工業機器人機械結構2.1工業機器人的機身與臂部結構2.2工業機器人的手腕結構2.3工業機器人的手部結構2.4工業機器人的行走機構思考題

【重點掌握】

★工業機器人的機械結構和各部分功能

★工業機器人的傳動機構及路線

工業機器人的機身分為移動式和固定式兩種。在制造業中，固定式機器人應用極為廣泛，但隨著核能工業、宇宙空間探索等方向的需要，移動式機器人和自主機器人的應用也越來越多。

2.1工業機器人的機身與臂部結構

2.1.1常見機身結構類型常用的機身結構有以下幾種類型：升降回轉型機身結構、俯仰型機身結構、直移型機身結構和仿生機器人機身結構。

如圖2-1(a)所示，升降回轉類型機器人的機身結構設計較簡單，技術成熟，并且實現精度高。臂部的升降和回轉運動通過液壓、氣動、機械、電氣等形式均可以實現。如圖2-1(b)所示，機身的回轉運動可采用回轉軸由液壓缸、氣動缸進行驅動。機身的升降運動可以采用液壓缸、氣動缸或電機帶動絲桿螺母機構進行驅動。該類型機器人的工作范圍一般為圓柱形區域，主要用于搬運、碼垛等工作。

圖2-1升降回轉型機身結構

俯仰型機器人的機身主要由實現手臂左右回轉和上下俯仰運動的結構組成，手臂的俯仰運動通過使用液壓、氣動執行元件或電機帶動齒輪減速部件來實現。圖2-2為俯仰型機身結構的示例，由液壓元件驅動手臂繞固定鉸點回轉，實現執行機構的俯仰運動。該類型機器人工作區域為球型曲面。

圖2-2俯仰型機身結構

直移型機器人多為懸掛式的，其機身(如圖2-3所示)實際上就是懸掛手臂的橫梁，運動的軌跡通常為直線坐標形式。機器人進行設計時需要具有2或3個自由度，手臂能沿設計的運動軌跡平移，結構上通常使用電機帶動絲桿螺母在導軌上進行往復運動，也可以使用液壓氣動等形式。該類型機器人工作區域為長方體區域。

圖2-3直移型機身結構

現在越來越多種類的仿生機器人出現在人們的視野中。圖2-4所示為仿生機器人(也稱類人機器人)。仿生機器人的機身上除裝有驅動臂部的運動裝置外，還應裝有驅動腿部運動和腰部關節運動的裝置。該類型機器人設計復雜，需要的驅動形式多樣，并且包含的自由度數較多，控制方法復雜。當執行端在工作時，通常需要用到多個執行機構聯合動作來完成。該類型機器人的工作區域可以幾乎是任意的。

圖2-4仿生機器人

2.1.2常見的臂部結構類型

臂部結構是機器人能夠完成要求動作的主要執行機構，它的作用是連接機器人腕部與機身部分，并帶動執行器末端在空間運動。一般機器人手臂具有多個自由度，能夠實現伸縮、左右回轉和升降等動作。在工作過程中，機器人手臂要承受自身、手腕及末端執行器以及工件的重量，所以手臂的結構、工作范圍、靈活性、承載能力和定位精度都直接影響工作時的性能。

根據臂部的結構形式，可以分為單臂式、雙臂式、懸掛式，如圖2-5所示。

圖2-5手臂的結構形式

根據手臂的運動形式，又可以將手臂分為平移型和旋轉型，如圖2-6所示。

平移型手臂能夠實現伸縮、升降等直線運動，能夠實現手臂平移往復運動的機構形式有很多，如液壓缸、氣動缸、絲桿螺母機構等，如圖2-6(a)所示。實現機器人手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有回轉缸、齒輪齒條傳動、鏈輪傳動機構和連桿機構。圖2-6(b)所示為連桿機構實現手臂的回轉動作。

圖2-6機器人手臂機構

2.1.3工業機器人的機身與臂部的配置形式

1.橫梁式

機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機器人的運動形式大多為移動式。它具有占地面積小、能有效地利用空間、直觀等優點。橫梁可設計成固定的或行走的，一般橫梁安裝在廠房原有建筑的柱梁或有關設備上，也可從地面上架設。

圖2-7顯示了臂部與橫梁的配置形式。機器人只有一個鉛垂配置的懸掛手臂，臂部除做伸縮運動外，還可以沿橫梁移動，完成物料的搬運或工件加工。有的橫梁裝有滾輪，可沿軌道行走。

圖2-7橫梁式

2.立柱式

立柱式機器人手臂和機身之間多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動形式。一般臂部都可在水平面內回轉，具有占地面積小、工作范圍大的特點。立柱式結構簡單，多用于承擔上、下料或轉運等工作。臂部的配置形式如圖2-8所示。圖中為一臺立柱式搬運機器人，以平行四邊形鉸接的四連桿機構作為臂部，以此實現俯仰運動，提升時工件始終保持鉛垂狀態；臂部回轉運動后，可將零件搬運到指定位置。

圖2-8立柱式

3.機座式

機座式機身配置，這種機器人可以是獨立的、自成系統的完整裝置，可隨意安放和搬動，也可以具有行走機構。如圖2-9所示，該六自由度機械手固定在機座上完成工件搬運工作，也可以給機器人增加行走機構以擴大其活動范圍。

圖2-9機座式

4.屈伸式

屈伸式機器人的臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂。屈伸臂與機身間的配置形式關系到機器人的運動軌跡，可以實現平面運動，也可以做空間運動。圖2-10(a)所示為平面屈伸式機器人，其大小臂是在垂直于機床軸線的平面上運動的，借助腕部旋轉90°，把垂直放置的工件送到機床兩頂尖之間。

圖2-10(b)所示為空間屈伸式機器人，小臂相對大臂運動的平面與大臂相對機身運動的平面互相垂直，手臂夾持中心的運動軌跡為空間曲線。它能將垂直放置的圓柱工件送到機床兩頂尖之間，而不需要腕部旋轉運動。腕部只做小距離的橫移，即可將工件送進機床夾頭內。該機構占地面積小，能有效地利用空間，可繞過障礙進入目的地，較好地顯示了屈伸式機器人的優越性。

圖2-10屈伸式機器人

2.2工業機器人的手腕結構

機器人手腕是連接手臂和手部的結構部件，它的主要作用是調節或改變工件的方位。因此，它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復雜的姿態。機器人一般需要六個自由度才能使手部達到目標位置并處于期望的姿態。

為了使手部能處于空間任意方向，一般需要三個自由度，即翻轉、俯仰和偏轉。通常把手腕的翻轉叫作Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫作Pitch，用P表示；把手腕的偏轉叫作Yaw，用Y表示。手腕結構多為上述三個回轉方式的組合，組合的方式可以有多種形式。圖2-11所示為典型的三自由度手腕。

圖2-11典型的三自由度手腕

2.2.1根據自由度對手腕分類

手腕按照自由度數目來分，可以分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。

1.單自由度手腕

圖2-12(a)所示為R關節，它使手臂縱軸線和手腕關節軸線構成共軸線形式，其旋轉角度大。圖2-12(b)所示為B關節，關節軸線與前、后兩個連接件的軸線相垂直。圖2-12(c)所示為T關節，可使手爪橫向移動。

圖2-12單自由度手腕

2.二自由度手腕

二自由度手腕可以是由一個R關節和一個B關節組成的BR手腕(如圖2-13(a)所示)，也可以是由兩個B關節組成的BB手腕(如圖2-13(b)所示)。但是不能由兩個RR關節組成RR手腕(如圖2-13(c)所示)，因為兩個R關節共軸線，會減少一個自由度，實際只構成單自由度手腕。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。

圖2-13二自由度手腕

3.三自由度手腕

三自由度手腕可以是由B關節和R關節組成的多種形式的手腕，但實際應用中，常用的有BBR、RRR、BRR、RBR類型手腕。圖2-14(a)所示為BBR型手腕，該結構使手部具有俯仰、翻轉、偏轉三個運動；圖2-14(b)所示為RRR型手腕，該手腕應該對各關節進行偏置，避免出現同方向自由度重疊；圖2-14(c)所示為BRR型手腕；圖2-14(d)所示為RBR型手腕，該結構在第一個關節處進行了偏置

圖2-14三自由手腕

2.2.2柔順手腕結構

柔順手腕應用在精密裝配作業中，是順應現代機器人裝配作業產生的一項技術，它主要應用于孔軸零件的裝配作業中。當被裝配件之間的配合精度要求高時，工件的定位夾具、機器人手爪的定位精度無法滿足裝配要求時，柔順手腕可主動或被動地調整裝配體之間的相對位姿，補償裝配誤差，以順利完成裝配作業。

柔性順序裝配技術有兩種：一種是從檢測和控制的角度對裝配零件之間的相對位置進行調整。如在手爪上配有視覺傳感器、力傳感器等，這種形式可稱為主動柔順裝配。另一種是在手腕部結構上進行柔性設計，以滿足柔順裝配的需要，這種柔性裝配技術稱為被動柔順裝配。

圖2-15所示是具有移動和擺動浮動機構的柔順手腕。水平浮動機構由平面、鋼球和彈簧構成，實現在兩個方向上進行浮動；擺動浮動機構由上下球面和彈簧構成，可以實現兩個方向的擺動。在裝配作業中，如果遇到夾具定位不準或機器人手爪定位不準時，可自行調整。動作過程如圖2-16所示，在向孔中插入工件時，由于機械部分定位不準確，使工件中心軸線與孔中心軸線沒有重合，在插入孔時會使工件局部卡住。此時，通過柔性手腕結構，手爪在阻力的作用下發生了一個微小的調整，使工件順利安裝。

圖2-15移動擺動柔順手爪圖2-16柔順手腕動作過程

圖2-17所示為板彈簧柔順手腕，采用板彈簧作為柔性元件，在基座上通過板彈簧1、2連接框架，框架另外兩個側面上通過板彈簧3、4連接平板和軸，裝配時通過4塊板彈簧的變形實現柔性裝配。

圖2-17板彈簧柔順手腕

PUMA262機器人的手腕采用的是RRR結構形式。安川HP20工業機器人的手腕采用的是RBR結構形式，如圖2-18所示。

圖2-18安川HP20工業機器人腕部結構形式．

2.3工業機器人的手部結構

2.3.1夾鉗式手部夾鉗式手部是工業機器人最常用的一種手部形式，此類手指夾持工件進行搬運或加工的運動。夾鉗式手部由手指、驅動機構、傳動機構及連接與支承元件組成，能通過手爪的開閉動作實現對物體的夾持。一般情況下，機器人的手部只有兩個手指，少數有三個或多個手指。它們的結構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。夾鉗式手部結構如圖2-19所示。圖2-19夾鉗式手部結構

當機器人手部夾緊工件時，手指直接與工件接觸。機器人的手部一般有兩個手指或多個手指，其機構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。根據被夾持工件的特點，通常將指端形狀分為V形手指和平面手指。圖2-20所示的三種V形指的形狀，用于夾持圓柱面工件。當需要夾緊一些特殊形狀工件時，需要采用特殊形式的指端結構。如圖2-21所示，其中(a)圖所示為平面指端，可以夾緊小型平面零件；(b)圖所示的尖指端可以夾緊小型或柔性工件；(c)圖所示的特殊形狀指端可以夾持工件的邊緣。

圖2-21夾鉗式手部指端

指面的形狀通常設計成為光滑指面、齒形指面和柔性指面等。光滑指面用來夾持已加工表面，避免已加工表面受損傷。齒形指面表面被滾壓上齒紋，當夾持工件時可以提高夾持力，確保工件夾緊，一般用來夾持毛坯零件。柔性指面內鑲橡膠、泡沫等柔性物體，既可以增大摩擦力，又能夠保護工件已加工的表面質量。

2.3.2吸附式手部

吸附式手部由吸盤、吸盤架及進排氣系統組成，是利用吸盤內的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。它具有結構簡單、重量輕、使用方便可靠、對工件表面沒有損失、吸附力分布均勻等優點，廣泛應用于非金屬材料或不可有剩磁的材料吸附，但要求物體表面較平整光滑，無孔無凹槽等工件。

1.真空吸附取料手

如圖2-22所示，在取料時，蝶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，吸盤內又形成真空，吸取物料；放料時，管路接通大氣，失去真空，物體放下。為避免在取料、放料時產生撞擊，有的還在支撐桿上配置有彈簧緩沖。圖2-23所示為微小零件取料手，它適用于抓取微小工件。真空吸附取料工作可靠，吸附力大，但需要有真空系統，成本較高。

圖2-22真空吸附取料手圖2-23微小零件取料手

2.氣流負壓吸附取料手

如圖2-24所示，氣流負壓吸附取料手是利用流體力學的原理，當需要取物時，壓縮空氣高速流經噴嘴5，在出口處的氣壓低于吸盤腔內的氣壓，于是腔內的氣體被高速氣流帶走而形成負壓，工件在負壓下被吸附到橡膠吸盤上；當需要釋放時，切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣才能工作。

圖2-24氣流負壓吸附取料手

圖2-25為氣流負壓吸附氣動回路圖，當電磁閥在斷電情況下，真空發生器中沒有氣流，氣爪內不形成真空，不具有吸附能力；當電磁閥得電后，真空發生器中有氣流通過，使氣爪處氣壓降低，能夠抓取一定重量的工件。

圖2-25氣流負壓吸附氣動回路圖

3.擠壓排氣取料手

擠壓排氣取料手如圖2-26所示。其工作原理為：取料時，吸盤壓緊物體，橡膠吸盤變形，擠出腔內多余的空氣，取料手上升時，靠橡膠吸盤的恢復力形成負壓，將物體吸住；釋放時，壓下拉桿3，使吸盤腔與大氣相連通而失去負壓。該取料手結構簡單，但吸附力小，吸附狀態不易長期保持。

圖2-26擠壓排氣取料手1—橡膠吸盤；2—彈簧；3—拉桿

4.磁吸附取料手

磁吸附取料手是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產生的電磁吸力取料，因此只能對鐵磁物體起作用；另外，對某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸附取料手的使用有一定的局限性。磁吸附取料手工作原理如圖2-27所示。當線圈1通電后，在鐵芯2周圍產生磁場，磁力線穿過鐵芯，空氣隙和銜鐵3被磁化形成回路，銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住；當斷電時，銜鐵在工件的重力作用下與鐵芯分離。

圖2-27磁吸附取料手1—線圈；2—鐵芯；3—銜鐵

2.3.3專用操作器及轉換器

機器人是一種通用性很強的自動化設備，可根據作業要求完成各種動作，再配上各種專用的末端操作器后，就能完成各種動作。例如，在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人，安裝擰螺母機則成為一臺裝配機器人。目前，由專用電動、氣動工具改型而成的許多操作器(如圖2-28所示)，有擰螺母機、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。

圖2-28各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器1—氣路接口；2—定位銷；3—電接頭；4—電磁吸盤

機器人在作業時能自動更換不同的末端操作器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成：換接器插座和換接器插頭，分別裝在機器腕部和末端操作器上，能夠實現機器人對末端操作器的快速自動更換，如圖2-29所示。

圖2-29電磁吸盤式換接器

2.3.4仿生靈巧手部

1.柔性手

為了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，因此研制出了柔性手。多關節柔性手腕中每個手指由多個關節串聯而成；驅動源可采用電機驅動或液壓、氣動元件驅動；柔性手腕可抓取凹凸不平的物體并使物體受力較為均勻。圖2-30所示為多關節柔性手指，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，分別控制手指的握緊和放松。

圖2-30多關節柔性手指

2.多指靈巧手

多指靈巧手是模仿人類手指設計，它可以具有多個手指，每個手指有3個回轉關節，每個關節的自由度都是獨立控制的。因此，該類型手指能夠完成各種復雜動作，如擰螺釘、搬運不規則物體。如果在手部配置觸覺、力覺等傳感器，將會使機器靈巧手的功能更加接近人類手指。

圖2-31所示為加拿大ROBOTIQ公司研發的仿生多指靈巧手，該手部能夠模仿人手動作，手部由多個手指組成，每一個手指有3個回轉關節，每一個關節自由度都是獨立控制的。該仿生多指靈巧手各種復雜動作都能模仿，可以抓取不同形狀和尺寸的工件，靈活性強。

圖2-31仿生多指靈巧手

2.4工業機器人的行走機構

行走機構是行走機器人的重要執行部件，它由驅動裝置、傳動機構、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機器人的機身、臂部和手部，另一方面還根據工作任務的要求，帶動機器人實現在更廣闊的空間內運動。

2.4.1車輪式行走機器人

車輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優越的。

1.車輪的形式

車輪的形狀或結構形式取決于地面的性質和車輛的承載能力。在軌道上運行的多采用實心鋼輪，室外路面行駛的采用充氣輪胎，室內平坦地面上的可采用實心輪胎。

圖2-32所示為不同地面上采用的不同車輪形式。圖2-32(a)所示適合于沙丘地形；圖2-32(b)所示是為在火星表面移動而開發的；圖2-32(c)所示適合于平坦的堅硬路面；圖2-32(d)所示為車輪的一種變形，稱為無緣輪，用來爬越階梯，以及在水田中行駛。

圖2-32車輪的不同形式

2.車輪的配置和行走機構

車輪式行走機構依據車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪以及多輪機構。1輪和2輪行走機構在實現上的主要障礙是穩定性問題，實際應用的車輪式行走機構多為3輪和4輪。

3輪行走機構具有一定的穩定性，代表性的車輪配置方式是一個前輪，兩個后輪。圖2-33(a)所示為兩后輪獨立驅動，前輪僅起支撐作用，靠后輪的轉速差實現轉向；圖2-33(b)所示則采用后輪驅動、前輪轉向的方式；圖2-33(c)所示利用兩后輪差動減速器驅動、前輪轉向的方式。

圖2-33三輪機構的原理圖

圖2-34所示的三組輪是由美國Unimation

stanford行走機器人課題研究小組設計研制的。它采用了三組輪子，呈等邊三角形分布在機器人的下部。為了改進該機器人的穩定性，Unimation

stanford研究小組重新設計了一種三組輪。改進后的特點是使用長度不同的兩種滾輪：長滾輪呈錐形，固定在短滾輪的凹槽里。這樣可大大減小滾輪之間的間隙，減小了輪子的厚度，提高了機器人的穩定性。此外，滾輪上還附加了軟橡皮，具有足夠的變形能力，可使滾輪的接觸點在相互替換時不發生顛簸。

圖2-34三組輪行走機構

四輪車的驅動機構和運動基本上與三輪車相同，行走機構的應用最為廣泛。圖2-35(a)所示為兩輪獨立驅動，前后帶有輔助輪的方式，當旋轉半徑為0時，由于能繞車體中心旋轉，因此有利于在狹窄場所改變方向。圖2-35(b)所示是所謂汽車方式，適合于高速行走，但用于低速的運輸搬運時，費用不合算，所以小型機器人不大采用此種方式。

圖2-35四輪車的驅動機構和運動

3.越障輪式機構

普通車輪行走機構對崎嶇不平地面適應性很差，為了提高輪式車輛的地面適應能力，研究了越障輪式機構。另外，還有依據使用目的，使用六輪驅動車和車輪直徑不同的輪胎車，也有的提出利用具有柔性機構車輛的方案。

圖2-36所示為四輪防爆機器人，該輪系由于采用了4組輪子，運動穩定性有很大提高。但是，要保證4組輪子同時和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統。同時，它需要4個驅動電機，控制系統也比較復雜，造價也較高。

圖2-36四輪防爆機器人

圖2-37所示為一個可以上下臺階的車輪式機構的爬樓機器人。其車輪的大小取決于臺階的尺寸。在平坦的地面上，爬樓機器人依靠車輪回轉行走，當最前方輔助輪碰到臺階后，輔助輪支架方向將車撐起并由車輪驅動爬上樓梯，當后方的車輪上到第二個臺階后，輔助輪又重復支撐，直至登完臺階。

圖2-37爬樓機器人

圖2-38所示為一個可以在不平地面移動的多節車輪式機構的火星探測車，它可在火星表面進行移動，用于火星考察。1、2兩節間由三軸旋轉關節和一個移動關節相連，2、3兩節間由三軸旋轉關節相連。這種機構構成可以爬越溝坎。

圖2-38火星探測車

2.4.2履帶式行走機構

車輪式行走機構只有在平坦堅硬的地面上行駛才有理想的運動特性。如果地面凹凸程度和車輪直徑相當，或地面很軟，則它的運動阻力增大。履帶式行走機構適合于在未加工的天然路面行走，它是車輪式行走機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續鋪路的作用。圖2-39所示為履帶式防爆機器人。

圖2-39履帶式防爆機器人

履帶式行走機構與車輪式行走機構相比，有如下特點：

(1)其支承面積大，接地比壓小，下陷度小，滾動阻力小，適合于在松軟或泥濘場地進行作業。

(2)其越野機動性好，爬坡、越溝等性能均優于車輪式行走機構。

(3)其履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發揮較大的牽引力。

(4)其結構復雜，重量輕，運動慣性大，減振功能差，零件易損壞。

為提高履帶式行走機構的地面適應能力、越障能力和行走機動性能，開發了一些新穎獨特的機構形式。如圖2-40所示為多地形履帶機器人，采用六條履帶的方式，該設計大大提升了履帶的機動性能，通過對履帶的控制，可以實現越障、爬樓等功能。

圖2-40多地形履帶機器人

圖2-41所示為一種四履帶式全地形機器人行走機構外形，它兩側各由兩條形狀可變的履帶組成，分別由兩個主電動機驅動。當履帶速度相同時，實現前進或后退行走；當履帶速度不同時，整個機器實現轉向運動。當主臂桿繞履帶架上的軸旋轉時，可以改變機器人的高度，從而實現履帶的不同構形，以適應不同的行走環境。圖2-42為四履帶式爬樓機器人行走機構實現上、下臺階。

圖2-41四履帶式全地形機器人圖2-42四履帶式爬樓機器人

2.4.3全方位移動車

過去的車輪式移動機構基本上是2自由度的，因此不可能簡單地實現任意的定位和定向。機器人的定位，用四輪構成的車可通過控制各輪的轉向角來實現。自由度多、能簡單設定機器人所需位置及方向的移動車稱為全方位移動車。圖2-43所示是一種四輪均可進行驅動和偏轉的移動機構示意圖，行走電機M1轉動時，通過蝸桿蝸輪副5和錐齒輪副2帶動車輪1轉動；當轉向電機M2轉動時，通過另一對蝸桿蝸輪副6、齒輪副9帶動車輪支架10適當偏轉。當各車輪采取不同的偏轉組合，并配以相應的車輪速度后，便能夠實現不同的移動方式。

圖2-43一種四輪驅動和偏轉的移動機構示意圖

2.4.4足式行走機器人

根據調査，地球上近一半的地面不適合于傳統的車輪式或履帶式車輛行走。但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如，顯然足式與車輪式和履帶式行走方式相比具有獨特的優勢。足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優的支承點，而車輪式和履帶式行走工具