机器人的组成结构

1、 机器人的组成结构 机器人系统的组成如图21所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统驱动系统统要使机器器人运行行起来，需给各个个关节即即每个运运动自由由度安置置传动装装置，这就是是驱动系系统感受系统统它由内部部传感器器模块和和外部传传感器模模块组成成,获取取内部和和外部环环境状态态中有意意义的信信息智智能传感感器的使使用提高高了机器器人的机机动性、适应性性和智能能化的水水准人人类的感感受系统统对感知知外部世世界信息息是极其其灵巧的的，然而而，对于于一些特特殊的信信息，传传感器比

2、比人类的的感受系系统更有有效机器人一一环境交交互系统统机器人一一环境交交互系统统是实现现机器人人与外部部环境中中的设备备相互联联系和协协调的系系统机机器人与与外部设设备集成成为一个个功能单单元，如如加工制制造单元元、焊接接单元、装配单单元等人一机交交互系统统人一机交交互系统统是人与与机器人人进行联联系和参参与机器器人控制制的装置置 ：指指令给定定装置和和信息显显示装置置控制系统统控制系统统的任务务是根据据机器人人的作业业指令程程序以及及从传感感器反馈馈回来的的信号，支配机机器人的的执行机机构去完完成规定定的运动动和功能能如果果机器人人不具备备信息反反馈特征征，则为为开环控控制系统统；具备备信息

3、反反馈特征征，则为为闭环控控制系统统根据据控制原原理可分分为程序序控制系系统，适适应性控控制系统统和人工工智能控控制系统统根据据控制运运动的形形式可分分为点位位控制和和连续轨轨迹控制制相关术语语及性能能指标关节（Joint）：即运动动副，允允许机器器人手臂臂各零件件之间发发生相对对运动的的机构。连杆（Link）：机器人手手臂上被被相邻两两关节分分开的部部分。自由度（Degreeoffreedom） ：或或者称坐坐标轴数数，是指指描述物物体运动动所需要要的独立立坐标数数。手指指的开、合，以以及手指指关节的的自由度度一般不不包括在在内。刚度（Stiffness）：机身或臂臂部在外外力作用用下抵抗抗

4、变形的的能力。它是用外外力和在在外力作作用方向向上的变变形量（位移）之比来来度量。定位精度度（Positioningaccuracy）：指机器人人末端参参考点实实际到达达的位置置与所需需要到达达的理想想位置之之间的差差距。重复性（Repeatability）或重复精精度：在在相同同的位置置指令下下，机器器人连续续重复若若干次其其位置的的分散情情况。它它是衡量量一列误误差值的的密集程程度，即即重复度度。oo工作空间间（Working space）：机器人手手腕参考考点或末末端操作作器安装装点（不不包括末末端操作作器）所所能到达达的所有有空间区区域，一一般不包包括末端端操作器器本身所所能到达达的区

5、域域。工业机器器人的机机械结构构工业机器器人的机机械本体体类似于于具备上上肢机能能的机械械手，由手部部、腕部部、臂、机身(有的包包括行走走机构)组成。2.2.1机械械手的操操作动作作机械手的的动作形形态是由由三种不不同的单单动作旋转转、回转转、伸缩缩组合而而成的。旋转和回回转是指指运动机机构产生生相对运运动。旋转是转转动部件件的轴线线和转动动轴同轴轴；回转是转转动部件件的轴线线与转动动轴不同同轴。伸缩是指指运动机机构产生生直线运运动。2.2.2机械械手的坐坐标形式式和自由由度（1）根根据单元元动作组组合方式式的不同同，机械械手的动动作形态态一般归归纳为以以下四种种坐标类类型：直角坐坐标型(图7

6、22)；圆柱坐坐标型(图723)；极坐标标型(图图724)；多多关节型型(图725)。直角坐标标型机械械手可以在三三个互相相垂直的的方向上上作直线线伸缩运运动，这这类机械械手各个个方向的的运动是是独立的的，计算算和控制制比较方方便，但但占地面面积大，限于特特定的应应用场合合圆柱坐标标型机械械手有一个围围绕基座座轴的旋旋转运动动和两个个在相互互垂直方方向上的的直线伸伸缩运动动。它适适用于采采用油压压(或气气压)驱驱动机构构，在操操作对象象位于机机器人四四周的情情况下，操作最最为方便便。极坐标型型机械手手的动作形形态包括括围绕基基座轴的的旋转，一个回回转和一一个直线线伸缩运运动，其其特点类类似于圆

7、圆柱型机机械手。多关节型型机械手手最接近于于人臂的的构造。它主要要由多个个回转或或旋转关关节所组组成，一一般都采采用电机机驱动机机构。运运用不同同的关节节连接方方式，可可以完成成各种复复杂的操操作。由由于具有有占地面面积小，动作范范围大，空间移移动速度度快而灵灵活等特特点，多多关节型型机械手手在各种种智能机机器人中中被广为为采用。SCARA机器人关关节节式机器器人2.2.3机器人机构运动动简图(1)PUMA一262机器人人机构图21是PUMA系列一种种较小的的机器人人PUMA一262机器人人机构(操作机机)的外外形直观观图。它它有一个个立柱，可以垂垂直回转转，称作作腰关节节，也称称1轴。有大臂

8、臂、小臂臂，它们们的回转转轴称作作肩关节节(2轴轴)和肘肘关节(3轴)。这3个轴和和杆，构构成了该该机器人人的位置置机构(又称主主关节轴轴组)，即由他他们的几几何参数数(杆杆长和偏偏距)和和运动参参数(关关节轴的的转角)决定手手腕(参参考点)的空间间活动范范围(工工作空间间)。手手腕具有有3个互互相垂直直的回转转轴(4、5、6轴)，它们们是姿态态机构(又称副副关节轴轴组)，即它们们的转角角确定着着工具(图中未未画)的的空间姿姿态。PUMA262型机器人人具有六六个自由由度，可可以进行行复杂空空间曲面面的弧焊焊作业6个关节节轴由6个独立立的电机机驱动，由图22可可以看出出，电机机1通过过两对齿齿

9、轮传动动带动立立柱回转转；电机机2通过过联轴器器、一对对圆锥齿齿轮和一一对圆柱柱齿轮带带动齿轮轮Z，齿轮Z绕与立柱柱固联的的齿轮Z转动，于于是形成成了大臂臂相对于于立柱的的回转运运动；电电机3通通过两个个联轴器器和一对对圆锥齿齿轮、两两对圆柱柱齿轮(Z固联于小小臂上)驱动小小臂相对对于大臂臂回转；电机4先通过过一对圆圆柱齿轮轮、两个个联轴器器和另一一对圆柱柱齿轮(Z固联于手手腕的套套筒上)驱动手手腕相对对于小臂臂回转；电机5通过联联轴器、一对圆圆柱齿轮轮、一对对圆锥齿齿轮(Z联于手腕腕的球壳壳上)驱驱动手腕腕相对于于小臂(亦即相相对于手手腕的套套筒)摆摆动()；电电机6通通过联轴轴器、两两对圆

10、锥锥齿轮和和一对圆圆柱齿轮轮驱动机机器人的的机械接接口(法法兰盘)相对于于手腕的的球壳回回转()可以看出出，6个个电机通通过一系系列的联联轴器和和齿轮副副，形成成了6条条传动链链，得到到了6个个转动自自由度，从而形形成了一一定的工工作空间间并使工工具各式式各样的的运动姿姿势这里所使使用的联联轴器，都是具具有挠性性的螺旋旋形联轴轴器(如如图23)；齿轮传传动都具具有消隙隙机构，从而保保证了正正反转时时的回差差在一定定的精度度范围内内。由于于先进的的制造技技术，虽虽然使用用了一般般的多级级齿轮传传动，但但仍具有有很高的的运动和和定位精精度(2)机器人机构运动动简图直角坐标式圆柱坐标式1234561

11、23456多关节型型机械手手2.2.4工业机器器人手部部(手爪)结构1.滑槽杠杆杆式手部部2.齿轮齿条式手部3.滑块杠杆式手部4.斜楔杠杆式5.移动型连杆式手部6.齿轮齿条式手部7.内涨斜块式手部8.连杆杠杆式手部手指类型型：电磁式吸盘盘气吸式吸吸盘常见的另另两种手手部:滚动轴承座圈钢板齿轮多孔钢板双吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘其它手部部:2.2.5工业机器器人腕部部结构腕部影响响手部的的姿态（方位）2.2.6工业机器器人臂部部结构臂部确定定手部的的位置1.车轮型2.3移移动机机器人两轮型三轮型四轮型2.履带式救援机器人3.步行式4.其它移动动方式军用昆虫

12、机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人蛇形机器人2.4机机器人的的驱动系系统2.4.1关节节直接驱驱动方式式直接驱动动方式是是驱动器器的输出出轴和机机器人手手臂的关关节轴直直接相连连间接驱动动方式是是驱动器器经过减减速器或或钢丝绳绳、皮带带、平行行连杆等等装置后后与关节节轴相连连(1)关关节间接接驱动方方式的缺缺点大大部部分机器器人的关关节是间间接驱动动这种种间接驱驱动，通通常其驱驱动器的的输出力力矩大大大小于驱驱动关节节所需要要的力矩矩，所以以必须使使用减速速器另另外，由由于手臂臂通常采采用悬臂臂梁结构构，所以以多自由由度机器器人关节节上安装装减速器器会使手手臂根部部关节驱驱动器的的

13、负荷增增大目前中小小型机器器人一般般采用普普通的直直流伺服服电机、交流伺伺服电机机或步进进电机作作为机器器人的执执行电机机由于于电机速速度较高高，所以以需配以以大速比比减速装装置，进进行间接接传动但是，间接驱驱动带来来了机械械传动中中不可避避免的误误差，引引起冲击击振动，影响机机器人系系统的可可靠性，并且增增加关节节重量和和尺寸(2)关关节直接接驱动方方式直接驱动动机器人人也叫作作DD机器人(Directdriverobot)，简称DDRDD机器人一一般指驱驱动电机机通过机机械接口口直接与与关节连连接DD机器人的的特点是是驱动电电机和关关节之间间没有速速度和转转矩的转转换 DD机器人与与间接驱

14、驱动机器器人相比比，有如如下优点点：机机械传动动精度高高振振动小，结构刚刚度好机械械传动损损耗小结构构紧凑，可靠性性高电机机峰值转转矩大，电气时时间常数数小，短短时间内内可以产产生很大大转矩，响应速速度快，调速范范围宽控制制性能较较好日本、美美国等工工业发达达国家已已经开发发出性能能优异的的DD机器人美国Adept公司研制制出带有有视觉功功能的四四自由度度平面关关节型DD机器人日本大大日机工工公司研研制成功功了五自自由度关关节型DD一600V机器人其性能能指标为为：最大大工作范范围12m，可搬重量量5kg，最大运动动速度82ms，重复定位位精度005mmDD机器人目目前主要要存在的的问题载荷荷

15、变化、耦合转转矩及非非线性转转矩对驱驱动及控控制影响响显著，使控制制系统设设计困难难和复杂杂对位置置、速度度的传感感元件提提出了相相当高的的要求需开发小小型实用用的DD电机电机机成本高高2.4.2驱驱动元元件(1)液液(气)压压驱动液(气)压缸液(气)压马达达(2)步步进电动动机驱动动在小的机机器人上上，有时时也用步步进电机机作为主主驱动电电机。可可以用编编码器或或电位器器提供精精确的位位置反馈馈，所以以步进电电机也可可用于闭闭环控制制步进电机机是通过过脉冲电电流实现现步进的的，因此此每给一一个脉冲冲转子便便转动一一个步距距。在精度度要求不不高的情情况下，没有必必要加入入位置反反馈(3)直直流

16、电动动机驱动动直流电动动机与步步进电动动机是工工业机器器人中应应用最广广泛的两两种电动动机，但但两者的的动作方方式有本本质上的的区别。直流电电动机是是连续旋旋转，运运动连续续且平滑滑，且本本身没有有位置控控制能力力要实现精精确的位位置控制制，必须须加入某某种形式式的位置置反馈，构成闭闭环伺服服系统；有时，机器人人的运动动还有速速度要求求，所以以还要加加入速度度反馈。一般直流流电动机机和位置置反馈、速度反反馈形成成一个整整体，即即通常所所说的直直流伺服服电机。由于采采用闭环环伺服控控制，所所以能实实现平滑滑的控制制和产生生大的力力矩当今大部部分机器器人都采采用直流流伺服电电机驱动动机器人人的各个

17、个关节,但它们们也有一一些缺点点，如转速不能能太高近年来，新发展展起来的的无刷直直（交）流伺服服电动机机克服了了上述缺缺点，并并保留了了直流伺伺服电动动机的优优点，因因此无刷刷电动机机逐渐取取代了直直流伺服服电动机机（4）无无刷直(交)流流伺服电电动机原理由图可见见，转子子是由永永久磁铁铁组成，定子有有绕组线线圈，可可以通过过机壳把把绕组热热量散发发出去，因此，同功率率的无刷刷电动机机体积质质量比较较直流伺伺服电动动机小得得多，或或者说同同体积电电动机，无刷电电动机功功率远大大于直流流电动机机。像直直流电动动机一样样，无刷刷电动机机也需要要有绕组组电流的的换向功功能，但但不是由由机械式式换向器

18、器实现，由于组组接到外外部的驱驱动电路路上，驱驱动电路路可以根根据转子子位置信信息利用用电子开开关来改改变流向向电枢的的电流方方向无刷电动动机分类类:梯形波电电动机和和正弦波波电动机机。前者者也称为为直流无无刷电动动机(DCbrushless)后者称为为交流无无刷电动动机或交交流伺服服电动机机直流无刷刷电动机机(梯形形波电机机)：从从无刷电电动机原原理可以以知道，它的绕绕组数仅仅23个(2或3相相)，这这数目远远小于直直流有刷刷伺服电电动机定定子绕组组数目。因此如如何减小小无刷电电动机工工作时转转矩波动动，是一一个关键键性问题题。通过过无刷电电动机定定子绕组组的电流流幅值越越大，产产生的转转矩

19、越大大。为减减小转矩矩波动，限止电电流幅值值，而呈呈平顶状状，如图图63l所示。由由梯形波波代替正正弦波来来驱动电电动机，简化了了驱动电电路，但但为进一一步减小小转矩波波动，这这种电动动机的控控制系统统要有速速度负反反馈环，这样通通过速度度负反馈馈的作用用使转速速平稳正弦波电电动机(交流无无刷伺服服电动机机)：顾顾名思义义，它是是由正弦弦波电流流驱动的的。对三三相情况况，电流流相位差差120。，而而且这三三相电流流是随转转子位置置不同而而不同的的，也就就是说，转子的的位置检检测需更更精确，驱动电电路也比比梯形波波电动机机的更复复杂，但但却代表表着无刷刷电动机机最高水水平，因因为它能能保持恒恒定转矩矩输出2.4.3伺服服电机的的选定和和传动比比的确定定(1)初初选电机机首先电机机必须能能够提供供负载所所需要的的瞬时转转矩和转转速如果要求求电机在在峰值下以以峰值转转速驱动动负载，则电机机功率可可按下式式估算电机功率率，W负载峰值值力矩负载峰值值转速传动装置置的效率率，初步步估算时时取=07O9当电机长长期连续续地工作作在变载载荷之下下时，比比较合理理的是按负载均均方