第2章机器人机械结构讲解

• 为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对 空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动 的 三 个 自 由 度 ， 分 别 称 为 翻 转 R （ Roll ） 、 俯 仰 P （Pitch）和偏转Y（Yaw）。
• 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据 实际使用的工作性能要求来确定。
• 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。
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1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
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2）. 单回转腕部 结构示例
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3）双回转油缸驱动手腕
• 结构特点：
–采用双回转油缸驱动，一个带动手腕作俯仰 运动，另一个油缸带动手腕作回转运动。
• 单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一 个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于360°。 该运动用折曲关节（B关节）实现。
• Ｔ手腕－移动关节(Translation)
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单自由度手腕图例：
R手腕 B手腕
B手腕 T手腕 39
1．按自由度的数目分（2）：
• 二自由度手腕： –可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关 节实现，或由两个B关节组成BB关节实现， 但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因 为两个R关节的功能是重复的，实际上只起 到单自由度的作用。
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
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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
–V-V视图表示的回转缸中动片带动回转油缸 的刚体，定片与固定中心轴联结实现俯仰运 动；L-L视图表示回转缸中动片与回转中心 轴联结，定片与油缸缸体联结实现回转运动。
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双回转油缸驱动手腕图例：
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4）轮系驱动的二自由度BR手腕：
• 结构特点：
–由轮系驱动可实现手腕回转和俯仰运动，其 中手腕的回转运动由传动轴S传递，手腕的 俯仰运动由传动轴B传递。
2.3 手部结构
一、手部的特点
手部是一个独立的部件，手部对整个机器人完 成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着 夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。
1.手部与手腕相连处可拆卸：
• 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持 对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机 器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部 与手腕处的接头具有通用性和互换性。
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（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
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
俯仰
肩转
腰转
腰转姿态
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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
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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：
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2.立柱式
（1）单臂配置 固定的立柱上配置单个臂， 一般臂部水平或倾斜安装 在立柱的顶部。右图为立 柱式浇注机器人，以平行 四边形铰接的四连杆机构 作为臂部，实现俯仰运动。 浇包始终铅垂，该装置结 构简单，稳定可靠
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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
Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动
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轮系驱动三自由度手腕图例（5）：
• 附加回转运动：
–轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架
回转时→迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、
Z13、Z14、Z15实现附加回转运动
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• 思考题：
1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？ 2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？ 动。3、齿轮17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试分析其60 运
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
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双臂立柱式机器人，双臂 位于机身的前后两侧，可 同时绕立柱轴线回转和绕 水平轴作方向相反的俯仰 运动。
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3.机座式（1）
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机座式（2）
可将几台机器围绕机器人
布置，该机器人负责传送
工件
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4.屈伸式
大小臂在垂直于机床轴 线的平面上运动，借助 腕部旋转900，把工件放 到机床顶尖间
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腕部俯仰局部图例：
电机M4→减速器R4→链轮副 C4→俯仰运动n4
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肘关节局部图例：
电机M3 →两级同步带 传动B3、B3′→减速器 R3→肘关节摆动n3
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动n2
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2.2 腕部和手部结构
• 一.腕部
• 是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态 的作用。
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轮系驱动三自由度手腕图例（2）：
• 俯仰运动：
–轴 B 旋 转 → 齿 轮 副 Z24/Z21 ， Z21/Z22→ 齿 轮 副 Z20 、 Z16→齿轮副Z16、Z17→齿轮副Z17、Z18→轴19旋转 →手腕壳体与轴19固联→实现手腕的俯仰运动
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轮系驱动三自由度手腕图例（3）：
• 360度回转运动：
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轮系驱动二自由度手腕图例（3）：
• 附加回转运动：
轴S不转而B轴回转→锥 齿轮Z3不转→锥齿轮Z3、 Z4相啮合→迫使Z4绕C轴线 有一个附加的自转，即为 附加回转运动。 • 附加回转运动在实际使用 时应予以考虑。必要时应
加以利用或补偿。
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附加运动动作分解：
轴主动
行星运动
齿轮固 定不动
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二自由度手腕图例：
BR手腕
BB手腕
RR手腕(属于单自由度)
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1．按自由度的数目分（3）：
• 三自由度手腕：
–有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕 可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功 能。
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三自由度手腕图例：
BBR手腕
B
BBR手腕
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2．按手腕的驱动方式分：
• 直接驱动手腕：
–驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕 的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻 而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液 压马达。
它没有直移型的升降 装置，而是靠腿部 和腰部的屈伸运动 实现升降。须有驱 动肩关节，腰关节， 腿部的驱动装置
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五.机械臂的典型结构
• 1.手臂直线运动的机构 • 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： –电机驱动的丝杆螺母直线结构
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电机驱动丝杆螺母直线运动结构图例
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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： • 典型机构：
– 液压缸—连杆回转机构： – 齿轮驱动回转机构：
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双臂机器人手臂结构图例：
运动特点：
手臂关节的回转运 动是通过液压缸-连 杆机构实现。控制 活塞的行程就控制 了手臂摆角的大小。
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
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(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
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• 手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手 部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一 定要求具有互换性。
• 2．手部是末端操作器：可以具有手指，也可 以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工 具。
• 3．手部的通用性比较差：工业机器人的手部 通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种 或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件； 一种工具只能执行一种作业任务。
大小臂回转平面垂直
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四.机身的结构形式
1.升降回转 型机身结构
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2.升降台式
活塞杆11带动 下移轴 8左右移动，通过连杆 使平台升降
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2.俯仰式
• 4是回转油缸， • 7是俯仰油缸
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• 3.直移型机身结构 直移型型机器人多为悬挂式的，其机身实际上 就是手臂的横梁
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4.类人机器人机身
• 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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腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：