第2章--工业机器人的机械结构

第2章工业机器人的机械结构教学目标《工业机器人技术与应用》1.熟悉工业机器人的常见技术指标2.掌握工业机器人的机械结构及各部分的功能3.正确分析工业机器人的传动机构及传动路线目录页PAGEOFCONTENT2.1工业机器人机身结构2.2工业机器人臂部结构2.3工业机器人腕部结构2.4工业机器人手部结构2.5工业机器人驱动与传动工业机器人机身结构2.1工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等组成。1．回转与升降型机身结构回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。工业机器人机身结构2.12．回转与俯仰型机身机构回转与俯仰型机器人的机身主要由实现手臂左右回转和上下俯仰运动的部件组成，它用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。手臂俯仰驱动缸安置示意图工业机器人机身结构2.13．直移型机身结构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．类人机器人型机身结构类人机器人的机身上除装有驱动臂部的运动装置外，还应装有驱动腿部运动的装置和腰部关节。工业机器人机身结构2.1工业机器人机身结构2.1没有手臂的双足机器人Cassie工业机器人臂部结构2.2手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间都与臂部的运动和臂部的参数有关。一、机器人臂部的组成机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传动臂部结构。工业机器人臂部结构2.2二、机器人机身和臂部的配置机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。1．横梁式配置机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件通常分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种。具有占地面积小、能有效利用空间、动作简单直观等优点。a）单臂悬挂式b）双臂悬挂式工业机器人臂部结构2.2二、机器人机身和臂部的配置2．立柱式配置立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配置形式。通常分为单臂式和双臂式两种。具有占地面积小而工作范围大的特点。a）单臂式b）双臂式工业机器人臂部结构2.2二、机器人机身和臂部的配置3．机座式配置机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动。a）单臂回转式b）双臂回转式c）多臂回转式工业机器人臂部结构2.2二、机器人机身和臂部的配置4．屈伸式配置屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。a）平面屈伸式b）立体屈伸式工业机器人臂部结构2.2三、机器人臂部机构机器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）构成。1．手臂直线运动机构1—手部2—夹紧缸3—油缸4—导向柱5—运行架6—行走车轮7—导轨8—支座机器人手臂的伸缩、升降及横向（或纵向）移动均属于直线运动，而实现手臂往复直线活塞和连杆机构等运动的机构形式较多。工业机器人臂部结构2.2三、机器人臂部机构2．臂部俯仰机构1—手部2—夹紧缸3—升降缸4—小臂5、7—摆动气缸6—大臂8—立柱机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞（气）缸与连杆机构联用来实现。铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图工业机器人臂部结构2.2三、机器人臂部机构3．臂部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缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。工业机器人腕部结构2.3腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：臂转：指腕部绕小臂轴线方向的旋转，也称作腕部旋转；腕摆：指手部绕垂直小臂轴线方向进行旋转，腕摆分为俯仰和偏转，其中同时具有俯仰和偏转运动的称作双腕摆；手转：指手部绕自身的轴线方向旋转。工业机器人腕部结构2.3腕部的结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式，常用的腕部组合方式有臂转—腕摆—手转结构，臂转—双腕摆—手转结构等。腕部关节配置图a）臂转、腕摆、手转结构b）臂转、双腕摆、手转结构工业机器人腕部结构2.3一、机器人手腕的典型结构a）臂转R手腕b）俯仰B手腕c）偏转B手腕d）T手腕1．手腕的分类（1）单自由度手腕R关节：组成转动副关节的两个构件自身几何回转中心和转动副回转轴线重合，多数情况下，手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线。B关节:组成转动副关节的两个构件自身几何回转中心和转动副回转轴线垂直，多数情况下，关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直。工业机器人腕部结构2.3一、机器人手腕的典型结构二自由度手腕a）BR手腕b）BB手腕c）RR手腕1．手腕的分类（2）二自由度手腕工业机器人腕部结构2.3一、机器人手腕的典型结构1．手腕的分类（3）3自由度手腕工业机器人腕部结构2.3一、机器人手腕的典型结构2．手腕的典型结构（1）单自由度回转运动手腕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-手腕工业机器人腕部结构2.3一、机器人手腕的典型结构2．手腕的典型结构（2）双自由度回转运动手腕工业机器人腕部结构2.3一、机器人手腕的典型结构2．手腕的典型结构（3）三自由度回转运动手腕KUKAIR-662/100型机器人手腕传动图工业机器人腕部结构2.3二、柔顺手腕结构柔顺手腕是顺应现代机器人装配作业产生的一项技术，它主要被应用于机器人轴孔装配作业中。柔顺手腕可主动或被动的调整装配体之间的相对位姿，补偿装配误差，以顺利完成装配作业。移动摆动柔顺手腕柔顺手腕动作过程工业机器人手部结构2.4一、工业机器人手部的特点手部是装在机器人手腕末端法兰上直接抓握工件或执行作业的部件。机器人的手部也叫末端执行器，它分为两类：手部和专用操作器。1．手部与手腕相连处可拆卸根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。2．手部是机器人末端操作器可以是类人的手爪，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枪、焊枪等。工业机器人手部结构2.4一、工业机器人手部的特点3．手部的通用性比较差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三大件就是机身、手臂和手部。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。工业机器人手部结构2.4二、工业机器人手部的分类1．按用途分类（1）手爪手爪具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件—握持工件—释放工件。（2）专用操作器专用操作器也称作工具，是进行某种作业的专用工具，如机器人涂装用喷枪、机器人焊接用焊枪等。工业机器人手部结构2.4二、工业机器人手部的分类2．按夹持方式分类手部按照夹持方式划分，可以分为外夹式、内撑式和内外夹持式三类。3．按工作原理分类（1）夹持类手部，通常又叫机械手爪，分靠摩擦力夹持和吊钩承重两种。（2）吸附类手部：吸附类手部有磁力类吸盘和真空（气吸）类吸盘两种。磁力类吸盘主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸盘两种。真空类吸盘主要是真空式吸盘，根据形成真空的原理可分为真空吸盘、流负压吸盘和挤气负压吸盘三种。工业机器人手部结构2.4工业机器人手部结构2.4二、工业机器人手部的分类4．按手指或吸盘数目分类按手指数目可分为二指手爪及多指手爪。三指手多关节柔性手指手爪工业机器人手部结构2.4二、工业机器人手部的分类5.按智能化分类按手部的智能化划分，可以分为普通式手爪和智能化手爪两类。普通式手爪不具备传感器。智能化手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等，手爪与传感器集成成为智能化手爪。工业机器人手部结构2.4三、工业机器人的夹持式手部1．夹钳式手部由手指（手爪）和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。夹钳式手部的组成1-手指2-传动机构3-驱动装置4-支架5-工件工业机器人手部结构2.4三、工业机器人的夹持式手部1．夹钳式手部（1）手指夹钳式手的指端a)V形指b)平面指c)尖指d)特形指手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开与闭合来实现的。工业机器人手部结构2.4三、工业机器人的夹持式手部1．夹钳式手部（2）传动机构：传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动，又可分为摆动回转型和平动回转型。1）回转型传动机构a)斜楔杠杆式b)滑槽式杠杆回转型c)双支点连接杠杆式d)齿条齿轮杠杆式a)1-壳体2-斜楔驱动杆3-滚子4-圆柱销5-拉簧6-铰销7-手指8-工件b)1-驱动杆2-圆柱销3-铰销4-手指5-V形指6-工件c)1-壳体2-驱动杆3-铰销4-连杆5、7-圆柱销6-手指8-V形指9-工件d)1-壳体2-驱动杆3-小轴4-扇齿轮5-手指6-V形指7-工件工业机器人手部结构2.4b滑槽杠杆式抓取机构工业机器人手部结构2.4c双支点连接杠杆式工业机器人手部结构2.4三、工业机器人的夹持式手部1．夹钳式手部（2）传动机构：平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体等）。根据其结构，可分平面平行移动机构和直线往复移动机构两种类型。2）平移型传动机构平移型传动机构a）平面平行移动机构b）直线往复移动机构1-驱动器2-驱动元件3-主动摇杆4-从动摇杆5-手指工业机器人手部结构2.4平面平行移动机构工业机器人手部结构2.4三、工业机器人的夹持式手部2．钩托式手部它的主要特征是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、托、捧等动作来托持工件。钩托式手部a)无驱动装置b)有驱动装置1-齿条2-齿轮3-手指4-销子5-液压缸6、7-杠杆手指工业机器人手部结构2.4三、工业机器人的夹持式手部3．弹簧式手部弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单。它的使用特点是工件进入手指和从手指中取下工件都是强制进行的。由于弹簧力有限，故只适于夹持轻小工件。弹簧式手部1-工件2-套筒3-弹簧片4-扭簧5-销钉6-螺母7-螺钉工业机器人手部结构2.4四、工业机器人的吸附式手部1．气吸附式手部由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作。具有结构简单、重量轻、使用方便可靠、对工件表面没有损伤、吸附力分布均匀等优点。广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物体表面较平整光滑，无孔无凹槽，冷搬运环境。按形成压力差的原理，可分为真空吸附、气流负压气吸附、挤压排气式等3种。工业机器人手部结构2.4四、工业机器人的吸附式手部1．气吸附式手部1）真空吸附取料手取料时，碟形橡胶吸盘与物体表面接触，橡胶吸盘在边缘既起到密封作用，又起到缓冲作用，然后真空抽气，吸盘内腔形成真空，吸取物料。放料时，管路接通大气，失去真空，物体放下。为避免在取、放料时产生撞击，有的还在支承杆上配有弹簧缓冲。1-橡胶吸盘2-固定环3-垫片4-支撑杆5-基板6-螺母工业机器人手部结构2.4四、工业机器人的吸附式手部1．气吸附式手部2）气流负压吸附取料手气流负压吸附取料手是利用流体力学的原理，当需要取物时，压缩空气高速流经喷嘴5时，其出口处的气压低于吸盘腔内的气压，于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压，完成取物动作；当需要释放时，切断压缩空气即可。b）1-橡