第6章工業(yè)機(jī)器人

1、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)第第6 6章章 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人26.16.26.36.4 概述概述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì) 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì) 本章分六個(gè)小節(jié)：本章分六個(gè)小節(jié)：6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6.6工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用3 6.1 概述概述 工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人的定義 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及檢測(cè)傳感裝置等構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的集成度非常高的機(jī)電一體化設(shè)備。對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義不同的國(guó)家有不同的看法。v 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的

2、定義是：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的定義是：“工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)的、工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來(lái)處理各種材料、零件、工有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)v我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的定義是：我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的定義是：“工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。工件或操持工具，用

3、以完成各種作業(yè)。4 6.1 概述概述工業(yè)機(jī)器人的組成和分類(lèi)工業(yè)機(jī)器人的組成和分類(lèi)v 工業(yè)機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人和作業(yè)對(duì)象及環(huán)境共同構(gòu)成的，包括三大部分六個(gè)系統(tǒng)，三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和控制、部分；六個(gè)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 。數(shù)據(jù)管理5 6.1 概述概述 （1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以直接驅(qū)動(dòng)或者通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。 （2）機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)身、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都

4、有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理末端操作器上 臂下 臂機(jī)身6 6.1 概述概述 （3）感受系統(tǒng) 感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。 （4）機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。 數(shù)據(jù)管理7 6.1 概述概述 （5）人機(jī)交互系統(tǒng) 人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制，與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端、指令控制臺(tái)、信息顯

5、示板、危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。歸納起來(lái)為兩大類(lèi)：指令給定裝置和信息顯示裝置。 （6）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。數(shù)據(jù)管理8 6.1 概述概述v 工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi) 工業(yè)機(jī)器人按機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為以下五類(lèi) ： （1）直角坐標(biāo)型機(jī)器人 直角坐標(biāo)型機(jī)器人由三個(gè)互相垂直的直線移動(dòng)關(guān)節(jié)分別作X向、Y向和Z向移動(dòng)組成。這三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)的復(fù)合就決定了機(jī)器人手部在工作空間內(nèi)的位置。這一結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)是各軸線位移分辨率在

6、操作容積內(nèi)任一點(diǎn)均為恒定，計(jì)算容易。9 6.1 概述概述 （2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人由一個(gè)升降直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)（軸向）、一個(gè)圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)（周向）和一個(gè)徑向直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成。這種結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)是終端效應(yīng)器可獲得較高速度，缺點(diǎn)是終端效應(yīng)器外伸離柱軸心愈遠(yuǎn)，其線位移分辨精度愈低。10 6.1 概述概述 （3）球坐標(biāo)型機(jī)器人 球坐標(biāo)型機(jī)器人也稱(chēng)為極坐標(biāo)型機(jī)器人，其由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別作為方位旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、俯仰旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和徑向直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組合而成。和圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)相比較，這種結(jié)構(gòu)更為靈活。11 6.1 概述概述 （4）垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人 垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人由一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)

7、作方位運(yùn)動(dòng)，加上由兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸線相平行且平行于水平面的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成一個(gè)能在垂直平面上作平面運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)，組合而成的多關(guān)節(jié)機(jī)器人。這種結(jié)構(gòu)占地面積小，操作容積較大，可獲得較高的末端執(zhí)行器線速度，且操作靈活性較好，能繞過(guò)障礙。12 6.1 概述概述 （5）水平多關(guān)節(jié)型機(jī)器人 水平多關(guān)節(jié)型機(jī)器人由兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸線垂直于水平面的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成一個(gè)能在水平面上作平面運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)，加上一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)作垂直升降運(yùn)動(dòng)組合而成的多關(guān)節(jié)機(jī)器人。這種機(jī)器人也稱(chēng)為SCARA機(jī)器人，主要用于裝配作業(yè)。13 6.1 概述概述 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 技術(shù)參數(shù)是機(jī)器人制造商在產(chǎn)品供貨時(shí)所提供的技術(shù)數(shù)

8、據(jù)。 （1）自由度 自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)行的數(shù)目，不包括末端操作器的開(kāi)合自由度。機(jī)器人的一個(gè)自由度對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)，所以自由度與關(guān)節(jié)的概念是相等的。自由度是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)，自由度越多越靈活，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，控制難度越大，所以機(jī)器人的自由度要根據(jù)其用途設(shè)計(jì)，一般在36個(gè)之間。數(shù)據(jù)管理14 6.1 概述概述 （2）定位精度和重復(fù)定位精度 定位精度和重復(fù)定位精度是機(jī)器人的兩個(gè)精度指標(biāo)。 定位精度是指機(jī)器人末端操作器的實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的偏差，由機(jī)械誤差、控制算法誤差與系統(tǒng)分辨率等部分組成。 重復(fù)定位精度是指在同一環(huán)境、同一條件、同一目標(biāo)動(dòng)作、同一命令之下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)

9、運(yùn)動(dòng)若干次時(shí)，其位置的分散情況，是關(guān)于精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因重復(fù)定位精度不受工作載荷變化的影響，通常用重復(fù)定位精度這一指標(biāo)作為衡量示教再現(xiàn)方式工業(yè)機(jī)器人水平的重要指標(biāo)。 數(shù)據(jù)管理15 6.1 概述概述 （3）工作空間 工作空間表示機(jī)器人的工作范圍，它是機(jī)器人運(yùn)行時(shí)手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也稱(chēng)為工作區(qū)域。由于末端操作器的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，工作空間是指不安裝末端操作器時(shí)的工作區(qū)域。16 6.1 概述概述 （4）最大工作速度 生產(chǎn)機(jī)器人的廠家不同，其所指的最大工作速度也有不同，有的廠家指工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，有的廠家指手臂末端最大的合成

10、速度，通常都會(huì)在技術(shù)參數(shù)中加以說(shuō)明。 （5）承載能力 承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。為保證安全起見(jiàn)，將承載能力這一技術(shù)指標(biāo)確定為高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。通常，承載能力不僅指負(fù)載質(zhì)量，且包括機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。 17 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳動(dòng)方式傳動(dòng)方式 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于把驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)傳遞到機(jī)器人的關(guān)節(jié)和動(dòng)作部分，傳動(dòng)可以通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)等形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 v 機(jī)械傳動(dòng) 機(jī)械傳動(dòng)是利用帶輪、齒輪、鏈輪、軸、蝸桿與蝸輪、螺母與螺桿等機(jī)械零件作為介質(zhì)來(lái)進(jìn)行功率和運(yùn)動(dòng)的傳遞，即采用帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)等裝置來(lái)進(jìn)行功

11、率和運(yùn)動(dòng)的傳遞。 數(shù)據(jù)管理18v 液壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng)是采用液壓元件，利用處于密封容積內(nèi)的液體（油或水）作為工作介質(zhì)，以其壓力進(jìn)行功率和運(yùn)動(dòng)的傳遞。v 氣壓傳動(dòng) 氣壓傳動(dòng)是采用氣動(dòng)元件，利用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，以其壓力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和功率的傳遞。v 電傳動(dòng) 電傳動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)直接或通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)19 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)器人采用的直線驅(qū)動(dòng)方式包括直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的x/y/z三個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng)，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。 v 螺旋傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)是利用由帶螺紋的零件構(gòu)成的螺旋副

12、將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)械傳動(dòng)方式，螺旋傳動(dòng)主要由螺桿、螺母和機(jī)架組成。螺旋機(jī)構(gòu)按螺旋副中的摩擦性質(zhì)，可分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋兩種類(lèi)型。數(shù)據(jù)管理20 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 滑動(dòng)螺旋的螺桿與螺母直接接觸，處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)?；瑒?dòng)螺旋具有以下特點(diǎn)：螺桿與螺母之間的摩擦大，易磨損，且傳動(dòng)效率低；可設(shè)計(jì)成自鎖特性的傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便。 若將螺旋副的內(nèi)、外螺紋改成內(nèi)、外螺旋狀的滾道，并在其間放入滾動(dòng)體，便是滾動(dòng)螺旋。 數(shù)據(jù)管理21v 液壓（氣壓）缸 液壓（氣壓）缸是將液壓泵（空氣壓縮機(jī)）輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，使用液壓（氣壓）缸可以很容易地實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)

13、。 液壓（氣壓）缸主要由缸筒、缸蓋、活塞、活塞桿和密封裝置等部件構(gòu)成，活塞和缸筒采用精密滑動(dòng)配合，壓力油（壓縮空氣）從液壓（氣壓）缸的一端進(jìn)入，把活塞推向液壓（氣壓）缸的另一端，從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)22 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 多數(shù)普通電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但其輸出力矩比所要求的力矩小，轉(zhuǎn)速比所要求的轉(zhuǎn)速高，因此需要采用皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)裝置或其他運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。有時(shí)也采用液壓缸或氣缸作為動(dòng)力源，這就需要把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 v 帶傳動(dòng) 帶傳動(dòng)是一種應(yīng)用很

14、廣泛的機(jī)械傳動(dòng)裝置，它是利用傳動(dòng)帶作為中間的撓性件，依靠傳動(dòng)帶與帶輪之間的摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 數(shù)據(jù)管理23 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)兩軸在空間的相互位置和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的不同，帶傳動(dòng)主要有開(kāi)口傳動(dòng)、交叉?zhèn)鲃?dòng)和半交叉?zhèn)鲃?dòng)三種傳動(dòng)形式。 （1）開(kāi)口傳動(dòng) 開(kāi)口傳動(dòng)用于兩軸平行并且旋轉(zhuǎn)方向相同的場(chǎng)合。兩軸保持平行，兩皮帶輪的中間平面應(yīng)重合。開(kāi)口傳動(dòng)的性能較好，可以傳遞較大的功率。數(shù)據(jù)管理24 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）交叉?zhèn)鲃?dòng) 交叉?zhèn)鲃?dòng)用于兩軸平行但旋轉(zhuǎn)方向相反的場(chǎng)合。由于交叉處皮帶有摩擦和扭轉(zhuǎn)，因此傳動(dòng)帶的壽命和載荷容量都較低，允許的工作速度也較小，線速度一般在11m/s

15、以下。 （3）半交叉?zhèn)鲃?dòng) 半交叉?zhèn)鲃?dòng)用于空間的兩交叉軸之間的傳動(dòng)，交角通常為90。傳動(dòng)帶在進(jìn)入主動(dòng)輪和從動(dòng)輪時(shí)，方向必須對(duì)準(zhǔn)該輪的中間平面，否則，傳動(dòng)帶會(huì)從帶輪上掉下來(lái)。25 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)傳動(dòng)原理，帶傳動(dòng)可分為摩擦型帶傳動(dòng)和嚙合型帶傳動(dòng)兩類(lèi)。 （1）摩擦型帶 帶傳動(dòng)的主要類(lèi)型是摩擦型帶傳動(dòng)。根據(jù)帶的截面形狀，常用的摩擦型帶傳動(dòng)可分為平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)和圓帶傳動(dòng)。數(shù)據(jù)管理26 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）嚙合型帶 嚙合型帶傳動(dòng)是依靠帶上的齒與帶輪輪齒的相互嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，比較典型的是同步帶傳動(dòng)，它除保持了摩擦帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有傳遞功率大，

16、傳動(dòng)比準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，故多用于要求傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)精度較高的場(chǎng)合。 數(shù)據(jù)管理27v 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)的類(lèi)型很多： 按照一對(duì)齒輪軸線間的相互位置不同，可分為兩軸平行的齒輪傳動(dòng)，如圓柱齒輪傳動(dòng)；兩軸相交的齒輪傳動(dòng)，如圓錐齒輪傳動(dòng)；兩軸交錯(cuò)的齒輪傳動(dòng)，如螺旋圓柱齒輪傳動(dòng)。 按照輪齒的方向，可分為直齒、斜齒、人字齒、圓弧齒等齒輪傳動(dòng)。 按嚙合情況不同，又可分為外嚙合齒輪傳動(dòng)、內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)、齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)。 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)28 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理29 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理30v 齒輪傳動(dòng) 由一對(duì)齒輪組成的機(jī)構(gòu)是齒輪傳動(dòng)的最簡(jiǎn)單形式，但在應(yīng)用過(guò)

17、程中，為了將輸入軸的一種轉(zhuǎn)速變換為輸出軸的多種轉(zhuǎn)速，或?yàn)榱双@得大的傳動(dòng)比等，常采用一系列互相嚙合的齒輪來(lái)達(dá)到此要求。這種由一系列齒輪組成的傳動(dòng)系統(tǒng)稱(chēng)為齒輪系，簡(jiǎn)稱(chēng)輪系。 通常根據(jù)輪系運(yùn)動(dòng)時(shí)齒輪軸線位置是否固定，將輪系分為定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系兩種。 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)31v 齒輪傳動(dòng) 傳動(dòng)時(shí)，所有齒輪軸線的位置都是固定不變的輪系稱(chēng)為定軸輪系。 至少有一個(gè)齒輪的軸線可繞另一齒輪的固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的輪系稱(chēng)為周轉(zhuǎn)輪系。 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)32v 諧波齒輪 目前，工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有6070%都是使用的諧波齒輪傳動(dòng)。 諧波齒輪傳動(dòng)裝置是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的，即具有內(nèi)齒的剛輪G、具

18、有外齒容易變形的薄壁圓筒狀柔輪R和波發(fā)生器H。 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)33v 諧波齒輪 從傳動(dòng)效率考慮和實(shí)際應(yīng)用需要，常用的諧波傳動(dòng)可分以下兩種情況： （1）波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪從動(dòng)時(shí)，波發(fā)生器與柔輪的減速傳動(dòng)比為 （2）波發(fā)生器主動(dòng)、柔輪固定、剛輪從動(dòng)時(shí)，波發(fā)生器和剛輪的減速傳動(dòng)比為RGRRHGHRzzznniRGGGHRHGzzznni 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)34v 諧波齒輪 波發(fā)生器固定時(shí)，若剛輪主動(dòng)而柔輪從動(dòng)，其傳動(dòng)比略小于1；反之，柔輪主動(dòng)而剛輪從動(dòng)時(shí)，其傳動(dòng)比略大于1。而當(dāng)波發(fā)生器從動(dòng)時(shí)，無(wú)論是剛輪固定、柔輪主動(dòng)，還是柔輪固定、剛輪主動(dòng)，均具有較大的增速

19、傳動(dòng)比。但這幾種方式在實(shí)際中很少使用。 由于諧波減速傳動(dòng)裝置具有傳動(dòng)比大（一級(jí)諧波齒輪減速比可以在50500之間，采用多級(jí)或復(fù)波式傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比可以更大）、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高（一般可達(dá)0.700.90）、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中。 6.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)35 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì) 機(jī)身設(shè)計(jì)機(jī)身設(shè)計(jì) 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。 v 機(jī)身設(shè)計(jì)的基本要求（1）要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性。（2）機(jī)座承受機(jī)器人全部重力

20、和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。（3）機(jī)床軸承系及傳動(dòng)鏈的精度和剛度對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度影響最大。36v 機(jī)身的典型結(jié)構(gòu) 一般情況下，實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)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，即在它們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)有： 升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身 俯仰型機(jī)身 直移型機(jī)身 類(lèi)人機(jī)器人機(jī)身 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)37 （1）升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身 升降回轉(zhuǎn)型機(jī)器人的機(jī)身主要由實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)組成。機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可采用：回轉(zhuǎn)軸液壓（氣）缸驅(qū)

21、動(dòng)；直線液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)鏈；蝸輪蝸桿機(jī)械傳動(dòng)等。機(jī)身的升降運(yùn)動(dòng)可以采用：直線缸驅(qū)動(dòng)；絲桿-螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；直線缸驅(qū)動(dòng)的連桿式升降臺(tái)。 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)38 （2）府仰型機(jī)身 機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用液壓（氣）缸與連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)用的液壓缸位于手臂的下方，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(xiāo)軸等方式與立柱連接。 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)39 （3）直線型機(jī)身 直線型機(jī)器人多為懸掛式的，其機(jī)身實(shí)際上就是懸掛手臂的橫梁。為使手臂能沿橫梁平移，除了要有驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外，導(dǎo)軌是一個(gè)重要的構(gòu)件。 （4）類(lèi)人機(jī)器人機(jī)身 類(lèi)人機(jī)器人的機(jī)身上除裝

22、有驅(qū)動(dòng)臂部的運(yùn)動(dòng)裝置外，還應(yīng)裝有驅(qū)動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)的裝置和腰部關(guān)節(jié)?？客炔亢脱康那爝\(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降，腰部關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)左右和前后的俯仰和人身軸線方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)40 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì) 臂部設(shè)計(jì)臂部設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的臂部由大臂、小臂所組成，一般具有23個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降。 v 臂部設(shè)計(jì)的基本要求（1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。（2）根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。（3）盡量減小手臂質(zhì)量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏心力矩。（4）要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，

23、提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。41v 臂部的典型結(jié)構(gòu) 臂部是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部和手部，并帶動(dòng)他們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的臂部主要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、定向定位裝置、支承連接等。此外，還有與腕部或手臂的運(yùn)動(dòng)和聯(lián)接支承等有關(guān)的構(gòu)件、配管配線等。 根據(jù)臂部的驅(qū)動(dòng)方式、布局、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置的不同，可分為：伸縮型臂部結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部結(jié)構(gòu)；屈伸型臂部結(jié)構(gòu)；其他專(zhuān)用的機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)。 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)42 伸縮型臂部機(jī)構(gòu)可由液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)或直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)； 轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部結(jié)構(gòu)除了臂部做伸縮運(yùn)動(dòng)，還繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以

24、使手部獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)1、10-大臂活塞桿; 2、3、14、15-齒輪; 4、13、16-偏心套; 5-大錐齒輪; 6-小錐齒輪;7、11-驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī); 8、9-錐齒輪; 12-驅(qū)動(dòng)軸; 17-小臂; 18-機(jī)座43 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì) 機(jī)身和臂部的配置形式機(jī)身和臂部的配置形式 機(jī)身和臂部的配置形式基本上反應(yīng)了機(jī)器人的總體布局。 v 橫梁式 機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類(lèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式大多為移動(dòng)式。橫梁上配置多個(gè)懸身臂為多臂懸掛式，適用于剛性聯(lián)接的自動(dòng)生產(chǎn)線，用于工位間傳送工件。v 立柱式 立柱式機(jī)器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸

25、型的運(yùn)動(dòng)形式，是一種常見(jiàn)的配置形式。立柱可固定安裝在空地上，也可以固定在床身上。44v 機(jī)座式 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(zhuān)用軌道移動(dòng)，以擴(kuò)大其活動(dòng)范圍。各種運(yùn)動(dòng)形式均可設(shè)計(jì)成機(jī)座式。v 屈伸式 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)，簡(jiǎn)稱(chēng)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，可實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，也可以作空間運(yùn)動(dòng)。 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)45 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì) 腕部設(shè)計(jì)腕部設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的腕部是連接手部與臂部的部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向

26、。 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)，即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)3個(gè)自由度。(a) 腕部坐標(biāo)系； (b) 手腕的偏轉(zhuǎn)； (c) 手腕的俯仰； (d) 手腕的回轉(zhuǎn)46v 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 （1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減小其質(zhì)量和體積。 （2）手腕部件的自由度愈多，各關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍愈大，其動(dòng)作的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。 （3）為提高手腕動(dòng)作的精確性，應(yīng)提高傳動(dòng)的剛度，應(yīng)盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。（4）對(duì)手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開(kāi)關(guān)和機(jī)械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。 6

27、.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)47v 手腕的分類(lèi) 手腕按自由度數(shù)目可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕等。 （1）單自由度手腕 手腕在空間可具有三個(gè)自由度，也可以具備以下單一功能。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)(a) 腕部坐標(biāo)系； (b) 手腕的偏轉(zhuǎn)； (c) 手腕的俯仰； (d) 手腕的回轉(zhuǎn)48 （2）二自由度手腕 二自由度手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個(gè)BB關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn) 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)(a) BR手腕； (b) BB手腕； (c) RR手腕49 （3）三自由度手腕 三自由度手腕可以是由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成的多種

28、形式的手腕，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)功能，常用的有BR、RRR、BRR、RBR和RBB等形式。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)50v 手腕的分類(lèi) 由于作業(yè)要求的不同，手腕的自由度數(shù)及其配置也會(huì)有不同，在擬定手腕驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)方面也會(huì)有差異，因此手腕的結(jié)構(gòu)形式繁多。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)1-活塞桿; 2、4-油路; 3、7-進(jìn)、排油孔; 5-定片; 6-動(dòng)片51 6.3 機(jī)身和臂部設(shè)計(jì)機(jī)身和臂部設(shè)計(jì) 手部設(shè)計(jì)手部設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的手部是裝在機(jī)器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能并安裝于機(jī)器人手臂的前端。 v 手部的特點(diǎn) （1）手部與手腕相連處可拆卸。

29、 （2）手部是工業(yè)機(jī)器人的末端操作器。 （3）手部的通用性比較差。 （4）手部是一個(gè)獨(dú)立的部件，假如把手腕歸屬于臂部，那么工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的三大件就是機(jī)身、臂部和手部。52v 手部的分類(lèi) 機(jī)器人的手部是多種多樣的，大致可分為夾鉗式手部、吸附式手部、仿生多指靈巧手和其它手等。 （1）夾鉗式手部 夾鉗式手部與人手相似，是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。它一般由手指和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接與支承元件組成，通過(guò)手爪的開(kāi)閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。 1）手指 一般情況下，機(jī)器人的手部只有兩個(gè)手指，少數(shù)有三個(gè)或多個(gè)手指。它們的結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)

30、53 1）手指 a）指端的形狀 指端是手指上直接與工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。類(lèi)型有V形指、平面指、尖指或薄、長(zhǎng)指和特形指。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)(a) 固定V型 (b) 滾柱V型 (c)自定位式V型54 b）指面形式 根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材質(zhì)軟硬、表面性質(zhì)等的不同，手指的指面有光滑指面、齒型指面和柔性指面三種形式。 c）手指的材料 對(duì)于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。 為使手指經(jīng)久耐用，指面可鑲嵌硬質(zhì)合金；高溫作業(yè)的手指，可選用耐熱鋼；在腐蝕性氣體環(huán)境下工作的手指，可鍍鉻或進(jìn)行陶瓷處理，也可以選用耐腐蝕的玻璃鋼或聚四氟乙烯。

31、6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)55 2）傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 它是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)根據(jù)手指開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動(dòng)還是平動(dòng)，又可分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型。 a）回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部，其手指是一隊(duì)（或幾對(duì)）杠桿，在同斜楔、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)，來(lái)改變傳力比、傳動(dòng)比及運(yùn)動(dòng)方向。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)56 a）回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)1-殼體; 2-驅(qū)動(dòng)桿; 3-中間齒輪; 4-扇齒輪; 5-

32、手指; 6-V形指; 7-工件57 b）平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 平移型夾鉗式手部是通過(guò)手指的指面做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)張開(kāi)或閉合動(dòng)作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體等）。 3）驅(qū)動(dòng)裝置 它是向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置。按驅(qū)動(dòng)方式不同，有氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)之分。 4）支架 它使手部與機(jī)器人的腕或臂相連接。 此外，還有聯(lián)接和支承元件，它們將上述有關(guān)部分聯(lián)成一個(gè)整體。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)58 （2）吸附式手部 吸附式手部靠吸附力取料。根據(jù)吸附力的不同有氣吸附和磁吸附兩種。吸附式手部適應(yīng)于大平面（單面接觸無(wú)法抓?。?、易碎（玻璃、磁盤(pán)）、微小（不易抓?。┑奈矬w，因此使用面

33、也較大。 1）氣吸式 氣吸式手部是工業(yè)機(jī)器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤(pán)（一個(gè)或幾個(gè)）、吸盤(pán)架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于非金屬材料（如板材、紙張、玻璃等物體）或不可有剩磁的材料的吸附。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)59 1）氣吸式 氣吸式手部是利用吸盤(pán)內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法，可分為擠壓排氣式、真空氣吸式和氣流負(fù)壓式三種。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì) (a) 擠壓排氣式 (b) 真空氣吸式 (c) 氣流負(fù)壓式1-壓蓋; 2-密封蓋; 3-吸盤(pán); 4-工件60 2）磁吸式 磁吸式手部是利用永久磁鐵或

34、電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來(lái)吸附工件的，其應(yīng)用較廣。磁吸式手部與氣吸式手部相同，不會(huì)破壞被吸件表面質(zhì)量。 磁吸式手部比氣吸式手部?jī)?yōu)越的方面是：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(wú)特殊要求。 磁吸式手部的不足之處是：被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑（如鐵屑等），影響正常工作因此對(duì)那些不允許有剩磁的零件要禁止使用。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)61 （3）仿生多指靈巧手 目前，大部分工業(yè)機(jī)器人的手部只有兩個(gè)手指，而且手指上一般沒(méi)有關(guān)節(jié)。因此取料不能適應(yīng)物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的支持力，因此無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)復(fù)雜形狀、不同材質(zhì)的物體實(shí)施夾持和操作。 為了提高機(jī)器

35、人手部和腕部的操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，讓機(jī)器人能像人手一樣進(jìn)行各種復(fù)雜的作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)、設(shè)備操作等，就必須有一個(gè)運(yùn)動(dòng)靈活、動(dòng)作多樣的靈巧手，即仿生多指靈巧手。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)62 （3）仿生多指靈巧手 仿生多指靈巧手的開(kāi)創(chuàng)性工作是ETL手，它的出色的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為以后所開(kāi)發(fā)的許多多指靈巧手所采用 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)ETL手部 (a) StanfordJPL三指靈巧手 (b) UtahMIT四指靈巧手63 （3）其他手 1）彈簧式手部 彈簧式手部靠彈簧力的作用將工件夾緊，手部不需要專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它的使用特點(diǎn)是工件進(jìn)入手指和從手指

36、中取下工件都是強(qiáng)制進(jìn)行的。由于彈簧力有限，故只適用于夾持輕小工件。 2）鉤托式手部 鉤托式手部并不靠夾緊力來(lái)夾持工件，而是利用工件本身的重量，通過(guò)手指對(duì)工件的勾、托、捧等動(dòng)作來(lái)托持工件。應(yīng)用勾托方式可降低對(duì)驅(qū)動(dòng)力的要求簡(jiǎn)化手部結(jié)構(gòu)，甚至可以省略手部驅(qū)動(dòng)裝置。 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)64 2）鉤托式手部 鉤托式手部可分為無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置型和有驅(qū)動(dòng)裝置型 6.4 腕部和手部設(shè)計(jì)腕部和手部設(shè)計(jì)(a) 無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置的手部 (b) 有驅(qū)動(dòng)裝置的手部1-齒條; 2-齒輪; 3-手指; 4-銷(xiāo)子; 5-驅(qū)動(dòng)油缸; 6、7-杠桿手指65 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部

37、件，它由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機(jī)器人的機(jī)身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 行走機(jī)構(gòu)按其行走運(yùn)動(dòng)軌跡可分為固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式。 固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)固定軌跡式行走機(jī)構(gòu) 該類(lèi)機(jī)器人機(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)器人沿絲杠縱向移動(dòng)。除了這種直線驅(qū)動(dòng)方式外，還有類(lèi)似起重機(jī)梁行走方式等。66 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 無(wú)固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)無(wú)固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)v 車(chē)輪式行走機(jī)構(gòu) 車(chē)輪式行走機(jī)構(gòu)是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種行走機(jī)構(gòu)。 （1）車(chē)輪的形式 車(chē)輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取

38、決于地面的性質(zhì)和車(chē)輛的承載能力。(a) 充氣球輪 (b) 半球形輪 (c) 傳統(tǒng)車(chē)輪 (d) 無(wú)緣輪67 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）車(chē)輪的配置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 車(chē)輪式行走機(jī)構(gòu)依據(jù)車(chē)輪的多少分為一輪、二輪、三輪、四輪以及多輪機(jī)構(gòu)。一輪和二輪行走機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用的車(chē)輪式行走機(jī)構(gòu)多為三輪和四輪。 三輪式具有最基本的穩(wěn)定性，其主要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)方向的控制。 四輪行走機(jī)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛，四輪機(jī)構(gòu)采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。 68 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （3）越障輪式機(jī)構(gòu) 普通車(chē)輪行走機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇不平地面適應(yīng)性很差，為了提高輪式車(chē)輛的地面適應(yīng)能力，研究了

39、越障輪式機(jī)構(gòu)。v 履帶式行走機(jī)構(gòu) 履帶式行走機(jī)構(gòu)適合于未加工的天然路面行走，它是輪式行走機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車(chē)輪連續(xù)鋪路的作用。 履帶式行走機(jī)構(gòu)與輪式行走機(jī)構(gòu)相比，有如下特點(diǎn)： 接地比壓?。?越野機(jī)動(dòng)性好； 不易打滑,牽引附著性能好； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大減振功能差69 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 履帶行走機(jī)構(gòu)的形狀： 圖(a)驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)向輪兼作支承輪，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)向輪只微量高于地面。 圖(b)不作支承輪的驅(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)向輪裝得高于地面，鏈條引入引出時(shí)角度達(dá)50度，其好處是適合于穿越障礙，另外因?yàn)闇p少了泥土夾入引起的磨損和失效可以提高驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪的壽命。

40、70 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)進(jìn)一步采用適應(yīng)地形的履帶，可產(chǎn)生更有效的利用履帶特性的方法。 71v 足式行走機(jī)構(gòu) 足式運(yùn)動(dòng)方式的優(yōu)越性： （1）因?yàn)樽闶竭\(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，他可以在可能達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)； （2）足式運(yùn)動(dòng)方式具有主動(dòng)隔振能力，盡管高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)； （3）足式行走在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高、能耗較少。 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)72 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）足的數(shù)目 足式行走機(jī)構(gòu)有一足、兩足、三足、四足、六足等，足的數(shù)目越多，承載能力越強(qiáng)，但是運(yùn)動(dòng)速度越慢，雙足和四足具有良好的適應(yīng)性和靈活性，最接

41、近人類(lèi)和動(dòng)物 。 (a) 單足跳躍機(jī)器人 (b) 雙足機(jī)器人(c) 三足機(jī)器人 (d) 四足機(jī)器人 (e) 六足機(jī)器人73 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）足的配置 足的配置指足相對(duì)于機(jī)體的位置和方位的安排，這個(gè)問(wèn)題對(duì)于多于兩足時(shí)尤為重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一種配置因容易引起腿間的干涉而實(shí)際上很少用到。 (a) 正向?qū)ΨQ(chēng)分布 (b) 前后向?qū)ΨQ(chēng)分布74 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （3）足式行走機(jī)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性 1) 靜態(tài)穩(wěn)定的多足機(jī) 其機(jī)身的穩(wěn)定通過(guò)足夠數(shù)量的足支撐來(lái)保證。在行走過(guò)程中，機(jī)身重心的垂直投影始終落在支撐足著落地點(diǎn)的垂直投影所形

42、成的凸多邊形內(nèi)。 2）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定 在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中，機(jī)體重心有時(shí)不在支撐圖形中，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。這類(lèi)機(jī)構(gòu)一般運(yùn)動(dòng)速度較快，消耗能量小。其步態(tài)可以是小跑和跳躍。75 6.5 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （3）足式行走機(jī)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性足數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)足數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)12345678保持穩(wěn)定姿態(tài)的能力保持穩(wěn)定姿態(tài)的能力無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)好好最好最好最好最好最好最好最好最好最好最好靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)好好最好最好最好最好最好最好最好最好高速靜穩(wěn)定行走能力高速靜穩(wěn)定行走能力無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)有有好好最好最好最好最好最好最好動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走的能力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走的能力有有有有最好最好最好最好最好最好好好好好好好用自由度數(shù)衡量的用自由度數(shù)衡量的機(jī)械結(jié)構(gòu)之簡(jiǎn)單性機(jī)械結(jié)構(gòu)之簡(jiǎn)單性最最好好最好最好好好好好好好有有有有有有76 6.6 工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用 目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)及汽車(chē)零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家