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第二章机器人结构

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工业机器人 第二章自由度

工业机器人 第二章自由度
9
fi 15
i1
则有
g
M 6(n g 1) fi 6(8 9 1) 15 3 i1
对于只有一个运动平台与几个分支连接 的多环机构，还可以通过直接观察法来 计算自由度，运动平台在无约束的情况 下有六个自由度，通过观察可以知道每 一分支对运动平台的约束数，则机构的 自由度为6减去所有的约束数。
2 机器人机构分析
机器人的机械结构是用关节将一些杆件（也 称为连杆）连接起来，一般使用二元关节， 即一个关节只与两个连杆相连接。
当各连杆组成一开式机构链时，所获得的机 器人机构称为串联机器人。如PUMA系列机 器人。
当各连杆组成一闭式机构链时，所获得的机 器人机构称为并联机器人。通常，并联机器 人的闭合回路多于一个。如Stewart平台式并 联机器人就有六个分支。
5）球面关节：用字母S表示 ，允许两连 杆之间有三个独立的相对转动。这种 关节具有三个自由度；
6）平面关节：用字母E表示 ，允许两连杆之 间有三个相对运动，即两个沿平面的移动 和一个垂直于该平面的转动。这种关节具 有三个自由度；
7）虎克铰：用字母T表示 ，允许两连杆之 间有二个相对转动。这种关节具有二个 自由度；
重复约束：机构中某些分支对运动平台 的某个自由度产生了重复限制（重复约 束），应在机构自由度中加上重复约束 的次数。
2.1 机器人机构
2.1.1 关节 在机器人机构中，两相邻的连杆之间 有一个公共的轴线，两杆之间允许沿 该轴线相对移动或绕该轴线相对转动， 构成一个运动副，也称为关节。关节 的种类有：
1）转动关节：通常用字母R表示，它允 许两相邻连杆绕关节轴线作相对转动， 转角为θ，这种关节具有一个自由度;
节的约束为 ui （ 即该关节限制的自由度

机器人学_第2章_机器人机械结构

机器人学_第2章_机器人机械结构
• 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
29
腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
30
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
44
1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
45
2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕

工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构

工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构

2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而 回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
4．类人机器人型机身结构 类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外 ，还应装有驱动腿部运动 的装置和腰部关节。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和 手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件 ，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。

第二章_机器人的机械结构分析

第二章_机器人的机械结构分析

关节型搬运机器人
关节型焊接机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
5、平面关节型 (Selective Compliance Assembly Robot Arm ，简称SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。运动灵活 性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装 配作业。
SCARA型装配机器人
有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低。
极坐标型机器人模型
2018/11/2
Unimate
机器人
第二章
机ห้องสมุดไป่ตู้人的机械结构
机器人的构型
4、关节坐标型 (3R) 对作业的适应性好，工作空间大，工作灵活，结构紧凑， 通用性强，但坐标计算和控制较复杂，难以达到高精度。
2018/11/2
关节型机器人模型
2、圆柱坐标型 (R2P)
结构简单紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，控制也较 简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，但转动 惯量较大，定位精度相对较低。
圆柱坐标型机器人模型
2018/11/2
Verstran 机器人
Verstran 机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)
• 电动式
电源方便，响应快，驱动力较大，可以采用多种灵活的控制方案。
2018/11/2
第二章
机器人的机械结构
二、机器人的分类
1.按机器人的控制方式分类 （1）非伺服机器人 非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器 人的运动。 （2）伺服控制机器人 通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信 号比较后，得到误差信号，经放大后用以激发机器人 的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动， 到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。

机器人技术第二章

机器人技术第二章

图2-3所示的机器人， 臂部在xO1y面内有三 个独立运——升降(L1)、 伸缩(L2)、和转动(Φ1)， 腕部在xO1y面内有一 个独立的运动——转 动(Φ2)。机器人手部 位置需要一个独立变 量——手部绕自身轴 线O3C的旋转Φ3。
机器人自由度的选择
• 一般自由度的选择：机器人自由度都是根 据机器人的用途来设计的，在三维空间中 描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6 个自由度。工业机器人的自由度是根据其 用途而设计的，可能小于6个自由度，也可 能大于6个自由度。
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 的差异程度 。 或 在相同的位置指令
下 ， 机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。 分散情况 。 它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。 集程度，即重复度。
o
o
机器人的分辨率和精度
• 分辨率：机器人的分辨率由系统设计参数 决定，并受到位置检测反馈元件的影响。 可分为编程分辨率和控制分辨率，编程分 辨率是指程序中可以设定的最小移动单位， 又称基准分辨率；控制分辨率是指位置反 馈回路能检测到的最小位移量。当它们相 等时，系统性能达到最佳。
1、驱动系统 、 概念： 概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置 作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力 驱动系统可以是液压传动、 气动传 动、电动传动, 或者把它们结合起来应 用的综合系统; 可以是直接驱动或者是 通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等 机械传动机构进行间接驱动。
表2-3为不同作业机器人要求的重复 精度。
工作空间（ ）：机器人 工作空间（Working space）：机器人 ）： 手腕参考点或末端操作器安装点（ 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器） 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域， 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。 所能到达的区域。

第2章 工业机器人机构

第2章 工业机器人机构

第2章 工业机器人机构
图 2.16 电磁铁 (a) 电磁铁工作原理；(b) 盘状电磁铁
第2章 工业机器人机构
图2.17所示为盘状磁吸附取料手的结构图。铁心1和磁 盘3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2，既焊为一体又将铁 心和磁盘分隔，这样使铁心1成为内磁极，磁盘3成为外磁极。 其磁路由壳体6的外圈，经磁盘3、工件和铁心，再到壳体内 圈形成闭合回路，以此吸附工件。铁心、磁盘和壳体均采用 8～10号低碳钢制成，可减少剩磁，并在断电时不吸或少吸 铁屑。 盖5为用黄铜或铝板制成的隔磁材料，用以压住线圈 11，防止工作过程中线圈的活动。挡圈7、8用以调整铁心和 壳体的轴向间隙，即磁路气隙δ，在保证铁心正常转动的情 况下，气隙越小越好，气隙越大，则电磁吸力会显著地减小， 因此，一般取δ＝0.1 mm～0.3 mm，在机器人手臂的孔内可 做轴向微量地移动，但不能转动。铁心1和磁盘3一起装在轴 承上，用以实现在不停车的情况下自动上下料。
第2章 工业机器人机构
息和各指节产生的接触信息一起送入电子计算机，通过计算 就能迅速判断机械手所抓的物体的形状和大小。现在，机器 人手已经具有了灵巧的指、腕、肘和肩胛关节，能灵活自如 地伸缩摆动，手腕也会转动弯曲。通过手指上的传感器还能 感觉出抓握的东西的重量，可以说机器人手已经具备了人手 的许多功能。
第2章 工业机器人机构
图 2.14 气流负压吸附取料手
(a) 气流负压吸附取料手结构图；(b) 气流负压吸附取料手的气路原理图; (c) 气流负压吸附取料手的应用实例
第2章 工业机器人机构
如图2.14(b)所示，当电磁阀得电时，压缩空气从真空发 生器左侧进入并产生主射流，主射流卷吸周围静止的气体一 起向前流动，从真空发生器的右口流出。于是在射流的周围 形成了一个低压区，接收室内的气体被吸进来与其相融合在 一起流出， 在接收室内及吸头处形成负压， 当负压达到一 定值时，可将工件吸起来，此时压力开关可发出一个工件已 被吸起的信号。

第2章机器人机械系统2概要

第2章机器人机械系统2概要

大臂 机身
基座
小臂
腕部
连接手部
第二页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与升降机身
回转运动在 下，升降运 动在上
（a）单杆活塞气缸
（b）双杆活塞气缸
链条链轮传动实现机身回转的原理图
第三页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与俯仰机身
第四页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机身设计时要注意下列问题
第十五页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
ABB的IRB4400
ABB的IRB 4600
采用优化设计，开链结构
第十六页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机器人机械结构设计的发展方向
采用有限元、模态分析和仿真设计等现代设计方法； 采用新的高强度轻质材料，进一步提高机器人结构的负载/自重比， 使机器人机构进一步紧凑，速度和范围指标进一步提高；
动部分的质量；②使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；③采取“配重” 的方法来减小和消除偏重力矩。
➢ 运动要平稳、定位精度要高。影响因素：①惯性冲击的
影响；②定位方法的影响；③结构刚性的影响；④控制及驱动 系统的影响等。
第七页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
平衡机器人手臂的重力矩优点如下：
如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。
Euler腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后(J4，J5)，可将安装腕关节上 之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如Fig- 所示。
第二十二页，编辑于星期二：二十三点 二十三 分。
經由特殊設定，可進一步將Owc_s 與Owc 點重合（Fig-8）。如此，Fig-8 便形成理
臂部的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位 置上。 在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷， 尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲 击，影响定位的准确性。

第二章_机器人的机械结构

第二章_机器人的机械结构

2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部
真空气吸吸附手部
气流负压吸附手部
挤压排气式手
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可 靠等优点。广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料 的吸附。 气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤， 且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工 件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质 致密，没有透气空隙。
(1)夹持类
(2)吸附类
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
1.夹持类 (1)夹钳式 • 手指1 • 传动机构2
• 驱动装置3
• 支架4
2016/6/27
1）手指 ①指端的形状
第二章 机器人的机械结构
V型指
平面指
尖指
2016/6/27
特形指
第二章 机器人的机械结构
②指面型式 根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表 面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面 和柔性指面三种形式。 ③手指的材料 对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和 合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金； 高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下 工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀 的玻璃钢或聚四氟乙烯。
2016/6/27
第二章 机器人的机械结构
（2）磁吸式
磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生 的磁力来吸附材料工件的，应用较广。磁吸式手部不 会破坏被吸件表面质量。磁吸式手部比气吸式手部优 越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面光 洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。磁吸式手部的不足 之处是：被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑 （如铁屑等），影响正常工作。因此对那些不允许有 剩磁的零件要禁止使用。对钢、铁等材料制品，温度 超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式 手部。磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和 电磁铁手部。电磁铁手部由于供电不同又可分为交流 电磁铁和直流电磁铁手部。

机器人技术基础教学课件第2章

机器人技术基础教学课件第2章
Tii Too
Ti ——输入力矩（N·m）；
To ——输出力矩（N·m）；
i ——输入齿轮角位移；
o ——输出齿轮角位移；
机器人技术基础
第二节 机器人的驱动机构
1．齿轮机构
Ti ,i
啮合齿轮转过的总的圆周距离相等，可以 得到齿轮半径与角位移之间的关系：
Rii Roo
TO ,O
Ri ——输入轴上的齿轮半径（m）； R0 ——输出轴上的齿轮半径（m）。
第一节 工业机器人的结构
（3）连杆杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fpc
2b tan a
连杆杠杆式回转型夹持器 1—杆；2—-连杆；3—-摆动钳爪；4—-调整垫片
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（4）齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp R
Fp c
2b sin
楔块杠杆式回转型夹持器 1—-杠杆；2—弹簧；3—滚子；4—楔块；5—气缸
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（2）滑槽杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp a 2b cos2
a
滑槽杠杆式回转型夹持器 1—支架；2—杆；3—圆柱销；4—-杠杆；
机器人技术基础
1．液压驱动
液压隧道凿岩机器人 机器人技术基础
液压混凝土破碎切割机器人
第二节 机器人的驱动机构
2．气压驱动
优点：
缺点：
（1）容易达到高速（1m/s）；
（1）压缩空气压力低；
（2）对环境无污染，使用安全；
（2）实现精确位置控制难度大；

机器人的基本概念与机构简述

机器人的基本概念与机构简述

4) 手腕(Wrist)：位于执行器与手臂之间，具 有支撑和调整末端执行器姿态功能的机构。 操作臂的组成部分之一。 5)手臂(Arm)：位于基座和手腕之间，由操作 手的动力关节和连杆等组成的组件。能支撑 手腕和末端执行器，并具有调整末端执行器 位置的功能。操作臂的组成部分。Outdated！ 6) 世界坐标系(World Coordinate System)： 参照地球的直角坐标系。 7) 机座坐标系、基坐标系(Base reference coordinate system)：参照机器人基座的坐标 系，即机器人末端位姿的参考坐标系。 8) 坐标变换(Coordinate Transformation)： 将一个点的坐标描述从一个坐标系转换到另 一个坐标系下描述的过程。
并联机器人
优点：系统的刚度大、定位 精度高 缺点：工作空间小、运动速 度低
串联机器人的种类：
Y
A、直角坐标型机器人
Z
X
P F ( X ,Y , Z )
B、 圆柱坐标机器人

R

R
z
P F (, Z , R )
z
C、 球坐标机器人


R
P F (, , R)
D、SCARA机器人

《机器人学》
第二章 机器人的基本概念与机构简介
战强
北京航空航天大学机器人研究所
2-1、基本概念
1) 自由度(Degree of Freedom, DOF)：指一个 点或一个物体运动的方式，或一个动态系统 的变化方式。每个自由度可表示一个独立的 变量，而利用所有的自由度，就可完全规定 所研究的一个物体或一个系统的位置和姿态。 也指描述物体运动所需的独立坐标数，3维空 间需要6个自由度。 2) 操作臂(Manipulator)：具有和人手臂(Arm) 相似的功能、可在空间抓放物体或进行其它 操作的机电装置。----Arm 3) 末端执行器(End-Effector)：位于机器人腕 部的末端，直接执行工作要求的装置。如灵 巧手、夹持器。----Hand/Gripper

工业机器人技术第2章

工业机器人技术第2章

2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.2 工业机器人的特点
（3）驱动系统。工业机器人需要灵活改变位姿，绝大多数运动轴都需要 有任意位置定位功能，需要使用伺服驱动系统；在无人搬运车（Automated Guided Vehicle，AGV）等输送机器人上，还需要配备相应的行走机构及相应 的驱动系统。而辅助机械手的安装位置、定位点和动作次序样板都是固定 不变的，大多数运动部件只需要控制起点和终点，故较多地采用气动、液 压驱动系统。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
（3）驱动器。驱动器实际上是用于控制器的插补脉冲功率放大的装置， 实现驱动电机位置、速度、转矩控制，驱动器通常安装在控制柜内。驱动 器的形式决定于驱动电机的类型，伺服电机需要配套伺服驱动器、步进电 机则需要使用步进驱动器。机器人目前常用的驱动器以交流伺服驱动器为 主，它有集成式、模块式和独立型3种基本结构形式。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
2．机器人本体 机器人本体又称操作机，它是用来完成各种作业的执行机构，包括机械 部件及安装在机械部件上的驱动电机、传感器等。 机器人本体的形态各异，但绝大多数由若干关节（Joint）和连杆（Link） 连接而成。以常用的6轴垂直串联型（Vertical Articulated）工业机器人为例， 其运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、上臂摆动 （肘关节）、腕回转和弯曲（腕关节）等。本体的典型结构如图2.1-2所示， 其主要组成部件包括手部、腕部、上臂、下臂、腰部、基座等。
2.1 工业机器人的组成与特点
2.1.1 工业机器人的组成
集成式驱动器的全部驱动模块集成一体，电源模块可以独立或集成，这 种驱动器的结构紧凑、生产成本低，是目前使用较为广泛的结构形式。模 块式驱动器的电源模块为公用，驱动模块独立，驱动器需要统一安装。集 成式、模块式驱动器不同控制轴间的关联性强，调试、维修和更换相对比 较麻烦。独立型驱动器的电源和驱动电路集成一体，每一轴的驱动器可独 立安装和使用，因此，其安装使用灵活、通用性好，其调试、维修和更换 也较方便。

工业机器人技术及应用2-工业机器人的机械结构和运动控制

工业机器人技术及应用2-工业机器人的机械结构和运动控制

第二章工业机器人的机械结构和运动控制章节目录工业机器人的系统组成操作机控制器示教器工业机器人的技术指标学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习工业机器人的运动控制机器人运动学问题机器人的点位运动…机器人的位置控制课前回顾何为工业机器人？工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。

学习目标认知目标*熟悉工业机器人的常见技术指标*掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能*了解工业机器人的运动控制能力目标*能够正确识别工业机器人的基本组成*能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动导入案例国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。

虽然中国机器人产业经过 30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。

整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内 95% 的企业都集中在这个环节上）三个层面。

课堂认知工业机器人的系统组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。

对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。

工业机器人系统组成操作机操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。

它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。

关节型机器人操作机基本构造机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。

(1) 机械臂关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。

实质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节 - 连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。

机器人基础技术教学 书

机器人基础技术教学 书

机器人基础技术教学书机器人基础技术教学书第一章：机器人概述1.1 机器人的定义和分类1.2 机器人的发展历程1.3 机器人的应用领域第二章：机器人的机械结构2.1 机器人的基本结构和组成部件2.2 机器人的关节类型和运动方式2.3 机器人的传感器和执行器第三章：机器人的感知与认知3.1 机器人的感知技术3.1.1 视觉传感器3.1.2 声音传感器3.1.3 触觉传感器3.2 机器人的认知技术3.2.1 环境建模与感知分析3.2.2 机器人的自主导航与定位第四章：机器人的控制与决策4.1 机器人的控制系统4.1.1 开环控制与闭环控制4.1.2 反馈控制与前馈控制4.2 机器人的路径规划与运动控制4.3 机器人的决策与智能算法4.3.1 强化学习算法4.3.2 遗传算法4.3.3 模糊控制算法第五章：机器人的人机交互与协作5.1 机器人的语音识别和语音合成技术5.2 机器人的自然语言理解和生成技术5.3 机器人的姿态识别和情感分析技术5.4 机器人的协作与协同技术第六章：机器人的安全与伦理6.1 机器人的安全保障措施6.1.1 硬件安全：碰撞检测与防护装置6.1.2 软件安全：权限控制与隐私保护6.2 机器人的伦理问题与社会影响6.2.1 机器人的道德规范和法律法规6.2.2 机器人的就业和人类替代性第七章：机器人的未来发展与应用展望7.1 机器人技术的发展趋势7.2 机器人在工业制造领域的应用展望7.3 机器人在医疗卫生领域的应用展望7.4 机器人在农业和服务领域的应用展望结语：机器人基础技术的学习与应用通过本书的学习，读者将掌握机器人的基本概念和分类，了解机器人的机械结构和组成部件，熟悉机器人的感知与认知技术，了解机器人的控制与决策方法，掌握机器人的人机交互与协作技术，了解机器人的安全与伦理问题，并展望机器人技术的未来发展与应用前景。

通过学习，读者将能够在机器人相关领域进行研究和创新，为推动机器人技术的发展做出贡献。

伺服控制机器人

伺服控制机器人
第二章 机器人结构
§2.1机器人的组成和分类
一、机器人的组成 (1) 机械部分； (2) 传感器(一个或多个)； (3) 控制器； (4) 驱动源。
第二章 机器人结构
二、机器人的分类 １、按机器人的控制方式分类 ２、按机器人结构坐标系特点方式分类
３、机器人常见的图形符号
１、按机器人的控制方式分类
目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大， 最大可大9KN。
５．控制方式
机器人用于控制轴的方式，是伺服还 是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹 还是点到点的运动。
６．驱动方式
驱动方式是指关节执行器的动力源形 式。
７．精度、重复精度和分辨率
精度：一个位置相对于其参照系的绝对度量，指机 器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之 间的差距。 重复精度：在相同的运动位置命令下，机器人连续 若干次运动轨迹之间的误差度量。如果机器人重复 执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同， 而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而 变化的幅度代表重复精度。
图2-4给出了分辨率精 度和重复精度的关系。 工业机器人的精度、重 复精度和分辨率要求是根据 其使用要求确定的。机器人 本身所能达到的精度取决于 机器人结构的刚度、运动速 度控制和驱动方式、定位和 缓冲等因素。 由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因 此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般难测定，通常工业机 器人只给出重复精度。
１、按机器人的控制方式分类
连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某 个规定的路径，其轨迹往往是某条不在预编 程端点停留的曲线路径。连续轨迹伺服控制 机器人具有良好的控制和运行特性，由于数 据是依时间采样的，而不是依预先规定的空 间采样，因此机器人的运行速度较快、功率 较小、负载能力也较小。连续轨迹伺服控制 机器人主要用于弧焊、喷涂、打飞边毛刺和 检测机器人。

2.1.12.1机器人的机械构造

2.1.12.1机器人的机械构造
• 连杆是机器人中的重要部件，它连接着关节，
– 其作用是将一种运动形式转变为另一种运动形式，并把作用在主动构件上的力传给从动构 件以输出功率。
(3)．刚度
• 刚度（Stiffness）：是机器人机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它。
• 机械零件和构件抵抗变形的能力。在弹性范围内，
（5）行走机构是由驱动装置、传动 机构、位置检测元件、传感器、电缆及 管路等组成。它一方面支承机器人的机 身、臂部和手部，另一方面还根据工作 任务的要求，带动机器人实现在更广阔 的空间内运动。
第二章：机器人机械结构
2.1.4 机器人机构的运动
（1）手臂的运动
1）垂直移动 指机器人手臂的上下移动。这种运动通常采用液压缸机构或其他垂直升降 机构来完成，也可以通过调整整个机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。 2）径向移动 是指手臂的伸缩运动。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化。
– 机器人手臂上被相邻两关节分开的部分，是保持各关节间固定关系的刚体，是机械连杆机 构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。
– 例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主 体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销 而构成铰接。
3）回转运动 指机器人绕铅垂轴的转动。这种运动决定了机器人的手臂所能达到的角位 置。
第二章：机器人机械结构
2.2.2 机器人机构的运动
（２）．手腕的运动 1）手腕旋转 手腕绕小臂轴线的转动。有些机器人限制其手腕转动角度小于360°。 另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，手腕可以转几圈。 2）手腕弯曲 指手腕的上下摆动，这种运动也称为俯仰。 3）手腕侧摆 指机器人手腕的水平摆动。手腕的旋转和俯仰两种运动结合起来可以 构成侧

工业机器人技术基础-第二章-机器人结构认识

工业机器人技术基础-第二章-机器人结构认识

任务二 工业机器人机械结构的认知
1.关节机器人的特点
1)有很高的自由度,适合于几乎任何轨迹或角度的工作。 2)可以自由编程,完成全自动化的工作。 3)提高了生产率,降低了可控制的错误率。 4)代替很多不适合人力完成、对身体健康有害的复杂工作。 5)价格高,初期投资成本高。 6)生产前期的工作量大。
3.图解法确定工作空间
图解法求工作空间边界,得到的往往是工作空间的各类剖面(或截线),如图1-2-11所 示。它直观性强,便于和计算机结合,以显示操作机的构形特征。用图解法获得的工作 空间不仅与机器人各连杆的尺寸有关,还与机器人 的总体结构有关。
图解法确定工作空间的边界时,需要将关节分为两组,即前三关节和后三关节(有时 为两关节或单关节)。前三关节称为位置结构,主要确定工作空间的大小;后三关节称为 定向结构,主要决定手部姿势。首先分别求出两组关节所形成的腕点空间和参考点在腕 坐标系中的工作空间,再进行包络整合。
利用机器人结构运动简图,能够更好地分析和记录机器人的各种运动和运动组合 ,可简单、清晰地表明机器人的运动状态,有利于对机器人设计方案进行比较和选择。
任务二 工业机器人机械结构的认知
二、工业机器人的运动自由度
1.自由度的概念 描述物体相对于坐标系进行独立运动的数目称为自由度。物体在三维空间有6个
自由度,如图1-2-1所示。
任务二 工业机器人机械结构的认知
3.工件坐标系 工件坐标系是用户自定义的坐标系,用户坐标系也可以定义为工件坐标系。
可根据需要定义多个工件坐标系,当配备多个工作台时,选择工件坐标系操作更为 简单。 4.工具坐标系
工具坐标系是原点位于机器人末端的工具中心点(Tool Center Point,TCP)处 的坐标系,原点及方向都是随着末端位置与角度不断变化的。该坐标系实际是将 基坐标系通过旋转及位移变化而来的。因为工具坐标系的移动以工具的有效方 向为基准,与机器人的位置、姿势有关,所以不改变工具姿势,进行相对于工件的平 行移动最为适宜。

第二章机器人构造4传动

第二章机器人构造4传动
当摇杆摆到极限位置C1D和 C2D时，连杆与曲柄共线
2020/3/27
连杆加给曲柄的力将通过 铰链中心A，即机构处于压
力角=90（传力角=0）
的位置时，驱动力的有效 力为0
机构的这种位置称为死点，可能出现卡死。
连杆传动
• 曲柄摇杆机构的死点
克服死点的方法 • 利用加大惯性的方法，借惯性作用使机构闯过死点。 • 采用将两组以上的同样机构组合使用，且使各组机构 的死点位置相互错开排列的方法。
减速，但同时要增大电动机输出的转矩 使用齿轮传动
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齿轮传动
• 齿轮，是能互相啮合的有齿的机械零件。
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齿轮传动
• 齿轮传动，是以齿轮的齿互相啮合来 传递动力的机械传动。
• 其圆周速度可达到300m/s，传递功率 可达105KW。
• 齿轮直径一般从1mm到150m。 • 是现代机械中应用最广的一种机械传
– 结构紧凑 – 可在高温、 油污、潮湿等恶劣环境下工作 – 传动平稳性差，有噪音，磨损后易发生跳齿和
脱链， 急速反向转动的性能差
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带传动
• 传动比
传动比 = 从动轮齿数 /主动轮齿数
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链传动
• 张紧装置
重力
弹簧力
调整位置
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连杆传动
• 连杆传动，是利用连杆机构传动动力的机 械传动方式。
机器人构造
主 讲：吴 东
2020/3/27
本章内容
1. 机器人的构造 2. 机器人的控制器 3. 机器人的传感器 4. 机器人的驱动 5. 机器人的传动 6. 机器人的能源
2020/3/27
机器人的传动机构
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第二章机器人结构
5
工作空间（Working space）：机器人 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。
机械工程与汽车学院
第二章机器人结构
6
2.2 工业机器人的结构
2.2.1 机构运动简图
机械工程与汽车学院
（a）表示手指（末端执行器）； （b）表示垂直、升降运动； （c）表示水平伸缩运动； （d）表示回转运动； （e）表示俯仰运动。
• 夹紧力FN和向丝杠提供的驱动力矩T之间的 计算公式为
T
FN d0 tan
d0为丝杠螺纹的中径（mm）；β为螺纹的螺旋角
第二章机器人结构
22
机械工程与汽车学院
内撑连杆杠杆式夹持器
1－驱动第器二章2机－器杆人结构3－钳爪
23
机械工程与汽车学院
• 其撑紧方向与外夹式相反。钳壁 撑紧工 件，为使撑紧后能准确地用内孔定位，多 采用三个钳爪
第二章机器人结构
3
机械工程与汽车学院
刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。 它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。
自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描述物体 运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由 度一般不包括在内。
• 夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为
FN
FPc 2btanα
第二章机器人结构
18
机械工程与汽车学院
齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器 1－扇形齿轮 2－齿条杆 3－电磁第二式章驱机动器人器结构4－机座 5、6－连杆 7－钳爪19
机械工程与汽车学院
• 电磁式驱动器3以驱动力FP推动齿条杆2和 两个扇形齿轮1，扇形齿轮带动杆5（它们 联接成一整体），绕O1、O2旋转。连杆5、 6，钳爪7和夹持器的机座4构成一平行四杆 机构，驱动两钳爪平移，夹紧和松开工件。
• 1、气吸式吸盘 • 它是在利用轻性橡胶或塑料制成的皮碗中形成的负压来吸住工件的。适于吸
取大而薄，刚性差的金属和木质板材、纸张、玻璃和弧形壳体零件等。根据 不同作业情况，可以做成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊开关的吸盘。按形 成负压的方法有以下几种方式： • 1）挤压排气式吸盘 如图9-47a所示，靠向下挤压力将吸盘3内的空气排出， 使其内部形成负压，将工件4吸住。靠挡块（或外力FP作用）碰撞压盖1的上 部，使密封垫2抬起，进入空气，释放工件。有结构简单、质量小、成本低的 优点，但吸力不大，多用于吸取尺寸不大，薄而轻的物体。 • 2）气流负压式吸盘 控制阀将来自气泵的压缩空气自喷嘴通往，形成高速射 流，将吸盘内腔中的空气带走而形成负压，使吸盘吸住物体。如图9-47c所示， 若作业现场有压缩空气供应，这种吸盘比较方便，且成本低。 • 3）真空泵排气式吸盘 利用电磁控制阀将吸盘与真空泵相联，当抽气时，吸 盘腔内的空气被抽出，形成负压而吸住物体，见图9-47b。反之，控制阀将吸 盘与大气相连时，吸盘即失去吸力而松开工件。这种吸盘工件可靠，吸力大， 但需配备真空泵及其控制系统，费用较高。 • 图9-47d为吸取波纹板的特殊吸盘。图9-47e为双吸盘式吸头。
10
机械工程与汽车学院
2.2.2 工业机器人手部(手爪)结构
机械式夹持器
a) 单支点回转型 b) 双支点回转型 c) 平移型 d) 内撑式
第二章机器人结构
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机械工程与汽车学院
2.2.2 工业机器人手部(手爪)结构
第二章机器人结构
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1. 滑槽杠杆式手部
机械工程与汽车学院
滑槽杠杆式回转型夹持器
第二章机器人结构
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定位精度（Positioning accuracy）：指 机器人末端参考点实际到达的位置与所 需要到达的理想位置之间的差距。
机工程与汽车学院
重复性 （ Repeatability）或重复精度： o
o
在相同的位置指令下，机器人连续重
复若干次其位置的分散情况。它是衡
量一列误差值的密集程度，即重复度。
1－支架 2－第二杆章机3器－人圆结柱构 销 4－杠杆
13
机械工程与汽车学院
• 当驱动器推动杆2向上运动时，圆柱销3在 两杆4的滑槽中，迫使与支架1相铰接的两 手指（钳爪）产生夹紧动作和夹紧力。当 杆2向下运动时，手指松开。
• 夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为
FN
FPa
2bc o s2
第二章机器人结构
• 夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为
FN
FPR 2l cosα
第二章机器人结构
20
机械工程与汽车学院
左右旋丝杠平移型夹持器 1－电动机 2－丝杠 3－导轨 4－钳爪杆
第二章机器人结构
21
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• 由电动机1驱动的一对旋向相反的丝杠2提 供准确的平移夹紧动作。两丝杠协调一致 地安装在同一轴上。由导轨3保证钳爪杆4 的平移运动。
机械结构
机械工程与汽车学院
第二章机器人结构
1
第二章 机器人的结构
机械工程与汽车学院
2.1 相关术语及性能指标
关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相 对运动的机构。
第二章机器人结构
2
第二章 机器人的结构
连杆（Link）：机器人手臂上 被相邻两关节分开的部分。
机械工程与汽车学院
注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。
第二章机器人结构
7
直角坐标式
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圆柱坐标式
第二章机器人结构
8
球坐标式
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（a）直接驱动型
（b）平行连杆型
（c）偏置型
（d）平面型
第关二节章坐机器标人式结构
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3 2
6
4
5 1
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3 4
6
2
5
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第二章机器人结构
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机械工程与汽车学院
楔块杠杆式回转型夹持器
1－杠杆 2－弹簧第二3－章机滚器子人结构4－楔块 5－驱动器
15
机械工程与汽车学院
• 当气缸将楔块4向前推进时，楔块上的斜面 推动杠杆1，使两个手爪产生夹紧动作和夹 紧力。当楔块后移时，靠弹簧2的拉力使手 指松开。装在杠杆上端的滚子3与杆块为滚 动接触。
• 钳爪上撑紧力FN和驱动器1作用在推杆2上 推力FP之间的计算公式为
FN
FPc
3btan
第二章机器人结构
24
机械工程与汽车学院
气吸式吸盘的结构
a) 挤压排气式 b) 真空泵排气式 c) 气流负压式 d) 特殊吸盘 e) 双吸盘式吸头
1－压盖 2－第密二封章盖机器人3－结构吸盘 4－工件
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机械工程与汽车学院
• 夹紧力FN和驱动力FP之间的计算公式为
•
FN
FPc
2bsin
第二章机器人结构
16
机械工程与汽车学院
连杆杠杆式回转型夹持器
1－杆 2－连杆第二3章－机摆器动人结钳构爪 4－调整垫片
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机械工程与汽车学院
• 当驱动器推动杆1上下移动时，由杆1、连 杆2、摆动的钳爪3和夹持器体构成四杆机 构，迫使钳爪（手指）完成夹紧和松开动 作。