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制动器
许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动 器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的 位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围 的物体不发生碰撞。 制动器通常是按照失效抱闸方式工作的，即要放 松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相 对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作 用。缺点是：工作期间不断花费电力使制动器放松。
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第二章 工业机器人机械系统设计
2.1工业机器人总体设计 2.2驱动机构 2.3机身和臂部设计 2.4腕部设计 2.5手部设计 2.6行走机构设计
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手部 臂部
执行系统
腕部 机身
工 业 机 器 人
行走机构
驱动系统
各种电、液、气装置 运动控制装置
控制系统
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臂部结构
根据臂部的运动和布局
位置检测装置 示教再现装置 触觉、听觉、嗅觉、视觉装置 语音识别装置
人工智能系统
逻辑判断装置 学习装置
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机器人的体系结构
从体系结构来看，机器人分为三大部分六 个系统，分别是： 三大部分： 机械部分（用于实现各种动作）、 传感部分（用于感知内部和外部的信息）、 控制部分（控制机器人完成各种动作）。
Z4/Z5
0.4/0.4
i1 Z 2 / Z1 5
37/8
i1 Z 2 / Z1 5
i1 Z 4 / Z 3 4.625 i1 Z 4 / Z 3 4.625
Z6/Z7 0.4/0.4
i1 Z 6 / Z 5 4.725 i37/8 1 Z 6 / Z 5 4.725 i1 Z 8 / Z 7 2.5625 i1 Z 8 / Z 7 2.5625
传动机构
是将驱动器输出的动 力传送到工作单元的一种
装置，作为能量源和执行
装置之间的连接装置，在 机器人的机构中有极其重 要的地位，起着能量传递 和能量转换作用。
传动机构的作用
1、运动形式的转换 直线到旋转、 旋转到直线、连续运动和间歇运动的变换。 2、运动速度的转换 工作单元往往和驱动器速度不一致，利用传动机构达到改变输出速 度的目的。 3、运动方向的转换 工作单元的运动方向与驱动器的输出方向不一致。 4、运动地点的转换 工作单元的运动与驱动器的输出不在同一地点。 5、调转矩 调整驱动器的转矩使其适合工作单元使用。
机器人的机械结构
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(2)手腕 手腕是连接手臂和末端执 行器的部件，用以调整末端执行器 的方位和姿态。
(3)手臂 手臂是支承手腕和末端执
行器的部件。它由动力关节和连杆 组成，用来改变末端执行器的空间
位置。(Βιβλιοθήκη )机座 机座是工业机器人的基础 部件，承受相应的载荷，机座分为 固定式和移动式两类。
机器人常用传动机构
传 动 机 构
齿 轮 传 动
丝 杠 螺 母 传 动
带 链 钢 丝 传 动
连 杆 凸 轮 传 动
流 体 传 动
特 殊 减 速 机 构
直齿圆柱齿轮在舵机设计中的应用
齿轮外形
名称 Z1
模数 0.3
齿数 10
3 减速比计算3 减速比计算
Z2/Z3 0.3/0.4 50/8
舵机空载转速计算 舵机空载转速计算 总传动比： 空载转速：
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机器人的机械结构
工业机器人一般有以下几部分构成： 机身部分：如同机床的床身结构一样，机器人机身构 成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行 走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰 。 手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。 末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各 种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。 关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各 部分、末端操作器之间的相对运动。
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2.3机身和臂部设计
常用的机身结构：
１）升降回转型机身结构 ２）俯仰型机身结构 ３）直移型机身结构 ４）类人机器人机身结构
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臂部结构
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。机器人的臂部主要包括 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。此外， 还有与腕部或手臂的运动和联接 支撑等有关的构件、配管配线等。
rpm ÷ 274 = 62.04 rpm； 即舵机的空载理论输出转速为 62.04 rpm 或 60°/0.16S。
行星齿轮式减速机构
行星齿轮减速器结构紧凑、 传动比较大，传动效率比蜗轮 蜗杆减速器高。
直齿圆锥齿轮应用
机器人齿轮传动实例
齿轮齿条在机器人手部的应用
齿轮齿条及行星机构在机器人手腕中的应用
Z8
0.4
41
则：总减速比
i i1 i2 i3 i4 所以 Rn=17000 i 则：总减速比 i1 i2 i3 i4 =274.067 =274.067
因为： Rn = Rd ÷ i 因为： Rn = Rd ÷ i 其中 Rn 为舵机的空载输出转速 其中 Rn 为舵机的空载输出转速 Rd 为直流电机空载输出转速 Rd 为直流电机空载输出转速 i 为减速比； Rd = 17000 rpm，i= 274 i 为减速比； 所以 Rn=17000 rpm ÷ 274 = 62.04 rpm； Rd = 17000 rpm， i= 274 即舵机的空载理论输出转速为 62.04 rpm 或 60°/0.16S。
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2.2驱动机构
液压驱动、气动驱动、电动驱动、机械驱动及新型驱动方式 液压驱动：具有大的抓举力；结构紧凑，传动平稳，动作 灵敏；要求密封性能好，温度适中，成本较高。 气压驱动：空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低 ；空气的可压缩性致使工作速度的稳定性差；抓举力小。 电气驱动：利用电动机产生的力或力矩，直接或经过减速 机构驱动机器人，以获得所需的位移、速度、加速度。现 在多用，无污染、易控制、运动精度高，成本低、驱动效 率高。 机械驱动：利用各种机械运动副完成直线和旋转运动。 新型驱动方式：静电驱动器、压电驱动器、光驱动器等。
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液压驱动
缺点： 1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高 温容易引起燃烧爆炸等危险；
2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度 和质量，故造价较高；
3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严 格的滤油装臵，否则会引起故障。
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气压驱动
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液压驱动
优点：
1)液压容易达到较高的压力(常用液压为2.5到6.3MPa)，体积 较小，可以获得较大的推力或转矩；
2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较 高的位臵精度；
3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；
4)液压系统采用油作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以 提高机械效率，使用寿命长。
与液压驱动相比，气压驱动的特点： 1)压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)； 2)利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力 设备； 3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于 高温作业； 4)气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低。
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气压驱动
缺点：
1)压缩空气常用压力为0.4~0.6MPa，若要获得较大 的力，其结构就要相对增大；
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工业机器人 各组成部分关系
控制系统 驱动系统 执行机构 操作对象
检测系统
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机器人的体系结构
六个系统：
A． 驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的 原动力。 B．机械结构系统：完成各种动作。 C．感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。 D．机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备 的联系和协调并构成功能单元。 E．人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单 元。 F．控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人 动作的中心。分为开环系统和闭环系统。
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驱动机构方式
２．旋转驱动机构
多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋 转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所 需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高 的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时 也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要 把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换 必须高效率的完成，并且不能有损于机器人系统所需 要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运 动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步带传动和 谐波齿轮等传动方式。
2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难， 要达到准确的位臵控制很困难； 3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理 不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外， 排气还会造成噪声污染。
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电动驱动
电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服 电动机和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需要加减速装臵，输出力矩 大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。 伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能 好，可实现速度和位臵的精确控制，适用于中小型机器人。 交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进 电动机则主要用于开换控制系统，一般用于速度和位臵精 度要求不高的场合。