和木质板材、纸张、玻璃和弧形壳体零件等。根据不同作业情况，可以做成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊开关的吸盘。按形成负压的方法有以下几种方式： 1）挤压排气式吸盘如图9-47a所示，靠向下挤压力将吸盘3内的空气排出，使其内部形成负压，将工件4吸住。靠挡块（或

8、外力FP作用）碰撞压盖1的上部，使密封垫2抬起，进入空气，释放工件。有结构简单、质量小、成本低的优点，但吸力不大，多用于吸取尺寸不大，薄而轻的物体。 2）气流负压式吸盘控制阀将来自气泵的压缩空气自喷嘴通往，形成高速射流，将吸盘内腔中的空气带走而形成负压，使吸盘吸住物体。如图9-47c所示，若作业现场有压缩空气供应，这种吸盘比较方便，且成本低。 3）真空泵排气式吸盘利用电磁控制阀将吸盘与真空泵相联，当抽气时，吸盘腔内的空气被抽出，形成负压而吸住物体，见图9-47b。反之，控制阀将吸盘与大气相连时，吸盘即失去吸力而松开工件。这种吸盘工件可靠，吸力大，但需配备真空泵及其控制系统，费用较高。图9-47

9、d为吸取波纹板的特殊吸盘。图9-47e为双吸盘式吸头。 磁吸式吸盘1线圈2铁心3工件4内盘体5隔磁物6外盘面7盘体 它可以分成电磁吸盘和永磁吸盘两种，电磁吸盘是用接通和切断电磁线圈中的电流（直流或交流），产生和消除磁力的方法来吸住和释放铁磁性物体。其具体结构如图9-48所示。线圈1通入电流后，铁心2中产生磁通，磁力线经内盘体4，避开隔磁物5，通过工件3、外盘面6和盘体7，回到铁心2，形成回路。由于磁力线通过工件，工件即被吸住。外盘面6也是给工件定位用的，可根据工件形状来设计。永磁吸盘则是利用永久磁钢的磁力来吸住铁磁性物体的，它是通过移动隔磁物体来改变吸盘中磁力线回路，从而达到吸住和释放物体的目

10、的。它具有不需电源，结构简单，安全可靠等优点。但同样质量的吸盘，永磁吸盘的吸力不如电磁吸盘大。 手 指 类 型 ： u电 磁 式 吸 盘常 见 的 另 两 种 手 部 :滚动轴承座圈钢板 齿轮多孔钢板 u气 吸 式 吸 盘常 见 的 另 两 种 手 部 :双吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘 其 它 手 部 : 手腕的自由度1手臂2机械接口 摆动液压马达驱动的手腕1活塞2、4油路3、7进、排油孔5定片6动片 压力油从手腕的右下部经管道3（两条）分别由进（排）油孔3和7进入（排出）液压马达，进入的压力油驱动动片6作正、反方向回转。当定片5与动片6侧面接触时，即停止

11、回转。动片的最大回转角度由其接触位置决定。夹持器的夹持动作，则油经油路2进入的压力油驱动单作用液压缸的活塞1来完成。腕部回转运动的位置控制可采用机械挡块定位，用位置检测器检测。这种结构紧凑、体积小，但最大回转角度小于360，这种结构只能实现一个腕部自由度。 两自由度机械传动手腕1、2、3、12、13轴承4、5链轮6、7链条8手腕壳体9、11圆锥齿轮10、14轴15机械接口法兰盘 手腕的驱动电动机安装在大臂关节上，经谐波减速器用两级链传动将运动通过小臂关节传递到手腕轴10上的链轮4、5。链传动6将运动经链轮4、轴10和锥齿轮9、11带动轴14（其上装有机械接口法兰盘15）作回转运动（1），链传动

12、7将运动经链轮5直接带动手腕壳体8实现上下俯仰摆动（）。当链传动6和链轮4不动，使链传动7和链轮5单独转运时，由于轴10不动，转运的壳体8将迫使锥齿轮11作行星运动，齿轮11随壳体8作公转（上下俯仰），同时还绕轴14作一附加的自转运动（称为“诱导运动”，用2表示）。或齿轮9、11为正交锥齿轮传动，则2i，i为锥齿轮9、11的传动比。因此，链传动6、7同时驱动时，手腕的回转运动应是12，当链轮4的转向与转向相同时用“”，相反时用“”。 三自由度机械传动手腕1、2、3、4、5、6、7、11、12、13、14、15齿轮8手爪9、10、16壳体 驱动手腕运动的三个电动机安装在手臂后端；减速后经传动轴将

13、运动和力矩传动B、S、T三根轴（图中未表示），产生手爪回转、手腕偏摆和手腕俯仰三个运动。 液压驱动圆柱坐标型机器人手臂1活塞杆2液压缸3手臂端部4手臂支架5导轨6中间机座7、9齿轮8挡块10行程开关11回转液压缸 图9-19所示为一具有手臂伸缩、回转和升降三个运动（自由度）的圆柱坐标型机器人手臂。手臂伸缩运动由液压缸2驱动，活塞杆1固定不动，采用燕尾型导轨5导向，刚度大，工作平稳。手臂回转运动采用摆动液压马达11驱动，摆动液压马达的输出轴上安装有行星齿轮9，固定齿圈（太阳轮）7与中间机座6固联，摆动液压马达固定在手臂支架4上。当摆动液压马达动片转动时，行星齿轮9绕自身轴线转动（自转）的同时，还

14、带动手臂支架一起绕中间机座（即太阳轮）回转（公转）。 GMFM100型机器人手臂。其手臂的升降运动和伸缩运动都是采用双圆柱导轨导向和直流伺服电动机驱动滚珠丝杠来实现直线移动。手臂回转运动是由位于机器人底部的回转机座来实现的。球坐标型和关节型机器人都配置有实现回转运动的机座。 GMFM100型机器人手臂 PUMA机器人手臂结构a)大臂驱动机构b)小臂驱动机构1、10大臂2、3、5、6、8、9、14、15齿轮4、13、16偏心套7、11驱动电动机12驱动轴17小臂18机座 PUMA机器人是直流伺服电动机驱动的六自由度关节型机器人。如图9-21所示，其大臂和小臂是用高强度铝合金材料制成的薄壁框形结构

15、，其运动都是采用齿轮传动，传动刚性较大。驱动大臂的传动机构如图9-21a所示，大臂1的运动电动机7安置在臂的后端（兼起重平衡作用），运动经电动机轴上的小锥齿轮6、大锥齿轮5和一对圆柱齿轮2、3，驱动大臂轴作转动 2。4为偏心套，用来调整齿轮传动间隙。 带谐波减速器的机器人手臂关节结构1臂座2、11法兰盘3、12轴承4驱动电动机5-柔轮6从动刚轮7波发生器8套筒9电磁制动器10驱动轴13手臂壳体 图9-23所示为机器人手臂回转驱动装置的结构，该装置直接安装在臂座1的支承法兰盘2和11上。驱动电动机4的输出轴用键与驱动轴10相联；轴10与套筒8用键联接，并一同转动。波发生器7与套筒8用法兰盘刚性联

16、接，套筒8通过键与固定在支承法兰盘11上的电磁制动器9相联接。不动的柔轮5通过支承法兰盘2固定在臂座上。带内齿圈的从动刚轮6与手臂壳体13相固联。因此手臂壳体与刚轮一起在轴承3和12上转动。这种伺服电动机经谐波减速器减速后驱动的手臂关节结构紧凑，手臂的转角范围较大。 救援机器人 3. 步 行 式 4.其 它 移 动 方 式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人 蛇形机器人 本 章 小 结 ：关 节 、 连 杆 、 定 位 精 度 、 重 复 精 度 、 自 由 度 、 刚 度 和工 作 空 间手 部 结 构 形 式 不 一 定 像 人 手臂 部 和 腕 部 共 同 确 定 手 部 （ 末 端 执 行 器 end-effector）的 姿 态 （ 方 位 ）臂 部 确 定 手 部 的 位 置