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五轴机器人主体结构设计及运动仿真

摘

要

工业机器人是一种集多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装
备，随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也在不断扩大。虽然近年来我
国工业机器人的需求量逐年增加，但目前国产的机器人大多还需要进口，这与我国
快速的发展的工业水平不相适应。
本文以FESTO柔性生产线装配工作站的三菱工业机器人为基础，针对五轴工业
机器人的主体结构进行设计，其中包括各运动关节电机和传动机构的选型设计；机
器人主体机构三维建模；机器人关键零部件的三维建模和工程图绘制；通过机器人
手腕、前臂、后臂、立柱和底座这几部分的结构设计及运动仿真，探讨在solidworks
软件环境下, 建立了机械手臂的三维实体建模、虚拟装配、动态模拟和干涉检查,
并运用solidworks的motion模块进行机械手臂的运动仿真,实现Solidworks软件环
境下机械手臂的虚拟设计。本设计的工业机器人采用交流伺服电机及带传动的工作
方式，机器人传动环节减少，结构简单，提高了系统的精度，减少维护工作量，同
时也简化了生产工艺，降低了生产成本。

关键词：工业机器人、结构设计、仿真模拟、solidworks

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五轴机器人主体结构设计及运动仿真

Abstract

The industrial robot is a set of advanced technologies in the integration of multidisciplinary

important modern manufacturing equipment, with the development of science and technology, the

industrial robot applications are constantly expanding. Although in recent years the demand robot of

our country increases year by year, but at present homebred robot also need to be imported, and this

does not suit to China's rapid industrial development level.

This paper is based on the Mitsubishi industrial robot of FESTO flexible manufacture system

assembly workstation based on five axis robot, structure design, including the movement of each

joint motor and transmission mechanism design of the robot body mechanism; 3D modeling; robot

key parts of the 3D modeling and engineering drawing; through the robot wrist, forearm, arm a

column and a base, the parts of the structure design and the movement simulation, discusses in the

SolidWorks software environment, to establish a mechanical arm of the 3D solid modeling, virtual

assembly, dynamic simulation and interference check, and by using the SolidWorks motion module

for mechanical arm movement simulation, implementation of Solidworks software environment for

virtual design of mechanical arm. The design of the industrial robot driven by AC servo motor and

belt transmission mode, the robot transmission link is reduced, and has the advantages of simple

structure, improve the precision of the system, reduces the maintenance workload, but also simplifies

the production process, reduce the production cost.

Key words: industrial robot, structure design, simulation, SolidWorks

V

五轴机器人主体结构设计及运动仿真

目

录

第一章 绪 论 ........................................................1
1.1 选题背景 .......................................................1
1.2 国内外研究综述 .................................................2
1.3 研究现状 .......................................................4
1.4 研究意义 .......................................................7
第二章 设计选型 .......................................................8
2.1 机构选型 .......................................................8
2.1.1 运动机构 .......................................................... 8
2.1.2 传动机构 ..................................................10
2.1.3 控制机构...................................................11
2.2 电机选型 ......................................................13
第三章 机械部分设计 ..................................................18
3.1 设计内容 ......................................................18
3.1.1 机器人手腕设计 .............................................18
3.1.2 机器人前臂设计 .............................................20
3.1.3 机器人后臂设计 .............................................22
3.1.4 机器人立柱设计 .............................................24
3.1.5 机器人底座设计 .............................................27
第四章 机器人装配及运动仿真 ..........................................29
4.1 机器人装配 ....................................................29
4.2 机器人运动仿真 ................................................42
第五章 市场前景 ......................................................44
5.1 市场分析 ......................................................44
第六章 总结与展望 ....................................................45
6.1 总结 ..........................................................45
6.2 展望 ..........................................................45
致 谢 ................................................................46
参考文献 .............................................................47

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第一章 绪 论

1.1 选题背景

工业机器人是一种集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科
先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。我国工业机器人研究开始于20
世纪80 年代中期，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已经基本
实现了实验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展［1］
。
但随着我国门户的逐渐开放， 国内的工业机器人产业面临着越来越大的竞争
与冲击。虽然我国机器人的需求量逐年增加，但目前生产的机器人还很难达到所要
求的质量，很多机器人的关键部件还需要进口。所以目前来说，我国还处在一个机
器人消费型的国家。
我国现有的机器人研究开发和应用的工程单位超过200家，其中从事工业机器
人研究和应用的超过80 家。基本掌握了操作机的设计制造技术、控制系统硬件和
软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，
目前生产的各类工业机器人中有90%以上用于生产中［2］。近年，我国机器人市场保
有量将增至48600 台，年销售额约90 多亿元。根据发达国家产业发展与升级的历
程和工业机器人产业化发展趋势预测，到2015 年，我国机器人市场容量将达十几
万台套［3］。
现代制造业中, 自动化程度要求非常高, 各种机械手臂在现代自动化生产线
中扮演着十分重要的角色。例如, 挖掘机本身就是一个液压驱动的机械手臂、汽车
生 产 过 程 中 的 喷 漆 机 器 人 、 海 洋 水 下 生 产 系 统 安 装 时 用 到 的 ROV(Remotely
Operated Vehicles)等, 各种设备中机械手臂的设计成为关键技术［4］。
在机械手臂的设计及控制过程中, 机械手臂的运动轨迹及作业空间是关键的
参数, 目前求解的方法主要有解析法、图解法、数值法等。解析法表达式过于复杂,
直观性不强, 不适于工程实际应用；图解法采用正投影原理, 把机械手的作业空间
问题转化为平面几何问题来处理, 得到的是作业空间的各类剖截面或剖截线。这种
方法直观性强, 但受到自由度数目的限制, 当关节数较多时图解过程就变得非常
复杂, 必须进行分组处理；数值法首先计算机械手作业空间边界曲面上的特征点,
然后用这些点构成的线表示机械手的边界曲线, 最后用这些边界曲线构成的面来

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表示机械手的边界曲面, 此方法通用性强,但计算量非常大［5］。
本文以五自由度机械手臂为例, 探讨在solidworks软件环境下, 建立机械手
臂的三维实体建模、虚拟装配、动态模拟、干涉检查, 并运用solidworks的motion
模块进行机械手臂的运动仿真, 以期仿真出机械手臂的运动轨迹及作业空间, 实
现Solidworks软件环境下机械手臂的虚拟设计。

1.2 国内外研究综述

随着工业机器人发展的深度和广度， 以及机器人智能水平的提高，工业机器
人已在众多领域得到了应用。自从20 世纪60 年代初人类创造了第一台工业机器人
以后，工业机器人就显示出它极大的生命力，在短短50 年的时间中，工业机器人
技术得到了迅速的发展［6］。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制
造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制
造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器
人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。其标准化、模块化、
网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，正在向着成套技术和装备的方
向发展［7］。
随着科学与技术的发展， 工业机器人的应用领域也不断扩大。目前也已开始
扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服
务业领域中。如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压
线作业机器人。即工业机器人的应用向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化
扩展［8］。随着人们生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩， 未来的机器人将
为提高人类的生活质量发挥越来越重要的作用。
在国内，工业机器人产业势头十分强劲。首先是我国汽车工业的高速发展，对
汽车制造装配提出了大量的需求。2000 年开始，受国家宏观调控及居民消费水平
提高的影响，我国汽车工业发展进入了一个历史性的高速增长期［9］。针对这种局
面，国内汽车自主品牌生产厂家纷纷加大研发和投资力度。工业机器人是汽车生产
中的一种主要的自动化设备， 在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷漆、搬运、
涂胶等工艺中有大量应用，整个行业的增产扩能增加了对工业机器人的需求。除了
汽车行业，IT 行业、材料处理等行业的发展也给工业机器人发展提供者巨大的动
力。

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其次是我国的劳动力成本的变化。随着我国经济持续的增强，劳动力供应格局
已经开始发生变化。劳动力由供远大于求向供求平衡发展， 工人对薪资和工作条
件提出了更高的要求。这种转变促使企业认识到必须通过改进机器设备，提高技术
和资金的密集度以尽量减少用工量， 其中工业机器人成为应对这一转变的主要手
段［10］。最后是提高产品质量的需求。持续的经济强劲增长，尤其是对外出口以及
国内外资企业对质量的严格要求， 逼迫产业界开始重视工业机器人在提高生产效
率同时提高产品质量中所起的巨大作用。所以近年来许多企业越来越重视生产中工
业机器人的使用，从而提高了企业的竞争力。
近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发
展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提
出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的
非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外
感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向［11］。
（1）水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器
人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、
以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无
缆水下机器人（autonomous under water vehicle）两大类。
（2）空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、
俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojourner等。
Sojourner是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸480~630mm，有6个车轮，它在
火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。
（3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反
应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动
机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应
堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手
等。
（4）地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两
在类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通
信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等
大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。

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（5）医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与
仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场
感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。
法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划、袖珍
机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得
一些卓有成效的结果。
（6）建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、
预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实
际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器
人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工
方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。
（7）军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机
器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场
上具有看、嗅和角摸能力，能够 自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、
识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，
法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国
ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机
器人。
可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成
为人类良好的助手和亲密的伙伴［12］。

1.3 研究现状

2009年汽车行业大量投资，尤其是亚洲，增加了机器人的装备量。2009年，中
国超越美国成为全球最大的汽车市场。中国还是最大的生产工厂，具有非常大的增
长潜力，中国消费市场增长迅速，来自中国的需求直接影响全球经济的复苏［13］。
几乎全部行业都从增长的需求（包括各种消费品）中受益。由于政府的经济刺激计
划和货币政策的放宽，中国经济从全球经济危机中复苏得异常快速。
2009年，弧焊是最重要的应用，占工业机器人市场总份额的37%，2009年约为
2000台，增加了12%。在2006年至2009年间，该领域应用从850台左右持续增加至2000
台。点焊应用也从2006年开始增加，2008年激增126%，增至1600台，占工业机器人

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市场总份额的20%。而2009年，该应用下降了61%，降至610台。另外，激光焊应用
也在2008年有明显的增加，在2009年大幅下降，下降了26%，约为2700台，占工业
机器人市场总份额的49%，比2008年的46%有所增加。装卸和上下料机器人数量下降
了46%，约为1600台。作为主要的机器人装卸应用领域，塑料成型应用降至652台，
下降了62%。这与2008年橡胶和塑料行业日益恶化的经济形势有关。尽管营业额在
2009年又有所增加，但机器人方面的投资仍在缩减。物料搬运机器人在2005年到
2008年期间有大幅增长，而在2009年下降了31%，降至563台，占总供应量的10%。
2009年，码垛、包装及拾放机器人从190台上升至283台，增长了近50%。这与食品
及饮料行业的投资增加有关，其主要客户也在该应用领域，质量和卫生方面要求的
提高推动了该行业的自动化。封胶机器人小幅增加了2%；喷涂机器人增加了14%，
达到380台。而密封和涂胶机器人下降了38%（61台）。喷涂机器人主要用于汽车行
业，2009年在机器人装配方面的投资仍集中于某些特殊应用［14］。
从2005年到2008年，洁净机器人应用持续增长，2009年下降了41%，这与2009
年半导体市场的萎缩有关。装配机器人增长了13%，增至124台。虽然从2005年开始
每年的供应持续增加，但数量仍较小。用于加工的机器人不足总供应的1%（见图1-1）
［15］

从机器人的安装情况以及机器人制造商提供的数据来看，我们可以从行业角度
进行粗略的分析。用于焊接、喷涂及各种装配操作的机器人主要安装于汽车行业，
2009年该应用领域占所有机器人总量的50%。橡胶和塑料行业占15%左右。洁净机器
人主要用于电子零部件行业，用于电气/电子行业（包括通信）的机器人约占10%
至15%。金属及机械行业约占15%。食品及饮料行业占3%，制药及化妆品行业占1%
左右。与2008年相比，2009年大多行业机器人的安装量都有所减少。金属行业和制
药及化妆品行业中机器人的应用稍有增加。食品及饮料行业的应用大幅增加，但数
量仍较少。

5。

五轴机器人主体结构设计及运动仿真

图 1-1 中国机器人增长趋势图

随着计算机技术不断向智能化发展， 机器人应用领域的不断扩展和深化以及
在系统中的群体应用， 工业机器人在不断向着智能化方向发展，以满足多样化、
个性化的需求，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军［16］。工业机器
人向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为： 结构的模块化的
可重构化、控制技术的开放化、PC 化和网络化、伺服驱动技术的数字化和分散化、
多传感器融合技术的实用化、工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络
化和智能化等方面。工业机器人技术主体的发展目标是： 瞄准国际前沿高科技发
展方向， 创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统
技术。通过发展工业机器人技术，提高我国制造业乃至整个工业的装备技术水平，
促进装备制造业的结构调整与产品的升级换代， 带动全行业的科技进步与产业提
升，扩大非制造领域机器人技术的应用，增强我国的国家安全与综合国力。实现跨
越式发展，建立若干机器人技术工程研究开发中心，提高技术和产品开发与自主创
新能力，形成我国机器人技术产业化发展的技术源头。
随着工业机器人发展的深度和广度， 以及机器人智能水平的提高，工业机器
人已在众多领域得到了应用。自从20 世纪60 年代初人类创造了第一台工业机器人
以后，工业机器人就显示出它极大的生命力，在短短50 年的时间中，工业机器人
技术得到了迅速的发展［17］。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制
造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制
造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器

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五轴机器人主体结构设计及运动仿真

人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。其标准化、模块化、
网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，正在向着成套技术和装备的方
向发展，目前工业机器人的应用也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等
高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中［18］。如，水下机器人、抛光
机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人。即工业机器人的应用
向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化扩展。随着人们生活水平的提高及文
化生活的日益丰富多彩， 未来的机器人将为提高人类的生活质量发挥越来越重要
的作用。

1.4 研究意义

中国是全球增长最快的机器人市场，工业机器人年安装量位列第五。但目前仅
有ABB一家欧洲机器人供应商在中国建厂，另有一家日本机器人供应商宣布计划在
中国建厂。因此，中国的大部分机器人是从日本、欧洲及北美进口的，其中大约70%
的机器人来自日本。中国主要从事机器人技术的研究，同时一些国内系统集成商使
用日本或欧洲的机器人为用户提供系统解决方案。迄今为止，还没有国内机器人制
造商能够生产出与国外高质量机器人进行有力竞争的机器人，这与我国快速增长的
工业机器人需求不相适应，因此进行相关机器人的研究工作是目前研究的一个重要
课题。

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第二章 设计选型

2.1 机构选型

2.1.1 运动机构

本设计主要针对机器人的手抓、手腕、前臂、后臂、立柱和底座关节等结构设
计、控制电机的设计、传动的设计来进行的。
夹持型手抓结构简单，制造容易，应用广泛，所以选择夹持型手抓。
手腕是带动手抓和连接前臂的机构，所以控制手腕的电机和带轮等部件要安装
在手腕内。
前臂是带动前端的手腕和手抓连接后臂的机构，所以控制前端的电机和带轮等
部件要安装在前臂内。
后臂是带动前端手抓、手腕、前臂和连接立柱的机构，所以为了制造方便把控
制前端和后臂本身的电机和带轮等部件安装在后臂内。
立柱是带动前端手抓、手腕、前臂、后臂和连接底座的机构，所以控制立柱本
身转动的电机等部件安装在立柱内。
底座是前几个部件的基础部分，是支撑和固定的重要部件。
包括手抓、手腕、前臂、后臂、立柱和底座等部件，有的还增设行走机构。

①手部

机器人手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式
和吸附式手部。
夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构
件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故
应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零
件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。
手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的
重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指
数有双指式、多指式和双手双指式等。
而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较
多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹

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五轴机器人主体结构设计及运动仿真

簧式和重力式等。
吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁
力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。
对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式
有气流负压式和真空泵式。
对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸
盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。
用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附
的物件形状、尺寸和重量大小而定。
此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷
齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。

②手腕

机器人手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿
势)。

③手臂

机器人手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指
去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。
工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、
连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以
实现手臂的各种运动［19］。
手臂可能实现的运动如下:

直线运动：如伸缩、升降、横移运动。

基本运动
回转运动：如水平回转、上下摆动（即俯仰）运动。
手臂运动
直线运动与回转运动的组合（即螺旋运动）。
复合运动
两直线运动的组合（即平面运动）。

两回转运动的组合（即空间曲面运动）。

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五轴机器人主体结构设计及运动仿真

手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，
以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转
力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态
简单。
导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导
向型式。

④立柱

机器人立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动
和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立往通常为固定不动的，但
因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

⑤机座

机器人机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装
于机座上，故起支撑和连接的作用。

2.1.2 传动机构

2.1.2.1 带传动

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传
递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分
广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在2%以下）；
同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。 带
传动除用以传递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等。
平型带传动工作时带套在平滑的轮面上，借带与轮面间的摩擦进行传动。传动
型式有开口传动、交叉传动和半交叉传动等，分别适应主动轴与从动轴不同相对位
置和不同旋转方向的需要。平型带传动结构简单，但容易打滑，通常用于传动比为
3左右的传动。
平型带有胶带、编织带、强力锦纶带和高速环形带等。胶带是平型带中用得最
多的一种。它强度较高，传递功率范围广［20］。编织带挠性好，但易松弛。强力锦
纶带强度高，且不易松弛。平型带的截面尺寸都有标准规格，可选取任意长度，用

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五轴机器人主体结构设计及运动仿真

胶合、缝合或金属接头联接成环形。高速环形带薄而软、挠性好、耐磨性好，且能
制成无端环形，传动平稳，专用于高速传动。
由于带传动具有传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便和良好的挠性及
弹性等优点，所以本设计选择带传动。
2.1.2.2 气压机械手夹持机构

气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。
传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体
的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以
实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。
气压传动由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。气源一般由Link
title压缩机提供。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工
作部件，包括气缸和气动马达［21］。气动控制阀用来调节气流的方向、压力和流量，
相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。气动辅件包括：净化空气用的
分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，消除噪声的消声器，管子联接件等。在
气压传动中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器。
气压传动具有下述优点：（1）工作介质是空气，取之不尽用之不竭，用后的空
气可以排到大气中去，不会污染环境。（2）工作介质粘度很低，流动阻力很小，压
力损失小，便于集中供气和远距离输送，所以本设计机械手夹持机构驱动方式选择
气压方式。

2.1.3 控制机构

伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是
一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将
电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。在自动控制系统中，用作执行元件，
把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服
电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增
加而匀速下降。
1.伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够
跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，
基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从

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而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个
角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者
叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲
回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到
0.001mm［22］。 如图2.1伺服电机

图2.1 伺服电机

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，
调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对
环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力
矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦
波换相。电机免维护，效率很高