第二章 機器人結構設計概論(2010)

1、1 2.1 機器人本體設計的步驟機器人本體設計的步驟1、作業(yè)分析、作業(yè)分析 作業(yè)分析包括任務分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務作業(yè)分析包括任務分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務和環(huán)境對機器人操作及的方案設計有著決定性的影響。和環(huán)境對機器人操作及的方案設計有著決定性的影響。2、總體方案設計、總體方案設計 （1）確定動力源）確定動力源 （2）確定構型和安裝方式）確定構型和安裝方式 （3）確定自由度）確定自由度 （4）確定動力容量和傳動方式）確定動力容量和傳動方式 （5）優(yōu)化運動參數(shù)和結構參數(shù)）優(yōu)化運動參數(shù)和結構參數(shù) （6）確定平衡方式和平衡量）確定平衡方式和平衡量 （7）繪制機構運動簡圖）繪制機構運動簡圖

2、 & 第二章第二章 機器人的機械結構與設計機器人的機械結構與設計23、結構設計、結構設計 包括機器人驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及其結構設計，包括機器人驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及其結構設計，關節(jié)及桿件的結構設計，平衡機構的設計，走線及電器接口關節(jié)及桿件的結構設計，平衡機構的設計，走線及電器接口設計等。設計等。4、動特性分析、動特性分析 估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學模型進行仿真、分析，估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學模型進行仿真、分析，確定其結構固有頻率和響應特性。確定其結構固有頻率和響應特性。5、施工設計、施工設計 完成施工圖設計，編制相關技術文件。完成施工圖設計，編制相關技術文件。3 2.2

3、 機器人的驅動與傳動系統(tǒng)結構機器人的驅動與傳動系統(tǒng)結構 在機器人機械系統(tǒng)中，驅動器（通過聯(lián)軸器）帶動傳在機器人機械系統(tǒng)中，驅動器（通過聯(lián)軸器）帶動傳動裝置動裝置( (一般為減速器一般為減速器) )，再通過關節(jié)軸帶動桿件運動。，再通過關節(jié)軸帶動桿件運動。 機器人有兩種最常用的運動關節(jié)機器人有兩種最常用的運動關節(jié)轉動關節(jié)和移轉動關節(jié)和移( (直直) )動關節(jié)。動關節(jié)。 為了進行位置和速度控制，驅動系統(tǒng)中還包括位置和為了進行位置和速度控制，驅動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對

4、于伺服電機度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對于伺服電機驅動，檢測元件常與電機直接相聯(lián)；對于液壓驅動，則常驅動，檢測元件常與電機直接相聯(lián)；對于液壓驅動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅動的桿件相聯(lián)。通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅動的桿件相聯(lián)。 2.2.1 2.2.1 驅動驅動傳動系統(tǒng)的構成傳動系統(tǒng)的構成41碼盤；碼盤；2 測速機；測速機；3 電機；電機；4 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；5 傳動裝置；傳動裝置；6 轉動關節(jié)；轉動關節(jié)；7 桿桿 8 電機；電機； 9 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；10 螺旋副；螺旋副；11 移動關節(jié)；移動關節(jié)；12 電位器電位器(或光柵尺或光柵尺) 伺服電機驅動關節(jié)伺服電機驅動關節(jié)伺服電機伺服電機+

5、聯(lián)軸節(jié)聯(lián)軸節(jié)+傳動裝置傳動裝置+運動關節(jié)運動關節(jié)+反饋元件反饋元件51 1電動驅動器電動驅動器 電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅動比較困難。動比較困難。 電動驅動器又可分為直流電動驅動器又可分為直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服電機伺服電機驅動和步進電機驅動。驅動和步進電機驅動。 直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術的進步，近年來交流伺服電機正逐漸形成火花

6、。隨著技術的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為工業(yè)機器人的主要驅動器。取代直流伺服電機而成為工業(yè)機器人的主要驅動器。 步進電機驅動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，步進電機驅動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。2.2.2 2.2.2 驅動器的類型和特點驅動器的類型和特點6直流伺服電機與驅動放大器直流伺服電機與驅動放大器步進電機步進電機步進電機驅動放大器步進電機驅動放大器交流伺服電機交流伺服電機驅動放大器驅動放大器72. 液壓驅動器液壓驅動器 液壓驅動的優(yōu)點是功率大，可省去減速液壓驅動的優(yōu)點是功率大，可省去減速裝置而直

7、接與被驅動的桿件相連，結構緊裝置而直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產(chǎn)生液體的精度。但需要增設液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。 液壓馬達液壓馬達液壓擺動馬達液壓擺動馬達液壓控制閥液壓控制閥液壓泵液壓泵83氣動驅動器氣動驅動器 氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不但與

8、液壓驅動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。 氣氣動動馬馬達達氣氣動動擺擺動動馬馬達達氣氣缸缸氣氣泵泵氣氣動動三三大大件件氣氣動動控控制制閥閥9 4其它驅動器其它驅動器 作為特殊的驅動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、人工作為特殊的驅動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、人工肌肉等。肌肉等。壓電微驅動并聯(lián)機器人壓電微驅動并聯(lián)機器人形狀記憶合金驅動機器人手形狀記憶合金驅動機器人手10 驅動器的選擇應以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以驅動器的選擇應以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術水平為評價標準。價

9、格高低、技術水平為評價標準。 一般說來，目前負荷為一般說來，目前負荷為100 kg以下的以下的, ,可優(yōu)先考慮電動驅可優(yōu)先考慮電動驅動器。動器。 只須點位控制且功率較小者，或有防暴、清潔等特殊要只須點位控制且功率較小者，或有防暴、清潔等特殊要求者，可采用氣動驅動器。求者，可采用氣動驅動器。 負荷較大或機器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采用負荷較大或機器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采用液壓驅動器。液壓驅動器。 對于驅動器來說，最重要的指標要求是起動力矩大，調對于驅動器來說，最重要的指標要求是起動力矩大，調速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好、與之配速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能

10、好、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。套的數(shù)字控制系統(tǒng)。5驅動器的選擇原則驅動器的選擇原則112.2.3 2.2.3 機器人的常用傳動機構機器人的常用傳動機構1. 1. 機器人傳動機構的基本要求機器人傳動機構的基本要求(1) 結構緊湊，即同比體積最小、重量最輕；結構緊湊，即同比體積最小、重量最輕；(2) 傳動剛度大，即承受力矩作用時變形要小，以傳動剛度大，即承受力矩作用時變形要小，以提高整機的提高整機的 固有領率，固有領率，降低整機的低頻振動；降低整機的低頻振動；(3) 回差小，即由正轉到反轉時空行程要小，以得到較高的位回差小，即由正轉到反轉時空行程要小，以得到較高的位 置控制精度；置控制精度；(4)

11、壽命長、價格低。壽命長、價格低。 微電機微電機+減速器減速器微小型減速器微小型減速器122. 2. 機器人常用傳動機構機器人常用傳動機構 機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構。機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構。1314 其中腰關節(jié)最常用諧波傳動、齒輪其中腰關節(jié)最常用諧波傳動、齒輪/蝸輪傳動；臂關節(jié)最常蝸輪傳動；臂關節(jié)最常用諧波傳動、用諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。腕關節(jié)擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。腕關節(jié)最常用齒輪傳動、諧波傳動、同步帶傳動和綱繩傳動。最常用齒輪傳動、諧波傳動、同步帶傳動和綱繩傳動。15關節(jié)是操作機各桿件間的結合部分，通常為轉動和移動兩關節(jié)是操

12、作機各桿件間的結合部分，通常為轉動和移動兩種類型。種類型。工業(yè)機器人前三關節(jié)通常稱作腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)，工業(yè)機器人前三關節(jié)通常稱作腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)，它們決定了操作機的位置。后面關節(jié)決定了操作機的姿態(tài)，它們決定了操作機的位置。后面關節(jié)決定了操作機的姿態(tài)，稱作腕部關節(jié)。稱作腕部關節(jié)。 2.3.1 腰關節(jié)腰關節(jié) 腰關節(jié)為回轉關節(jié)，既承受很大的軸向力、徑向力，又承腰關節(jié)為回轉關節(jié)，既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，且應具有較高的運動精度和剛度。受傾翻力矩，且應具有較高的運動精度和剛度。 腰關節(jié)多采用高剛性的腰關節(jié)多采用高剛性的RV減速器傳動減速器傳動，也可采用，也可采用諧波傳諧波傳

13、動、擺線針輪或蝸桿傳動動、擺線針輪或蝸桿傳動。其轉動副多采用薄壁軸承或四點。其轉動副多采用薄壁軸承或四點接觸軸承，有的還設計有調隙機構。接觸軸承，有的還設計有調隙機構。 對于液壓驅動關節(jié)，多采用對于液壓驅動關節(jié)，多采用回轉缸回轉缸+齒輪傳動機構齒輪傳動機構。 2.32.3 工業(yè)機器人關節(jié)的構造及其傳動配置工業(yè)機器人關節(jié)的構造及其傳動配置16mgmMMMMJtWMQPAEWHQQQQQQ腰關節(jié)受力分析腰關節(jié)受力分析M 腰關節(jié)合成扭矩；腰關節(jié)合成扭矩；Mm 腰關節(jié)轉動摩擦力矩；腰關節(jié)轉動摩擦力矩；Mg 腰關節(jié)轉動慣性力矩腰關節(jié)轉動慣性力矩;J 機器人回轉慣量；機器人回轉慣量； 腰關節(jié)回轉速度；腰關

14、節(jié)回轉速度；t 機器人回轉啟動時間。機器人回轉啟動時間。Q 腰關節(jié)合重力；腰關節(jié)合重力；QP 腰部自身重力；腰部自身重力；QA 大臂部分的重力；大臂部分的重力；QE 前臂部分的重力；前臂部分的重力；QW 腕部的重力；腕部的重力；QH 手部重力（含負載）；手部重力（含負載）； 腰關節(jié)合重力偏距；腰關節(jié)合重力偏距；MW腰關節(jié)傾覆力矩。腰關節(jié)傾覆力矩。QHQEQWQAQMQP171 電機；電機；2 RV減速器，減速器，3 支架，支架，4 交叉滾子軸承；交叉滾子軸承；5 電纜電纜同軸式腰關節(jié)同軸式腰關節(jié)電機上置電機上置)1234518同軸式腰關節(jié)同軸式腰關節(jié) (電機下置電機下置)1腰部固定立柱殼體；腰

15、部固定立柱殼體；2 腰部回轉殼體；腰部回轉殼體；3 四點接觸球軸承；四點接觸球軸承；4 伺服電機組件；伺服電機組件；5諧波減速器；諧波減速器；5419平行軸式腰關節(jié)平行軸式腰關節(jié)21341 電機電機 ；2 齒輪；齒輪；3 空心立柱；空心立柱；4 軸承軸承20v 由上面的圖例可以看出，腰關節(jié)的回轉副主要是兩種類型：由上面的圖例可以看出，腰關節(jié)的回轉副主要是兩種類型：使用交叉滾子或四點接觸式軸承的同軸式或平行軸式。使用交叉滾子或四點接觸式軸承的同軸式或平行軸式。v 同軸式腰關節(jié)結構緊湊，腰關節(jié)高度尺寸小同軸式腰關節(jié)結構緊湊，腰關節(jié)高度尺寸小(使用特制軸承使用特制軸承的緣故的緣故)，但關節(jié)的各種電纜

16、走線比較困難，大多是在固定的，但關節(jié)的各種電纜走線比較困難，大多是在固定的中間柱體外面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的形式松松中間柱體外面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的形式松松地套在中間柱體上，當腰支架等機體轉動時，電纜猶如盤旋彈地套在中間柱體上，當腰支架等機體轉動時，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關節(jié)，電纜則可方便地通過簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關節(jié)，電纜則可方便地通過中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。212.3.2 肩關節(jié)和肘關節(jié)肩關節(jié)和肘關節(jié) 對于開式連桿結構，肩關節(jié)（大臂關節(jié)）位于腰部的支座上，對于開式連桿結構，肩關節(jié)（大臂關節(jié)

17、）位于腰部的支座上，多采用多采用RV減速器傳動、諧波傳動或擺線針輪傳動；也可采用滾減速器傳動、諧波傳動或擺線針輪傳動；也可采用滾動螺旋組合連桿機構或直接應用齒輪機構。動螺旋組合連桿機構或直接應用齒輪機構。 肘關節(jié)（小臂關節(jié)）位于大臂與小臂的聯(lián)接處，多采用諧波肘關節(jié)（小臂關節(jié)）位于大臂與小臂的聯(lián)接處，多采用諧波傳動、擺線針輪或齒輪傳動等。傳動、擺線針輪或齒輪傳動等。 關節(jié)結構形式有：關節(jié)結構形式有： 1、同軸式配置、同軸式配置 電機軸線與關節(jié)軸電機軸線與關節(jié)軸 線重合。線重合。 2、偏置式配置、偏置式配置 電機軸線與關節(jié)軸電機軸線與關節(jié)軸 線偏離一定距離。線偏離一定距離。同軸減速傳動結構同軸減速

18、傳動結構22同軸減速傳動結構同軸減速傳動結構1 腰支座；腰支座；2, 7 RV減速器；減速器；3, 6 驅動電機；驅動電機；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 軸承。軸承。12345678231 大臂；大臂；2 關節(jié)關節(jié)1電機；電機；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 氣動閥；氣動閥； 6 立柱；立柱；7 直齒輪；直齒輪； 8 中間齒輪；中間齒輪；9 機座；機座； 10 主齒輪；主齒輪；11 管形連接軸；管形連接軸；12 手腕手腕偏置減速傳動結構偏置減速傳動結構(PUMA)2425 直動關節(jié)直動關節(jié) 直動關節(jié)可有兩種類型；電機驅動和液壓驅動。前者多采直動關節(jié)可有兩種類型；電機驅動和

19、液壓驅動。前者多采用滾動絲杠和導柱用滾動絲杠和導柱(軌軌)式；后者可采用油缸驅動齒輪齒條的式；后者可采用油缸驅動齒輪齒條的移動結構。移動結構。26 多關節(jié)柔性臂多關節(jié)柔性臂 多關節(jié)柔性臂也稱作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多節(jié)串聯(lián)多關節(jié)柔性臂也稱作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多節(jié)串聯(lián)而成，原來意義上的臂而成，原來意義上的臂( (大臂、小臂大臂、小臂) ) 已演化成一個節(jié)，節(jié)已演化成一個節(jié)，節(jié)與節(jié)之間可以相對擺動。與節(jié)之間可以相對擺動。 嚴格講，多關節(jié)柔性臂并不是全柔性的，稱其為蛇型臂較嚴格講，多關節(jié)柔性臂并不是全柔性的，稱其為蛇型臂較為合適。由于柔性臂的關節(jié)多，能滿足避障等特殊需要。為合適。由于柔性臂的

20、關節(jié)多，能滿足避障等特殊需要。多級聯(lián)動萬向節(jié)柔性臂多級聯(lián)動萬向節(jié)柔性臂27多節(jié)萬向節(jié)型柔性臂多節(jié)萬向節(jié)型柔性臂28脊骨式多節(jié)柔性臂脊骨式多節(jié)柔性臂29連桿式多節(jié)型柔性臂連桿式多節(jié)型柔性臂1定長剛性臂；定長剛性臂； 2 并聯(lián)機構柔性臂并聯(lián)機構柔性臂30 2.3.3 手腕關節(jié)手腕關節(jié)1 1、單自由度手腕、單自由度手腕 SCARA水平關節(jié)裝配機器人的手腕只有繞垂直軸的一個水平關節(jié)裝配機器人的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉自由度，用于調整裝配件的方位。旋轉自由度，用于調整裝配件的方位。SCARA 機器人機器人 傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉動不影響末端傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉動不

21、影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調整完全取決于腕轉動的驅動執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調整完全取決于腕轉動的驅動電機。電機。 這種傳動特點特這種傳動特點特別適合于電子線路別適合于電子線路板的插件作業(yè)。板的插件作業(yè)。 312 2、兩自由度手腕、兩自由度手腕兩種常見的配置形式兩種常見的配置形式匯交式和偏置式。匯交式和偏置式。1 法蘭；法蘭；2 齒輪軸；齒輪軸；3 錐齒輪；錐齒輪；4 彈簧；彈簧；5 鏈輪；鏈輪；6 軸承；軸承；7 鏈輪；鏈輪；8 彈簧；彈簧；9 軸承；軸承； 10 轉殼轉殼1 法蘭；法蘭；2 腕殼；腕殼；3, 6 錐齒輪軸；錐齒輪軸；4 小臂；小臂；5, 7 鏈輪，鏈輪，8 鏈

22、；鏈；9, 10 彈簧彈簧匯交式兩自由度手腕匯交式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕214365871094351287109632 兩自由度手腕的另兩種結構：諧波減速器前置的匯交型兩自由度手腕的另兩種結構：諧波減速器前置的匯交型手腕；驅動電機與諧波減速器前置的偏置型手腕。手腕；驅動電機與諧波減速器前置的偏置型手腕。1 扁平諧波；扁平諧波； 2 杯式諧波；杯式諧波；3 齒形帶輪；齒形帶輪； 4 錐齒輪；錐齒輪；5 腕殼腕殼諧波前置匯交手腕諧波前置匯交手腕 1 諧波減速；諧波減速； 2 馬達；馬達； 3 鏈輪；鏈輪； 4 腕殼腕殼電機前置偏置手腕電機前置偏置手腕33 誘導運動誘導運

23、動 把某一桿件因另一桿件的被驅動而引起的運動，稱作誘導把某一桿件因另一桿件的被驅動而引起的運動，稱作誘導運動。在進行機器人運動學計算時，必須考慮誘導運動。運動。在進行機器人運動學計算時，必須考慮誘導運動。 2 主動鏈輪；主動鏈輪；3、5 從動鏈輪從動鏈輪手腕傳動示意圖手腕傳動示意圖343 3、三自由度手腕、三自由度手腕 三自由度手腕是在兩自由度手腕的基礎上加一個整個手腕三自由度手腕是在兩自由度手腕的基礎上加一個整個手腕相對于小臂的轉動自由度而形成的。相對于小臂的轉動自由度而形成的。 三自由度手腕是三自由度手腕是“萬向萬向”型手腕，結構形式繁多，可以完型手腕，結構形式繁多，可以完成兩自由度手腕很

24、多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關節(jié)成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關節(jié)型機器人都采用了三自由度手腕。型機器人都采用了三自由度手腕。353637v 必須指出，必須指出，若操作機為若操作機為6自由度，當自由度，當手腕為偏置手腕為偏置式時，運動式時，運動學反解得不學反解得不出解析的顯出解析的顯式，且動力式，且動力學參數(shù)也是學參數(shù)也是強耦合的。強耦合的。設計時必須設計時必須給予充分注給予充分注意。意。38KUKA IR662100機器人手碗傳動圖機器人手碗傳動圖KUKA IR662100機器人手碗結構圖機器人手碗結構圖Cincinnati Milacron T3 機器人腕部結構機器人

25、腕部結構39PUMA一一262 機器人手腕傳動原理機器人手腕傳動原理404 4、柔順手腕結構、柔順手腕結構 機器人精密機器人精密裝配時，裝配時，由于由于被裝配零件的不一致性、工件定位被裝配零件的不一致性、工件定位夾具及機器人手部的定位精度無法滿足裝配要求時，會導致裝夾具及機器人手部的定位精度無法滿足裝配要求時，會導致裝配困難甚至失敗。這就提出了裝配動作的柔順性要求。配困難甚至失敗。這就提出了裝配動作的柔順性要求。 柔順裝配技術有兩柔順裝配技術有兩種種：一一種是控制的角度，借助檢測元件采種是控制的角度，借助檢測元件采取邊校正、邊裝配的方式，取邊校正、邊裝配的方式，稱為稱為“主動柔順裝配主動柔順裝

26、配” ；另一種；另一種是從結構的角度在手腕部是從結構的角度在手腕部配置一配置一 個柔順環(huán)節(jié)，這種柔順裝配技個柔順環(huán)節(jié)，這種柔順裝配技術稱為術稱為“被動柔順裝配被動柔順裝配 ”即即RCC (Remote Center Compliance)。 帶檢測元件的手腕帶檢測元件的手腕移動擺動柔順手腕移動擺動柔順手腕柔順手腕動作過程柔順手腕動作過程41板彈簧柔順手腕板彈簧柔順手腕鋼絲彈簧柔順手腕鋼絲彈簧柔順手腕42 2.42.4 機器人的手部機器人的手部 機器人手部是機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置的操機器人手部是機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置的操作機構。因此有時也稱為末端操作器。作機構。因此有時也稱為

27、末端操作器。 由于機器人作業(yè)內容的差異（如搬運、裝配、焊接、噴由于機器人作業(yè)內容的差異（如搬運、裝配、焊接、噴涂等）和作業(yè)對象的不同（如軸類、板類、箱類、包類物涂等）和作業(yè)對象的不同（如軸類、板類、箱類、包類物體等），體等）， 手部的形式多樣。綜合考慮手部的用途、功能和手部的形式多樣。綜合考慮手部的用途、功能和結構持點，大致可分成以下幾類：結構持點，大致可分成以下幾類： 1卡爪式夾持器；卡爪式夾持器； 2吸附式取料手；吸附式取料手； 3專用操作器及換接器專用操作器及換接器 4仿生多指靈巧手。仿生多指靈巧手。43卡爪式夾持器卡爪式夾持器通常有兩個夾爪，分為彈力型、回轉型和平通常有兩個夾爪，分為彈

28、力型、回轉型和平移型三種類型。移型三種類型。 2.4.1 卡爪式夾持器卡爪式夾持器幾種彈力型夾持器幾種彈力型夾持器1 1、彈力型夾持器、彈力型夾持器44 2、回轉型夾持器、回轉型夾持器開合占用空間較開合占用空間較小，但是夾持中小，但是夾持中心變化。心變化。453 3、平移型夾持器、平移型夾持器開合占用空間開合占用空間較大，但是夾較大，但是夾持中心不變。持中心不變。46 吸式取料手是目前應用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬吸式取料手是目前應用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬運機器人。該類執(zhí)行器可分氣吸和磁吸兩類。運機器人。該類執(zhí)行器可分氣吸和磁吸兩類。 2.4.2 吸附式取料手吸附式取料手 氣吸附取

29、料手是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力氣吸附取料手是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差而差而工工作的。具有結構簡單，重量輕，吸附力分布均勻等作的。具有結構簡單，重量輕，吸附力分布均勻等優(yōu)點。優(yōu)點。 按形成壓力的方法，可分成真空氣吸、氣流負壓氣吸、按形成壓力的方法，可分成真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸式兒種。擠壓排氣負壓氣吸式兒種。 1 1、氣吸附取料手、氣吸附取料手47氣流負壓氣吸盤氣流負壓氣吸盤擠壓排氣吸盤擠壓排氣吸盤真空氣吸盤真空氣吸盤482 2、磁吸附取料手、磁吸附取料手493 3、專用操作器及換接器專用操作器及換接器50 人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結構，就能制造人

30、手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結構，就能制造出結構最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅動和控出結構最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅動和控制都十分復雜，迄今為止，只是制造出了一些原理樣機，制都十分復雜，迄今為止，只是制造出了一些原理樣機，離工業(yè)應用還有一定的差距。離工業(yè)應用還有一定的差距。 4 4、仿生多指靈巧手仿生多指靈巧手UTACHMIT 多指多指手手 三指三指手手 雙拇指雙拇指手手 51最小的三指最小的三指手手 BHII 三指手三指手 四指靈巧四指靈巧手手 靈巧的雙靈巧的雙手手 DLR多指手多指手哈工大多指手哈工大多指手52 手指關節(jié)的設計手指關節(jié)的設計手指主要用于抓握動作，要求

31、動作靈活，剛度好，具有較大手指主要用于抓握動作，要求動作靈活，剛度好，具有較大的抓握力。就其手的結構而言，傳動機構有三種方式：的抓握力。就其手的結構而言，傳動機構有三種方式：1) 腱傳動，特點是結構簡單，節(jié)省空間，具有很高的抗拉強腱傳動，特點是結構簡單，節(jié)省空間，具有很高的抗拉強度和很輕的重量，但剛性差，較大的彈性，不利于控制。度和很輕的重量，但剛性差，較大的彈性，不利于控制。MIT手、手、JPL手和手和DLR-I手都是這種方式。手都是這種方式。2) 齒輪傳動，特點是傳動比可靠，但是摩擦較大，有回程間齒輪傳動，特點是傳動比可靠，但是摩擦較大，有回程間隙，占用空間大。隙，占用空間大。3) 連桿傳

32、動，剛度好，加工制造比較簡單，高精度，能實現(xiàn)連桿傳動，剛度好，加工制造比較簡單，高精度，能實現(xiàn)多種運動規(guī)律和軌跡的要求。但是設計復雜，不能精確地滿多種運動規(guī)律和軌跡的要求。但是設計復雜，不能精確地滿足各種運動規(guī)律的要求。典型的如足各種運動規(guī)律的要求。典型的如Belgrade手，手，NASA手等。手等。4）欠驅動手指關節(jié)，可簡化機械結構及控制，但需要滿足一）欠驅動手指關節(jié)，可簡化機械結構及控制，但需要滿足一定的力學條件。定的力學條件。53 2.52.5 機器人的手臂結構及平衡機器人的手臂結構及平衡 2.5.1 臂桿的結構及材料臂桿的結構及材料 臂桿多為帶有筋板或肋的殼體結構。臂桿多為帶有筋板或肋

33、的殼體結構。有中間是多層圓筒形有中間是多層圓筒形套裝梁結構，外形象一套裝梁結構，外形象一“啞鈴啞鈴”的組合結構；有箱形結構等。的組合結構；有箱形結構等。 就整體來說，比較復雜的箱體多用鑄件。為了減輕整機的就整體來說，比較復雜的箱體多用鑄件。為了減輕整機的重量，特別是為了降低大臂、小臂的關節(jié)力矩，大、小臂多重量，特別是為了降低大臂、小臂的關節(jié)力矩，大、小臂多用輕合金鋁鑄件。用輕合金鋁鑄件。 5455 2.5.2 臂桿的平衡臂桿的平衡1、小臂桿的平衡小臂桿的平衡小臂桿通常采用小臂桿通常采用質量平衡法。質量平衡法。其基本原理是合理地分布臂其基本原理是合理地分布臂桿質量，使臂桿重心盡可能地落在支點上，

34、必要時甚至采用桿質量，使臂桿重心盡可能地落在支點上，必要時甚至采用在適當位置上配置平衡質量的方法。在適當位置上配置平衡質量的方法。質量平衡法有質量平衡法有結構自平衡和重塊平衡兩種方式結構自平衡和重塊平衡兩種方式。PUMA、KUKA機器人也是按這一原則配置的。但如果臂桿的后部長機器人也是按這一原則配置的。但如果臂桿的后部長度度(無效長度無效長度)太長，不利于機器人在狹窄環(huán)境中工作，所以太長，不利于機器人在狹窄環(huán)境中工作，所以單采用自重平衡對大負荷操作機還很難取得滿意的結果。單采用自重平衡對大負荷操作機還很難取得滿意的結果。 機器人操作機手臂的結構設計中必須考慮臂桿的重力平機器人操作機手臂的結構設

35、計中必須考慮臂桿的重力平衡。衡。常見操作機臂桿的平衡技術有四種，即質量平衡法、常見操作機臂桿的平衡技術有四種，即質量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法如采用平衡電機等。彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法如采用平衡電機等。56572、大臂桿的平衡大臂桿的平衡 目前常用的有彈簧和汽缸兩種平衡方式。目前常用的有彈簧和汽缸兩種平衡方式。 重力項在驅動扭矩中占有很大比例，因此對它進行平衡的意重力項在驅動扭矩中占有很大比例，因此對它進行平衡的意義很大。又因為重力項在運動中是隨位置角的正弦或余弦變化義很大。又因為重力項在運動中是隨位置角的正弦或余弦變化的，因此，應用彈簧平衡技術最為合適。的，因此，應用彈簧平衡技

36、術最為合適。彈簧結構簡單，且無彈簧結構簡單，且無需增加動力源，應用最為普遍。需增加動力源，應用最為普遍。58 氣動和液壓力平衡的原理和彈簧力平衡的原理很相似，但氣動和液壓力平衡的原理和彈簧力平衡的原理很相似，但它們在兩個方面有顯著優(yōu)點，即平衡缸中的壓力是恒定的，它們在兩個方面有顯著優(yōu)點，即平衡缸中的壓力是恒定的，不隨臂桿位置的變化而變化；同時平衡缸的壓力很容易得到不隨臂桿位置的變化而變化；同時平衡缸的壓力很容易得到調節(jié)和控制，因此應用得十分廣泛。調節(jié)和控制，因此應用得十分廣泛。 這種平衡技術的缺點是需要有動力源和儲能器，因而系統(tǒng)這種平衡技術的缺點是需要有動力源和儲能器，因而系統(tǒng)比較復雜，結構比

37、較龐大，不像彈簧平衡或質量平衡那么簡比較復雜，結構比較龐大，不像彈簧平衡或質量平衡那么簡單。而且設計時，如采用這種方案，需考慮在動力源一旦中單。而且設計時，如采用這種方案，需考慮在動力源一旦中斷時的防范措施，如手臂會因自重下滑等，以免發(fā)生事故。斷時的防范措施，如手臂會因自重下滑等，以免發(fā)生事故。59 并聯(lián)機構在并聯(lián)機構在1965年由年由Stewart提出原是作為飛行模擬器提出原是作為飛行模擬器用于訓練飛行員的。機艙由用于訓練飛行員的。機艙由6個液壓缸支撐和驅動，可以使個液壓缸支撐和驅動，可以使機艙獲得任何需要的位姿。機艙獲得任何需要的位姿。 在串聯(lián)機器人發(fā)展方興未艾時，澳大利亞著名機構學教授在

38、串聯(lián)機器人發(fā)展方興未艾時，澳大利亞著名機構學教授Hunt 在在1978年提出?？梢詰媚晏岢?。可以應用6自由度的自由度的Stewart平臺機構平臺機構作為機器人機構。到作為機器人機構。到80年代中期，國際上研究并聯(lián)機器人的年代中期，國際上研究并聯(lián)機器人的人還寥寥無幾。到人還寥寥無幾。到80年代末特別是年代末特別是90年代以來，并聯(lián)式機器年代以來，并聯(lián)式機器人才被廣為主意，并成為了新的熱點。人才被廣為主意，并成為了新的熱點。 2.6 2.6 并聯(lián)機器人機構并聯(lián)機器人機構606162633RPS機構機構6RSS機構機構6SPS機構機構6SPS雙三角機構雙三角機構646RSS機構機構6PSS機構機構

39、6SPS單三角機構單三角機構3RRR球面機構球面機構65 2.7 2.7 移動機器人機構移動機器人機構 移動功能的機器人可認為是人類行走功能的模擬和擴展。移動功能的機器人可認為是人類行走功能的模擬和擴展。一臺完全意義上的自主式移動機器人，除具備基本的移動機一臺完全意義上的自主式移動機器人，除具備基本的移動機能外，還必須有移動控制功能、環(huán)境感知機能和規(guī)劃決策機能外，還必須有移動控制功能、環(huán)境感知機能和規(guī)劃決策機能。只有這樣，機器人才有可能在非結構環(huán)境中自主地選擇能。只有這樣，機器人才有可能在非結構環(huán)境中自主地選擇行走路徑，避開障礙物，利用已有的知識系統(tǒng)進行必要的分行走路徑，避開障礙物，利用已有的

40、知識系統(tǒng)進行必要的分析推理和決策，完成從出發(fā)地到目的地的自動移動任務。析推理和決策，完成從出發(fā)地到目的地的自動移動任務。 移動機器人多是針對陸上表面環(huán)境的。其機構形式主要有：移動機器人多是針對陸上表面環(huán)境的。其機構形式主要有： (1)車輪式移動機構；車輪式移動機構； (2)履帶式移動機構；履帶式移動機構； (3)腿足式移動機構。腿足式移動機構。 此外，近有步進式移動機構、蠕動式移動機構、混合式移動此外，近有步進式移動機構、蠕動式移動機構、混合式移動機構和蛇行式移動機構等適合于一些特別的場合。機構和蛇行式移動機構等適合于一些特別的場合。66 2.7.1 輪式移動機構輪式移動機構 輪式移動機構依據(jù)

41、車輪的數(shù)目分為輪式移動機構依據(jù)車輪的數(shù)目分為1輪、輪、2輪、輪、3輪、輪、4輪、輪、5輪、輪、6輪以及多輪機構。輪以及多輪機構。 輪式移動系統(tǒng)機構簡單，質量輕，功耗小，控制方便，輪式移動系統(tǒng)機構簡單，質量輕，功耗小，控制方便，運動靈活。缺點是其越野能力較差，但可以通過選擇合適的運動靈活。缺點是其越野能力較差，但可以通過選擇合適的懸架系統(tǒng)來提高其地形適應能力。懸架系統(tǒng)來提高其地形適應能力。 6768697071 輪輪-地接觸簡化力學模型地接觸簡化力學模型)0()() z (1zzzkbkncRQfFQfQrqTF rQ=MgRvFfrTMfFqFddqfFFFQfQf滾動阻力系數(shù)滾動阻力系數(shù)附著

42、系數(shù)附著系數(shù)l 硬地面硬地面l 軟地面軟地面122212112223)(1()3 (1nnncnncDWbkknnRdFH10)cos()(dHcFFR11() (1)(sinsin )/( )(tan )(1)( )tan (1)jrsKKcece 22cottan()(cottan)1(cottan)1 tantan()2tancotcccbccXXXRh chXX 72 車輪類型：車輪類型：73 轉向方式：轉向方式：（Ackerman 轉向）轉向）74（全方位轉向）（全方位轉向）2()2()()LRRLRLRLvvvw vvRvvvvw wwRLvRvLvRvv（差動轉向）（差動轉向）7

43、5麥克納姆輪麥克納姆輪 輪系機構：輪系機構：76 履帶式移動機構是輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給履帶式移動機構是輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用，著地面積較大，壓強較小，與路面的車輪連續(xù)鋪路的作用，著地面積較大，壓強較小，與路面的粘著力較強，能在不平和松軟的路面上穩(wěn)定移動，具有很強粘著力較強，能在不平和松軟的路面上穩(wěn)定移動，具有很強的越野能力，控制也簡單。但功耗較大，運動靈活性差。的越野能力，控制也簡單。但功耗較大，運動靈活性差。 2.7.2 履帶式移動機構履帶式移動機構77 履帶形式履帶形式78越障越障上、下臺階上、下臺階 關節(jié)履帶關節(jié)履帶79 履帶張緊機構履帶張緊機構80 2.7.3 腿足式移動機構腿足式移動機構 腿足式移動系統(tǒng)的特點是落足點為幾個離散的位置點，能夠腿足