工业机器人的运行结构

手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是将抓取的工件运送到给定的位置上， 因而一般机器人的手臂有3个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。手 臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。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，所以必须根据机器人的抓取重量、运动形 式、自由度数、运动速度以及定位精度的要求来设计手臂的结构形式。

1.臂部结构的基本形式

按手臂的结构形式区分，手臂有单臂、双臂及悬挂式，如图4.5所示。 按机械手手臂的运动形式分，有直线运动、回转运动和复合运动等不同的运动方式，对 应不同的机械手臂部的结构。机械手臂的直线运动有手臂的伸缩、升降以及横向（或纵向）移动；回转运动有手臂的左右回转、上下摆动（俯仰）；复合运动是既有直线运动又有回转运动。

1. 手臂的直线运行结构

机械手的伸缩、升降及横向（或纵向）运动的机构实现形式较多，常用的有活塞油（气) 缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及活塞缸和连杆机构等。图4.6所示为采用四 根导向柱的臂部伸缩结构。手臂的垂直伸缩运动由油缸3驱动，其特点是行程长、抓重大。 工件形状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，可采用四根导向柱。这种结构多用于箱体加工线上。

2. 手臂回转和俯仰运行机构

实现机械手回转运动的常见机构有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链传达机构、连杆机 构等。齿轮齿条机构是通过齿条的往复移动，带动与手臂连接的齿轮作往复回转，即实现手 臂的回转运动。带动齿条往复移动的活塞缸可以由压力油或压缩气体驱动。

如图4.7所示，俯仰式机器人手臂的运动一般采用活塞油缸与连杆机构实现。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连接。某些场合也采用无杆活 塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。

3.手臂的复合运动机构

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。复合运动实例参考4.3手腕部分的实例。

2.臂部结构的设计

工业机器人的臂部由大臂、小臂所组成，一般具有2～3个自由度，即伸缩、回转或者俯 仰。臂部的总重量较大，受力较复杂，直接承受腕部、手部和工具的静、动载荷，在高速运 动时将产生较大的惯性力。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电驱动几种形式， 其中电驱动最为通用。

1.臂部设计的特点和要求

臂部结构的设计需要考虑到机器人的运动形式、抓取重量和运动精度等因素。 对机械手臂的设计要求有：

(1)手臂的结构应该满足机器人作业空间的要求。

(2)合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。工字形截面的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，所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用 工字钢和槽钢制作支承板。

(3)尽量减小手臂重量和整个手臂相对于转动关节的转动惯量，以减小运动时的动载荷 与冲击。

(4)合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、 刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。

2.臂部材料选择

机器人手臂的工作状况决定了其材料的选择。手臂的运动特性要求其材料应是轻型材料。另外考虑到运动过程中的振动等影响运动精度的因素选择材料时，需要对质量、刚度、 阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。从承受载荷的力学角度分析机器人手 臂材料首先应是结构材料，不应有变形和断裂，即要具有一定的强度，又要具有很好的受控 性。应当优先选择强度大而密度小的材料制作手臂，其中非金属材料有尼龙6、聚乙烯（PEH) 和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主