2.3　工业机器人机身和臂部设计

工业机器人机械部分主要由机身（即立柱）、臂部、腕部、手部四大部分构成。此外，工业机器人必须有一个便于安装的基础件，即机器人的机座，机座往往与机身做成一体。基座必须具有足够的刚度和稳定性，主要有固定式和移动式两种。采用移动式基座可以扩大机器人的工作范围。基座可以安装在小车或导轨上。图2-3为一个具有小车行走机构的工业机器人。图2-4为一个采用过顶安装方式的具有导轨行走机构的工业机器人。

2.3.1　机身设计

机身和臂部相连，机身支承臂部，臂部有腕部和手部。机身普遍用于实现升降和俯仰等运动，常有一至三个自由度。

（1）机身的典型结构

机身结构一般由机器人总体设计确定。圆柱坐标型机器人的回转与升降这两个自由度归属于机身；球（极）坐标型机器人的回转与俯仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人的腰部回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人的升降或水平移动自由度有时也归属于机身。下面讲述关节型机身的典型结构。

关节型机器人机身只有一个回转自由度，即腰部的回转运动。腰部要支承整个机身绕基座进行旋转，在机器人六个关节中受力最大，也最复杂，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾覆力矩。按照驱动电动机旋转轴线与减速器旋转轴线是否在一条线上，腰部关节电动机有同轴式与偏置式两种布置方案，如图2-5（a）、（b）所示。腰部驱动电动机多采用立式倒置安装。在图2-5（a）中，驱动电动机1的输出轴与减速器4的输入轴通过联轴器3相连，减速器4输出轴法兰与基座6相连并固定，这样减速器4的外壳将旋转，带动安装在减速器机壳上的腰部5绕基座6做旋转运动。在图2-5（b）中，从重力平衡的角度考虑，电动机1与机器人大臂2相对安装，电动机1通过一对外啮合齿轮7做一级减速，把运动传递给减速器4，工作原理与图2-5（a）所示结构相同。

图2-5（a）所示的同轴式布置方案多用于小型机器人，而图2-5（b）所示的偏置式布置方案多用于中、大型机器人。腰关节多采用高刚性和高精度的RV减速器传动，RV减速器内部有一对径向止推球轴承，可承受机器人的倾覆力矩，能够满足在无基座轴承时抗倾覆力矩的要求，故可取消基座轴承。机器人腰部回转精度靠RV减速器的回转精度保证。

对于中、大型机器人，为方便走线，常采用中空型RV减速器，其典型使用案例如图2-6所示。电动机1的轴齿轮与RV减速器输入端的中空齿轮3相啮合，实现一级减速。RV减速器4的输出轴固定在基座5上，减速器的外壳旋转实现二级减速，带动安装于其上的机身做旋转运动。

（2）液压（气压）驱动的机身典型结构

圆柱坐标型机器人机身具有回转与升降两个自由度，升降运动通常采用油缸来实现，回转运动可采用以下几种驱动方案来实现。

①采用摆动油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。因摆动油缸安置在升降活塞杆的上方，故升降油缸的活塞杆的尺寸要加大。

②采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。

③采用链条链轮传动机构。链条链轮传动可将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于360°。图2-7（a）所示为采用单杆活塞气缸驱动链条链轮传动机构实现机身回转运动的原理图。此外，也有用双杆活塞气缸驱动链条链轮回转的，如图2-7（b）所示。

球（极）坐标型机身具有回转与俯仰两个自由度，回转运动的实现方式与圆柱坐标型机身相同，而俯仰运动一般采用液压（气压）缸与连杆机构来实现。手臂俯仰运动用的液压缸位于手臂的下方，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机身连接。此外，有时也采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。

（3）设计机身时要注意的问题

工业机器人要完成特定的任务，如抓、放工件等，就需要有一定的灵活性和准确性。机身需支承机器人的背部、手部及所握持物体的重量，因此，设计机身时应注意以下几个方面的问题：

①机身要有足够的刚度、强度和稳定性。

②运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以避免发生卡死现象。

③驱动方式要适宜。

④结构布置要合理。

2.3.2　臂部设计

工业机器人的臂部由大臂、小臂（或多臂）所组成，一般具有两个自由度，可以是伸缩、回转、俯仰或升降。臂部总重量较大，受力一般较复杂。在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，尤其在高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，影响定位的准确性。臂部是工业机器人的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并改变手部的空间位置。

臂部运动部分零件的重量直接影响臂部结构的刚度和强度，工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身（即机座）上，机身可以是固定式的，也可以是移动式的。

（1）臂部设计的基本要求

臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、液压（气压）缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此，设计臂部时一般要注意下述要求。

①手臂应具有足够的承载能力和刚度　手臂在工作中相当于一个悬臂梁，如果刚度差，会引起其在垂直面内的弯曲变形和侧向扭转变形，从而导致臂部产生颤动，影响手臂在工作中允许承受的载荷大小、运动的平稳性、运动速度和定位精度等，以致无法工作。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。由材料力学知识可知，工字形截面构件的弯曲刚度一般比圆截面构件的大，空心轴的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴的大得多，所以常用工字钢和槽钢做支承板，用钢管做臂杆及导向杆。

②导向性要好　为使手臂在直线移动过程中不致发生相对转动，以保证手部的方向正确，应设置导向装置或设计方形、花键等形式的臂杆。导向装置的具体结构形式一般应根据载荷大小、手臂长度、行程以及手臂的安装形式等因素来选择。导轨的长度不宜小于其间距的两倍，以保证导向性良好。

③重量和转动惯量要小　为提高机器人的运动速度，要尽量减轻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。另外，应注意减小偏重力矩，偏重力矩过大，易使臂部在升降时发生卡死或爬行现象，因此注意减小偏重力矩。通过以下方法可以减小或消除偏重力矩：a.尽量减轻臂部运动部分的重量；b.使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；c.采取配重。

④运动要平稳、定位精度要高　运动平稳性和重复定位精度是衡量机器人性能的重要指标，影响这些指标的主要因素有：a.惯性冲击；b.定位方法；c.结构刚度；d.控制及驱动系统。

臂部运动速度越高，由惯性力引起的定位前的冲击就越大，不仅会使运动不平稳，而且会使定位精度不高。因此除了要力求臂部结构紧凑、重量轻外，还要采取一定的缓冲措施。

工业机器人常用的缓冲装置有弹性缓冲元件、液压（气压）缸端部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器等。按照它们在机器人或机械手结构中设置位置的不同，可以分为内部缓冲装置和外部缓冲装置两类。在驱动系统内设置的缓冲元件属于内部缓冲装置，液压（气压）缸端部节流缓冲环节与缓冲回路均属于此类。弹性缓冲元件和液压缓冲器一般设置在驱动系统之外，故属于外部缓冲装置。内部缓冲装置具有结构简单、紧凑等优点，但其安装位置受到限制。外部缓冲装置具有安装简便、灵活、容易调整等优点，但其体积较大。

（2）关节型机器人臂部的典型结构

关节型机器人的臂部由大臂和小臂组成，大臂与机身相连的关节称为肩关节，大臂和小臂相连的关节称为肘关节。

①肩关节电动机布置　关节要承受大臂、小臂、手部的重量和载荷，受到很大的力矩作用，也同时承受来自平衡装置的弯矩，应具有较高的运动精度和刚度，多采用高刚度的RV减速器传动。按照电动机旋转轴线与减速器旋转轴线是否在一条线上，肩关节电动机布置方案也可分为同轴式与偏置式两种。

图2-8所示为肩关节电动机布置方案，电动机和减速器均安装在机身上。图（a）中电动机1与减速器2同轴相连，减速器2输出轴带动大臂3实现旋转运动，多用于小型机器人。图（b）中电动机1轴与减速器2轴偏置相连，电动机通过一对外啮合齿轮5做一级减速，把运动传递给减速器2，减速器输出轴带动大臂3实现旋转运动，多用于中、大型机器人。

②肘关节电动机布置　肘关节要承受小臂、手部的重量和载荷，受到很大的力矩作用。肘关节也应具有较高的运动精度和刚度，多采用高刚度的RV减速器传动。按照电动机旋转轴线与减速器旋转轴线是否在一条线上，肘关节电动机布置方案也可分为同轴式与偏置式两种。图2-9所示为肘关节电动机布置方案，电动机和减速器均安装在机身上。图2-9（a）中电动机1与减速器3同轴相连，减速器3输出轴固定在大臂4上端，减速器3外壳旋转带动小臂2做上下摆动，该方案多用于小型机器人；图2-9（b）中电动机轴1与减速器3偏置相连，电动机1通过一对外啮合齿轮5做一级减速，把运动传递给减速器3，由于减速器输出轴固定于大臂4上，所以外壳将旋转，带动安装于其上的小臂2做相对于大臂4的俯仰运动。该方案多用于中、大型机器人。

（3）液压（气压）驱动的臂部典型结构

①手臂直线运动机构　机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有液压（气压）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及连杆机构等。由于液压（气压）缸的体积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用比较多。在手臂的伸缩运动中，为了使手臂移动的距离和速度按定值增加，可以采用齿轮齿条传动式增倍机构。图2-10所示为采用气压传动的齿轮齿条式增倍机构的手臂结构。活塞杆3 左移时，与活塞杆3 相连接的齿轮2 也左移，并使运动齿条1一起左移；由于齿轮2与固定齿条4相啮合，因而齿轮2 在移动的同时，又在固定齿条4上滚动，并将此运动传给运动齿条1，从而使运动齿条1又向左移动一距离。因手臂固连于运动齿条1上。所以手臂的行程和速度均为活塞杆3的两倍。

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多种多样，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。

利用齿轮齿条液压缸实现手臂回转运动的机构：压力油分别进入液压缸两腔，推动齿条活塞往复移动，与齿条啮合的齿轮即做往复回转运动；齿轮与手臂固连，从而实现手臂的回转运动。

采用活塞油缸和连杆机构的双臂机器人手臂的结构：手臂的上、下摆动由铰接液压缸（活塞油缸）和连杆机构来实现。当液压缸的两腔通压力油时，连杆（即活塞杆）带动曲柄（即手臂）绕轴心做90°的上、下摆动。手臂下摆到水平位置时，水平和竖直方向的定位由支承架上的两颗定位螺钉来调节。此手臂结构具有传动结构简单、紧凑和轻巧等特点。