机器人机械结构的功能是实现机器人的运动机能，完成规定的各种操作，包含手臂、手腕、手爪和行走机构等部分。机器人的“身躯”一般是粗大的基座，或称机架。机器人的“手”则是多节杠杆机械机械手，用于搬运物品、装卸材料、组装零件等，或握住不同的工具，完成不同的工作，如让机械手握住焊枪，可进行焊接；握住喷枪，可进行喷漆。使用机械手处理高温、有毒产品的时候，它比人手更能适应工作。,第3章 机器人机械结构,3.1 机器人末端执行器,用在工业上的机器人的手一般称之为末端操作器，它是机器人直接用于抓取和握紧专用工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。机械手能根据电脑发出的命令执行相应的动作，不仅是一个执行命令的机构，它还应该具有识别的功能，也就是“感觉”。 末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： (1)夹钳式取料手； (2)吸附式取料手； (3)专用操作器及转换器； (4)仿生多指灵巧手。,第3章 机器人机械结构,夹钳式取料手由手指(手爪)和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，如图所示。它通过手指的开、合实现对物体的夹持。,第3章 机器人机械结构,3.1.1夹钳式取料手,1.手指 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。机器人的手部一般有两个手指，也有三个、四个或五个手指，其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。,第3章 机器人机械结构,3.1.1夹钳式取料手,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。该机构根据手指开合的动作特点分为回转型和平移型。回转型又分为单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。 斜楔杠杆式手部,第3章 机器人机械结构,3.1.1夹钳式取料手,斜楔杠杆式手部,滑槽式杠杆回转型手部 双支点连杆式手部,第3章 机器人机械结构,3.1.1夹钳式取料手,齿条齿轮杠杆式手部,第3章 机器人机械结构,3.1.1夹钳式取料手,直线平移型手部,第3章 机器人机械结构,3.1.1夹钳式取料手,四连杆机构平移型手部结构,第3章 机器人机械结构,3.1.1夹钳式取料手,吸附式取料手靠吸附力取料，根据吸附力的不同分为气吸附和磁吸附两种。吸附式取料手适应于大平面、易碎(玻璃、磁盘)、微小的物体，因此使用面较广。 1气吸附式取料手,第3章 机器人机械结构,3.1.2 吸附式取料手,气吸附式取料手与夹钳式取料手指相比，具有结构简单、重量轻、吸附力分布均匀等优点。对于薄片状物体的搬运更具有其优越性(如板材、纸张、玻璃等物体)，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。,第3章 机器人机械结构,3.1.2 吸附式取料手,真空气吸附取料手,2. 挤压排气吸附式取料手 挤压排气吸附式取料手如图所示。其工作原理为：取料时吸盘压紧物体，橡胶吸盘变形，挤出腔内多余的空气，取料手上升，靠橡胶吸盘的恢复力形成负压，将物体吸住。释放时，压下拉杆3，使吸盘腔与大气相连通而失去负压。该取料手结构简单，但吸附力小，吸附状态不易长期保持。,第3章 机器人机械结构,3.1.2 吸附式取料手,3. 磁吸附式取料手 磁吸附式取料手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，但是对某些不允许有剩磁的零件禁止使用，所以磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。,第3章 机器人机械结构,3.1.2 吸附式取料手,1.专用末端操作器 机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求完成各种动作，再配上各种专用的末端操作器后，就能完成各种动作。如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人，安装拧螺母机则成为一台装配机器人。,第3章 机器人机械结构,3.1.3 专用末端操作器及换接器,2.换接器或自动手爪更换装置 使用一台通用机器人，要在作业时能自动更换不同的末端操作器，就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成：换接器插座和换接器插头分别装在机器腕部和末端操作器上，能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。,第3章 机器人机械结构,3.1.3 专用末端操作器及换接器,1.柔性手 为了能对不同外形的物体实施抓取，并使物体表面受力比较均匀，因此研制出了柔性手。,第3章 机器人机械结构,3.1.4 仿生多指灵巧手,2.多指灵巧手 机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。如图所示，多指灵巧手有多个手指，每个手指有3个回转关节，每一个关节的自由度都是独立控制的。因此，几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿，如拧螺钉、弹钢琴、作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器，将会使多指灵巧手达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛，可在各种极限环境下完成人无法实现的操作，如核工业领域、宇宙空间作业，在高温、高压、高真空环境下作业等。,第3章 机器人机械结构,3.1.4 仿生多指灵巧手,3.2.1 概述 机器人手腕是在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件。机器人手腕主要用来确定被抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成。 机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。工业机器人一般具有六个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。,第3章 机器人机械结构,3.2 机器人手腕,3.2.2 手腕的分类 1按自由度数目来分类 手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。 (1)单自由度手腕， 如图所示，图( a )是一种翻转( Roll )关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式，这种R关节旋转角度大，可达到360以上。图(b)、(c)是一种折曲 ( Bend )关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种 B 关节因为受到结构上的干涉，旋转角度小，大大限制了方向角。,第3章 机器人机械结构,3.2 机器人手腕,(2)二自由度手腕。二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕( a )；也可以由两个 B 关节组成 BB 手腕 ( b )。但是，不能由两个 R 关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线，所以退化了一个自由度，实际只构成了单自由度手腕( c)。,第3章 机器人机械结构,3.2 机器人手腕,(3)三自由度手腕，如图3. 25所示。,第3章 机器人机械结构,3.2 机器人手腕,2.按驱动方式分类 (1)油（气）缸驱动的腕部结构，直接用回转油（气）缸驱动实现腕部的回转运动，具有结构紧凑、灵巧等优点。图3.26所示的腕部结构，采用回转油缸实现腕部的旋转运动。,第3章 机器人机械结构,3.2 机器人手腕,2.按驱动方式分类 (2)机械传动的腕部结构，如图所示为具有三个自由度的机械传动腕部结构的传动图，是一个具有三根输入轴的差动轮系。腕部旋转使得附加的腕部机构紧凑，质量轻。从运动分析的角度看，这是一种比较理想的三自由度腕，这种腕部可使手的运动灵活，适应性广。目前，它已成功地用于点焊、喷漆等通用机器人上。,第3章 机器人机械结构,3.2 机器人手腕,手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受末端执行器、手腕和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影响机器人的工作性能，所以臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。 手臂特性如下： (1)刚度要求高，为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。工字形截面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，所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 (2)导向性要好，为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生相对转动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,(3)重量要轻，为提高机器人的运动速度，要尽量减小臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。 (4)运动要平稳、定位精度要高，由于臂部运动速度越高，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动既不平稳，定位精度也不高。因此，除了臂部设计上要力求结构紧凑、重量轻外，同时要采用一定形式的缓冲措施。 3.3.1手臂直线运动机构 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运动的机构形式较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及活塞缸和连杆机构等。,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,直线往复运动可采用液压或气压驱动的活塞油（气）缸。由于活塞油（气）缸的体积小、重量轻，因而在机器人手臂结构中应用比较多。双导向杆手臂的伸缩结构如图3. 29所示。手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端。当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2（即手臂）做往复直线移动；导向杆3在导向套4内移动，以防手臂伸缩式的转动（并兼作手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸缩油缸安装在2根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，故受力简单、传动平稳、外形整齐美观、结构紧凑。,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,3.3.2手臂回转运动机构 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、连杆机构。下面以齿轮传动机构中活塞缸和齿轮齿条机构为例说明手臂的回转。,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,3.3.3手臂俯仰运动机构 机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油缸与连杆机构来实现。手臂的俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱联接。,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,铰接活塞缸实现手臂俯仰的结构示意图 1-手臂；2-夹紧缸；3-升降缸；4-小劈；5，7-铰接活塞缸；6-大臂；8-立柱,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,3.3.4手臂复合运动机构 手臂的复合运动多数用于动作程序固定不变的专用机器人，它不仅使机器人的传动结构简单，而且可简化驱动系统和控制系统，并使机器人传动准确、工作可靠，因而在生产中应用的比较多。除手臂实现复合运动外，手腕和手臂的运动亦能组成复合运动。 手臂(或手腕)和手臂的复合运动，可以由动力部件(如活塞缸、回转缸、齿条活塞缸等)与常用机构(如凹槽机构、连杆机构、齿轮机构等)按照手臂的运动轨迹(即路线)或手臂和手腕的动作要求进行组合。,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,3.3.5新型的蛇形机械手臂 目前普通工业机器人都能够达到0.1mm的重复精度，无论是直线运动，还是绕轴转动，甚至是要进行复杂的曲面移动，现在一般的工业机器人都能够很好的完成。一方面得益于机械加工精度的日益提高，另一方面依靠了现代化的控制技术保证了机器人定位的精确。 蛇型手臂一般具有高度柔性，可深入装配结构当中进行均匀涂层，从而增加生产率，适用于在飞机翼盒的组装探视工作及引擎组装中进行深度检测等。,第3章 机器人机械结构,3.3机器人手臂,机器人机座是机器人的基础部分，起支承作用，可分为固定式和移动式两种。一般工业机器人中的立柱式、机座式和屈伸式机器人大多是固定式的；但随着海洋科学、原子能工业及宇宙空间事业的发展，可以预见具有智能的、可移动机器人是今后机器人的发展方向。 3.4.1固定式机器人 固定式机器人的机座既可直接联接在地面基础上，也可固定在机身上。美国PUMA-262型的垂直多关节型机器人如图3.36所示，其基座主要包括立柱回转(第一关节)的二级齿轮减速传动，减速箱体即为基座。,第3章 机器人机械结构,3.4 机器人机座,3.4.2行走式机器人 行走机构是行走