工業(yè)機器人技術(shù)基礎(chǔ)課件 模塊二工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)

模塊二工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)導(dǎo)讀工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)對機器人起著非常重要的作用，反映了它可以勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計、應(yīng)用機器人時必須考慮的問題。工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)主要包括執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等，執(zhí)行機構(gòu)是工業(yè)機器人的本體結(jié)構(gòu)；驅(qū)動系統(tǒng)是將能源傳送到執(zhí)行機構(gòu)的裝置；控制系統(tǒng)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令以及從傳感器反饋回來的信號，支配執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能的結(jié)構(gòu)；傳感系統(tǒng)是一種包含多個傳感器和處理單元的綜合性系統(tǒng)，可以對環(huán)境信息進行感知、采集、處理和傳輸?shù)榷囗椚蝿?wù)。與計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類似，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，了解工業(yè)機器人的組成部分、結(jié)構(gòu)以及技術(shù)參數(shù)就顯得尤為重要。知識目標

了解工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成；

掌握工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)。能力目標

熟練掌握工業(yè)機器人的組成部分及其作用；

能夠掌握工業(yè)機器人執(zhí)行機構(gòu)的工作原理。素養(yǎng)目標

培養(yǎng)學(xué)生深入思考的能力；

在學(xué)習(xí)過程中提高學(xué)生的思維能力，使學(xué)生感受學(xué)習(xí)的快樂；

認識掌握工業(yè)機器人相關(guān)技能的重要性，提升學(xué)生的勞動精神和工匠精神。思維導(dǎo)圖2.1.1執(zhí)行機構(gòu)工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)4部分組成。執(zhí)行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體部分，通常由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運動副組成，也可以理解為工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)部分。從功能的角度分析，工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)由手部、腕部、臂部、腰部等組成，如圖2-1所示。

圖2-1工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是向執(zhí)行機構(gòu)各部件提供動力的裝置，包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。驅(qū)動器的驅(qū)動方式通常分為電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動以及把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合驅(qū)動。常用的傳動機構(gòu)有諧波傳動機構(gòu)、螺旋傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、帶傳動機構(gòu)以及各種齒輪傳動機構(gòu)等。

2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)

1.電力驅(qū)動電力驅(qū)動是指利用電動機產(chǎn)生的力或力矩直接或經(jīng)過減速機構(gòu)來驅(qū)動機器人，以獲得所需的位置、速度和加速度。由于低慣量，大轉(zhuǎn)矩，交、直流伺服電動機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）被廣泛采用，且不需能量轉(zhuǎn)換，使用方便，控制靈活，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量選用。電力驅(qū)動系統(tǒng)的缺點是大多數(shù)電動機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)，直流有刷電動機不能直接用于防爆的環(huán)境中，成本也比氣動驅(qū)動系統(tǒng)和液壓驅(qū)動系統(tǒng)高。但因這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，在機器人控制中比較常見。機器人的電力驅(qū)動如圖2-2所示。圖2-2機器人的電力驅(qū)動2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)

2.液壓驅(qū)動由于液壓驅(qū)動系統(tǒng)需進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，因此效率比電力驅(qū)動系統(tǒng)低。液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液體泄漏會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較大。因這些弱點，近年來，在負荷為100

kg以下的機器人中液壓驅(qū)動系統(tǒng)往往被電力驅(qū)動系統(tǒng)所取代。機器人的液壓驅(qū)動如圖2-3所示。

圖2-3機器人的液壓驅(qū)動

2.1.2驅(qū)動系統(tǒng)

3．氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機等組成，以壓縮空氣來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行工作，具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低等特點，適用于中、小負荷的機器人中。但因難以實現(xiàn)伺服控制，氣動驅(qū)動系統(tǒng)多用于開環(huán)程序控制的機器人中，如上下料機器人和沖壓機器人。機器人的氣動驅(qū)動如圖2-4所示。圖2-4機器人的氣動驅(qū)動2.1.3控制系統(tǒng)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)的神經(jīng)中樞，由控制計算機、示教器、驅(qū)動系統(tǒng)（雖然從整個機器人的角度看它是獨立的一環(huán)，但在控制系統(tǒng)中，驅(qū)動系統(tǒng)也被視為執(zhí)行控制指令的部分，即接收控制信號并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動）、傳感系統(tǒng)（在工業(yè)機器人架構(gòu)中單獨列出，但在控制系統(tǒng)中，它被視作提供反饋信息的組件，幫助控制系統(tǒng)實時調(diào)整機器人的行為）及外圍設(shè)備接口構(gòu)成?？刂朴嬎銠C處理邏輯，示教盒用于編程與監(jiān)控；驅(qū)動系統(tǒng)將信號轉(zhuǎn)化為運動，感知系統(tǒng)監(jiān)測狀態(tài)與環(huán)境?？刂葡到y(tǒng)通過軟件系統(tǒng)協(xié)調(diào)，實現(xiàn)記憶、示教再現(xiàn)、路徑規(guī)劃等功能，確保機器人高效、準確地執(zhí)行任務(wù)，與生產(chǎn)環(huán)境無縫對接。這一系統(tǒng)的核心作用在于精準控制與實時調(diào)整，支撐著現(xiàn)代制造業(yè)的自動化流程。工業(yè)機器人的控制原理如圖2-5所示機器人控制器是機器人控制系統(tǒng)的核心，對機器人的性能起著決定性的影響，主要控制機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。機器人的控制器主要包括兩個部分，控制柜和示教器，其中控制柜包含多個PLC控制模塊，用于控制機器人的運動；示教器則用于編程和發(fā)送控制命令給控制柜，以控制機器人運動。圖2-5工業(yè)機器人的控制原理2.1.3控制系統(tǒng)1．機器人的控制柜器人的控制柜（見圖2-6）一般由主電源、計算機供電單元、計算機控制模塊、輸入和輸出板（I/O板）、用戶連接端口、示教器接線端口、各軸計算機板、各軸伺服電動機的驅(qū)動單元等組成。機器人的控制柜內(nèi)的標準硬件主要有控制模塊和驅(qū)動模塊。控制模塊主要包含控制操縱器動作的主要計算機，包括RAPID程序的執(zhí)行和信號處理模塊。驅(qū)動模塊包含電子設(shè)備的模塊，可為操縱器的電動機供電，驅(qū)動模塊最多可以包含9個驅(qū)動單元，每個驅(qū)動單元控制一個操縱器關(guān)節(jié)，標準工業(yè)機器人有

6

個軸，即

6

個關(guān)節(jié)，因此工業(yè)機器人的操縱器通常使用一個驅(qū)動模塊。圖2-6機器人的控制柜2.1.3控制系統(tǒng)2．機器人的示教器示教器又叫示教編程器，是機器人控制系統(tǒng)的核心部件，是進行機器人的手動操縱、程序編寫、參數(shù)配置以及監(jiān)控用的手持裝置，主要由觸摸屏、控制桿、專用的硬件按鍵和緊急停止開關(guān)等組成，如圖2-7（a）所示。示教器是用來注冊和存儲機械運動或處理記憶的設(shè)備，由電子系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)組成，控制者在操作時只需要手持示教器，通過按鍵將信號傳送到控制柜的存儲器中，就能實現(xiàn)對機器人的控制。示教器的操作面板由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作，如圖2-7（b）所示。圖2-7機器人的示教器2.1.4傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，機器人的傳感系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)、聽覺系統(tǒng)、觸覺系統(tǒng)、嗅覺系統(tǒng)以及味覺系統(tǒng)等。這些傳感系統(tǒng)由一些對圖像、聲音、壓力、氣味、味道敏感的交換器（即傳感器）組成。不同種類的壓力傳感器如圖2-8（a）所示。按其采集信息的位置，傳感器一般可分為內(nèi)部和外部兩類，其中內(nèi)部傳感器是機器人完成運動控制所必需的傳感器，如位置傳感器、速度傳感器等，用于采集機器人內(nèi)部信息，是構(gòu)成機器人的不可缺少的基本元件。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人僅采用內(nèi)部傳感器，用于對機器人運動、位置及姿態(tài)進行精確控制。外部傳感器主要讓機器人對外部環(huán)境具有一定程度的適應(yīng)能力，從而表現(xiàn)出一定程度的智能性。傳感器將接收到的信息傳送到運動控制器，從而控制工業(yè)機器人運動，如圖2-8（b）所示。圖2-8機器人的傳感系統(tǒng)2.2.1工業(yè)機器人的手部工業(yè)機器人的執(zhí)行機構(gòu)主要包括手部、腕部、臂部、腰部等。工業(yè)機器人的手部屬于末端執(zhí)行器，是裝在工業(yè)機器人腕部上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件，也是決定完成作業(yè)好壞、作業(yè)柔性優(yōu)劣的關(guān)鍵部件之一。機器人手部能根據(jù)計算機發(fā)出的命令執(zhí)行相應(yīng)的動作，是執(zhí)行命令的機構(gòu)，具有識別的功能。為了使機器人手部具有觸覺，可在手掌和手指上裝上帶有彈性觸點的元件，如想使其感知冷暖可裝上熱敏元件。在各關(guān)節(jié)的連接軸上裝有精巧的電位器，可將手指的彎曲角度轉(zhuǎn)換成“外形彎曲信息”，把外形彎曲信息和各關(guān)節(jié)產(chǎn)生的接觸信息一起送入計算機，通過計算就能迅速判斷機械手所抓物體的形狀和大小。2.2.1工業(yè)機器人的手部1．工業(yè)機器人手部的基本特征工業(yè)機器人的手部具有四大基本特征。（1）手部與腕部相連處可拆卸。手部與腕部有機械接口，當(dāng)機器人作業(yè)對象不同時，可以方便地拆卸和更換手部。（2）手部是工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器。它可以像人手那樣具有手指，也可以是不具備手指的手；可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，如裝在機器人腕部的噴漆槍、焊接工具等。具有復(fù)雜感知能力的智能化手爪的出現(xiàn)，增加了工業(yè)機器人作業(yè)的靈活性和可靠性。（3）手部的通用性比較差。工業(yè)機器人手部通常是專用的裝置，比如一種手爪往往只能抓握一種或幾種在形狀、尺寸、質(zhì)量等方面相近的工件，一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。（4）手部是一個獨立的部件。假如把腕部歸屬于臂部，那么工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的三大件就是手部、臂部和腰部。2.2.1工業(yè)機器人的手部2．工業(yè)機器人手部設(shè)計問題（1）考慮被抓握對象的幾何參數(shù)和機械特性。幾何參數(shù)包括工件尺寸、可能給予抓握表面的數(shù)目、可能給予抓握表面的位置和方向、夾持表面之間的距離、夾持表面的幾何形狀。機械特性包括質(zhì)量、材料、固有穩(wěn)定性、表面質(zhì)量和品質(zhì)、表面狀態(tài)、工件溫度。（2）考慮手部和機器人匹配情況。手部一般用法蘭式機械接口與腕部相連接，手部自身質(zhì)量也增加了機械臂的負載。接口匹配時手部可以更換，即手部形式可以不同，但是與腕部的機械接口必須相同。手部自身質(zhì)量不能太大，機器人能抓取工件的質(zhì)量是機器人的承載能力減去手部自身質(zhì)量。手部自身質(zhì)量要與機器人承載能力相匹配。（3）考慮環(huán)境條件。作業(yè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況很重要，比如高溫、水、油等不同環(huán)境會影響手部的工作。一個鍛壓機械手要從高溫爐內(nèi)取出紅熱的鍛件坯料就必須保證手部的開合、驅(qū)動在高溫環(huán)境中均能正常工作。（4）磁力吸盤要求工件表面清潔、平整、干燥，以保證能可靠地吸附。磁力吸盤的計算主要是電磁吸盤中電磁鐵吸力的計算以及鐵心截面積、線圈導(dǎo)線直徑和線圈匝數(shù)等參數(shù)的計算。要根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境選擇工作情況系數(shù)和安全系數(shù)。2.2.1工業(yè)機器人的手部3．工業(yè)機器人手部的類型由于被握工件的形狀、尺寸、質(zhì)量、材質(zhì)等不同，工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器也是多種多樣的，大致可以分為以下幾類：夾鉗式取料手、吸附式取料手、仿生多指靈巧手、專用操作器及換接器等。（1）夾鉗式取料手夾鉗式取料手與人手相似，是工業(yè)機器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。夾鉗式取料手由手指、驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)及支架組成，通過手指的開與合實現(xiàn)對物體的松開與夾持，如圖2-9所示。手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個或多個手指，其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。指端的形狀有平面指、V形指、尖指、長指、薄指、特形指等，如圖2-10和圖2-11所示。圖2-11所示的3種V形指端用于夾持圓柱形工件。平面指一般用于夾持方形工件（具有兩個平行平面）、板料或細小棒料。尖指一般用于夾持小型或柔性工件，長指一般用于夾持熾熱的工件，以免熱輻射對手部傳動機構(gòu)的影響。薄指一般用于夾持位于狹窄工作場地的細小工件，以避免和周圍障礙物相碰。指面的類型有光滑指面、齒形指面和柔性指面等。光滑指面平整光滑，可用來夾持已加工表面，避免已加工表面受損。齒形指面刻有齒紋，可增加夾持工件時的摩擦力，以確保夾持牢靠，多用來夾持表面粗糙的毛坯或半成品。柔性指面內(nèi)鑲有橡膠、泡沫、石棉等物質(zhì)，有增加摩擦力、保護工件表面、隔熱等作用，一般用于夾持已加工表面、熾熱件，或夾持薄壁件和脆性工件。圖2-9夾鉗式取料手1—手指；2—傳動機構(gòu)；3—驅(qū)動裝置；4—支架；5—工件2.2.1工業(yè)機器人的手部（2）吸附式取料手吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附方式的不同分為氣吸附和磁吸附兩種，適用于大平面、易碎（玻璃、磁盤等）、微小物體的吸附。①氣吸附式取料手。氣吸附式取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的，按形成壓力差的方法，可分為真空吸附式、氣流負壓吸附式、擠壓排氣式等，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、吸附力分布均勻等優(yōu)點，對于薄片狀如板材、紙張、玻璃等物體的搬運更有優(yōu)越性，廣泛應(yīng)用于非金屬材料的吸附。但它要求物體表面較平整光滑，無孔無凹槽。a．真空吸附式取料手。圖2-12所示為真空吸附式取料手，其真空的產(chǎn)生是利用了真空泵，真空度較高，主要零件為碟形橡膠吸盤1，通過固定環(huán)2安裝在支承桿4上，支承桿由螺母5固定在基板6上。取料時，碟形橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤在邊緣既起到密封作用，又起到緩沖作用，然后真空抽氣，吸盤內(nèi)腔形成真空，吸取物料。放料時，管路接通大氣，失去真空，物體放下。為避免在取、放料時產(chǎn)生撞擊，有的還在支承桿上配有彈簧緩沖。為了更好地適應(yīng)物體吸附面的傾斜狀況，有的還在橡膠吸盤背面設(shè)計有球鉸鏈。圖2-12真空吸附式取料手1—蝶形橡膠吸盤；2—固定環(huán)；3—墊片；

4—支承桿；5—螺母；6—基板2.2.1工業(yè)機器人的手部b．氣流負壓吸附式取料手。氣流負壓吸附式取料手如圖2-13所示，利用的是流體力學(xué)的原理，當(dāng)需要取料時，壓縮空氣高速流經(jīng)圖2-13（a）所示噴嘴5，其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓，于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負壓，完成取料動作；當(dāng)需要放料時，切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣，但工廠里較易取得，故成本較低。c．?dāng)D壓排氣式取料手。擠壓排氣式取料手如圖2-14所示，其工作原理為取料時，橡膠吸盤壓緊物體，橡膠吸盤變形，擠出腔內(nèi)多余的空氣，取料手上升，靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負壓，將物體吸??；放料時，壓下拉桿3，使吸盤腔與大氣相連通而失去負壓。該取料手結(jié)構(gòu)簡單，但吸附力小，吸附狀態(tài)不易長期保持。1—橡膠吸盤；2—心套；3—透氣螺釘；4—支承桿；

5—噴嘴；6—噴嘴套1—氣源；2—電磁閥；3—真空發(fā)生器；4—消聲器；

5—壓力開關(guān)；6—氣爪圖2-13氣流負壓吸附式取料手圖2-14擠壓排氣式取料手1—橡膠吸盤；2—彈簧；3—拉桿2.2.1工業(yè)機器人的手部②磁吸附式取料手。磁吸附式取料手的吸盤有電磁吸盤和永磁吸盤兩種，具有體積小、自重輕、持力強、可在水里使用等特點，廣泛應(yīng)用于機械加工、倉庫等搬運吊裝過程中對塊狀、圓柱形磁性鋼鐵材料工件的吸附，可大大提高工件裝卸、搬運的效率，是工廠、碼頭、倉庫、交通運輸?shù)葓龊侠硐氲牡跹b工具。在機器人手部裝上電磁鐵，通過電磁吸力把工件吸住。在線圈通電的瞬時，由于空氣間隙的存在，磁阻很大，線圈的電感和啟動電流很大，這時產(chǎn)生的電磁吸力就會將工件吸住，一旦斷電，電磁吸力消失，工件就會松開。若采用永久磁鐵作為吸盤，則必須強迫性地取下工件。電磁吸盤只能吸住鐵磁材料制成的工件，吸不住有色金屬和非金屬材料制成的工件。磁力吸盤的缺點是被吸取工件有剩磁，吸盤上常會吸附一些鐵屑，致使不能可靠地吸住工件，而且磁力吸盤只適用于對工件要求不高或有剩磁也無妨的場合。對于不允許有剩磁的工件如鐘表零件及儀表零件等，不能選用磁力吸盤，可選用真空吸盤。另外，鋼、鐵等磁性物質(zhì)在溫度為723℃以上時磁性會消失，故高溫條件下不宜使用磁力吸盤。電磁鐵工作原理如圖2-15（a）所示。當(dāng)線圈1通電后，在鐵心2內(nèi)外產(chǎn)生磁場，磁力線穿過鐵心，空氣間隙和銜鐵3被磁化并形成回路，銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住。實際使用時，往往采用圖2-15（b）所示的盤式電磁鐵，銜鐵是固定的，銜鐵內(nèi)用隔磁材料將磁力線切斷，當(dāng)銜鐵接觸鐵磁零件時，零件被磁化形成磁力線回路，并受到電磁吸力而被吸住。圖2-15電磁鐵1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵2.2.1工業(yè)機器人的手部圖2-16所示為盤狀磁吸附式取料手結(jié)構(gòu)。鐵心1和磁盤3之間用黃銅焊料焊接并構(gòu)成隔磁環(huán)2，這樣使鐵心1成為內(nèi)磁極，磁盤3成為外磁極。其磁路由殼體6的外圈，經(jīng)磁盤3、工件和鐵心，再到殼體內(nèi)圈形成閉合回路，以此來吸附工件。鐵心、磁盤和殼體均采用8～10號低碳鋼制成，可減少剩磁，并在斷電時不吸或少吸鐵屑。蓋5為用黃銅或鋁板制成的隔磁材料，用以壓住線圈11，防止工作過程中線圈的活動。擋圈7、8用以調(diào)整鐵心和殼體的軸向間隙，即磁路氣隙δ，在保證鐵心正常轉(zhuǎn)動的情況下，氣隙越小越好，氣隙越大，則電磁吸力會顯著地減小，因此，一般取δ＝0.1～0.3mm。在機器人臂部的孔內(nèi)可做軸向微量的移動，但不能轉(zhuǎn)動。鐵心1和磁盤3一起裝在軸承10上，用以實現(xiàn)在不停車的情況下自動上下料。圖2-17所示為幾種電磁式吸盤吸料。圖2-17（a）為吸附滾動軸承底座的電磁式吸盤；圖2-17（b）為吸取鋼板的電磁式吸盤；圖2-17（c）為吸取齒輪用的電磁式吸盤；圖2-17（d）為吸附多孔鋼板用的電磁式吸盤。圖2-16盤狀磁吸附式取料手結(jié)構(gòu)1—鐵心；2—隔磁環(huán)；3—磁盤；4—卡環(huán)；5—蓋；6—殼體；7、8—擋圈；9—螺母；10—軸承；11—線圈；12—螺釘2.2.1工業(yè)機器人的手部（3）仿生多指靈巧手目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有2個手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。簡單的夾鉗式取料手不能適應(yīng)物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，無法對復(fù)雜形狀、不同材質(zhì)的物體實施夾持和操作。為了提高機器人手爪和腕部的操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，使機器人手部能像人手一樣進行各種復(fù)雜的作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)、設(shè)備操作以及機器人模特的禮儀手勢等，設(shè)計出了柔性手和多指靈巧手。①柔性手。柔性手能對不同外形的物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻。圖2-18所示為多關(guān)節(jié)柔性腕部，每個手指由多個關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成，每個手指由兩根鋼絲繩牽引，一側(cè)為握緊，另一側(cè)為放松。驅(qū)動源可采用電動機或液壓、氣動元件。柔性腕部可抓取外形凹凸不平的物體并使物體受力較為均勻。圖2-17電磁式吸盤吸料圖2-18多關(guān)節(jié)柔性腕部2.2.1工業(yè)機器人的手部圖2-19所示為用柔性材料做成的柔性手。一端固定，另一端為自由端的雙管合一的柔性管狀手爪，當(dāng)一側(cè)管內(nèi)充氣體或液體、另一側(cè)管內(nèi)抽氣或抽液時形成壓力差，柔性手爪就向抽空側(cè)彎曲。此種柔性手適用于抓取輕型、圓形物體，如玻璃器皿等。②多指靈巧手。如圖2-20所示，多指靈巧手有多個手指，每個手指有3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每一個關(guān)節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此，幾乎人的手指能完成的各種復(fù)雜動作它都能模仿，諸如擰螺釘、彈鋼琴、做禮儀手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器，將會使多指靈巧手功能更加完善。多指靈巧手的應(yīng)用前景十分廣泛，可在各種極限環(huán)境下完成人無法實現(xiàn)的操作，如在核工業(yè)、宇宙空間作業(yè)，在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。圖2-20多指靈巧手圖2-19柔性手

1—工件；2—手爪；3—電磁閥；4—油缸2.2.1工業(yè)機器人的手部（4）專用操作器及換接器機器人是一種通用性很強的自動化設(shè)備，可根據(jù)作業(yè)要求，再配上各種專用的末端執(zhí)行器后，就能完成各種動作。如在通用機器人上安裝焊槍就使其成為一臺焊接機器人，安裝擰螺母機則使其成為一臺裝配機器人。目前許多由專用電動、氣動工具改型而成的操作器，如擰螺母機、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機等，所形成的一整套系列供用戶選用，使機器人能勝任各種工作。

①專用操作器。圖

2-21

所示是一個裝有電磁吸盤式換接器的機器人腕部以及各種專用末端執(zhí)行器，電磁吸盤直徑60

mm，質(zhì)量為1

kg，吸力1100

N，換接器可接通電源、信號、壓力氣源和真空源，電插頭有18芯，氣路接頭有5路。為了保證連接位置的精度，設(shè)置了兩個定位銷。在各末端執(zhí)行器的端面裝有換接器座，平時陳列于工具架上，需要使用時機器人腕部上的換接器電磁吸盤可從正面吸牢換接器座，接通電源和氣源，然后從側(cè)面將末端執(zhí)行器推出工具架，機器人便可進行作業(yè)。②

換接器或自動手爪更換裝置。使用一臺通用機器人，要在作業(yè)時能自動更換不同的末端執(zhí)行器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由換接器插座和換接器插頭兩部分組成，分別裝在機器腕部和末端執(zhí)行器上，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人對末端執(zhí)行器的快速自動更換。圖2-21裝有電磁吸盤式換接器的機器人腕部和各種專用末端執(zhí)行器1—氣路接口；2—定位銷；3—電接頭；4—電磁吸盤2.2.1工業(yè)機器人的手部專用末端換接器的要求是同時具備氣源、電源及信號的快速連接與切換功能；能承受末端執(zhí)行器的工作載荷；在失電、失氣情況下，機器人停止工作時不會自行脫離；具有一定的換接精度等。圖2-22所示為氣動換接器和專用末端執(zhí)行器庫。該換接器也分成兩部分：一部分裝在腕部上，稱為換接器；另一部分裝在末端執(zhí)行器上，稱為配合器。利用氣動鎖緊器將兩部分進行連接，并使用位置指示燈以表示電路、氣路是否接通。具體實施時，各種末端執(zhí)行器放在工具架上，組成一個專用末端執(zhí)行器庫。③多工位換接裝置。某些機器人作業(yè)任務(wù)較為集中，需要換接一定量的末端執(zhí)行器，又不必配備數(shù)量較多的末端執(zhí)行器庫。這時，可以在機器人腕部上設(shè)置一個多工位換接裝置。例如，在機器人柔性裝配線某個工位上，機器人要依次裝配墊圈、螺釘?shù)葞追N零件，裝配采用多工位換接裝置，可以從幾個供料處依次抓取幾種零件，然后逐個進行裝配，既可以節(jié)省幾臺專用機器人，也可以避免通用機器人頻繁換接末端執(zhí)行器，節(jié)省裝配作業(yè)時間。多工位換接裝置如圖2-23所示，就像數(shù)控加工中心的刀庫一樣，可以有棱錐型和棱柱型兩種形式。棱錐型換接裝置可保證手爪軸線和腕部軸線一致，受力較合理，但其傳動機構(gòu)較為復(fù)雜；棱柱型換接裝置傳動機構(gòu)較為簡單，但其手爪軸線和腕部軸線不能保持一致，受力不良。圖2-22氣動換接器和專用末端執(zhí)行器庫1—末端執(zhí)行器庫；2—操作器過渡法蘭；3—位置

指示燈；4—換接器氣路；5—連接法蘭；6—過渡法蘭；

7—換接器；8—換接器配合端；9—末端執(zhí)行器圖2-23多工位換接裝置2.2.1工業(yè)機器人的手部4．傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。該機構(gòu)根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型又分為一支點回轉(zhuǎn)和多支點回轉(zhuǎn)。根據(jù)手爪夾緊方式，回轉(zhuǎn)型又可分為擺動回轉(zhuǎn)型和平動回轉(zhuǎn)型。（1）回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)夾鉗式手部中應(yīng)用較多的是回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)，其手指就是一對杠桿，一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動機構(gòu)，用以改變傳動比和運動方向等。圖2-24（a）所示為單作用斜楔式回轉(zhuǎn)型手部結(jié)構(gòu)簡圖，斜楔向下運動，克服彈簧拉力，使杠桿手指裝著滾子的一端向外撐開，從而夾緊工件；斜楔向上移動，則在彈簧拉力作用下使手指松開。手指與斜楔通過滾子接觸可以減小摩擦力，提高機械效率。有時為了簡化結(jié)構(gòu)，也可讓手指與斜楔直接接觸，如圖2-24（b）所示的結(jié)構(gòu)。圖2-24回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)1—殼體；2—斜楔驅(qū)動桿；3—滾子；4—圓柱銷；5—彈簧；6—鉸銷；7—手指；8—工件2.2.1工業(yè)機器人的手部圖2-25所示為滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部簡圖，杠桿手指4的一端裝有V形指5，另一端則開有長滑槽。驅(qū)動桿1上的圓柱銷2套在滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動桿同圓柱銷一起做往復(fù)運動時，即可撥動兩個手指各繞其支點（鉸銷3）做相對回轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。圖2-26所示為雙支點連桿杠桿式手部簡圖。驅(qū)動桿2末端與連桿4由鉸銷3鉸接，當(dāng)驅(qū)動桿2做直線往復(fù)運動時，連桿推動兩桿手指各繞其支點做回轉(zhuǎn)運動，從而使手指松開或閉合。圖2-27所示為齒輪齒條杠桿式手部的結(jié)構(gòu)。驅(qū)動桿2末端制成雙面齒條，與扇齒輪4相嚙合，而扇齒輪4與手指5固連在一起，可繞支點回轉(zhuǎn)。驅(qū)動力推動齒條做直線往復(fù)運動，即可帶動扇齒輪回轉(zhuǎn)，從而使手指松開或閉合。

圖2-25滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部圖2-26雙支點連桿杠桿式手部圖2-27齒輪齒條杠桿式手部的結(jié)構(gòu)1—驅(qū)動桿；2—圓柱銷；3—鉸銷；4—杠桿手指；5—V形指；6—工件1—殼體；2—驅(qū)動桿；3—鉸銷；4—連桿；5、7—圓柱銷；

1—殼體；2—驅(qū)動桿；3—中間齒輪；4—扇齒輪；5—手指；6—V形指；7—工件2.2.1工業(yè)機器人的手部（2）平移型傳動機構(gòu)平移型夾鉗式手部是通過手指的指面做直線往復(fù)運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如冰箱等），其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。直線往復(fù)移動機構(gòu)：實現(xiàn)直線往復(fù)移動的機構(gòu)很多，常用的斜楔傳動、連桿杠桿傳動、齒條傳動、螺旋傳動等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu)，如圖2-28所示，它們既可是雙指型的，也可是三指（或多指）型的；既可自動定心，也可非自動定心。平面平行移動機構(gòu)：如圖2-29所示為幾種平面平行平移型夾鉗式手部結(jié)構(gòu)，它們的共同點是都采用平行四邊形的鉸鏈機構(gòu)即雙曲柄鉸鏈四連桿機構(gòu)，以實現(xiàn)手指平移，其差別在于傳動方法的不同，分別采用齒輪齒條、蝸桿蝸輪、連桿斜滑槽。圖2-28直線平移型手部圖2-29平面平行平移型夾鉗式手部結(jié)構(gòu)1—驅(qū)動器；2—驅(qū)動元件；3—驅(qū)動搖桿；4—從動搖桿；5—手2.2.1工業(yè)機器人的手部5．驅(qū)動方式機械手爪通常采用氣動、液壓、電動和電磁等方式來驅(qū)動手指的開合。氣動手爪應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修容易、開合迅速、重量輕，但空氣介質(zhì)的可壓縮性使爪鉗位置控制比較復(fù)雜。液壓手爪成本較高。電動手爪的手指開合電動機控制與機器人控制可以共用一個系統(tǒng)，但是夾緊力比氣動手爪、液壓手爪小。電磁手爪控制信號簡單，但是夾緊力與爪鉗行程有關(guān)，只用在開合距離小的場合。圖2-30所示為一種氣動手爪，氣缸4中壓縮空氣推動活塞3使連桿齒條2做往復(fù)運動，經(jīng)扇齒輪1帶動平行四邊形機構(gòu)，使爪鉗5平行地快速開合。圖

2-31

所示為常見機械手爪的傳動機構(gòu)，分別為齒輪齒條式手爪、撥桿杠桿式手爪、滑槽式手爪、重力式手爪。

圖2-30氣動手爪

圖2-31常見機械手爪的傳動機構(gòu)1—扇齒輪；2—連桿齒條；3—活塞；4—氣缸；5—爪鉗2.2.2工業(yè)機器人的腕部工業(yè)機器人的腕部起到支承手部的作用，機器人一般具有6個自由度才能使手部達到目標位置和處于期望的姿態(tài)。2.2.2工業(yè)機器人的腕部1．腕部結(jié)構(gòu)的基本形式和特點腕部是連接末端執(zhí)行器和臂部的部件，通過腕部調(diào)整改變工件的方位，它具有獨立的自由度，以便機器人末端執(zhí)行器適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。腕部一般需要3個自由度，由3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成，組合的方式多種多樣，運動的形式也多種多樣。腕部回轉(zhuǎn)運動的形式如圖2-32所示。各回轉(zhuǎn)方向的定義分別如下。（1）臂轉(zhuǎn)也稱為扭轉(zhuǎn)，是指繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)。（2）腕擺也稱為俯仰，是指使末端執(zhí)行器相對于臂部進行運動的擺動。（3）手轉(zhuǎn)也稱為偏轉(zhuǎn)，是指末端執(zhí)行器繞自身軸線方向的旋轉(zhuǎn)。2．腕部運動的分類按轉(zhuǎn)動特點的不同，用于腕部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動又可細分為滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)兩種。圖2-33（a）所示為滾轉(zhuǎn)，其特點是相對轉(zhuǎn)動的兩個零件的回轉(zhuǎn)軸線重合，因而能實現(xiàn)360°無障礙旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)運動，滾轉(zhuǎn)通常用R來標記。圖2-33（b）所示為彎轉(zhuǎn)，其特點是兩個零件的轉(zhuǎn)動軸線相互垂直，這種運動會受到結(jié)構(gòu)的限制，相對轉(zhuǎn)動角度一般小于360°，彎轉(zhuǎn)通常用B來標記。根據(jù)使用要求，腕部自由度的選用與機器人的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等因素有關(guān)。圖2-32腕部回轉(zhuǎn)運動的形式圖2-33滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)

2.2.2工業(yè)機器人的腕部3．常見的腕部結(jié)構(gòu)圖2-34所示為2自由度腕部，其設(shè)計思想是通過5軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)“腕擺”運動，通過S軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)夾持器的“手轉(zhuǎn)”運動，當(dāng)B軸不動而S軸轉(zhuǎn)動的時候，通過錐齒輪1-2-4的傳動使得手部8和夾持器9產(chǎn)生“手轉(zhuǎn)”運動，當(dāng)S軸不動而B軸回轉(zhuǎn)時，B軸帶動腕部繞軸上下擺動，由于S軸不動，故錐齒輪3繞d軸無轉(zhuǎn)動，但錐齒輪4隨著構(gòu)架7繞d軸轉(zhuǎn)動的同時還繞C軸轉(zhuǎn)動，從而帶動腕部產(chǎn)生“手轉(zhuǎn)”運動，這個運動稱為腕部的附加回轉(zhuǎn)運動。這種因“腕擺”運動而引起的“手轉(zhuǎn)”運動被稱為誘導(dǎo)運動。在設(shè)計時要注意采取補償措施，消除誘導(dǎo)運動的影響。圖2-35所示為3自由度腕部的運動形式，當(dāng)行星架9固定不動時，該機構(gòu)實現(xiàn)繞擺動軸19的“腕擺”運動路線為：傳動軸22—齒輪24—圓柱齒輪21—齒輪20—錐齒輪16—錐齒輪17—腕部繞軸19的擺動；實現(xiàn)“手轉(zhuǎn)”的運動路線為：傳動軸7（即傳動軸S）—齒輪10—圓柱齒輪23—齒輪11一錐齒輪12—錐齒輪13—錐齒輪14—夾持器的“手轉(zhuǎn)”。行星架9的運動為增加的腕部轉(zhuǎn)動自由度，其運動路線為：油缸1中的活塞左右移動—鏈輪2轉(zhuǎn)動—錐齒輪3和4帶動花鍵軸5和6轉(zhuǎn)動一行星架9的轉(zhuǎn)動。當(dāng)行星架9運動時，即使S軸和T軸均不繞腕架8運動，但由于齒輪22繞齒輪21和齒輪11繞圓柱齒輪23的轉(zhuǎn)動，齒輪22的自轉(zhuǎn)通過錐齒輪20、16、17、18傳遞到擺動軸19，引起腕部繞軸19的“腕擺”運動。同樣，錐齒輪11的自轉(zhuǎn)通過錐齒輪12、13、14、15傳遞到夾持器產(chǎn)生“手轉(zhuǎn)”運動。這兩種運動均為行星架9運動產(chǎn)生的誘導(dǎo)運動，在設(shè)計時需要考慮進行補償。圖2-342自由度腕部1～6—錐齒輪；7—構(gòu)架；8—手部；9—夾持器圖2-353自由度腕部的運動形式1—油缸；2—鏈輪；3、4、11～18、20—錐齒輪；5、6—花鍵軸；7—傳動軸S；8、9—行星架；10、24、25—齒輪；

19—擺動軸；21、23—圓柱齒輪；22—傳動軸2.2.2工業(yè)機器人的腕部3自由度腕部能使手部取得空間任意姿態(tài)，圖2-36所示為3自由度腕部的幾種組合方式。圖2-363自由度腕部的組合方式2.2.3工業(yè)機器人的臂部工業(yè)機器人的臂部是操作機中的主要運動部件，用來支承腕部和手部，并用來調(diào)整手部在空間的位置。臂部一般有3個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）。臂部的直線運動可通過液壓缸或氣缸驅(qū)動來實現(xiàn)，也可以通過齒輪齒條、滾珠絲杠、直線電動機等來實現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)運動的實現(xiàn)方法很多，例如通過蝸輪蝸桿式、齒輪齒條式、鏈輪鏈條式，以及諧波齒輪傳動裝置等來實現(xiàn)。2.2.3工業(yè)機器人的臂部1．專用機械手的臂部專用機械手的臂部一般具有1～2個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)或平移。臂部總質(zhì)量較大，受力一般較復(fù)雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其在高速運動時，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性矩），引起沖擊，影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的質(zhì)量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強度。專用機械手的臂部一般直接安裝在主機上，工業(yè)機器人的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)一起安裝在機身（即機座）上，機身可以是固定式的，也可以是行走式的，即可沿地面或?qū)к夁\動。圖2-37所示為工業(yè)機器人的臂部傳動機構(gòu)。其大、小臂是用高強度鋁合金材料制成的薄臂框形結(jié)構(gòu)，各運動都采用齒輪傳動。驅(qū)動大臂的傳動機構(gòu)如圖2-37（a）所示，大臂1的驅(qū)動電動機7安置在臂的后端，兼起配重平衡作用，運動經(jīng)電動機軸上的小錐齒輪6、大錐齒輪5和一對圓柱齒輪2、3驅(qū)動大臂軸傳動。驅(qū)動小臂的傳動機構(gòu)如圖2-37（b）所示，驅(qū)動裝置安裝于大臂10的框形臂架，驅(qū)動電動機11也置于大臂后端，經(jīng)驅(qū)動軸12，錐齒輪8、9，圓柱齒輪14、15，驅(qū)動小臂軸轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)機座的回轉(zhuǎn)運動則由伺服電動機24經(jīng)齒輪19、21、22和23驅(qū)動，如圖2-37（c）所示。偏心套4、13、16及20用來調(diào)整齒輪傳動間隙。圖2-37工業(yè)機器人的臂部傳動機構(gòu)1、10—大臂；2、3、14、15—圓柱齒輪；4、13、16、20—偏心套；5、6、8、9—錐齒輪；7、11—驅(qū)動電動機；12—驅(qū)動軸；

17—小臂；18—回轉(zhuǎn)機座；19、21、22、23—齒輪；24—伺服電動機2.2.3工業(yè)機器人的臂部2．工業(yè)機器人的臂部運動形式（1）直角坐標型工業(yè)機器人臂部可沿3個直角坐標軸移動。（2）圓柱坐標型工業(yè)機器人臂部可做升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作。（3）球坐標型工業(yè)機器人臂部能做回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮動作。（4）關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)能做動作。2.2.3工業(yè)機器人的臂部3．工業(yè)機器人臂部設(shè)計的基本要求臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機器人的運動形式、抓取質(zhì)量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設(shè)計時必須考慮到臂部的受力情況、油（氣）缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與腕部的連接形式等因素，因此設(shè)計臂部時一般要滿足以下要求。（1）剛度要大。為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，臂部的截面形狀的選擇要合理。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。（2）導(dǎo)向性要好。為防止臂部在平移運動中沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。（3）偏重力矩要小。所謂偏重力矩就是指臂部的重力對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重力，以減小偏重力矩和整個臂部對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。（4）運動要平穩(wěn)，定位精度要高。由于臂部運動速度越高、質(zhì)量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越