第二章 机器人构造-传动

1、机器人构造机器人构造 主主 讲：吴讲：吴 东东 Email：wdagx126. com 电电 话：话：3182536机器人的构造 控制部分：控制部分：微型处理器和软件或硬件逻辑微型处理器和软件或硬件逻辑 电路电路 执行部分：执行部分：电动机、推进器等电动机、推进器等 传动部分：传动部分：齿轮、螺杆、连杆等齿轮、螺杆、连杆等 传感器部分：传感器部分：接触传感器、激光测距仪等接触传感器、激光测距仪等 能源部分：能源部分：电力、电池等电力、电池等 本章内容本章内容 1. 机器人的构造机器人的构造 2. 机器人的控制器机器人的控制器 3. 机器人的传感器机器人的传感器 4.

2、机器人的驱动机器人的驱动 5. 机器人的传动机器人的传动 6. 机器人的能源机器人的能源 机器人的传动机构机器人的传动机构 传动机构，是将驱动器输出的动力传送传动机构，是将驱动器输出的动力传送 到其它工作单元的一种装置。到其它工作单元的一种装置。 作用作用 调速调速。工作单元往往和驱动器速度不一致，。工作单元往往和驱动器速度不一致， 利用传动机构达到改变输出速度的目的。利用传动机构达到改变输出速度的目的。 调转矩调转矩。调整驱动器的转矩使其适合工作。调整驱动器的转矩使其适合工作 单元使用。单元使用。 机器人的传动机构机器人的传动机构 改变运动形式改变运动形式。驱动器的输出轴一般是等。驱动器的输

3、出轴一般是等 速回转运动，而工作单元要求的运动形式速回转运动，而工作单元要求的运动形式 则是多种多样的，如直线运动、则是多种多样的，如直线运动、 螺旋运动螺旋运动 等，靠传动机构实现运动形式的改变。等，靠传动机构实现运动形式的改变。 动力和运动的传递和分配动力和运动的传递和分配。用一台驱动器。用一台驱动器 带动若干个不同速度、不同负载的工作单带动若干个不同速度、不同负载的工作单 元。元。 机器人的传动机构机器人的传动机构 传动机构有机械传动、流体传动机构有机械传动、流体(液体、液体、 气气 体体)传动、电力传动三类传动、电力传动三类 机械传动的主要形式机械传动的主要形式 齿轮传动齿轮传动 带传

4、动带传动 链传动链传动 连杆传动连杆传动 齿轮传动齿轮传动 电动机的转速与机器人的速度电动机的转速与机器人的速度 一个永磁直流电动机在额定电压下，其空载转一个永磁直流电动机在额定电压下，其空载转 速不低于速不低于 5000 r/min 假设直接跟直径为假设直接跟直径为7.5cm的车轮连接，则机器的车轮连接，则机器 人的速度是人的速度是 （50000.0753.14）/ 60 = 19.6 m/s 适合于适合于“机器人竞速比赛机器人竞速比赛” ，但不适合，但不适合 “机器机器 人擂台比赛人擂台比赛” 齿轮传动齿轮传动 电动机的转速与机器人的速度电动机的转速与机器人的速度 减速减速 选择功率小、转

5、速慢的电动机选择功率小、转速慢的电动机 降低提供给电动机的电压降低提供给电动机的电压 减速，但同时要减速，但同时要增大增大电动机输出的电动机输出的转矩转矩 使用齿轮传动使用齿轮传动 齿轮传动齿轮传动 齿轮，是能互相啮合的有齿的机械零件。齿轮，是能互相啮合的有齿的机械零件。 齿轮传动齿轮传动 齿轮传动齿轮传动，是以齿轮的齿互相啮合来，是以齿轮的齿互相啮合来 传递动力的机械传动。传递动力的机械传动。 齿轮传动齿轮传动 齿轮传动齿轮传动 齿轮传动齿轮传动 平面传动 空间传动 齿轮传动齿轮传动 齿轮传动的作用齿轮传动的作用 提高或降低输出转速，并同时相应降低或提高提高或降低输出转速，并同时相应降低或提

6、高 输出转矩输出转矩 将转动变换为直线运动将转动变换为直线运动 改变输出的方向改变输出的方向 齿轮传动的基本量齿轮传动的基本量 转矩转矩 使机械元件转动的使机械元件转动的力矩力矩称为转动力矩，简称转矩。称为转动力矩，简称转矩。 t=f*r 功功 转矩转矩 齿轮角位移。齿轮角位移。w=t*c f r t 齿轮传动齿轮传动 传动原理传动原理 齿轮齿轮A 16齿齿 齿轮齿轮B 32齿齿 齿轮传动齿轮传动 传动原理传动原理 假设假设A的转矩为的转矩为Ta，B的转矩为的转矩为Tb。并且，假设。并且，假设A 转了转了2圈，则圈，则B正好转了正好转了1圈。圈。 根据根据功守恒功守恒，有，有 Ta * 720

7、 = Tb*360 Ta / Tb = 360 / 720 = 1/2 齿轮传动齿轮传动 传动原理传动原理 当小齿轮带动大齿轮时，转速减小，转矩增大当小齿轮带动大齿轮时，转速减小，转矩增大 当大齿轮带动小齿轮时，转速增加，转矩减小当大齿轮带动小齿轮时，转速增加，转矩减小 齿轮间的齿轮间的齿轮数关系齿轮数关系影响着转速和转矩影响着转速和转矩 齿轮传动齿轮传动 传动原理传动原理 传动比传动比 输出齿轮的齿轮数输出齿轮的齿轮数 输入齿轮的齿轮数输入齿轮的齿轮数 = 减速比减速比 输入齿轮的齿轮数输入齿轮的齿轮数 输出齿轮的齿轮数输出齿轮的齿轮数 = 齿轮传动齿轮传动 传动原理传动原理 Tb = e(

8、TaR) Sb = e(Sa/R) T代表齿轮的转矩，代表齿轮的转矩， S代表转速，代表转速， e代表传动效代表传动效 率率，R代表传动比代表传动比 齿轮传动齿轮传动 多对齿轮啮合多对齿轮啮合(实现大减速实现大减速) 不能无限制的增大齿轮尺寸不能无限制的增大齿轮尺寸 使用使用串联串联组合实现大减速组合实现大减速 1/2 1/4 齿轮传动齿轮传动 多对齿轮啮合多对齿轮啮合(实现大减速实现大减速) 总的减速比等于所有齿轮减速比的乘积总的减速比等于所有齿轮减速比的乘积 总的传动比等于所有齿轮传动比的乘积总的传动比等于所有齿轮传动比的乘积 可以方便的调整转速、转矩，可以方便的调整转速、转矩，但要注意功

9、的损但要注意功的损 失问题失问题 齿轮传动齿轮传动 特点特点 传递动力大、效率高传递动力大、效率高 寿命长，工作平稳，可靠性高寿命长，工作平稳，可靠性高 能保证恒定的传动比能保证恒定的传动比 制造、安装精度要求较高制造、安装精度要求较高 不宜作远距离传动不宜作远距离传动 带传动带传动 组成组成 主动轮、从动轮、传动带主动轮、从动轮、传动带 2 1 n2 n1 带传动带传动 分类分类 平皮带平皮带 V 型带型带 多楔带多楔带 摩擦型摩擦型 啮合型啮合型 同步带同步带 圆形带圆形带 -摩擦牵引力大摩擦牵引力大 -摩擦牵引力大摩擦牵引力大 -牵引力小，用于仪器牵引力小，用于仪器 应用：应用：两轴平行

10、、且同向转动的场合。称为开口传动。两轴平行、且同向转动的场合。称为开口传动。 抗拉体 带传动带传动 摩擦型带传动的工作原理摩擦型带传动的工作原理 环形带环形带被张紧在带轮上，产生的初拉力被张紧在带轮上，产生的初拉力F0使得带使得带 与带轮之间产生压力。主动轮转动时依靠摩擦与带轮之间产生压力。主动轮转动时依靠摩擦 力推动从动轮一起同向转动。力推动从动轮一起同向转动。 2 1 n2 n1 F0 F0 F0 F0 主动轮主动轮 从动轮从动轮 带传动带传动 摩擦型带传动的受力分析摩擦型带传动的受力分析 不工作时，主动轮上的驱动转矩不工作时，主动轮上的驱动转矩T 1=0，带轮两，带轮两 边传动带所受的拉

11、力均为初拉力边传动带所受的拉力均为初拉力F 0 F0 F0 F0 F0 带传动带传动 摩擦型带传动的受力分析摩擦型带传动的受力分析 工作时，在摩擦力的作用下，带绕入主动轮的一边工作时，在摩擦力的作用下，带绕入主动轮的一边 被进一步拉紧，称为紧边，其所受拉力由被进一步拉紧，称为紧边，其所受拉力由F 0增增 大到大到F 1，而带的另一边则被放松，称为松边，而带的另一边则被放松，称为松边， 其所受拉力由其所受拉力由F 0降到降到F 2 F1 F2 F1 F2 紧边紧边 松边松边 从动轮从动轮 主动轮主动轮 n1 n2 带传动带传动 摩擦型带传动的受力分析摩擦型带传动的受力分析 带的总长不变，则有效拉

12、力，即带所能传递的带的总长不变，则有效拉力，即带所能传递的 圆周力：圆周力： 传动功率传动功率P (kW)为：为： 带速带速v(m/s) F1 F2 F1 F2 紧边紧边 松边松边 从动轮从动轮 主动轮主动轮 n1 n2 F = F = F1 - - F2 1000 Fv P 带传动带传动 摩擦型带传动的受力分析摩擦型带传动的受力分析 当有效拉力跟带上总的摩擦力有关系：当有效拉力跟带上总的摩擦力有关系： FFf 带与带轮之间出现显著的滑动，称为打滑。带与带轮之间出现显著的滑动，称为打滑。 经常出现打滑使带的磨经常出现打滑使带的磨 损加剧、传动效率降损加剧、传动效率降 低，导致传动失效。低，导致

13、传动失效。 F1 F2 F1 F2 紧边紧边 松边松边 从动轮从动轮 主动轮主动轮 n1 n2 带传动带传动 摩擦型带传动的特点摩擦型带传动的特点 适用于中心距较大的传动适用于中心距较大的传动 过载时带与带轮之间会出现过载时带与带轮之间会出现打滑打滑，避免了其它，避免了其它 零件的损坏；但不能保证恒定的传动比零件的损坏；但不能保证恒定的传动比 结构简单、成本低廉结构简单、成本低廉 传动效率低传动效率低 传动带使用寿命短传动带使用寿命短 带传动带传动 张紧装置张紧装置 调整中心距调整中心距 a a 调整螺钉调整螺钉 调整螺钉调整螺钉 滑道式张紧装置滑道式张紧装置 摆架式张紧装置摆架式张紧装置 a

14、 a 带传动带传动 张紧装置张紧装置 张紧轮张紧轮 带传动带传动 啮合型带传动啮合型带传动 靠带齿与轮齿之间的啮合实现传动，两者无相靠带齿与轮齿之间的啮合实现传动，两者无相 对滑动，而使圆周速度同步。也称为同步带传对滑动，而使圆周速度同步。也称为同步带传 动。动。 带传动带传动 啮合型带传动的特点啮合型带传动的特点 传动比恒定、效率高、传动平稳传动比恒定、效率高、传动平稳 结构紧凑、能承受一定冲击结构紧凑、能承受一定冲击 成本高，对制造和安装要求高成本高，对制造和安装要求高 链传动链传动 组成：主动轮、从动轮、链条组成：主动轮、从动轮、链条 原理：链与链轮轮齿之间的啮合实现平行轴原理：链与链轮

15、轮齿之间的啮合实现平行轴 之间的同向传动。之间的同向传动。 设计：潘存云 链传动链传动 特点特点 能获得准确的平均传动比，传动效率高，但瞬能获得准确的平均传动比，传动效率高，但瞬 时传动比不恒定时传动比不恒定 结构紧凑结构紧凑 可在高温、可在高温、 油污、潮湿等油污、潮湿等恶劣环境恶劣环境下工作下工作 传动平稳性差，有噪音，磨损后易发生跳齿和传动平稳性差，有噪音，磨损后易发生跳齿和 脱链，脱链， 急速反向转动的性能差急速反向转动的性能差 连杆传动连杆传动 连杆传动，连杆传动，是利用连杆机构传动动力的机是利用连杆机构传动动力的机 械传动方式。械传动方式。 按空间位置关系分按空间位置关系分 平面连

16、杆机构平面连杆机构(连杆上各个点的运动平面相互连杆上各个点的运动平面相互 平行平行) 空间连杆机构空间连杆机构 连杆传动连杆传动 平面四杆传动平面四杆传动 连杆 机架 连 架 杆 连杆传动连杆传动 平面四杆传动平面四杆传动 机架：机构的固定件机架：机构的固定件 连架杆：与机架联接的构件。能做连架杆：与机架联接的构件。能做圆周转动圆周转动的的 连架杆，称为连架杆，称为曲柄曲柄。仅能在某一角度摆动的连。仅能在某一角度摆动的连 架杆，称为架杆，称为摇杆摇杆。 连杆：不直接与机架连接的部件。主动连架杆连杆：不直接与机架连接的部件。主动连架杆 跟从动连架杆的连接部件。跟从动连架杆的连接部件。 连杆传动连

17、杆传动 可按照连架杆是可按照连架杆是曲柄曲柄还是还是摇杆摇杆，将铰链四，将铰链四 杆机构分为三种基本型式：杆机构分为三种基本型式： 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 双曲柄机构双曲柄机构 双摇杆机构双摇杆机构 连杆传动连杆传动 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用 雷达天线俯仰角雷达天线俯仰角 调整机构调整机构 连杆传动连杆传动 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用 缝纫机的踏板缝纫机的踏板 机构机构 连杆传动连杆传动 曲柄摇杆机构的应用曲柄摇杆机构的应用 契贝谢夫四足机器人契贝谢夫四足机器人 连杆传动连杆传动 曲柄摇杆机构的三个特性曲柄摇杆机构的三个特性 急回急回 压力角与传动角压力角与传动角 死点

18、死点 连杆传动连杆传动 曲柄摇杆机构的急回曲柄摇杆机构的急回 转动一周，曲柄转动一周，曲柄AB与连与连 杆杆BC有两次共线有两次共线 C1D和和C2D分别为摇杆分别为摇杆CD 两个极限位置两个极限位置,夹角夹角 曲柄从曲柄从AB1顺时针转到顺时针转到AB2 时，曲柄转角时，曲柄转角 1=180+ , 时间为时间为t1 曲柄从曲柄从AB2顺时针转到顺时针转到AB1 时，曲柄转角时，曲柄转角 2=180- , 时间为时间为t2 因为因为t1t2,所以所以v1v2,摇杆摇杆cd具有急回特性。具有急回特性。 连杆传动连杆传动 曲柄摇杆机构的压力角与传动角曲柄摇杆机构的压力角与传动角 连杆连杆BC作用于

19、摇作用于摇 杆杆CD上的力上的力P是沿是沿 BC方向的。方向的。 压力角压力角 ，力力P 在在 vc方向的有效分方向的有效分 力为力为Pt=Pcos P在垂直于在垂直于vc方向的分方向的分 力力Pn=Psin 则为无效则为无效 分力分力 压力角压力角 越小越好越小越好，传动角传动角 越越 大越好。大越好。 连杆传动连杆传动 曲柄摇杆机构的死点曲柄摇杆机构的死点 以摇杆为以摇杆为原动件原动件，而曲柄为，而曲柄为 从动件从动件 当摇杆摆到极限位置当摇杆摆到极限位置C1D和和 C2D时，连杆与曲柄共线时，连杆与曲柄共线 连杆加给曲柄的力将通过连杆加给曲柄的力将通过 铰链中心铰链中心A，即机构处于压，

20、即机构处于压 力角力角 =90 （传力角（传力角 =0） 的位置时，驱动力的有效的位置时，驱动力的有效 力为力为0 机构的这种位置称为死点，可能出现卡死。机构的这种位置称为死点，可能出现卡死。 利用死点夹紧工件的夹具利用死点夹紧工件的夹具 机器人的行走机构机器人的行走机构 行走机构，即机器人的下肢，主要用来行走机构，即机器人的下肢，主要用来 承受体重和完成位移。它决定着机器人承受体重和完成位移。它决定着机器人 能否迅速灵活的移动，能否准确的按照能否迅速灵活的移动，能否准确的按照 操作者的意愿到达指定点。操作者的意愿到达指定点。 机器人行走机构通常由机器人行走机构通常由驱动器驱动器、传动装传动装

21、 置置、位置检测装置位置检测装置、电缆电缆等构成。等构成。 机器人行走机构的分类机器人行走机构的分类 按运行轨迹分按运行轨迹分 分为分为固定轨迹式固定轨迹式和和无固定轨迹式无固定轨迹式两种。两种。 固定轨迹式主要用于工业机器人。固定轨迹式主要用于工业机器人。 固定轨迹式机器人运动的实现固定轨迹式机器人运动的实现 把把机器人机身基座机器人机身基座安装在一个可移动的安装在一个可移动的 平台上，通过将来自电机的平台上，通过将来自电机的旋转运动旋转运动转转 化为化为直线运动直线运动来实现固定轨迹移动。来实现固定轨迹移动。 机器人行走机构的分类机器人行走机构的分类 无固定轨迹机器人无固定轨迹机器人 可分

22、为可分为轮式轮式、履带式履带式和和足式足式等。前两者与等。前两者与 地面连续接触，后者与地面为间断接触。地面连续接触，后者与地面为间断接触。 机器人的轮式行走机构机器人的轮式行走机构 分类分类 机器人通常使用三轮式、四轮式、对称四机器人通常使用三轮式、四轮式、对称四 轮式等，用到驱动轮和从动轮。轮式等，用到驱动轮和从动轮。 适用范围适用范围 最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬 楼梯。楼梯。 机器人的轮式行走机构机器人的轮式行走机构 三轮式车体三轮式车体 两个驱动轮装在前两侧两个驱动轮装在前两侧 从动轮装在后侧从动轮装在后侧 不会出现悬空现象不会出现悬空现象

23、 稳定性不好稳定性不好 机器人的轮式行走机构机器人的轮式行走机构 四轮式车体四轮式车体 两个驱动轮装在前两侧两个驱动轮装在前两侧 两个从动轮装在后两侧两个从动轮装在后两侧 不会出现悬空现象不会出现悬空现象 稳定性好稳定性好 机器人的轮式行走机构机器人的轮式行走机构 对称四轮式车体对称四轮式车体 两个驱动轮装在中线两侧两个驱动轮装在中线两侧 两个从动轮装在前后两端两个从动轮装在前后两端 某一时刻只有三个轮着地某一时刻只有三个轮着地 转动灵活性好转动灵活性好 机器人的履带式行走机构机器人的履带式行走机构 特点特点 可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越 障碍物，能爬梯度不太高的台阶。障碍物，能爬梯度