机器人技术第二章机器人结构设计概论(2013)

1、1 2.1 机器人本体设计的步骤机器人本体设计的步骤1、作业分析、作业分析 作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。2、总体方案设计、总体方案设计 （1）确定动力源）确定动力源 （2）确定构型和安装方式）确定构型和安装方式 （3）确定自由度）确定自由度 （4）确定动力容量和传动方式）确定动力容量和传动方式 （5）优化运动参数和结构参数）优化运动参数和结构参数 （6）确定平衡方式和平衡量）确定平衡方式和平衡量 （7）绘制机构运动简图）绘制机构运动简图

2、 & 第二章第二章 机器人的机械结构与设计机器人的机械结构与设计23、结构设计、结构设计 包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计，包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接口设计等。设计等。4、动特性分析、动特性分析 估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真、分析，估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真、分析，确定其结构固有频率和响应特性。确定其结构固有频率和响应特性。6、施工设计、施工设计 完成施工图设计，编制相关技术文件。完成施工图设计，编制相关技术文件。5、优化设

3、计、优化设计 重复重复3、4。3 2.2 机器人的驱动与传动系统结构机器人的驱动与传动系统结构 在机器人机械系统中，驱动器（通过联轴器）带动传动在机器人机械系统中，驱动器（通过联轴器）带动传动装置装置( (一般为减速器一般为减速器) )，再通过关节轴带动杆件运动。，再通过关节轴带动杆件运动。 机器人有两种最常用的运动关节机器人有两种最常用的运动关节转动关节和移转动关节和移( (直直) )动关节。动关节。 为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度（度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适

4、的精度（高一个数量级）、连接方式以及有利于控制的输出方式。对高一个数量级）、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。 2.2.1 2.2.1 驱动驱动传动系统的构成传动系统的构成41码盘；码盘；2 测速机；测速机；3 电机；电机；4 联轴器；联轴器；5 传动装置；传动装置；6 转动关节；转动关节；7 杆杆 8 电机；电机； 9 联轴器；联轴器；10 螺旋副；螺旋副；11 移动关节；移动关节；12 电位器电位器

5、(或光栅尺或光栅尺) 伺服电机驱动关节伺服电机驱动关节伺服电机伺服电机+联轴节联轴节+传动装置传动装置+运动关节运动关节+反馈元件反馈元件51 1电动驱动器电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。驱动比较困难。 电动驱动器又可分为直流电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机伺服电机驱动和步进电机驱动。驱动和步进电机驱动。 直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易直流伺服电机有很多优点，但它的电

6、刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机已逐渐近年来交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机而成为工业机器人的主要驱动器取代直流伺服电机而成为工业机器人的主要驱动器。 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。多用于低精度小功率机器人系统。2.2.2 2.2.2 驱动器的类型和特点驱动器的类型和特点6直流伺服电机与驱动放大器直流伺服电机与驱动放大器步进电机步进电机步进电机驱动放大器步进电机驱动放大器交流伺服电机交流伺服电机驱动放大器驱动放大器72. 液压驱动器液压驱动器 液压驱

7、动的优点是功率大，可省去减速液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。目前多用于特大功率的机器人系统。 液压马达液压马达液压摆动马达液压摆动马达液压控制阀液压控制阀液压泵液压泵83气动驱动器气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，

8、具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。 气气动动马马达达气气动动摆摆动动马马达达气气缸缸气气泵泵气气动动三三大大件件气气动动控控制制阀阀9 4其它驱动器其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、人工作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、人工肌肉肌肉(电活性聚合物电活性聚合物)等。等。压电微驱动并联机器人压电微驱动并联机器人形状记忆合金驱动机器人手形状记忆合金驱动机器人手人工肌肉驱动的机械臂人工肌肉驱动的机

9、械臂10 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。价格高低、技术水平为评价标准。 一般说来，目前负荷为一般说来，目前负荷为100 kg100 kg以下的以下的, ,可优先考虑电动可优先考虑电动驱动器。驱动器。n 对工业机器人关节驱动的电动机，要求有对工业机器人关节驱动的电动机，要求有最大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。低惯量和较宽广且平滑的调速范围。n 特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用特别是像机器人末端执行器（手爪）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是

10、要求体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，且靠性和稳定性，且具有较大的短时过载能力5驱动器的选择原则驱动器的选择原则11 只须点位控制且功率较小者，或有防爆、清洁等特殊要只须点位控制且功率较小者，或有防爆、清洁等特殊要求者，可采用气动驱动器。求者，可采用气动驱动器。 负荷较大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采负荷较大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采用液压驱动器。用液压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的指标要求是起动力矩大，对于驱动器来说，最重要的指标要求是起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，

11、同时还要有性能好、与调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与之配套的数字控制系统。之配套的数字控制系统。5驱动器的选择原则驱动器的选择原则122.2.3 2.2.3 机器人的常用传动机构机器人的常用传动机构1. 1. 机器人传动机构的基本要求机器人传动机构的基本要求(1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；(2) 传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以提高整机的提高整机的 固有领率，固有领率，降低整机的低频振动；降低整机的低频振动；(3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位回差小，即由正转到

12、反转时空行程要小，以得到较高的位 置控制精度；置控制精度；(4) 寿命长、价格低。寿命长、价格低。 微电机微电机+减速器减速器微小型减速器微小型减速器132. 2. 机器人常用传动机构机器人常用传动机构 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。美国发明家 C. Walt Musser 马瑟于上世纪50年代中期发明1926年德国人L.Brazen发明了摆线针轮减速器1415 其中腰关节最常用谐波传动、齿轮其中腰关节最常用谐波传动、齿轮/蜗轮传动；臂关节最常蜗轮传动；臂关节最常用谐波传动、用谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。腕关节摆线针轮

13、行星传动和滚动螺旋传动。腕关节最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。16关节是操作机各杆件间的结合部分，通常为转动和移动两关节是操作机各杆件间的结合部分，通常为转动和移动两种类型。种类型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，它们决定了操作机的位置。后面关节决定了操作机的姿态，它们决定了操作机的位置。后面关节决定了操作机的姿态，称作腕部关节。称作腕部关节。 2.32.3 工业机器人关节的构造及其传动配置工业机器人关节的构造及其传动配置17192.3.1 腰关节腰关节 腰关节为

14、回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，且应具有较高的运动精度和刚度。受倾翻力矩，且应具有较高的运动精度和刚度。 腰关节多采用高刚性的腰关节多采用高刚性的RV减速器传动减速器传动，也可采用，也可采用谐波传谐波传动、摆线针轮或蜗杆传动动、摆线针轮或蜗杆传动。其转动副多采用薄壁轴承或四点。其转动副多采用薄壁轴承或四点接触轴承，有的还设计有调隙机构。接触轴承，有的还设计有调隙机构。 对于液压驱动关节，多采用对于液压驱动关节，多采用回转缸回转缸+齿轮传动机构齿轮传动机构。20mgmMMMMJtWMQPAEWHQQQQQQ腰关节受力分析腰关

15、节受力分析M 腰关节合成扭矩；腰关节合成扭矩；Mm 腰关节转动摩擦力矩；腰关节转动摩擦力矩；Mg 腰关节转动惯性力矩腰关节转动惯性力矩;J 机器人回转惯量；机器人回转惯量； 腰关节回转速度；腰关节回转速度；t 机器人回转启动时间。机器人回转启动时间。Q 腰关节合重力；腰关节合重力；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（含负载）；手部重力（含负载）； 腰关节合重力偏距；腰关节合重力偏距；MW腰关节倾覆力矩。腰关节倾覆力矩。QHQEQWQAQMQP211 电机；电机；2 RV减速器

16、，减速器，3 支架，支架，4 交叉滚子轴承；交叉滚子轴承；5 电缆电缆同轴式腰关节同轴式腰关节电机上置电机上置)1234522同轴式腰关节同轴式腰关节 (电机下置电机下置)1腰部固定立柱壳体；腰部固定立柱壳体；2 腰部回转壳体；腰部回转壳体；3 四点接触球轴承；四点接触球轴承；4 伺服电机组件；伺服电机组件；5谐波减速器；谐波减速器；5423平行轴式腰关节平行轴式腰关节21341 电机电机 ；2 齿轮；齿轮；3 空心立柱；空心立柱；4 轴承轴承24v 由上面的图例可以看出，腰关节的回转副主要是两种类型：由上面的图例可以看出，腰关节的回转副主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式或平

17、行轴式。使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式或平行轴式。v 同轴式腰关节结构紧凑，腰关节高度尺寸小同轴式腰关节结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制轴承使用特制轴承的缘故的缘故)，但关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的，但关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，

18、联接于支座的固定接线板上。中空轴，联接于支座的固定接线板上。252.3.2 肩关节和肘关节肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节（大臂关节）位于腰部的支座上，对于开式连杆结构，肩关节（大臂关节）位于腰部的支座上，多采用多采用RV减速器传动、谐波传动或摆线针轮传动；也可采用滚减速器传动、谐波传动或摆线针轮传动；也可采用滚动螺旋组合连杆机构或直接应用齿轮机构。动螺旋组合连杆机构或直接应用齿轮机构。 肘关节（小臂关节）位于大臂与小臂的联接处，多采用谐波肘关节（小臂关节）位于大臂与小臂的联接处，多采用谐波传动、摆线针轮或齿轮传动等。传动、摆线针轮或齿轮传动等。 关节结构形式有：关节结构形式有： 1、

19、同轴式配置、同轴式配置 电机轴线与关节轴电机轴线与关节轴 线重合。线重合。 2、偏置式配置、偏置式配置 电机轴线与关节轴电机轴线与关节轴 线偏离一定距离。线偏离一定距离。同轴减速传动结构同轴减速传动结构26同轴减速传动结构同轴减速传动结构1 腰支座；腰支座；2, 7 RV减速器；减速器；3, 6 驱动电机；驱动电机；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 轴承。轴承。12345678271 大臂；大臂；2 关节关节1电机；电机；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 气动阀；气动阀； 6 立柱；立柱；7 直齿轮；直齿轮； 8 中间齿轮；中间齿轮；9 机座；机座； 10 主齿轮；主齿轮；11

20、 管形连接轴；管形连接轴；12 手腕手腕偏置减速传动结构偏置减速传动结构(PUMA)2829 直动关节直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采用滚动丝杠和导柱用滚动丝杠和导柱(轨轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的移动结构。移动结构。30 多关节柔性臂多关节柔性臂 多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联而成，原来意义上的臂而成，原来意义上的臂( (大臂、小臂大臂、小臂) ) 已演化成一个节，节已演化成一个节，节与节之间可以相对摆动。

21、与节之间可以相对摆动。 严格讲，多关节柔性臂并不是全柔性的，称其为蛇型臂较严格讲，多关节柔性臂并不是全柔性的，称其为蛇型臂较为合适。由于柔性臂的关节多，能满足避障等特殊需要。为合适。由于柔性臂的关节多，能满足避障等特殊需要。多级联动万向节柔性臂多级联动万向节柔性臂31多节万向节型柔性臂多节万向节型柔性臂32脊骨式多节柔性臂脊骨式多节柔性臂33连杆式多节型柔性臂连杆式多节型柔性臂1定长刚性臂；定长刚性臂； 2 并联机构柔性臂并联机构柔性臂34 2.3.3 手腕关节手腕关节1 1、单自由度手腕、单自由度手腕 SCARA水平关节装配机器人的手腕只有绕垂直轴的一个水平关节装配机器人的手腕只有绕垂直轴的

22、一个旋转自由度，用于调整装配件的方位。旋转自由度，用于调整装配件的方位。SCARA 机器人机器人 传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机。电机。 这种传动特点特这种传动特点特别适合于电子线路别适合于电子线路板的插件作业。板的插件作业。 352 2、两自由度手腕、两自由度手腕两种常见的配置形式两种常见的配置形式汇交式和偏置式。汇交式和偏置式。1 法兰；法兰；2 齿轮轴；齿轮轴；3 锥齿轮；锥齿轮；4 弹簧；弹簧；5 链轮

23、；链轮；6 轴承；轴承；7 链轮；链轮；8 弹簧；弹簧；9 轴承；轴承； 10 转壳转壳1 法兰；法兰；2 腕壳；腕壳；3, 6 锥齿轮轴；锥齿轮轴；4 小臂；小臂；5, 7 链轮，链轮，8 链；链；9, 10 弹簧弹簧汇交式两自由度手腕汇交式两自由度手腕偏置式两自由度手腕偏置式两自由度手腕214365871094351287109636 两自由度手腕的另两种结构：谐波减速器前置的汇交型两自由度手腕的另两种结构：谐波减速器前置的汇交型手腕；驱动电机与谐波减速器前置的偏置型手腕。手腕；驱动电机与谐波减速器前置的偏置型手腕。1 扁平谐波；扁平谐波； 2 杯式谐波；杯式谐波；3 齿形带轮；齿形带轮；

24、 4 锥齿轮；锥齿轮；5 腕壳腕壳谐波前置汇交手腕谐波前置汇交手腕 1 谐波减速；谐波减速； 2 马达；马达； 3 链轮；链轮； 4 腕壳腕壳电机前置偏置手腕电机前置偏置手腕37 诱导运动诱导运动 把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。 2 主动链轮；主动链轮；3、5 从动链轮从动链轮手腕传动示意图手腕传动示意图383 3、三自由度手腕、三自由度手腕 三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕三自由度手腕是在两自由度手腕的基础

25、上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度而形成的。相对于小臂的转动自由度而形成的。 三自由度手腕是三自由度手腕是“万向万向”型手腕，结构形式繁多，可以完型手腕，结构形式繁多，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。型机器人都采用了三自由度手腕。394041v 必须指出，必须指出，若操作机为若操作机为6自由度，当自由度，当手腕为偏置手腕为偏置式时，运动式时，运动学反解得不学反解得不出解析的显出解析的显式，且动力式，且动力学参数也是学参数也是强耦合的。强耦合的。设计时必须设计时必须给予充分注给予充分注

26、意。意。42KUKA IR662100机器人手碗传动图机器人手碗传动图KUKA IR662100机器人手碗结构图机器人手碗结构图Cincinnati Milacron T3 机器人腕部结构机器人腕部结构43PUMA一一262 机器人手腕传动原理机器人手腕传动原理444 4、柔顺手腕结构、柔顺手腕结构 机器人精密机器人精密装配时，装配时，由于由于被装配零件的不一致性、工件定位被装配零件的不一致性、工件定位夹具及机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装夹具及机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难甚至失败。这就提出了装配动作的柔顺性要求。配困难甚至失败。这就提出了装配动作的柔

27、顺性要求。 柔顺装配技术有两柔顺装配技术有两种种：一一种是控制的角度，借助检测元件采种是控制的角度，借助检测元件采取边校正、边装配的方式，取边校正、边装配的方式，称为称为“主动柔顺装配主动柔顺装配” ；另一种是；另一种是从结构的角度在手腕部从结构的角度在手腕部配置一配置一 个柔顺环节，这种柔顺装配技术个柔顺环节，这种柔顺装配技术称为称为“被动柔顺装配被动柔顺装配 ”即即RCC (Remote Center Compliance)。 带检测元件的手腕带检测元件的手腕移动摆动柔顺手腕移动摆动柔顺手腕柔顺手腕动作过程柔顺手腕动作过程45板弹簧柔顺手腕板弹簧柔顺手腕钢丝弹簧柔顺手腕钢丝弹簧柔顺手腕46

28、 2.42.4 机器人的手部机器人的手部 机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操作机构。因此有时也称为末端操作器。作机构。因此有时也称为末端操作器。 由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物体等），体等）， 手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和结构持点，大致可分成以下几类：结构持点，大致可分成以下几类： 1卡爪式夹持器；卡爪式夹持器；

29、2吸附式取料手；吸附式取料手； 3专用操作器及换接器专用操作器及换接器 4仿生多指灵巧手。仿生多指灵巧手。47卡爪式夹持器卡爪式夹持器通常有两个夹爪，分为弹力型、回转型和平通常有两个夹爪，分为弹力型、回转型和平移型三种类型。移型三种类型。 2.4.1 卡爪式夹持器卡爪式夹持器几种弹力型夹持器几种弹力型夹持器1 1、弹力型夹持器、弹力型夹持器48 2、回转型夹持器、回转型夹持器开合占用空间较开合占用空间较小，但是夹持中小，但是夹持中心变化。心变化。493 3、平移型夹持器、平移型夹持器开合占用空间开合占用空间较大，但是夹较大，但是夹持中心不变。持中心不变。50 吸式取料手是目前应用较多的一种执行

30、器，特别是用于搬吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。 2.4.2 吸附式取料手吸附式取料手 气吸附取料手是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力气吸附取料手是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而差而工工作的。具有结构简单，重量轻，吸附力分布均匀等作的。具有结构简单，重量轻，吸附力分布均匀等优点。优点。 按形成压力的方法，可分成真空气吸、气流负压气吸、按形成压力的方法，可分成真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式儿种。挤压排气负压气吸式儿种。 1 1、气吸附取料手、气吸附取料手51气流负压气吸盘气流负

31、压气吸盘挤压排气吸盘挤压排气吸盘真空气吸盘真空气吸盘522 2、磁吸附取料手、磁吸附取料手533 3、专用操作器及换接器专用操作器及换接器54 人手是最灵巧的夹持器，如果模拟人手结构，就能制造人手是最灵巧的夹持器，如果模拟人手结构，就能制造出结构最优的夹持器。但由于人手自由度较多，驱动和控出结构最优的夹持器。但由于人手自由度较多，驱动和控制都十分复杂，迄今为止，只是制造出了一些原理样机，制都十分复杂，迄今为止，只是制造出了一些原理样机，离工业应用还有一定的差距。离工业应用还有一定的差距。 4 4、仿生多指灵巧手仿生多指灵巧手UTACHMIT 多指多指手手 三指三指手手 双拇指双拇指手手 55最

32、小的三指最小的三指手手 BHII 三指手三指手 四指灵巧四指灵巧手手 灵巧的双灵巧的双手手 DLR多指手多指手哈工大多指手哈工大多指手56 手指关节的设计手指关节的设计手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：1) 腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。MIT手、手、JPL手和手

33、和DLR-I手都是这种方式。手都是这种方式。2) 齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间隙，占用空间大。隙，占用空间大。3) 连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能实现连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能实现多种运动规律和轨迹的要求。但是设计复杂，不能精确地满多种运动规律和轨迹的要求。但是设计复杂，不能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如足各种运动规律的要求。典型的如Belgrade手，手，NASA手等。手等。4）欠驱动手指关节，可简化机械结构及控制，但需要满足一）欠驱动手指关节，可简化机械结构及控制，但需要满足

34、一定的力学条件。定的力学条件。57 2.52.5 机器人的手臂结构及平衡机器人的手臂结构及平衡 2.5.1 臂杆的结构及材料臂杆的结构及材料 臂杆多为带有筋板或肋的壳体结构。臂杆多为带有筋板或肋的壳体结构。有中间是多层圆筒形有中间是多层圆筒形套装梁结构，外形象一套装梁结构，外形象一“哑铃哑铃”的组合结构；有箱形结构等。的组合结构；有箱形结构等。 就整体来说，比较复杂的箱体多用铸件。为了减轻整机的就整体来说，比较复杂的箱体多用铸件。为了减轻整机的重量，特别是为了降低大臂、小臂的关节力矩，大、小臂多重量，特别是为了降低大臂、小臂的关节力矩，大、小臂多用轻合金铝铸件。用轻合金铝铸件。 5859 2.

35、5.2 臂杆的平衡臂杆的平衡1、小臂杆的平衡小臂杆的平衡小臂杆通常采用小臂杆通常采用质量平衡法。质量平衡法。其基本原理是合理地分布臂其基本原理是合理地分布臂杆质量，使臂杆重心尽可能地落在支点上，必要时甚至采用杆质量，使臂杆重心尽可能地落在支点上，必要时甚至采用在适当位置上配置平衡质量的方法。在适当位置上配置平衡质量的方法。质量平衡法有质量平衡法有结构自平衡和重块平衡两种方式结构自平衡和重块平衡两种方式。PUMA、KUKA机器人也是按这一原则配置的。但如果臂杆的后部长机器人也是按这一原则配置的。但如果臂杆的后部长度度(无效长度无效长度)太长，不利于机器人在狭窄环境中工作，所以太长，不利于机器人在

36、狭窄环境中工作，所以单采用自重平衡对大负荷操作机还很难取得满意的结果。单采用自重平衡对大负荷操作机还很难取得满意的结果。 机器人操作机手臂的结构设计中必须考虑臂杆的重力平机器人操作机手臂的结构设计中必须考虑臂杆的重力平衡。衡。常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法如采用平衡电机等。弹簧平衡法、气动或液压平衡法如采用平衡电机等。60612、大臂杆的平衡大臂杆的平衡 目前常用的有弹簧和汽缸两种平衡方式。目前常用的有弹簧和汽缸两种平衡方式。 重力项在驱动扭矩中占有很大比例，因此对它进行平衡的意重力项在驱动扭矩中占有很大

37、比例，因此对它进行平衡的意义很大。又因为重力项在运动中是随位置角的正弦或余弦变化义很大。又因为重力项在运动中是随位置角的正弦或余弦变化的，因此，应用弹簧平衡技术最为合适。的，因此，应用弹簧平衡技术最为合适。弹簧结构简单，且无弹簧结构简单，且无需增加动力源，应用最为普遍。需增加动力源，应用最为普遍。62 气动和液压力平衡的原理和弹簧力平衡的原理很相似，但气动和液压力平衡的原理和弹簧力平衡的原理很相似，但它们在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的，它们在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的，不随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到不随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压

38、力很容易得到调节和控制，因此应用得十分广泛。调节和控制，因此应用得十分广泛。 这种平衡技术的缺点是需要有动力源和储能器，因而系统这种平衡技术的缺点是需要有动力源和储能器，因而系统比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量平衡那么简比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量平衡那么简单。而且设计时，如采用这种方案，需考虑在动力源一旦中单。而且设计时，如采用这种方案，需考虑在动力源一旦中断时的防范措施，如手臂会因自重下滑等，以免发生事故。断时的防范措施，如手臂会因自重下滑等，以免发生事故。63 并联机构在并联机构在1965年由年由Stewart提出原是作为飞行模拟器提出原是作为飞行模拟器用于训练飞

39、行员的。机舱由用于训练飞行员的。机舱由6个液压缸支撑和驱动，可以使个液压缸支撑和驱动，可以使机舱获得任何需要的位姿。机舱获得任何需要的位姿。 在串联机器人发展方兴未艾时，澳大利亚著名机构学教授在串联机器人发展方兴未艾时，澳大利亚著名机构学教授Hunt 在在1978年提出。可以应用年提出。可以应用6自由度的自由度的Stewart平台机构平台机构作为机器人机构。到作为机器人机构。到80年代中期，国际上研究并联机器人的年代中期，国际上研究并联机器人的人还寥寥无几。到人还寥寥无几。到80年代末特别是年代末特别是90年代以来，并联式机器年代以来，并联式机器人才被广为主意，并成为了新的热点。人才被广为主意

40、，并成为了新的热点。 2.6 2.6 并联机器人机构并联机器人机构646566673RPS机构机构6RSS机构机构6SPS机构机构6SPS双三角机构双三角机构686RSS机构机构6PSS机构机构6SPS单三角机构单三角机构3RRR球面机构球面机构69 2.7 2.7 移动机器人机构移动机器人机构 移动功能的机器人可认为是人类行走功能的模拟和扩展。移动功能的机器人可认为是人类行走功能的模拟和扩展。一台完全意义上的自主式移动机器人，除具备基本的移动机一台完全意义上的自主式移动机器人，除具备基本的移动机能外，还必须有移动控制功能、环境感知机能和规划决策机能外，还必须有移动控制功能、环境感知机能和规划

41、决策机能。只有这样，机器人才有可能在非结构环境中自主地选择能。只有这样，机器人才有可能在非结构环境中自主地选择行走路径，避开障碍物，利用已有的知识系统进行必要的分行走路径，避开障碍物，利用已有的知识系统进行必要的分析推理和决策，完成从出发地到目的地的自动移动任务。析推理和决策，完成从出发地到目的地的自动移动任务。 移动机器人多是针对陆上表面环境的。其机构形式主要有：移动机器人多是针对陆上表面环境的。其机构形式主要有： (1)车轮式移动机构；车轮式移动机构； (2)履带式移动机构；履带式移动机构； (3)腿足式移动机构。腿足式移动机构。 此外，近有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动此外，

42、近有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合。机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合。70 2.7.1 轮式移动机构轮式移动机构 轮式移动机构依据车轮的数目分为轮式移动机构依据车轮的数目分为1轮、轮、2轮、轮、3轮、轮、4轮、轮、5轮、轮、6轮以及多轮机构。轮以及多轮机构。 轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制方便，轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制方便，运动灵活。缺点是其越野能力较差，但可以通过选择合适的运动灵活。缺点是其越野能力较差，但可以通过选择合适的悬架系统来提高其地形适应能力。悬架系统来提高其地形适应能力。 7172737

43、475 轮轮-地接触简化力学模型地接触简化力学模型)0()() z (1zzzkbkncRQfFQfQrqTF rQ=MgRvFfrTMfFqFddqfFFFQfQf滚动阻力系数滚动阻力系数附着系数附着系数l 硬地面硬地面l 软地面软地面122212112223)(1()3 (1nnncnncDWbkknnRdFH10)cos()(dHcFFR11() (1)(sinsin )/( )(tan )(1)( )tan (1)jrsKKcece 22cottan()(cottan)1(cottan)1 tantan()2tancotcccbccXXXRh chXX 76 车轮类型：车轮类型：77

44、转向方式：转向方式：（Ackerman 转向）转向）78（全方位转向）（全方位转向）2()2()()LRRLRLRLvvvw vvRvvvvw wwRLvRvLvRvv（差动转向）（差动转向）79麦克纳姆轮麦克纳姆轮 轮系机构：轮系机构：80 履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用，着地面积较大，压强较小，与路面的车轮连续铺路的作用，着地面积较大，压强较小，与路面的粘着力较强，能在不平和松软的路面上稳定移动，具有很强粘着力较强，能在不平和松软的路面上稳定移动，具有很强的越野能力，控制也简单。但功耗较大，运动灵活性差。的越野能力，控制也简单。但功耗较大，运动灵活性差。 2.7.2 履带式移动机构履带式移动机构81 履带形式履带形式82越障越障上、下台阶上、下台阶 关节履带关节履带83 履带张紧机构履带张紧机构84 2.7.3 腿足式移动机构腿足式移动机构 腿足式移动系统