工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)

第1章緒論

1.1選題背景

機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件

功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的

一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)

用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)

新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)

與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類(lèi)完成危險(xiǎn)、重復(fù)

枯燥的工作，減輕人類(lèi)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越

廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件

的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。

目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC

中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工

系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的

工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性

生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷(xiāo)對(duì)路的品種，提高

產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人

技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)

業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平

的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械

手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。

1.2設(shè)計(jì)目的

本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)大學(xué)本科四年的所

學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料

機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)畢

業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專(zhuān)業(yè)精神和態(tài)度，具有較

強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

目前'在國(guó)內(nèi)很多工廠(chǎng)的生產(chǎn)線(xiàn)上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工

完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率，降

低成本，并使生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn),

針對(duì)具體生產(chǎn)工藝，利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替人

工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

本機(jī)械手主要與數(shù)控車(chē)床（數(shù)控銃床，加工中心等）組合最終

形成生產(chǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人

化。目前，我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來(lái)越多的資金流向制造

業(yè)，越來(lái)越多的廠(chǎng)商加入到制造業(yè)。木設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠(chǎng)車(chē)

間，滿(mǎn)足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過(guò)程安裝、卸載加工工件的

要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率

和生產(chǎn)力。

1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)

目前，在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，

其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下：

A.機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服

電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重

組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。

B.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，

便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用

模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

C.機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、

加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感

器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融

合技術(shù)來(lái)進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人

的關(guān)鍵技術(shù)。

D.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門(mén)式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、

通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開(kāi)發(fā)，柔性仿

形復(fù)合機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；

E.焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、

通用化、模塊化、系列化研究；以及離線(xiàn)示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。

總的來(lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的智能化，多傳感

器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與

生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿(mǎn)足相對(duì)具體的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性

價(jià)比高的模塊，在滿(mǎn)足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、

可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。

1.4設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)之前，必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原

則是：以任務(wù)書(shū)所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮

機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿(mǎn)足工藝要求的基礎(chǔ)

上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配

件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿(mǎn)足生產(chǎn)要求

的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間

所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原埋、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控

制、傳感器、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系

統(tǒng)仿真等知識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)

大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間

的客觀(guān)實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本

次設(shè)計(jì)。

第2章設(shè)計(jì)方案的論證

2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

2.1.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)型

工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，

球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別

介紹如下。

1.直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)

現(xiàn)的，如圖a2-l.o由于直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，

直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（um級(jí)）。但是，這種

直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小

的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸

要比其他類(lèi)型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。

原點(diǎn)

位置

未加工已加工

工件工件

工件運(yùn)輸托盤(pán)

機(jī)械手工作布局圖

圖2-2

具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG,

且長(zhǎng)度達(dá)500MM,同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手

的具體要求，考慮在滿(mǎn)足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，

以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng)，其中手

臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，綜

合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3,坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即

一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，手臂運(yùn)動(dòng)

范圍大，且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖2-2所示。

2.2機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、

手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.2.1機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)

型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)

動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)

器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則：

1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安

裝的穩(wěn)定性。

2.腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座

和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能

力。

3.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端

的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)

鏈的精度與剛度的保證。

4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、

液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，

以及制動(dòng)器。

5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有

可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)

構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。

6.為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，

一般腰部問(wèn)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而

不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。

2.2.2設(shè)計(jì)具體采用方案

腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是

通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)殡?/p>

動(dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓

系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)

械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用

大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存

在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳

動(dòng)比（大于100）,同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)

度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的

誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示：

腰回轉(zhuǎn)軸

圖2?3腰座結(jié)構(gòu)圖

2.3機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求

機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在

機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要

遵循下述原則；

1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行：相互垂直的軸應(yīng)

盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利

于機(jī)器人的控制，

2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間

的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的

關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)器人手腕的空間姿

態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端

可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。

3?為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手

臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕

手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料?，通常選用高強(qiáng)度鋁合金

制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造

機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ?/p>

比重相當(dāng)于鋼的1/4,相當(dāng)于鋁合金的2/3）,但是，其價(jià)格昂貴，且

在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能

在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)

器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕

機(jī)器人手臂的重量。

4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造

成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有_L作可靠、便于調(diào)整的軸承間

隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。

5.機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這

對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)、應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器

件與裝置的重量來(lái)減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)

平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。

6.機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開(kāi)關(guān)和具有一定緩

沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。

2.3.2設(shè)計(jì)具體采用方案

機(jī)械手的垂直手臂（大瞥）升降和水平手瞥（小臂）的伸縮運(yùn)

動(dòng)都為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。考慮到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加

工工件的質(zhì)量達(dá)30KG,屬中型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能

及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，

兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓

缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；

而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。

因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)

度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿(mǎn)足。

因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允

許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。

同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能

太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的缸徑來(lái)增大剛度，是不能滿(mǎn)足系統(tǒng)

剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩

個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛

度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)

桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度

和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題。

2.4機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的同轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端

執(zhí)行器在其，作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手

腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器

人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)

安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需

要的作業(yè)動(dòng)作。

2.4.1機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來(lái)設(shè)計(jì)。機(jī)器人手

腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活

性愈高，機(jī)器人對(duì)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，

也必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會(huì)增加。

因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)確定。在滿(mǎn)足作業(yè)

要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自

由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不

需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因

此，耍具體問(wèn)題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選

擇滿(mǎn)足要求的最簡(jiǎn)單的方案。

2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí),

應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的

重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手

臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。

3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法

蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。

4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)

的傳遞。

5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳

動(dòng)精度。

6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開(kāi)關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超

限造成機(jī)械損壞.

2.4.2設(shè)計(jì)具體采用方案

通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的

具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿(mǎn)足系統(tǒng)工藝要

求的前提卜.提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低

控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿(mǎn)足

作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕

（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-4。

水平液壓缸支承板

手臂手

聯(lián)結(jié)

爪

梁

圖2?4手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)

2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求

機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來(lái)進(jìn)行某種操作或

作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類(lèi)很多，以適應(yīng)機(jī)器人的

不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用

等。

搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)

的物體。

加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銃刀等加工工具的機(jī)

器人附加裝置，用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。

測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來(lái)進(jìn)

行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題；

1.機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)新

的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此,

根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，

將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總

和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重

量輕、結(jié)構(gòu)緊湊.

3.機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專(zhuān)用性是矛盾的。萬(wàn)能末端執(zhí)

行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)器人靈

巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

萬(wàn)能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開(kāi)

發(fā)各種專(zhuān)用的、高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的

快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬(wàn)能

的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜

且造價(jià)昂貴。

4?通用性和萬(wàn)能性是兩個(gè)概念，萬(wàn)能性是指一機(jī)多能，而通用

性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端

執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和

積木化。

5.機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。

用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行

機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要

增加電■液或電■氣變換環(huán)節(jié)）。

2.5.2機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式

機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指

手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來(lái)

分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。

機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種

1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來(lái)控制手爪的運(yùn)

動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格

較低，所以氣動(dòng)夾持器在，業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的

可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓

取動(dòng)作十分需要的。

2.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手

爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠

大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但

是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能

產(chǎn)生火花和發(fā)熱，

3.液壓驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位

置控制。

2.5.3機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu)

1.楔塊杠桿式手爪

利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。

2.滑槽式手爪

當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷(xiāo)子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)

作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)合行程較

大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。

3.連桿杠桿式手爪

這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）

運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。

通常與彈簧聯(lián)合使用。

4.齒輪齒條式手爪

這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的

夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。

5.平行杠桿式手爪

采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手

指保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。

2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案

結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活

塞往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張

開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照

_L件的直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示：

圖2?5機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖

2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.6.1工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

機(jī)器人是由多級(jí)聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)

動(dòng)器經(jīng)過(guò)各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類(lèi)似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳

動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影

響著機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇

滿(mǎn)足傳動(dòng)間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、

響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動(dòng)機(jī)等其它環(huán)

節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問(wèn)題：

1.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度，要求機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)

部件的重量要輕，慣量要小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)

緊湊，重量輕，體積小。

2.在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回

所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。

3.系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)摩擦力應(yīng)是盡可能

小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因

此，要采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、

滾動(dòng)導(dǎo)向支承等，

4,縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾

珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的

直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu);

絲杠的支承設(shè)計(jì)采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。

5.選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行

元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。

6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形等

措施。

7.適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越大，最

大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)

誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設(shè)計(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的

阻尼合適。

2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式

1.齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波

齒輪，擺線(xiàn)針輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。

機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題

(1)齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)部件

是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力

矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、

轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低

轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣

量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)

功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)(失

動(dòng)量)，若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)

產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡

量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來(lái)消除或減小嚙合間

隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)各級(jí)傳動(dòng)比的最佳分配原則。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減

速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對(duì)各級(jí)

傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配，原則如下：

a.輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精

度，各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加

工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對(duì)輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)

中各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為△耙穌，

則

△耙ax=Z她"伏〃)

1=1

(2-1)

式中：△以一…第2個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；

心而-----第左個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級(jí)輸出軸的傳動(dòng)比。

則四級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差(卜八卜歸、…、卜弧)

換算到末級(jí)輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為

△取二M\\△%+△裔1卜弧+A德］皿+△圾|岫

，llaXiW4，3,4，48

(2-2)

由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級(jí)齒輪的轉(zhuǎn)角誤差和傳動(dòng)比的

大小。因此，在設(shè)計(jì)中最末兩級(jí)的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高

其加工精度。

b.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則。利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換

算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級(jí)傳動(dòng)比也是按照“先小

后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊，

具體而言有幾點(diǎn)：

(1)對(duì)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按

最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來(lái)處理。

(2)對(duì)于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級(jí)傳動(dòng)比最好采用不可約

的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪音和振動(dòng)。

(3)對(duì)于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，

按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對(duì)于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)

齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開(kāi)始幾級(jí)就增速，并且要求每級(jí)增速比

最好大于1:3,以有利于增加輪系的剛度，減小傳動(dòng)誤差。

(4)對(duì)以比較大傳動(dòng)比傳動(dòng)的齒輪系，往往需要將定軸輪系和

行星輪系結(jié)合為混合輪系。對(duì)于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精

度與傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積小重量輕時(shí)?？蛇x用新型的諧

波齒輪傳動(dòng)。

2.諧波齒輪傳動(dòng)

諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大(幾十

到幾百)，傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力

強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)十分相似，它是依靠柔性齒輪

產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對(duì)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧

波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有木質(zhì)上的差別。

3.螺旋傳動(dòng)

螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線(xiàn)運(yùn)

動(dòng)或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如

螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)

給絲杠。

絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)摩

擦），前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是

摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30%~40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造

成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高

（92%?98%）,其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通過(guò)預(yù)緊，能消除間隙、

提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長(zhǎng)；而且同

步性好，使用可靠、潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。

由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，

須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以卜.幾項(xiàng)指標(biāo)：

（1）滾珠絲杠的精度等級(jí)；

（2）滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值；

（3）載荷條件（靜、動(dòng)載荷）以及載荷允許值；

（4）滾珠絲杠的工作壽命；

（5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速；

（6）滾珠絲杠的剛度；

減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母

與絲杠之間有一定的預(yù)加載荷。這樣可以消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)

精度與剛度。但是預(yù)加載荷會(huì)使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載

荷不應(yīng)超過(guò)工作載荷的l/3o

4.同步帶傳動(dòng)

同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的一種新

型傳動(dòng)，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過(guò)帶齒與

輪齒作嚙合傳動(dòng)。為保證帶和帶輪作無(wú)滑動(dòng)的同步傳動(dòng)，齒形帶采

用了承載后無(wú)彈性變形的高強(qiáng)力材料，無(wú)彈性滑動(dòng)，以保證節(jié)距不

變。同步帶具有傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好;

能吸振、噪聲低、不需要潤(rùn)滑；傳動(dòng)平穩(wěn)，能高速傳動(dòng)（可達(dá)40m/s）、

傳動(dòng)比可達(dá)10,結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故在機(jī)器人中使用很

多。其主要缺點(diǎn)是安裝精度要求高、中心距要求嚴(yán)格，同時(shí)具有一

定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。

5.鋼帶傳動(dòng)

鋼帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無(wú)間隙傳動(dòng)、

摩擦阻力大，無(wú)滑動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動(dòng)力

矩大、壽命長(zhǎng)，鋼帶無(wú)蠕變、傳動(dòng)效率高。

6.鏈傳動(dòng)

在機(jī)器人中鏈傳動(dòng)多用于腕傳動(dòng)上，為了減輕機(jī)器人末端的重

量，一般都將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于

電機(jī)距離被傳動(dòng)的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來(lái)傳動(dòng)。

7.鋼絲繩輪傳動(dòng)

鋼絲繩輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較

低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。

2.6.3設(shè)計(jì)具體采用方案

具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用了液壓缸作為機(jī)械手的水平手臂和垂

直手臂，由于液壓缸實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，它既是關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，又是動(dòng)力元

件。故不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這既簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)又提高了精度。

而機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須采用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)

減速和增大扭矩。經(jīng)分析比較，選擇圓柱齒輪傳動(dòng)，為了保證比較

高的精度，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差；同時(shí)大大增大扭矩，

同時(shí)較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。

這里只采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100）,齒輪采用

高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.7.1機(jī)器人各類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大

類(lèi)。根據(jù)需耍也可這三種基本類(lèi)型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三

類(lèi)基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。

1.液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或

力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合

于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。

但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制

多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液

體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。

2.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用

于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于

程序控制的機(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。

3.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)

器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系

統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方

便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其

他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)

器人中被廣泛的使用。

2.7.2工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則

設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機(jī)器人的用途、作業(yè)

要求、機(jī)器人的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功

耗、性?xún)r(jià)比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類(lèi)驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、

經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。一般情況下：

1.物料搬運(yùn)（包括上下料）使用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)

器人，重負(fù)荷的選擇液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，

輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。沖壓機(jī)器人多采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.用于點(diǎn)焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)器人，要求具有點(diǎn)位和軌跡

控制功能，需采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。只有采用液壓或電動(dòng)伺服系統(tǒng)才

能滿(mǎn)足要求。點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人多采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。重負(fù)荷的任

意點(diǎn)位控制的點(diǎn)焊及搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.7.3機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺(tái)機(jī)器人中應(yīng)用到現(xiàn)在，已在

工業(yè)機(jī)滯人中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，雖然在中等負(fù)荷以下的工

業(yè)機(jī)器人中大量采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但是在簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型、重型的工

業(yè)機(jī)器人和噴涂機(jī)器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。

液壓系統(tǒng)在機(jī)器人中所起的作用是通過(guò)電.液轉(zhuǎn)換元件把控制

信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置、和速度的控

制，進(jìn)而控制機(jī)器人手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多

數(shù)情況下采用直線(xiàn)液壓缸或擺動(dòng)馬達(dá)，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)用得很

少。在工業(yè)機(jī)器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為

多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性好，但是

效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性不如前者，但效率高。機(jī)器人液

壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類(lèi)。

1.程序控制機(jī)器人的液壓系統(tǒng)

這類(lèi)機(jī)器人屬非伺服控制的機(jī)器人，在只有簡(jiǎn)單搬運(yùn)作業(yè)功能

的機(jī)器人中，常常采用簡(jiǎn)易的邏輯控制裝置或可編程控制器對(duì)機(jī)器

人實(shí)現(xiàn)有限點(diǎn)位的控制。這類(lèi)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要重視以下方

面：

(1)液壓缸設(shè)計(jì)：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟

化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。

(2)定位點(diǎn)的緩沖與制動(dòng)：因?yàn)闄C(jī)器人手臂的運(yùn)