《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》第2章 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)課件

提及機(jī)器人，大家更多的可能是想到那些擬人化的機(jī)器人，但事實(shí)上大多數(shù)機(jī)器人都不具有基本的人類形態(tài)，更多的是以機(jī)械手的形式存在，機(jī)器人手部也稱末端執(zhí)行器，那么，末端執(zhí)行器有什么作用？怎么進(jìn)行分類？它的結(jié)構(gòu)組成和工作原理又是如何的呢？本節(jié)導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器，也叫手部，是直接裝在工業(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。和腕部相連處可拆卸

一個(gè)機(jī)器人有多個(gè)末端執(zhí)行器裝置或工具形態(tài)各異

可以具有手指或無手指可以有手爪或作業(yè)工具是一個(gè)獨(dú)立的部件

手部是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三大部件之一通用性較差

一種工具往往只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的特點(diǎn)由于工業(yè)機(jī)器人所能完成的工作非常廣泛，末端執(zhí)行器很難做到標(biāo)準(zhǔn)化，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，末端執(zhí)行器一般都是根據(jù)其實(shí)際要完成的工作進(jìn)行定制。常用的有以下幾種分類：1.夾鉗式末端執(zhí)行器2.吸附式末端執(zhí)行器3.專用末端執(zhí)行器4.工具快換裝置5.多工位換接裝置6.仿生多指靈巧手常用的末端執(zhí)行器分類夾鉗式末端執(zhí)行器通常也稱為夾鉗式取料手，是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種末端執(zhí)行器形式，在裝配流水線上用得較為廣泛。它一般由手指（手爪）、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接與支承元件組成，工作原理類似于常用的手鉗。如圖所示，夾鉗式末端執(zhí)行器能用手爪的開閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。1—手指；2—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；3—驅(qū)動(dòng)裝置；4—支架；5—工件1、手指手指是直接與工件接觸的構(gòu)件，通過手指的張開和閉合來實(shí)現(xiàn)工件的松開和夾緊。指端是手指上直接與工件接觸的部位，其形狀分為V形指、平面指、尖指和特形指。平面指V形指特形指尖指（1）V型指適用于夾持圓柱形工件，特點(diǎn)是夾緊平穩(wěn)可靠、夾持誤差小固定V形

可快速夾持旋轉(zhuǎn)中圓柱形工件滾珠V形

有自定位能力，與工件接觸好，浮動(dòng)件設(shè)計(jì)應(yīng)具有自鎖性自定位式V形一般用于夾持形狀不規(guī)則的工件（4）特形指一般用于夾持方形工件（2）平面指一般用于夾持小型或柔性工件（3）尖指與長(zhǎng)指手指的材料選用恰當(dāng)與否，對(duì)機(jī)器人的使用效果有很大的影響對(duì)于夾鉗式末端執(zhí)行器，其手指材料一般選用碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼手指的材料內(nèi)鑲橡膠、泡沫、石棉等物，一般用于夾持已加工表面、熾熱件，也適用于夾持薄壁件和脆性工件柔性指面刻有齒紋可增加夾持工件的摩檫力，多用來夾持表面粗糙的毛坯或半成品齒形指面平整光滑，用來夾持已加工表面，避免已加工表面受損光滑指面夾持式末端執(zhí)行器通常是由兩個(gè)或更多的手指組成，通過機(jī)器人控制器控制手指的開合來抓取工件或物體。內(nèi)撐式外夾式移動(dòng)式回轉(zhuǎn)式多手指二手指驅(qū)動(dòng)裝置是向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置。通常采用氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和電磁來驅(qū)動(dòng)。如圖所示，為氣壓驅(qū)動(dòng)的夾鉗式末端執(zhí)行器，氣缸4中的壓縮空氣推動(dòng)活塞5，使齒條1做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)扇形齒輪2帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)，使手指3平行地快速?gòu)埡稀?、驅(qū)動(dòng)裝置氣壓驅(qū)動(dòng)的夾鉗式末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)手指開合并產(chǎn)生夾緊力。按其手指夾持工件時(shí)運(yùn)動(dòng)方式的不同，可分為回轉(zhuǎn)型和平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。3、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）回轉(zhuǎn)型（2）平移型（1）回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)其手指就是一對(duì)杠桿，一般再與斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以改變傳動(dòng)比和運(yùn)動(dòng)方向等夾鉗式末端執(zhí)行器中用得最多的是回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖所示為斜楔式回轉(zhuǎn)型末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。斜楔2向下運(yùn)動(dòng)，克服彈簧5拉力，使杠桿手指裝有滾子3的一端向外撐開，從而夾緊工件8。反之，斜楔向上運(yùn)動(dòng)，則在彈簧5拉力的作用下，使手指7松開。手指與斜楔通過滾子接觸，可以減少摩檫力，提高機(jī)械效率。1—?dú)んw；2—斜楔；3—滾子；4—圓柱銷5—彈簧；6—鉸銷；7—手指；8—工件斜楔式回轉(zhuǎn)型末端執(zhí)行器圖（1）回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)杠桿形手指4的一端裝有V形指5，另一端則開有長(zhǎng)滑槽。驅(qū)動(dòng)桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)連桿同圓柱銷一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn)（銨銷3）作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指對(duì)工件6的夾緊與松開動(dòng)作?；鄹軛U式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的定心精度與滑槽的制造精度有關(guān)。1—驅(qū)動(dòng)桿；2-圓柱銷；3—鉸銷；4—手指；5—V形指；6—工件滑槽式回轉(zhuǎn)型末端執(zhí)行器圖（1）回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖所示為雙支點(diǎn)連桿式回轉(zhuǎn)型末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，驅(qū)動(dòng)桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿2作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則通過連桿推動(dòng)兩桿手指各繞支點(diǎn)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使手指松開或閉合。該機(jī)構(gòu)的活動(dòng)環(huán)節(jié)比較多，故定心精度比斜楔傳動(dòng)差。雙支點(diǎn)連桿式回轉(zhuǎn)型末端執(zhí)行器圖1—?dú)んw；2-驅(qū)動(dòng)桿；3—鉸銷；4—連桿；5、7—圓柱銷；8—V形指；9—工件（1）回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)桿2末端制成雙面齒條，與扇形齒輪4相嚙合，而扇形齒輪4與手指固連在一起，可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)齒條作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即可帶動(dòng)扇形齒輪回轉(zhuǎn)，從而使手指閉合或松開。齒輪齒條直接傳動(dòng)的齒輪杠桿式末端執(zhí)行器圖1—?dú)んw；2-驅(qū)動(dòng)桿；3—中間齒輪；4—扇齒輪；5—手指；6—V型指；7—工件齒條直接驅(qū)動(dòng)扇形齒輪結(jié)構(gòu)

帶有換向齒輪的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（1）回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直線往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過手指指面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)張開或閉合動(dòng)作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體）。（2）平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用于夾持具有平行平面的工件。其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不如回轉(zhuǎn)型末端執(zhí)行器應(yīng)用廣泛。平移型夾鉗式末端執(zhí)行器時(shí)通過手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)張開或閉合動(dòng)作的1）直線往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)直線往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過手指指面作平面移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)張開或閉合動(dòng)作的，常用于夾持具有平行平面的工件(如冰箱等)。2）平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)1—驅(qū)動(dòng)器；2-驅(qū)動(dòng)元件；3—主動(dòng)搖桿；4—從動(dòng)搖桿；5—手指吸附式末端執(zhí)行器靠吸附力取料，適用于大平面、易碎（玻璃、磁盤）、微小的物體，因此使用面較廣。根據(jù)吸附力的不同，可分為氣吸附和磁吸附兩種。利用輕性塑膠或塑料制成的皮碗通過抽空與物體接觸平面密封型腔的空氣而產(chǎn)生的負(fù)壓真空吸力來抓取和搬運(yùn)物體工作原理

與夾鉗式末端執(zhí)行器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕、吸附力分布均勻，對(duì)于薄片狀物體的搬運(yùn)更具有優(yōu)越性優(yōu)點(diǎn)

廣泛應(yīng)用于非金屬材料或不可剩磁的材料的吸附，但要求物體表面較平整光滑、無孔、無凹槽適用場(chǎng)合1.氣吸附式末端執(zhí)行器1、氣吸附式末端執(zhí)行器氣吸附式末端執(zhí)行器由吸盤、吸盤架和氣路組成，氣吸附式末端執(zhí)行器按形成壓力差的方法分類，可分為真空吸附、氣流負(fù)壓吸附、擠壓排氣負(fù)氣壓吸附等。組

成吸

盤吸

盤

架氣

路真

空

吸

附氣

流

負(fù)

壓

吸

附擠

壓

排

氣負(fù)

氣

壓

吸

附分

類如圖所示為真空吸附取料末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理，其真空的產(chǎn)生是利用真空泵，真空度較高。取料時(shí)，蝶形橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤再邊緣既起到密封作用，又起到緩沖作用，然后真空抽氣，吸盤內(nèi)腔形成真空，吸取物料。放料時(shí)，管路接通大氣，失去真空，物體放下。（1）真空吸附末端執(zhí)行器1—橡膠吸盤；2-固定環(huán)；3—墊片；4—支承桿；5—螺母；6—基板真空吸附末端執(zhí)行器1—橡膠吸盤；2-心套；3—通氣螺釘；4—支承桿；5—噴嘴；6—噴嘴套氣流負(fù)壓吸附末端執(zhí)行器（2）氣流負(fù)壓吸附末端執(zhí)行器氣流負(fù)壓吸附末端執(zhí)行器是利用流體力學(xué)的原理，當(dāng)需要取物時(shí)，壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴5時(shí)，其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓，于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓，完成取物動(dòng)作；當(dāng)需要釋放時(shí)，切斷壓縮空氣即可。取料時(shí)末端執(zhí)行器先向下，吸盤壓向工件5，橡膠吸盤4形變，將吸盤內(nèi)的空氣擠出；之后，手部向上提升，壓力去除，橡膠吸盤恢復(fù)彈性形變使吸盤內(nèi)腔形成負(fù)壓，將工件牢牢吸住，機(jī)械手即可進(jìn)行工件搬運(yùn)。到達(dá)目標(biāo)位置后要釋放工件時(shí)，用碰撞力P或電磁力使壓蓋2動(dòng)作，使吸盤腔與大氣聯(lián)通而失去負(fù)壓，破壞吸盤腔內(nèi)的負(fù)壓，釋放工件。1—吸盤架；2-壓蓋；3—密封墊；4—橡膠吸盤；5—工件擠壓排氣取料末端執(zhí)行器（3）擠壓排氣取料末端執(zhí)行器擠壓排氣取料末端執(zhí)行器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)方便但吸附力小，吸附狀態(tài)不易長(zhǎng)期保持可靠性比真空吸附和氣流負(fù)流吸附差氣流負(fù)壓吸附末端執(zhí)行器

需要的壓縮空氣，在一般工廠內(nèi)容易取得使用方便，成本較低真空吸附取料末端執(zhí)行器

工作可靠、吸附力大但需配備真空泵及其控制系統(tǒng)，費(fèi)用較高2、磁吸附式末端執(zhí)行器磁吸附式末端執(zhí)行器是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附工件的，其應(yīng)用比較廣泛，不會(huì)破壞被吸件表面質(zhì)量。磁力來源永久性磁鐵手部電磁鐵手部磁吸附式末端執(zhí)行器供電不同交流電磁鐵手部吸力波動(dòng)有噪聲和渦流損耗直流電磁鐵手部吸力穩(wěn)定無噪聲和渦流損耗被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑（如鐵屑），影響正常工作缺點(diǎn)有較大的單位面積吸力，對(duì)工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求優(yōu)點(diǎn)電磁鐵吸附式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖所示。在線圈通電瞬間，由于空氣間隙的存在，磁阻很大，線圈的電感和啟動(dòng)電流很大，這時(shí)產(chǎn)生磁性吸力將工件吸住，一旦斷電，磁吸力消失，工件就松開。若采用永久磁鐵作為吸盤，則必須強(qiáng)迫性取下工件。電磁鐵吸附式末端執(zhí)行器1—電磁吸盤；2-防塵蓋；3—線圈；4—外殼體電磁吸盤的結(jié)構(gòu)（c）吸取齒輪用的電磁式吸盤（d）吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤（b）吸取鋼板用的電磁式吸盤（a）吸附滾動(dòng)軸承座用的電磁式吸盤如圖所示為幾種電磁式吸盤吸料示意圖機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備，可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動(dòng)作，再配上各種專用的末端執(zhí)行器后，就能完成各種不同的工作。例如，在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺(tái)焊接機(jī)器人，安裝擰螺母機(jī)則成為一臺(tái)裝配機(jī)器人。目前有許多專用電動(dòng)、氣動(dòng)工具改型而成的操作器，如圖所示，末端執(zhí)行器有擰螺母機(jī)、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機(jī)等，這些專用末端執(zhí)行器形成一整套系列供用戶選用，使機(jī)器人勝任各種工作。各種專用末端執(zhí)行器如圖所示機(jī)器人工具快換裝置，是一種用于機(jī)器人快速更換末端執(zhí)行器的裝置，可以在數(shù)秒內(nèi)快速更換不同的末端執(zhí)行器，使機(jī)器人更具有柔性、更高效，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人工具快換裝置主側(cè)安裝在一臺(tái)機(jī)器人上CNC設(shè)備上或者其他結(jié)構(gòu)上工具側(cè)安裝在工具上如抓具、焊槍或毛刺清理工具工具快換裝置分為主側(cè)和工具側(cè)鎖緊大多數(shù)使用氣體另外，工具快換裝置在一些重要的應(yīng)用中能夠?yàn)楣ぞ咛峁﹤浞莨ぞ?，有效避免意外事件。相?duì)于人工需數(shù)小時(shí)更換工具，工具快換裝置自動(dòng)更換備用工具能夠在數(shù)秒鐘內(nèi)就完成。生長(zhǎng)線更換可以在數(shù)秒內(nèi)完成維護(hù)和修理工具可以快速更換大大降低停工時(shí)間通過在應(yīng)用使用1個(gè)以上的末端執(zhí)行器從而使柔性增強(qiáng)使用自動(dòng)交換單一功能的末端執(zhí)行器代替笨重復(fù)雜的多功能工裝執(zhí)行器優(yōu)點(diǎn)某些機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)相對(duì)較為集中，需要換接一定量的末端執(zhí)行器，又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫(kù)，這時(shí)，可以在機(jī)器人手腕上設(shè)置一個(gè)多工位轉(zhuǎn)換裝置。多工位換接裝置如圖所示，就像數(shù)控加工中心的刀庫(kù)一樣，可以有棱錐型和棱柱型兩種形式。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和手腕軸線一致，受力較合理，但其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜（a）棱錐型（b）棱柱型棱柱型換接器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其手爪軸線和手腕軸線不能保持一致，受力不良目前，大部分工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器只有兩個(gè)手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)，無法滿足對(duì)復(fù)雜形狀的物體實(shí)施夾持和操作。而仿生機(jī)器人末端執(zhí)行器能像人手一樣進(jìn)行各種復(fù)雜的作業(yè)，如裝配作業(yè)。仿人機(jī)器人末端執(zhí)行器有兩種，一種叫柔性手，一種叫仿生多指靈巧手。仿人機(jī)器人末端執(zhí)行器一般末端執(zhí)行器1、柔性手柔性手可對(duì)不同外形物體實(shí)施抓取，并使物體表面受力比較均勻。如圖所示為多關(guān)節(jié)柔性手，每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串接而成，手指?jìng)鲃?dòng)部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成，一側(cè)為緊握狀態(tài)，另一側(cè)為放松狀態(tài)，這樣的結(jié)構(gòu)可抓取凹凸外形的物體，且使物體受力均勻。多關(guān)節(jié)柔性手2、仿生多指靈巧手機(jī)器人末端執(zhí)行器和腕部最完美的形式就是模仿人的多指靈活手。如圖所示，多指靈巧手有多個(gè)手指，每個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的，因此，它能模仿幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜的動(dòng)作，如擰螺釘、彈鋼琴、作禮儀手勢(shì)等動(dòng)作。（a）三指

（b）四指

仿生多指靈巧手（c）四指靈巧手談鋼琴本節(jié)導(dǎo)入說到手腕，我們首先會(huì)想到人的手腕，在講述機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)之前，大家先來想想人的手腕所處的位置以及作用，再推想一下機(jī)器人的手腕所處的位置及其作用。那么工業(yè)機(jī)器人手腕由哪些部分組成，在工作中起什么作用呢?工業(yè)機(jī)器人手腕的工作原理是什么呢?工業(yè)機(jī)器人的手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。因此，它具有獨(dú)立的自由度，以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)，通常由2個(gè)或3個(gè)自由度組成。例如，設(shè)想用機(jī)器人的手部夾持一個(gè)螺釘對(duì)準(zhǔn)螺孔擰入，首先必須使螺釘前端到達(dá)螺孔入口，然后必須使螺釘?shù)妮S線對(duì)準(zhǔn)螺孔的軸線，使軸線相重合后擰入。這就需要調(diào)整螺釘?shù)姆轿唤牵罢呒词植康奈恢?，后者即手部的姿態(tài)。如圖所示是一個(gè)3自由度機(jī)器人手腕的典型配置，組成這3個(gè)自由度的3個(gè)關(guān)節(jié)分別被定義如下：扭轉(zhuǎn)(Roll)應(yīng)用一個(gè)T形關(guān)節(jié)完成相對(duì)于機(jī)器人手臂軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)俯仰(Pitch)應(yīng)用一個(gè)R形關(guān)節(jié)完成上下旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)偏擺(Yaw)應(yīng)用一個(gè)R形關(guān)節(jié)完成左右旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)典型的工業(yè)機(jī)器人手腕值得注意的是，SCARA機(jī)器人是唯一不需要安裝手腕的機(jī)器人，而其他機(jī)器人的手腕幾乎總是由R形和T形關(guān)節(jié)配置組成的。為了完整表示工業(yè)機(jī)器人的手臂及手腕結(jié)構(gòu)，有時(shí)采用“手臂關(guān)節(jié):手腕關(guān)節(jié)”的符號(hào)化形式來對(duì)其進(jìn)行表示。扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(T)線性關(guān)節(jié)(L)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(R)TLRTR扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(T)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(R)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3個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)3個(gè)自由度。這3個(gè)回轉(zhuǎn)方向又分別稱為臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)、腕擺，如圖所示。腕部的自由度腕部是安裝在臂部的小臂上的，因此腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足傳動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，避免干涉，具有合理的自由度。1、臂轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)是指腕部繞小臂軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，又稱為腕部旋轉(zhuǎn)。通常，把臂轉(zhuǎn)叫做Roll，用R表示。有些機(jī)器人限制其腕部轉(zhuǎn)動(dòng)角小于360°。另一些機(jī)器人則僅僅受到控制電纜纏繞圈數(shù)的限制，腕部可以轉(zhuǎn)幾圈。按腕部轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)的不同，用于腕部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)又可細(xì)分為滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)兩種。1）滾轉(zhuǎn)指組成關(guān)節(jié)的兩個(gè)零件自身的幾何回轉(zhuǎn)中心和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸線重合，能實(shí)現(xiàn)360°無障礙旋轉(zhuǎn)，通常用R來標(biāo)記2）彎轉(zhuǎn)指兩個(gè)零件的幾何回轉(zhuǎn)中心和其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸線垂直的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，其相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度一般小于360°，通常用B來標(biāo)記腕擺是指腕部的上下擺動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱為俯仰，又稱為腕部彎曲，通常把腕擺叫做Pitch,用P表示。2、腕擺手轉(zhuǎn)指機(jī)器人腕部水平擺動(dòng)，通常把手轉(zhuǎn)叫做Yaw,用Y表示。3、手?jǐn)[腕部結(jié)構(gòu)多為上述三個(gè)回轉(zhuǎn)方式的組合，組合的方式可以有多種形式，常用的腕部組合的方式有臂轉(zhuǎn)-腕擺-手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，臂轉(zhuǎn)-雙腕擺-手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等，如圖所示。（a）轉(zhuǎn)-腕擺-手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

（b）臂轉(zhuǎn)-雙腕擺-手轉(zhuǎn)腕部的組合方式腕爪腕爪臂腕部根據(jù)實(shí)際使用的工作要求和機(jī)器人的工作性能來確定自由度，腕部按自由度數(shù)目來分類，可分為單自由度腕部、二自由度腕部和三自由度腕部。單自由度腕部二自由度腕部三自由度腕部1、按自由度數(shù)目來分類單一的手轉(zhuǎn)功能腕部關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直單一的臂轉(zhuǎn)功能腕部關(guān)節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線其回轉(zhuǎn)角度不受結(jié)構(gòu)限制，可以回轉(zhuǎn)360°以上該運(yùn)動(dòng)用滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(R關(guān)節(jié))實(shí)現(xiàn)單一的側(cè)擺功能腕部關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線在另一個(gè)方向上相互垂直兩者回轉(zhuǎn)角度都受結(jié)構(gòu)限制，通常小于360該兩者運(yùn)動(dòng)用彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(B關(guān)節(jié))實(shí)現(xiàn)單一的平移功能腕部關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線在一個(gè)方向上成一平面不能轉(zhuǎn)動(dòng)只能平移該運(yùn)動(dòng)用平移關(guān)節(jié)(T關(guān)節(jié))實(shí)現(xiàn)BR關(guān)節(jié)由一個(gè)滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成BB關(guān)節(jié)由兩個(gè)彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成RR關(guān)節(jié)因?yàn)閮蓚€(gè)滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只能起到單自由度的作用BBR腕部

使手部具有俯仰偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)RRR腕部三個(gè)R關(guān)節(jié)不能共軸線BBB腕部它已經(jīng)退化為二自由度腕部在實(shí)際中是不被采用的BRR腕部為了不使自由度退化第一個(gè)R關(guān)節(jié)必須偏置三自由度腕部可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成多種形式，實(shí)現(xiàn)臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)和腕擺功能。事實(shí)證明，三自由度腕部能使手部取得空間任何姿態(tài)。此外，B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同，也會(huì)產(chǎn)生不同的效果，因而也產(chǎn)生了其他形式的三自由度腕部。腕部實(shí)際所需要的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來確定。在有些情況下，腕部具有兩個(gè)自由度，即翻轉(zhuǎn)和俯仰或翻轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)，一些專用機(jī)械手甚至沒有腕部，但有些腕部為了滿足特殊要求還有橫向移動(dòng)自由度。如圖所示為3自由度手腕的結(jié)合方式示意圖。自由度手腕的結(jié)合方式示意圖安川HP20工業(yè)機(jī)器人的腕部結(jié)構(gòu)形式（RBR）PUMA262機(jī)器人的手腕采用的是RRR結(jié)構(gòu)形式，安川HP20工業(yè)機(jī)器人的手腕采用的是RBR結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。BRR2、按驅(qū)動(dòng)方式來分類按驅(qū)動(dòng)方式的不同，手腕結(jié)構(gòu)又可以分為液壓(汽)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)兩種。液壓(汽)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)如圖所示，直接用回轉(zhuǎn)液壓(汽)缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)壓力油從右進(jìn)油孔7進(jìn)入液壓缸右腔時(shí)，便推動(dòng)回轉(zhuǎn)葉片11和回轉(zhuǎn)軸10一起繞軸線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)壓力油從左進(jìn)油孔5進(jìn)入液壓缸左腔時(shí)，便推動(dòng)轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針回轉(zhuǎn)；由于手部和回轉(zhuǎn)軸10連成一個(gè)整體，故回轉(zhuǎn)角度極限值由動(dòng)片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來確定，圖示液壓缸可以回轉(zhuǎn)+90°和-90°。（1）液壓(汽)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)（2）機(jī)械傳動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)如圖所示為三自由度的機(jī)械傳動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，是個(gè)具有三根輸入軸的差動(dòng)輪系。腕部旋轉(zhuǎn)使得附加的腕部結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。從運(yùn)動(dòng)分析的角度看，這是一種比較理想的三自由度腕，這種腕部可使手運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)性廣。目前，它已成功地用于點(diǎn)焊、噴漆等通用機(jī)器人上。三自由度的機(jī)械傳動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足傳動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、避免干涉的要求。在用機(jī)器人進(jìn)行精密裝配作業(yè)中，當(dāng)被裝配零件不一致，工件的定位夾具、機(jī)器人定位精度不能滿足裝配要求時(shí)，裝配將非常困難，這就提出了柔順性概念。柔順裝配技術(shù)有以下兩種。從檢測(cè)、控制的角度采取各種不同的搜索方法，實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配從機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度在手腕部配置一個(gè)柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的要求柔順裝配技術(shù)如圖所示是具有水平移動(dòng)和擺動(dòng)功能的浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順手腕。水平移動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上的浮動(dòng)；擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由上、下球面和彈簧構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的擺動(dòng)。移動(dòng)擺動(dòng)柔順手腕中空固定件螺絲彈簧彈簧工件鋼球機(jī)械手上部浮動(dòng)件下部浮動(dòng)件在裝配作業(yè)中，如遇夾具定位不準(zhǔn)或機(jī)器人手爪定位不準(zhǔn)，可自行校正。其動(dòng)作過程如圖所示，在插入裝配中，工件在局部被卡住時(shí)會(huì)受到阻力，促使柔順手腕起作用，使手爪有一個(gè)微小的修正量。柔順手腕動(dòng)作過程工件本節(jié)導(dǎo)入說到手臂，我們首先會(huì)想到人的手臂，在講述機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)之前，大家先來想想人的手臂所處的位置以及作用，再推想一下機(jī)器人的手臂所處的位置及其作用。那么工業(yè)機(jī)器人手臂由哪些部分組成，在工作中起什么作用呢?工業(yè)機(jī)器人手臂的工作原理是什么呢?機(jī)器人手臂是連接機(jī)身和手腕的部件，它的主要作用是確定末端執(zhí)行器的空間位置。滿足機(jī)器人的作業(yè)空間要求，并將各種載荷傳遞到機(jī)座。驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)（最為通用）自由度有3個(gè)，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)作用支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)組成大臂、小臂(或多臂)包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐連接和位置檢測(cè)元件等執(zhí)行部件重量大，受力復(fù)雜在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的動(dòng)、靜載荷，特別是高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生較大的慣性力，引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性2~3個(gè)自由度即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰(或升降)，而專用機(jī)械手的臂部一般有1~2個(gè)自由度，為伸縮、回轉(zhuǎn)和直行安裝在機(jī)身上1、2、3、工業(yè)機(jī)器人的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身上手臂的結(jié)構(gòu)、靈活性、抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影響機(jī)器人的工作性能。臂部按運(yùn)動(dòng)和布局、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置可分為以下四種臂部結(jié)構(gòu)類型。類型伸縮型臂部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部驅(qū)伸型臂部結(jié)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)臂部按手臂的結(jié)構(gòu)形式，可分為單臂式臂部結(jié)構(gòu)、雙臂式臂部結(jié)構(gòu)和懸掛式臂部結(jié)構(gòu)等三類。如圖所示為手臂的三種結(jié)構(gòu)形式。懸掛式臂部結(jié)構(gòu)雙臂式臂部結(jié)構(gòu)單臂式臂部結(jié)構(gòu)臂部按手臂的運(yùn)動(dòng)形式，可分為直線運(yùn)動(dòng)型臂部結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型臂部結(jié)構(gòu)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)型臂部結(jié)構(gòu)等三類。復(fù)合運(yùn)動(dòng)是指直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合兩直線運(yùn)動(dòng)的組合，兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是指手臂的左右回轉(zhuǎn)上下擺動(dòng)(即俯仰)直線運(yùn)動(dòng)是指手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動(dòng)機(jī)器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式較多，常用的有活塞液壓(氣)缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等。雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)如圖所示。1、手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1—雙作用液壓缸；2-活塞桿；3—導(dǎo)向桿；4—導(dǎo)向套；5—支承座；6—手腕回轉(zhuǎn)缸；7-手部雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞液壓缸與連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用較鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接，如圖所示。2、手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（a）示意圖一

（b）示意圖二手臂俯仰驅(qū)動(dòng)缸安裝示意圖鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)手臂俯仰的結(jié)構(gòu)示意圖1—手臂；2-夾緊缸；3—升降缸；4—小臂；5、7—鉸接活塞缸；6—大臂；7-立柱采用鉸鏈活塞缸5、7和連桿機(jī)構(gòu)，使小臂4相對(duì)于大臂6和大臂6相對(duì)于立柱8實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)3、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)、連桿機(jī)構(gòu)。下面以齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)為例來說明手臂的回轉(zhuǎn)。齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)移動(dòng)，帶動(dòng)與手臂連接的齒輪做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)齒條往復(fù)移動(dòng)的活塞缸可以由壓力油或壓縮氣體驅(qū)動(dòng)。手臂升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)1—活塞桿；2-升降缸體；3—導(dǎo)向套；4—齒輪；5—連接蓋；6-機(jī)座；7-齒條；8-連接板；手臂升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖所示?；钊簤焊變汕环謩e進(jìn)壓力油，推動(dòng)齒條活塞做往復(fù)移動(dòng)(見A-A剖面)，與齒條7嚙合的齒輪4即做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于齒輪4、手臂升降缸體2、連接板8均用螺釘連接成一體，連接板又與手臂固連，從而實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。升降液壓缸的活塞桿通過連接蓋5與機(jī)座6連接而固定不動(dòng)，缸體2沿導(dǎo)向套做上下移動(dòng)，因升降液壓缸外部裝有導(dǎo)向套，故剛性好、傳動(dòng)平穩(wěn)。4、手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多用于動(dòng)作程序固定不變的專用機(jī)器人，它不僅使機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并使機(jī)器人傳動(dòng)準(zhǔn)確、工作可靠，因而在生產(chǎn)中應(yīng)用得比較多。除手臂實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)外，手腕和手臂的運(yùn)動(dòng)也能組成復(fù)合運(yùn)動(dòng)。按照手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡或手臂和手腕的動(dòng)作要求手臂(或手腕)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)如活塞缸、回轉(zhuǎn)缸、齒條活塞缸等動(dòng)力部件如凹槽機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等常用機(jī)構(gòu)組合本節(jié)導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人必須有一個(gè)便于安裝的基礎(chǔ)件基座。機(jī)座往往與機(jī)身做成一體，機(jī)身與臂部相連，機(jī)身支承臂部，臂部又支撐腕部和手部。那么機(jī)器人有哪些典型機(jī)身結(jié)構(gòu)呢？機(jī)器人機(jī)身與臂部之間如何配置呢？下面我們就來學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的機(jī)身(或稱立柱)是直接連接、支撐和傳動(dòng)手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件，實(shí)現(xiàn)臂部各種運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)件一般都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的受力越復(fù)雜。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、使用條件、載荷能力各不相同，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。機(jī)身直接連接在地面基礎(chǔ)上固定式機(jī)身則安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上行走式—機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)一般由機(jī)器人總體設(shè)計(jì)確定—關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人把回轉(zhuǎn)自由度歸屬于機(jī)身圓柱坐標(biāo)機(jī)器人把回轉(zhuǎn)與升降這兩個(gè)自由度歸屬于機(jī)身直角坐機(jī)器人把升降或水平移動(dòng)自由度歸屬于機(jī)身球坐標(biāo)機(jī)器人把回轉(zhuǎn)與俯仰這兩個(gè)自由度歸屬于機(jī)身1、回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身特征鏈條鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)身回轉(zhuǎn)的原理圖2、回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。一般采用活塞油（氣）缸與連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接，如圖所示。（a）示意圖一

（b）示意圖二手臂俯仰驅(qū)動(dòng)缸安裝示意圖機(jī)身和臂部的配置形式基本上反映了機(jī)器人的總體布局。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求、工作對(duì)象、作業(yè)環(huán)境和場(chǎng)地等因素的不同，出現(xiàn)了各種不同的配置形式。目前常用的有橫梁式、立柱式、機(jī)座式、屈伸式等幾種。橫梁式立柱式機(jī)座式屈伸式配置形式機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式大多為移動(dòng)式的。它具有占地面積小、能有效利用空間、直觀等優(yōu)點(diǎn)。橫梁可設(shè)計(jì)成固定的或行走的，一般橫梁安裝在廠房原有建筑的柱梁或有關(guān)設(shè)備上，也可從地面架設(shè)。1、橫梁式橫梁式機(jī)身立柱式機(jī)器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運(yùn)動(dòng)形式，是一種常見的配置形式。一般臂部都可在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，具有占地面積小、工作范圍大的特點(diǎn)。立柱可固定安裝在空地上，也可以固定在床身上。立柱式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，服務(wù)于某種主機(jī)，承擔(dān)上、下料或轉(zhuǎn)運(yùn)等工作。2、立柱式立柱式機(jī)身機(jī)身設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這種機(jī)器人可以是獨(dú)立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可以隨意安放和搬動(dòng)。也可以具有行走機(jī)構(gòu)，如沿地面上的專用軌道移動(dòng)，以擴(kuò)大其活動(dòng)范圍。各種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)身均可設(shè)計(jì)成機(jī)座式的。3、機(jī)座式屈伸式機(jī)身屈伸式機(jī)器人的臂部由大小臂組成，大小臂間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱為屈伸臂。屈伸臂與機(jī)身間的配置形式關(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，也可以做空間運(yùn)動(dòng)，如圖所示。4、屈伸式屈伸式機(jī)身本節(jié)導(dǎo)入說到行走機(jī)構(gòu)，我們首先會(huì)想到人的兩條腿和腳，在講述工業(yè)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)之前，大家先來想想人的腿和腳所處的位置以及作用，再推想一下機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)所處的位置及其作用。那么工業(yè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)由哪些部分組成，在工作中起什么作用?又有哪些分類呢?大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是固定的，還有少部分可以沿著固定軌道移動(dòng)，但隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，以及海洋開發(fā)、原子能工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，具有一定智能的可移動(dòng)機(jī)器人將是未來機(jī)器人的發(fā)展方向之一，并會(huì)得到廣泛應(yīng)用。行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件組成驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件、傳感器、電纜及管路等作用一方面它支撐機(jī)器人的機(jī)身、臂部和手部，因而必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性另一方面它還要根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，帶動(dòng)機(jī)器人在更廣闊的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)1、可以移動(dòng)；2、自行新定位；3、自身可平衡；4、有足夠的強(qiáng)度和剛度運(yùn)動(dòng)軌跡固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)主要用于工業(yè)機(jī)器人如橫梁式機(jī)器人無固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)足式行走機(jī)構(gòu)履帶式行走機(jī)構(gòu)車輪式行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

特點(diǎn)一般室內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人多采用車輪式行走機(jī)構(gòu)室外的工業(yè)機(jī)器人多采用履帶式行走機(jī)構(gòu)仿生機(jī)器人采用相應(yīng)的行走機(jī)構(gòu)輪式行走機(jī)構(gòu)效率最高足式行走機(jī)構(gòu)能力強(qiáng)分類固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)固定軌跡式工業(yè)機(jī)人的機(jī)身底座安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人沿絲桿縱向移動(dòng)。這類機(jī)器人采用這種直線驅(qū)動(dòng)方式外，有時(shí)也采用類似起重機(jī)梁行走方式等。這種工業(yè)機(jī)器人主要用在作業(yè)區(qū)域大的場(chǎng)合，比如大型設(shè)備裝配、大面積噴涂等。一般而言，無固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)主要有車輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)、足式行走機(jī)構(gòu)。此外，還有適用于各種特殊的場(chǎng)合的步行式行走機(jī)構(gòu)，蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)、混合式行走機(jī)構(gòu)和蛇形行走機(jī)構(gòu)等，下面主要介紹車輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)。車輪式行走機(jī)構(gòu)履帶式行走機(jī)構(gòu)足式行走機(jī)構(gòu)1、車輪式行走機(jī)構(gòu)車輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對(duì)平坦的地面上，用車輪移動(dòng)方式行走是相當(dāng)優(yōu)越的。傳統(tǒng)車輪適合于平坦堅(jiān)硬的路面半球形球輪為火星表面開發(fā)充氣球輪適合于沙丘地形無緣輪車輪的一種變形用來爬越階梯和在水田中行駛車輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運(yùn)行的多采用實(shí)心剛輪，室外路面行駛多采用充氣輪胎，室內(nèi)地面上的可采用實(shí)心輪胎。（1）車輪的形式（2）車輪的配置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三輪車輪配置方式后輪用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前輪為小腳輪構(gòu)成輔助輪前輪驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向兩后輪為從動(dòng)輪后輪通過差動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向火星探測(cè)用小漫游車四輪行走機(jī)構(gòu)也是一種常用的配置形式。普通車輪行走機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇不平的地面適應(yīng)性很差，為了提高輪式車輪的地面適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)了越障輪式機(jī)構(gòu)，這種行走機(jī)構(gòu)往往是多輪式行走機(jī)構(gòu)，如圖所示的火星探測(cè)用小漫游車。如圖所示是一種感應(yīng)引導(dǎo)的車輪式行走機(jī)器人。如此配置的行走機(jī)器人可用作機(jī)床上、下料，機(jī)床間工件或工具的傳送接收等。車輪式行走機(jī)器人是自動(dòng)化生產(chǎn)由單元生產(chǎn)向柔性生產(chǎn)線乃至無人車間發(fā)展的重要設(shè)備之一。車輪式行走機(jī)構(gòu)也是遙控機(jī)器人移動(dòng)的一種基本方式。感應(yīng)引導(dǎo)的車輪式行走機(jī)器人機(jī)器人的定位，用四輪構(gòu)成的車可通過控制各輪的轉(zhuǎn)向角來實(shí)現(xiàn)。自由度多，能簡(jiǎn)單設(shè)定機(jī)器人所需位置及方向的移動(dòng)車稱為全方位移動(dòng)車。如圖所示是表示全方位移動(dòng)車移動(dòng)方式的各車輪轉(zhuǎn)向角。全方位移動(dòng)車移動(dòng)方式（a）全方位方式

（b）轉(zhuǎn)彎方式

（c）旋轉(zhuǎn)方式

（d）制動(dòng)方式2、履帶式行走機(jī)構(gòu)履帶式行走機(jī)構(gòu)適合未建造的天然路面行走，是輪式行走機(jī)構(gòu)的擴(kuò)展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。履帶式行走機(jī)構(gòu)由履帶、驅(qū)動(dòng)鏈輪、支承輪、托帶輪和張緊輪(導(dǎo)向輪)組成。（1）履帶式行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)成履帶行走機(jī)構(gòu)履帶行走機(jī)構(gòu)的形狀有很多種，主要是一字形、倒梯形等。（b）倒梯形其好處是適合于穿越障礙由于減少泥土加入引起的磨損和失效可以調(diào)高驅(qū)動(dòng)輪和張緊輪壽命（a）一字形驅(qū)動(dòng)輪及張緊輪兼作支承輪增大支承地面面積，改善了穩(wěn)定性此時(shí)驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪只略微高于地面（2）履帶式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)①支承面積大，接地比壓小適合在松軟或泥溶場(chǎng)地進(jìn)行作業(yè)下陷度小，滾動(dòng)阻力?、谠揭皺C(jī)動(dòng)性好能在凹凸的地面上行走以及跨越障礙物③履帶支承面上有履齒不易打滑，牽引附著性能好缺點(diǎn)①?zèng)]有自定位輪及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)只能靠左右兩個(gè)履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎因此在橫向和前進(jìn)方面都會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)②轉(zhuǎn)彎阻力大不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑③結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大運(yùn)動(dòng)慣性大，減振功能差，零件易損壞3、足式行走機(jī)構(gòu)足式行走機(jī)構(gòu)有很大的適應(yīng)性，尤其在有障礙物的通道(如管道、臺(tái)階)或很難接近的工作場(chǎng)地更有優(yōu)越性；足式行走在不平地面或松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少。足式行走機(jī)器人足的數(shù)目多，適合于重載和慢速運(yùn)動(dòng)。雙足和四足具有最好的適應(yīng)性和靈活性，接近人類和動(dòng)物。如圖所示顯示了單足、雙足、三足、四足和六足行走機(jī)構(gòu)。（1）足的數(shù)目足數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)的能力靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力高速靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走的能力用自由度數(shù)衡量的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性1無無無有最好2無無無有最好3好無無最好好4最好好有最好好5最好最好好最好好6最好最好最好好一般7最好最好最好好一般8最好最好最好好一般靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力無無無好最好最好最好最好高速靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力無無無有好最好最好最好動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走的能力有有最好最好最好好好好用自由度數(shù)衡量的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性最好最好好好好一般一般一般足數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)的能力靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力高速靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走的能力用自由度數(shù)衡量的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性1無無無有最好2無無無有最好3好無無最好好4最好好有最好好5最好最好好最好好6最好最好最好好一般7最好最好最好好一般8最好最好最好好一般保持穩(wěn)定狀態(tài)的能力無無好最好最好最好最好最好—不同足數(shù)的行走機(jī)器人的主要性能指標(biāo)對(duì)比表—足的配置是指足相對(duì)于機(jī)體的位置和方位的安排。在假設(shè)足的配置為對(duì)稱的前提下，四足或多于四足的配置可能有兩種：一種是正向?qū)ΨQ分布，另一種為前后向?qū)ΨQ分布。（2）足的配置足的主平面安排（b）前后向?qū)ΨQ分布即腿平面和行走方向一致(a)正向?qū)ΨQ分布即腿的主平面于行走方向垂直足的幾何構(gòu)形（a）哺乳動(dòng)物形

（b）爬行動(dòng)物形

（c）昆蟲形（a）內(nèi)側(cè)相對(duì)彎曲

（b）外側(cè)相對(duì)彎曲

（c）同側(cè)彎曲足的相對(duì)方位足式行走機(jī)構(gòu)按其行走時(shí)保持平衡方式的不同可分為兩類：靜態(tài)穩(wěn)定的多足機(jī)構(gòu)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的多足機(jī)構(gòu)。（3）足式行走機(jī)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性②動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的多足機(jī)構(gòu)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中，機(jī)體重心有時(shí)不在支承圖形中，利用這種重心超出面積外而向前產(chǎn)生傾倒的分力作為行走的動(dòng)力，并不停地調(diào)整平衡點(diǎn)以保證不會(huì)跌倒。①靜態(tài)穩(wěn)定的多足機(jī)構(gòu)機(jī)器人機(jī)身的穩(wěn)定通過足夠數(shù)量的足支承來保證。在行走過程中、機(jī)身重心的垂直投影始終落在支承足著落地點(diǎn)的垂直投影所形成的凸多邊形內(nèi)。本節(jié)導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源通過傳動(dòng)部件來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身、手臂和手腕的運(yùn)動(dòng)。因此，傳動(dòng)部件是構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人的重要部件。那么，工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有哪些，它們的工作原理又是如何呢？驅(qū)動(dòng)裝置的受控運(yùn)動(dòng)必須通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)機(jī)械臂產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，以精確的保證末端執(zhí)行器所要求的位置、姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。目前工業(yè)機(jī)器人廣泛采用的機(jī)械傳動(dòng)裝置是減速器。RV減速器放置在機(jī)身、腰部、大臂等重負(fù)載位置主要用于20kg以上的機(jī)器人關(guān)節(jié)諧波減速器放置在小臂、腰部和手部等輕負(fù)載位置主要用于20kg以下的機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器（精密減速器）特點(diǎn)：傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等作用：使機(jī)器人伺服電動(dòng)機(jī)在一個(gè)合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)

并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人各部分需要的速度

在提高機(jī)械本體剛性的同時(shí)輸出更大的轉(zhuǎn)矩分類：RV減速器和諧波減速器2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)此外，機(jī)器人還采用軸承傳動(dòng)、絲桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈條(帶)傳動(dòng)、繩傳動(dòng)等。軸承傳動(dòng)絲桿傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)鏈條(帶)傳動(dòng)繩傳動(dòng)2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)1、軸承傳動(dòng)軸承是支承元件，主要功能是支承機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，用以降低設(shè)備在傳動(dòng)過程中的機(jī)械載荷摩擦系數(shù)。工業(yè)機(jī)器人的軸承是其關(guān)鍵配套件之一，最適用于工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位或者旋轉(zhuǎn)部位。等截面薄壁軸承和交叉圓柱滾子軸承是工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用中較為主要的兩大類。可承受軸向、徑向、傾覆等方向綜合載荷高回轉(zhuǎn)定位精度薄壁型軸承工業(yè)機(jī)器人軸承特點(diǎn)2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖所示交叉滾子軸承，是圓柱滾子或圓錐滾子在呈90°的V形溝槽滾動(dòng)面上通過隔離塊被相互垂直地排列，可承受徑向負(fù)荷、軸向負(fù)荷及力矩負(fù)荷等多方向的負(fù)荷。內(nèi)外圈尺寸被小型化，具有高鋼性，且精度可達(dá)到P5、P4、P2級(jí)，因此適合于工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部和旋轉(zhuǎn)部。（1）交叉滾子軸承交叉滾子軸承2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)具有出色的旋轉(zhuǎn)精度內(nèi)外環(huán)是分割的結(jié)構(gòu)，間隙可調(diào)整，即使

被施加預(yù)壓，也能獲得高精度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)操作安裝簡(jiǎn)化分割的內(nèi)外環(huán)，在裝入滾子和保持器后，被固定在一起，所以安裝時(shí)操作非常簡(jiǎn)單承受較大的軸向和徑向負(fù)荷滾子在呈90°的V型溝槽滾動(dòng)面上通過間隔保持器被相互垂直排列，可承受較大的負(fù)荷大幅節(jié)省安裝空間內(nèi)外環(huán)尺寸被最小限度的小型化，特別是超薄結(jié)構(gòu)接近極限的小型尺寸，并具有高剛性交叉滾子軸承特點(diǎn)2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)等截面薄壁軸承又叫薄壁套圈軸承，如圖所示，它精度高、非常安靜以及承載能力很強(qiáng)。等截面薄壁軸承可以是深溝球軸承、四點(diǎn)接觸軸承、角接觸球軸承，大多為正方形。在這些系列中，即使是更大的軸直徑和軸承孔，橫截面也保持不變，因此稱為等截面。（2）等截面薄壁軸承等截面薄壁軸承小外徑鋼球得到了低摩擦扭矩、高剛性、良好的回轉(zhuǎn)精度中空軸確保了輕量化和配線的空間極薄型的軸承斷面實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化、輕量化2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)2、絲桿傳動(dòng)絲杠傳動(dòng)有滑動(dòng)式、滾珠式和靜壓式等。機(jī)器人傳動(dòng)用的絲杠具備結(jié)構(gòu)緊湊、間隙小和傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。滾珠絲杠傳動(dòng)效率、傳動(dòng)精度和定位精度均很高傳動(dòng)時(shí)靈敏度和平穩(wěn)性也很好磨損小，使用壽命比較長(zhǎng)但是成本較高滑動(dòng)式絲杠螺母機(jī)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)無噪聲，能自鎖可用較小的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩獲得較大的牽引力但是傳動(dòng)效率低2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)1—絲杠；2-螺母；3—滾珠；4—回路管道滾珠絲桿的基本組成如圖所示為滾珠絲杠的基本組成。導(dǎo)向槽連接螺母的第一圈和最后兩圈，使其形成滾動(dòng)體可以連續(xù)循環(huán)的導(dǎo)槽。滾珠絲杠在工業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用比滾柱絲杠多，因?yàn)楹笳呓Y(jié)構(gòu)尺寸大(徑向和軸向)，傳動(dòng)效率低。2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)1—電動(dòng)機(jī)；2-蝸桿；3—臂架；4—絲桿5-蝸輪；6—箱體；7—花鍵套絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)如圖所示為采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)的手臂升降機(jī)構(gòu)。由電動(dòng)機(jī)1帶動(dòng)蝸桿2使渦輪5回轉(zhuǎn)，依靠渦輪內(nèi)孔的螺紋帶動(dòng)絲杠4作升降運(yùn)動(dòng)。為了防止絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，在絲杠上端銑有花鍵與固定在箱體6上的花鍵套7組成導(dǎo)向裝置。2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)3、行星齒輪傳動(dòng)如圖所示為行星齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。行星齒輪傳動(dòng)尺寸小，慣量低；一級(jí)傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊；載荷分布在若干個(gè)行星齒輪上，內(nèi)齒輪也具有較高的承載能力。行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)4、諧波齒輪傳動(dòng)同行星齒輪傳動(dòng)一樣，諧波齒輪傳動(dòng)(簡(jiǎn)稱諧波傳動(dòng))通常由3個(gè)基本構(gòu)件組成，包括一個(gè)有內(nèi)齒的剛輪，一個(gè)帶有外齒的柔輪和一個(gè)波發(fā)生器，如圖所示。在這3個(gè)基本構(gòu)件中任意固定一個(gè)，其余一個(gè)為主動(dòng)件另一個(gè)為從動(dòng)件(如剛輪固定不變，波發(fā)生器為主動(dòng)件，柔輪為從動(dòng)件）。諧波齒輪的結(jié)構(gòu)2.6工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)（1）波發(fā)生器波發(fā)生器與輸入軸相連，它由一個(gè)橢圓形凸輪和一個(gè)薄壁的柔性軸承組成。對(duì)柔性齒圈的變形起產(chǎn)生和控制作用（2）柔輪柔輪有薄壁杯形、薄壁圓筒形或平嵌式等多種。薄壁圓形柔輪的開口端外面有齒圈，它隨波發(fā)生器的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生徑向彈性變形，筒底部分與輸出軸連接。（3）剛輪剛輪是一個(gè)剛性的內(nèi)齒輪，雙波諧波傳動(dòng)的剛輪通常比柔輪多兩齒。諧波齒輪減速器多以剛輪固定，外部與箱體連接。

諧

波

齒

輪

的

結(jié)

構(gòu)