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1、工业机器人技术基础第第3 3章章 工业机器人机械部分工业机器人机械部分3.1 末端执行器目录CONTENT3.2 腕部3.3 臂部3.4 机座与行走机构3.5 驱动器3.6 传动机构掌握工业机器人末端执行器的类型及特点。熟悉工业机器人腕部、臂部、机座与行走机构的类型及特点。熟悉工业机器人的驱动器。了解工业机器人的传动机构。1234学习目标3.1末端执行器3.1.1 末端执行器概述末端执行器概述工业机器人末端执行器即工业机器人的手部，它安装在机器人的腕部上，用于直接抓握工件或执行焊接、喷涂等作业，对整个机器人任务完成的质量起着关键的作用，是工业机器人最为重要的执行机构。（a）夹持式（b）吸附式（
2、c）专用工具（柔性焊枪）图3-1 末端执行器的类型3.1.2 夹持式末端执行器夹持式末端执行器夹持式末端执行器应用较为广泛，其主要由手指、驱动装置、传动机构和支架等组成，通过手指的开闭动作实现对物体的夹持，其结构如图3-2所示。夹持式末端执行器根据手指开合的动作特点，又可分为回转型和平移型两种。图3-2 夹持式末端执行器的结构1回转型末端执行器回转型末端执行器1）单作用斜楔式）单作用斜楔式单作用斜楔式回转型末端执行器如图3-3所示。斜楔向下运动，克服弹簧拉力，使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件；斜楔向上运动，则在弹簧拉力作用下使手指松开工件。一般手指与斜楔通过滚子接触，可以减小摩擦
3、力，提高机械效率。图3-3 单作用斜楔式回转型末端执行器2）双支点连杆式）双支点连杆式双支点连杆式回转型末端执行器如图3-4所示。当驱动杆做直线往复运动时，带动连杆推动两手指各绕支点做回转运动，控制手指松开或闭合。图3-4 双支点连杆式回转型末端执行器 3）滑槽杠杆式）滑槽杠杆式滑槽杠杆式回转型末端执行器如图3-5所示。驱动杆上的圆柱销嵌套在滑槽内，当驱动杆同圆柱销一起做往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点（铰销）做相对回转运动，从而控制手指的松开或闭合。图3-5 滑槽杠杆式回转型末端执行器2平移型末端执行器平移型末端执行器1）直线往复移动机构）直线往复移动机构实现直线往复的移动机构很多，如
4、斜楔平移机构、杠杆平移结构、螺旋平移机构等，如图3-6所示。直线往复移动机构既可以是双指型的，也可以是三指型的，还可以是多指型的；可以是自动定心，也可以是非自动定心。（a）斜楔平移机构 （b）杠杆平移机构 （c）螺旋平移机构 图3-6 直线往复移动机构2）平面平行移动机构）平面平行移动机构如图3-7所示为常用的齿条齿轮平移机构。平面平行移动机构一般采用平行四边形的铰链机构（即双曲柄铰链四连杆机构），以实现手指平移。平面平行移动机构的传动方法除齿条齿轮传动外，常用的方法还有蜗轮蜗杆传动和连杆斜滑槽传动等。图3-7 齿条齿轮平移机构3末端执行器的手指末端执行器的手指手指是工业机器人直接与工件接触的
5、部件，它的结构形式一般取决于工件的形状和特性。常用的手指有V形指、平面指、尖指和特形指等，如图3-8所示。（a）V形指（b）平面指（c）尖指 （d）特形指图3-8 末端执行器手指3.1.3 吸附式末端执行器吸附式末端执行器根据吸附原理的不同，吸附式末端执行器可分为气吸式和磁吸式两种。1气吸式末端执行器气吸式末端执行器气吸式末端执行器是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的，其按形成压力差方法的不同，可分为真空气吸、喷气式负压气吸和挤压排气负压气吸三种类型，如图3-10所示。（a）真空气吸 （b）喷气式负压气吸 （c）挤压排气负压气吸图3-10 气吸式末端执行器2磁吸式末端执行器磁吸式末端
6、执行器磁吸式末端执行器主要由电磁式吸盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。由于磁吸式末端执行器是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料，因此只能对铁磁物体起作用。（a）吸附滚动轴承底座 （b）吸附钢板 （c）吸附齿轮 （d）吸附多孔钢板图3-11 几种电磁式吸盘吸料示意图如图3-12（a）所示，当线圈通电后，在铁芯内外产生磁场，磁力线经过铁芯，空气隙和衔铁被磁化并形成回路。衔铁受到电磁吸力的作用被牢牢吸住。实际使用时，一般采用如图3-12（b）所示的盘式电磁铁，其衔铁是固定的，衔铁内用隔磁材料将磁力线切断。当衔铁接触铁磁物零件时，零件即被磁化而形成磁力线回路，并受到电磁吸力而被吸住。（a）（b）图3-12
7、 磁吸式末端执行器的工作原理 1线圈；2铁芯；3衔铁磁吸式末端执行器吸附工件的原理磁吸式末端执行器吸附工件的原理3.1.4 专用工具专用工具工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端执行器来执行各种动作。这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户的不同加工需求，如图3-13所示。图3-13 专用工具和电磁吸盘式换接器1气路接口；2定位销；3电接头；4电磁吸盘3.2腕 部3.2.1 腕部概述腕部概述1腕部的运动形式腕部的运动形式臂转：臂转：绕小臂轴线方向的旋转。腕摆：腕摆：末端执行器相对于臂部进行的摆动。手转：手转：末端执行器（手部）绕
8、自身轴线方向的旋转。图3-14 腕部回转运动的形式按转动特点的不同，腕部关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。2腕部的结合方式腕部的结合方式（a）BBR型 （b）BRR型 （c）RBR型 （d）BRB型 （e）RBB型 （f）RRR型图3-16 三自由度腕部的结合方式3.2.2 常见工业机器人腕部的工作原理常见工业机器人腕部的工作原理1RRR型三自由度腕部型三自由度腕部RRR型腕部的中间关节是斜置的，三根转动轴内外套在同一转动轴线上，最外面的转动轴套R1直接驱动整个手腕转动，中间的轴套R2驱动斜置的中间关节运动，中心轴R3驱动第三个滚转关节。图3-17 RRR型三自由度腕部2二自由度腕部二自由度
9、腕部如图3-18所示为某种二自由度腕部的设计原理图，其设计思路是通过轴B转动实现腕摆运动，通过轴S转动实现末端执行器的手转运动。图3-18 某种二自由度腕部设计原理图1，2，3，4，5，6锥齿轮；7构架；8末端执行器；9夹持器3齿轮链轮传动三自由度腕部齿轮链轮传动三自由度腕部图3-19 齿轮链轮传动三自由度腕部原理图1油缸；2链轮；3，4，12，13，14，15，16，17，18，20锥齿轮；5，6花键轴；7传动轴S；8腕架；9行星架；10，11，22，24圆柱齿轮；19摆动轴；21，23双联圆柱齿轮；25传动轴B4柔顺腕部柔顺腕部柔顺性装配技术有两种，一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的
10、传感方法，实现边校正边装配，称为主动柔顺装配主动柔顺装配；另一种是从结构的角度在腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要，这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配被动柔顺装配。图3-20 移动摆动柔顺腕部图3-21 柔顺腕部动作过程 板弹簧柔顺腕部板弹簧柔顺腕部图3-22 板弹簧柔顺腕部3.3臂 部3.3.1 臂部概述臂部概述垂直移动：垂直移动：是指机器人臂部的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。径向移动：径向移动：是指臂部的伸缩运动，机器人臂部的伸缩使其臂部的工作范围发生变化。回转运动：回转运动：是指机器人绕铅垂轴的转动，这种运动决定了机器人的臂部
11、所能达到的角度位置。3.3.2 臂部的配置形式臂部的配置形式1横梁式配置横梁式配置横梁式工业机器人的机座被设计成横梁，用于悬挂臂部机构，一般分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种，如图3-23所示。（a）单臂悬挂式 （b）双臂悬挂式图3-23 横梁式配置2立柱式配置立柱式配置立柱式工业机器人较为常见，可分为单臂式和双臂式两种，如图3-24所示。（a）单臂配置 （b）双臂配置图3-24 立柱式配置3机座式配置机座式配置机座式工业机器人一般为独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动，也可以沿地面上的专用轨道移动，扩大其活动范围，如图3-25所示。（a）单臂回转式 （b）双臂回转式 （c）多臂回转式图
12、3-25 机座式配置4屈伸式配置屈伸式配置屈伸式工业机器人的臂部由大臂、小臂组成，大臂、小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机座一起，结合机器人的运动轨迹，既可以实现平面运动，又可以实现空间运动，如图3-26所示。（a）平面屈伸式 （b）立体屈伸式图3-26 屈伸式配置1立柱；2大臂；3小臂；4腕部；5末端执行器3.3.3 臂部结构的设计臂部结构的设计工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：（1）臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。（2）合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料。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
13、作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。（3）尽量减小臂部重量和整个臂部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）合理设计臂部与腕部、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。3.4机座与行走机构3.4.1 移动式机座与行走机构概述移动式机座与行走机构概述移动式机座安装在行走机构上，通常由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器电缆及管路等组成。移动式机座一方面支承工业机器人的臂部、腕部和末端执行器，另一方面还根据作业任务的要求，带动机器人在更广的空间内运动。工业机器人的行走机构按其运动轨迹的不同，可分为固定轨迹式
14、行走机构和无固定轨迹式行走机构。1固定轨迹式行走机构固定轨迹式行走机构固定轨迹式工业机器人的机座安装在一个可移动的拖板座上，整个机器人可以靠丝杠螺母的驱动沿丝杠纵向移动。除此之外，此类机器人也采用类似起重机梁的移动方式行走。2无固定轨迹式行走机构无固定轨迹式行走机构一般来讲，无固定轨迹式行走机构主要有履带式行走机构、轮式行走机构和足式行走机构等。此外，还有适合于各种特殊场合的步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等。3.4.2 履带式行走机构履带式行走机构履带式行走机构主要由支重轮、拖链轮、导向轮（引导轮）、驱动轮、履带、行走架、张紧装置、行走液压马达和减速机等组成。图
15、3-27 履带式行走机构1导向轮；2张紧装置；3行走架；4支重轮；5履带；6拖链轮；7驱动轮；8行走液压马达和减速机履带式行走机构具有以下几个优点：（1）支承面积大，接地比压小，下陷度小，滚动阻力小，适合在松软或泥泞场地作业。（2）越野机动性好，可以在凹凸不平的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不大的台阶，爬坡、越沟等性能优越。（3）履带支承面上有履齿，因此不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。履带式行走机构具有以下不足：没有自定位轮和转向机构，履带式行走机构只能靠左右两个履带的速度差实现转弯，所以转向和前进方向都会产生滑动，且转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。履带式行走机构结
16、构复杂、重量大、运动惯性大、减振功能差，致使零件容易损坏。3.4.3 轮式行走机构轮式行走机构轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图3-30所示。车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。图3-30 轮式行走机构在工业机器人中的应用1三轮行走机构三轮行走机构三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图3-31所示。其中，图3-31（a）所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮速度差实现转向；图3-31（b）所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31（c）所示为两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。图3-31 三轮行走机
17、构（a）（b）（c）2四轮行走机构四轮行走机构四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转向，如图3-32所示。其中，图3-32（a）所示为后轮分散驱动；图3-32（b）所示为四轮同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。图3-32 四轮行走机构（a）（b）3.4.4 足式行走机构足式行走机构履带式行走机构可以行走在凹凸不平的地面上，但其适应性较差，行走时晃动太大，在软地面上行驶速度较慢。（a）单足行走机构 （b）双足行走机构（c）三足行走机构 （d）四足行走机构 （e）六足行走机构图3-33 足式行走机构3.5 驱 动 器3.5.1 驱动器概述驱动
18、器概述工业机器人驱动器按照动力源的不同，可分为电动驱动、液压驱动和气动驱动三种，其结构框图如图3-37所示。根据需要，工业机器人可采用三种基本驱动类型中的单独一种或几种组合而成的驱动系统。图3-37 工业机器人驱动器的结构框图3.5.2 电动驱动电动驱动电动驱动又称为电气驱动，它是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动工业机器人的关节，以获得所要求的位置、速度和加速度的驱动方法。电动驱动控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，适用于中小负载。（a）交流伺服电动机 （b）直流伺服电动机 （c）步进伺服电动机图3-38 伺服电动机1）交流伺服电动机的结构
19、）交流伺服电动机的结构交流伺服电动机又称AC伺服电动机，其结构比较简单，主要由定子和转子两大基本部分组成，如图3-39所示。定子主要由机座（外壳）、定子铁芯和定子绕组等组成；转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴等组成。图3-39 交流伺服电动机的结构2）交流伺服电动机的工作原理）交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机的工作原理可通过下面这个小实验进行简单模拟。如图3-40所示，磁极与转子之间没有机械联系。当转动外面的磁极时，转子随着磁极同方向一起转动。磁极转动得快，转子转得也快。磁极反转，转子也反转。实验说明，交流伺服电动机工作的关键是有旋转磁场。图3-40 交流伺服电动机工作原理的模拟实验3）
20、旋转磁场的形成过程）旋转磁场的形成过程在交流伺服电动机中，由于各相绕组中的电流是交变的，所以，各电流的磁场也是交变的，而三相电流的合磁场则是一旋转磁场。图3-41 三相对称电流电流变化一周，合磁场在空间旋转360。4）交流伺服电动机的特点）交流伺服电动机的特点交流伺服电动机可通过大电流，无电刷，运行安全可靠，适用于频繁的启动、停止工作，而且过载能力、力矩惯量比、定位精度等优于直流伺服电动机。但是，交流伺服电动机控制比较复杂，所构成的驱动系统价格相对比较昂贵。2直流伺服电动机直流伺服电动机1）直流伺服电动机的结构）直流伺服电动机的结构直流伺服电动机又称DC伺服电动机，是最普通的电动机，其速度控制
21、相对比较简单。直流伺服电动机（见图3-43）也由定子和转子两部分组成，定子固定不动，转子可以旋转，在这两部分之间的间隙称为空气隙。图3-43 直流伺服电动机的结构 图3-44 电刷的结构 2）直流伺服电动机的工作原理）直流伺服电动机的工作原理如图3-45所示为直流伺服电动机的模型，将电刷A端、B端接到直流电源上，电刷A端接正极，电刷B端接负极。此时，电枢线圈中有电流沿着abcda的方向流动。线圈ab边和cd边在磁场中受到电磁力的作用，N极下的导体ab受力方向从右向左，S极上的导体cd受力方向从左向右。电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电动机转子逆时针方向旋转。图3-45 直流伺服电动机工作原理图
22、3）直流伺服电动机的特点）直流伺服电动机的特点直流伺服电动机最大的问题是无法精确控制电动机转动的转数，也就是位置控制，因此必须加上一个编码盘进行反馈，以获得实际转动的转数。普通交、直流电动机驱动需加减速装置，虽然输出力矩大，但控制性能差，馈性大，一般适用于中型或重型机器人。3步进伺服电动机步进伺服电动机步进伺服电动机是将电脉冲信号转换为相应角位移或直线位移的一种特殊电机，其每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度。输入的脉冲数决定转角值，脉冲频率决定转子的速度。1）三相反应式步进伺服电动机的结构）三相反应式步进伺服电动机的结构三相反应式步进伺服电动机的定、转子为一段铁芯。由于各相绕组沿圆周方向
23、均匀排列，所以又称径向分相式。它是步进伺服电动机中使用最多的一种结构形式，如图3-46所示为电动机的径向截面图。图3-46 三相反应式步进伺服电动机的结构2）三相反应式步进伺服电动机的工作原理）三相反应式步进伺服电动机的工作原理图3-47 三相反应式步进伺服电动机的工作原理图3）步进伺服电动机的特点）步进伺服电动机的特点步进伺服电动机的控制电路较为简单，且不需要转动状态的检测电路，因此所构成的驱动系统价格比较低廉。但是步进伺服电动机的功率较小，不适用于大负荷的工业机器人使用。3.5.3 液压驱动液压驱动液压驱动系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体（一般为矿物油）的压力能，通过液体压力能的变
24、化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件再将液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现回转运动或直线往复运动。工业机器人中常用的液压执行元件有液压马达和液压缸。1液压马达液压马达液压马达又称旋转液压马达，是液压驱动系统的旋转式执行元件，其结构如图3-48所示。1，20齿轮；2防尘罩；3，30电位器；4防尘器；5，11密封圈；6，10端盖；7，13输出轴；8，25壳体；9，22钢盘；12防尘圈；14，17滚针轴承；15，19泄油孔；16，18O形密封圈；21，29解算器；23，26转子；24转动叶片；27固定叶片；28进出油孔图3-48 液压马达的结构2液压缸液压缸液压缸
25、是将液体压力能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件，其结构简单、工作可靠。在用液压缸实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在工业机器人中应用比较广泛。图3-49 直线液压缸3液压驱动的特点液压驱动的特点不论液压驱动系统使用哪种液压执行元件，它都具有控制精度高、可无级调速、反应灵敏、可实现连续轨迹控制等优点，并且因其操作力大、功率体积比大，比较适合于大负载低速驱动。但液压驱动系统需要较高的密封性，不宜在高温或低温的场合工作，其价格较贵，维护相对复杂，这些缺点限制了液压驱动在工业机器人中的应用。3.5.4 气动驱动气动驱动气动驱动系统的工作原理与液压
26、驱动系统相同，靠压缩空气来推动气缸或气动马达运动进而带动执行元件运动，其原理框图如图3-50所示。图3-50 气动驱动工作原理框图图3-51 气动手爪外形气动驱动系统由于气体压缩性大、精度低、阻尼效果差、低速不易控制，难以实现伺服控制，能效比较低。但气动驱动系统结构简单、成本低，适用于轻负载快速驱动和精度要求较低的有限点位控制的工业机器人。3.6传动机构3.6.1 谐波减速器谐波减速器谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，其运动本质是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。1谐波减速器的结构谐波减速器的结构如图3-52所示，谐波减速器由具有内齿的刚轮、
27、具有外齿的柔轮和波发生器组成。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。图3-52 谐波减速器的结构1）刚轮）刚轮刚轮是一个刚性的内齿轮，双波谐波传动的刚轮通常比柔轮多两齿。谐波齿轮减速器多以刚轮固定，外部与箱体连接。2）柔轮）柔轮柔轮有薄壁杯式、薄壁圆筒式和平嵌式等多种形式。其中，薄壁圆筒式柔轮的开口端外面有齿圈，它随波发生器的转动而变形，筒底部分与输出轴连接。3）波发生器）波发生器波发生器与输入轴相连，对柔轮齿圈的变形起产生和控制的作用。它由一个椭圆形凸轮和一个薄壁的柔性轴承组成。柔性轴承不同于普通轴承，它的外环很薄，容易产生径向变形，在未装入凸轮之前环是圆形的，装上
28、之后变为椭圆形。2谐波减速器的工作原理谐波减速器的工作原理波发生器通常是椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，在沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称为啮出啮出；有的逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称为啮入啮入。波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，波发生器的连续转动，使柔轮齿循环往复的进行啮入啮合啮出脱开这四种状态，不断改变各自原来的啮合状态，如图3-53所示。上述现象称为错齿运动错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器将输入的高速转动变为输出的低速转动。图3-53 谐波减速器工作原理图3谐波减速器的特点
29、谐波减速器的特点1）传动传动比范比范围围大大2）体积小、重量轻）体积小、重量轻3）结结构构简单简单4）承）承载载能力高能力高5）传动传动精度高精度高6）传动传动效率高、运效率高、运动动平平稳稳3.6.2 RV减速器减速器RV减速器主要由行星轮、刚性盘、针轮、摆线轮、曲柄轴、输出盘和齿轮轴等组成。图3-54 RV减速器的结构1RV减速器的结构减速器的结构2RV减速器的工作原理减速器的工作原理图3-55 RV减速器传动简图RV传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成的。渐开线行星轮2与曲柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。如果渐开线中心轮1顺时针方
30、向旋转，那么渐开线行星齿轮在公转的同时还进行逆时针方向自转，并通过曲柄轴带动摆线轮进行偏心运动，此时摆线轮在其轴线公转的同时，还将在针齿的作用下反向自转，即顺时针转动。同时通过曲柄轴将摆线轮的转动等速传给输出机构。3RV减速器的特点减速器的特点RV减速器具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外的广泛关注，在工业机器人领域占有主导地位。RV减速器与工业机器人中常用的谐波减速器相比，具有较高的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波减速器那样随着使用时间增长，会令运动精度显著降低。因此，世界上许多高精度工业机器人的传动装置都采用RV减速器。