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1、工业机器人的本体结构设计工业机器人的本体结构设计任务任务1：工业机器人的总体设计：工业机器人的总体设计任务任务2：工业机器人的驱动与传动：工业机器人的驱动与传动任务任务3：机身和臂部设计：机身和臂部设计任务任务4：腕部设计：腕部设计任务任务5：手部设计：手部设计2任务任务1 1 工业机器人总体设计工业机器人总体设计总体设计的步骤总体设计的步骤总体设计的步骤总体设计的步骤主体结构设计主体结构设计主体结构设计主体结构设计传动方式选择传动方式选择传动方式选择传动方式选择模块化结构设计模块化结构设计模块化结构设计模块化结构设计材料选择材料选择材料选择材料选择 平衡系统设计平衡系统设计平衡系统设计平衡系
2、统设计3 1、系统分析 机器人机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的有力工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：下分析工作：(1)(1)明确采用机器人的目的和任务明确采用机器人的目的和任务。(2)(2)分析机器人所在系统的工作环境，包括分析机器人所在系统的工作环境，包括设备设备兼容性兼容性等。等。(3)(3)认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方 案案。如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取
3、重如机器人的自由度数、信息的存储容量、定位精度、抓取重量量 (4)(4)进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料。总体设计的步骤总体设计的步骤42、技术设计 (1)(1)机器人基本参数的确定。臂力、工作节拍、工作范围、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。运动速度及定位精度等。举例：定位精度的确定举例：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、臂部手本身所能达到的
4、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。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：同工艺过程所要求的定位精度如下：金属切削机床上下料：金属切削机床上下料：(0.05-1.00)mm(0.05-1.00)mm 冲床上下料：冲床上下料：1 mm1 mm 模锻：模锻：(0.1-2.0)mm (0.1-2.0)mm 点焊：点焊：1 mm1 mm 装配、测量：装配、测量：(0.01-0.50)mm (0.01-0.50)mm 喷涂：
5、喷涂：3 mm3 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、工夹具实现精定位机器人实现粗定位、工夹具实现精定位。5 (2)(2)(2)(2)机器人机器人机器人机器人运动形式的选择。运动形式的选择。运动形式的选择。运动形式的选择。常见机器人的运动形式有常见机器人的运动形式有常见机器人的运动形式有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、关节型和五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关
6、节型和五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和S S S SC C C CARAARAARAARA型型型型。(3)(3)(3)(3)拟定检测传感系统框图。拟定检测传感系统框图。拟定检测传感系统框图。拟定检测传感系统框图。选择合适的传感器，以便选择合适的传感器，以便选择合适的传感器，以便选择合适的传感器，以便结构设计时考虑安装位置结构设计时考虑安装位置结构设计时考虑安装位置结构设计时考虑安装位置。(4)(4)(4)(4)确定控制系统总体方案，绘制框图确定控制系统总体方案，绘制框图确定控制系统总体方案，绘制框图确定控制系统总体方案，绘制框图。(5 5 5 5)机械结构设计机械结构设计机械结
7、构设计机械结构设计。确定驱动方式，选择运动部件和设确定驱动方式，选择运动部件和设确定驱动方式，选择运动部件和设确定驱动方式，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计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。6 3、仿真分析 (1)(1)运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。运动学计算。分析是否达到要求的速度、加速度、位置。(2)(2)动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满足要求。满足要求。(3)(3)运动的动
8、态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，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。实现机器人的运动仿真。(4)(4)性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态性能进行仿真计算。仿真计算。(5)(5)方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、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。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
9、配，相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。辅相成，构成一个完整的机器人系统。主体主体结构构设计主体结构设计的关键是主体结构设计的关键是主体结构设计的关键是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选择由连杆件和运动副组成的坐标形式（1 1）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩）直角坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为伸缩（2 2）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、
10、升降、）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、）圆柱坐标机器人。主体结构有三个自由度，腰转、升降、伸缩伸缩伸缩伸缩（3 3）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动）球面坐标机器人。主体结构有三个自由度，转动、转动和伸缩和伸缩和伸缩和伸缩（4 4）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动）关节坐标机器人。主体结构有三个自由度，全为转动传动方式选择传动方式选择（1 1）选择驱动
11、源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式）选择驱动源和传动装置与关节部件的连接、驱动方式（2 2）工业机器人的传动形式）工业机器人的传动形式）工业机器人的传动形式）工业机器人的传动形式传动形式传动形式传动形式传动形式特征特征特征特征优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点直接连结传动直接连结传动直接连结传动直接连结传动直接装在关节上直接装在关节上直接装在关节上直接装在关节上结构紧凑结构紧凑结构紧凑结构紧凑需需需需考考考考虑虑虑虑电电电电机机机机自自自自重重重重，转转转转动惯量大，能耗大动惯量大，能耗大动惯量大
12、，能耗大动惯量大，能耗大远距离连结传动远距离连结传动远距离连结传动远距离连结传动经经经经远远远远距距距距离离离离传传传传动动动动装装装装置与关节相连置与关节相连置与关节相连置与关节相连不不不不需需需需考考考考虑虑虑虑电电电电机机机机自自自自重重重重，平衡性良好平衡性良好平衡性良好平衡性良好额额额额外外外外的的的的间间间间隙隙隙隙和和和和柔柔柔柔性性性性，结构庞大，能耗大结构庞大，能耗大结构庞大，能耗大结构庞大，能耗大间接传动间接传动间接传动间接传动减减减减速速速速比比比比远远远远1111的的的的传传传传动动动动装装装装置置置置与与与与关关关关节节节节相相相相连连连连经经经经济济济济、对对对对载
13、载载载荷荷荷荷变变变变化化化化不不不不敏敏敏敏感感感感、便便便便于于于于制制制制动动动动设设设设计计计计、方便一些运动转换方便一些运动转换方便一些运动转换方便一些运动转换传传传传动动动动精精精精度度度度低低低低、结结结结构构构构不不不不紧紧紧紧凑凑凑凑、引引引引入入入入误误误误差差差差，降降降降低可靠性低可靠性低可靠性低可靠性直接驱动直接驱动直接驱动直接驱动不不不不经经经经中中中中间间间间关关关关节节节节或或或或经经经经速速速速比比比比=1=1=1=1的的的的传传传传动动动动装置与关节相连装置与关节相连装置与关节相连装置与关节相连传传传传动动动动精精精精度度度度高高高高，振振振振动动动动小小小
14、小，传传传传动动动动损损损损耗耗耗耗小小小小，可可可可靠靠靠靠性性性性高，响应快高，响应快高，响应快高，响应快控控控控制制制制系系系系统统统统设设设设计计计计困困困困难难难难，对对对对传传传传感感感感元元元元件件件件要要要要求求求求高高高高，成本高成本高成本高成本高模块化结构设计模块化结构设计模模模模块块块块化化化化工工工工业业业业机机机机器器器器人人人人。由由由由一一一一些些些些标标标标准准准准化化化化、系系系系列列列列化化化化的的的的模模模模块块块块件件件件通通通通过过过过具具具具有有有有特特特特殊殊殊殊功功功功能能能能的的的的结结结结合合合合部部部部用用用用积积积积木木木木拼拼拼拼搭搭搭
15、搭方方方方式式式式组组组组成成成成的的的的工工工工业业业业机机机机器器器器人人人人系系系系统统统统。模块化工业机器人的特点模块化工业机器人的特点模块化工业机器人的特点模块化工业机器人的特点(1)(1)经济性。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。(2)灵活性。其主要体现在：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
16、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。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。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。3.3.模块化工业机器人所存在的问题模块化工业机器人所存在的问题 (1)模块化工业机
17、器人整个机械系统的刚刚度度比比较较差差。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，但是尚尚未未真真正正做做到到根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。根据作业对象就可以合理进行模块化分析和设计。机器人本体材料的选择机器人本体材料的选择材料选择材料选择基本要求基本要求强强强强度高度高度高度高阻尼大阻尼大阻尼大阻尼大弹弹弹弹性模量大性模量大性模量大性模量大重量重
18、量重量重量轻轻轻轻经济性好经济性好经济性好经济性好 (1)强度高强度高。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。(2)弹性模量大弹性模量大。从材料力学公式可知，构件刚度(或变形量)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。不同材料的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多大差别。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20002300MPa，但是二者的弹性模量 E 却没有多大变化，均为210000MPa。因此，还应寻找其它提高构件刚度的途径。(3)重重量量轻轻。在
19、机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由于惯性力引起的，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 E 大而密度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，可用E/指标来衡量。下表列出了几种材料的应E、和E/值,供参考。(4)阻阻尼尼大大。工业机器人在选材时不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人的臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是由于在构件终止运动的瞬时，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。(5)材材料料价价格
20、格低低。材料价格是工业机器人成本价格的重要组成部分。有些新材料如棚纤维增强铝合金、石墨纤维增强镁合金，用来作机器人臂的材料是很理想的，但价格昂贵。(1)碳碳素素结结构构钢钢、合合金金结结构构钢钢：强度好，特别是合金结构钢强度增大了4至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、铝铝合合金金及及其其它它轻轻合合金金材材料料：这类材料的共同特点是重量轻，弹量模量E并不大，但是材料密度小,故E/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，例如添加了3.2%重量的锂的铝合金弹性模量增加了14%，E/比增加16%。(3)纤纤维维增增强强合合金金：如棚纤维增强铝合金、石
21、墨纤维增强镁合金，其E/比分别达到11.4107m2/s2和8.9X107m2/s2。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陷，但价格昂贵。(4)陶陶瓷瓷：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，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的样品。(5)纤纤维维增增强强复复合合材材料料：这类材料具有极好的E/比，但存在老化、蠕变、高温热膨胀、与金属件连接困难等问题。这种材料不但重量轻、刚度大，而且还具有十分突出的阻尼大的优点，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
22、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尼值。(6)粘粘弹弹性性大大阻阻尼尼材材料料：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。目前有许多方法来增加结构件材料的阻尼，其中最适合机器人结构采用的一种方法是用用粘粘弹弹性性大大阻阻尼尼材材料料对对原原构构件件进进行行约约束束层层阻阻尼尼处处理理，如下图所示。吉林工大和西安交大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土0.30mm，处理后为士0.16mm，残余振动时间在阻尼处理前、后分别为0.9s和0.5s。工业
23、机器人是一个多刚体耦合系统，系统的平衡性是极其重要的，在工业机器人设计中采用平衡系统的理由采用平衡系统的理由是：(1)安安全全。根据机器人动力学方程知道，关节驱动力矩包括重力矩项，即各连杆质量对关节产生重力矩。因为重力是永恒的，即使机器人停止了运动，重力矩项仍然存在。这样，当机器人完成作业切断电源后，机器人机构会因重力而失去稳定。平衡系统是为了防止机器人因动力源中断而失稳，引起向地面“倒”的趋势。平衡系统设计平衡系统设计(2)借助平衡系统能降降低低因机器人构形变化而导致重重力力引起关节驱动力矩变化关节驱动力矩变化的峰值。(3)借助平衡系统能降降低低因机器人运动而导致惯惯性性力力矩矩引起关节驱动
24、力矩变化关节驱动力矩变化的峰值。(4)借助平衡系统能减少动力学方程中内部耦合项和非线性项，改进机器人动力特性改进机器人动力特性。(5)借助平衡系统能减减小小机机械械臂臂结结构构柔柔性性所引起的不良影响。(6)借助平衡系统能使机机器器人人运运行行稳稳定定，降低地面安装要求。平衡系统设计的主要途径平衡系统设计的主要途径 尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面尽管为了防止因动力源中断机器人有向地面“倒倒塌塌”的趋势，可采用不可逆转机构或制动阀。但是，的趋势，可采用不可逆转机构或制动阀。但是，在工业机器人日趋高速化之时，工业机器人平衡系统在工业机器人日趋高速化之时，工业机器人平衡系统的良好设计是非常重
25、要的，其设计途径有三条：的良好设计是非常重要的，其设计途径有三条：(1)(1)质量平衡技术；质量平衡技术；(2)(2)弹簧力平衡技术；弹簧力平衡技术；(3)(3)可控力平衡技术。可控力平衡技术。25任务任务2 2：工业机器人的驱动与传动：工业机器人的驱动与传动机器人驱动机构机器人驱动机构机器人驱动机构机器人驱动机构传动部件的设计传动部件的设计传动部件的设计传动部件的设计驱动装置的类型和特点驱动装置的类型和特点驱动装置的类型和特点驱动装置的类型和特点新型驱动方式新型驱动方式新型驱动方式新型驱动方式26机器人驱动机构机器人驱动机构1、驱动机构的形式、驱动机构的形式齿条固定不动，当齿轮传动时,齿轮轴
26、连同拖板沿齿条方向做直线运动拖板是由导杆或导轨支承的。该装置的回差较大。（1 1）直线驱动机构）直线驱动机构（a a）齿轮齿条装置）齿轮齿条装置齿轮齿条装置齿轮齿条装置 普通丝杠驱动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。摩擦力较大,效率低,惯性大,精度低,回差大,容易产生爬行现象,而且因此在机器人上很少采用在机器人上很少采用。机械学中的爬行现象,在滑动摩擦副中从动件在匀速驱动和一定摩擦条件下产生的周期性时停时走或时慢时快的运动现象。丝杠螺母传动的手臂升降机构丝杠螺母传动的手臂升降机构丝杠螺母传动的手臂升降机构丝杠螺母传动的手臂升降机构1 1电电电电动动动动机机机机；2 2蜗蜗蜗蜗杆
27、杆杆杆；3 3臂臂臂臂架架架架；4 4丝丝丝丝杠杠杠杠；5 5蜗蜗蜗蜗轮轮轮轮；6 6箱箱箱箱体体体体；7 7花键套花键套花键套花键套（b b）普通丝杠普通丝杠（c c）滚珠丝杠）滚珠丝杠滚珠丝杠在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠,传动过程中所受的摩擦力是滚动摩擦,可极大地减小摩擦力,因此传动效率高,消除了低速运动时的爬行现象。滚球丝杠副 30（d d）液压传动（直接平移）液压传动（直接平移）31（e e）气压传动（直接平移）气压传动（直接平移）（2）旋转驱动机构旋转驱动机构（a a）齿轮链齿轮链齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度,而且可以传递力和力
28、矩。现以具有两个齿轮的齿轮链为例,说明其传动转换关系。其中一个齿轮装在输入轴上,另一个齿轮装在输出轴上,如图所示。齿轮链机构使用齿轮链机构应注意的问题齿轮链的引入会改变系统的等效转动惯量,从而使驱动电机的响应时间减小,这样伺服系统就更加容易控制。输出轴转动惯量转换到驱动电机上,等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数的平方成正比。由于齿轮间隙误差,将会导致机器人手臂的定位误差增加;而且,假如不采取一些补救措施,齿隙误差还会引起伺服系统的不稳定性。(a)圆柱齿轮;(b)斜齿轮;(c)锥齿轮;(d)蜗轮蜗杆;(e)行星轮系常用的齿轮链常用的齿轮链35(b)(b)同步皮带同步皮带同步皮带的特点同步皮带的
29、特点 同步带相当于柔软的齿轮,具有柔性好,价格便宜、加工也容易。同步皮带还被用于输入轴和输出轴方向不一致的情况。只要同步皮带足够长,使皮带的扭角误差不太大,则同步皮带仍能够正常工作。在伺服系统中,如果输出轴的位置采用码盘测量,则输入传动的同步皮带可以放在伺服环外面,这对系统的定位精度和重复性不会有影响,重复精度可以达到1 mm以内。有时,齿轮链和同步皮带结合起来使用更为方便。谐波齿轮传动谐波齿轮传动（c c）谐波齿轮）谐波齿轮传动部件设计传动部件设计 机器人是运动的，各个部位机器人是运动的，各个部位机器人是运动的，各个部位机器人是运动的，各个部位都都都都需要能源和动力，需要能源和动力，需要能源
30、和动力，需要能源和动力，因此设计和选择良好的传动部件是非常重要的因此设计和选择良好的传动部件是非常重要的因此设计和选择良好的传动部件是非常重要的因此设计和选择良好的传动部件是非常重要的。这这这这涉及到关节形式的确定，传动方式以及传动部件的涉及到关节形式的确定，传动方式以及传动部件的涉及到关节形式的确定，传动方式以及传动部件的涉及到关节形式的确定，传动方式以及传动部件的定位和消隙等多个方面定位和消隙等多个方面定位和消隙等多个方面定位和消隙等多个方面。(1)1)1)1)关节关节关节关节(如转动关节与移动关节如转动关节与移动关节如转动关节与移动关节如转动关节与移动关节)(2)2)2)2)传动件的定位
31、和消隙传动件的定位和消隙传动件的定位和消隙传动件的定位和消隙 (3)3)3)3)机器人传动机构机器人传动机构机器人传动机构机器人传动机构(如齿轮、绳与钢带传动等如齿轮、绳与钢带传动等如齿轮、绳与钢带传动等如齿轮、绳与钢带传动等)1.关节关节（1 1）转动关节转动关节转动关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。转动关节的形式（a）转动关节的形式40（b）轴承机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。图4.34 基本耐磨球轴承2移动关节移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直
32、线导向作用的直线导轨部分组成。导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁性悬浮导轨等形式。一般，要求机器人导轨间隙小或能消除间隙；在垂直于运动方向上要求刚度高，摩擦系数小且不随速度变化，并且有高阻尼、小尺寸和小惯量。通常，由于机器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用结构紧凑且价格低廉的滚动导轨。42滚动导轨可以按直线导轨的种类、轨道形状和滚动体分为:(1)按滚动体分类球、圆柱滚子和滚针。(2)按轨道分类圆轴式、平面式和滚道式。(3)按滚动体是否循环分类循环式、非循环式。直线导轨直线导轨滚珠丝杠滚珠丝杠2.机器人传动机构机器人传动机构（1 1）齿轮传动）齿轮传动行星行星行星行星齿轮传动齿轮
33、传动齿轮传动齿轮传动谐谐谐谐波波波波齿轮齿轮齿轮齿轮传动传动传动传动采用液压静压谐波采用液压静压谐波采用液压静压谐波采用液压静压谐波发生器的谐波传动发生器的谐波传动发生器的谐波传动发生器的谐波传动 1 1凸轮凸轮凸轮凸轮 2 2柔轮柔轮柔轮柔轮 3 3小孔小孔小孔小孔（2 2）丝杠传动）丝杠传动滚动丝滚动丝滚动丝滚动丝杠的基本杠的基本杠的基本杠的基本组组组组成成成成11丝丝丝丝杠；杠；杠；杠；22螺母；螺母；螺母；螺母；33滚滚滚滚珠；珠；珠；珠；44导导导导向槽向槽向槽向槽丝杠螺母传动的手臂升降机构丝杠螺母传动的手臂升降机构丝杠螺母传动的手臂升降机构丝杠螺母传动的手臂升降机构1 1电动机；电
34、动机；电动机；电动机；2 2蜗杆；蜗杆；蜗杆；蜗杆；3 3臂架；臂架；臂架；臂架；4 4丝杠；丝杠；丝杠；丝杠；5 5蜗轮；蜗轮；蜗轮；蜗轮；6 6箱体；箱体；箱体；箱体；7 7花键套花键套花键套花键套 （4 4）带传动与链传动）带传动与链传动齿齿齿齿形形形形带带带带形状形状形状形状 钢带传动钢带传动钢带传动钢带传动（5 5）绳传动与钢带传动绳传动与钢带传动 （6 6）杆、连杆与凸轮传动杆、连杆与凸轮传动凸轮机构凸轮机构凸轮机构凸轮机构连连连连杆机构杆机构杆机构杆机构采用采用采用采用钢带传动钢带传动钢带传动钢带传动的的的的ADEPTADEPT机器人机器人机器人机器人（7 7）流体传动）流体传动
35、 油缸和油缸和油缸和油缸和齿轮齿齿轮齿齿轮齿齿轮齿条手臂机构条手臂机构条手臂机构条手臂机构气缸和气缸和气缸和气缸和齿轮齿齿轮齿齿轮齿齿轮齿条增倍手臂机构条增倍手臂机构条增倍手臂机构条增倍手臂机构11运运运运动齿动齿动齿动齿条；条；条；条；22齿轮齿轮齿轮齿轮；33活塞杆活塞杆活塞杆活塞杆3.传动件的定位和消隙传动件的定位和消隙（1 1）传动件的定位传动件的定位利用插利用插利用插利用插销销销销定位的定位的定位的定位的结结结结构构构构 11行程行程行程行程节节节节流流流流阀阀阀阀 2 2定位定位定位定位圆盘圆盘圆盘圆盘 3 3插插插插销销销销 4 4定位油缸定位油缸定位油缸定位油缸（2 2）传动件
36、的消隙传动件的消隙1 1）消隙）消隙）消隙）消隙齿轮齿轮齿轮齿轮502 2）柔性）柔性）柔性）柔性齿轮齿轮齿轮齿轮消隙消隙消隙消隙3 3）对对对对称称称称传动传动传动传动消隙消隙消隙消隙双谐波传动消隙方法双谐波传动消隙方法双谐波传动消隙方法双谐波传动消隙方法11电动电动电动电动机；机；机；机；22小小小小齿轮齿轮齿轮齿轮；3 3 ，3 3 减速减速减速减速传动齿轮传动齿轮传动齿轮传动齿轮；4 4 ，4 4 轴轴轴轴；5 5，5 5 齿齿齿齿轮轮轮轮；66齿轮齿轮齿轮齿轮 1 1，22齿轮齿轮齿轮齿轮箱；箱；箱；箱；3 3，4 4，55齿轮齿轮齿轮齿轮；66电动电动电动电动机；机；机；机；77同
37、步同步同步同步带带带带；88压紧轮压紧轮压紧轮压紧轮；99同步同步同步同步带传动带传动带传动带传动4 4）偏心机构消隙偏心机构消隙偏心机构消隙偏心机构消隙5 5）齿齿齿齿廓廓廓廓弹弹弹弹性覆性覆性覆性覆层层层层消隙消隙消隙消隙偏心消隙机构偏心消隙机构偏心消隙机构偏心消隙机构齿廓弹性覆层消隙齿廓弹性覆层消隙齿廓弹性覆层消隙齿廓弹性覆层消隙1电动驱动装置电动驱动装置 电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动装
38、置又可分为直流电动驱动装置又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机驱动和步进电伺服电机驱动和步进电机驱动。机驱动。直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电机也得到了直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电机也得到了越来越广泛的应用。越来越广泛的应用。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。小功率机器人系统。驱动装置的类型和特点驱动装置的类型和特点直流电机（有刷）直流电机（有刷）步进电机步进电机盘式无刷直流电机盘式无刷直流电机交流伺服电机交流伺服电机542.液压驱动装置液压驱动
39、装置优点：功率大，可省去减速装置直接与优点：功率大，可省去减速装置直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。响应快，伺服驱动具有较高的精度。缺点：需要增设液压源，易产生液体泄缺点：需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。目前多用于特大功率的机器人系统。液压马达液压马达液压摆动马达液压摆动马达液压控制阀液压控制阀液压泵液压泵553气动驱动装置气动驱动装置 气气压压驱驱动动的的结结构构简简单单，清清洁洁，动动作作灵灵敏敏，具具有有缓缓冲冲作作用
40、用。但但与与液液压压驱驱动动装装置置相相比比，功功率率较较小小，刚刚度度差差，噪噪音音大大，速速度度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。气气动动马马达达气气动动摆摆动动马马达达气气缸缸气气泵泵气气动动三三大大件件气气动动控控制制阀阀56 驱动装置的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，驱动装置的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为一般说来，目前负荷为100 kg以下的以下的,可优先考虑电动驱可优先考虑电动驱动装置。动装置。只须点位控制且负荷较小者，或有防
41、暴、清洁等特殊要只须点位控制且负荷较小者，或有防暴、清洁等特殊要求者，可采用气动驱动装置。求者，可采用气动驱动装置。负荷很大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采用负荷很大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采用液压驱动装置。液压驱动装置。对于驱动装置来说，最重要的指标要求是起动力矩大，对于驱动装置来说，最重要的指标要求是起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与之调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与之配套的数字控制系统。配套的数字控制系统。4驱动装置的选择原则驱动装置的选择原则新型的驱动方式新型的驱动方式1.磁致伸缩驱动磁致伸缩驱动铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状
42、态的改变,其长度和体积都要发生微小的变化,这种现象称为磁致伸缩。58形状形状记忆效效应实验原始形状原始形状拉直拉直加热后恢复变形加热后恢复变形前形状前形状2.形状记忆合金形状记忆合金5960形状恢复完全可逆形状恢复完全可逆需具备以下条件：需具备以下条件：马氏体相变是马氏体相变是热弹性热弹性的；的；母相和马氏体呈现母相和马氏体呈现有序的点阵结构有序的点阵结构；马马氏氏体体点点阵阵的的不不变变切切变变为为孪孪生生，亚亚结结构构为为孪孪晶晶或或层层错错；马氏体相变在晶体学上是马氏体相变在晶体学上是可逆的可逆的。61随随着着形形状状记记忆忆材材料料研研究究的的不不断断深深入入，发发现现不不完完全全具备
43、上述条件的合金也可以显示形状记忆效应具备上述条件的合金也可以显示形状记忆效应。温温度度场场可可以以诱诱导导形形状状记记忆忆效效应应，磁磁场场、应应力力场场等等也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。也可诱导马氏体相变，出现形状记忆效应。传统热诱导形状记忆合金传统热诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金磁诱导形状记忆合金Magnetic field62左图是一个双程左图是一个双程CuZnAlCuZnAl记忆合记忆合金弹簧，它是金弹簧，它是SMASMA用作驱动器的典用作驱动器的典型形式。型形式。该弹簧是随温度变化自该弹簧是随温度变化自行伸缩的感温驱动元件行伸缩的感温驱动元件。采用。采用CuZnAlCuZ
44、nAl记忆合金丝，表面镀锡，记忆合金丝，表面镀锡，以热水或热风为热源，典型伸缩以热水或热风为热源，典型伸缩温度为温度为65856585，自由状态为，自由状态为45mm45mm，伸长状态为，伸长状态为200mm200mm。可见可见其形变量较大，可以产生足够的其形变量较大，可以产生足够的驱动力。驱动力。利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其回回复力可对外作功复力可对外作功的特性，能够制成各种驱动元的特性，能够制成各种驱动元件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠件。这种驱动机构结构简单，灵敏度高，可靠性好。性好。形状记忆合金驱动器形状记忆合金驱动器3.静电驱动器静
45、电驱动器 图2.77是一个带有电阻器移动子的三相静电驱动器的工作原理图。图 2.77 三相静电驱动器工作原理这种执行器有下列特征:(1)因为移动子中没有电极,所以不必确定与定子的相对位置,定子电极的间距可以非常小。(2)因为驱动时会产生浮力,所以摩擦力小,在停止时由于存在着吸引力和摩擦力,因此可以获得比较大的保持力。(3)因为构造简单,所以可以实现以薄膜为基础的大面积多层化结构。基于上述各点,把这种执行器作为实现人工筋肉的一种方法,受到了人们的关注。4.4.超声波电机超声波电机 超声波电机的工作原理是用超声波激励弹性体定子，使其表面形成椭圆运动，由于其上与转子(或滑块)接触，在摩擦的作用下转子
46、获得推力输出。如图2.78所示，可以认为定子按照角频率0，进行超声波振动，在预压W作用下，转子被推动。超声波电机的负载特性与DC电机相似，相对于负载增加，转速有垂直下降的趋势，将超声波电机与DC电机进行比较，它的特点有：可望达到低速、高效率；同样的尺寸，能得到大的转矩；能保持大转矩；无电磁噪声；易控制；外形的自由度大等。图 2.78 超声波电机的工作原理图010203编织式气动肌肉编织式气动肌肉网孔式气动肌肉网孔式气动肌肉嵌入式气动肌肉嵌入式气动肌肉气动肌肉按结构形式可将气动肌肉分为三类：气动肌肉驱动器气动肌肉驱动器(PneumaticMuscleActuator，PMA)，以下简称气动肌肉，
47、是一种新型的拉伸型气动驱动器，通常由一段包裹纤维网的橡胶筒和两端的接头附件连接组成，能够像生物肌肉那样产生很大的收缩力。编织式气动肌肉编织式气动肌肉主要由气密弹性管和套在它外面的编织套组成网孔式气动肌肉网孔式气动肌肉是网状式气动肌肉，网孔比较大，纤维比较稀疏，网是系结而成的，这种肌肉只能在较低的压力下工作。嵌入式气动肌气动肌肉承受负载的构件(丝、纤维)嵌入到弹性薄膜里。气动肌肉原理气动肌肉的结构虽然很多，但原理上基本类似。其核心是个可膨胀的薄壁囊，外部为限制变形的支撑材料，两端使用连接件固定。对橡胶筒套充气时，橡胶筒套因弹性变形压迫外部编织网，由于编织网刚度很大，限制其只能径向变形，直径变大，
48、长度缩短。此时，如果将气动人工肌肉与负载相联，就会产生收缩力；反之，当放气时气动人工肌肉弹性回缩，直径变细，长度增加，收缩力减小。单向收缩单向收缩成对使用成对使用充气变形充气变形可膨胀薄壁囊可膨胀薄壁囊支撑材料支撑材料连接件连接件放气回缩放气回缩气动肌肉关节模型气动肌肉和生物肌肉的工作原理是一样的，都是通过收缩产生的力来带动负载，一个气动肌肉收缩，另一个伸长，从而带动关节臂转动。常用安装方式旋转运动旋转运动直线运动直线运动气动肌肉的特性低成本、清洁安全、安装简便；高功率/质量比和高功率/体积比；具有柔性结构、力学性能与生物肌肉相似，应用前景良好。行程较小；其充气变形为强非线性环节，难以实现精确
49、控制；柔性也使得精度和重复性受到了限制。优点优点缺点缺点理疗康复该机器脚踝特别的地方是它的人工肌肉实际上是一系列气动管；膝盖上超灵敏的传感器告诉它们如何行动时，它们会扩张和收缩。机身结构的基本形式和特点机身结构的基本形式和特点臂部结构的基本形式和特点臂部结构的基本形式和特点任务任务3 3 机身及臂部结构机身及臂部结构机器人的平稳性和臂杆平衡方法机器人的平稳性和臂杆平衡方法771、机身与臂部的配置形式、机身与臂部的配置形式机身结构的基本形式和特点机身结构的基本形式和特点2.2.机身的典型机身的典型机身的典型机身的典型结结结结构构构构（1 1）回）回）回）回转转转转与升降机身与升降机身与升降机身与
50、升降机身单单单单杆活塞气缸杆活塞气缸杆活塞气缸杆活塞气缸驱动链传动驱动链传动驱动链传动驱动链传动机构机构机构机构双杆活塞气缸双杆活塞气缸双杆活塞气缸双杆活塞气缸驱动链传动驱动链传动驱动链传动驱动链传动机构机构机构机构 （2 2）回回回回转转转转与俯仰机身与俯仰机身与俯仰机身与俯仰机身 3.3.机身机身机身机身驱动驱动驱动驱动力力力力(力矩力矩力矩力矩)计计计计算算算算（2 2）回回回回转转转转运运运运动驱动动驱动动驱动动驱动力矩的力矩的力矩的力矩的计计计计算算算算（1 1）垂直升降运垂直升降运垂直升降运垂直升降运动驱动动驱动动驱动动驱动力的力的力的力的计计计计算算算算（3 3）升降立柱下降不卡