工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)課件

全國(guó)應(yīng)用型高校工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

—項(xiàng)目3工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)

全國(guó)應(yīng)用型高校工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機(jī)

項(xiàng)目3工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）熟悉工業(yè)機(jī)器人的本體基本結(jié)構(gòu)形式和材料（2）掌握工業(yè)機(jī)器人臂部基本結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)（3）掌握工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)及手部結(jié)構(gòu)【知識(shí)要點(diǎn)】（1）掌握工業(yè)機(jī)器人的本體的基本結(jié)構(gòu)形式，并了解相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)（2）熟練掌握機(jī)器人本體材料的相關(guān)特性（3）掌握工業(yè)機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)（4）掌握工業(yè)機(jī)器人臂部質(zhì)量平衡方法（5）掌握工業(yè)機(jī)器人手部和腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)【訓(xùn)練項(xiàng)目】（1）工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（2）機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)（3）腕部及手部結(jié)構(gòu)項(xiàng)目3工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】2任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式。最廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)形式有:直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)式）、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式（包括平面關(guān)節(jié)式）。1.直角坐標(biāo)式機(jī)器人直角坐標(biāo)式機(jī)器人主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測(cè)作業(yè)，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的14%左右。一般直角坐標(biāo)式機(jī)器人的手臂能垂直上下移動(dòng)（Z方向運(yùn)動(dòng)），并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進(jìn)行水平面內(nèi)二維移動(dòng)（X、Y方向運(yùn)動(dòng)）。直角坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，而手腕自由度的多少可視用途而定。任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)3任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式直角坐標(biāo)式機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。（2）容易編程。（3）采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后,速度高,定位精度高。（4）在X、Y和Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有耦合作用，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)容易些。但是，由于直角坐標(biāo)式機(jī)器人必須采用導(dǎo)軌，帶來(lái)許多問(wèn)題,其主要缺點(diǎn)如下：（1）導(dǎo)軌面的防護(hù)比較困難，不能像轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承那樣密封得很好。（2）導(dǎo)軌的支承結(jié)構(gòu)增加了機(jī)器人的重量，并減少了有效工作范圍。（3）為了減少摩擦需要用很長(zhǎng)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，價(jià)格高。（4）結(jié)構(gòu)尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大。（5）移動(dòng)部件的慣量比較大，增加了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和能量消耗。任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)4任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式近來(lái)一種起重機(jī)臺(tái)架式直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越多，在直角坐標(biāo)式機(jī)器人中的比重正在增加（見(jiàn)圖3-1)。在像裝配飛機(jī)構(gòu)件這樣的大車(chē)間中,這種起重機(jī)臺(tái)架式直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y坐標(biāo)軸方向移動(dòng)距離分別可達(dá)100m和40m，沿Z坐標(biāo)軸方向可達(dá)5m，成為目前最大的機(jī)器人。并且,因?yàn)閮H僅臺(tái)架的立柱占據(jù)了安裝位置，所以它能很好地利用車(chē)間的空間。

3-1起重機(jī)臺(tái)架式直角坐標(biāo)機(jī)器人任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)5任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式2.圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度:腰轉(zhuǎn)、升降、手臂伸縮。手腕通常采用兩個(gè)自由度，繞手臂縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和與其垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。手腕若采用三個(gè)自由度，如圖3-2所示，則使機(jī)器人自由度總數(shù)達(dá)到六個(gè)，但是手腕上的某個(gè)自由度將與主體上的回轉(zhuǎn)自由度有部分重復(fù)。此類(lèi)工業(yè)機(jī)器人大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的47%左右。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）除了簡(jiǎn)單的“抓—放”作業(yè)外還可以用在許多其他生產(chǎn)領(lǐng)域，與直角坐標(biāo)式機(jī)器人相比增加了通用性。（2）結(jié)構(gòu)緊湊。（3）在垂直方向和徑向有兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始腰轉(zhuǎn)時(shí)可把手臂縮進(jìn)去，在很大程度上減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,改善動(dòng)力學(xué)載荷。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的缺點(diǎn)是由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的緣故，手臂不能抵達(dá)底部，減少了機(jī)器人的工作范圍。不過(guò),當(dāng)手腕具有像圖3-2所示的第四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)，在一定程度上彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。

圖3-2 六自由度圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3.1機(jī)器人本體的基本結(jié)6任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式3.球面坐標(biāo)式機(jī)器人球面坐標(biāo)式機(jī)器人也叫做極坐標(biāo)式機(jī)器人，它具有較大的工作范圍，設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的13%。在這類(lèi)機(jī)器人中最出名的一種產(chǎn)品是美國(guó)Unimation公司的Unimation2000型和4000型機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-3所示。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，繞垂直軸線(機(jī)身)和水平軸線(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))的轉(zhuǎn)動(dòng)均采用了液壓伺服驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)角范圍分別為200°左右和50°左右，手臂伸縮采用液壓驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)，其最大行程決定了球面最大半徑，機(jī)器人實(shí)際工作范圍的形狀是個(gè)不完全的球缺。手腕應(yīng)具有三個(gè)自由度，當(dāng)機(jī)器人主體運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝在手腕上的末端操作器才能維持應(yīng)有的姿態(tài)。

圖3-3 球面坐標(biāo)式機(jī)器人任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)7任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),手腕的三個(gè)自由度上的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(俯仰,偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn))用來(lái)最后確定末端操作器的姿態(tài)，它是一種廣泛使用的擬人化的機(jī)器人，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地面積小。（2）具有很高的可達(dá)性。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人可以使其手部進(jìn)入像汽車(chē)車(chē)身這樣一個(gè)封閉的空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)式機(jī)器人不能進(jìn)行此類(lèi)作業(yè)。（3）因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。（4）所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗較少。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的缺點(diǎn)如下：（1）肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)軸線是平行的，當(dāng)大、小臂舒展成一直線時(shí)雖能抵達(dá)很遠(yuǎn)的工作點(diǎn)，但機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度比較低。（2）機(jī)器人手部在工作范圍邊界上工作時(shí)有運(yùn)動(dòng)學(xué)上的退化行為。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)8任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題之一。正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低工業(yè)機(jī)器人的成本價(jià)格,更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化,滿足其靜力及動(dòng)力特性要求。隨著材料工業(yè)的發(fā)展,新材料的出現(xiàn)給工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了寬廣的道路。1.材料選擇的基本要求與一般機(jī)械設(shè)備相比,機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求如下。（1）強(qiáng)度高。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選9任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇（2）彈性模量大。從材料力學(xué)公式可知，構(gòu)件剛度(或變形量)與材料的彈性模量E、G有關(guān),彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的改性對(duì)彈性模量卻沒(méi)有多大差別。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為2000～2300MPa，但是二者的彈性模量E卻沒(méi)有多大變化，均為2.1×105MPa。因此，還應(yīng)尋找其他提高構(gòu)件剛度的途徑。（3）重量輕。在機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說(shuō),為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的。因此，提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求，可用E/ρ指標(biāo)來(lái)衡量。表3-1列出了幾種材料的E、ρ和E/ρ值，供參考。

材料E/×105MPaρ/×103(kg/m3)(E/ρ)/×107(m2/s2)鋼、合金鋼2.107.82.7鋁、鋁合金0.722.82.6鈧鋁合金(62%Be)1.92.19.1鋰鋁合金(3.2%Li) 0.822.7153.02硼纖維增強(qiáng)鋁材2.92.5311.4任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選10任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇（4）阻尼大。工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大、重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來(lái)?？墒怯捎谠跇?gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生“殘余振動(dòng)”。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)考慮，希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來(lái)吸收能量。（5）材料價(jià)格低。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來(lái)作機(jī)器人臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選11任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼:強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4至5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。（2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料:這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈量模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ值仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善,例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金,彈性模量增加了14%,E/ρ值增加了16%。（3）纖維增強(qiáng)合金:如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金,其E/ρ值分別達(dá)到11.4×107m2/s2和8.9×107m2/s2。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/ρ值，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。（4）陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂的樣品。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選12任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹（5）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類(lèi)材料具有極好的E/ρ值，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬件連接困難等問(wèn)題。這種材料不但重量輕、剛度大,而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼。所以，在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多。疊層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶(hù)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼值。（6）粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理(constrainedlayerdampingtreatment)，如圖3-4所示。吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為±0.30mm，處理后為±0.16mm；殘余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選13任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)機(jī)身是直接聯(lián)接、支承和傳動(dòng)手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件。它是由臂部運(yùn)動(dòng)(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機(jī)構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)型式、使用條件、負(fù)載能力各不相同，所采用的驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置也不同，致使機(jī)身結(jié)構(gòu)有很大差異。一般情況下，實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機(jī)構(gòu)，可沿地面或架空軌道運(yùn)行。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)：升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)，俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)，直移型機(jī)身結(jié)構(gòu)，類(lèi)人機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)。

任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)14任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有2～3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大,受力一般較復(fù)雜,在運(yùn)動(dòng)時(shí),直接承受腕部、手部和工件(或工具)的靜、動(dòng)載荷,尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生較大的慣性力(或慣性力矩),引起沖擊,影響定位的準(zhǔn)確性。

1、臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來(lái)確定。同時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況,油(氣)缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求。（1）剛度要求高為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形,手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大;空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多,所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼作支承板。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)15任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)1、臂部設(shè)計(jì)的基本要求（2）導(dǎo)向性要好為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中,沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),或設(shè)置導(dǎo)向裝置,或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。（3）重量要輕為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度,要盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量,以減小整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（4）運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高,慣性力引起的定位前的沖擊也就越大,運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn),定位精度也不高。因此,除了臂部設(shè)計(jì)上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外,同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)16任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)2、手臂的常用結(jié)構(gòu)1）手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的伸縮、橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多,常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞油(氣)缸的體積小、重量輕,因而在機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的,常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)17任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)2、手臂的常用結(jié)構(gòu)2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-5所示為采用活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)的一種雙臂機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)圖。手臂的上下擺動(dòng)由鉸接活塞油缸和連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)活塞油缸1的兩腔通壓力油時(shí),通過(guò)連桿2帶動(dòng)曲柄3(即手臂)繞軸心O作90°的上下擺動(dòng)(如雙點(diǎn)畫(huà)線所示位置)。手臂下擺到水平位置時(shí),其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來(lái)調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊和輕巧等特點(diǎn)。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)18任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)多剛體耦合系統(tǒng),系統(tǒng)的平衡性是極其重要的,在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用平衡系統(tǒng)的理由如下。（1）安全。根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程知道,關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩包括重力矩項(xiàng),即各連桿質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩。因?yàn)橹亓κ怯篮愕?即使機(jī)器人停止了運(yùn)動(dòng),重力矩項(xiàng)仍然存在。這樣,當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)切斷電源后,機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)因重力而失去穩(wěn)定。平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動(dòng)力源中斷而失穩(wěn),引起向地面“倒塌”的趨勢(shì)。

（2）借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法19任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用（3）借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。（4）借助平衡系統(tǒng)能減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非線性項(xiàng),改進(jìn)機(jī)器人動(dòng)力特性。（5）借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。（6）借助平衡系統(tǒng)能使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定,降低地面安裝要求。

任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法20任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.1機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)1、概述工業(yè)機(jī)器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。機(jī)器人一般具有六個(gè)自由度才能使手部（末端操作器）達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)，手腕上的自由度主要是實(shí)現(xiàn)所期望的姿態(tài)。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)的三個(gè)自由度，如下圖所示：通常也把手腕的反轉(zhuǎn)叫做Roll，用R表示；把手腕的俯仰用Pitch，用P表示，把手腕的偏轉(zhuǎn)叫做Yaw，用Y表示。下圖手腕就可以實(shí)現(xiàn)PRY運(yùn)動(dòng)。

任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.1機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)21任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人的手部也叫末端操作器，它直接裝在工業(yè)機(jī)器人的手腕上用于夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的工作。人體的手與末端執(zhí)行器的作用十分相似，所以人們更多地使用手部這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)代替末端執(zhí)行器。人的手有5根手指，它由許多關(guān)節(jié)組成，能巧妙地完成許多復(fù)雜的作業(yè)。人們用手完成的作業(yè)是各種各樣的，從制作物品、使用工具到對(duì)其他人做手勢(shì)等。在這些功能中，機(jī)器人技術(shù)更關(guān)心的是手的作業(yè)功能，而不在于它的信息傳遞功能。1、機(jī)器人的手部具有以下特點(diǎn)：（1）手部與手腕連接處可拆卸：手部與手腕處有可拆卸的機(jī)械接口：根據(jù)夾持對(duì)象的不同，首部結(jié)構(gòu)會(huì)有差異，通常一個(gè)機(jī)器人配有多個(gè)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。手部可能還有一些電、氣、液的接口：這是由于手部的驅(qū)動(dòng)方式不同造成的。對(duì)這些部件的接口一定要求具有互換性。任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)22任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)（2）手部是末端操作器可以具有手指，也可以不具有手指?？梢杂惺肿?，也可以是專(zhuān)用工具。（3）手部是一個(gè)獨(dú)立的部件工業(yè)機(jī)器人通常分為三個(gè)大的部件：機(jī)身、手臂（含手腕）、手部。手部對(duì)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵作用，它直接關(guān)系著加持工件的定位精度、夾持力的大小等。（4）手部的通用性比較差工業(yè)機(jī)器人的手部通常是專(zhuān)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；一種工具往往只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)23任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)2、機(jī)器人手部的分類(lèi)（1）按用途分1）手爪：具有一定通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、釋放工件。抓住工件是指在給定的目標(biāo)位置和期望姿態(tài)上上抓住工件，工件必須有可靠的定位，保持工件和手爪之間的準(zhǔn)確的相對(duì)位置關(guān)系，以保持機(jī)器人后續(xù)作業(yè)的準(zhǔn)確性；握住工件是指確保工件在搬運(yùn)過(guò)程中定義的位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性；釋放是指在指定位置結(jié)束手部和工件的約束關(guān)系。2）工具：進(jìn)行作業(yè)的專(zhuān)用工具。任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)24任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)2、機(jī)器人手部的分類(lèi)（2）按夾持方式分：1）外夾式（如圖3-8（a））：手部與被夾件的外表面相接觸2）內(nèi)撐式（如圖3-8（b））：手部與工件的內(nèi)表面相接觸3）內(nèi)外夾持式（如圖3-8（c））：手部與工件的內(nèi)、外表面相接觸任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)25任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)2、機(jī)器人手部的分類(lèi)（3）按手爪的運(yùn)動(dòng)形式分：1）回轉(zhuǎn)型，當(dāng)手爪加緊或松開(kāi)物體時(shí)，手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。2）平動(dòng)型，手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。3）平移型，當(dāng)手爪加緊或松開(kāi)物體時(shí)，手指作平移運(yùn)動(dòng)，并保持夾持中心固定不變，不受工件直徑變化的影響。任務(wù)三：腕部及手部結(jié)構(gòu)3.2機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)26習(xí)題及思考1、列表說(shuō)明直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、極坐標(biāo)式機(jī)器人、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式(包括平面關(guān)節(jié))機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用特點(diǎn)及占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的比重。2、對(duì)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)件材料的選用有哪些基本要求?3、為什么要選用彈性模量/密度比大的材料?4、材料阻尼大有什么好處?5、工業(yè)機(jī)器人手部的特點(diǎn)是什么?解釋“抓住”、“握持”、“釋放”。習(xí)題及思考1、列表說(shuō)明直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、極27全國(guó)應(yīng)用型高校工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)

—項(xiàng)目3工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)

全國(guó)應(yīng)用型高校工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域人才培養(yǎng)“十三五”規(guī)劃教材工業(yè)機(jī)

項(xiàng)目3工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】（1）熟悉工業(yè)機(jī)器人的本體基本結(jié)構(gòu)形式和材料（2）掌握工業(yè)機(jī)器人臂部基本結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)（3）掌握工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)及手部結(jié)構(gòu)【知識(shí)要點(diǎn)】（1）掌握工業(yè)機(jī)器人的本體的基本結(jié)構(gòu)形式，并了解相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)（2）熟練掌握機(jī)器人本體材料的相關(guān)特性（3）掌握工業(yè)機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)（4）掌握工業(yè)機(jī)器人臂部質(zhì)量平衡方法（5）掌握工業(yè)機(jī)器人手部和腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點(diǎn)【訓(xùn)練項(xiàng)目】（1）工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)（2）機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)（3）腕部及手部結(jié)構(gòu)項(xiàng)目3工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】29任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式。最廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)形式有:直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)式）、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式（包括平面關(guān)節(jié)式）。1.直角坐標(biāo)式機(jī)器人直角坐標(biāo)式機(jī)器人主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測(cè)作業(yè)，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的14%左右。一般直角坐標(biāo)式機(jī)器人的手臂能垂直上下移動(dòng)（Z方向運(yùn)動(dòng)），并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進(jìn)行水平面內(nèi)二維移動(dòng)（X、Y方向運(yùn)動(dòng)）。直角坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，而手腕自由度的多少可視用途而定。任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)30任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式直角坐標(biāo)式機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。（2）容易編程。（3）采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌后,速度高,定位精度高。（4）在X、Y和Z三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有耦合作用，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)容易些。但是，由于直角坐標(biāo)式機(jī)器人必須采用導(dǎo)軌，帶來(lái)許多問(wèn)題,其主要缺點(diǎn)如下：（1）導(dǎo)軌面的防護(hù)比較困難，不能像轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承那樣密封得很好。（2）導(dǎo)軌的支承結(jié)構(gòu)增加了機(jī)器人的重量，并減少了有效工作范圍。（3）為了減少摩擦需要用很長(zhǎng)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，價(jià)格高。（4）結(jié)構(gòu)尺寸與有效工作范圍相比顯得龐大。（5）移動(dòng)部件的慣量比較大，增加了驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸和能量消耗。任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)31任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式近來(lái)一種起重機(jī)臺(tái)架式直角坐標(biāo)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越多，在直角坐標(biāo)式機(jī)器人中的比重正在增加（見(jiàn)圖3-1)。在像裝配飛機(jī)構(gòu)件這樣的大車(chē)間中,這種起重機(jī)臺(tái)架式直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y坐標(biāo)軸方向移動(dòng)距離分別可達(dá)100m和40m，沿Z坐標(biāo)軸方向可達(dá)5m，成為目前最大的機(jī)器人。并且,因?yàn)閮H僅臺(tái)架的立柱占據(jù)了安裝位置，所以它能很好地利用車(chē)間的空間。

3-1起重機(jī)臺(tái)架式直角坐標(biāo)機(jī)器人任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)32任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式2.圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度:腰轉(zhuǎn)、升降、手臂伸縮。手腕通常采用兩個(gè)自由度，繞手臂縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和與其垂直的水平軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。手腕若采用三個(gè)自由度，如圖3-2所示，則使機(jī)器人自由度總數(shù)達(dá)到六個(gè)，但是手腕上的某個(gè)自由度將與主體上的回轉(zhuǎn)自由度有部分重復(fù)。此類(lèi)工業(yè)機(jī)器人大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的47%左右。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）除了簡(jiǎn)單的“抓—放”作業(yè)外還可以用在許多其他生產(chǎn)領(lǐng)域，與直角坐標(biāo)式機(jī)器人相比增加了通用性。（2）結(jié)構(gòu)緊湊。（3）在垂直方向和徑向有兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始腰轉(zhuǎn)時(shí)可把手臂縮進(jìn)去，在很大程度上減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,改善動(dòng)力學(xué)載荷。圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人的缺點(diǎn)是由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的緣故，手臂不能抵達(dá)底部，減少了機(jī)器人的工作范圍。不過(guò),當(dāng)手腕具有像圖3-2所示的第四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)，在一定程度上彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。

圖3-2 六自由度圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)3.1機(jī)器人本體的基本結(jié)33任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式3.球面坐標(biāo)式機(jī)器人球面坐標(biāo)式機(jī)器人也叫做極坐標(biāo)式機(jī)器人，它具有較大的工作范圍，設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的13%。在這類(lèi)機(jī)器人中最出名的一種產(chǎn)品是美國(guó)Unimation公司的Unimation2000型和4000型機(jī)器人，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-3所示。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度，繞垂直軸線(機(jī)身)和水平軸線(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))的轉(zhuǎn)動(dòng)均采用了液壓伺服驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)角范圍分別為200°左右和50°左右，手臂伸縮采用液壓驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)，其最大行程決定了球面最大半徑，機(jī)器人實(shí)際工作范圍的形狀是個(gè)不完全的球缺。手腕應(yīng)具有三個(gè)自由度，當(dāng)機(jī)器人主體運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝在手腕上的末端操作器才能維持應(yīng)有的姿態(tài)。

圖3-3 球面坐標(biāo)式機(jī)器人任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)34任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)構(gòu)形式4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),手腕的三個(gè)自由度上的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(俯仰,偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn))用來(lái)最后確定末端操作器的姿態(tài)，它是一種廣泛使用的擬人化的機(jī)器人，大約占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的25%左右。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地面積小。（2）具有很高的可達(dá)性。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人可以使其手部進(jìn)入像汽車(chē)車(chē)身這樣一個(gè)封閉的空間內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)式機(jī)器人不能進(jìn)行此類(lèi)作業(yè)。（3）因?yàn)闆](méi)有移動(dòng)關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。（4）所需關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗較少。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的缺點(diǎn)如下：（1）肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)軸線是平行的，當(dāng)大、小臂舒展成一直線時(shí)雖能抵達(dá)很遠(yuǎn)的工作點(diǎn)，但機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度比較低。（2）機(jī)器人手部在工作范圍邊界上工作時(shí)有運(yùn)動(dòng)學(xué)上的退化行為。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.1機(jī)器人本體的基本結(jié)35任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題之一。正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低工業(yè)機(jī)器人的成本價(jià)格,更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化,滿足其靜力及動(dòng)力特性要求。隨著材料工業(yè)的發(fā)展,新材料的出現(xiàn)給工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了寬廣的道路。1.材料選擇的基本要求與一般機(jī)械設(shè)備相比,機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求如下。（1）強(qiáng)度高。機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選36任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇（2）彈性模量大。從材料力學(xué)公式可知，構(gòu)件剛度(或變形量)與材料的彈性模量E、G有關(guān),彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量的差異比較大，而同一種材料的改性對(duì)彈性模量卻沒(méi)有多大差別。比如，普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為420MPa，高合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限為2000～2300MPa，但是二者的彈性模量E卻沒(méi)有多大變化，均為2.1×105MPa。因此，還應(yīng)尋找其他提高構(gòu)件剛度的途徑。（3）重量輕。在機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)。也就是說(shuō),為了提高構(gòu)件剛度選用彈性模量E大而密度ρ也大的材料是不合理的。因此，提出了選用高彈性模量、低密度的材料要求，可用E/ρ指標(biāo)來(lái)衡量。表3-1列出了幾種材料的E、ρ和E/ρ值，供參考。

材料E/×105MPaρ/×103(kg/m3)(E/ρ)/×107(m2/s2)鋼、合金鋼2.107.82.7鋁、鋁合金0.722.82.6鈧鋁合金(62%Be)1.92.19.1鋰鋁合金(3.2%Li) 0.822.7153.02硼纖維增強(qiáng)鋁材2.92.5311.4任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選37任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇（4）阻尼大。工業(yè)機(jī)器人在選材時(shí)不僅要求剛度大、重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人的臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來(lái)?？墒怯捎谠跇?gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)件自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生“殘余振動(dòng)”。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)考慮，希望能采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來(lái)吸收能量。（5）材料價(jià)格低。材料價(jià)格是工業(yè)機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。有些新材料如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，用來(lái)作機(jī)器人臂的材料是很理想的，但價(jià)格昂貴。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選38任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼:強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4至5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料。（2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料:這類(lèi)材料的共同特點(diǎn)是重量輕，彈量模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ值仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改善,例如添加了3.2%重量的鋰的鋁合金,彈性模量增加了14%,E/ρ值增加了16%。（3）纖維增強(qiáng)合金:如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金,其E/ρ值分別達(dá)到11.4×107m2/s2和8.9×107m2/s2。這種纖維增強(qiáng)金屬材料具有非常高的E/ρ值，而且沒(méi)有無(wú)機(jī)復(fù)合材料的缺點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。（4）陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工成具有長(zhǎng)孔的連桿，與金屬零件連接的接合部需特殊設(shè)計(jì)。然而，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂的樣品。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選39任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選擇2.結(jié)構(gòu)件材料介紹（5）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類(lèi)材料具有極好的E/ρ值，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬件連接困難等問(wèn)題。這種材料不但重量輕、剛度大,而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼。所以，在高速機(jī)器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實(shí)例越來(lái)越多。疊層復(fù)合材料的制造工藝還允許用戶(hù)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)疊層厚度、纖維傾斜角、最佳橫斷面尺寸等，使其具有最大阻尼值。（6）粘彈性大阻尼材料：增大機(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法來(lái)增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中最適合機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理(constrainedlayerdampingtreatment)，如圖3-4所示。吉林工大和西安交大進(jìn)行了粘彈性大阻尼材料在柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)械臂的重復(fù)定位精度在阻尼處理前為±0.30mm，處理后為±0.16mm；殘余振動(dòng)時(shí)間在阻尼處理前、后分別為0.9s和0.5s。

任務(wù)一工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)1.2機(jī)器人本體材料的選40任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)機(jī)身是直接聯(lián)接、支承和傳動(dòng)手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件。它是由臂部運(yùn)動(dòng)(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機(jī)構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)型式、使用條件、負(fù)載能力各不相同，所采用的驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置也不同，致使機(jī)身結(jié)構(gòu)有很大差異。一般情況下，實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機(jī)構(gòu)，可沿地面或架空軌道運(yùn)行。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)：升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)，俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)，直移型機(jī)身結(jié)構(gòu)，類(lèi)人機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)。

任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.1機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)41任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人的臂部一般具有2～3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。臂部總重量較大,受力一般較復(fù)雜,在運(yùn)動(dòng)時(shí),直接承受腕部、手部和工件(或工具)的靜、動(dòng)載荷,尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生較大的慣性力(或慣性力矩),引起沖擊,影響定位的準(zhǔn)確性。

1、臂部設(shè)計(jì)的基本要求臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來(lái)確定。同時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況,油(氣)缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求。（1）剛度要求高為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形,手臂的截面形狀要合理選擇。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大;空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多,所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿,用工字鋼和槽鋼作支承板。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)42任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)1、臂部設(shè)計(jì)的基本要求（2）導(dǎo)向性要好為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)中,沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),或設(shè)置導(dǎo)向裝置,或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。（3）重量要輕為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度,要盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量,以減小整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（4）運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高,慣性力引起的定位前的沖擊也就越大,運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn),定位精度也不高。因此,除了臂部設(shè)計(jì)上要力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕外,同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)43任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)2、手臂的常用結(jié)構(gòu)1）手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的伸縮、橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多,常用的有活塞油(氣)缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)以及連桿機(jī)構(gòu)等。由于活塞油(氣)缸的體積小、重量輕,因而在機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的,常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)44任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)2、手臂的常用結(jié)構(gòu)2）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-5所示為采用活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)的一種雙臂機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)圖。手臂的上下擺動(dòng)由鉸接活塞油缸和連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)活塞油缸1的兩腔通壓力油時(shí),通過(guò)連桿2帶動(dòng)曲柄3(即手臂)繞軸心O作90°的上下擺動(dòng)(如雙點(diǎn)畫(huà)線所示位置)。手臂下擺到水平位置時(shí),其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來(lái)調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊和輕巧等特點(diǎn)。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)基本形式和特點(diǎn)45任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)多剛體耦合系統(tǒng),系統(tǒng)的平衡性是極其重要的,在工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用平衡系統(tǒng)的理由如下。（1）安全。根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程知道,關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩包括重力矩項(xiàng),即各連桿質(zhì)量對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生重力矩。因?yàn)橹亓κ怯篮愕?即使機(jī)器人停止了運(yùn)動(dòng),重力矩項(xiàng)仍然存在。這樣,當(dāng)機(jī)器人完成作業(yè)切斷電源后,機(jī)器人機(jī)構(gòu)會(huì)因重力而失去穩(wěn)定。平衡系統(tǒng)是為了防止機(jī)器人因動(dòng)力源中斷而失穩(wěn),引起向地面“倒塌”的趨勢(shì)。

（2）借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人構(gòu)形變化而導(dǎo)致重力引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法46任務(wù)二：機(jī)身及臂部結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的平穩(wěn)性和臂桿平衡方法1.工業(yè)機(jī)器人平衡系統(tǒng)的作用（3）借助平衡系統(tǒng)能降低因機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致慣性力矩引起關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化的峰值。（4）借助平衡系統(tǒng)能減少動(dòng)力學(xué)方程中內(nèi)部耦合項(xiàng)和非線性項(xiàng),改進(jìn)機(jī)器人動(dòng)力特性。（5）借助平衡系統(tǒng)能減小機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性所引起的不良影響。（6）借助平衡系統(tǒng)能