工业机器人的操作机（PPT32页)

第三章操作机第三章操作机机械臂驱动装置传动装置传感器垂直多关节机器人水平多关节机器人直角坐标机器人DELTA并联机器人3.1机械臂机械臂是工业机器人的机械结构部分，是机器人的主要承载体和直观的动作执行机构。工业应用中典型的机械臂有4种：垂直多关节型机械臂水平多关节型机械臂直角坐标型机械臂DELTA并联型机械臂。3.1.1垂直多关节机器人垂直多关节工业机器人的机械系统有多个连杆、关节等组成，其本质是一个拟人手臂的空间多自由度开链式机构，一端固定在基座上，末端可自由运动。工业机器人关节：移动关节-能使连杆做直线移动转动关节-让连杆回转和摆动工业应用中的垂直多关节机器人以六轴和四轴为主。1.六轴垂直多关节机器人（1）机械臂组成六轴垂直多关节机器人的机械臂主要包括4部分：基座、腰部、手臂和手腕，如图3.1所示。图3.1六轴垂直多关节机器人机械臂的基本构造基座基座是机器人的支撑基础，整个执行机构和驱动传动装置都安装在基座上。作业过程中，基座还要能够承受起外部作用力，臂部的运动越多，基座的受力越复杂。工业机器人的基座安装方式主要分两种：固定式-直接固定在地面上移动式-安装在移动装置上②腰部机器人的腰部一般是与基座相连接的回转机构，可以与基座做成一个整体。有时为了扩大工作空间，也可以通过导杆和导槽在基座上移动。腰部是机器人整个手臂的支撑部分，还带动手臂、手腕和末端执行器在空间回转，同时决定了它们所能到达的回转角度范围。③手臂手臂是连接手臂和手腕的部分，由操作机的动力关节和连接杆等组成。它又称为主轴，是执行机构中的重要运动部件，作用是改变手腕和末端执行器的空间位置，以满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到基座。对于六轴机器人而言，手臂一般包括大臂和小臂。大臂是连接腰部的部分，小臂是连接手腕的部分，大臂和小臂之间通过转动关节相连。④手腕机器人的手腕是连接末端执行器和手臂的部分，将作业载荷传递到臂部，也称为次轴，它的作用是支撑腕部和调整或改变末端执行器的空间位姿，因此它具有独立的自由度，从而使末端执行器完成复杂的动作。腕部坐标系a.手腕的运动手腕按其运动形式一般分为回转手腕和摆动手腕，如图3.2所示。回转手腕又称R腕，是一种回转关节，如图3.2（a）所示，摆动手腕又称B腕，是一种摆动关节，如图3.2（b）所示。图3.2手腕的运动形式b.手腕的自由度通常六轴垂直多关节机器人的手腕自由度是3，这样能够使末端执行器处于空间任意姿态。手腕的偏转手腕的俯仰手腕的回转c.手腕的结构形式：手腕由R腕和B腕组合而成。常用手腕结构形式有RBR型和3R型，其结构如图3.3所示。两种手腕结构的运用各不相同，常用的是RBR型，而喷涂行业一般采用3R型。（2）本体轴六轴垂直多关节机器人的机械臂有6个可活动关节，对应6个机器人本体轴。机器人本体轴可分为两类：基本轴-又称主轴，用于保证末端执行器达到工作空间的任意位置。腕部轴-又称次轴，用于实现末端执行器的任意空间姿态。四大机器人家族对其本体轴（六轴）的定义如图3.4所示，本体轴的类型见表3.1。图3.4四大机器人家族对其本体轴的定义四大家族基本轴（主轴）腕部轴（次轴）第1轴第2轴第3轴第4轴第5轴第6轴ABB轴1轴2轴3轴4轴5轴6KUKAA1A2A3A4A5A6YASKAWAS轴L轴U轴R轴B轴T轴FANUCJ1J2J3J4J5J6表3.1六轴机器人本体轴类型2.四轴垂直多关节机器人（1）机械臂组成。四轴垂直多关节机器人可以看成是六轴机器人的简化，它的机械臂也是由基座、腰部、手臂和手腕4部分组成，但一般将手腕的3个自由度简化成1个自由度，其他组成部分和六轴关节机器人类似，主要用于搬运和码垛行业。（a）KUKA机器人（b）ABB机器人（c）YASKAWA机器人（d）FANUC机器人图3.5四大机器人家族对其本体轴的定义（2）本体轴。四轴机器人本体轴与六轴的类似，可分为两类：基本轴和腕部轴。四大机器人家族对四轴机器人本体轴的定义如图3.5所示，本体轴的类型见表3.2.表3.2四轴机器人本体轴类型四大家族基本轴（主轴）腕部轴（次轴）第1轴第2轴第3轴第4轴ABB轴1轴2轴3轴6KUKAA1A2A3A6YASKAWAS轴L轴U轴T轴FANUCJ1J2J3J43.1.2水平多关节机器人水平多关节机器人的机械臂是串联配置的，且能够在水平面内旋转。水平多关节机器人即SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）机器人，是具有选择顺应性装配机器人手臂。1.机械臂组成基座、大臂和小臂。SCARA机器人的基座和六轴关节机器人的区别是：与SCARA机器人基座相连的机器人是大臂，与大臂相连的是小臂，而小臂上可装有末端执行器。图3.6SCARA机器人基座大臂小臂2.本体轴SCARA机器人具有4个本体轴和4个自由度，各厂商对SCARA机器人本体轴的定义有所不同，见下表。表3.3SCARA机器人本体轴的定义直角坐标机器人在空间上具有多个相互垂直的移动轴，常用的是3个轴。通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。3.1.3直角坐标机器人1.机械臂组成直角坐标机器人的机械臂分为x轴、y轴和z轴3部分，其中x轴方向还有一个其稳定支撑作用的轴，两轴之间通过传动机构相连，实现同步移动，如图3.7所示。2.本体轴直角坐标机器人的本体轴也称x轴、y轴和z轴，运动方向如图3.7所示。图3.7直角坐标机器人DELTA并联机器人是一种高速、轻载机器人，通常具有3-4个自由度，可以实现工作空间的x、y、z方向的平移及绕z轴的旋转运动。1.机械臂组成DELTA机器人的机械臂包括4部分：静平台、主动臂、从动臂和动平台，如图3.8所示图3.8DELTA机器人机械臂的基本构成3.1.4DELTA并联机器人DELTA机器人分拣物品(1)静平台静平台又称基座，常用的是顶吊安装，主要作用是支撑整个机器人，并减少机器人运动过程中的惯量。(2)主动臂主动臂通过驱动电机与基座直接相连，作用是改变末端执行器的空间位置。DELTA机器人有3个相同的并联主动臂，具有3个自由度，可以实现机器人在x、y、z方向的移动。图3.8DELTA机器人机械臂的基本构成(3)从动臂从动臂又称连杆，是连接主动臂和动平台的机构，常用的连接方式是球铰链。(4)动平台动平台是连接连杆和末端执行器的部分，它的作用是支撑末端执行器，并改变其姿态。如果动平台上未装有绕z轴旋转的驱动装置，则DELTA机器人有3个自由度，如图3.8所示。如果动平台上装有绕z轴旋转的驱动装置，则DELTA机器人有4个自由度，见表3.4。图3.8DELTA机器人机械臂的基本构成表3.4DELTA机器人本体轴2.本体轴常用的DELTA机器人具有3-4个本体轴,各厂商对DELTA机器人的本体轴定义有所不同，见表3.4。续表3.4DELTA机器人本体轴