第2章 机器人的机械结构系统

1机器人控制技术与实践

2第二章机器人的机械结构系统2.1机械结构系统的主要参数2.2机械臂2.3行走机构2.4机械结构设计实例2.53D打印3第二章机器人的机械结构系统

机器人机械结构系统是机器人的支承基础和执行机构，具备完善、合理的结构是保证机器人是能够精准、高效工作的基础。机械结构的缺陷会限制功能的发挥，即使程序再完美也无法达到期望的效果，因此机器人的机械结构设计直接决定机器人工作性能的好坏。42.1机械结构系统的主要参数

一、自由度

机器人的自由度是指确定机器人关节在空间的位置和姿态时所需要的独立运动坐标轴的数目，通常机器人的自由度数等于关节数目。52.1机械结构系统的主要参数

二、工作范围

工作范围是指机器人执行器（如手臂末端或手腕中心）所能到达的所有空间区域的集合，也称为工作区域。

工作范围的形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。（a）侧视图（b）俯视图62.1机械结构系统的主要参数

三、工作速度

工作速度是指机器人在工作载荷下，机械接口中心在单位时间内匀速移动的距离或转动的角度。

工作速度受机器人所承载的重量和位置精度有密切的关系，且影响着机器人的工作效率。72.1机械结构系统的主要参数

四、工作载荷

工作载荷是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩表示。

机器人的载荷与负载的质量，以及移动速度和加速度大小与方向有着密切关系。

工作载荷还受机器人末端操作器的质量和惯性力影响，为了保证安全，一般将高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。82.1机械结构系统的主要参数

五、驱动方式

驱动装置是机器人的动力之源，目前机器人常用的三种驱动器分别为液压式、气动式和电气式。

其选择原则主要有：（1）驱动装置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（2）驱动装置要求关键指标：力矩大、调速范围宽、惯量小和尺寸小92.1机械结构系统的主要参数

六、精度

精度代表的是机器人在空间内，将其执行装置定位到程序设定位置的能力。

通常机器人精度主要是指定位精度，具体是指机器人执行末端实际能到达的位置与目标位置之间的差异。102.1机械结构系统的主要参数

七、重复性

重复性是指从同样的位置开始，采用相同的程序、载荷和安装设置，机器人的执行机构能够到达目标位置的有效球形空间半径。

重复性代表了机器人的执行机构在相同的命令下，多次返回至同一位置的能力，可度量多次轨迹之间的误差。它是衡量一系列误差值的密集度，即重复度。112.1机械结构系统的主要参数

八、分辨率

分辨率是指能够由机器人执行器实现的最小增量值，比如移动距离或转动角度。

机器人通过传感器控制运动和精确定位时，分辨率是重要的参数之一。目前多数机器人执行机构的分辨率是依据执行机构编码器的分辨率，或伺服电机和传动装置的步长来计算获得。122.2机械臂

常见的各类机器人机械结构主要分为三部分：机身、手臂（包括手腕）和手部。132.2机械臂

一、机械臂的结构

机器人手臂是连接机身和手腕的部分，用于改变手部的空间位置，并将各种载荷传递到机座。

常见关节型机器人的机械臂主要由腰部、臂部和手腕组成。142.2机械臂

二、关节

关节，也称为运动副，在运动学上是指两个物体之间的连接，它限制了两个物体间的相对运动，所以相互连接的两个物体便构成了一个关节。（a）垂直平移（b）平行平移（c）平面旋转（d）空间旋转152.2机械臂

1、平移关节

平移关节，又称为平移副、棱柱关节或滑动关节，是两杆件间的组件能使其中一件相对于另一件作直线运动的关节。

平移关节有两种基本类型：单级型和伸缩型。单级型关节由一个可以沿另一个固定表面移动的表面组成。伸缩型关节本质上是由单级型关节组合而成。162.2机械臂

2、旋转关节

旋转关节，又称为回转副、回转关节和转动关节，是连接两杆件的组件能使其中一件相对于另一件绕固定轴转动的关节，两个构件之间只做相对转动的运动副。

旋转关节的刚度或者抵抗其他干扰运动的能力是其最重要的评价指标之一。在刚度设计中应考虑的关键因素有轴的直径、误差和间隙，轴承的支撑结构，以及在梁上加载合适的预载荷。172.2机械臂

三、腕部的结构

机器人腕部是连接手部和手臂的部分，主要用于给手臂传递作业载荷和改变手部的空间方向。

腕部能分别在X、Y、Z三个坐标轴的转动，即具有翻转关节（Roll，R关节）、折曲关节（Bend，B关节）、移动关节（Translate，T关节）。182.2机械臂

三、腕部的结构

192.2机械臂

四、手部结构

机器人的手也叫末端操作器或末端执行器，是在机械臂腕部配置的操作机构，相当于人的手，其主要作用是夹持工件或按照规定的程序完成指定的工作。

202.2机械臂

五、传动方式

机器人传动机构的基本要求主要有：（1）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，以提高整机的固有领率，降低整机的低频振动；（3）回差小，即旋转变向时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长与价格低。

212.2机械臂

五、传动方式

1.齿轮传动

齿轮传动是通过齿轮传递空间任意两轴间的运动和动力，是现代机械传动中应用最广泛的一种机械传动方式。222.2机械臂

五、传动方式

2.带传动

带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动，通常由主动轮1、从动轮2和张紧在两轮上的环形带3组成。232.2机械臂

五、传动方式

3.链传动

链传动是通过链条与链轮的啮合，将主动链轮的运动和动力传递到从动链轮的一种传动方式。242.3行走机构

行走机构是机器人实现迅速灵活移动的关键部分，它由驱动装置、位置检测元件、传动机构、传感器、电缆及管路等组成。固定轨迹式主要应用于工业机器人，而无固定轨迹式按机器人的行走方式可分为轮式、履带式和足式。

252.3行走机构

一、足式

足式行走机构能较好地适应崎岖地形，因其行走触地点是离散的，可选择优化其可能到达的地面支撑点，262.3行走机构

一、足式

1.单足机器人

单足机器人因其单条腿的结构特性，导致其平衡性较差，且行走困难。

早期的单足机器人是模仿青蛙的跳跃运动被设计为弹跳式机器人。

单足弹跳机器人相比轮式和爬行机器人可跳跃数倍于自身高度的障碍物，且弹跳运动的爆发性有利于其躲避危险，这也促进了单足弹跳机器的研究发展。272.3行走机构

一、足式

2.双足机器人

双足机器人是仿人双足直立行走和能完成相关动作的类人机器人。

双足步行机器人对非结构性的复杂地面具有良好的适应性、自动化程度高，并且移动盲区小等优点，使其成为机器人领域的重要发展方向之一。282.3行走机构

一、足式

3.多足机器人

多足机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构的足式机器人。

多足一般指四足以及四足以上，常见多足机器人同双足一样多采用对称式足部结构，最典型的就是四足机器人和六足机器人。

292.3行走机构

二、轮式

轮式行走机构是以驱动轮子来带动机器人进行移动，较适合平坦的路面，由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、工作效率高等特点，从而被广泛应用，在陆地机器人中轮式也是使用最多的行走机构。

302.3行走机构

二、轮式

1.车轮形式

轮式行走机构的车轮形式取决于其使用的地形地貌和车辆载重情况。常见的车轮有：实心、充气、全向轮（OmniWheel）或麦克纳姆轮（MecanumWheel）。

312.3行走机构

二、轮式

2.车轮的配置和转向机构

车轮行走机构根据车轮的数量可分为：一轮、二轮、三轮、四轮以及多轮机构。其中，一轮和二轮行走机构的稳定性问题一定程度上限制了其应用范围；三轮和四轮则相对稳定，被广泛应用于日常生活中的轮式行走机构中。

322.3行走机构

二、轮式

3.轮式越障机构

常规的轮式行走机构对崎岖不平地面适应性较差，为了提高轮式机器人的地面适应能力，研究人员开发了轮式越障机构。

332.3行走机构

三、履带式

履带式行走机构是轮式移动机构的拓展，其通过在驱动轮和一系列滚轮外侧环绕循环履带，使车轮不直接与地面接触，而是通过循环履带与地面发生作用，再通过驱动轮带动履带，实现车轮在履带上的相对滚动的同时，履带在地面反复连续向前铺设，从而带动底盘运动。

342.3行走机构

三、履带式

1.履带式行走机构的组成与形状

履带式行走机构主要由履带、驱动链轮、支撑轮、拖带轮和张紧轮组成。

352.3行走机构

三、履带式

1.履带式行走机构的组成与形状

常见的履带式行走机构的形状有：一字形和倒梯形。

362.4机械结构设计实例

本节主要介绍如何通过SolidWorksCAD软件来制作一个结构件实例。一、SolidWorks简介SolidWorksCAD软件是一款机械自动化设计的应用程序。用户使用它能快速地按照其设计思路绘制草图，尝试运用多种模型特性与不同尺寸，生成模型和工程图。372.4机械结构设计实例

二、SolidWorks基础知识

1、用户界面SolidWorks应用程序的用户界面包括：文档窗口、工具和功能选择等，帮助高效率地生成和编辑模型。SolidWorks文档窗口的管理器窗口主要包括：FeatureManager、PropertyManager和ConfigurationManager。SolidWorks应用程序可通过多种方式来选择不同功能并执行任务。当执行某项任务时，例如绘制实体的草图或应用特征，SolidWorks应用程序还会给出反馈，例如指针、推理线、预览等。382.4机械结构设计实例

二、SolidWorks基础知识

2、草图草图是大多数三维模型的基础。通常，创建模型的第一步就是绘制草图，随后可以从草图生成特征。将一个或多个特征组合即生成零件。然后，可以组合和配合适当的零件以生成装配体。从零件或装配体，就可以生成工程图。392.4机械结构设计实例

二、SolidWorks基础知识

3、特征完成草图以后，使用拉伸或旋转等特征来生成三维模型。402.4机械结构设计实例

二、SolidWorks基础知识

4、装配体装配体是多个相关零件的集合，该SolidWorks文件的扩展名为.sldasm。装配体最少可以包含两个零部件，最多可以包含超过一千个零部件。这些零部件可以是零件，也可以是称为子装配体的其它装配体。412.4机械结构设计实例

二、SolidWorks基础知识

5、工程图工程图可以由零件或装配体模型生成。工程图提供有多个视图，例如标准三视图和等轴侧视图等，还可以从模型文件导入尺寸并且添加工程图注解（例如基准目标符号）等。422.4机械结构设计实例

二、SolidWorks基础知识

6、模型编辑使用SolidWorks的FeatureManager和PropertyManager编辑草图、工程图、零件或装配体。还可以通过在图形区域中直接选择特征和草图来编辑它们。有了这种直观的方法，就不需要再知道特征的名称。编辑功能包括：编辑草图、编辑特征、隐藏和显示、压缩和解除压缩、退回。432.4机械结构设计实例

三、制作零件

零件是每个SolidWorks模型的基本组件。要生成的每个装配体和工程图均由零件制作而成。通过此部分的学习可对SolidWorks的零件制作和