工业机器人第四章工业机器人结构设计

机器人常用材料简介 1）碳素结构钢和合金结构钢——这类材料强度好，特 别是合金结构钢，其强度增大了4～5倍，弹性模量E大，抗 变形能力强，是应用最广泛的材料。适合制造传动件、连 接件、连杆体支承件骨架等。 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/之比仍可与钢材相比。适合制造连杆体等。 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。这种纤维增强金属材料具有非常 高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 适合制造连杆体等


机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电动机驱动齿轮和蜗轮蜗杆传动。 机身的升降运动可以采用：直线液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的连杆式升降台；电动机驱动丝 杠螺母传动。 俯仰运动大多采用摆式直线液压（气）驱动，液压（气） 驱动齿条齿轮或四连杆机构传动；也有电动机驱动齿轮 和蜗轮蜗杆传动。 直移型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是悬挂手 臂的横梁。为使手臂能沿横梁平移，除了要有驱动和传 动机构外，导轨是一个重要的构件。

4.1 概述

机器人本体是机器人的重要组成部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的 运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影 响整体性能。

4.1.1 机器人本体的基本结构形式 机器人本体基本结构组成


机器人本体主要包括:
1) 传动部件； 2) 机身及行走机构； 3) 臂部； （见六伺服机械手臂视频） 4) 腕部；



机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电（b)双杆活塞气缸驱动链条链轮传 传动机构） 动机构 图4－1 链条链轮传动实现机身回转的原理图（P104）

工业机器人结构设计随着科技的不断进步和社会的不断发展，人类对于机器人的需求和应用也愈发增加。

工业机器人作为自动化生产的重要组成部分，其结构设计的合理与否直接关系到机器人的工作效率和安全性。

本文将探讨工业机器人结构设计的相关要素和技术原则。

一、工业机器人结构概述工业机器人是一种能够按照预设的程序和规则进行自主操作的机器设备。

其结构由机械结构、控制系统和动力系统组成。

机械结构是工业机器人的骨架，决定了机器人的稳定性和运动能力。

因此，工业机器人的结构设计至关重要。

二、工业机器人结构设计要素1. 机械臂工业机器人的机械臂是其最基本的结构部分，通常由关节和链杆组成。

机械臂的关节数量和类型根据工业机器人的应用需求而定。

机械臂需要具备足够的灵活性和刚度，以实现精确的运动和定位。

2. 末端执行器末端执行器是工业机器人实现具体任务的工具。

它可以是夹具、吸盘、焊枪等不同形式的工具。

末端执行器的选择和设计应根据具体任务的需求和要求。

3. 控制系统控制系统是工业机器人结构设计中重要的一环。

它负责控制机器人的动作和运动路径。

控制系统需要具备高精度、高响应速度和良好的稳定性。

同时，安全性和可靠性也是控制系统设计的重要考虑因素。

4. 动力系统动力系统为工业机器人提供动力，使其能够执行任务。

动力系统通常由电机、减速器和传动装置组成。

动力系统的设计需要考虑功率大小、精度要求和能耗等因素。

三、工业机器人结构设计原则1. 功能性原则工业机器人结构设计的首要原则是满足具体任务的功能需求。

机器人应能够稳定、高效地完成所要执行的任务，具备良好的定位和控制能力。

2. 结构强度原则工业机器人在工作过程中会承受较大的负载和运动力，因此结构强度是设计中的重要考虑因素。

机器人的各个部件应具备足够的强度和刚度，以确保机器人的工作稳定性和安全性。

3. 空间利用原则工业机器人的工作环境通常有限，因此在结构设计中需要注意空间利用的效率。

合理利用机器人的结构空间，提高机器人的工作效率和灵活性。

图4.8 手腕回转运动的形式
手腕各回转方向的定义分别如下：
（1）绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。
（2）使末端执行器相对于手臂进行的摆动称为腕摆。
（3）末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称为手转。
1. 手腕运动的分类 按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转 两种。 图4.9（a）所示为滚转，其特点是相对转动的两个零件的回转轴线 重合，因而能实现360无障碍旋转的关节运动，滚转通常用R来标 记。 图4.9（b）所示为弯转，其特点是两个零件的转动轴线相互垂直， 这种运动会受到结构的限制，相对转动角度一般小于360，弯转 通常用B来标记。
4.1 工业机器人的主体结构
机械系统通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和 手爪等，构成一个多自由度的机械系统。
4.1.1 主体结构的基本形式
常见的主体结构形式有：直角坐标形式、圆柱坐标形式、球 面坐标形式、关节坐标形式。下面分别就四种形式进行介绍。
1. 直角坐标形式机器人 直角坐标形式机器人具有如下优点：
4.4 移动式机器人
行走部分机构：行走式机器人的重要执行部件，由行走部的驱动 装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。 行走部分机构按其运动轨迹可分为：固定轨迹式和无固定轨迹式。 固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人，如横梁式机器人。 无固定轨迹式行走部按其行走机构的结构特点分为轮式行走部、 履带式行走部和关节式行走部。 固定轨迹式行走机构与地面连续接触，其形态为运行车式，该 机构用得比较多，多用于野外、较大型作业场所，也比较成熟； 无固定轨迹式行走机构与地面为间断接触，为人类（或动物） 的腿脚式，该机构正在发展和完善中。
1. 手臂的直线运行结构
机械手的伸缩、升降及横向（或 纵向）运动的机构实现形式较多， 常用的有活塞油（气）缸、活塞 缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机 图4.6 臂部伸缩结构机器人 构以及活塞缸和连杆机构等。 1—手部；2—夹紧缸；3—油缸； 4—导向柱；5—运行架；6—行 走车轮；7—轨道；8—支座

总体设计的步骤
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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。
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
特征
优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
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置与关节相连不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
减速比远>1的传动装置与关节相连
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。 (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。