機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第2章 機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu) -2

第2章

機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)目錄contants2.1串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.3移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

第2章

機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)2.1串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.1.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位與消隙技術(shù)2.1.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并直接完成規(guī)定的各種作業(yè)。機(jī)器人類型不同，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)也有所不同。在第1章機(jī)器人的分類中介紹過，按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)不同，串聯(lián)機(jī)器人可以分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人。下面分別介紹其不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖為直角坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)即沿X，Y，Z三個(gè)方向的移動(dòng)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都由對(duì)應(yīng)的電機(jī)通過直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，三軸聯(lián)動(dòng)即可帶動(dòng)手部完成作業(yè)，比如3D打印、工件加工、物品搬運(yùn)等。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)直角坐標(biāo)型機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)圖為典型的圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（升降和伸縮），該機(jī)器人的關(guān)節(jié)由油缸通過其傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)手部完成要求的作業(yè)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)圖為典型的球坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有回轉(zhuǎn)、俯仰兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)用于伸縮的移動(dòng)關(guān)節(jié)，這三個(gè)關(guān)節(jié)決定了其球形的工作空間。它的腕部還有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，使其手部更加靈活。該機(jī)器人的關(guān)節(jié)由油缸通過其傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)手部完成要求的作業(yè)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)球坐標(biāo)型機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)圖為水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人共有4個(gè)關(guān)節(jié)，其中三個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其轉(zhuǎn)軸相互平行均為垂直方向，所以三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都是在水平面內(nèi)進(jìn)行的。此外還有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，方便手部在垂直方向完成裝配等作業(yè)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人又可分為水平多關(guān)節(jié)和垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人兩種。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)PUMA-262機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人為垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人，其各關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸互相垂直或平行。圖示的PUMA-262機(jī)器人是美國Unimation公司于1978年制造的直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人，主要由基座、臂部（包括大臂和小臂）、腕部以及末端執(zhí)行器（手部）四大部分構(gòu)成。該機(jī)器人立柱繞垂直軸回轉(zhuǎn)，稱為腰關(guān)節(jié)，立柱內(nèi)部安裝腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等；大臂的回轉(zhuǎn)軸稱為肩關(guān)節(jié)，由肩關(guān)節(jié)電機(jī)通過其傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)；小臂的回轉(zhuǎn)軸稱為肘關(guān)節(jié)，由肘關(guān)節(jié)電機(jī)通過其傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。腕部還有實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、俯仰、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3個(gè)關(guān)節(jié)，對(duì)應(yīng)的三個(gè)電機(jī)均安裝在小臂里面，通過傳動(dòng)系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給手腕，增加手部姿態(tài)的靈活性。目前最常見的工業(yè)機(jī)器人如圖所示，它與PUMA-262機(jī)器人類似有6個(gè)自由度，也由基座、臂部、腕部及手部四大部分組成，不同之處在于，現(xiàn)在大多機(jī)器人采用模塊化的關(guān)節(jié)模組（集成電機(jī)和減速器）作為驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)最常見的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)模組通常直接安裝在對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)處，除了關(guān)節(jié)5的電機(jī)與關(guān)節(jié)5稍有一段距離，電機(jī)與減速器之間采用了同步帶傳動(dòng)，其他5個(gè)電機(jī)及其減速器均直接布置在相應(yīng)的關(guān)節(jié)上，這樣機(jī)器人的傳動(dòng)鏈更短，結(jié)構(gòu)更為緊湊。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)最常見的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)通過觀察上面幾種串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，除直角坐標(biāo)機(jī)器人比較特殊以外，機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本都是由基座、臂部（包括大臂和小臂）、腕部以及末端執(zhí)行器（手部）四大部分構(gòu)成。下面分別介紹這四大部分的特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)最常見的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)基座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，可分為固定式和移動(dòng)式兩種。固定式機(jī)器人的基座直接固定在地面上，大多數(shù)機(jī)器人的基座是固定式的，下圖展示了兩種常見的移動(dòng)式基座，機(jī)器人基座安裝在滑軌上，擴(kuò)大了其運(yùn)動(dòng)和操作范圍。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）基座移動(dòng)式基座基座是機(jī)器人的安裝和固定部分，也是電線電纜、油管、氣管的輸入連接部分，有時(shí)機(jī)器人第一個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)安裝在基座上，比如PUMA-262機(jī)器人的基座，其上裝有關(guān)節(jié)1的電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩級(jí)直齒圓柱齒輪，傳動(dòng)路線為直齒輪-中間齒輪的大齒輪-同軸小齒輪-主齒輪，主齒輪通過管形連接軸驅(qū)動(dòng)立柱實(shí)現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）基座PUMA機(jī)器人的基座結(jié)構(gòu)機(jī)器人的臂部又稱機(jī)器人手臂，是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要部件。在六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人中，多由大臂和小臂一起構(gòu)成機(jī)器人的臂部，它的作用是支撐腕部和手部，并將抓取的工件運(yùn)送到指定位置。機(jī)器人的臂部主要包括臂桿以及與其運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件，包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向定位裝置、支撐連接和位置檢測(cè)元件等。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、臂力和定位精度都直接影響機(jī)器人的工作性能。根據(jù)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的不同，臂部可能會(huì)有伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰、升降等不同的運(yùn)動(dòng)形式。臂部的結(jié)構(gòu)必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來確定。此外機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮手臂的受力情況、油氣缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）臂部①剛度高：為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)合理選擇手臂的截面形狀。弓字形截面的彎曲剛度一般比圓截面大，空心管兒的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸大得多，所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿，用弓字鋼和槽鋼制作支撐板。②導(dǎo)向性能好：為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)過程中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置或設(shè)計(jì)方形花鍵等形式的臂桿。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）臂部1）臂部的設(shè)計(jì)要求③質(zhì)量輕：為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，并減少整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。機(jī)器人手臂在攜帶工具或抓取工件進(jìn)行作業(yè)的過程中，所受動(dòng)靜載荷以及被夾持物體及手部、腕部等機(jī)構(gòu)的重量均作用在手臂上，所以臂部應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，所以一般選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。④精度高：由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，慣性力引起的沖擊越大，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)則定位精度不高。因此臂部設(shè)計(jì)還要采用一定形式的緩沖措施和定位裝置來提高定位精度。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）臂部1）臂部的設(shè)計(jì)要求目前有很多工業(yè)機(jī)器人的臂部采用圖示的結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的電機(jī)、減速器均集成在關(guān)節(jié)模組中，驅(qū)動(dòng)大臂和小臂完成俯仰運(yùn)動(dòng)。但減速器價(jià)格比較貴，所以有時(shí)也會(huì)選擇自己設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)，下面仍以PUMA262為例介紹臂部的典型結(jié)構(gòu)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)如圖，肩關(guān)節(jié)的傳動(dòng)分為三級(jí)。肩關(guān)節(jié)伺服電機(jī)輸出軸通過柔性連軸器與一圓錐小齒輪相連接，小齒輪驅(qū)動(dòng)圓錐大齒輪旋轉(zhuǎn)，這是第一級(jí)傳動(dòng)；與圓錐大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動(dòng)圓柱大齒輪，這是第二級(jí)傳動(dòng)；與圓柱大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動(dòng)第二個(gè)圓柱大齒輪，這是第三級(jí)傳動(dòng)。該圓柱大齒輪最終帶動(dòng)肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)肘關(guān)節(jié)的傳動(dòng)也分為三級(jí)。肘關(guān)節(jié)伺服電機(jī)輸出軸通過柔性連軸器遠(yuǎn)距離傳動(dòng)到與另一柔性連軸器相連的圓錐小齒輪，該小齒輪驅(qū)動(dòng)圓錐大齒輪旋轉(zhuǎn)，這是第一級(jí)傳動(dòng)；與圓錐大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動(dòng)圓柱大齒輪，這是第二級(jí)傳動(dòng)；與圓柱大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動(dòng)第二個(gè)圓柱大齒輪，這是第三級(jí)傳動(dòng)。該圓柱大齒輪最終帶動(dòng)肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)小臂內(nèi)部裝有三個(gè)電機(jī)及其傳動(dòng)系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)手腕的三個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，下一小節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹。在一些大型重載機(jī)器人中，臂部常采用液壓驅(qū)動(dòng)。比如圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿來完成，升降運(yùn)動(dòng)采用油缸活塞驅(qū)動(dòng)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)腕部是手臂和手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。機(jī)器人腕部的自由度主要用于實(shí)現(xiàn)期望的手部姿態(tài)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部1）腕部的設(shè)計(jì)要求①結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊、質(zhì)量小、強(qiáng)度剛度高。腕部的自由度數(shù)目較多，且要求的驅(qū)動(dòng)力較大，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。因?yàn)橥蟛康拿恳粋€(gè)自由度都配有一套驅(qū)動(dòng)件和執(zhí)行件，所以腕部必須較小的空間內(nèi)同時(shí)容納幾套元件，難度較大。由于手腕處在開式連桿系末端的特殊位置，它的尺寸和質(zhì)量對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能和使用性能影響很大，為了提高作業(yè)速度和精度，必須要求腕部結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小，并具有比較高的強(qiáng)度和剛度。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部1）腕部的設(shè)計(jì)要求②適應(yīng)工作環(huán)境要求。如果用于高溫作業(yè)或腐蝕性介質(zhì)中，設(shè)計(jì)必須充分考慮環(huán)境對(duì)手腕的不良影響，并預(yù)先采取相應(yīng)的措施，以保證其具有良好的工作性能和較長的使用壽命。③要綜合考慮各方面要求，合理布局手腕。如考慮腕部與手部、臂部的連接結(jié)構(gòu)，管線布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)3個(gè)自由度。這與人類手腕的運(yùn)動(dòng)十分相似。人類手腕可以繞小臂軸線旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人的腕部可以繞Z軸回轉(zhuǎn)，稱為Roll，用R表示，如圖（a）所示；人類手腕可以上下轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人腕部也可以繞Y軸做俯仰運(yùn)動(dòng)，稱為Pitch，用P表示，如圖（b）所示；人類手腕還可以左右擺動(dòng)，機(jī)器人腕部也可繞X軸偏轉(zhuǎn)，稱為Yaw，用Y表示，如圖（c）所示。當(dāng)然，機(jī)器人腕部也可能沿直線運(yùn)動(dòng)，稱為Translate，用T表示。（a）回轉(zhuǎn)自由度

（b）俯仰自由度（c）偏轉(zhuǎn)自由度（d）RPY三個(gè)自由度2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式工業(yè)機(jī)器人的手腕可以有一個(gè)自由度，二個(gè)自由度或者三個(gè)自由度，最常見的是擁有三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即RPY三個(gè)自由度，如圖（d）所示。（a）回轉(zhuǎn)自由度

（b）俯仰自由度（c）偏轉(zhuǎn)自由度（d）RPY三個(gè)自由度2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式單自由度手腕可以由不同類型的關(guān)節(jié)組成，R關(guān)節(jié)和B關(guān)節(jié)是常見的兩種關(guān)節(jié)類型。R關(guān)節(jié)（rolljoint）又稱R型軸或回轉(zhuǎn)軸，指能夠在四個(gè)象限內(nèi)進(jìn)行360度或接近360度回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。如圖（a）所示，R型軸的回轉(zhuǎn)中心與其自身的幾何回轉(zhuǎn)中心重合。B關(guān)節(jié)（bendjoint）又稱B型軸或擺動(dòng)軸，如圖（b）所示，因結(jié)構(gòu)的限制，B型軸只能在三個(gè)象限內(nèi)進(jìn)行270度以下的轉(zhuǎn)動(dòng)。（a）R型軸

（b）B型軸

2種單自由度手腕2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式二自由度手腕可以是由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成的BR手腕，如圖（a）所示；也可以是由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成的BB手腕，如圖（b）所示；但是不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)組成RR手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)共軸線，實(shí)際只構(gòu)成單自由度手腕，如圖（c）所示。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。(a)BR型（常用）

（b）BB型

（c）RR型（不可）3種二自由度手腕的結(jié)合方式示意圖2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式由R和B兩種關(guān)節(jié)組成的6種三自由度手腕。（a）BBR型

（b）BRR型

（c）RBR型（d）BRB型

（e）RBB型

（f）RRR型2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式圖為RRR型手腕的典型結(jié)構(gòu)，它使用了3組錐齒輪傳動(dòng)，3個(gè)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍均不受限，且結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈活，可以最大限度地改變機(jī)器人的姿態(tài)。但是從圖中可以看出，三個(gè)回轉(zhuǎn)軸的中心線互不垂直，增加了控制的難度，因此在通用機(jī)器人中較少使用這種類型的手腕結(jié)構(gòu)。RRR型手腕結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式BBR或BRR結(jié)構(gòu)的手腕操作簡(jiǎn)單且控制容易，應(yīng)用較為普遍。圖為BBR結(jié)構(gòu)，通常其第一個(gè)B型軸執(zhí)行俯仰動(dòng)作，第二個(gè)B型軸執(zhí)行偏轉(zhuǎn)動(dòng)作，最后一個(gè)R軸執(zhí)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。但是這種結(jié)構(gòu)的手腕外形通常較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，因此多用于大型、重載的機(jī)器人。在機(jī)器人作業(yè)要求固定時(shí)，BBR結(jié)構(gòu)的手腕經(jīng)常被簡(jiǎn)化為BR結(jié)構(gòu)的二自由度手腕BBR型手腕結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式圖示的RBR結(jié)構(gòu)的手腕是工業(yè)機(jī)器人最為常用的手腕結(jié)構(gòu)。RBR型手腕結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式驅(qū)動(dòng)形式機(jī)器人手腕的驅(qū)動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)和遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)兩種。直接驅(qū)動(dòng)指驅(qū)動(dòng)器安裝在手腕運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的附近，優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)路線短，傳動(dòng)剛度好，缺點(diǎn)是腕部尺寸和質(zhì)量大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大?，F(xiàn)在比較流行的做法是將電機(jī)與減速器集成為結(jié)構(gòu)緊湊且輕便的關(guān)節(jié)模組來完成腕部的直接驅(qū)動(dòng)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)指驅(qū)動(dòng)器安裝在機(jī)器人的小臂遠(yuǎn)端，通過連桿、鏈條或其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動(dòng)腕部。遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是腕部結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量小，缺點(diǎn)是傳動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，傳動(dòng)剛度低。PUMA機(jī)器人的腕部就屬于遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)的形式，該機(jī)器人的手腕為RBR型。（a）關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)5的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

（b）關(guān)節(jié)6的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式關(guān)節(jié)4采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，第一級(jí)為直齒輪傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)經(jīng)驅(qū)動(dòng)軸和聯(lián)軸器傳遞到第二級(jí)直齒輪，并帶動(dòng)關(guān)節(jié)4旋轉(zhuǎn)。關(guān)節(jié)5也采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)傳遞到第一級(jí)直齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再到第二級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，減速的同時(shí)改變轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向，從而驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)5旋轉(zhuǎn)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式關(guān)節(jié)6采用三級(jí)齒輪傳動(dòng)，電機(jī)通過聯(lián)軸器和驅(qū)動(dòng)軸將運(yùn)動(dòng)傳遞給一級(jí)錐齒輪，再通過同軸的小錐齒完成第二級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，第三級(jí)為直齒輪傳動(dòng)，最終驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)6旋轉(zhuǎn)。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行作業(yè)的裝置，它對(duì)增強(qiáng)機(jī)器人的作業(yè)功能、擴(kuò)大應(yīng)用范圍和提高工作效率都有很大作用。機(jī)器人的末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的，新增一種末端執(zhí)行器意味著為機(jī)器人新增一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。末端執(zhí)行器又稱為手部、手爪、機(jī)械手等。按照用途，末端執(zhí)行器可以分為兩類，即專用末端執(zhí)行器和類人的手爪。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）機(jī)器人根據(jù)任務(wù)要求，配上專用的末端執(zhí)行器（也稱為專業(yè)工具）就能勝任不同任務(wù)。比如在通用機(jī)器人上安裝焊槍，就成為焊接機(jī)器人；安裝擰螺母機(jī)，就成為裝配機(jī)器人；用于進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)時(shí)，機(jī)器人則需要裝上測(cè)量專用末端執(zhí)行器。常用的專業(yè)末端執(zhí)行器有焊槍、擰螺母機(jī)、電磨頭、拋光頭、電鉆削頭、激光頭、噴槍等。專用末端執(zhí)行器的常見類型根據(jù)夾持原理機(jī)械手爪吸附式手爪仿人柔性手人2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）多指靈巧手機(jī)械手爪與人手相似，是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。它一般由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手指及連接與支撐元件組成。機(jī)械手爪通過開閉運(yùn)動(dòng)，依靠摩擦力或吊鉤承重實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）①手指手指是直接與物件接觸的構(gòu)件，其張開和閉合實(shí)現(xiàn)了被夾持物體的松開和夾緊。機(jī)器人的手部通常只有兩個(gè)手指，也有三個(gè)或多個(gè)手指的情況。手指需要具有適當(dāng)?shù)拈_閉范圍、足夠的握力和一定的精度，其形狀還應(yīng)順應(yīng)被抓取對(duì)象物的形狀。例如被抓取對(duì)象物為方形，則大多采用平面指；對(duì)象物為圓柱形，則往往采用V形指；對(duì)象不規(guī)則時(shí)，則常采用特形指。1）機(jī)械手爪手指的形狀2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材質(zhì)軟硬、表面形狀等不同，手指的指面又可分為光滑指面、齒形指面和柔性指面三種形式。光滑指面平整光滑用來夾持已加工表面，避免表面受損。齒形指面刻有齒紋，可增加它與被夾持工件間的摩擦力，確保夾持可靠。齒形指面常用來夾持表面粗糙的毛坯和半成品。柔性指面上鑲襯了橡膠、泡沫、石棉等物質(zhì)，具有增加摩擦力、保護(hù)工件表面及隔熱等作用，一般用來夾持已加工表面、熾熱件、薄壁件和脆性件。1）機(jī)械手爪2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）②驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)手爪的開合通常采用氣動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)和電磁來驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)手爪應(yīng)用廣泛主要是因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量輕、容易維修且開合迅速等優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)手爪的缺點(diǎn)在于空氣介質(zhì)存在可壓縮性，使爪鉗位置控制比較復(fù)雜。右圖展示了氣動(dòng)手爪的工作原理，氣缸中的壓縮空氣推動(dòng)活塞及與其連接的齒條做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒條帶動(dòng)兩個(gè)扇形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，最終使兩個(gè)爪鉗平行地快速開合。1）機(jī)械手爪

氣動(dòng)手爪液壓驅(qū)動(dòng)的手爪可以提供更高的驅(qū)動(dòng)力，但成本要高些。電動(dòng)手爪的優(yōu)點(diǎn)在于手指開合電動(dòng)機(jī)的控制與機(jī)器人控制可以共用一個(gè)系統(tǒng)，缺點(diǎn)是夾緊力比液壓手爪小，而且開合時(shí)間稍長。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)和夾緊力兩方面的要求。1）機(jī)械手爪圖（a）是齒輪齒條直接傳動(dòng)的手爪，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)并推動(dòng)齒條做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的松開和閉合。這種手爪可保持爪鉗平行運(yùn)動(dòng)，且行程范圍大。對(duì)夾緊力要求是，爪鉗開合度不同時(shí)夾緊力應(yīng)保持不變。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)和夾緊力兩方面的要求。1）機(jī)械手爪圖（b）為撥桿杠桿式手爪，滑槽向右運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)右側(cè)的撥桿杠桿式轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，與右側(cè)杠桿轉(zhuǎn)軸同軸的齒輪隨其轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)左側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。因此左右兩個(gè)手爪均朝夾緊工件的方向運(yùn)動(dòng)，完成夾緊。當(dāng)滑槽帶動(dòng)撥桿反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪則會(huì)松開工件。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)和夾緊力兩方面的要求。1）機(jī)械手爪圖（c）為滑槽式手爪，杠桿型手指的一端裝有V型指，另一端則開有長滑槽。驅(qū)動(dòng)桿上的圓柱銷套在兩指的滑槽內(nèi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿帶動(dòng)圓柱銷做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可撥動(dòng)兩個(gè)手指各繞其支點(diǎn)做相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)手指的夾緊與松開動(dòng)作。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有運(yùn)動(dòng)和夾緊力兩方面的要求。1）機(jī)械手爪圖（d）所示為重力式手爪，它依靠重力使手爪下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾持。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）④機(jī)械手爪設(shè)計(jì)要求1）機(jī)械手爪a.應(yīng)具有足夠的夾緊力。機(jī)器人的手部靠鉗爪夾緊工件，并把工件從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。考慮到工件本身的重力以及搬運(yùn)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)等，鉗爪必須具有足夠大的加緊力才能防止工件在移動(dòng)過程中脫落。一般要求夾緊力是工件重量的兩到三倍。手爪的結(jié)構(gòu)形式不同，夾緊力的計(jì)算方法也不同。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）④機(jī)械手爪設(shè)計(jì)要求1）機(jī)械手爪b.應(yīng)具有足夠大的工作范圍。鉗爪必須具有足夠的張開角或移動(dòng)范圍來適應(yīng)不同尺寸的工件，而且夾持工件的中心位置變化要小，從而減小定位誤差。c.應(yīng)能保證工件的可靠定位。為了使工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)工件的形狀采用相應(yīng)的手指形狀來定位，如圓柱形工件多采用V形手指，以便自動(dòng)定心。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）④機(jī)械手爪設(shè)計(jì)要求1）機(jī)械手爪d.應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。手爪除受到被夾持工件的反作用力外，還受機(jī)器人手部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響。因此，對(duì)于受力較大的手爪應(yīng)進(jìn)行必要的強(qiáng)度、剛度校核。e.應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小。這是因?yàn)槭植刻幱谕蟛康淖钋岸耍滟|(zhì)量和慣性負(fù)荷會(huì)直接影響機(jī)器人的任務(wù)達(dá)成度。根據(jù)夾持原理機(jī)械手爪吸附式手爪仿人柔性手人2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）多指靈巧手吸附類末端執(zhí)行器靠吸附力取料，應(yīng)用十分廣泛。比如，對(duì)于大平面的工件，玻璃、陶瓷等易碎品，電子元器件或藥品等尺寸很小的物品，用機(jī)械手爪抓取不太方便，比較適合用吸附類末端執(zhí)行器。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪吸附類末端執(zhí)行器有氣吸式和磁吸式吸盤兩類。氣吸式手爪是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差工作的。按照形成壓力差的方法不同，可以分為擠壓排氣式、氣流負(fù)壓式和真空式三種。與機(jī)械手爪相比，氣吸式手爪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、吸附力均勻等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于薄片狀物體的搬運(yùn)更具優(yōu)越性。使用氣吸式手爪要求工件與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，要求被吸工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。如果工件表面不夠平整或者有孔、隙等結(jié)構(gòu)，則可以考慮磁吸式手爪。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪①擠壓排氣吸盤擠壓排氣式吸盤如圖所示。取料時(shí)，先將吸盤壓向工件物體擠出吸盤內(nèi)腔空氣，再提起吸盤形成負(fù)壓吸起工件；需要釋放時(shí)，可用碰撞力或電磁力作用于壓蓋上部，壓蓋則繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，壓蓋下部打開使得吸盤內(nèi)腔與大氣連通，破壞負(fù)壓釋放工件。擠壓排氣式吸盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要壓縮空氣氣源，經(jīng)濟(jì)方便。但要防止漏氣，不宜長期停頓，可靠性不如真空吸盤和氣流負(fù)壓吸盤。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪②氣流負(fù)壓吸盤氣流負(fù)壓吸盤如圖所示，吸盤吸力在理論上取決于吸盤與工件表面的接觸面積和吸盤的內(nèi)外壓差。當(dāng)需要取物時(shí)，壓縮空氣從進(jìn)氣口經(jīng)吸盤出口高速到排氣口，利用伯努利效應(yīng)，吸盤出口氣壓低于其腔內(nèi)氣壓，腔內(nèi)氣體被氣流帶走形成負(fù)壓，從而完成取物動(dòng)作。需要釋放時(shí)，切斷壓縮空氣即可。這種類型的吸盤需要穩(wěn)定氣源，噴嘴出口處氣流速度很高，有嘯叫聲。工廠一般都有空壓機(jī)氣源，不需要專為機(jī)器人配置真空泵，因此氣流負(fù)壓式吸盤在工廠使用方便，成本低，應(yīng)用較為廣泛。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪③真空吸盤圖（a）展示了真空吸盤的工作原理，真空負(fù)壓吸盤采用真空泵保證吸盤內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生負(fù)壓。圖（b）展示了真空吸盤的結(jié)構(gòu)，碟形橡膠吸盤通過固定盤安裝在支撐桿上，支撐桿由螺母固定在基板上。取料時(shí)，橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤邊緣既起到密封作用，又起到緩沖作用。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)真空泵抽氣，吸盤內(nèi)腔形成真空，吸取物料。放料時(shí)，在電磁閥的控制下，吸盤管路接通大氣失去負(fù)壓，物體放下。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪④磁吸式手爪磁吸式手爪有永磁式和電磁式兩種。電磁吸盤中線圈通電瞬時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線穿過工件、線圈鐵心和空氣間隙形成的回路產(chǎn)生磁力吸住工件；一旦斷電，磁力消失工件松開。（a）實(shí)物圖

（b）結(jié)構(gòu)示意圖電磁吸盤結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪④磁吸式手爪

電磁吸盤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單位面積吸力較大，對(duì)被吸持工件表面光整度要求不高，對(duì)工件表面沒有損傷，可以快速吸附工件，使用壽命長。缺點(diǎn)是只能吸住含鐵的黑色金屬工件，對(duì)有色金屬及非金屬無效。另外由于鋼鐵等磁性物質(zhì)在高溫時(shí)磁性會(huì)消失，所以在高溫條件下不宜使用電磁吸盤。磁吸式手爪的設(shè)計(jì)，首先要求具有足夠的電磁吸力，其吸力大小由工件的質(zhì)量而定；其次電磁吸盤的形狀、大小以及吸盤的吸附面應(yīng)與工件的被吸附面形狀相適應(yīng)。根據(jù)夾持原理機(jī)械手爪吸附式手爪仿人柔性手人2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）多指靈巧手為了提高機(jī)器人手爪和手腕的操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，使機(jī)器人能像人手那樣進(jìn)行各種復(fù)雜的作業(yè)，就必須設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)更加靈活、動(dòng)作更加多樣的靈活手。2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手①柔性手為了能對(duì)不同外形的物體實(shí)施抓取，并使物體表面受力比較均勻，研制出了柔性手。圖為多關(guān)節(jié)柔性手指手爪，每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，手指?jìng)鲃?dòng)部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成。每個(gè)手指由兩根鋼絲繩牽引，一側(cè)為握緊，另一側(cè)為放松。驅(qū)動(dòng)源可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)。多關(guān)節(jié)柔性手指手爪2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手①柔性手圖為柔性材料制作的各種形式的柔性手爪，適合抓取各種易碎、易損的物體。柔性材料制作的各種柔性手爪2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手①柔性手隨著機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)機(jī)器人手爪的要求越來越高。前面所示柔性手爪雖可抓起易損易碎物體，但其提供的精度有限且容易被污染。人們已經(jīng)開始探索非接觸式手爪的可能性。2020年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種無損傷和無污染的非接觸式機(jī)器人手爪，如右圖所示，通過聲波懸浮原理，該手爪可以在零接觸的情況下拾起和操縱小物體，非常適合處理高度易碎的物體或精密零件。非接觸柔性手爪2.1.4

執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手②多指靈巧手多指靈巧手由多個(gè)手指組成，每一個(gè)手指有多個(gè)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)自由度都可獨(dú)立控制。如圖所示的五指靈巧手，其食指、中指、無名指和小指各有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，大拇指的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則有6個(gè)之多，因此，它能模仿人類手指完成各種復(fù)雜動(dòng)作。多指靈巧手的應(yīng)用十分廣泛，可在各種極限環(huán)境下完成人類無法實(shí)現(xiàn)的操作，如高溫、高壓、高真空環(huán)境下的作業(yè)。目錄contants2.1串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.3移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

第2章

機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.2.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)2.2.2并聯(lián)機(jī)器人2.2.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)稱為并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)可以回溯至20世紀(jì)30年代。1931年，Gwinnett在其專利中提出了一種基于球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的娛樂裝置；1940年，Pollard在其專利中提出了一種空間工業(yè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于汽車的噴漆；1962年，Gough發(fā)明了一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六自由度輪胎檢測(cè)裝置；2.2.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)1965年，Stewart對(duì)Gough發(fā)明的這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)學(xué)意義上的研究，如圖所示的機(jī)構(gòu)被命名為Gough-Stewart或Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這也是應(yīng)用最為廣泛的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，Stewart六桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)通過6根支桿與定平臺(tái)相連接，6根支桿都可以獨(dú)立地自由伸縮，每根支桿含有1個(gè)連接動(dòng)平臺(tái)的球鉸，1個(gè)移動(dòng)副和1個(gè)連接定平臺(tái)的球鉸。這樣，動(dòng)平臺(tái)就可以進(jìn)行六個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，即有六個(gè)自由度，動(dòng)平臺(tái)在三維空間中可以作任意方向的移動(dòng)以及繞任何方向、位置的軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的早期應(yīng)用：并聯(lián)機(jī)構(gòu)最早用于飛行模擬器，它能完成90%的訓(xùn)練任務(wù)，而所需費(fèi)用僅為實(shí)際飛行的2.5%~10%，由于效益明顯，并聯(lián)在飛行模擬器中得到廣泛應(yīng)用，此外還應(yīng)用于6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機(jī)床等領(lǐng)域。2.2.2并聯(lián)機(jī)器人將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)則產(chǎn)生了并聯(lián)機(jī)器人。1978年，澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授Hunt提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人手臂，由此拉開了并聯(lián)機(jī)器人研究的序幕。此后，日本、俄羅斯、意大利、德國及歐洲的各大公司相繼推出并聯(lián)機(jī)器人。我國也非常重視并聯(lián)機(jī)器人及并聯(lián)機(jī)床的研究與開發(fā)工作，1991年，燕山大學(xué)黃真教授研制出我國第一臺(tái)六自由度并聯(lián)機(jī)器人樣機(jī)；1997~1999年間，清華大學(xué)、天津大學(xué)、東北大學(xué)、哈工大等大學(xué)均成功將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。2.2.2并聯(lián)機(jī)器人與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)目大幅減少。并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而其制造和庫存?zhèn)浼杀颈认嗤δ艿拇?lián)機(jī)構(gòu)低得多，且易于組裝和模塊化。2.2.2并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人通常有二至六個(gè)自由度。ABB的三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人Delta非常著名，其動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)均為等邊三角形，兩平臺(tái)之間以三條完全相同的支鏈連接。驅(qū)動(dòng)裝置安裝在定平臺(tái)之中，這樣可使定平臺(tái)部分重量輕、速度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。各支鏈通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與定平臺(tái)連接，這是機(jī)構(gòu)的輸入；平行四邊形機(jī)構(gòu)與動(dòng)平臺(tái)及定長桿均以球面副連接，從而消除運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，只保持三個(gè)純平動(dòng)自由度，因此Delta機(jī)器人只能在工作空間內(nèi)做平移。由于專利保護(hù)的限制，Delta機(jī)器人早期并沒有得到應(yīng)有的推廣，直到2010年后專利保護(hù)一一終止后，才開始被世界各地的制造商爭(zhēng)相生產(chǎn)和開發(fā)。2.2.2并聯(lián)機(jī)器人圖示管道并聯(lián)機(jī)器人是在Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上研發(fā)的。機(jī)器人通過上、下平臺(tái)上的支撐腳交替地支撐管壁，使得機(jī)器人的上、下平臺(tái)交替地作為動(dòng)、靜平臺(tái)，再通過驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在狹窄的管道中向前蠕動(dòng)前行。（a）結(jié)構(gòu)圖

（b）通過彎道的過程

管道并聯(lián)機(jī)器人

2.2.2并聯(lián)機(jī)器人除了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中還有串聯(lián)機(jī)構(gòu)不可比擬的其他優(yōu)勢(shì)。①剛度質(zhì)量比大。因采用并聯(lián)閉環(huán)桿系，桿系理論上只承受拉、壓載荷，是典型的二力桿，并且多桿受力，使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很高的承載強(qiáng)度。②動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越。運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量輕慣性低，可有效改善伺服控制器的動(dòng)態(tài)性能，使動(dòng)平臺(tái)獲得很高的響應(yīng)速度。2.2.2并聯(lián)機(jī)器人③運(yùn)動(dòng)精度高。這是與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比而言的，傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的加工誤差使各個(gè)關(guān)節(jié)的誤差積累，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)的誤差可以相互抵消、相互彌補(bǔ)。④多功能靈活性強(qiáng)?？蓸?gòu)成形式多樣的布局和自由度組合，在動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具進(jìn)行多坐標(biāo)銑、磨、鉆、特種曲面加工等，也可安裝夾具進(jìn)行復(fù)雜的空間裝配，適應(yīng)性強(qiáng)，是柔性化的理想機(jī)構(gòu)。⑤使用壽命長。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)部件磨損小，且沒有導(dǎo)軌，不會(huì)發(fā)生劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。2.2.2并聯(lián)機(jī)器人根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無需很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，比如飛機(jī)、潛艇、坦克駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器、空間飛行器的對(duì)接裝置、并聯(lián)機(jī)床、生物醫(yī)學(xué)工程中的細(xì)胞微操作機(jī)器人、大型射電天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置等。2.2.2并聯(lián)機(jī)器人缺點(diǎn)：并聯(lián)機(jī)器人的主要缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)空間較小，而串并混聯(lián)機(jī)器人則彌補(bǔ)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不足，它既有質(zhì)量輕、剛度大、精度高的特點(diǎn)，又增大了機(jī)構(gòu)的工作空間，因此具有很好的應(yīng)用前景。串并混聯(lián)機(jī)器人目錄contants2.1串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.3移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

第2章

機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)2.3移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)2.3.1車輪式移動(dòng)機(jī)器人2.3.2履帶式移動(dòng)機(jī)器人2.3.3步行機(jī)器人2.3移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)前面兩節(jié)介紹的串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)器人中的大部分屬于固定式機(jī)器人。然而在倉儲(chǔ)物流、農(nóng)業(yè)園藝、醫(yī)療保健、建筑地產(chǎn)以及制造業(yè)中，往往需要機(jī)器人可以自由移動(dòng)，而且不同的環(huán)境對(duì)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了不同的需求。在平坦的地面上，普通的車輪即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能；在崎嶇不平的山路上，就需要特殊的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前常見的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要分為車輪式、履帶式和步行式。2.3.1車輪式移動(dòng)機(jī)器人車輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)平穩(wěn)、能耗小以及速度和方向容易控制移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。圖為用于排爆和巡檢的車輪式移動(dòng)機(jī)器人。（a）6輪排爆機(jī)器人（b）4輪巡檢機(jī)器人車輪式移動(dòng)機(jī)器人2.3.1車輪式移動(dòng)機(jī)器人車輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運(yùn)行的車輪大多是實(shí)心鋼輪，在室外路面行駛的車輪大多是充氣輪胎，在室內(nèi)平坦地面行駛的車輪大多是實(shí)心輪胎。車輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)依據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪以及多輪機(jī)構(gòu)。1輪、2輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問題。3輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，要解決的主要問題是移動(dòng)方向和速度控制，代表性的車輪配置方式是一個(gè)前輪、兩個(gè)后輪。4輪機(jī)構(gòu)行走的穩(wěn)定性更高，但是要保證4個(gè)輪子同時(shí)和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。在實(shí)際系統(tǒng)中采用何種車輪以及車輪的數(shù)量取決于地面的性質(zhì)、車輛的承載要求及具體的任務(wù)。2.3.2履帶式移動(dòng)機(jī)器人履帶最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行駛。由于履帶支承面積大，接地比壓小，適合在松軟或泥濘場(chǎng)地進(jìn)行作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小。履帶機(jī)構(gòu)的越野機(jī)動(dòng)性好，可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺(tái)階，其爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式行走機(jī)構(gòu)。此外，履帶支承面上有履齒不易打滑，牽引附著性能好，可發(fā)揮較大的牽引力。缺點(diǎn)是履帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大且減震性能差。2.3.2履帶式移動(dòng)機(jī)器人圖示移動(dòng)機(jī)器人采用雙重履帶式可轉(zhuǎn)向行走機(jī)構(gòu)，其主體前后裝有轉(zhuǎn)向器，并裝有使轉(zhuǎn)向器繞圖中的AA′軸旋轉(zhuǎn)的提起機(jī)構(gòu)，所以該機(jī)構(gòu)上下臺(tái)階非常順利，還能在斜面上保持主體水平。雙重履帶式機(jī)器人2.3.2履帶式移動(dòng)機(jī)器人圖為形狀可變的履帶式機(jī)構(gòu)。隨著主臂桿和曲柄的搖擺，整個(gè)履帶可以隨意變成各種類型的三角形形態(tài)，即其履帶形狀可以根據(jù)障礙物的形狀、大小主動(dòng)做出改變，從而使機(jī)器人更加自如上下樓梯或越過障礙物。形狀可變式履帶機(jī)構(gòu)2.3.2履帶式移動(dòng)機(jī)器人圖為用于處理爆炸可疑物的履帶式排爆機(jī)器人，它采用了位置可