工業機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下。

    1.直角坐標機器人結構

    直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現的，如圖2-1。由于直線運動易于實現全閉環的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。

    直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業及搬運作業，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。

    2.圓柱坐標機器人結構

    圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖2-1.b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業。其工作空間是一個圓柱狀的空間。

3. 球坐標機器人結構

    球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖2-1.c。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業。其工作空間是一個類球形的空間。

    4. 關節型機器人結構

    關節型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現的，如圖2-1.d。關節型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業，都廣泛采用這種類型的機器人。

    關節型機器人結構，有水平關節型和垂直關節型兩種。

圖2-1  四種機器人坐標形式

圖2-2 機械手工作布局圖

具體到本設計，考慮到數控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求，考慮在滿足系統工藝要求的前提下，盡量簡化結構，以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要4種運動,其中手臂的伸縮和升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉運動,為了方便抓取，手爪還需要一個旋轉的自由度，綜合考慮，機械手自由度數目取為4，坐標形式選擇關節型機器人結構，即兩個個轉動自由度兩個移動自由度，其特點是:結構比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。機械手工作布局簡圖如圖2-2所示。

進行了機械手的總體設計后，就要針對機械手的腰部、手臂、手腕、末端執行器等各個部分進行詳細設計。

    工業機器人腰座，就是圓柱坐標機器人，球坐標機器人及關節型機器人的回轉基座。它是機器人的第一個回轉關節，機器人的運動部分全部安裝在腰座上，它承受了機器人的全部重量。在設計機器人腰座結構時，要注意以下設計原則：

1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機器人在工作時整體安裝的穩定性。

2.腰座要承受機器人全部的重量和載荷，因此，機器人的基座和腰部軸及軸承的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力。

3.機器人的腰座是機器人的第一個回轉關節，它對機器人末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度的保證。

4.腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器（電動、液壓及氣動）及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。

5.腰部結構要便于安裝、調整。腰部與機器人手臂的聯結要有可靠的定位基準面，以保證各關節的相互位置精度。要設有調整機構，用來調整腰部軸承間隙及減速器的傳動間隙。

6.為了減輕機器人運動部分的慣量，提高機器人的控制精度，一般腰部回轉運動部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。

腰座回轉的驅動形式要么是電機通過減速機構來實現，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現，目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，不用設計另外的液壓系統及其輔助元件。考慮到腰座是機器人的第一個回轉關節，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅動來實現腰部的回轉運動。一般電機都不能直接驅動，考慮到轉速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結構如圖2-3所示：

圖2-3  腰座結構圖

機器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實現在機器人所要求的工作空間內的運動。在進行機器人手臂設計時，要遵循下述原則；

1.應盡可能使機器人手臂各關節軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化，有利于機器人的控制。

2.機器人手臂的結構尺寸應滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度，手臂關節的轉動范圍有密切的關系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態要求，如果對機器人手腕的姿態提出具體的要求，則其手臂末端可實現的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態的工作空間。

3.為了提高機器人的運動速度與控制精度，應在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質材料，通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復合材料制造機器人手臂。碳纖維復合材料抗拉強度高，抗振性好，比重小（其比重相當于鋼的1/4，相當于鋁合金的2/3），但是，其價格昂貴，且在性能穩定性及制造復雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產實際中推廣應用。目前比較有效的辦法是用有限元法進行機器人手臂結構的優化設計。在保證所需強度與剛度的情況下，減輕機器人手臂的重量。

4.機器人各關節的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。因此，各關節都應有工作可靠、便于調整的軸承間隙調整機構。

5.機器人的手臂相對其關節回轉軸應盡可能在重量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。在設計機器人的手臂時，應盡可能利用在機器人上安裝的機電元器件與裝置的重量來減小機器人手臂的不平衡重量，必要時還要設計平衡機構來平衡手臂殘余的不平衡重量。

6.機器人手臂在結構上要考慮各關節的限位開關和具有一定緩沖能力的機械限位塊，以及驅動裝置，傳動機構及其它元件的安裝。

機械手的大臂和小臂配合的組合運動可以理解為直線運動。直線運動的實現一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現。考慮到適應不同的工作環境，抓取不同重量的料，同時考慮到機械手的動態性能及運動的穩定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。

因為液壓系統能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現的，關鍵是機械手運動的穩定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設計時底座部分使用了雙液壓泵，盡量增加其剛度；能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題。

在結構上，模仿了挖掘機的機構原理，并進行了一系列改進，使力的分配合理有效。具體的臂部結構見圖2-4

2-4 臂部結構示意圖

機器人的手臂運動（包括腰座的回轉運動），給出了機器人末端執行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執行器在其工作空間中的運動姿態。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現安裝在手腕上的末端執行器的空間運動軌跡與運動姿態，完成所需要的作業動作。

1.機器人手腕的自由度數，應根據作業需要來設計。機器人手腕自由度數目愈多，各關節的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業要求來確定。在滿足作業要求的前提下，應使自由度數盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現作業要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。

2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。

3.機器人手腕要與末端執行器相聯，因此，要有標準的聯接法蘭，結構上要便于裝卸末端執行器。

4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。

5.要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。

6.手腕各關節軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。

通過對數控機床上下料作業的具體分析，考慮數控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業時的具體要求，在滿足系統工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕和小臂設計在一起，可以簡化設計工作量實踐證明這是完全能滿足作業要求的，4個自由度來實現機床的上下料完全足夠。具體的手腕結構見圖2-5手爪聯結結構。

圖2-5手爪聯結結構

機器人末端執行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業的附加裝置。機器人末端執行器的種類很多，以適應機器人的不同作業及操作要求。末端執行器可分為搬運用、加工用和測量用等。

搬運用末端執行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。

加工用末端執行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業。

測量用末端執行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業。

在設計機器人末端執行器時，應注意以下問題；

1.機器人末端執行器是根據機器人作業要求來設計的。一個新的末端執行器的出現，就可以增加一種機器人新的應用場所。因此，根據作業的需要和人們的想象力而創造的新的機器人末端執行器，將不斷的擴大機器人的應用領域。

2.機器人末端執行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機器人容許的負荷力。因此，要求機器人末端執行器體積小、重量輕、結構緊湊。

3.機器人末端執行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執行器在結構上很復雜，甚至很難實現，例如，仿人的萬能機器人靈巧手，至今尚未實用化。目前，能用于生產的還是那些結構簡單、萬能性不強的機器人末端執行器。從工業實際應用出發，應著重開發各種專用的、高效率的機器人末端執行器，加之以末端執行器的快速更換裝置，以實現機器人多種作業功能，而不主張用一個萬能的末端執行器去完成多種作業。因為這種萬能的執行器的結構復雜且造價昂貴。

4.通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執行器實現標準化和積木化。

5.機器人末端執行器要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執行機構。因此，工業機器人執行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅動接口中需要增加電-液或電-氣變換環節）。

機器人夾持器及機器人手爪。一般工業機器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型，按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。

機器人夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種

1.氣動驅動方式    這種驅動系統是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節閥來調節其運動速度。由于氣動驅動系統價格較低，所以氣動夾持器在工業中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。

2.電動驅動方式     電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發熱。

3.液壓驅動方式    液壓驅動系統傳動剛度大，可實現連續位置控制。

1.楔塊杠桿式手爪

利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。

2.滑槽式手爪  

當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。

3.連桿杠桿式手爪

這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。

4.齒輪齒條式手爪

這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。

5.平行杠桿式手爪

采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多。

結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿使手爪張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。本設計按照工件的直徑為50mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2-6機械手末端執行機構結構圖所示：

圖2-6機械手末端執行手爪結構圖

機器人是由多級聯桿和關節組成的多自由度的空間運動機構。除直接驅動型機器人以外，機器人各聯桿及各關節的運動都是由驅動器經過各種機械傳動機構進行驅動的。機器人所采用的傳動機構與一般機械的傳動機構相類似。常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響著機器人的精度、穩定性和快速響應能力，因此，應設計和選擇滿足傳動間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運動平穩、響應速度快、傳遞轉矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環節的動態性能相匹配等要求的傳動部件。

在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題：

1.為了提高機器人的運動速度及控制精度，要求機器人各運動部件的重量要輕，慣量要小。因此，機器人的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小。

2.在傳動鏈及運動副中要采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。

3.系統傳動部件的靜摩擦力應盡可能小，動摩擦力應是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動部件和導向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動導向支承等。

4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度，如用預緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動導軌副的傳動和支承剛度；采用大扭矩、寬調速的直流或交流伺服電機直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動機構；絲杠的支承設計采用兩端軸向預緊或預拉伸支承結構等。

5.選用最佳傳動比，以達到提高系統分辨率、減少等效到執行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。

6.縮小反向死區誤差，如采取消除傳動間隙、減少支承變形等措施。

7.適當的阻尼比，機械零件產生共振時，系統的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會使系統的失動量和反轉誤差增大，穩態誤差增大，精度降低。故在設計時要使傳動機構的阻尼合適。

1.齒輪傳動機構

在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。

機器人系統中齒輪傳動設計的一些問題

（1）齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器用于伺服系統的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩。故齒輪傳動系統要有足夠的剛度，還要求其轉動慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時所需的轉矩小，即在同一驅動功率時，其加速度響應最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區（失動量），若該死區是閉環系統中，則可能造成系統不穩定，常使系統產生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統的穩定性。

（2）各級傳動比的最佳分配原則。當計算出傳動比后，為使減速系統結構緊湊，滿足動態性能和提高傳動精度的要求，要對各級傳動比進行合理的分配，原則如下：

a．輸出軸轉角誤差最小原則。為了提高齒輪傳動系統的運動精度，各級傳動比應按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉誤差對輸出轉角精度的影響。設齒輪傳動中各級齒輪的轉角誤差換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為，則

                               （2-1）

式中：-----第個齒輪所具有的轉角誤差；

-----第個齒輪的轉軸至n級輸出軸的傳動比。

則四級齒輪傳動系統的各級齒輪的轉角誤差（、、...、）換算到末級輸出軸上的總轉角誤差為

          （2-2）

由此可知總轉角誤差主要取決于最末級齒輪的轉角誤差和傳動比的大小。因此，在設計中最末兩級的傳動比應取大一些，并盡量提高其加工精度。

b．等效轉動慣量最小原則。利用該原則設計的齒輪系統要使換算到電動機軸上的等效轉動慣量最小，各級傳動比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結構緊湊。

具體而言有幾點：

（1）對要求運動平穩，起停頻繁和動態性能好的伺服系統，按最小等效轉動慣量和總轉角誤差最小的原則來處理。

（2）對于變負載的傳動齒輪系統的各級傳動比最好采用不可約的比數，避免同期嚙合以降低噪音和振動。

（3）對于提高傳動精度和減小回程誤差為主的傳動齒輪系統，按總轉角誤差最小原則；對于增速傳動，由于增速時容易破壞傳動齒輪系工作的平穩性，應在開始幾級就增速，并且要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動誤差。

（4）對以比較大傳動比傳動的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結合為混合輪系。對于相當大大傳動比、并且要求傳動精度與傳動效率高，傳動平穩以及體積小重量輕時。可選用新型的諧波齒輪傳動。

2.諧波齒輪傳動

諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小重量輕，傳動比大（幾十到幾百），傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩，承載能力強、效率高等一系列優點。故在工業機器人系統中得到廣泛的應用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分相似，它是依靠柔性齒輪產生的可控變形波引起齒間的相對錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳動具有本質上的差別。

3.螺旋傳動

螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。螺旋傳動有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂等；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。

絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結構簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低（30%~40%）。后者雖然結構復雜、制造成本高，但是其最大的優點是摩擦阻力矩小、傳動效率高（92%~98%），其運動平穩性好，靈活度高。通過預緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器人中應用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構或制動裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項指標：

（1）滾珠絲杠的精度等級；

（2）滾珠絲杠的傳動間隙允許值和預加載荷的期望值；

（3）載荷條件（靜、動載荷）以及載荷允許值；

（4）滾珠絲杠的工作壽命；

（5）滾珠絲杠的臨界轉速；

（6）滾珠絲杠的剛度；

減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結構，使螺母與絲杠之間有一定的預加載荷。這樣可以消除傳動間隙，提高傳動精度與剛度。但是預加載荷會使滾珠絲杠壽命下降，所以，預加載荷不應超過工作載荷的1/3。

4.同步帶傳動

同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優點的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節距不變。同步帶具有傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優點，故在機器人中使用很多。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。

5.鋼帶傳動

鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑動，結構簡單緊湊、運行可靠、噪聲低，驅動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。

6.鏈傳動

在機器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機器人末端的重量，一般都將腕關節驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節處。由于電機距離被傳動的腕關節較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。

7.鋼絲繩輪傳動

鋼絲繩輪傳動具有結構簡單、傳動剛度大、結構柔軟，成本較低等優點。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。

具體到本設計，手臂部分，由于液壓缸實現直接驅動，它既是關節機構，又是動力元件。故不需要中間傳動機構，這既簡化了結構，同時又提高了精度。而機械手腰部的回轉運動采用步進電機驅動，必須采用傳動機構來減速和增大扭矩。經分析比較，選擇圓柱齒輪傳動，為了保證比較高的精度，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差；同時大大增大扭矩，同時較大的降低電機轉速，以使機械手的運動平穩，動態性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。

手爪部分，采用氣缸驅動。氣缸軸帶動手爪的四桿機構形成夾取運動。

工業機器人的驅動系統，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅動系統。這三類基本驅動系統的主要特點如下。

1.液壓驅動系統

由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環境中工作的機器人。但是，液壓系統需要進行能量轉換（電能轉換成液壓能），速度控制多數情況下采用節流調速，效率比電動驅動系統低，液壓系統的液體泄露會對環境產生污染，工作噪音也較高。

2.氣動驅動系統

具有速度快，系統結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。

3.電動驅動系統

由于低慣量、大轉矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調制器）的廣泛采用，這類驅動系統在機器人中被大量采用。這類驅動系統不需要能量轉換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環境中，成本上也較其他兩種驅動系統高。但因為這類驅動系統優點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。

設計機器人時，驅動系統的選擇，要根據機器人的用途、作業要求、機器人的性能規范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅動系統特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下：

1.物料搬運（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅動系統，中等負荷的可選電機驅動系統，輕負荷的可選氣動驅動系統。沖壓機器人多采用氣動驅動系統。

2.用于點焊和弧焊及噴涂作業的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅動系統。只有采用液壓或電動伺服系統才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅動系統。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅動系統。

液壓系統自1962年在世界上第一臺機器人中應用到現在，已在工業機器人中獲得了廣泛的應用。目前，雖然在中等負荷以下的工業機器人中大量采用電機驅動系統，但是在簡易經濟型、重型的工業機器人和噴涂機器人中采用液壓系統的還仍然占有很大的比例。

液壓系統在機器人中所起的作用是通過電-液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機器人手臂按給定的運動規律動作。液壓動力機構多數情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續回轉的液壓馬達用得很少。在工業機器人中，中、小功率的液壓驅動系統用節流調速的為多，大功率的用容積調速系統。節流調速系統，動態特性好，但是效率低。容積調速系統，動態特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅動系統包括程序控制和伺服控制兩類。

1.程序控制機器人的液壓系統

這類機器人屬非伺服控制的機器人，在只有簡單搬運作業功能的機器人中，常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現有限點位的控制。這類機器人的液壓系統設計要重視以下方面：

（1）液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。

（2）定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構或鎖定裝置。

（3）對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側最好加設安全保護回路，防止因碰撞過載而損壞機械結構。

（4）液壓源應該加蓄能器，以利于多運動軸同時動作或加速運動提供瞬時能量儲備。

2.伺服控制機器人的液壓系統

具有點位控制和連續軌跡控制功能的工業機器人，需要采用電-液伺服驅動系統。其電-液轉換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電-液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構可組成電-液伺服馬達，電-液伺服液壓缸，電-液步進馬達，電-液步進液壓缸，液壓回轉伺服執行器（RSA-Rotory Serve Actuator）等各種電-液伺服動力機構。根據結構設計的需要，電-液伺服馬達和電-液伺服液壓缸可以是分離式，也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式，要盡量縮短連接管路，這樣可以減少伺服閥到液壓機構間的管道容積，以增大液壓固有頻率。

在機器人的驅動系統中，常用的電-液伺服動力機構是電-液伺服液壓缸和電-液伺服擺動馬達，也可以用電-液步進馬達。液壓回轉執行器是一種由伺服電機，步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續回轉馬達轉子內的一個回轉滑閥，通過機械反饋，驅動轉子運動的一種電-液伺服機構。它可安裝在機器人手臂和手腕的關節上，實現直接驅動。它既是關節機構，又是動力元件。

氣動機器人采用壓縮空氣為動力源，一般從工廠的壓縮空氣站引到機器人作業位置，也可以單獨建立小型氣源系統。由于氣動機器人具有氣源使用方便、不污染環境、動作靈活迅速、工作安全可靠、操作維修簡便以及適宜在惡劣環境下工作等特點，因此它在沖壓加工、注塑及壓鑄等有毒或高溫條件下作業，機床上、下料，儀表及輕工行業中、小型零件的輸送和自動裝配等作業，食品包裝及運輸，電子產品輸送、自動插接，彈藥生產自動化等方面獲得大量應用。

氣動驅動系統在多數情況下是用于實現兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。這類機器人多是圓柱坐標型和直角坐標型或二者的組合型結構；3-5個自由度；負荷在200N以下；速度300-1000mm/s；重復定位精度為+/-0.1-0。5mm。控制裝置目前多數選用可編程控制器（PLC）。在易燃、易爆的場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。氣動驅動系統大體由以下幾部分組成。

1.氣源    由總壓縮空氣站提供。氣源部分包括空氣壓縮機，儲氣罐，氣水分離器，調壓器，過濾器等。如果沒有壓縮空氣站的條件，可以按機器人及配套的其他氣動設備需要配置相應供氣量的氣源設備。

2.氣動三聯件   由分水濾氣器，調壓器，油霧器三大件組成，可以是分離式，也可以是三聯組裝式的，多數情況下用三聯組裝式結構。不論是由壓縮空氣站供氣還是用單獨的氣源，氣動三聯件是必備的。雖然用無潤滑氣缸可以不用油霧器，但是一般情況下，建議也在氣路上裝上油霧器，以減少氣缸摩擦力，增加使用壽命。

3.氣動閥    氣動閥的種類很多，在工業機器人的氣動驅動系統中，常用的閥件有電磁氣閥、節流調速閥、減壓閥等。

4.氣動執行機構    多數情況下使用氣缸（直線氣缸或擺動氣缸）。直線氣缸分單動式和雙動式兩類。除個別用單動式氣缸外（如手爪機構上用的），多數采用雙動氣缸。為實現端部緩沖，要選用雙向端點位置緩沖的氣缸。氣缸的結構形式以及與機器人機構的連接方式（如法蘭連接，尾部鉸接，前端或中間鉸接，氣缸桿的螺紋連接或鉸接等）由設計機器人時根據結構要求而定。氣缸的內徑，行程大小可根據對機器人的運動分析和動力分析進行計算。

為了確保氣缸的密封要求，同時又要盡量降低摩擦力，密封材料要選用橡膠和氟化塑料組合的密封環。無接觸感應式氣缸目前在氣動系統中已獲得廣泛的應用，這種氣缸在活塞上裝有永久磁鐵的磁環，通過磁感應，使在氣缸外面安裝的非接觸磁性接近開關動作發訊，進行位置檢測。除了直線氣缸外，機器人中用得比較多還有有限角擺動氣缸，這種擺動缸多用于手腕機構上。

5.制動器    氣動機器人的定位問題很大程度上是如何實現停點的制動。氣缸活塞的運動速度容許達1.5m/s，如果氣缸以1m/s的速度計算，電磁氣閥以較大關閉時間70ms計，那么氣缸活塞兩個停點的距離約為70mm，兩個停點的步長應大于這個數值。對于小流量的電磁氣閥，吸合關閉時間較小，停點的步長也要相應縮短。因此對機器人一個單自由度而言，停點數目最多6-9個。為增加定位點數，除采用多位置氣缸外可采用制動的方法還有：反壓制動，制動裝置制動。

6.限位器    氣動機器人各運動軸的制動和定位點到位發訊，可由編程器發指令，或由限位開關發訊。根據要求和條件，如果選用無接觸感應式氣缸，其限位開關是無接觸接近開關，這種開關的反映時間小于20ms，在機器人中應用比較理想。當氣缸活塞運動到定位點時，為保證定位精度，需要將運動軸鎖緊。常用的限位機構是由電磁閥控制的氣缸帶動鎖緊機構（插鎖，滑塊等）將機器人運動機構鎖定。再啟動時，事先打開鎖緊機構。

這些年來，針對機器人，數控機床等自動機械而開發的各種類型的伺服電動機及伺服驅動器的大量出現，為機器人驅動系統的更新創造了條件。由于高起動力矩、大轉矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應用，因此一般情況下，負重在100kg以下的工業機器人大多數采用電動驅動系統。其驅動原理方塊圖如下所示：

在機器人驅動系統中應用的電動機大致可分為如下類型：小慣量永磁直流伺服電動機，有刷繞組永磁直流伺服電動機，大慣量永磁直流伺服電動機（力矩電機），反應式步進電機，同步式交流伺服電動機，異步式交流伺服電動機。

速度傳感器多數用的是測速發電機，位置傳感器多數用光電編碼器。伺服電動機可與測速發電機、光電編碼器、制動器、減速器相結合，實現部分組合、由幾種組合或全部組合，形成伺服電動機驅動單元。為了提高機器人的傳動精度，國外近幾年開發了直接驅動電動機，并將多級旋轉變壓器組合在一起，這種旋轉變壓器每轉可達40-60萬個脈沖，這種直接驅動的電機（DD驅動電機）在快速高精度定位的裝配機器人中已經得到應用。

1.機器人驅動系統電機的選擇

機器人的驅動系統電機的選擇要根據機器人的用途、功能、結構特點，結合各類電機自身的特點、性能、結構特點以及性能價格比等綜合考慮進行。根據機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉速、負載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等參數選擇電機型號。有關各類驅動電動機主要特點及性能、結構特點、用途及使用范圍、適用的驅動器見表2-1：

51hei.png (10.21 KB, 下載次數: 52)

下載附件

2022-5-24 04:26 上傳

文件下載(資料僅供參考,切勿照搬): dwg文件.7z (11.72 MB, 下載次數: 24)

動畫演示.7z (4.04 MB, 下載次數: 20)