a）臂转、腕摆、手转结构 b）臂转、双腕摆、手转结构 图2-9腕部关节配置图

　　要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转自由度为： 臂转：指腕部绕小臂轴线方向的旋转，也称作腕部旋转； 腕摆：指手部绕垂直小臂轴线方向进行旋转。腕摆分为俯仰和偏转，其中同时 具有俯仰和偏转运动的称作双腕摆； 手转：指手部绕自身的轴线方向旋转。 腕部的结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式，常用 的腕部组合方式有臂转—腕摆—手转结构、臂转—双腕摆—手转结构等。

　　普通式手爪不具备传感器。智能化手爪具备一种或多种传感器， 如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等。手爪与传感器集成在一起 成为智能化手爪。

　　（1）夹持类手部，通常又叫机械手爪。夹持类手部除常用的夹钳 式外，还有脱钩式和弹簧式。此类手部按其手指夹持工件时的运动方 式又可分为手指回转型和指面平移型。夹钳式是工业机器人最常用的 一种手部形式，一般夹钳式（图2-3）由以下几部分组成：手指、传动 机构、驱动装置和支架，能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。

　　手臂主要包括大臂、小臂和腕部。腕部是联接手臂和手部的结构部件， 它的主要作用是确定手部的作业方向，如图2-9所示。因此它具有独立的 自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。小臂是连接大臂和手腕 的中间体，小臂可以连同手腕及后端部件在大臂上运动，以改变手部的上 下及前后位置。大臂是连接腰部和小臂的中间体，大臂可以连同小臂及后 端部件在腰上运动，以改变手部的前后及上下位置。

　　工业机器人的形态各异，但其本体都是由若干关节和连杆通过不 同的结构设计和机械连接所组成的机械装置。在工业机器人中，水平 串联结构的机器人多用于3C行业的电子元器件安装和搬运作业，而 并联结构的机器人多用于电子电工、食品药品等行业的装配和搬运。

　　1．手部与手腕相连处可拆卸：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异， 通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头 具有通用性和互换性。 2．手部是机器人末端操作器：可以是类人的手爪，也可以是进行专业作 业的工具。 3．手部的通用性比较差：机器人手部通常是专用的装置。 4．手部是一个独立的部件：假如把手腕归属于手臂，那么机器人机械系 统的三大部分就是机身、手臂和手部。手部对于整个工业机器人来说是完 成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。

　　气流负压吸附取料手（图2-6）：气流负压吸附取料手是利用流体 力学的原理，当需要取物时，压缩空气高速流经喷嘴，其出口处的气 压低于吸盘腔内的气压，于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压， 完成取物动作；当需要释放时，切断压缩空气即可。

　　滚动导轨按滚动体分为球、圆柱滚子和滚针；按轨道分为圆轴式、平面式 和滚道式；按滚动体是否循环分为循环式和非循环式。这些滚动导轨各有特点 ，装有滚珠的滚动导轨适用于中小载荷和小摩擦的场合，装有滚柱的滚动导轨 适用于重载和高刚性的场合。受轻载滚柱的特性接近于线性弹簧，呈硬弹簧特 性；而滚珠的特性则接近于非线性弹簧，刚性要求高时应施加一定的预紧力。

　　1. 按用途可分为手爪和专用操作器。 手爪：具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件、握持工

　　件、释放工件。 专用操作器：也称作工具，是进行某种作业的专用工具，如机器人涂 装用喷枪、机器人焊接用焊枪等。

　　气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、 吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、重量轻、使用方便可靠且 对工件表面没有损伤、吸附力分布均匀等优点。广泛应用于非金属材 料（或不可有剩磁材料）的吸附。使用气吸式手部时要求工件上与吸 盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。气 吸式手部利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作，按形成压 力差的方法，可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸。

　　②传动机构：向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。 传动机构根据手指开合的动作特点可分为回转型和平移型。回转型手 部使用较多，其手指就是一对杠杆。回转型又分为一支点回转和多支 点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动，又可分为摆动回转型和平动 回转型。平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面 移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如 箱体等）。根据其结构，可分为平面平行移动机构和直线往复移动机 构两种类型。

　　DD机器人驱动电动机通过机械接口直接与关节连接，在驱动电动机和关节之 间没有速度和转矩的转换。

　　间接驱动方式是把驱动器的动力经过减速器、钢丝绳、传送带或 平行连杆等装置后传递给关节。间接驱动方式包含带减速器的电动机 驱动和远距离驱动两种。

　　中小型机器人一般采用普通的直流伺服电动机、交流伺服电动机 或步进电动机作为机器人的执行电动机。由于电动机速度较高，输出 转矩又大于驱动关节所需要的转矩，所以必须使用带减速器的电动机 驱动。但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击 振动，影响机器人系统的可靠性，并增加关节重量和尺寸。

　　工业机器人的驱动方式主要分为直接驱动和间接驱动。直接驱动方式是指驱 动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连的方式。这种方式的驱动器和关节 之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好。 直接驱动方式的机器人通常称为DD机器人(direct drive robot，DDR)。

　　这种结构的工业机器人的全部 伺服驱动电机、减速器及其他机械 传动部件均安装于内部，机器人外 形简洁、防护性能好，机械传动结 构简单、传动链短、传动精度高、 刚性好。因此被广泛用于中小型加 工、搬运、装配、焊接、包装领域， 是小规格、轻量级工业机器人的典 型结构。它的机械结构系统由基座、 手臂、手部三大部分组成。

　　工业机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是 机器人结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的 刚度不敏感。

　　图2-11（a）所示为普通向心球轴承，图2-11（b）为向心推力球轴承。这两种轴承的 每个球和滚道之间只有两点（一点与内滚道，另一点与外滚道）接触。为实现预载，这种 轴承必须成对使用。图2-11（c）所示为四点接触球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球 与每个滚道两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此，四点接触 球轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小，承载能力和刚度比同样大小的一 般球轴承高1.5倍。

　　工业机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有转动型和移动型，分 别称为转动关节和移动关节。转动关节在机器人中简称为关节，关节由回转轴 、轴承和驱动机构组成。它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动，用于 基座与臂部、臂部与手部等连接部位。

　　移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨 部分组成。导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁性悬浮导轨等形 式。通常，由于机器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用结构紧凑、 价格合适的滚动导轨。

　　2.1.3 基座 工业机器人的基座是整个机器人的支持部分，用于机器人的安装和固定，也是工业

　　机器人的电线电缆、气管油管的输入连接部位。固定式机器人的基座一般固定在地面上， 移动式机器人的基座安装在移动机构上，常见的工业机器人为固定式。工业机器人的基 座如图2-10所示。

　　挤压排气式取料手（图2-7）：取料时吸盘压紧物体，橡胶吸盘变形，挤出 腔内多余的空气，取料手上升，靠橡胶吸盘的恢复力形成负压，将物体吸住；释 放时，压下拉杆3，使吸盘腔与大气相连通而失去负压。

　　磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工 件的。磁吸式手部与气吸式手部相同，不会破坏被吸收表面质量，电 磁吸盘如图2-8所示。

　　液压驱动所使用的压力为0.5～14MPa。与其他两种驱动方式相比，其优点为: (1)驱动力或驱动力矩大，即功率重量比大。 (2)可以把工作液压缸直接做成关节的一部分，因此结构简单紧凑、刚度好。 (3)由于液体的不可压缩性，定位精度比气压驱动高，并可实现任意位置的停止。 (4)液压驱动调速比较简单，能在很大调整范围内实现无级调速。 (5)液压驱动平稳，且系统的固有效率较高，可以实现频繁而平稳的变速与换向。 (6)使用安全阀，可简单有效地防止过载现象发生。 (7)有良好的润滑性能，寿命长。

　　由于手臂通常采用悬臂梁结构，因而多自由度机器人关节上安装减速器 会使手臂根部关节驱动器的负载增大。远距离驱动将驱动器和关节分离，目 的在于减少关节体积、减轻关节重量。

　　驱动元件是执行装置，就是按照信号的指令，将来自电、液压和气压等 各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。按照利 用的能源来分，驱动元件主要分为电动执行装置、液压执行装置和气压执行 装置。因此，工业机器人关节的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电气驱动。

　　①手指：它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通 过手指的张开和闭合来实现的。一般情况下，机器人的手部只有两个 手指，少数有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件 的形状和特性（图2-4）。

　　③驱动装置：它是向传动机构提供动力的装置，按驱动方式不同有液 压、气动、电动和机械驱动之分。

　　（2）吸附类手部：吸附类手部有真空（气吸）类吸盘和磁力类吸盘两 种。磁力类吸盘主要有电磁吸盘和永磁吸盘两种。真空类吸盘主要是 真空式吸盘，根据形成真空的原理可分为真空吸盘、流负压吸盘和挤 气负压吸盘三种。

　　工业机器人驱动装置是带动臂部到达指定位置的动力 源。通常动力是直接经电缆、齿轮箱或其他方法送至臂部 。工业机器人驱动系统常用的驱动方式主要有液压驱动、 气压驱动以及电气驱动三种。

　　在工业机器人出现的初期，由于其运动大多采用曲柄 和导杆等杆件机构，所以大多使用液压驱动和气压驱动方 式。但随着对作业高速化要求，以及对各部分动作要求愈 来愈高，目前使用电气驱动的机器人所占比例逐渐增加。

　　磁吸收式手部比气吸收式手部优越的地方是：有较大的单位面积 吸力，对工件表面粗糙度及通孔、沟槽等无特殊要求。

　　手臂是工业机器人的主要执行部件。手臂连接手部和基座，用来改变 手腕和末端执行器的空间位置。在工作中直接承受腕、手和工件的静、动 载荷，自身运动又较多，故受力复杂。根据手臂的运动和布局、驱动方式、 传动和导向装置的不同可分为：伸缩型臂部、转动伸缩型臂部、屈伸型臂 部结构，以及其他专用的机械传动臂部结构。

　　这两种结构的机器人大多属于高速、轻载工业机器人，其规格相 对较少。而垂直串联是工业机器人最典型的结构，它被广泛用于加工、 搬运、装配、包装。垂直串联工业机器人的形式多样、结构复杂，维 修、调整相对困难，本章以垂直串联工业机器人为主进行介绍。

　　线）：真空吸附取料手在取料时，碟形橡 胶吸盘与物体表面接触，橡胶吸盘在边缘既起到密封作用，又起到缓 冲作用。然后真空抽气，吸盘内腔形成真空，吸取物料。放料时，管 路接通大气，失去真空，物体放下。为避免在取、放料时产生撞击， 有的还在支承杆上配有弹簧缓冲。