机器人的组成结构2

2、机器人的组成结构

一、机器人系统的组成如图所示，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．

驱动系统要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统．感受系统它由内部传感器模块和外部传感器模块组成,获取内部和外部环境状态中有意义的信息．智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准．人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效．机器人一环境交互系统

机器人一环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统．机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等

人一机交互系统

人一机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置：指令给定装置和信息显示装置．控制系统

控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能．如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统．根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统．根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制

操作机器人本体的结构形式机器人本体执行机构驱动装置控制系统感知系统手部（操作器）腕部臂部腰部电驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器

基座（固定或移动）传动装置6手部腕部小臂（上臂）大臂（下臂）腰部

基座控制柜示教盒相关术语及性能指标关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。自由度（Degreeoffreedom）：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。定位精度（Positioningaccuracy）：指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复性（Repeatability）或重复精度：在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。oo工作空间（Workingspace）：机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。二、工业机器器人的机械结结构工业机器人的的机械本体类类似于具备上上肢机能的机机械手，由由手部、腕部部、臂、机身身(有的包括括行走机构)组成。2.1机械手手的操作动作作机械手的动作作形态是由三三种不同的单单动作——旋旋转、回转、、伸缩组合而而成的。旋转和回转是是指运动机构构产生相对运运动。旋转是转动部部件的轴线和和转动轴同轴轴；回转是转动部部件的轴线与与转动轴不同同轴。伸缩是指运动动机构产生直直线运动。2.2机械手手的坐标形式式和自由度（1）根据单单元动作组合合方式的不同同，机械手的的动作形态一一般归纳为以以下四种坐标标类型：①直直角坐标型(图7．2——2)；②圆圆柱坐标型(图7．2——3)；③极极坐标型(图图7．2—4)；④多关关节型(图7．2—5)。直角坐标型机机械手可以在三个互互相垂直的方方向上作直线线伸缩运动，，这类机械手手各个方向的的运动是独立立的，计算和和控制比较方方便，但占地地面积大，限限于特定的应应用场合圆柱坐标型机机械手有一个围绕基基座轴的旋转转运动和两个个在相互垂直直方向上的直直线伸缩运动动。它适用于于采用油压(或气压)驱驱动机构，在在操作对象位位于机器人四四周的情况下下，操作最为为方便。极坐标型机械械手的动作形态包包括围绕基座座轴的旋转，，一个回转和和一个直线伸伸缩运动，其其特点类似于于圆柱型机械械手。多关节型机械械手最接近于人臂臂的构造。它它主要由多个个回转或旋转转关节所组成成，一般都采采用电机驱动动机构。运用用不同的关节节连接方式，，可以完成各各种复杂的操操作。由于具具有占地面积积小，动作范范围大，空间间移动速度快快而灵活等特特点，多关节节型机械手在在各种智能机机器人中被广广为采用。SCARA机器人关关节式式机器人2.3.机身、臂部和和手部机构机身是直接联联接、支承和和传动手臂及及行走机构的的部件。它是是由臂部运动动(升降、平移、、回转和俯仰仰)机构及有关的的导向装置、、支撑件等组组成。由于机机器人的运动动型式、使用用条件、负载载能力各不相相同，所采用用的驱动装置置、传动机构构、导向装置置也不同，致致使机身结构构有很大差异异。一般情况下，，实现臂部的的升降、回转转或或俯仰等等运动的驱动动装置或传动动件都安装在在机身上。臂臂部的运动愈愈多，机身的的结构和受力力愈复杂。机机身既可以是是固定式的，，也可以是行行走式的，即即在它的下部部装有能行走走的机构，可可沿地面或架架空轨道运行行。１．机身结构构常用的机身结结构：１）升降回转转型机身结构构２）俯仰型机机身结构３）直移型机机身结构４）类人机器器人机身结构构２．臂部结构构手臂部件(简称臂部)是机器人的主主要执行部件件，它的作用用是支撑腕部部和手部，并并带动它们在在空间运动。。机器人的臂臂部主要包括括臂杆以及与与其伸缩、屈屈伸或自转等等运动有关的的构件，如传传动机构、驱驱动装置、导导向定位装置置、支撑联接接和位置检测测元件等。此此外，还有与与腕部或手臂臂的运动和联联接支撑等有有关的构件、、配管配线等等。１）伸缩型臂臂部结构２）转动伸缩缩型臂部结构构３）驱伸型臂臂部结构４）其他专用用的机械传动动臂部结构３．机身和臂臂部的配置形形式机身和臂部的的配置形式基基本上反映了了机器人的总总体布局。由由于机器人的的运动要求、、工作对象、、作业环境和和场地等因素素的不同，出出现了各种不不同的配置形形式。目前常常用的有如下下几种形式：：（１）横梁式式（２）立柱式式（３）机座式式（４）驱伸式式横梁式：机身设计成横横梁式，用于于悬挂手臂部部件，这类机机器人的运动动形式大多为为移动式。它它具有占地面面积小，能有有效利用空间间，直观等优优点。横梁可可设计成固定定的或行走的的，一般横梁梁安装在厂房房原有建筑的的柱梁或有关关设备上，也也可从地面架架设。立柱式：立柱式机器人人多采用回转转型、俯仰型型或屈伸型的的运动型式，，是一种常见见的配置形式式。一般臂部部都可在水平平面内回转，，具有占地面面积小而工作作范围大的特特点。立柱可可固定安装在在空地上，也也可以固定在在床身上。立立主式结构简简单，服务于于某种主机，，承担上、下下料或转运等等工作。机座座式式：机身身设设计计成成机屈伸伸式式：屈伸伸式式机机器器人人的的臂臂部部由4、手手腕腕结结构构手腕腕是联联接接手手臂臂和和手手部部的的结结构构部部件件，，它它的的主主要要作作用用是是确确定定手手部部的的作作业业方方向向。。因因此此它它具具有有独独立立的的自自由由度度，，以以满满足足机机器器人人手手部部完完成成复复杂杂的的姿姿态态。。要确确定定手手部部的的作作业业方方向向，，一一般般需需要要三三个个自自由由度度，，这这三三个个回回转转方方向向为为：：１））臂臂转转绕绕小小臂臂轴轴线线方方向向的的旋旋转转。。２））手手转转使使手手部部绕绕自自身身的的轴轴线线方方向向旋旋转转。。３））腕腕摆摆使使手手部部相相对对于于臂臂进进行行摆摆动动。。手腕腕结结构构多多为为上上述述三三个个回回转转方方式式的的组组合合，，组组合合的的方方式式可可以以有有多多种种形形式式如如下下图图所所示示：：腕部结结构的的设计计要满满足传传动灵灵活、、结构构紧凑凑轻巧巧、避避免干干涉。。机器器人多多数将将腕部部结构构的驱驱动部部分安安排在在小臂臂上。。首先先设法法使几几个电电动机机的运运动传传递到到同轴轴旋转转的心心轴和和多层层套筒筒上去去。运运动传传入腕腕部后后再分分别实实现各各个动动作。。柔顺手手腕在用机机器人人进行行精密密装配配作业业中，，当被被装配配零件件的不不一致致、工工件的的定位位夹具具、机机器人人的定定位精精度不不能满满足装装配要要求时时，会会导致致装配配困难难。这这就提提出了了柔顺顺性要要求。。柔顺装装配技技术有有两种种：一一种是是从检检测、、控制制的角角度，，采取取各种种不同同的搜搜索方方法，，实现现边校校正边边装配配。一种是是从机机械结结构的的角度度在手手腕部部配置置一个个柔顺顺环节节，以以满足足柔顺顺装配配的要要求。。5、手部部机构构机器人人的手手部是是是最最重要要的执执行机机构。。机器人人手部部是机机器人人为了了进行行作业业，在在手腕腕上配配置的的操作作机构构。因因此有有时也也称为为末端端操作作器。。由于机机器人人作业业内容容的差差异（（如搬搬运、、装配配、焊焊接、、喷涂涂等））和作作业对对象的的不同同（如如轴类类、板板类、、箱类类、包包类物物体等等），，手手部部的形形式多多样。。综合考考虑手手部的的用途途、功功能和和结构构持点点，大大致可可分成成以下下几类类：1．卡爪爪式夹夹持器器；2．吸附式式取料手手；3．专用操操作器及及换接器器4．仿生多多指灵巧巧手。34卡爪式夹夹持器通常有两两个夹爪爪，分为为回转型型和平移移型两种种类型。。卡爪式夹夹持器几种弹力力抓手1）弹力夹夹持器352）回转转型夹持持器开合占用用空间较小夹持中心心变化363）平移型型夹持器器开合占用用空间较大夹持中心心保持不变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：41吸式取料料手是目目前应用用较多的的一种执执行器，，特别是是用于搬搬运机器器人。该该类执行行器可分分气吸和和磁吸两两类。吸附式取取料手气吸附取取料手是是利用吸吸盘内气气压与大大气压之之间的压压力差而而工作的。具具有结构构简单，，重量轻轻，吸附附力分布布均匀等等优点。。按形成压压力的方方法，可可分成真真空气吸吸、气流流负压气气吸、挤挤压排气气负压1）气吸附附取料手手气流负压压气吸盘盘挤压排气气吸盘真空气吸吸盘422）磁吸附附取料手手43专用操作作器及换换接器44人手是最最灵巧的的夹持器器，如果果模拟人人手结构构，就能能制造出出结构最最优的夹夹持器。。但由于于人手自自由度较较多（20个），驱驱动和控控制都十十分复杂杂，迄今今为止，，只是制制造出了了一些原原理样机机，离工工业应用用还有一一定的差差距。仿生多指指灵巧手手UTACH／MIT多指手三指手双拇指手45最小的三三指手BH—II三指手四指灵巧巧手灵巧的双双手DLR多指手哈工大多多指手46手指关节节的设计计手指主要要用于抓抓握动作作，要求求动作灵灵活，刚刚度好，，具有较较大的抓抓握力。。就其手手的结构构而言，，传动机机构有三三种方式式：1)腱传动，，特点是是结构简简单，节节省空间间，具有有很高的的抗拉强强度和很很轻的重重量，但但刚性差差，较大大的弹性性，不利利于控制制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是这这种方式式。2)齿轮传动，特特点是传动比比可靠，但是是摩擦较大，，有回程间隙隙，占用空间间大。3)连杆传动，刚刚度好，加工工制造比较简简单，高精度度，能较好的的实现多种运运动规律和运运动轨迹的要要求。但是设设计复杂，不不能精确地满满足各种运动动规律的要求求。典型的如如Belgrade手，NASA手等。4）欠驱动手指指关节1）车轮型5、移动机器人人两轮型三轮型四轮型2）履带式式救援机器人3）步行式（足式行走））履带式行走机机构虽然可在高低低不平的地面面上运动，但但它的适应性性不够，行走走时候晃动太太大，在软地地面上行驶运运动效率低。。根据调查，，在地球上近近一半的地面面不适合于传传统的轮式或或履带式车辆辆行走。但是是一般多足动动物却能在这这些地方行动动自如，显然然足式与轮式式和履带式行行走方式相比比具有独特的的优势。足式行走对崎岖路面具具有很好的适适应能力一，，足式运动方方式的立足点点是离散的点点，可以在可可能到达的地地面上选择最最优的支撑点点，而轮式和和履带行走工工具必须面临临最坏的地形形上的几乎所所有点；足式式运动方式还还具有主动隔隔振能力，尽尽管地面高低低不平，机身身的运动仍然然可以相当平平稳；足式行行走在不平地地面和松软地地面上的运动动速度较高，，能耗较少。。（１）足的数数目现有的步行机机器人的足数数分别为单足足、双足、三三足、四足、、六足、八足足甚至更多。。足的数目多多，适合于重重载和慢速运运动。双足和和四足具有最最好的适应性性和灵活性，，也最接近人人类和动物。。下页图显示了单足、、双足、三足足、四足和六六足行走结构构。（２）足的配配置足的配置指足足相对于机体体的位置和方方位的安排，，这个问题对对于多于两足足时尤为重要要。就二足而而言，足的配配置或者是一一左一右，或或者是一前一一后。后一种种配置因容易易引起腿间的的干涉而实际际上很少用到到。几何构型弯曲方向（３）足式行行走机构的平平衡和稳定性性静态稳定的多多足机其机身的稳定定通过足够数数量的足支撑撑来保证。在在行走过程中中，机身重心心的垂直投影影始终落在支支撑足着落地地点的垂直投投影所形成的的凸多边形内内。这样，即即使在运动中中的某一瞬时时将运动“凝凝固”，机体体也不会有倾倾覆的危险。。这类行走机机构的速度较较慢，它的步步态为爬行或或步行。动态稳定典型的例子是是踩高跷。高高跷与地面只只是单点接触触，两根高跷跷在地面不动动时站稳是非非常困难的，，要想原地停停留，必须不不断踏步，不不能总是保持持步行中的某某种瞬间姿态态。在动态稳定中中，机体重心心有时不在支支撑图形中，，利用这种重重心超出面积积外而向前产产生倾倒的分分力作为行走走的动力并不不停地调整平平衡点以保证证不会跌倒。。这类机构一一般运动速度度较快，消耗耗能量小。其其步态可以是是小跑和跳跃跃。4）其它移动动方式军用昆虫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三、机器人的的驱动系统3.1关节直接驱动动方式直接驱动方式式是驱动器的的输出轴和机机器人手臂的的关节轴直接接相连．间接驱动方式式是驱动器经经过减速器或或钢丝绳、皮皮带、平行连连杆等装置后后与关节轴相相连(1)关节间间接驱动方式式的缺点．大大部分机器人人的关节是间间接驱动．这这种间接驱动动，通常其驱驱动器的输出出力矩大大小小于驱动关节节所需要的力力矩，所以必必须使用减速速器．另外，，由于手臂通通常采用悬臂臂梁结构，所所以多自由度度机器人关节节上安装减速速器会使手臂臂根部关节驱驱动器的负荷荷增大目前中小型机机器人一般采采用普通的直直流伺服电机机、交流伺服服电机或步进进电机作为机机器人的执行行电机．由于于电机速度较较高，所以需需配以大速比比减速装置，，进行间接传传动．但是，，间接驱动带带来了机械传传动中不可避避免的误差，，引起冲击振振动，影响机机器人系统的的可靠性，并并且增加关节节重量和尺寸寸(2)关节直直接驱动方式式直接驱动机器器人也叫作DD机器人(Directdriverobot)，简称DDR．DD机器人一般指指驱动电机通通过机械接口口直接与关节节连接．DD机器人的特点点是驱动电机机和关节之间间没有速度和和转矩的转换换DD机器人与间接接驱动机器人人相比，有如如下优点：①①机械传动精精度高．②振振动小，结构构刚度好．③③机械传动损损耗小．④结结构紧凑，可可靠性高．⑤⑤电机峰值值转矩大，电电气时间常数数小，短时间间内可以产生生很大转矩，，响应速度快快，调速范围围宽．⑥控制制性能较好．．日本、美国等等工业发达国国家已经开发发出性能优异异的DD机器人．美国国Adept公司研制出带带有视觉功能能的四自由度度平面关节型型DD机器人．日本本大日机工公公司研制成功功了五自由度度关节型DD一600V机器人．其性性能指标为：：最大工作范范围1．2m，可搬重量5kg，最大运动速度度8．2m／s，重复定位精度度0．05mmDD机器人目前主主要存在的问问题①载荷荷变化、耦合合转矩及非线线性转矩对驱驱动及控制影影响显著，使使控制系统设设计困难和复复杂杂．②对位置置、速度的传传感元件提出出了相当高的的要求③需开发小型实实用的DD电机．④电电机成本高3.2驱动元件(1)液液(气)压驱驱动液(气)压缸缸液(气)压马马达(2)步进电电动机驱动在小的机器人人上，有时也也用步进电机机作为主驱动动电机。可以以用编码器或或电位器提供供精确的位置置反馈，所以以步进电机也也可用于闭环环控制步进电机是通通过脉冲电流流实现步进的的，因此每给给一个脉冲转转子便转动一一个步距。在精度要求求不高的情况况下，没有必必要加入位置置反馈(3)直流流电动机驱驱动直流电动机机与步进电电动机是工工业机器人人中应用最最广泛的两两种电动机机，但两者者的动作方方式有本质质上的区别别。直流电电动机是连连续旋转，，运动连续续且平滑，，且本身没没有位置控控制能力要实现精确确的位置控控制，必须须加入某种种形式的位位置反馈，，构成闭环环伺服系统统；有时，，机器人的的运动还有有速度要求求，所以还还要加入速速度反馈。。一般直流电电动机和位位置反馈、、速度反馈馈形成一个个整体，即即通常所说说的直流伺伺服电机。由于采用用闭环伺服服控制，所所以能实现现平滑的控控制和产生生大的力矩矩当今大部分分机器人都都采用直流流伺服电机机驱动机器器人的各个个关节,但但