第二章 機械結構

1、第二章 機器人本體的機械結構第一節(jié) 機器人的組成和分類 第二節(jié) 機器人的主要技術參數(shù)第三節(jié) 機器人的機械結構與運動 第四節(jié) 機器人的驅動機構第一節(jié) 機器人的組成和分類 大多數(shù)的機器人有四個共同的主要部件：（1）機械部分 機械部分是由關節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體而形成的開環(huán)運動學鏈系。（2）驅動源 使各種機械部件產(chǎn)生運動的裝置為驅動部件，驅動源可以是氣動的、液壓的或電動的， 一、機器人的組成（3）一個或多個傳感器 傳感器是將有關機械部件的內部信息和外部信息傳遞給機器人的控制器。（4）控制器 控制器通過獲取的信息確定機械部件各部分的正確運行軌跡、速度、位置和外部環(huán)境，使機械部件的各部分按預定

2、程序在規(guī)定的時間開始和結束動作。二、機器人的分類 1.按機器人的控制方式分類（1）非伺服機器人 （2）伺服控制機器人 非伺服機器人按照預先編好的程序順序進行工作，使用限位開關、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動。 伺服控制機器人通過傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的綜合信號比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅動裝置，進而帶動手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運動，到達規(guī)定的位置或速度等，這是一個反饋控制系統(tǒng)。 2.按機器人結構坐標系特點方式分類（1）直角坐標型 （2）圓柱坐標型（3） 極坐標型 （4） 多關節(jié)型四種坐標型機器人的機構簡圖（1）直角坐標型 （2）圓柱坐標型 （3）極坐標

3、型 （4）關節(jié)型第二節(jié) 機器人的主要技術參數(shù)1自由度 自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。 2工作空間 機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達到的區(qū)域。 3工作速度 機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內所移動的距離或轉動的角度。4工作載荷 機器人在規(guī)定的性能范圍內，機械接口處能承受的最大負載量（包括手部）。用質量、力矩、慣性矩來表示。5控制方式 機器人用于控制軸的方式，是伺服還是非伺服，伺服控制方式是實現(xiàn)連續(xù)軌跡還是點到點的運動。6驅動方式 指關節(jié)執(zhí)行器的動力源。7精度、重復精度和分辨率 精度、重復精

4、度和分辨率用來定義機器人手部的定位能力。 一臺持重30kg，供搬運、檢測、裝配用的圓柱坐標型工業(yè)機器人，這臺機器人的主要技術指標如下：sradAsradAsmmmmAsmmmmAsradA/05. 1190/10. 2360/1200500/600500/10. 230005043201自由度：共有三個基本關節(jié)1，2，3和兩個選用關節(jié)4，5；工作范圍：見左圖所示；關節(jié)移動范圍及速度：重復定位誤差：0.05mm控制方式：五軸同時可控，點位控制；持重（最大伸長、最高速度下）：30kg驅動方式：三個基本關節(jié)由交流伺服電機驅動，并采用增量式角位移檢測裝置；第三節(jié) 機器人的機械結構與運動一、機器人機械結

5、構的組成1、手部結構2、手腕結構3、臂部結構4、機身結構二、機器人機構的運動1.手臂和本體的運動（1）垂直移動 指機器人手臂的上下運動。這種運動通常采用液壓缸機構或其他垂直升降機構來完成，也可以通過調整整個機器人機身在垂直方向上的安裝位置來實現(xiàn)。（2）徑向移動 是手臂的伸縮運動。機器人手臂的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化。在圓柱坐標式結構中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的圓柱表面直徑。（3）回轉運動 指機器人繞鉛垂軸的轉動。這種運動決定了機器人能手臂所能到達的角位置。2.手腕的運動 (1)手腕旋轉 手腕繞小臂軸線的轉動。有些機器人限制其手腕轉動角度小于360度。另一些機器人則僅僅受到控

6、制電纜纏繞圈數(shù)的限制，手腕可以轉幾圈。 (2)手腕彎曲 指手腕的上下擺動，這種運動也稱為俯仰。 (3)手腕側擺 指機器人手腕的水平擺動。手腕的旋轉和俯仰兩種運動結合起來可以構成側擺運動，通常機器人的側擺運動由一個單獨的關節(jié)提供。三、機身和臂部機構 常用的機身結構有：（1）升降回轉型機身結構；（2）俯仰型機身結構；（3）直移型機身結構；（4）類人機器人機身結構。 機身是直接連接、支承和傳動手臂及行走機構的部件。 2.臂部結構 手臂部件（簡稱臂部）是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支承腕部和手部，并帶動它們在空間運動。 根據(jù)臂部的運動和布局、驅動方式、傳動和導向裝置的不同，可分為： （1）伸縮型臂

7、部結構； （2）轉動伸縮型臂部結構； （3）屈伸型臂部結構以及; （4）其他專用的機械傳動臂部結構。3.機身和臂部的配置型式 機身和臂部的配置形式基本上反映了機器人的總體布局。 （1）橫梁式 單臂懸掛式 雙臂懸掛式（2）立柱式 單臂式 雙臂式（3）機座式 單臂回轉式 雙臂回轉式 多臂回轉式（4）屈伸式 平面屈伸型 空間屈伸型四、手腕結構 手腕是連接手臂和手部的結構部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。多數(shù)將腕部結構的驅動部分安排在小臂上。 要確定手部的作業(yè)方向，一般需要三個自由度，這三個回轉方向為： (1) 臂轉：繞小臂軸線方向的旋轉。 (2)手轉：使手部繞自身的軸線方向旋轉。 (3)腕擺：

8、使手部相對于臂進行擺動。 手腕結構多為上述三個回轉方式的組合，組合的方式可以有多種形式，常用的手腕組合的方式臂轉、腕擺、手轉結構 臂轉、雙腕擺、手轉結構五、手部機構 機器人的手部是最重要的執(zhí)行機構，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機器人的手部和仿人機器人的手部。 工業(yè)機器人常用的手部按其握持原理可以分為:(1)夾持類(2)吸附類 1.夾持類 (1)夾鉗式 手指1 傳動機構2 驅動裝置3 支架41）手指 指端的形狀 V型指 平面指 尖指 特形指 指面型式 根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材質軟硬、表面性質等的不同，手指的指面有光滑指面、齒型指面和柔性指面三種形式。 對于夾鉗式手部，其手指材料可選用

9、一般碳素鋼和合金結構鋼。為使手指經(jīng)久耐用，指面可鑲嵌硬質合金；高溫作業(yè)的手指，可選用耐熱鋼；在腐蝕性氣體環(huán)境下工作的手指，可鍍鉻或進行搪瓷處理，也可選用耐腐蝕的玻璃鋼或聚四氟乙烯。手指的材料 2）手部的傳動機構回轉型傳動機構斜楔杠桿式 滑槽式杠桿回轉型 雙支點連桿杠桿式 齒條齒輪杠桿式 回轉型傳動機構 平移型傳動機構 四連桿機構平移型手部 直線平移型手部結構（2）鉤托式手部 鉤托式手部是不靠夾緊力來夾持工件，而是利用手指對工件鉤、托、捧等動作來托持工件。 無驅動裝置 有驅動裝置（3）彈簧式手部 彈簧式手部靠彈簧力的作用將工件夾緊，手部不需要專用的驅動裝置，結構簡單，只適于夾持輕小工件。彈簧式手

10、部 2.吸附類 吸附式手部靠吸附式取料。根據(jù)吸附力的不同有氣吸附和磁吸附二種。吸附式手部適應于大平面、易碎、微小的物體，因此使用面也較大。（1）氣吸式 氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，氣吸式手部是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸三種。真空氣吸吸附手部 氣流負壓吸附手部 擠壓排氣式手部氣吸式手部 氣吸式手部具有結構簡單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點。廣泛用于非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附。 氣吸式手部的另一個特點是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預定的位置精度要求

11、不高；但要求工件上與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，被吸工件材質致密，沒有透氣空隙。（2）磁吸式 磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附材料工件的，應用較廣。磁吸式手部不會破壞被吸件表面質量。磁吸式手部比氣吸式手部優(yōu)越的方面是：有較大的單位面積吸力，對工件表面光潔度及通孔、溝槽等無特殊要求。磁吸式手部的不足之處是：被吸工件存在剩磁，吸附頭上常吸附磁性屑（如鐵屑等），影響正常工作。因此對那些不允許有剩磁的零件要禁止使用。對鋼、鐵等材料制品，溫度超過723就會失去磁性，故在高溫下無法使用磁吸式手部。磁吸式手部按磁力來源可分為永久磁鐵手部和電磁鐵手部。電磁鐵手部由于供電不同又可分為交流電

12、磁鐵和直流電磁鐵手部。3.仿人機器人的手部 目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有2個手指，而且手指上一般沒有關節(jié)。因此取料不能適應物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法滿足對復雜形狀、不同材質的物體實施夾持和操作。 為了提高機器人手部和手腕的操作能力、靈活性和快速反應能力，使機器人能像人手一樣進行各種復雜的作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)設備操作等，就必須有一個運動靈活、動作多樣的靈巧手，即仿人手。 仿人手 多關節(jié)柔性手 三指靈巧手 四指靈巧手六、行走機構 行走機構是由驅動裝置、傳動機構、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機器人的機身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工

13、作任務的要求，帶動機器人實現(xiàn)在更廣闊的空間內運動。 一般而言,行走機器人的行走機構主要有: (1)車輪式行走機構 (2)履帶式行走機構 (3)和足式行走機構 此外，還有步進式行走機構、蠕動式行走機構、混合式行走機構和蛇行式行走機構等，以適合于各種特別的場合。1.車輪式行走機構 輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種機器人,在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優(yōu)越的。（1）車輪的形式車輪的形狀或結構形式取決于地面的性質和車輛的承載能力。充氣球輪 半球形輪 傳統(tǒng)車輪 無緣輪( 用于沙丘地形) （用于火星表面移動） （用于平坦的堅硬路面） (用來爬越階梯及水田中)（2）車輪的配置和轉向機構兩

14、后輪獨立驅動 前輪驅動和轉向 后輪差動前輪轉向 后輪分散驅動 四輪同步轉向機構3輪車輪的配置4輪車輪的配置（3）越障輪式機構 普通車輪行走機構對崎嶇不平地面適應性很差，為了提高輪式車輛的地面適應能力，研究了越障輪式機構。三小輪式上下臺階的車輪機構多節(jié)車輪式結構2.履帶式行走機構 履帶式行走機構適合于未加工的天然路面行走，它是輪式行走機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。 履帶行走機構與輪式行走機構相比，有如下特點： （1）支承面積大，接地比壓小。適合于松軟或泥濘場地進行作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小。 （2）越野機動性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式行走機構 （3）履帶支承面上有履齒，不易打

15、滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力； （4）結構復雜，重量大，運動慣性大，減振功能差，零件易損壞。（1）履帶行走機構的組成n履帶、n驅動鏈輪n支重輪n托帶輪n張緊輪形狀一：驅動輪及導向輪兼作支承輪，增大支承地面面積，改善了穩(wěn)定性，此時驅動輪和導向輪只微量高于地面。形狀二：不作支承輪的驅動輪與導向輪裝得高于地面，鏈條引入引出時角度達50度，其好處是適合于穿越障礙，另外因為減少了泥土夾入引起的磨損和失效，可以提高驅動輪和導向輪的壽命。形狀一 形狀二（2）履帶行走機構的形狀（3）獨特的履帶行走機構1）形狀可變履帶行走機構 形狀可變履帶行走機構2）位置可變履帶行走機構 變位履帶移動機構 3.足

16、式行走機構 足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式和履帶行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點；足式運動方式還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平,機身的運動仍然可以相當平穩(wěn)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。（1）足的數(shù)目 單足跳躍機器人 雙足機器人 三足機器人 四足機器人 六足機器人 不同足數(shù)對行走能力的評價 足數(shù) 評價指標 12345678保持穩(wěn)定姿態(tài)的能力無 無 好最好最好最好最好最好靜態(tài)穩(wěn)定行走的能力無 無 無 好最好最好最好最好高速靜穩(wěn)定行走能力無 無 無 有 好最好最好最好動態(tài)穩(wěn)定

17、行走的能力有 有最好最好最好好好好用自由度數(shù)衡量的機械結構之簡單性最好最好好 好 好有有有（2）足的配置正向對稱分布 前后向對稱分布 足的主平面的安排哺乳動物形 爬行動物 昆蟲形足的幾何構型內側相對彎曲 外側相對彎曲 同側彎曲 足的相對方位第四節(jié) 機器人的驅動機構 一、驅動方式 機器人關節(jié)的驅動方式有： （1）液壓式 （2）氣動式 （3）電動式。 1.液壓驅動 機器人的驅動系統(tǒng)采用液壓驅動，有以下幾個優(yōu)點： 1）液壓容易達到較高的單位面積壓力（常用油壓為2563kg/cm2),體積較小，可以獲得較大的推力或轉矩； 2）液壓系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度； 3）液壓傳

18、動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制； 4）液壓系統(tǒng)采用油液作介質，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。 液壓傳動系統(tǒng)的不足之處是： 1）油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險； 2）液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高； 3）需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。 液壓驅動方式的輸出力和功率更大，能構成伺服機構，常用于大型機器人關節(jié)的驅動。 2.氣壓驅動 與液壓驅動相比，氣壓驅動的特點是： 1）壓縮空氣粘度小，容易達到高速（1m/s）； 2）利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添

19、加動力設備； 3）空氣介質對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)； 4）氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。 它的不足之處是： 1）壓縮空氣常用壓力為46kg/cm2，若要獲得較大的出力，其結構就要相對增大； 2）空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難； 3）壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生繡，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。 氣動式驅動多用于開關控制和順序控制的機器人中。 3.電機驅動 電機驅動可分為普通交流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。 普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，輸出力矩大

20、，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。 交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。功率在1KW以下的機器人多采用電機驅動。 電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電機性能也逐漸提高。所以總的看來，目前機器人關節(jié)驅動逐漸為電動式所代替。驅動方式的特點驅動方式特 點輸出力控制性能維修使用結構體積使用范圍制造成本液壓驅動壓力高，可獲得大的輸出力。油液不可壓縮，壓力、流量均容易控制，可無極調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制維

21、修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火。在輸出力相同的情況下，體積比氣壓驅動方式小。中、小型及重型機器人。液壓元件成本較高，油路比較復雜。氣壓驅動氣壓壓力低，輸出力較小，如需要輸出力大時，其結構尺寸過大?？筛咚?，沖擊較嚴重，精確定位困難。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU連接。維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無影響。體積較大中、小型機器人。結構簡單，能源方便，成本低。電機驅動異步電動機直流電動機輸出力較大控制性能較差，慣性大，不易精確定位維修使用方便。需要減速裝置，體積較大。速度低，持重大的機器人。成本低。步進電動機伺服電動機輸出力較小或較大容易與CPU連接

22、，控制性能好，響應快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復雜。維修使用較復雜。體積效小程序復雜、運動軌跡要求嚴格的機器人。成本較高。二、驅動機構 驅動機構分為旋轉驅動方式和直線驅動方式。 1.直線驅動機構 機器人采用的直線驅動包括直角坐標結構的X、Y、Z向驅動，圓柱坐標結構的徑向驅動和垂直升降驅動，以及球坐標結構的徑向伸縮驅動。直線運動可以直接由氣缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生，也可以采用齒輪齒條、絲杠、螺母等傳動方式把旋轉運動轉換成直線運動。2.旋轉驅動機構 多數(shù)普通電機和伺服電機都能夠直接產(chǎn)生旋轉運動，但其輸出力矩比所需要的力矩小，轉速比所需要的轉速高。因此，需要采用各種傳動裝置把較高的轉速轉換成較低的轉速，并獲得較大的力矩。有時也采用直線液壓缸或直線氣缸作為動力源，這就需要把直線運動轉換成旋轉運動。這種運動的傳遞和轉換必須高效率地完成，并且不能有損于機器人系統(tǒng)所需要的特性，特別是定位精度、重復精度和可靠性。運動的傳遞和轉換可以選擇齒輪鏈傳動、同步皮帶傳動和諧波齒輪等傳動方式。由于