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1、第4章 机器人本体基本结构 机器人的本体结构指其机体结构和机械传动系统，也是机器人的支承基础和执行机构。 4.1 概概 述述 4.1.1 机器人本体的基本结构形式机器人本体的基本结构形式机器人本体主要包括机器人本体主要包括:(1) 传动部件传动部件(2) 机身及行走机构机身及行走机构(3) 臂部臂部(4) 腕部腕部(5) 手部手部机座机座(即底部和腰即底部和腰部的固定支承部的固定支承)结结构及腰部关节传动构及腰部关节传动装置装置 大臂大臂(即大臂支即大臂支承架承架)结构及大结构及大臂关节传动装置臂关节传动装置 小臂小臂(即小臂支即小臂支承架承架)结构及小结构及小臂关节传动装置臂关节传动装置 手
2、腕手腕(即手腕支承架即手腕支承架)结构及手腕关节转动结构及手腕关节转动装置和末端执行器装置和末端执行器(即即手爪部分手爪部分) 进行机器人本体的运动学、动力学和其他相关分析时，一进行机器人本体的运动学、动力学和其他相关分析时，一般将机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，般将机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的开端通过关节相连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的开端安装有末端执行器安装有末端执行器(也简称为手部也简称为手部)。 组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类，一类是组组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类，一类是组成手臂的
3、长连杆，也称臂杆，其产生主运动，是机器人的成手臂的长连杆，也称臂杆，其产生主运动，是机器人的位置机构；另一类是组成手腕的短连杆，它实际上是一组位置机构；另一类是组成手腕的短连杆，它实际上是一组位于臂杆端部的关节组，是机器人的姿态机构，确定了手位于臂杆端部的关节组，是机器人的姿态机构，确定了手部执行器在空间的方向。部执行器在空间的方向。机器人本体基本结构的特点主要可机器人本体基本结构的特点主要可归纳为以下四点：归纳为以下四点：一般可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的一般可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系开式连杆系，连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决定了机器人的末端自由且无支承，
4、这决定了机器人的结构刚度不高结构刚度不高，并随连杆系在，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。空间位姿的变化而变化。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，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，连连杆的运动各自独立杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵活。，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵活。连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反馈连杆驱动扭矩的瞬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、对机械传动系统的刚度、间隙
5、和运动精度都有较高的要求。间隙和运动精度都有较高的要求。连杆系的连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其他不稳定现象。因此，极容易发生振动或出现其他不稳定现象。臂杆质量小臂杆质量小有利于改善机器人操作的动态性能。有利于改善机器人操作的动态性能。结构静、动态刚度高结构静、动态刚度高有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的跟踪精度。刚度高还可降低对控制系统的要求和系统造价。机器人具跟踪精度。刚度高还可降低对控制系统的要求和系统造价。机器人具有较好的刚度
6、还可以增加机械系统设计的灵活性，比如在选择传感器有较好的刚度还可以增加机械系统设计的灵活性，比如在选择传感器安装位置时，刚度高的结构允许传感器放在离执行器较远的位置上，安装位置时，刚度高的结构允许传感器放在离执行器较远的位置上，减少了设计方面的限制。减少了设计方面的限制。尽可能尽可能提高机器人结构固有频率提高机器人结构固有频率的目的在于避开机器人的工作频率。的目的在于避开机器人的工作频率。通常机器人的低阶固有频率为通常机器人的低阶固有频率为525Hz，以中等速度运动时，输入信，以中等速度运动时，输入信号的脉冲延续时间约在号的脉冲延续时间约在0.051s，振荡频率相当于在，振荡频率相当于在120
7、Hz，因而，因而机械系统可能会因此激发振荡。提高机械系统的固有频率有利于系统机械系统可能会因此激发振荡。提高机械系统的固有频率有利于系统的稳定。运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量机器人动力学的稳定。运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量机器人动力学性能好坏的重要指标。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达性能好坏的重要指标。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从而提高机器人的使用性能。到稳定状态的时间，从而提高机器人的使用性能。 机器人运动部分的材料机器人运动部分的材料质量应轻；质量应轻； 材料的材料的刚度有要求刚度有要求，从，从减轻重量和抑制振动两方减轻重量和
8、抑制振动两方面考虑；面考虑； 某些应用领域，机器人材料又应具备某些应用领域，机器人材料又应具备柔软和外表柔软和外表美观美观等特点；等特点； 正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。要求。 4.1.2 机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择一、材料选择的基本要求(1) 强度高。机器人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，强度高。机器人臂是直接受力的构件，高强度材料不
9、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。而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。(2) 弹性模量大。由材料力学的知识可知，构件刚度弹性模量大。由材料力学的知识可知，构件刚度(或变形量或变形量)与材料的弹性模量与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大，而有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改性对弹性模量却没有太多改变。比如，普通结构钢的强度极限为同一种材料的改性对弹性模量却没有太多改变。比如，普通结构钢的强度极限为420MPa，高合金结构钢的强度极限为，高合金结构钢的强度
10、极限为20002300MPa，但是二者的弹性模量，但是二者的弹性模量E却却没有多大变化，均为没有多大变化，均为2.1MPa。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。因此，还应寻找其他提高构件刚度的途径。(3) 重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模量E大而密度大而密度 也大的材料是不合理也大的材料是不合理的。因此，提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。的。因此，提出了选用高弹性模量、低密度材料的要求。
11、(4) 阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产能大。机器人臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。和传动平稳性来考虑，希望能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。
12、(5) 材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如硼纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。强铝合金、石墨纤维增强镁合金等用来作为机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。二、机器人常用材料简介二、机器人常用材料简介1碳素结构钢和合金结构钢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，其强度增大了这类材料强度好，特别是合金结构钢，其强度增大了45倍，弹性模量倍，弹性模量E大，抗大，抗变形能力强，是应用最广泛的材料。变形能力强，是应用最广泛的材料。2铝、铝
13、合金及其他轻合金材料铝、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，故并不大，但是材料密度小，故E/ 之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(重量百分比重量百分比)锂的铝合金，弹性模量增加了锂的铝合金，弹性模量增加了14，E/ 比增加了比增加了16。3纤维增强合金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/ 比分别达到和。比分别达到和。这种纤
14、维增强金属材料具有非常高的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，比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。但价格昂贵。4陶瓷陶瓷 陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度与金属零件连接的接合部需特殊设计。然而，日本已经试制了在小型高精度机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。机器人上使用的陶瓷机器人臂样品。5纤维增强复合材料纤维增强复合材料 这类材料具有极好的这类材料具有极好的E/ 比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀以及与
15、金比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀以及与金 属件连接困难等问题。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出属件连接困难等问题。这类材料不但重量轻，刚度大，而且还具有十分突出 的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器的大阻尼的优点。传统金属材料不可能具有这么大的阻尼，所以在高速机器 人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进人上应用复合材料的实例越来越多。叠层复合材料的制造工艺还允许用户进 行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻行优化，改进叠层厚度、纤维倾斜角、最佳横断面尺寸等，使其具有最大阻 尼值。尼值。6粘弹性
16、大阻尼材料粘弹性大阻尼材料 增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用多方法用来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工业大学和西安交通粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。吉林工业大学和西安交通大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表大学进行了粘弹性大阻尼材料在柔性机械臂振动控制中应用的实验，结果表明，机械臂的重复定位精度在阻尼处理前为明，机械臂的重
17、复定位精度在阻尼处理前为0.30mm，处理后为，处理后为0.16mm ；残余振动时间在阻尼处理前后分别为；残余振动时间在阻尼处理前后分别为0.9s和和0.5s。4.2 机身及臂部结构4.2.1 机器人机身结构的基本形式和特点机器人机身结构的基本形式和特点 机器人机身机器人机身(或称立柱或称立柱)是支承臂部及手部的部件。是支承臂部及手部的部件。一、机身的典型结构一、机身的典型结构 机身结构一般由机器人总体设计确定。比如，圆柱坐标型机身结构一般由机器人总体设计确定。比如，圆柱坐标型机器人把回转与升降这两个自由度归属于机身；球坐标型机器人把回转与升降这两个自由度归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰
18、这两个自由度归属于机身；关节坐标机器人把回转与俯仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有型机器人把回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有时把升降时把升降(Z轴轴)或水平移动或水平移动(X轴轴)自由度归属于机身。现介自由度归属于机身。现介绍回转与升降机身和回转与俯仰机身。绍回转与升降机身和回转与俯仰机身。回转与升降机身回转与升降机身回转与俯仰机身回转与俯仰机身二、机身驱动力(力矩)计算1垂直升降运动驱动力的计算垂直升降运动驱动力的计算 作垂直运动时，除克服摩擦力之外，还要克服机身自作垂直运动时，除克服摩擦力之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其支承
19、的手臂、手腕、手部及工件的身运动部件的重力和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总重力以及升降运动的全部部件惯性力，故其驱动力可按总重力以及升降运动的全部部件惯性力，故其驱动力可按下式计算：下式计算： (4.1) 运动部件的总重力运动部件的总重力(N) 各支承处的摩擦力各支承处的摩擦力(N) 启动时的总惯性力启动时的总惯性力(N)2回转运动驱动力矩的计算回转运动驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩和机身自身运回转运动驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩和机身自身运动部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总惯性力矩动部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总惯性力矩 。驱动力矩 总摩擦阻力矩(
20、Nm) 各回转运动部件的总惯性力矩 (Nm)式中：式中： 为升速或制动过程中的角速度增量为升速或制动过程中的角速度增量(rad/s)； t为为回转运动升速过程或制动过程的时间回转运动升速过程或制动过程的时间(s)；J0为全部回转零为全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量部件对机身回转轴的转动惯量(kgm2)。如果零件轮廓尺寸。如果零件轮廓尺寸不大，重心到回转轴线的距离远时，一般可按质点计算它不大，重心到回转轴线的距离远时，一般可按质点计算它对回转轴的转动惯量。对回转轴的转动惯量。3升降立柱下降不卡死升降立柱下降不卡死(不自锁不自锁)的条件计算的条件计算偏重力矩偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的是
21、指臂部全部零部件与工件的总重量对机身回转轴的静力矩。当手臂总重量对机身回转轴的静力矩。当手臂悬伸为最大行程时，其偏重力矩为最大。悬伸为最大行程时，其偏重力矩为最大。故偏重力矩应按悬伸最大行程且最大抓故偏重力矩应按悬伸最大行程且最大抓重时进行计算。重时进行计算。各零部件的重量可根据其结构形状和材各零部件的重量可根据其结构形状和材料密度进行粗略计算。由于大多数零件料密度进行粗略计算。由于大多数零件采用对称形状的结构，其中心位置就在采用对称形状的结构，其中心位置就在几何截面的几何中心上，因此，根据静几何截面的几何中心上，因此，根据静力学原理可求出手臂总重量的重心位置力学原理可求出手臂总重量的重心位置
22、距机身立柱轴的距离距机身立柱轴的距离L，亦称做，亦称做偏重力偏重力臂臂，如图所示。，如图所示。手臂在总重量手臂在总重量W的作用下有一个偏重力的作用下有一个偏重力矩，而立柱支承导套中有阻止手臂倾斜矩，而立柱支承导套中有阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响。如果偏重力矩过大，活性有很大影响。如果偏重力矩过大，使支承导套与立柱之间的摩擦力过大，使支承导套与立柱之间的摩擦力过大，出现出现卡滞现象卡滞现象，此时必须增大升降驱动，此时必须增大升降驱动力，相应的驱动及传动装置的结构庞大。力，相应的驱动及传动装置的结构庞大。如果依靠自重下降，立柱可能卡
23、死在导如果依靠自重下降，立柱可能卡死在导套内而不能作下降运动，这就是套内而不能作下降运动，这就是自锁自锁。故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。套的长短。 要使升降立柱在导套内下降自由，臂部总重量要使升降立柱在导套内下降自由，臂部总重量W必须大于导套与立柱之间必须大于导套与立柱之间的摩擦力的摩擦力Fm1及及Fm2，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件为，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件为:三、机身设计要注意的问题三、机身设计要注意的问题(1) 刚度和强度大，稳定性好。刚度和强度大，稳定性好。(2) 运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。运动灵
24、活，导套不宜过短，避免卡死。(3) 驱动方式适宜。驱动方式适宜。(4) 结构布置合理。结构布置合理。2.2 机器人臂部结构的基本形式和特点机器人臂部结构的基本形式和特点 机器人的手臂由大臂、小臂机器人的手臂由大臂、小臂(或多臂或多臂)所组成。手臂的驱动方式主要有所组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动形式最为通用。液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动形式最为通用。 一、臂部的典型机构一、臂部的典型机构1臂部伸缩机构臂部伸缩机构行程小时，采用油行程小时，采用油(气气)缸直接驱动；行程较大时，可采用油缸直接驱动；行程较大时，可采用油(气气)缸驱缸驱动齿动
25、齿 条传动的倍增机构或步进电动机及伺服电动机驱动，也可采用条传动的倍增机构或步进电动机及伺服电动机驱动，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运丝杠螺母或滚珠丝杠传动。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，臂部伸缩机构需设置导向装置，或设计动时绕轴线转动或产生变形，臂部伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。常用的导向装置有单导向杆和双导向杆等，方形、花键等形式的臂杆。常用的导向装置有单导向杆和双导向杆等，可根据手臂的结构、抓重等因素可根据手臂的结构、抓重等因素 选取。选取。1手部；2夹紧缸；3油缸；4导向柱；5运行架；6行走车
26、轮；7轨道；8支座手臂的垂直伸缩运动由油缸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，可采用四根导向柱。这种结构多规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，可采用四根导向柱。这种结构多用于箱体加工线上。用于箱体加工线上。 2手臂俯仰运动机构1手部；2夹紧缸；3升降缸；4小臂；5、7摆动油缸；6大臂；8立柱3手臂回转与升降机构 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缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于度小于360的情况，也有采用升
27、降缸与气的情况，也有采用升降缸与气动马达动马达-锥齿轮传动的结构。锥齿轮传动的结构。二、机器人手臂材料的选择 机器人手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器机器人手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，选择材料时，需要对质量、刚度、这将大大降低它的运动精度。因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻
28、尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和断机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料制作手臂，其中
29、，非金属材料有尼龙密度小的材料制作手臂，其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯、聚乙烯(PEH)和碳素纤维等；金属材料以轻合金和碳素纤维等；金属材料以轻合金(特别是铝合金特别是铝合金)为主。为主。三、臂部设计需注意的问题(1) 承载能力足。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的动载荷。承载能力足。不仅要考虑抓取物体的重量，还要考虑运动时的动载荷。(2) 刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面应合理选择手臂的截面形状形状。工字形截面工字形截面弯曲刚度一般比圆截面大，弯曲刚度一般比圆截面大，空心管空心管的弯曲刚度和扭转刚度的弯
30、曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多，所以都比实心轴大得多，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。支承板。(3) 导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。为防止手臂在直线运动导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。为防止手臂在直线运动过程中沿运动轴线发生相对转动，过程中沿运动轴线发生相对转动，应设置导向装置，或设计方形、花键等形应设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆式的臂杆。由于臂部运动速度越高，定位前惯性力引起的冲击也就越大，运。由于臂部运动速度越高，定位前惯性力引起的冲击也就越大，运动不平稳，定位精度也不高。因此，
31、除了臂部设计力求结构紧凑，重量轻外，动不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计力求结构紧凑，重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。同时要采用一定形式的缓冲措施。(4) 重量轻、转动惯量小。为提高机器人的运动速度，要重量轻、转动惯量小。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分尽量减少臂部运动部分的重量，的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。(5) 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。强度、刚度和承载能力，
32、而且还直接影响机器人的外观。4.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载又较大，当机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载又较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。这将不仅影响机器人的精确定运动状态变化时，将产生冲击和振动。这将不仅影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运转。为了提高工作平稳性，位，甚至会使其不能正常运转。为了提高工作平稳性，在设计时应采在设计时应采取有效的缓冲装置吸收能量取有效的缓冲装置吸收能量。从减少能量产生的方面来看，一般应注。从减少能量产生的方面来看，一般应注意以下几点：意以下几点：(1) 要求机身和臂部运动部
33、件要求机身和臂部运动部件紧凑，质量轻紧凑，质量轻，以减少惯性力。例如，臂部，以减少惯性力。例如，臂部构件采用铝合金或非金属材料制作。构件采用铝合金或非金属材料制作。(2) 运动部件各部分的质量对转轴或支承的分布情况，即运动部件各部分的质量对转轴或支承的分布情况，即重心的布置重心的布置。如。如重心与转轴不重合，将增大转动惯量，同时会使转轴受到附加的动压重心与转轴不重合，将增大转动惯量，同时会使转轴受到附加的动压力，其方向在臂部转动过程中是不断变化的。当转速较高以及速度变力，其方向在臂部转动过程中是不断变化的。当转速较高以及速度变化剧烈时，将有较大的冲击和振动。化剧烈时，将有较大的冲击和振动。 臂
34、杆作为主要的运动部件需要重点考虑。为了减小驱动力臂杆作为主要的运动部件需要重点考虑。为了减小驱动力矩和增加运动的平稳性，大、小臂杆一般都需要进行动力矩和增加运动的平稳性，大、小臂杆一般都需要进行动力平衡。只有当负载较小，臂杆的质量较轻，关节力矩不大平衡。只有当负载较小，臂杆的质量较轻，关节力矩不大和驱动装置有足够的容量时，才可以省去动力平衡装置。和驱动装置有足够的容量时，才可以省去动力平衡装置。从机械驱动的合理性和安全性角度出发，机器人臂杆的平从机械驱动的合理性和安全性角度出发，机器人臂杆的平衡还有助于在动力被突然切断时降低对刹车装置的要求。衡还有助于在动力被突然切断时降低对刹车装置的要求。总
35、之，臂杆平衡技术对提高操作机的整体性能和动态特性总之，臂杆平衡技术对提高操作机的整体性能和动态特性十分重要，也是简化编程和控制的重要措施。常见操作机十分重要，也是简化编程和控制的重要措施。常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡法、气臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法和采用平衡电动机。动或液压平衡法和采用平衡电动机。一、质量平衡方法一、质量平衡方法臂杆质量平衡的原理是合理地分布臂杆质量，臂杆质量平衡的原理是合理地分布臂杆质量，使臂杆重心尽可能落在支点上，必要时使臂杆重心尽可能落在支点上，必要时甚至采用在适当位置配置平衡质量甚至采用在适当位置配置平衡质
36、量(即配重即配重)的方法，使臂杆的重心落在支点上。的方法，使臂杆的重心落在支点上。例如例如PUMA 262机器人就是采用将关节驱动电动机布置到各手臂转轴另一端的方法比机器人就是采用将关节驱动电动机布置到各手臂转轴另一端的方法比较巧妙地解决了大部分悬臂质量的平衡问题。这种方法虽然会使臂杆的总质量有所增较巧妙地解决了大部分悬臂质量的平衡问题。这种方法虽然会使臂杆的总质量有所增加，但由于重力悬臂力矩减小，使总的驱动扭矩、扭矩间的耦合和非线性程度有所降加，但由于重力悬臂力矩减小，使总的驱动扭矩、扭矩间的耦合和非线性程度有所降低。低。在关节型机器人的应用中，由于小臂杆质量对驱动扭矩的不利影响更大，因而在
37、小臂在关节型机器人的应用中，由于小臂杆质量对驱动扭矩的不利影响更大，因而在小臂杆上使用平衡技术更为普遍；对于大臂臂杆，主要使用弹簧力或其他可控力，如气、杆上使用平衡技术更为普遍；对于大臂臂杆，主要使用弹簧力或其他可控力，如气、液、电力等进行平衡。液、电力等进行平衡。二、弹簧平衡方法二、弹簧平衡方法 弹簧平衡一般可以使用长弹簧。分析表明，在关节模型中，弹簧平衡一般可以使用长弹簧。分析表明，在关节模型中，只要采用合适刚度和长度的弹簧平衡系统，可以全部平衡只要采用合适刚度和长度的弹簧平衡系统，可以全部平衡关节模型重力项。关节模型重力项。三、气动和液压平衡方法三、气动和液压平衡方法 气动和液压平衡的原
38、理和弹簧平衡的原理很相似，但前者气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似，但前者在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的，不在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的，不会随臂杆的位置变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得会随臂杆的位置变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制，有利于提高整个机器人的动态性能，因此到调节和控制，有利于提高整个机器人的动态性能，因此应用较广泛。这种平衡技术的缺点是需要动力源和储能器，应用较广泛。这种平衡技术的缺点是需要动力源和储能器，因而系统比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量因而系统比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量平衡那么简单；
39、而且设计时如果采用这种方案，需考虑动平衡那么简单；而且设计时如果采用这种方案，需考虑动力源一旦中断时力源一旦中断时(如手臂会因自重下滑等如手臂会因自重下滑等)的防范措施，以的防范措施，以免发生事故。免发生事故。4.3 腕部及手部结构 机器人的手部作为末端执行器是完成抓握机器人的手部作为末端执行器是完成抓握工件或执行特定作业的重要部件，也需要工件或执行特定作业的重要部件，也需要有多种结构。腕部是臂部与手部的连接部有多种结构。腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。件，起支承手部和改变手部姿态的作用。目前，目前，RRR型三自由度手腕应用较普遍。型三自由度手腕应用较普遍。 4.3
40、.1 机器人腕部结构的基本形式和特点机器人腕部结构的基本形式和特点腕部是机器人的小臂与末端执行器腕部是机器人的小臂与末端执行器(手部或称手爪手部或称手爪)之间的连接部件，其作之间的连接部件，其作用是利用自身的活动度确定手部的空间姿态。对于一般的机器人，与手部用是利用自身的活动度确定手部的空间姿态。对于一般的机器人，与手部相连接的相连接的手腕都具有独驱自转的功能手腕都具有独驱自转的功能，若手腕能在空间取任意方位，那么，若手腕能在空间取任意方位，那么与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。 从驱动方式看，手腕一般有两种形式，即从驱动方
41、式看，手腕一般有两种形式，即远程驱动和直接驱动远程驱动和直接驱动。直接驱动。直接驱动是指驱动器安装在手腕运动关节的附近直接驱动关节运动，因而传动路线是指驱动器安装在手腕运动关节的附近直接驱动关节运动，因而传动路线短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯量大。远程驱动方式的驱动短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯量大。远程驱动方式的驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改机构间接驱动腕部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机
42、器人的整体动态性能有好处，但传动设计复杂，传动刚度也降低了。善机器人的整体动态性能有好处，但传动设计复杂，传动刚度也降低了。按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转滚转和弯转两种。滚两种。滚转是指组成关节的两个零件自身的几何回转中心和相对运动的回转轴线重转是指组成关节的两个零件自身的几何回转中心和相对运动的回转轴线重合，因而能实现合，因而能实现360无障碍旋转的关节运动，通常用无障碍旋转的关节运动，通常用R来标记。弯转是指来标记。弯转是指两个零件的几何回转中心和其相对转动轴线垂直的关节运动。由于受到结两个零件的几何回转中心和其相对转
43、动轴线垂直的关节运动。由于受到结构的限制，其相对转动角度一般小于构的限制，其相对转动角度一般小于360。弯转通常用。弯转通常用B来标记。来标记。一、腕部的自由度腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具有两个自由度，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用些情况下，腕部具有两个自由度，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有些腕部为了满足特殊要求还有横向移动自由度。机械手甚至没有腕部，但有些腕部为了满足特殊要求还有横向移动自由度。6种三自由度手腕的结合方式示意图 二、RRR型手腕
44、RRR型手腕容易实现远距传动。型手腕容易实现远距传动。为了实现运动的传递，为了实现运动的传递，RRR型型手腕的中间关节是斜置的，三手腕的中间关节是斜置的，三根转动轴内外套在同一转动轴根转动轴内外套在同一转动轴线上，最外面的转动轴套直接线上，最外面的转动轴套直接驱动整个手腕转动，中间的轴驱动整个手腕转动，中间的轴套驱动斜置的中间关节运动，套驱动斜置的中间关节运动，中心轴驱动第三个滚转关节。中心轴驱动第三个滚转关节。RRR型手腕制造简单，润滑条型手腕制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为件好，机械效率高，应用较为普遍。普遍。三、腕部的典型结构1单自由度回转运动手腕单自由度回转运动手腕单自由度回
45、转运动手腕用回转油缸或气缸直接驱动实现腕部回转运动。单自由度回转运动手腕用回转油缸或气缸直接驱动实现腕部回转运动。这种手腕具有结构紧凑，体积小，运动灵活，响应快，精度高等特点，这种手腕具有结构紧凑，体积小，运动灵活，响应快，精度高等特点，但回转角度受限制，一般小于但回转角度受限制，一般小于270。图 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2二自由度手腕1) 双回转油缸驱动的腕部双回转油缸驱动的腕部采用两个轴线互相垂直的回转油缸的腕部结构。采用两个轴线互相垂直的回转油缸的腕部结构。VV剖面为腕部摆剖面为腕部摆动回转油缸，工作时，动片动回转油缸，工作时，动
46、片6带动摆动回转油缸带动摆动回转油缸5使整个腕部绕固定中使整个腕部绕固定中心轴心轴3摆动。摆动。LL剖面为腕部回转油缸，工作时，回转轴剖面为腕部回转油缸，工作时，回转轴7带动回转带动回转中心轴中心轴2，实现腕部的回转运动。，实现腕部的回转运动。3三自由度手腕四、设计腕部时一般应注意的问题 (1) 结构紧凑，重量轻。结构紧凑，重量轻。 (2) 动作灵活、平稳，定位精度高。动作灵活、平稳，定位精度高。 (3) 强度、刚度高。强度、刚度高。 (4) 合理设计与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。合理设计与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。手腕结构是机器人中最复杂的结
47、构，而且因传动系统互相干扰，更增加了手手腕结构是机器人中最复杂的结构，而且因传动系统互相干扰，更增加了手腕结构的设计难度。对腕部的设计要求是质量轻，满足作业对手部姿态的要腕结构的设计难度。对腕部的设计要求是质量轻，满足作业对手部姿态的要求，并留有一定的裕量求，并留有一定的裕量(约约510)；传动系统结构简单并有利于小臂对整；传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。一般来说，由于手腕处在开式连杆系末端的特殊位置，它的机的静力平衡。一般来说，由于手腕处在开式连杆系末端的特殊位置，它的尺寸和质量对操作机的动态特性和使用性能影响很大。因此，除了要求其动尺寸和质量对操作机的动态特性和使用性能影响很
48、大。因此，除了要求其动作灵活、可靠外，还应使其结构尽可能紧凑，质量尽可能小。而在所有的三作灵活、可靠外，还应使其结构尽可能紧凑，质量尽可能小。而在所有的三自由度手腕结构中，自由度手腕结构中，RRR型三自由度手腕构造较简单，应用较普遍。型三自由度手腕构造较简单，应用较普遍。4.3.2 机器人手部结构的基本形式和特点机器人手部结构的基本形式和特点 机器人的手部也叫做末端执行器，它是装机器人的手部也叫做末端执行器，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。的部件。 人的手有两种定义：第一种定义是医学上人的手有两种定义：第一种定义是医学上把包括上臂、手腕在内
49、的整体叫做手；第把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；第二种定义是把手掌和手指部分叫做手。机二种定义是把手掌和手指部分叫做手。机器人的手部接近于第二种定义。器人的手部接近于第二种定义。一、机器人手部的特点(1) 手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头。工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。接头。工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。(2) 手部是机器人末端执行器手部是机器人末端执行器。它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备。它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可
50、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上的喷漆枪、焊接工具等。器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。 (3) 手部的通用性比较差。手部的通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，例如，一种手爪往机器人手部通常是专用的装置，例如，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。只能执行一种作业任务。(4) 手部是一个独立的部件。手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手臂，那么机器人机械系统的假如把手