机器人本体机械结构

1、第第2 2章章 机器人本体机械结构机器人本体机械结构 给机器人一个身体给机器人一个身体2-1 2-1 概述概述2-2 2-2 机器人的运动形式与主要技术指标机器人的运动形式与主要技术指标2-3 2-3 传动机构传动机构2-4 2-4 机身和臂部机构机身和臂部机构2-5 2-5 腕部结构腕部结构2-6 2-6 手部结构手部结构2-7 2-7 机器人的行走能力机器人的行走能力 2-1 概概 述述l要研究机器人，首先要了解机器人的机械结构形式，从而我们可以根据机器人的操作目标和操作要求灵活地选用合适的机械结构形式，绘出机器人本体的机构设计简图，为以后的运动学、动力学分析和工作奠定基础。l机构设计需要

2、考虑以下内容：确定机器人各部分（机身、臂部、腕部、手部、行走机构等）的机构运动形式和参数指标（运动范围、自由度等）、建立机器人坐标系和关节坐标系、传动机构设计和驱动元件初步选型等。2-2 机器人的运动形式与主要技术指标机器人的运动形式与主要技术指标1机器人的坐标形式（1）直角坐标型（PPP型)（2）圆柱坐标型（PPR型）（3）球坐标型（RRP型）（4）多关节型 (RRR型）机器人设计第一步：机器人设计第一步： 根据末端操作机对工件的操作要求，确定合理的运动形式并建立相应坐标系统，是机器人总体设计的第一步。 该步骤为分析机器人的具体尺寸参数、运动学分析和动力学分析等建立数学模型的分析框架。机器人

3、的运动形式与主要技术指标机器人的运动形式与主要技术指标(2/8)（1 1）直角坐标型直角坐标型 优点：优点：直角坐标型机器人在X、Y、Z轴上的运动是独立的，其运动方程可以独立处理，同时方程又是线性的，因此对这类机器人进行计算机控制很简单；它可以两端支撑，因此对于给定的结构长度，其刚性最大；它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。缺点：缺点：操作范围小；手臂收缩的同时，又向相反方向伸出，不仅妨碍工作，而且占地面积大；运动速度低；密封性不好。机器人的运动形式与主要技术指标机器人的运动形式与主要技术指标(3/8)（2 2）圆柱坐标型圆柱坐标型 优点：优点：圆柱坐标型机器人可以绕中心轴

4、旋转一个角，因此其工作范围可以扩大，且计算简单；它的直线驱动部分如果采用液压驱动，仍可以输出较大的动力；它能够伸入型腔式机器的内部。缺点：缺点：手臂可以到达的空间受到限制，不能到达靠近立柱或地面的空间；直线驱动部分仍难以密封、防尘及防御腐蚀性物质；后缩手臂工作时，手臂后端仍会碰到工作范围内的其他物体。机器人的运动形式与主要技术指标机器人的运动形式与主要技术指标(4/8)（3 3）极坐标型极坐标型 又称为球坐标型，极坐标型机器人与圆柱坐标型机器人一样，可以绕中心轴旋转。l优点：优点：在中心支架附近的工作范围大，覆盖工作空间较大；两个转动驱动装置容易密封；缺点：缺点：坐标系复杂，较难控制；其直线驱

5、动装置仍存在密封及工作死区问题。机器人的运动形式与主要技术指标机器人的运动形式与主要技术指标(5/8)（4 4）多关节型多关节型 优点：优点：多关节机器人可以实现多方向的自由运动，动作较灵活，工作空间大；关节驱动处容易密封，工作条件要求较低，可在水下等环境工作；适合用电机驱动。缺点：缺点：运动学、动力学计算量大；不适于用液压驱动等缺点。 （1 1）自由度）自由度 2操作机的主要技术指标操作机的主要技术指标操作机的主要技术指标(6/8)自由度是操作机独立驱动的关节（不包括手指），它是对机器人进行运动和受力分析的原始数据。自由度数目是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。自由度越多则越通用，但

6、也越复杂，机器人自由度大多为3-6个。例：图中机器人共有L1、L2两个平移自由度和1、2、3这三个旋转自由度，共5个自由度。 （2 2）工作空间）工作空间 操作机的主要技术指标操作机的主要技术指标(7/8)即操作机的工作范围，是指机器人末端执行器安装点所能达到的所有空间区域，但不包括末端执行器本身所能达到的区域。机器人所具有的自由度数目及各自由度的关节运动形式（转动滑动等类型及方位）组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量(即直线运动距离和回转角度的大小)则决定着运动图形的大小。手部在空间的运动范围和位置基本上取决于臂部的自由度，因此臂部的运动也称为机器人的主运动，它主要确定手部的空间位置

7、；腕部的自由度主要用来调整手部在空间的姿态。单关节机器人的工作范围很容易确定，多关节机器人的工作范围则要借助于运动学分析来确定。 （3 3）灵活度）灵活度 操作机的主要技术指标操作机的主要技术指标(8/8)灵活度是指操作机末端执行器在工作（如抓取物件）时，所能采取的姿态的多少。若能从各个方位抓取物体，则其灵活度最大；若只能从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。2-3 传动机构传动机构1 1直线传动机构直线传动机构（1 1）齿轮齿条装置（旋转）齿轮齿条装置（旋转平移平移）如图所示：拖板是由导杆或导轨支撑的。通常，齿条是固定不动的；当齿轮转动时，带动齿轮轴连同拖板沿齿条方向作直线运动。这样，齿轮的旋

8、转运动就转换成为拖板的直线运动。该装置的回差较大。 （2 2）丝杠传动（旋转）丝杠传动（旋转平移平移） 传动机构传动机构(2/10)普通丝杠传动是由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。滑动摩擦力大、低速时易产生爬行现象、且回差大。通过在丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，演变成滚珠丝杠。滚动摩擦小、运动平稳、双螺母预紧去回差。（3 3）液压传动（直接平移）液压传动（直接平移）传动机构传动机构(3/10) 压力油从液压缸的一端进入，把活塞推向液压缸的另一端，调节液压和油量即可控制活塞的运动。优点：优点：常用油压为2.56.3MPa，体积小、推力或转矩大；液压油可压缩性小，工作平稳；油液有

9、防锈和自润滑性，可提高机械效率和寿命；力、速度和方向较易实现自动控制。缺点：缺点：油液粘度随温度变化，影响工作性能，高温易燃易爆；因泄漏难于克服，要求液压元件高精度，故造价较高；需要供油系统、需要严格的滤油装置否则易故障；适用：适用：生产线固定式大功率机器人；对于单独的机器人机构，今后的发展将以电动驱动为主要方向。（4 4）气压传动（直接平移）气压传动（直接平移） 传动机构传动机构(4/10) 与液压传动相比，气压传动的特点是：优点：优点：压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)；利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；空气介质对环境无污染，使用安全，可应用于高温作业；气动元件压力低

10、，故制造要求也比液压元件低。缺点：缺点：压力为0.4-0.6MPa，出力小；空气压缩性大，工作平稳性差，速度和位置控制都困难；压缩空气中的水分会使钢类零件生锈，需要定期水气混排；排气会造成噪声污染。适用：适用：生产线固定式小功率机器人。（1 1）齿轮链）齿轮链 传动机构传动机构(5/10)齿轮链是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。假设齿轮工作时没有能量损失，齿轮的转动惯量和摩擦力略去不计。根据力矩平衡原理和传动比，可以得到输入齿轮和输出齿轮之间的转角、角速度、力矩等若干关系式；以及在与驱动电机相连的输入轴上，系统总的等效转动惯量。优点

11、：优点：基于杠杆原理可以获得大的变速比和大的力矩比。缺点：缺点： 齿轮链的引入会增加系统的等效转动惯量，从而使驱动电机的响应时间变长；齿轮间隙误差累积会导致机器人手臂定位误差增加。2 2旋转传动机构旋转传动机构（2 2）同步皮带）同步皮带传动机构传动机构(6/10) 同步皮带上具有许多型齿，它们和同样具有型齿的同步皮带轮齿相啮合。工作时，它们相当于柔软的齿轮。优点：优点：柔性好、传动平稳；比齿轮链价格低得多，加工也容易得多；同步皮带还被用于输入轴和输出轴方向不一致的情况。这 时，只要同步皮带足够长，使皮带的扭角误差不太大，同步皮带仍能够正常工作，因而降低了对加工和安装精度的要求。缺点：缺点：传

12、动力矩没齿轮链大；适用：适用：如果输出轴的位置采用码盘测量，输入传动的同步皮带可以放在伺服环外面，对系统的定位精度和重复性不会有影响，重复精度可以达到1微米以内。（3 3）谐波齿轮）谐波齿轮传动机构传动机构(7/10)谐波齿轮传动机构由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成。刚性齿轮固定安装，柔性齿轮沿刚性齿轮的内齿转动。柔性齿轮比刚性齿轮少两个齿，所以柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反方向转过两个齿的相应转角。谐波发生器具有椭圆形轮廓，装在谐波发生器上的滚珠用于支承柔性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使之发生塑性变形。转动时，柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合，只有这样，柔性

13、齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度。传动机构传动机构(8/10)优点：优点：在小空间内实现了大的减速比（是刚性内齿轮做不到的），高达50500；且传动效率高达69% 96% 。且可承受较大的负载力矩。传力柔性。缺点：缺点：柔性齿轮扭转变形比刚性齿轮大。适用：适用：减速比要求大，但工作空间有限、不允许安装齿轮链或同步带传动的场合。目前，机器人的旋转关节有60%一70%都使用谐波齿轮。（1 1）驱动方式的选用原则）驱动方式的选用原则传动机构传动机构(9/10) 液压传动和气压传动主要适用于工厂生产线上的大功率机器人。在独立机器人设计制作中（特别是业余爱好制作中），一般不使用液压和气压驱动，

14、而使用电驱动。 在机器人业余制作中，从节约成本和减少驱动元件、传动元件、提高传动效率和减少体积等方面综合考虑：凡能使用旋转传动实现的，尽量不要使用直线传动；必须使用直线传动的场合，一般可使用齿轮齿条副和滚珠丝杠副；旋转传动方式优先采用同步带；使用范围受限而又需要大减速比的使用谐波齿轮传动。3 3传动方式选用的和制动传动方式选用的和制动（2 2）制动器）制动器传动机构传动机构(10/10) 各关节处往往需要安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变。在突发断电时，保持位置自锁，不会因自重和惯性等造成对周围物体的人员伤害。 制动器松闸方法：费电模式：制动器通常是按失效抱闸方式工

15、作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。其缺点是在工作期间 要不断花费电力使制动器放松。省电模式：需要 各关节运动时，先接通主电源，松开制动器，然后接通备用电源，驱动一个挡销将制动器锁在放松状态；主电源失电时，备用电源反向接通移开档销以便自锁。这样所需要的电力仅仅是把挡销放到位所花费的电力。2-4 机身和臂部机构机身和臂部机构 1 1机身和臂部的作用机身和臂部的作用 机身：是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。一般情况下，实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈

16、复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机 构，可沿地面或架空轨道运行。手臂：是机器人的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部还安装一些传动、驱动机构。从臂部的受力情况看，它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。机身和臂部机构机身和臂部机构(2/4)（1 1）刚度）刚度 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。封闭形空心截面结构作臂杆，不仅有利于提高刚度，而且空心内部还可以布置驱动装置、传动机构及管线等，使结构紧凑、美观。 提高支承刚度和接触刚度。 合理布置作用力的位置和方向。例如，可设法使各作用力引起

17、的变形相互抵消。（2 2）精度）精度尽量消除累计误差：要考虑各关节件的制造和装配精度、手部或腕部在臂上的定位和连接方式及臂部和机身运动的导向装置和定位方式等。2 2机身和臂部设计应注意的问题机身和臂部设计应注意的问题 机身和臂部机构机身和臂部机构(3/4)（3 3）平稳性）平稳性 在满足刚度条件下通过使用轻质材料和平衡重心，减少惯性力、避免运动失稳。例图 手臂的重力偏心：1工件；2手部；3腕部；4臂部；5立柱；6一臂架 G1工件重量；G2手部重量；G3腕部重量；G4臂部重量；G5臂架重量；GH总重如图，由于臂部总重心GH与机身立柱转轴不重合，偏心距为L，因此在立柱和导套间将作用一附加力矩GHL

18、，使立柱和导套变形，对臂的转动和升降运动均产生影响。惯性动载荷方向在臂部转动中是不断变化的，当转速较高和速度变化剧烈时，将有较大的冲击和振动。机身和臂部机构机身和臂部机构(4/4)（4 4）其他）其他传动系统应力求简短，以提高传动精度和效率。各驱动装置、传动件、管线系统及各个运动的测控元件等布置要合理紧凑，操作维护要方便。对于在特殊条件下工作的机器人，设计时应有针对性地采取相应措施。例如，高温环境应考虑热辐射的影响；腐蚀性介质环境应考虑防腐问题；粉尘环境应考虑防尘问题；危险环境应考虑防爆问题等。2-5 腕部结构腕部结构手腕机构一般为13个自由度，要求可实现回转、偏摆或摆转和仰俯三种运动形式，可

19、用旋转传动。手腕机构设计应力求机构紧凑，减少重量和体积，以利于驱动传动的布置和提高手腕动作的精确性。 复合油缸驱动的腕部结构1手部驱动活塞；2转子；3腕部驱动油缸；2-6 手部结构手部结构1 1手部的作用和特点手部的作用和特点 手部亦称抓取机构，用来握持工件。由于工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态的不同，手部机构是多种多样的。 人手由手指和手掌组成，虽然手指的活动范围有限，但十分灵活。人手自由度很多，但机械手目前只能设计成简单的结构。对人手掌的几何形状和大小以及结构功能等问题也还没有了解透彻。正因为如此，目前的机械手除特殊的结构外，大多数是由手指构成的。 手部结构手部结构(2/13)（1

20、1）夹持类）夹持类内撑式：a回转外夹式：b平移外夹式：c勾托式：d弹簧式：e2 2握持方式分类握持方式分类手部结构手部结构(3/13)（2 2）吸附类）吸附类气吸式： f磁吸式：g手部结构手部结构(4/13)3 3夹钳式手指夹钳式手指V形指：a固定V形；b滚动V形；c自定位V形（1 1）指端的形状）指端的形状手部结构手部结构(5/13)平面指：a尖指或薄、长指：b特形指：c手部结构手部结构(6/13)光滑指面：指面平整光滑，用来夹持已加工表面，避免已加工的光滑表面受损伤。齿型指面：指面刻有齿纹，可增加与被夹持工件间的摩擦力，以确保夹紧可靠。它多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。柔性指面：指面镶衬

21、橡胶、泡沫、石棉等物，有增加摩擦力、保护工件表面、隔热等作用。一般用来夹持巳加工表面、炽热件，也适于夹持薄壁件和易碎工件。（2 2）指面形式）指面形式手部结构手部结构(7/13)对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和合金钢、铝合金等，夹持轻工件也可用工程塑料；为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金；高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。（3 3）手指的材料）手指的材料 手部结构手部结构(8/13)4 4夹钳式手部的传动机构夹钳式手部的传动机构（1 1）回转型传动机构）回转型传动机构斜楔杠杆式斜楔杠杆式 图中所示

22、为单作用斜楔式回转型手部。 斜楔向下运动，克服弹簧拉力， 使杠杆手指装着滚子的一端向外撑开，从而夹紧工件；斜楔向上移动，则在弹簧拉力作用下，使手指松开。 手指与斜楔通过滚子接触可以减少摩擦力，提高机械效率。有时为了简化结构，也可让手指与斜楔直接相接触。手部结构手部结构(9/13)滑槽杠杆式滑槽杠杆式 图为滑槽杠杆式杠杆双支点回转型手部。杠杆形手指4的一端装有V形指5，另一端则开有长滑槽。驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时，即可拨动两个手指各绕其支点(铰销3)作相对回转运动，从而实现手指的夹紧与松开动作。手部结构手部结构(10/13)连杆杠杆式连杆杠杆式 图为双支

23、点回转型连杆杠杆式手部。驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接，当驱动杆2作直线往复运动时，则通过连杆推动两杆手指各绕支点作回转运动，从而使手指松开或闭合。 外夹式手部的最小连杆倾斜角是在工件尺寸最小时出现的，在设计和计算时，应注意工件尺寸的变化情况。该结构承载能力较大，但开闭范围不大，可用于夹持大型工件。因机构的活动环节较多，故定心精度一般比斜楔传动差。手部结构手部结构(11/13)齿条齿轮杠杆式齿条齿轮杠杆式 图为由齿条直接传动的齿轮杠杆式手部。驱动杆2末端制成双面齿条，与扇齿轮4相啮合，而扇齿轮4与手指5固连在一起，可绕支点回转。驱动力推动齿条作直线 往复运动，即可带动扇齿轮回转，从而使手指闭

24、合或松开。 手部结构手部结构(12/13)（2 2）平移型传动机构）平移型传动机构平面平行移动机构平面平行移动机构 以下为几种平移型夹钳式手部的简图。它们的共同点是都采用平行四边形的铰链机构即双曲柄铰链四连杆机构，以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、蜗杆蜗轮、连杆斜滑槽的传动方法。直线往复移动机构直线往复移动机构 实现直线往复移动的机构很多，常用的斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等均可应用于手部结构。 图a所示为斜楔平移结构，图b为连杆杠杆平移结构，图c为螺旋斜楔平移结构。它们既可是双指型的，也可是三指(或多指)型的；既可自动定心，也可非自动定心。手部结构手部结构(13/13)2-7 机器

25、人的行走能力机器人的行走能力 机器人可分成固定式和行走式两种。一般工业机器人为固定式的。但是，随着海洋科学、原子能科学及宇宙空间事业的发展，可以预见，具有智能的可移动机器人、能够自行的柔性机器人肯定是今后机器人的发展方向。比如，美国研制的“火星探索者”轮式机器人已成功用于火星探测。 行走部件是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。机器人的行走能力机器人的行走能力(2/8)要使机器人能够在被加工物体周围移动或者从一个工作地点移动到另一个工作地

26、点，首先需要机器入能够定位自己和对位待操作的物体；同时，行走机器人应能够绕过其运行轨道上的障碍物。计算机视觉系统是提供上述能力的方法之一。 机器人行走机构必须能够支持机器人的重量，当机器人在行走中对物体进行加工的时候，行走机构还需具有保持稳定的能力。可以采用两种方法：一是增加机器人行走机构的重量和刚性，二是实时计算以施加所需要的平衡力。目前主要用前一种方法，因其容易实现。 机器人的移动要求在各个方面都具有很大的灵活性。如果像汽车那样采用四个轮子，其中两个作为导向轮，必然限制它移动的灵活性。所以，人们正在致力于研究适合于机器人能用的高机动性的轮系和悬挂系统。1 1对行走机器人的一般要求对行走机器人的一般要求 机器人的行走能力机器人的行走能力(3/8)美国stanford大学研制的行走机器人采用了三组轮子，每组轮子由若干个滚轮组成。这些轮子能够