工业机器人内部结构及基本组成原理详解.docx
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工业机器人内部结构及基本组成原理详解
工业机器人内部结构及基本组成原理详解
工业机器人详解
你对工业机器人有着什么样的了解？
关于工业机器人，我
们过去也反反复复推送了很多的文章，在这一次，我们将尝
试解决有关---在工业环境中使用的最常见的机器人和作业
时经常会遇到的问题。
关于工业机器人定义什么可以被
认为是一个工业机器人?
什么不能被称为工业机器人？
工业
机器人直到最近才能避开这种混乱。
不是在工业环境中使
用的每个机电设备都可以被认为是机器人。
根据国际标准组
织的定义，工业机器人是一种可编程的三自由度或多轴自动
控制的可编程多用途机械手。
这几乎是在谈论工业机器人时
被接受的定义。
工业机器人自中年以来发生了什么变化？
越来越多的工程师和企业家正在寻找越来越多的机器人技
术，帮助在工业环境中优化工作流程的方式。
随着时代的发
展和机器人技术的进步，机器人手臂必须为诸如仓储中使用
的群组AGV等新手铺路。
我们经常说典型的工业机器人
由工具，工业机器人手臂，控制柜，控制面板，示教器以及
其他外围设备组成。
那么这些是什么？
这些部分通常都在一
起，控制柜类似于机器人的大脑。
控制面板和示教器构成用
户环境。
工具（也称为末端执行器）是为特定任务设计的
设备（例如焊接或喷涂）。
机器人手臂基本上是移动工具的
东西。
但并不是每个工业机器人都像一个手臂。
不同机器人
有不同类型的结构。
控制面板---操作员使用控制面板来执
行一些常规任务。
（例如：
改变程序或控制外围设备）。
应
用“机器人工人”----什么时候应该使用工业机器人而不是人
工？
相信这个问题大家思考的次数并不少了。
理想情况下，
这应该是双赢的。
想快速看到效果，你需要知道什么是别
人最不喜欢的工作。
想得最多的是那些重复的，乏味的工作，
需要从工作人员那边进行大量单调的行动，这个思考是正确
的，因为正是如此，例如从一个输送机到另一个输送机。
如
果总是相同的任务，您可以使用专门针对您的需求量身定制
的自动化解决方案。
工厂的工作处理需要越来越灵活，在这
些情况下，正确的解决方案是：
可以试用用于不同任务的可
重新编程的机器人进行任务操作。
此外，就是那些对人类
工作有害的任务。
（例如：
用危险化学品进行表面处理，这
是在有害环境中工作。
在许多情况下，长期使用机器人比聘
用工人更聪明和便宜。
）当然，还有的是人类难以操作的工
作。
（例如：
举或搬运重物或在不适合人类生活的条件下工
作。
）同样，在许多这些情况下，可以应用特定的自动化解
决方案。
然而，如果任务需要灵活性处理，还需要考虑要用
到的机器人。
以下是最常见的机器人应用程序列表：
电弧
焊、部件、涂层、去毛刺、压铸、造型、物料搬运、选择、
码垛、打包、绘画、点焊、运输，仓储关于工业机器人的
结构----如何构建机器人手臂？
（这很重要）在本文中，将
只列出工业机器人中使用的最常见的机器人结构类型。
（详
细内容公众号历史记录在“机器人类型”部分深入介绍这些
类型）。
所以有：
笛卡尔、圆柱、球形、SCARA、铰接臂、
平行施工这些类型都有自己的优缺点。
有些更精确，有些
可以提升较重的重量，有些则更便宜。
这也导致我们选择
机器人时至少要考虑什么？
分配给机器人的任务是什么？
这个问题看起来觉得很愚蠢，但是也是因为它是很容易被忽
略掉的部分，所以这个需要在这次文章中重点说一下。
（你
应该考虑，因为它可以节省你很多钱。
也可以减少很多不必
要的麻烦）例如：
你已经知道你需要一个电弧焊机器人。
但是，您可以更深入地考虑这个是否有扩张的可能性？
以后
可能会有其他或稍微不同的任务可以分配给同一个机器
人？
也许同一个工业机器人手臂可以在不同的时间用不同
的工具？
还有技术支持。
您可能需要指导员工，获得软件
更新，保修维护等。
需要考虑经销商应尽可能靠近您。
我们
都知道，如果需要维护，机器人经销商所在的距离越远，停
机时间越长，人员培训的费用就越高。
当然，也有例外，
就像你有一个特定的任务，唯一可以提供一个机器人需要的
是远的。
否则，你应该真正选择最接近你的机器人集成商。
检查所有需要的特定机器人操作的设施，你会在哪里放置？
所有需要的连接是否都能正常使用？
准备是否齐全？
选择
适合你的制造商。
在考虑技术支持和工厂时，也应该考虑在
任务部分提到的同样的事情，尝试评估未来的可能性。
以
下是最知名的工业机器人制造商名单：
ABB、Adept技术、
Asyst技术、布鲁克斯自动化、DENSO机器人、爱普生机器
人、FANUC机器人、Intelitek、川崎重工业、库卡机器人、
安川，莫托曼、Nachi机器人系统、雷斯机器人、东芝机、
史陶比尔
工业机器人的基本组成
人工智能发展，机器人距离我们越来越近，涉及我们的生
活也越来越多。
研究表明，文化差异影响着人们对机器人
的看法，西方人看到终结者，日本人看到”阿斯托男孩“。
教育水平与积极情绪之间也存在着相关性：
教育水平越高，
人们对机器人越感兴趣。
目前人们对机器人的看法总体上是
保持积极的态度。
使用机器人使我们免于减少我们完全人
为的能力的工作：
将机器人整合到我们的经济中，以提高生
产率，减少我们依赖采掘业，同时让人们不必花大部分时间
来谋生。
古希腊人认为，“劳动”是为了生存所需的重复
工作，是在他们的尊严之下，这就是为什么他们确保这样的
工作是由奴隶完成的。
摆脱这种负担，希腊公民大量发明了
西方文明。
今天研发机器人以类似的方式为我们完成劳动，
从而创造一个人类繁荣的新时代。
机器人对我们的生活影
响已经那么大，但是你知道机器人的基本组成吗？
机器人
的种类很多，不同结构和用途的机器人其组成当然也不完全
一样。
这里以工业机器人为例，介绍机器人的基本组成。
机
器人的基本组成：
机器人由机械部分、传感部分、控制部
分三大部分组成。
这三大部分又分成六个子系统。
分别为：
驱动系统（给每个关节即每个运动自由度安置传动装置，使
机器人运动起来，这就是驱动系统）机械结构系统（由机
身、手臂、末端操作器三大件组成。
每一大件都有若干自由
度，构成一个多自由度的机械系统）（如果机身具备行走机
构便构成行走机器人，如果机身不具备行走及腰转机构，则
构成单机器人臂）手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。
末端
操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，可以是两手指或
多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等。
感受系统（获
取内部和外部环境状态中有意义的信息。
提高了机器人的机
动性、适应性和智能化的水准）机器人—环境交互系统（实
现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统）人
机交互系统（人与机器人进行联系和参与机器人控制的装
置）控制系统（根据机器人的作业指令程序以及从传感器
反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动
和功能）机器人设计包括机械结构设计，检查传感系统设
计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。
清楚了解机器人的基本组成，更好地应用机器人完成工作。
工业机器人常用的气缸内部结构是怎样的？
我们首先讲解下普通气缸的基本组成和原理:
气缸的组成:
缸体，活塞，密封圈，磁环（有传感器的气缸）原理:
压
力空气使活塞移动，通过改变进气方向，改变活塞杆的移动
方向。
失效形式:
活塞卡死，不动作；气缸无力，密封圈
磨损，漏气。
典型气缸的结构和工作原理以气动系统中
最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构
如下图所示。
它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及
密封件等组成。
双作用气缸内部被活塞分成两个腔。
有活塞
杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。
当从无杆腔输
入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞
上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；
当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。
若有杆腔和
无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。
普通双
作用气缸1、3－缓冲柱塞，2－活塞，4－缸筒，5－导向
套，6－防尘圈，7－前端盖，8－气口，9－传感器，10－
活塞杆，11－耐磨环，12－密封圈，13－后端盖，14－缓
冲节流阀机械接触式无杆气缸的结构和工作原理机械接
触式无杆气缸，其结构如下图3所示。
在气缸缸管轴向开有
一条槽，活塞与滑块在槽上部移动。
为了防止泄漏及防尘需
要，在开口部采用聚氨脂密封带和防尘不锈钢带固定在两端
缸盖上，活塞架穿过槽，把活塞与滑块连成一体。
活塞与滑
块连接在一起，带动固定在滑块上的执行机构实现往复运
动。
这种气缸的特点是：
1）与普通气缸相比，在同样行程
下可缩小1/2安装位置；2）不需设置防转机构；3）适用于缸
径10～80mm，最大行程在缸径≥40mm时可达7m；4）速
度高，标准型可达0.1～0.5m/s；高速型可达到0.3～3.0m/s。
其缺点是：
1）密封性能差，容易产生外泄漏。
在使用三位
阀时必须选用中压式；2）受负载力小，为了增加负载能力，
必须增加导向机构。
机械接触式无杆气缸l－节流阀，2
－缓冲柱塞，3－密封带，4－防尘不锈钢带，5－活塞，6－
滑块，7－活塞架磁性无杆气缸的结构和工作原理活塞通
过磁力带动缸体外部的移动体做同步移动，其结构如图4所
示。
它的工作原理是：
在活塞上安装一组高强磁性的永久磁
环，磁力线通过薄壁缸筒与套在外面的另一组磁环作用，由
于两组磁环磁性相反，具有很强的吸力。
当活塞在缸筒内被
气压推动时，则在磁力作用下，带动缸筒外的磁环套一起移
动。
气缸活塞的推力必须与磁环的吸力相适应。
磁性无杆
气缸1－套筒，2－外磁环，3－外磁导板，4－内磁环，5－
内磁导板，6－压盖，7－卡环，8－活塞，9－活塞轴，10－
缓冲柱塞，11－气缸筒，12－端盖，13－进、排气口齿轮
齿条式摆动气缸的结构和工作原理齿轮齿条式摆动气缸是
通过连接在活塞上的齿条使齿轮回转的一种摆动气缸，其结
构原理如下图5所示。
活塞仅作往复直线运动，摩擦损失少，
齿轮传动的效率较高，此摆动气缸效率可达到95%左右。
齿轮齿条式摆动气缸1－齿条组件，2－弹簧柱销，3－滑块，
4－端盖，5－缸体，6－轴承，7－轴，8－活塞，9－齿轮叶
片式摆动气缸和工作原理单叶片式摆动气缸的结构原理如
图6所示。
它是由叶片轴转子（即输出轴）、定子、缸体和
前后端盖等部分组成。
定子和缸体固定在一起，叶片和转子
联在一起。
在定子上有两条气路，当左路进气时，右路排气，
压缩空气推动叶片带动转子顺时针摆动。
反之，作逆时针摆
动。
叶片式摆动气缸体积小，重量最轻，但制造精度要求
高，密封困难，泄漏是较大，而且动密封接触面积大，密封
件的摩擦阻力损失较大，输出效率较低，小于80%。
因此，
在应用上受到限制，一般只用在安装位置受到限制的场合，
如夹具的回转，阀门开闭及工作台转位等。
单叶片式摆动
气缸1－叶片，2－转子，3－定子，4－缸体气动手爪原
理气动手爪这种执行元件是一种变型气缸。
它可以用来抓
取物体，实现机械手各种动作。
在自动化系统中，气动手爪
常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体。
气动手
爪有平行开合手指（如图所示）、肘节摆动开合手爪、有两
爪、三爪和四爪等类型，其中两爪中有平开式和支点开闭式
驱动方式有直线式和旋转式。
气动手爪的开闭一般是通过
由气缸活塞产生的往复直线运动带动与手爪相连的曲柄连
杆、滚轮或齿轮等机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。
薄膜气缸的结构和工作原理下图为膜片气缸的工作原理
图。
膜片有平膜片和盘形膜片两种一般用夹织物橡胶、钢
片或磷青铜片制成，厚度为5～6mm（有用1～2mm厚膜
片的）。
下图所示的膜片气缸的功能类似于弹簧复位的活塞
式单作用气缸，工作时，膜片在压缩空气作用下推动活塞杆
运动。
它的优点是：
结构简单、紧凑、体积小、重量轻、密
封性好、不易漏气、加工简单、成本低、无磨损件、维修方
便等，适用于行程短的场合。
缺点是行程短，一般不趁过
50mm。
平膜片的行程更短，约为其直径的1/10。
薄膜气缸1－缸体，2－膜片，3－膜盘，4－活塞杆带
阀组合气缸的结构和工作原理带阀气缸是由气缸、换向阀
和速度控制阀等组成的一种组合式气动执行元件。
如下图所
示,它省去了连接管道和管接头，减少了能量损耗，具有结构
紧凑，安装方便等优点。
带阀气缸的阀有电控、气控、机控
和手控等各种控制方式。
阀的安装形式有安装在气缸尾部、
上部等几种。
如下图所示，电磁换向阀安装在气缸的上部，
当有电信号时，则电磁阀被切换，输出气压可直接控制气缸
动作带阀组合气缸1－管接头，2－气缸，3－气管，4－
电磁换向阀，5－换向阀底板，6－单向节流阀组合件，7－
密封圈。
磁性开关气缸的结构和工作原理磁性开关气缸
是指在气缸的活塞上安装有磁环，在缸筒上直接安装磁性开
关，磁性开关用来检测气缸行程的位置，控制气缸往复运动。
因此，就不需要在缸筒上安装行程阀或行程开关来检测气缸
活塞位置，也不需要在活塞杆上设置挡块。
其工作原理如
下图所示。
它是在气缸活塞上安装永久磁环，在缸筒外壳上
装有舌簧开关。
开关内装有舌簧片、保护电路和动作指示灯
等，均用树脂塑封在一个盒子内。
当装有永久磁铁的活塞运
动到舌簧片附近，磁力线通过舌簧片使其磁化，两个簧片被
吸引接触，则开关接通。
当永久磁铁返回离开时，磁场减弱，
两簧片弹开，则开关断开。
由于开关的接通或断开，使电磁
阀换向，从而实现气缸的往复运动。
磁性开关气缸1－动
作指示灯，2－保护电路，3－开关外壳，4－导线，5－活塞，
6－磁环，7－缸筒，8－舌簧开关工业机器人见了那么多
了，我们看看工业机器人结构原理
一、工业机器人机构名词解释：
1、关节（Joint）：
即运动
副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。
2、
连杆（Link）：
机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。
3、
刚度（Stiffness）：
机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能
力。
它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比
来度量。
4、自由度（Degreeoffreedom）：
或者称坐标
轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。
手指的开、
合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。
5、定位精
度（Positioningaccuracy）：
指机器人末端参考点实际到达的
位置与所需要到达的理想位置之间的差距。
6、重复性
（Repeatability）或重复精度：
在相同的位置指令下，机器
人连续重复若干次其位置的分散情况。
它是衡量一列误差值
的密集程度，即重复度。
7、工作空间（Workingspace）：
机
器人手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）
所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能
到达的区域。
二、工业机器人结构分类1、工业机器人
按坐标分类2、工业机器人按驱动分类3、六轴工业机器
人结构三、工业机器人夹具结构1、工业机器人夹持夹具
结构滑槽杠杆式手部2、工业机器人吸附夹具结
构电磁式吸盘气动吸盘设计示例3、工业机器人未来
手抓从专业的角度来解答工业机器人的结构为什么技术
含量这么高！
说起工业机器人的结构技术不得不带提下中国工业机器人
行业目前的现状：
众所周知，中国机器人产业由于先天因
素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。
虽导入中国机器人产业经过30年的发展，形成了较为完善
的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基
础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。
整个机器人产业
链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部
件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的
“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系
统集成商（国内95%的企业都集中在这个环节上）三个层
面。
1、工业机器人本体机器人本体是工业机器人的机械
主体，是用来完成各种作置业的执行机构。
它主要由机械臂、
驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组—成。
工业机
器人本体最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装
不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。
（1）机
械臂关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多
机械连杆的集合体。
实质上是一个拟人手臂的空间开链式
机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节-连
杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部
（大臂和小臂）和手腕4部分。
1）基座基座是机器人的基
础部分，起支撑作用。
2）腰部腰部是机器人手臂的支承部
分。
3）手臂手臂是连接机身和手腕的部分，是执行结构
中的主要运动部件，亦称主轴，主要用于改变手腕和末端
执行器的空间位置。
4）手腕手腕是连接末端执行器和手臂
的部分，亦称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。
（2）驱动装置驱使工业机器人机械臂运动的机构。
它按照控
制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动
作，相当于人的肌肉、筋络。
机器人常用的驱动方式主要有
液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。
目前，除个
别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、
气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流
伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱
动器。
（3）传动单元目前工业机器人广泛采用的机械传动
单元是减速器，应用在关节型机器人上的减速器主要有两
类：
RV减速器和谐波减速器。
一般将RV减速器放
置在基座、腰部、大臂等重负载的位置（主要用于20kg以
上的机器人关节）；将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部
等轻负载的位置（主要用于20kg以下的机器关节）。
此
外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单
元等。
1）谐波减速器通常由3个基本构件组成，包括一
个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外
齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚
动轴承的波发生器，在这3个基本结构中可任意固定一个，
其余一个为主动件一个从动件。
2）RV减速器主要由太
阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线
轮（RV齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。
具
有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，
高精度机器人传动多采用RV减速器。
深入工业机器人发
展史
工业机器人作为自动化时代的典型标志，学习工业机器人，
渴望了解工业机器人的人也随之增多，很多人问我，我是一
个小白，怎么才能学好，现在学会不会已经太晚了，知识是
一个积累的过程，你的每一次阅读都是在进步。
现在学习一
点都不晚，你已经走在很多人的前面了呢。
希望每一次的
科普都对您有帮助。
今天我们继续聊聊我们印象中的工业机
器人，目的是揭示工业机器人的发展：
第一部分讨论了工
业机器人和机器人的特点。
然后给出一个自动化的简要总
结和机器人区域的先决条件，因为对于工业机器人来说，没
有提到过的历史就不能说自动化。
此后的历史机器人力学
（automatons）和早期的步骤描述了工业机器人。
最后，机
器人的社会经济因素是讨论。
我们首先简要介绍机器人的
中心词，以及第一个见解进入与机器人相关的感觉。
自从
机器人时代开始以来，大家对机器人都有着不一样的看法。
他们有危险吗？
他们会偷走我们的工作？
我们如何利用它
们？
术语“机器人”存在于几个斯拉夫语中语言和本义是
重度单调的工作或奴隶劳动（苦工）。
（左）查理·卓别
林在1936年的电影“现代时报”中的齿轮之中。
（右）
伍迪·艾伦，伪装成机器人管家，能够避免追求敌对，未来
世界，1973年电影“睡眠者”。
工业机器人是面向工业领域
的多关节机械手或多自由度的机器人。
很多人也喜欢叫它机
械臂，它是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制
能力来实现各种功能的一种机器。
它可以接受人类的指挥，
也可以按照预先编排的程序运行。
现代的工业机器人还可以
根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
1954年，美国戴
沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请的专利。
该专利
的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器
人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是
所谓的示教再现机器人。
1959年，第一台工业机器人在美
国诞生，开创了机器人发展的新纪元，之后日本使机器人得
到迅速的发展，目前，日本人已经称为世界上工业机器人产
量和拥有量最多的国家。
20世纪80年代，生产技术的高度
自动化和集成化，工业机器人得以进一步发展，并在这个时
代起着十分重要的作用。
第一代工业机器人一般指工业上
大量试用的可编程机器人及遥控操作机。
1982年，美国通
用汽车公司在装配线上为机器人装备了视觉系统，从而宣告
了第二代机器人——感知机器人的问世。
（有外部传感器，
可进行离线编程，能在传感系统的支持下，具有不同程度感
知环境并自行修正程序的功能）第三代机器人——自治机
器人，正在各国研制和发展，出了具有感知功能外，还具有
一定的决策和规划能力，能根据人的命令或按照所处环境自
行作出决策规划动作，即按任务编程。
我国的机器人研究
工作起步比较晚，从“七五”开始国家投入资金，对工业机
器及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套
技术的开发和研制。
1986年，国家高技术研究发展计划开
始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术前沿，已经取
得了一大批科研成果，并成果地研制出了一批特种机器人。
从20世纪90年代初起，我国的国民经济进入了实现两个根
本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热
潮。
我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制
出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各
种用途的机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一
批机器人产业化基地。
工业机器人新手必看10个问题
Q1：
机器人如何做好周期维修保养？
1、定期保养机器人
可以延长机器人的使用寿命，保养周期可以分为日常三个
月，六个月，一年，三年。
以发那科的为列，具体内容如下：
保养周期检查和保养内容备注日常1.不正常的噪音和震
动，马达温度2.周边设备是否可以正常工作3.每根轴的抱
闸是否正常有些型号机器只有J2、J3抱闸三个月1.控制
部分的电缆2.控制器的通风3.连接机械本体的电缆4.接插
件的固定状况是否良好5.拧紧机器上的盖板和各种附加件
6.清除机器上的灰尘和杂物六个月1.更换平衡块轴承的润
滑油,其他参见三个月保养内容某些型号机器人不需要，具
体见随机的机械保养手册。
一年1.更换机器人本体上的电
池，其他参见六个月保养内容三年1.更换机器人减速器的
润滑油，其他参见一年保养内容Q2：
什么情况下要做备份？
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