機(jī)械原理 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)

1、 概概 述述 機(jī)器人是近40年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)器作業(yè)的準(zhǔn)確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。 機(jī)器人技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 而機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)乃是機(jī)器人的主要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機(jī)械原理研究的主要內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例：l焊接作業(yè)l清洗作業(yè)l裝配作業(yè)l搬運(yùn)作業(yè)操作機(jī) 用于完成各種作業(yè)任務(wù)的機(jī)械主體，主

2、要包含機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)單元機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)單元以及內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器等部分。 是完成機(jī)器人控制功能的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，是決定機(jī)器人功能和水平的關(guān)鍵部分功能和水平的關(guān)鍵部分。 控制器 是完成機(jī)器人控制功能的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，是決定機(jī)器人功能和水平的關(guān)鍵部分功能和水平的關(guān)鍵部分。 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作機(jī)基本構(gòu)造 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機(jī) 操作機(jī)（或稱機(jī)器人本體）是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是用來(lái)完成各操作機(jī)（或稱機(jī)器人本體）是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是用來(lái)完成各種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它主要由種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它主要由機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)單元及內(nèi)部

3、傳感器機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)單元及內(nèi)部傳感器等部分組成等部分組成。 伺服電機(jī)伺服電機(jī) 減速器減速器 腕關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié) 小臂小臂 肘關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié) 手腕手腕 大臂大臂 連接法蘭連接法蘭 皮帶傳動(dòng)皮帶傳動(dòng) 腰部腰部 肩關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié) 腰關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié) 基座基座 機(jī)器人操作機(jī)的每個(gè)關(guān)節(jié)均機(jī)器人操作機(jī)的每個(gè)關(guān)節(jié)均采用采用 1 個(gè)交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)個(gè)交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng) 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 機(jī)器人操作機(jī)最后一個(gè)軸的機(jī)械接口通常為一連接法蘭，機(jī)器人操作機(jī)最后一個(gè)軸的機(jī)械接口通常為一連接法蘭，可接裝不同的機(jī)械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等。可接裝不同的機(jī)械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等。 吸盤 焊槍 夾緊爪 法蘭法

4、蘭（Flange），又叫法蘭凸緣盤或突緣。法蘭是軸與軸之間相互連接的零件，用于管端之間的連接；也有用在設(shè)備進(jìn)出口上的法蘭，用于兩個(gè)設(shè)備之間的連接伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置?？墒箍刂扑俣龋恢镁确浅?zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服”詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。人們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。在訊號(hào)來(lái)到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；訊號(hào)來(lái)到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)訊號(hào)消失，轉(zhuǎn)子能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系統(tǒng)。伺服”詞源于希臘語(yǔ)“奴隸”的意思。人

5、們想把“伺服機(jī)構(gòu)”當(dāng)個(gè)得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號(hào)的要求而動(dòng)作。在訊號(hào)來(lái)到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；訊號(hào)來(lái)到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)訊號(hào)消失，轉(zhuǎn)子能即時(shí)自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系統(tǒng)。控制簡(jiǎn)單；控制簡(jiǎn)單；剛性最大（龍門式）；剛性最大（龍門式）；容易達(dá)到高精度；容易達(dá)到高精度；操作范圍??；操作范圍小；占地面積大；占地面積大；運(yùn)動(dòng)速度低；運(yùn)動(dòng)速度低；密封性差；密封性差；直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型2.1.1 操作機(jī) 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 中心支架附近的工作范圍大；中心支架附近的工作范圍大；工作空間大；工作空間大；坐標(biāo)系復(fù)雜，難以控制；坐標(biāo)系復(fù)雜，難以控制；存在工作死區(qū)；存在工作死區(qū)

6、；密封性較差；密封性較差；球坐標(biāo)式球坐標(biāo)式2.1.1 操作機(jī) 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 工作范圍可以擴(kuò)大；工作范圍可以擴(kuò)大；計(jì)算簡(jiǎn)單；計(jì)算簡(jiǎn)單；動(dòng)力輸出較大；動(dòng)力輸出較大；手臂可達(dá)空間受到限制；手臂可達(dá)空間受到限制；直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封；直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封；安全性差；安全性差；平面多關(guān)節(jié)型平面多關(guān)節(jié)型2.1.1 操作機(jī) 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 動(dòng)作靈活；動(dòng)作靈活；工作空間大；工作空間大；易密封；易密封；工作條件要求低；工作條件要求低；適合用電機(jī)驅(qū)動(dòng)；適合用電機(jī)驅(qū)動(dòng)；計(jì)算量大；計(jì)算量大；輸出動(dòng)力不大；輸出動(dòng)力不大；垂直多關(guān)節(jié)型垂直多關(guān)節(jié)型2.1.1 操作機(jī) 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組

7、成 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機(jī) (1) 機(jī)械臂 關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂是由關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)連在一起的許多機(jī)械連桿機(jī)械連桿的集合體 。實(shí)質(zhì)上實(shí)質(zhì)上是一個(gè)擬人手臂的空間開(kāi)鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，一端固定在基座上，另一端可自由運(yùn)動(dòng)，由關(guān)節(jié) - 連桿結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的機(jī)械臂大體可分為 基座基座 、 腰部腰部 、 臂部（大臂和小臂）和手腕臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。 機(jī)械部分機(jī)械部分1 手部手部2 手腕手腕（次軸）（次軸）3 臂部臂部（主軸）（主軸）5 基座基座末端執(zhí)行器聯(lián)接聯(lián)接手部手部和和手臂手臂的部分，的部分，主要改變手部的空間方主要改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂手

8、臂聯(lián)接機(jī)身和手聯(lián)接機(jī)身和手腕的部分，腕的部分，改改變手部的空間變手部的空間位置位置，并將各，并將各種載荷傳遞到種載荷傳遞到機(jī)座機(jī)座起到支起到支承作用承作用4 腰部腰部腰部是機(jī)器人手臂的腰部是機(jī)器人手臂的支承部分支承部分 。基座基座 腰部腰部 大臂大臂 小臂小臂 手腕手腕 1、手臂的運(yùn)動(dòng)、手臂的運(yùn)動(dòng)垂直移動(dòng)垂直移動(dòng)徑向移動(dòng)徑向移動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人手臂的機(jī)器人手臂的上下運(yùn)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)手臂的伸手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)縮運(yùn)動(dòng)機(jī)器人繞鉛機(jī)器人繞鉛垂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)垂軸的轉(zhuǎn)動(dòng)2、手腕的運(yùn)動(dòng)、手腕的運(yùn)動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)手腕旋轉(zhuǎn) 手腕彎曲手腕彎曲手腕側(cè)擺手腕側(cè)擺手腕繞小手腕繞小臂軸線的臂軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手腕的上手腕的上下擺動(dòng)下擺動(dòng)手

9、腕的水平手腕的水平擺動(dòng)擺動(dòng)2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 (2) 驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)使工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。它按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人產(chǎn)生動(dòng)作，相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。 機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)三種基本類型。 目前，除個(gè)別運(yùn)動(dòng)精度不高、重負(fù)載或有防爆要求的機(jī)器人采用液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)外，工業(yè)機(jī)器人大多采用工業(yè)機(jī)器人大多采用電氣驅(qū)動(dòng)，而其中屬交流伺服電機(jī)應(yīng)用最廣，且驅(qū)動(dòng)器電氣驅(qū)動(dòng)，而其中屬交流伺服電機(jī)應(yīng)用最廣，且驅(qū)動(dòng)器布置大都采用一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。布置大都采用一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):(1) 可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)

10、矩。可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩。(2) 液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小, 工作平穩(wěn)可靠工作平穩(wěn)可靠, 并可得到較高的位置精度。并可得到較高的位置精度。 (3) 液壓傳動(dòng)中液壓傳動(dòng)中, 力、力、 速度和方向比較容易實(shí)速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。現(xiàn)自動(dòng)控制。 (4) 液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì),具有防銹性和自具有防銹性和自潤(rùn)滑性能潤(rùn)滑性能, 可以提高機(jī)械效率可以提高機(jī)械效率, 使用壽命長(zhǎng)。使用壽命長(zhǎng)。 液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)存在的不足存在的不足: (1) 油液的粘度隨溫度變化而變化油液的粘度隨溫度變化而變化, 這將影這將影響工作性能。高溫容易引起燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。響

11、工作性能。高溫容易引起燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。 (2) 液體的泄漏難于克服液體的泄漏難于克服,要求液壓元件有較要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量高的精度和質(zhì)量, 故造價(jià)較高。故造價(jià)較高。 (3) 需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng),尤其是電液伺服系尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置,否則會(huì)引起故障。否則會(huì)引起故障。 液壓驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率更大，液壓驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型機(jī)器人常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。 氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)機(jī)械手氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)相比與液壓驅(qū)動(dòng)相比, 氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是: (1) 壓

12、縮空氣粘度小壓縮空氣粘度小, 容易達(dá)到高速容易達(dá)到高速(1 ms)。 (2) 利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣, 不必添加動(dòng)力設(shè)備。不必添加動(dòng)力設(shè)備。(3) 空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染,使用安全使用安全,可可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。 (4) 氣動(dòng)元件工作壓力低氣動(dòng)元件工作壓力低, 故制造要求也故制造要求也比液壓元件低。比液壓元件低。氣壓驅(qū)動(dòng)的不足氣壓驅(qū)動(dòng)的不足: (1) 壓縮空氣常用壓力為壓縮空氣常用壓力為0.40.6 MPa, 若若要獲得較大的壓力要獲得較大的壓力,其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大。其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大。 (2) 空氣壓縮性大空氣壓縮

13、性大,工作平穩(wěn)性差工作平穩(wěn)性差, 速度控制速度控制困難困難,要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難。要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難。 (3) 壓縮空氣的除水問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)壓縮空氣的除水問(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題題,處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹, 導(dǎo)致機(jī)器人失靈導(dǎo)致機(jī)器人失靈.此外此外,排氣還會(huì)造成噪聲污染。排氣還會(huì)造成噪聲污染。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)1 1）普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2 2）交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3 3）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可

14、實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人用于開(kāi)環(huán)控制，一般用于對(duì)速度和位置要求不高要求不高的場(chǎng)合電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，電機(jī)性能也逐漸提高。所以總的看來(lái)，機(jī)性能也逐漸提高。所以總的看來(lái)，目前機(jī)器目前機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)逐漸為電動(dòng)式所代替人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)逐漸為電動(dòng)式所代替。2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 (3) 傳動(dòng)單元 減速器主要有兩類： RV 減速器 和 諧波減速器 。 一般將 RV 減減速器放置在基座、腰部速器放置在基座、腰部臂、腕部或手部等輕負(fù)載的位置 ( 主要用于 20kg 以下的機(jī)器關(guān)節(jié) ) 。 此外，機(jī)器人還采用齒輪傳動(dòng)、鏈條（帶）傳動(dòng)、

15、直線運(yùn)動(dòng)單元等。目前工業(yè)機(jī)器人廣泛采用的機(jī)械傳動(dòng)單元是減速器，應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的 諧 RV 波 減 減 速 速 器 器 皮 帶 傳 動(dòng) 機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)單元 2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成 2.1.2 控制器 機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝置，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素，也是機(jī)器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分 ，其基本功能有： 示教功能示教功能 、 記憶功能、位置伺服功能、坐標(biāo)設(shè)定功記憶功能、位置伺服功能、坐標(biāo)設(shè)定功 。 依據(jù)控制系統(tǒng)的開(kāi)放程度，機(jī)器人控制器分 3 類：封閉封閉型、開(kāi)放型型、開(kāi)放型和混合型混合型。目前基本上都是封閉型系統(tǒng)封閉型系統(tǒng)（如日系機(jī)器人）或混合型系統(tǒng)混合型系統(tǒng)（如歐系機(jī)器人）。 按計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機(jī)器人控制器又可分為 集中式控制 和 分布