第3章 機器人機械結(jié)構

機器人機械結(jié)構的功能是實現(xiàn)機器人的運動機能，完成規(guī)定的各種操作，包含手臂、手腕、手爪和行走機構等部分。機器人的“身軀”一般是粗大的基座，或稱機架。機器人的“手”則是多節(jié)杠桿機械——機械手，用于搬運物品、裝卸材料、組裝零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如讓機械手握住焊槍，可進行焊接；握住噴槍，可進行噴漆。使用機械手處理高溫、有毒產(chǎn)品的時候，它比人手更能適應工作。第3章機器人機械結(jié)構3.1機器人末端執(zhí)行器

用在工業(yè)上的機器人的手一般稱之為末端操作器，它是機器人直接用于抓取和握緊專用工具進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。機械手能根據(jù)電腦發(fā)出的命令執(zhí)行相應的動作，不僅是一個執(zhí)行命令的機構，它還應該具有識別的功能，也就是“感覺”。末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類：

(1)夾鉗式取料手；

(2)吸附式取料手；

(3)專用操作器及轉(zhuǎn)換器；

(4)仿生多指靈巧手。第3章機器人機械結(jié)構

夾鉗式取料手由手指(手爪)和驅(qū)動機構、傳動機構及連接與支承元件組成，如圖所示。它通過手指的開、合實現(xiàn)對物體的夾持。第3章機器人機械結(jié)構3.1.1夾鉗式取料手

1.手指手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個手指，也有三個、四個或五個手指，其結(jié)構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。第3章機器人機械結(jié)構3.1.1夾鉗式取料手

2.傳動機構傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構。該機構根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型又分為單支點回轉(zhuǎn)和多支點回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊是擺動還是平動，又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。

斜楔杠桿式手部

第3章機器人機械結(jié)構3.1.1夾鉗式取料手

斜楔杠桿式手部

滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部

雙支點連桿式手部

第3章機器人機械結(jié)構3.1.1夾鉗式取料手

齒條齒輪杠桿式手部第3章機器人機械結(jié)構3.1.1夾鉗式取料手

直線平移型手部第3章機器人機械結(jié)構3.1.1夾鉗式取料手

四連桿機構平移型手部結(jié)構第3章機器人機械結(jié)構3.1.1夾鉗式取料手

吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手適應于大平面、易碎(玻璃、磁盤)、微小的物體，因此使用面較廣。1．氣吸附式取料手第3章機器人機械結(jié)構3.1.2吸附式取料手

氣吸附式取料手與夾鉗式取料手指相比，具有結(jié)構簡單、重量輕、吸附力分布均勻等優(yōu)點。對于薄片狀物體的搬運更具有其優(yōu)越性(如板材、紙張、玻璃等物體)，廣泛應用于非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物體表面較平整光滑，無孔、無凹槽。第3章機器人機械結(jié)構3.1.2吸附式取料手

真空氣吸附取料手

2.擠壓排氣吸附式取料手擠壓排氣吸附式取料手如圖所示。其工作原理為：取料時吸盤壓緊物體，橡膠吸盤變形，擠出腔內(nèi)多余的空氣，取料手上升，靠橡膠吸盤的恢復力形成負壓，將物體吸住。釋放時，壓下拉桿3，使吸盤腔與大氣相連通而失去負壓。該取料手結(jié)構簡單，但吸附力小，吸附狀態(tài)不易長期保持。第3章機器人機械結(jié)構3.1.2吸附式取料手

3.磁吸附式取料手

磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料，因此只能對鐵磁物體起作用，但是對某些不允許有剩磁的零件禁止使用，所以磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。

第3章機器人機械結(jié)構3.1.2吸附式取料手

1.專用末端操作器機器人是一種通用性很強的自動化設備，可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動作，再配上各種專用的末端操作器后，就能完成各種動作。如在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人，安裝擰螺母機則成為一臺裝配機器人。第3章機器人機械結(jié)構3.1.3專用末端操作器及換接器

2.換接器或自動手爪更換裝置使用一臺通用機器人，要在作業(yè)時能自動更換不同的末端操作器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成：換接器插座和換接器插頭分別裝在機器腕部和末端操作器上，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人對末端操作器的快速自動更換。第3章機器人機械結(jié)構3.1.3專用末端操作器及換接器

1.柔性手為了能對不同外形的物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻，因此研制出了柔性手。

第3章機器人機械結(jié)構3.1.4仿生多指靈巧手

2.多指靈巧手機器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。如圖所示，多指靈巧手有多個手指，每個手指有3個回轉(zhuǎn)關節(jié)，每一個關節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此，幾乎人手指能完成的各種復雜動作它都能模仿，如擰螺釘、彈鋼琴、作禮儀手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器，將會使多指靈巧手達到更完美的程度。多指靈巧手的應用前景十分廣泛，可在各種極限環(huán)境下完成人無法實現(xiàn)的操作，如核工業(yè)領域、宇宙空間作業(yè)，在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。第3章機器人機械結(jié)構3.1.4仿生多指靈巧手

3.2.1概述機器人手腕是在機器人手臂和手爪之間用于支撐和調(diào)整手爪的部件。機器人手腕主要用來確定被抓物體的姿態(tài)，一般采用三自由度多關節(jié)機構由旋轉(zhuǎn)關節(jié)和擺動關節(jié)組成。機器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。工業(yè)機器人一般具有六個自由度才能使手部(末端操作器)達到目標位置和處于期望的姿態(tài)，手腕上的自由度主要是實現(xiàn)所期望的姿態(tài)。

第3章機器人機械結(jié)構

3.2機器人手腕

3.2.2手腕的分類1．按自由度數(shù)目來分類手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。(1)單自由度手腕，如圖所示，圖(a)是一種翻轉(zhuǎn)(Roll)關節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關節(jié)軸線構成共軸線形式，這種R關節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大，可達到360°以上。圖(b)、(c)是一種折曲(Bend)關節(jié)，關節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直。這種B關節(jié)因為受到結(jié)構上的干涉，旋轉(zhuǎn)角度小，大大限制了方向角。第3章機器人機械結(jié)構

3.2機器人手腕

(2)二自由度手腕。二自由度手腕可以由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)組成BR手腕(a)；也可以由兩個B關節(jié)組成BB手腕(b)。但是，不能由兩個R關節(jié)組成RR手腕，因為兩個R關節(jié)共軸線，所以退化了一個自由度，實際只構成了單自由度手腕(c)。

第3章機器人機械結(jié)構

3.2機器人手腕

(3)三自由度手腕，如圖3.25所示。

第3章機器人機械結(jié)構

3.2機器人手腕

2.按驅(qū)動方式分類

(1)油（氣）缸驅(qū)動的腕部結(jié)構，直接用回轉(zhuǎn)油（氣）缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動，具有結(jié)構緊湊、靈巧等優(yōu)點。圖3.26所示的腕部結(jié)構，采用回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運動。

第3章機器人機械結(jié)構

3.2機器人手腕

2.按驅(qū)動方式分類

(2)機械傳動的腕部結(jié)構，如圖所示為具有三個自由度的機械傳動腕部結(jié)構的傳動圖，是一個具有三根輸入軸的差動輪系。腕部旋轉(zhuǎn)使得附加的腕部機構緊湊，質(zhì)量輕。從運動分析的角度看，這是一種比較理想的三自由度腕，這種腕部可使手的運動靈活，適應性廣。目前，它已成功地用于點焊、噴漆等通用機器人上。

第3章機器人機械結(jié)構

3.2機器人手腕

手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)。因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受末端執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構、工作范圍、靈活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影響機器人的工作性能，所以臂部的結(jié)構形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。手臂特性如下：

(1)剛度要求高，為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，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)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。

(2)導向性要好，為防止手臂在直線運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

(3)重量要輕，為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減小整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。

(4)運動要平穩(wěn)、定位精度要高，由于臂部運動速度越高，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動既不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設計上要力求結(jié)構緊湊、重量輕外，同時要采用一定形式的緩沖措施。3.3.1手臂直線運動機構機器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構形式較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲杠螺母機構及活塞缸和連桿機構等。第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

直線往復運動可采用液壓或氣壓驅(qū)動的活塞油（氣）缸。由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機器人手臂結(jié)構中應用比較多。雙導向桿手臂的伸縮結(jié)構如圖3.29所示。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端。當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）做往復直線移動；導向桿3在導向套4內(nèi)移動，以防手臂伸縮式的轉(zhuǎn)動（并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在2根導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單、傳動平穩(wěn)、外形整齊美觀、結(jié)構緊湊。

第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

3.3.2手臂回轉(zhuǎn)運動機構實現(xiàn)機器人手臂回轉(zhuǎn)運動的機構形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構。下面以齒輪傳動機構中活塞缸和齒輪齒條機構為例說明手臂的回轉(zhuǎn)。

第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

3.3.3手臂俯仰運動機構機器人的手臂俯仰運動，一般采用活塞油缸與連桿機構來實現(xiàn)。手臂的俯仰運動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聯(lián)接。第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

鉸接活塞缸實現(xiàn)手臂俯仰的結(jié)構示意圖1-手臂；2-夾緊缸；3-升降缸；4-小劈；5，7-鉸接活塞缸；6-大臂；8-立柱第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

3.3.4手臂復合運動機構手臂的復合運動多數(shù)用于動作程序固定不變的專用機器人，它不僅使機器人的傳動結(jié)構簡單，而且可簡化驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并使機器人傳動準確、工作可靠，因而在生產(chǎn)中應用的比較多。除手臂實現(xiàn)復合運動外，手腕和手臂的運動亦能組成復合運動。手臂(或手腕)和手臂的復合運動，可以由動力部件(如活塞缸、回轉(zhuǎn)缸、齒條活塞缸等)與常用機構(如凹槽機構、連桿機構、齒輪機構等)按照手臂的運動軌跡(即路線)或手臂和手腕的動作要求進行組合。第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

3.3.5新型的蛇形機械手臂目前普通工業(yè)機器人都能夠達到0.1mm的重復精度，無論是直線運動，還是繞軸轉(zhuǎn)動，甚至是要進行復雜的曲面移動，現(xiàn)在一般的工業(yè)機器人都能夠很好的完成。一方面得益于機械加工精度的日益提高，另一方面依靠了現(xiàn)代化的控制技術保證了機器人定位的精確。蛇型手臂一般具有高度柔性，可深入裝配結(jié)構當中進行均勻涂層，從而增加生產(chǎn)率，適用于在飛機翼盒的組裝探視工作及引擎組裝中進行深度檢測等。第3章機器人機械結(jié)構

3.3機器人手臂

機器人機座是機器人的基礎部分，起支承作用，可分為固定式和移動式兩種。一般工業(yè)機器人中的立柱式、機座式和屈伸式機器人大多是固定式的；但隨著海洋科學、原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，可以預見具有智能的、可移動機器人是今后機器人的發(fā)展方向。3.4.1固定式機器人固定式機器人的機座既可直接聯(lián)接在地面基礎上，也可固定在機身上。美國PUMA-262型的垂直多關節(jié)型機器人如圖3.36所示，其基座主要包括立柱回轉(zhuǎn)(第一關節(jié))的二級齒輪減速傳動，減速箱體即為基座。第3章機器人機械結(jié)構

3.4機器人機座

3.4.2行走式機器人行走機構是行走式機器人的重要執(zhí)行部件，它由行走的驅(qū)動裝置、傳動機構、位置檢測元件、傳感器電纜及管路等組成。它一方面支承機器人的機身臂和手部，因而必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性；另一方面還根據(jù)作業(yè)任務的要求，帶動

1.固定軌跡式行走機構固定軌跡式行走機器人的機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這是工廠中常見的一種配置形式。機器人實現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運動。第3章機器人機械結(jié)構

3.4機器人機座

2.無固定軌跡式行走機構(1)車輪式行走機構在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優(yōu)越的。車輪式移動機器人如圖所示。第3章機器人機械結(jié)構

3.4機器人機座

(2)履帶式移動機構。輪式行走機構在野外或海底工作，遇到松軟地面時可能陷車，故宜采用履帶式行走機構。它是輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。第3章機器人機械結(jié)構

3.4機器人機座

（3）步行式行走機構與運行車式機構相比，步行式行走機構，有以下優(yōu)點：第一，可以在高低不平的地段上行走。第二，由于腳的主動性，身體不隨地面晃動。第三，在柔軟的地面上運動，效率并不顯著降低。

第3章機器人機械結(jié)構

3.4機器人機座

第3章機器人機械結(jié)構

3.4機器人機座

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3.5.1移動關節(jié)導軌及轉(zhuǎn)動關節(jié)軸承1.移動關節(jié)導軌第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

滾動導軌

3.5.1移動關節(jié)導軌及轉(zhuǎn)動關節(jié)軸承1.移動關節(jié)導軌第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

固定軸策動體的滾動導軌2.轉(zhuǎn)動關節(jié)軸承球軸承是機器人和機械手結(jié)構中最常用的軸承。它能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感。第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

機器人用四點接觸球軸承3.5.2傳動件的定位及消隙1.傳動件的定位工業(yè)機器人的重復定位精度要求較高，設計時應根據(jù)具體要求選擇適當?shù)亩ㄎ环椒?。目前常用的定位方法有電氣開關定位、機械擋塊定位和伺服定位。2.傳動件的消隙一般傳動機構存在有間隙，也叫側(cè)隙。就齒輪傳動而言，齒輪傳動的側(cè)隙是指一對齒輪中一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠作出的最大的角位移。傳動的間隙，影響了機器人的重復定位精度和平穩(wěn)性。對機器人控制系統(tǒng)來說，傳動間隙導致顯著的非線性變化、振動和不穩(wěn)定。但是，傳動間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的主要原因有:由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙;為適應熱膨脹而特意留出的間隙。消除傳動間隙的主要途徑有:提高制造和裝配精度;設計可調(diào)整傳動間隙的機構;設置彈性補償零件。下面介紹適合工業(yè)機器人采用的幾種常用的傳動消隙方法。第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

（1）消隙齒輪第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

（2）柔性齒輪消隙第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

（3）對稱傳動第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

（4）偏心機構消隙

第3章機器人機械結(jié)構

3.5機器人的傳動

（5）齒廓彈性覆層消隙

此種消隙是指齒廓表面覆有薄薄一層彈性很好的橡膠層或?qū)訅翰牧?，相嚙合的一對齒輪加以預載，可以完全消除嚙合側(cè)隙。齒輪幾何學上的齒面相對滑動在