第四章 工业机器人的基本结构 4.1 工业机器人的主体结构4.2 工业机器人的臂部结构 4.3 工业机器人的腕部和手部结构4.4 移动式机器人工业机器人的机械系统，包括机器人的机体结构和机械传动系统。1.机器人的机械系统是机器人的本体，机器人需要通过本体的运动和动作来完成特定的任务；2.不同应用领域的工业机器人的机械系统存在着较大差异；3.从机器人基本组成的主体结构、臂部结构、手腕部结构和常见移动机器人机构等角度出发，了解和掌握常见机构在机器人设计中的应用。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：（1）结构简单。（2）编程容易，在X，Y，Z三个方向的运动没有耦合，便于控制系统的设计。（3）直线运动速度快，定位精度高，避障性能较好。图4.1 直角坐标机器人缺点和问题：（1）动作范围小，灵活性较差。（2）导轨结构较复杂，维护比较困难，导轨暴露面大，不如转动关节密封性好。（3）结构尺寸较大，占地面积较大。（4）移动部分惯量较大，增加了对驱动性能的要求。2. 圆柱坐标形式机器人圆柱坐标形式机器人主要有如下优点：（1）控制精度较高，控制较简单，结构紧凑。（2）对比直角坐标形式，在垂直和径向的两个往复运动可以采用伸缩套筒式结构，在腰部转动时可以把手臂缩回去，从而减小了转动惯量，改善了力学负载。图4.2 圆柱坐标机器人主要缺点：由于机身结构的原因，手臂不能到达底部，减小了机器人的工作范围，同时结构也较庞大。3. 球面坐标形式机器人美国Unimation公司的Unimation系列机器人就是球面坐标形式的代表。图4.3 球面坐标机器人球面坐标形式机器人的特点是：占地面积较小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性能较差，存在平衡问题。4. 关节坐标形式机器人关节坐标形式机器人主要有以下优点：（1）结构紧凑，占地面积小。（2）灵活性好，手部到达位置好，具有较好的避障性能。（3）没有移动关节，关节密封性能好，摩擦小，惯量小。（4）关节驱动力小，能耗较低。图4.4 关节坐标机器人关节坐标形式机器人的缺点有：（1）运动过程中存在平衡问题，控制存在耦合。（2）当大臂和小臂舒展开时，机器人结构刚度较低。4.1.2 主体结构的设计工业机器人主体结构及其机身设计时的注意事项：1.作为整个机器人支撑的主体应该具有足够大的刚度、强度和稳定性；2.主体结构自身应该保证运动灵活，避免在结构设计上出现自锁卡死的问题，选择合适的驱动方式，结构布置合理。机器人主体结构材料的选择4.2 工业机器人的臂部结构手臂的作用：将抓取的工件运送到给定的位置上，因而一般机器人的手臂有3个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度都直接影响机器人的工作性能，所以必须根据机器人的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度以及定位精度的要求来设计手臂的结构形式。4.2.1 臂部结构的基本形式按手臂的结构形式区分:手臂有单臂、双臂及悬挂式，如图4.5所示。（b）双臂机器人（c）单臂结构（a）单臂机器人（d）双臂结构图4.5 单臂、双臂结构机器人按机械手手臂的运动形式分:有直线运动、回转运动和复合运动等不同的运动方式，对应不同的机械手臂部的结构。直线运动有手臂的伸缩、升降以及横向（或纵向）移动；回转运动有手臂的左右回转、上下摆动（俯仰）；复合运动是既有直线. 手臂的直线运行结构机williamhill中文官方网站械手的伸缩、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、丝杠螺母机构以及活塞缸和连杆机构等。图4.6 臂部伸缩结构机器人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2. 手臂回转和俯仰运行机构实现机械手回转运动的常见机构有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链传达机构、连杆机构等。3. 手臂的复合运动机构手臂的复合运动多数用于动作程序固定不变的专用机器人，它不仅使机器人的传动结构简单，而且可简化驱动系统和控制系统，并使机器图4.7 油缸铰链结构的俯仰机器人人传动准确、工作可靠，因而在生产中应用比较多。除手臂实现复合运动外，手腕和手臂的运动亦能组成复合运动。手臂（或手腕）和手臂的复合运动，可以由动力部件（如活塞缸、回转缸、齿条活塞缸等）与常用机构（如凹槽机构、连杆机构、齿轮机构等）按照手臂的运动轨迹（即路线）或手臂和手腕的动作要求进行组合。4.2.2 臂部结构的设计工业机器人的臂部由大臂、小臂所组成，一般具有2～3个自由度，即伸缩、回转或者俯仰。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电驱动几种形式，其中电驱动最为通用。1. 臂部设计的特点和要求对机械手臂的设计要求有：（1）手臂的结构应该满足机器人作业空间的要求。（2）合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。工字形截面的弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。（3）尽量减小手臂重量和整个手臂相对于转动关节的转动惯量，以减小运动时的动载荷与冲击。（4）合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。2. 臂部材料选择应当优先选择强度大而密度小的材料制作手臂，其中非金属材料有尼龙?6、聚乙烯（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。4.3 工业机器人的腕部和手部结构工业机器人的腕部起到支承手部的作用，机器人一般具有6个自由度才能使手部（末端操作器）达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。4.3.1 腕部结构的基本形式和特点手腕具有独立的自由度一般需要3个自由度，由3个回转关节组合而成。组合的方式多种多样，常用的如图?4.8?所示。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. 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?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。（b）弯转（a）滚转图4.9 滚转和弯转图4.10所示为3自由度手腕的几种结合方式。图4.10 3自由度手腕的组合形式2. 常见的腕部结构图4.12 2自由度手腕的复合运动图4.11 RRR型3自由度手腕图4.13 3自由度手腕的复合运动1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B4.3.2 手部结构的基本形式和特点如图4.14所示，机械手模仿人手的抓取功能，分别实现无手指关节的简单夹持、固定手指关节的夹持和有手指关节的夹持抓取等几种类型。图4.14 末端手部的几种形式工业机器人的手部（hand）也叫做末端操作器（end-effector），它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。1. 机械手常见类型和结构工业机器人末端执行器大致可分为以下几类：夹钳式取料手；吸附式取料手；仿生多指灵巧手。手爪的典型结构有以下几种：（1）机械手爪。机械手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。（2）磁力吸盘。磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。（3）仿生多指灵巧手。2. 工业机器人手部的一般特点（1）手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，当机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。（2）手部是工业机器人的末端操作器。它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕的喷漆枪、焊接工具等。（3）手部的通用性比较差。工业机器人手部通常是专用的装置，比如一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件，一种工具只能执行一种作业任务。（4）手部是—个独立的部件。假如把手腕归属十手臂，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部（末端操作器）。手部对于整个工业机器人来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现，增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性。3. 设计机械手时需要注意的问题（1）手部设计需要注意的问题：考虑被抓握的对象物体的几何参数和机械特性。考虑手爪和机器人匹配。考虑环境条件。（2）手腕设计需要注意的问题：需要考虑到机械手操作力（如最大拿举力）、速度（如最大操作速度）、大小、重量的限制、安全性（对发热或过负荷的安全性）、具体工作场合下动力源选择的方便性等。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。4.4.1 机器人行走机构的基本形式和特点行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。行走机构一方面支撑机器人的机身、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空间内的运动。1. 固定轨迹式移动机器人2. 无固定轨迹式移动机器人改善机器人行走性能的常用方法：一是增加机器人移动车辆的重量和刚性，二是进行实时计算和施加所需要的平衡力。4.4.2 机器人典型行走机构1. 全轮偏转式移动机构2. 两足步行式机器人步行机器人最常见的传动方式主要有：（1）钢丝绳传动。（2）人工肌肉传动。（3）履带式行走机器人。（4）车轮和脚混合式行走机器人。小结本章从工业机器人的本体结构出发，重点对机器人手臂、手腕、末端执行器的机械结构进行了介绍。工业机器人机械系统设计是工业机器人设计的重要部分，其他系统的设计应有自己的独立要求，但必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。虽然工业机器人不同于专用设备，它具有较强的灵活性，但是要设计和制造什么工作都能做的机器人是不现实的。不同应用领域的工业机器人，其机械系统设计上的差异比工业机器人其他系统设计上的差异大得多。使用要求是工业机器人机械系统设计的出发点。

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