《机器人结构设计》课件
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机器人结构设计PPT学习课件
12
1—码盘； 2 —测速机； 3 —电机； 4 —联轴器； 5 —传动装置； 6 —转动关节； 7 —杆
8 —电机； 9 —联轴器； 10 —螺旋副； 11 —移动关节； 12 —电位器(或光栅尺)
伺服电机驱动关节——伺服电机+联轴节+传动装置+运动关节+反馈元件
13
2.2.2 驱动装置的类型和特点
第二章 机器人的主要结构
机器人本体的结构形式
机 器 人本体
执行机构
传动装置
驱动装置
控制系统
感知系统
手 部 （腕臂腰 操部部部 作 器 ）
（ 固基
定 或
移座
动
）
电 驱 动 装 置
液 压 驱 动 装 置
气 压 驱 动 装 置
关
节
伺
处服
理 器
控 制 器
内外 部部 传传 感感 器器
1
小臂（上臂）
腕部 手部
1．卡爪式夹持器； 2．吸附式取料手； 3．专用操作器及换接器 4．仿生多指灵巧手。
53
2.4.1 卡爪式夹持器
卡爪式夹持器通常有两个夹爪，分为弹力型、回转型和 平移型三种类型。 1、弹力型夹持器
几种弹力型夹持器
54
2、回转型夹持器 开合占用空间较 小，但是夹持中 心变化。
55
3、平移型夹持器 开合占用空间较大，但是夹持中心不变。
34
35
➢ 直动关节
直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采 用滚动丝杠和导柱(轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的移 动结构。导柱(轨)起到导向及承受支承力与弯矩矩的作用。
36
➢ 多关节柔性臂 多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联
1—码盘； 2 —测速机； 3 —电机； 4 —联轴器； 5 —传动装置； 6 —转动关节； 7 —杆
8 —电机； 9 —联轴器； 10 —螺旋副； 11 —移动关节； 12 —电位器(或光栅尺)
伺服电机驱动关节——伺服电机+联轴节+传动装置+运动关节+反馈元件
13
2.2.2 驱动装置的类型和特点
第二章 机器人的主要结构
机器人本体的结构形式
机 器 人本体
执行机构
传动装置
驱动装置
控制系统
感知系统
手 部 （腕臂腰 操部部部 作 器 ）
（ 固基
定 或
移座
动
）
电 驱 动 装 置
液 压 驱 动 装 置
气 压 驱 动 装 置
关
节
伺
处服
理 器
控 制 器
内外 部部 传传 感感 器器
1
小臂（上臂）
腕部 手部
1．卡爪式夹持器； 2．吸附式取料手； 3．专用操作器及换接器 4．仿生多指灵巧手。
53
2.4.1 卡爪式夹持器
卡爪式夹持器通常有两个夹爪，分为弹力型、回转型和 平移型三种类型。 1、弹力型夹持器
几种弹力型夹持器
54
2、回转型夹持器 开合占用空间较 小，但是夹持中 心变化。
55
3、平移型夹持器 开合占用空间较大，但是夹持中心不变。
34
35
➢ 直动关节
直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采 用滚动丝杠和导柱(轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的移 动结构。导柱(轨)起到导向及承受支承力与弯矩矩的作用。
36
➢ 多关节柔性臂 多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联
《机器人结构设计》课件
螺丝连接
适用于各种材料的连接，拆卸 方便，但连接强度较低。
粘接
适用于塑料、玻璃等材料的连 接，操作简便，但耐久性较差
。
扣件连接
适用于各种材料的连接，连接 强度较高，拆卸方便。
驱动系统设计
01
02
03
电动机驱动
利用电动机产生的扭矩或 直线推力驱动机器人运动 。
液压驱动
利用液压油产生的压力驱 动机器人运动，具有较大 的推力。
详细描述
可变形机器人通过先进的材料、驱动系统和控制算法，实现 自主变形和适应环境变化的能力。这种机器人可以在复杂环 境中执行任务，如搜救、探测和军事行动等。
微型机器人
总结词
微型机器人是指尺寸微小的机器人， 具有高度的机动性和灵活性。
详细描述
微型机器人在微纳操作、医疗、环保 等领域具有广泛的应用前景。通过精 密制造和智能控制技术，微型机器人 可以实现复杂的运动和操作功能，如 细胞操作、药物输送等。
02
足式机器人由腿部、关节、电机、控制器和身体等部分组成，
可以通过调节电机的输出实现机器人的步态控制。
足式机器人在人机交互、影视特效、反恐等领域有广泛应用。
03
飞行机器人
飞行机器人是一种能够在空中飞行的 机器人，具有高度的机动性和灵活性 。
飞行机器人在航拍、侦查、搜救等领 域有广泛应用。
飞行机器人通常由机翼、电机、控制 器和机身等部分组成，通过调节电机 的输出实现机器人的升降、俯仰、偏 航等动作。
环境中能够正常运行。
工业机器人
工业机器人是一种用于工业生产 的机器人，如焊接机器人、装配
机器人等。
工业机器人的结构设计需要考虑 机器人的负载能力、精度、稳定
机器人的机械臂结构课件
三、典型机械臂结构
1．手臂直线运动机构
常见方式：
行程小时：采用油缸或气缸直接驱动；
当行程较大时：可采用油缸或气缸驱动
齿条传动的倍增机构或采用步进电机或 伺服电机驱动，并通过丝杆螺母来转换 为直线运动。
典型结构：
油缸驱动的手臂伸缩运动结构 电机驱动的丝杆螺母直线运动结构
油缸—齿条机构图例：
2．手臂的回转运动机构
常见方式：
常见的有齿轮传动机构，链轮传动机构，活塞及连 杆传动机构等。
曲柄滑块机构：
假设滑块是主动件，当滑块沿一定的导轨移动时， 可以推动曲柄做摆动或圆周运动。
典型机构：
液压缸—连杆回转机构： 齿轮驱动回转机构：
平面四杆构图例：
双曲柄机构
平面四杆机构
双摇杆机构
二、机械臂的运动形式
1．直角坐标型
臂部由三个相互 正交的移动副组 成。带动腕部分 别 沿 X、Y、Z 三 个坐标轴的方向 作直线移动。结 构简单，运动位 置精度高。但所 占空间较大，工 作范围相对较小。
2．圆柱坐标型
臂部由一个转 动副和两个移 动副组成。相 对来说，所占 空间较小，工 作范围较大， 应用较广泛。
3．关节型机械臂的结构（1）
存在的运动型式：
机身的旋转运动； 肩关节和肘关节的摆动； 腕关节的俯仰和旋转运动；
各运动的协调： 称为5轴关节型机器人。
五轴关节型机器人手臂运动图例（1）：
偏转 肘转
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
3．关节型机械臂的结构（2）
3、《钢结构》
3、导向性能好，定位精度高
为防止手臂在直线运动中，沿运动轴 线发生相对转动，应设置导向装置。 同时要采用一定形式的缓冲措施。
工业机器人--工业机器人结构设计 ppt课件
1/3~1/2左右。
（4）运动精度高，回差小。
（5）传动效率高，一般单级传动效率为70%-90%。
（6）可向密闭空间传递运动和动力，这一点是其它任
何机械传动无法实现
PPT课件
16
行星减速器的主要特点如下： （1）体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高。
由于行星齿轮传动是一种共轴线式传动形式，即具有同轴线传动 的特点。在结构上采用了对称分流传动结构，即用几个完全相同 的行星轮均匀分布在中心轮圆周来共同分担载荷，并且合理地应 用了内啮合，充分地利用了空间的容积，从而缩小了径、轴向尺 寸，使结构紧凑，而承载能力又高。因而行星齿轮传动在相同功 率和传动比的条件下，可使其外部尺寸和重量只为普通齿轮传动 的1/2-1/6。
臂部设计的基本要求 手臂的常用结构 臂部运动驱动力计算
4、手腕设计
概述 手腕分类 手腕设计举例
5、手部设计
概述 手部分类 手爪设计和选用的要求 普通手爪设计 6、机身及行走机构设计 机身设计 行走机构设计
PPT课件
3
一 工业机器人总体设计
工业机器人 机械系统设计
PPT课件
1
主 要 内 容
1、工业机器人总体设计
主体结构设计
传动方式选择
模块化结构设计
材料选择
平衡系统设计
2、传动部件设计
移动关节导轨及转动关节轴承
传动件的定位及消隙
谐波传动
丝杠螺母副及其滚珠丝杠传动
其它传PP动T课件
2
主要内容
3、臂部设计
6
一 工业机器人总体设计
材料的选择
材料选择的基本要求
强度高
机器人机械结构PPT演示文稿
腰转姿态
27
五轴关节型机器人手臂运动图例（2）：
肩关节、肘关节与手腕的协调
2021/3/10
28
3．关节型机械臂的结构（2）
• 各运动的实现：
– 腕部的旋转：
• 电机M5→减速器R5→链轮副C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
– 腕部俯仰：
• 电机M4→减速器R4→链轮副C4→俯仰运动n4
– 肘关节摆动：
• 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
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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
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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
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7
右图为铣端面，打中心孔机 床的上料机器人，臂架2带动 臂3绕机身立柱1回转，同时， 通过行星齿轮使臂3绕臂架2的 轴线回转，手部夹持中心的轨 迹为一空间曲线，能迅速地将 工件从料架送到机床的夹具上， 但惯性较大，适用于中小型工件
2021/3/10
8
（2）双臂配置
双臂同步升降和回 转机器人，两臂互 成直角，当两臂下 降时，上料手在料 道上取料，下料手 从机床两顶尖取下 工件。两臂上升后 转900再下降，上料 手将毛坯放到顶尖 间，下料手放工件
2021/3/10
双臂同步回转机 器人，两臂的伸 缩分别驱动用来 完成较大行程的 提升与转位工作， 双臂对称布置， 较平稳
双臂水平交叉配置 机器人，它通过两 臂同时升降，交错 伸缩，实现一手上 料，一手下料
工业机器人结构设计ppt课件
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都 具有独立的驱动器，属于主动连 杆系，连杆的运动各自独立，不 同连杆的运动之间没有依从关系， 运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 时域中的变化非常复杂，且和执 行器反馈信号有关。连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传 动系统的刚度、间隙和运动精度 都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ
机器人的机械结构ppt课件
精选PPT课件
39
图为采用四根导向柱的臂伸缩结构．手臂的垂直伸缩 运动由油缸3驱动．其特点是行程长，抓重大．工件形 状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，采用四根 导向柱．这种结构多用于箱体加工线上．
精选PPT课件
40
三、机器人机身和臂部的配置形式（4种）
1. 横梁式 ① 单臂悬挂式 ② 双臂悬挂式 ③ 多臂悬挂 ④ 多用于自动化生产中，在工位间传送工 件
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18
圆柱坐标机器人： 1个回转运动，2个直线运动
精选PPT课件
19
球坐标（极坐标）机器人： 2个转动， 1个直线运动
精选PPT课件
20
关节坐标机器人：3个转动自由度
精选PPT课件
21
SCARA机器人：2个旋转运动， 1个直线运动
精选PPT课件
22
机器人 关节1 关节2 关节3 转动关节数
精选PPT课件
4
按照应用领域
工业机器人、农业机器人、军事机器人、 医用机器人、空间机器人、水下机器人
按照驱动方式
•液压驱动：机构紧凑、力大、运行平稳，密封
要求高
•气压驱动：结构简单造价低，负荷能力小
•电动驱动：结构简单紧凑，控制灵活
•新型：记忆合金、人工肌肉、压电
精选PPT课件
5
按控制方式分类(4种)
5、控制方式：机器人用于轴的控制方式，
伺服/非伺服,PTP/CP
6、驱动方式：关节执行器的动力源形式
精选PPT课件
27
7、精度、重复精度、分辨率：用来定义机 器人手部的定位能力。
▪ 分辨率 指机器人每根轴能够实现的最小移动距离 或最小转动角度。
▪ 精度 指机器人到达指定点的精确程度。它与机器 人驱动器的分辨率及反馈装置有关。
第2章 工业机器人的总体设计PPT课件
2）提高支承刚度和接触刚度。支撑刚度主要取决于支座的结构 形状。接触刚度主要取决于配合表面的加工精度和粗糙度。
3）合理布置作用力的位置和方向。尽量使各作用力引起的变形 互相抵消，如下图Unimate2000机器人。
8/9/2020
河北科技大学机械电子工程学院
23
Unimate2000机器人
8/9/2020
1、刚度
▪ 刚度是指机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。用外力和 在外力方向上的变形量（位移）之比来度量的，变形越小，刚 度越大。在有些情况下，刚度比强度更重要，为了提高刚度， 应注意：
1）根据受力情况，合理选择截面形状或轮廓尺寸。机身和臂部 既受弯矩，又受扭矩，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。 一般采用具有封闭空心截面的构件。不仅有利于提高结构刚度， 而且空心内部还可以布置安装驱动装置、传动机构和管线等， 使整体结构紧凑，外形美观。
▪ 若柔性齿轮（齿数Z2)固定，谐波发生器为输入，刚性齿
轮(齿数Z1)为输出，则速比为 i z正1 号表示方向与输入
相同。
z1 z2
▪ 特点：
1）传动比大而且范围宽。可达50～500。
2）同时啮合的齿数多（总齿数的30％～40％），承载能力 高。
3）零件少，体积小，重量轻。
4）运动精度高，效率高。
5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材 料。 2）铝、铝合金及其他轻合金材料 ▪ 这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是 材料密度小，故E/ρ之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合 金的品质得到了更明显的改善，例如添加3.2％(重量百分 比)锂的铝合金，弹性模量增加了14％，E/ρ比增加了16 ％。 3）纤维增强合金 ▪ 这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等， 其E/ρ比分别达到11.4×107 和8.9×107。这种纤维增强金 属材料具有非常高的E/ρ比，但价格昂贵。
3）合理布置作用力的位置和方向。尽量使各作用力引起的变形 互相抵消，如下图Unimate2000机器人。
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河北科技大学机械电子工程学院
23
Unimate2000机器人
8/9/2020
1、刚度
▪ 刚度是指机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。用外力和 在外力方向上的变形量（位移）之比来度量的，变形越小，刚 度越大。在有些情况下，刚度比强度更重要，为了提高刚度， 应注意：
1）根据受力情况，合理选择截面形状或轮廓尺寸。机身和臂部 既受弯矩，又受扭矩，应选用抗弯和抗扭刚度较大的截面形状。 一般采用具有封闭空心截面的构件。不仅有利于提高结构刚度， 而且空心内部还可以布置安装驱动装置、传动机构和管线等， 使整体结构紧凑，外形美观。
▪ 若柔性齿轮（齿数Z2)固定，谐波发生器为输入，刚性齿
轮(齿数Z1)为输出，则速比为 i z正1 号表示方向与输入
相同。
z1 z2
▪ 特点：
1）传动比大而且范围宽。可达50～500。
2）同时啮合的齿数多（总齿数的30％～40％），承载能力 高。
3）零件少，体积小，重量轻。
4）运动精度高，效率高。
5倍，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的材 料。 2）铝、铝合金及其他轻合金材料 ▪ 这类材料的共同特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是 材料密度小，故E/ρ之比仍可与钢材相比。有些稀贵铝合 金的品质得到了更明显的改善，例如添加3.2％(重量百分 比)锂的铝合金，弹性模量增加了14％，E/ρ比增加了16 ％。 3）纤维增强合金 ▪ 这类合金如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等， 其E/ρ比分别达到11.4×107 和8.9×107。这种纤维增强金 属材料具有非常高的E/ρ比，但价格昂贵。
工业机器人工业机器人结构设计PPT文档33页
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
工业机器人工业机器人结构设计
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
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《机器人结构设计》
传动方式选择
（1）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式 （2）工业机器人的传动形式
传动形式 直接连结传动
特征
优点
直接装在关节上 结构紧凑
缺点
需考虑电机自重，转 动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装 不需考虑电机自重， 额外的间隙和柔性，
置与关节相连 平衡性良好
结构庞大，能耗大
工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同 工艺过程所要求的定位精度如下：
金属切削机床上下料：±(0.05-1.00) mm 冲床上下料：±1 mm
模锻：
±(0.1-2.0) mm 点焊： ±1 mm
装配、测量： ±(0.01-0.50) mm 喷涂： ±3 mm
当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹 具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。
(3)虽然功能模块的形式有多种多样，但是尚未真正做到根 据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。
《机器人结构设计》
机器人本体材料的选择
强度高
弹性模量大
重量轻
经济性好 阻尼大
材料选择 基本要求
《机器人结构设计》
(1)强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅 能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减 轻重量。
《机器人结构设计》
4
(2) 机器人运动形式的选择。 常见机器人的运动形式有 五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 SCARA型。
(3) 拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便结 构设计时考虑安装位置。
(4) 确定控制系统总体方案，绘制框图。
(5) 机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设计 具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。
《机器人结构设计》
《机器人结构设计》
3.模块化工业机器人所存在的问题
(1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。因为模 块之间的结合是可方便拆卸的，尽管在设计上已经注意到了 标准机械接口的高精度要求，但实际制造仍会存在误差，所 以与整体结构相比刚度相对地差些。
(2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工业 机器人的整体重量有可能增加。
机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量 制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼 装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。
《机器人结构设计》
(2)灵活性。其主要体现在：
①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机 器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多 台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴 模块,工业机器人成为移动式机器人。
1、系统分析
机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工
具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如
下分析工作：
(1)明确采用机器人的目的和任务。
(2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。
(3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方 案。 如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重 量……
(5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结
构、尺寸和参数进行修改，加以完善。
机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的
设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅
相成，构成一个完整的机器人系统。
《机器人结构设计》
6
主体结构设计
主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式 （1）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩 （2）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、 伸缩 （3）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动 和伸缩 （4）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动
②为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的 手臂模块或加接手臂模块。下图所示是一种多关节多臂检测机 器人，不仅多臂模块组合成的手臂很长，而且手臂可作波浪运 动。
③能不断对现役模块化工业机器人更新改造。比如，用户可 以选用伸缩套筒式手臂模块来更替原有固定长度的模块；随着 控制技术和传感技术的发展，可更换更高性能的控制模块和更 高精度的传感器模块；更换新模块来进行工业机器人的维修保 养。
成本高
模块化结构设计
模块化工业机器人。由一些标准化、系列化的模块件通过具有 特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。
模块化工业机器人的特点
(1)经济性。 设计和制造通用性很强的工业机器人是很不经济的，价
格昂贵。用户希望厂商能为诸多的作业岗位提供可选择的， 自由度尽可能少，控制和编程简单，实用性强的专用机器 人。
《机器人结构设计》
5
3、仿真分析
(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。
(2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满
足要求。
(3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实
现机器人的运动仿真。
(4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿
真计算。
间接传动 直接驱动
减速比远>1的传 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不
动装置与关 节相 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差，降
连
方便一些运动转换 低可靠性
不经中间关 节或 传动精度高，振动小，控制系统设计困难，
经速比=1的传动 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高，
装置与关节相连《机器高人，结构响设计应》快
(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。
《机器人结构设计》
3
2、技术设计
(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、 运动速度及定位精度等。
举例：定位精度的确定
机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手 本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚 性、驱动方式、缓冲方式等。
工业机器人的本体结构设计
任务1：工业机器人的总体设计 任务2：工业机器人的驱动与传动 任务3：机身和臂部设计 任务4：腕部设计 任务5：手部设计《机器人结构设计》来自任务1 工业机器人总体设计
总体设计的步骤 主体结构设计 传动方式选择 模块化结构设计 材料选择 平衡系统设计
《机器人结构设计》
2
总体设计的步骤
传动方式选择
（1）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式 （2）工业机器人的传动形式
传动形式 直接连结传动
特征
优点
直接装在关节上 结构紧凑
缺点
需考虑电机自重，转 动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装 不需考虑电机自重， 额外的间隙和柔性，
置与关节相连 平衡性良好
结构庞大，能耗大
工艺过程的不同，对机器人或机械手重复定位精度的要求也不同，不同 工艺过程所要求的定位精度如下：
金属切削机床上下料：±(0.05-1.00) mm 冲床上下料：±1 mm
模锻：
±(0.1-2.0) mm 点焊： ±1 mm
装配、测量： ±(0.01-0.50) mm 喷涂： ±3 mm
当机器人或机械手本身所能达到的定位精度有困难时，可采用辅助工夹 具协助定位的办法，即机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。
(3)虽然功能模块的形式有多种多样，但是尚未真正做到根 据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。
《机器人结构设计》
机器人本体材料的选择
强度高
弹性模量大
重量轻
经济性好 阻尼大
材料选择 基本要求
《机器人结构设计》
(1)强度高。机器人的臂是直接受力的构件，高强度材料不仅 能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减 轻重量。
《机器人结构设计》
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(2) 机器人运动形式的选择。 常见机器人的运动形式有 五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 SCARA型。
(3) 拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便结 构设计时考虑安装位置。
(4) 确定控制系统总体方案，绘制框图。
(5) 机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设计 具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。
《机器人结构设计》
《机器人结构设计》
3.模块化工业机器人所存在的问题
(1)模块化工业机器人整个机械系统的刚度比较差。因为模 块之间的结合是可方便拆卸的，尽管在设计上已经注意到了 标准机械接口的高精度要求，但实际制造仍会存在误差，所 以与整体结构相比刚度相对地差些。
(2)因为有许多机械接口及其它连接附件，所以模块化工业 机器人的整体重量有可能增加。
机器人制造厂家也希望改变设计和制造模式，采用批量 制造技术来生产标准化系列化的工业机器人模块，自由拼 装工业机器人，满足用户经济性好和基本功能全的要求。
《机器人结构设计》
(2)灵活性。其主要体现在：
①可根据工业机器人所要实现的功能来决定模块的数量，机 器人的自由度可以方便地增减。比如，用户要求机器人能为多 台设备进行作业时，可增选一个底座移动轴模块或其它行走轴 模块,工业机器人成为移动式机器人。
1、系统分析
机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工
具。首先确定使用机器人是否需要与合适，决定采用后需要做如
下分析工作：
(1)明确采用机器人的目的和任务。
(2)分析机器人所在系统的工作环境，包括设备兼容性等。
(3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方 案。 如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重 量……
(5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结
构、尺寸和参数进行修改，加以完善。
机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分。其他系统的
设计尽管有各自的独立性，但都必须与机械系统相匹配，相辅
相成，构成一个完整的机器人系统。
《机器人结构设计》
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主体结构设计
主体结构设计的关键是选择由连杆件和运动副组成的坐标形式 （1）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩 （2）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、 伸缩 （3）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动 和伸缩 （4）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动
②为了扩大工业机器人的工作范围，可更换具有更长长度的 手臂模块或加接手臂模块。下图所示是一种多关节多臂检测机 器人，不仅多臂模块组合成的手臂很长，而且手臂可作波浪运 动。
③能不断对现役模块化工业机器人更新改造。比如，用户可 以选用伸缩套筒式手臂模块来更替原有固定长度的模块；随着 控制技术和传感技术的发展，可更换更高性能的控制模块和更 高精度的传感器模块；更换新模块来进行工业机器人的维修保 养。
成本高
模块化结构设计
模块化工业机器人。由一些标准化、系列化的模块件通过具有 特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。
模块化工业机器人的特点
(1)经济性。 设计和制造通用性很强的工业机器人是很不经济的，价
格昂贵。用户希望厂商能为诸多的作业岗位提供可选择的， 自由度尽可能少，控制和编程简单，实用性强的专用机器 人。
《机器人结构设计》
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3、仿真分析
(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。
(2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满
足要求。
(3)运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实
现机器人的运动仿真。
(4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿
真计算。
间接传动 直接驱动
减速比远>1的传 经济、对载荷变化不 传动精度低、结构不
动装置与关 节相 敏感、便于制动设计、紧凑、引入误差，降
连
方便一些运动转换 低可靠性
不经中间关 节或 传动精度高，振动小，控制系统设计困难，
经速比=1的传动 传动损耗小，可靠性 对传感元件要求高，
装置与关节相连《机器高人，结构响设计应》快
(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。
《机器人结构设计》
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2、技术设计
(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、 运动速度及定位精度等。
举例：定位精度的确定
机器人或机械手的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人或机械手 本身所能达到的定位精度取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚 性、驱动方式、缓冲方式等。
工业机器人的本体结构设计
任务1：工业机器人的总体设计 任务2：工业机器人的驱动与传动 任务3：机身和臂部设计 任务4：腕部设计 任务5：手部设计《机器人结构设计》来自任务1 工业机器人总体设计
总体设计的步骤 主体结构设计 传动方式选择 模块化结构设计 材料选择 平衡系统设计
《机器人结构设计》
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总体设计的步骤