機器人技術(shù)第二章機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計概論

1、1 2.1 機器人本體設(shè)計的步驟機器人本體設(shè)計的步驟1、作業(yè)分析、作業(yè)分析 作業(yè)分析包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務(wù)作業(yè)分析包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務(wù)和環(huán)境對機器人操作及的方案設(shè)計有著決定性的影響。和環(huán)境對機器人操作及的方案設(shè)計有著決定性的影響。2、總體方案設(shè)計、總體方案設(shè)計 （1）確定動力源）確定動力源 （2）確定構(gòu)型和安裝方式）確定構(gòu)型和安裝方式 （3）確定自由度）確定自由度 （4）確定動力容量和傳動方式）確定動力容量和傳動方式 （5）優(yōu)化運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)）優(yōu)化運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù) （6）確定平衡方式和平衡量）確定平衡方式和平衡量 （7）繪制機構(gòu)運動簡圖）繪制機構(gòu)運動簡圖

2、 & 第二章第二章 機器人的機械結(jié)構(gòu)與設(shè)計機器人的機械結(jié)構(gòu)與設(shè)計23、結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計 包括機器人驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及其結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括機器人驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及其結(jié)構(gòu)設(shè)計，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，平衡機構(gòu)的設(shè)計，走線及電器接口關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，平衡機構(gòu)的設(shè)計，走線及電器接口設(shè)計等。設(shè)計等。4、動特性分析、動特性分析 估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型進行仿真、分析，估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型進行仿真、分析，確定其結(jié)構(gòu)固有頻率和響應(yīng)特性。確定其結(jié)構(gòu)固有頻率和響應(yīng)特性。6、施工設(shè)計、施工設(shè)計 完成施工圖設(shè)計，編制相關(guān)技術(shù)文件。完成施工圖設(shè)計，編制相關(guān)技術(shù)文件。5、優(yōu)化設(shè)

3、計、優(yōu)化設(shè)計 重復(fù)重復(fù)3、4。3 2.2 機器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)機器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在機器人機械系統(tǒng)中，驅(qū)動器（通過聯(lián)軸器）帶動傳動在機器人機械系統(tǒng)中，驅(qū)動器（通過聯(lián)軸器）帶動傳動裝置裝置( (一般為減速器一般為減速器) )，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運動。，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運動。 機器人有兩種最常用的運動關(guān)節(jié)機器人有兩種最常用的運動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移( (直直) )動關(guān)節(jié)。動關(guān)節(jié)。 為了進行位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和速為了進行位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精度（度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適

4、的精度（高一個數(shù)量級）、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對高一個數(shù)量級）、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對于伺服電機驅(qū)動，檢測元件常與電機直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)于伺服電機驅(qū)動，檢測元件常與電機直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。 2.2.1 2.2.1 驅(qū)動驅(qū)動傳動系統(tǒng)的構(gòu)成傳動系統(tǒng)的構(gòu)成41碼盤；碼盤；2 測速機；測速機；3 電機；電機；4 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；5 傳動裝置；傳動裝置；6 轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；7 桿桿 8 電機；電機； 9 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；10 螺旋副；螺旋副；11 移動關(guān)節(jié)；移動關(guān)節(jié)；12 電位器電位器

5、(或光柵尺或光柵尺) 伺服電機驅(qū)動關(guān)節(jié)伺服電機驅(qū)動關(guān)節(jié)伺服電機伺服電機+聯(lián)軸節(jié)聯(lián)軸節(jié)+傳動裝置傳動裝置+運動關(guān)節(jié)運動關(guān)節(jié)+反饋元件反饋元件51 1電動驅(qū)動器電動驅(qū)動器 電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。驅(qū)動比較困難。 電動驅(qū)動器又可分為直流電動驅(qū)動器又可分為直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服電機伺服電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。 直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電

6、刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進步，形成火花。隨著技術(shù)的進步，近年來交流伺服電機已逐漸近年來交流伺服電機已逐漸取代直流伺服電機而成為工業(yè)機器人的主要驅(qū)動器取代直流伺服電機而成為工業(yè)機器人的主要驅(qū)動器。 步進電機驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，步進電機驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。2.2.2 2.2.2 驅(qū)動器的類型和特點驅(qū)動器的類型和特點6直流伺服電機與驅(qū)動放大器直流伺服電機與驅(qū)動放大器步進電機步進電機步進電機驅(qū)動放大器步進電機驅(qū)動放大器交流伺服電機交流伺服電機驅(qū)動放大器驅(qū)動放大器72. 液壓驅(qū)動器液壓驅(qū)動器 液壓驅(qū)

7、動的優(yōu)點是功率大，可省去減速液壓驅(qū)動的優(yōu)點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。 液壓馬達液壓馬達液壓擺動馬達液壓擺動馬達液壓控制閥液壓控制閥液壓泵液壓泵83氣動驅(qū)動器氣動驅(qū)動器 氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，

8、具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。 氣氣動動馬馬達達氣氣動動擺擺動動馬馬達達氣氣缸缸氣氣泵泵氣氣動動三三大大件件氣氣動動控控制制閥閥9 4其它驅(qū)動器其它驅(qū)動器 作為特殊的驅(qū)動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、人工作為特殊的驅(qū)動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、人工肌肉肌肉(電活性聚合物電活性聚合物)等。等。壓電微驅(qū)動并聯(lián)機器人壓電微驅(qū)動并聯(lián)機器人形狀記憶合金驅(qū)動機器人手形狀記憶合金驅(qū)動機器人手人工肌肉驅(qū)動的機械臂人工肌肉驅(qū)動的機

9、械臂10 驅(qū)動器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以驅(qū)動器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)。價格高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)。 一般說來，目前負荷為一般說來，目前負荷為100 kg100 kg以下的以下的, ,可優(yōu)先考慮電動可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動器。驅(qū)動器。n 對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機，要求有對工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動的電動機，要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動轉(zhuǎn)矩、高起動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。n 特別是像機器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用特別是像機器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機，尤其是

10、要求體積、質(zhì)量盡可能小的電動機，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機必須具有較高的可快速響應(yīng)時，伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，且靠性和穩(wěn)定性，且具有較大的短時過載能力5驅(qū)動器的選擇原則驅(qū)動器的選擇原則11 只須點位控制且功率較小者，或有防爆、清潔等特殊要只須點位控制且功率較小者，或有防爆、清潔等特殊要求者，可采用氣動驅(qū)動器。求者，可采用氣動驅(qū)動器。 負荷較大或機器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采負荷較大或機器人周圍已有液壓源的常溫場合，可采用液壓驅(qū)動器。用液壓驅(qū)動器。 對于驅(qū)動器來說，最重要的指標(biāo)要求是起動力矩大，對于驅(qū)動器來說，最重要的指標(biāo)要求是起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，

11、同時還要有性能好、與調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。5驅(qū)動器的選擇原則驅(qū)動器的選擇原則122.2.3 2.2.3 機器人的常用傳動機構(gòu)機器人的常用傳動機構(gòu)1. 1. 機器人傳動機構(gòu)的基本要求機器人傳動機構(gòu)的基本要求(1) 結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕；結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕；(2) 傳動剛度大，即承受力矩作用時變形要小，以傳動剛度大，即承受力矩作用時變形要小，以提高整機的提高整機的 固有領(lǐng)率，固有領(lǐng)率，降低整機的低頻振動；降低整機的低頻振動；(3) 回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，以得到較高的位回差小，即由正轉(zhuǎn)到

12、反轉(zhuǎn)時空行程要小，以得到較高的位 置控制精度；置控制精度；(4) 壽命長、價格低。壽命長、價格低。 微電機微電機+減速器減速器微小型減速器微小型減速器132. 2. 機器人常用傳動機構(gòu)機器人常用傳動機構(gòu) 機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構(gòu)。機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構(gòu)。美國發(fā)明家 C. Walt Musser 馬瑟于上世紀(jì)50年代中期發(fā)明1926年德國人L.Brazen發(fā)明了擺線針輪減速器141516關(guān)節(jié)是操作機各桿件間的結(jié)合部分，通常為轉(zhuǎn)動和移動兩關(guān)節(jié)是操作機各桿件間的結(jié)合部分，通常為轉(zhuǎn)動和移動兩種類型。種類型。通用型工業(yè)機器人有通用型工業(yè)機器人有6 6個關(guān)節(jié)（自由度）

13、，個關(guān)節(jié)（自由度），前前3 3關(guān)節(jié)通常稱關(guān)節(jié)通常稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，它們決定了操作機的位置作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，它們決定了操作機的位置。后后面面3 3個關(guān)節(jié)決定了操作機的姿態(tài)，稱作腕部關(guān)節(jié)個關(guān)節(jié)決定了操作機的姿態(tài)，稱作腕部關(guān)節(jié)。 2.32.3 工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的構(gòu)造及其傳動配置工業(yè)機器人關(guān)節(jié)的構(gòu)造及其傳動配置PUMA機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)幾種典型的機器人機構(gòu)幾種典型的機器人機構(gòu)18低負載機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)低負載機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)19165Kg機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)20碼垛機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)（碼垛機器人關(guān)節(jié)機構(gòu)（4DOF）庫卡庫卡KR 700 PA212.3.1 2.3.1 腰關(guān)節(jié)腰關(guān)

14、節(jié) 腰關(guān)節(jié)為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，既承受很大的腰關(guān)節(jié)為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，且且應(yīng)具有較高的運動精度和剛度應(yīng)具有較高的運動精度和剛度。 腰關(guān)節(jié)多采用高剛性的腰關(guān)節(jié)多采用高剛性的RVRV減速器傳動減速器傳動【大負載時大負載時】，也可采用，也可采用諧波傳諧波傳動動【小負載時小負載時】、擺線針輪或其他傳動形式、擺線針輪或其他傳動形式。其轉(zhuǎn)動副多采用薄壁軸承。其轉(zhuǎn)動副多采用薄壁軸承【如交叉滾子軸承如交叉滾子軸承】或四點接觸軸承，有的還設(shè)計有調(diào)隙機構(gòu)?；蛩狞c接觸軸承，有的還設(shè)計有調(diào)隙機構(gòu)。 對于液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)，多采用對于液壓驅(qū)動關(guān)節(jié)，多采用回轉(zhuǎn)缸回轉(zhuǎn)缸+

15、+齒輪傳動機構(gòu)齒輪傳動機構(gòu)【現(xiàn)在很少使用現(xiàn)在很少使用】。221 電機；電機；2 RV減速器，減速器，3 支架，支架，4 交叉滾子軸承；交叉滾子軸承；5 電纜電纜同軸式腰關(guān)節(jié)同軸式腰關(guān)節(jié)電機上置電機上置)1234523同軸式腰關(guān)節(jié)同軸式腰關(guān)節(jié) (電機下置電機下置)1腰部固定立柱殼體；腰部固定立柱殼體； 2 腰部回轉(zhuǎn)殼體；腰部回轉(zhuǎn)殼體；3 四點接觸球軸承；四點接觸球軸承； 4 伺服電機組件；伺服電機組件；5諧波減速器；諧波減速器；54v 同軸式腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊同軸式腰關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，腰關(guān)節(jié)高度尺寸湊，腰關(guān)節(jié)高度尺寸小小( (使用特制軸承的使用特制軸承的緣故緣故) )，v 但關(guān)節(jié)的各種電纜走但關(guān)節(jié)的各種電

16、纜走線比較困難，大多是線比較困難，大多是在固定的中間柱體外在固定的中間柱體外面留有較大的環(huán)形空面留有較大的環(huán)形空間，使電纜以盤旋的間，使電纜以盤旋的形式松松地套在中間形式松松地套在中間柱體上，當(dāng)腰支架等柱體上，當(dāng)腰支架等機體轉(zhuǎn)動時，電纜猶機體轉(zhuǎn)動時，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或如盤旋彈簧般收緊或放松。放松。24平行軸式腰關(guān)節(jié)平行軸式腰關(guān)節(jié)21341 電機電機 ； 2 齒輪；齒輪； 3 空心立柱；空心立柱； 4 軸承軸承v 對于平行軸式腰對于平行軸式腰關(guān)節(jié)，電纜則可關(guān)節(jié)，電纜則可方便地通過中空方便地通過中空軸，聯(lián)接于支座軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。的固定接線板上。252.3.2 2.3.2 肩關(guān)節(jié)

17、和肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié) 對于開式連桿結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)（大臂關(guān)節(jié)）位于腰部的支座上，對于開式連桿結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)（大臂關(guān)節(jié)）位于腰部的支座上，多采用多采用RVRV減速器傳動、諧波傳動或擺線針輪傳動；也可采用滾減速器傳動、諧波傳動或擺線針輪傳動；也可采用滾動螺旋組合連桿機構(gòu)或直接應(yīng)用齒輪機構(gòu)。動螺旋組合連桿機構(gòu)或直接應(yīng)用齒輪機構(gòu)。 肘關(guān)節(jié)（小臂關(guān)節(jié)）位于大臂與小臂的聯(lián)接處，多采用諧肘關(guān)節(jié)（小臂關(guān)節(jié)）位于大臂與小臂的聯(lián)接處，多采用諧波傳動、擺線針輪或齒輪傳動等。波傳動、擺線針輪或齒輪傳動等。 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式有：關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式有： 1 1、同軸式配置、同軸式配置 電機軸線與關(guān)節(jié)軸電機軸線與關(guān)節(jié)軸線重合。線重合。

18、2 2、偏置式配置、偏置式配置 電機軸線與關(guān)節(jié)軸電機軸線與關(guān)節(jié)軸線偏離一定距離。線偏離一定距離。同軸減速傳動結(jié)構(gòu)同軸減速傳動結(jié)構(gòu)26同軸減速傳動結(jié)構(gòu)同軸減速傳動結(jié)構(gòu)1 腰支座；腰支座；2, 7 RV減速器；減速器；3, 6 驅(qū)動電機；驅(qū)動電機；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 軸承。軸承。12345678271 大臂；大臂；2 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)1電機；電機；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 氣動閥；氣動閥； 6 立柱；立柱；7 直齒輪；直齒輪； 8 中間齒輪；中間齒輪；9 機座；機座； 10 主齒輪；主齒輪；11 管形連接軸；管形連接軸；12 手腕手腕偏置減速傳動結(jié)構(gòu)偏置減速傳動結(jié)構(gòu)(

19、PUMA)28 2.3.3 2.3.3 手腕關(guān)節(jié)手腕關(guān)節(jié)1 1、單自由度手腕、單自由度手腕 SCARASCARA水平關(guān)節(jié)裝配機器人的手腕只有繞垂直軸的一個水平關(guān)節(jié)裝配機器人的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉(zhuǎn)自由度，用于調(diào)整裝配件的方位。旋轉(zhuǎn)自由度，用于調(diào)整裝配件的方位。SCARA 機器人機器人 傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉(zhuǎn)動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調(diào)整完全取決于腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動電機。電機。 這種傳動特點特這種傳動特點特別適合于電子線路別適合于電子線路板的插件作業(yè)。板的插件作

20、業(yè)。 292 2、兩自由度手腕、兩自由度手腕兩種常見的配置形式兩種常見的配置形式匯交式和偏置式。匯交式和偏置式。1 法蘭；法蘭；2 齒輪軸；齒輪軸；3 錐齒輪；錐齒輪；4 彈簧；彈簧；5 鏈輪；鏈輪；6 軸承；軸承；7 鏈輪；鏈輪；8 彈簧；彈簧；9 軸承；軸承； 10 轉(zhuǎn)殼轉(zhuǎn)殼1 法蘭；法蘭；2 腕殼；腕殼；3, 6 錐齒輪軸；錐齒輪軸；4 小臂；小臂；5, 7 鏈輪，鏈輪，8 鏈；鏈；9, 10 彈簧彈簧匯交式兩自由度手腕匯交式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕214365871094351287109630 兩自由度手腕的另兩種結(jié)構(gòu)：諧波減速器前置的匯交型兩自由度手腕的另兩

21、種結(jié)構(gòu)：諧波減速器前置的匯交型手腕；驅(qū)動電機與諧波減速器前置的偏置型手腕。手腕；驅(qū)動電機與諧波減速器前置的偏置型手腕。1 扁平諧波；扁平諧波； 2 杯式諧波；杯式諧波；3 齒形帶輪；齒形帶輪； 4 錐齒輪；錐齒輪；5 腕殼腕殼諧波前置匯交手腕諧波前置匯交手腕 1 諧波減速；諧波減速； 2 馬達；馬達； 3 鏈輪；鏈輪； 4 腕殼腕殼電機前置偏置手腕電機前置偏置手腕313 3、三自由度手腕、三自由度手腕 三自由度手腕是在兩自由度手腕的基礎(chǔ)上三自由度手腕是在兩自由度手腕的基礎(chǔ)上加一個整個手腕加一個整個手腕相對于小臂的轉(zhuǎn)動自由度相對于小臂的轉(zhuǎn)動自由度而形成的。而形成的。 三自由度手腕是三自由度手腕是

22、“萬向萬向”型手腕，結(jié)構(gòu)形式繁多，可以完型手腕，結(jié)構(gòu)形式繁多，可以完成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關(guān)節(jié)成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關(guān)節(jié)型機器人都采用了三自由度手腕。型機器人都采用了三自由度手腕。32Cincinnati Milacron T3 機器人腕部結(jié)構(gòu)機器人腕部結(jié)構(gòu)3334v 必須指出，必須指出，若操作機為若操作機為6自由度，當(dāng)自由度，當(dāng)手腕為偏置手腕為偏置式時，式時，運動運動學(xué)反解得不學(xué)反解得不出解析的顯出解析的顯式，且動力式，且動力學(xué)參數(shù)也是學(xué)參數(shù)也是強耦合的強耦合的。設(shè)計時必須設(shè)計時必須給予充分注給予充分注意。意。偏交型手腕偏交型手腕35KUK

23、A IR662100機器人手碗傳動圖機器人手碗傳動圖KUKA IR662100機器人手碗結(jié)構(gòu)圖機器人手碗結(jié)構(gòu)圖36示例：示例：6 6自由度關(guān)節(jié)型機器人自由度關(guān)節(jié)型機器人整體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)376 6自由度關(guān)節(jié)型機器人自由度關(guān)節(jié)型機器人腰部腰部386 6自由度關(guān)節(jié)型機器人自由度關(guān)節(jié)型機器人大臂大臂396 6自由度關(guān)節(jié)型機器人自由度關(guān)節(jié)型機器人小臂小臂406 6自由度關(guān)節(jié)型機器人自由度關(guān)節(jié)型機器人第四關(guān)節(jié)第四關(guān)節(jié)YAW416自由度關(guān)節(jié)型機器人自由度關(guān)節(jié)型機器人第五關(guān)節(jié)第五關(guān)節(jié)PITCH426自由度關(guān)節(jié)型機器人自由度關(guān)節(jié)型機器人第六關(guān)節(jié)第六關(guān)節(jié)ROLL43 2.4 機器人的手臂結(jié)構(gòu)及平衡機器人的手臂結(jié)構(gòu)

24、及平衡 2.4.1 臂桿的結(jié)構(gòu)及材料臂桿的結(jié)構(gòu)及材料 臂桿多為帶有筋板或肋的殼體結(jié)構(gòu)。臂桿多為帶有筋板或肋的殼體結(jié)構(gòu)。有中間是多層圓筒形套有中間是多層圓筒形套裝梁結(jié)構(gòu)，外形象一裝梁結(jié)構(gòu)，外形象一“啞鈴啞鈴”的組合結(jié)構(gòu)；有箱形結(jié)構(gòu)等。的組合結(jié)構(gòu)；有箱形結(jié)構(gòu)等。 就整體來說，比較復(fù)雜的箱體多用鑄件。為了減輕整機的重就整體來說，比較復(fù)雜的箱體多用鑄件。為了減輕整機的重量，特別是為了降低大臂、小臂的關(guān)節(jié)力矩，大、小臂多用量，特別是為了降低大臂、小臂的關(guān)節(jié)力矩，大、小臂多用輕合金輕合金【如鋁合金如鋁合金】鑄件。鑄件。 瑞士ABB機器人:IRB7600德國KUKA機器人:KR-1000-TITAN-F44

25、 2.4.2 臂桿的平衡臂桿的平衡1、小臂桿的平衡、小臂桿的平衡小臂桿通常采用質(zhì)量平衡法。小臂桿通常采用質(zhì)量平衡法。其基本原理是其基本原理是合理地分布臂桿質(zhì)合理地分布臂桿質(zhì)量，使臂桿重心盡可能地落在支點上量，使臂桿重心盡可能地落在支點上，必要時甚至采用在適當(dāng)位，必要時甚至采用在適當(dāng)位置上配置平衡質(zhì)量的方法。置上配置平衡質(zhì)量的方法。質(zhì)量平衡法有結(jié)構(gòu)自平衡和重塊平衡兩種方式質(zhì)量平衡法有結(jié)構(gòu)自平衡和重塊平衡兩種方式。PUMA、KUKA機器人也是按這一原則配置的。但如果臂桿的后部長度機器人也是按這一原則配置的。但如果臂桿的后部長度(無無效長度效長度)太長，不利于機器人在狹窄環(huán)境中工作，所以單采用自重太

26、長，不利于機器人在狹窄環(huán)境中工作，所以單采用自重平衡對大負荷操作機還很難取得滿意的結(jié)果。平衡對大負荷操作機還很難取得滿意的結(jié)果。 機器人操作機手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮臂桿的重力平衡。機器人操作機手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮臂桿的重力平衡。常見操作機臂桿的平衡技術(shù)有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡常見操作機臂桿的平衡技術(shù)有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法如采用平衡電機等。法、氣動或液壓平衡法如采用平衡電機等。452、大臂桿的平衡、大臂桿的平衡 目前常用的有彈簧和汽缸兩種平衡方式。目前常用的有彈簧和汽缸兩種平衡方式。 重力項在驅(qū)動扭矩中占有很大比例，因此對它進行平衡的意重力項在驅(qū)動扭矩中占

27、有很大比例，因此對它進行平衡的意義很大。又因為重力項在運動中是隨位置角的正弦或余弦變化義很大。又因為重力項在運動中是隨位置角的正弦或余弦變化的，因此，應(yīng)用彈簧平衡技術(shù)最為合適。彈簧結(jié)構(gòu)簡單，且無的，因此，應(yīng)用彈簧平衡技術(shù)最為合適。彈簧結(jié)構(gòu)簡單，且無需增加動力源，應(yīng)用最為普遍。需增加動力源，應(yīng)用最為普遍。46 氣動和液壓力平衡的原理和彈簧力平衡的原理很相似，但氣動和液壓力平衡的原理和彈簧力平衡的原理很相似，但它們在兩個方面有顯著優(yōu)點，即平衡缸中的壓力是恒定的，它們在兩個方面有顯著優(yōu)點，即平衡缸中的壓力是恒定的，不隨臂桿位置的變化而變化；同時平衡缸的壓力很容易得到不隨臂桿位置的變化而變化；同時平衡

28、缸的壓力很容易得到調(diào)節(jié)和控制，因此應(yīng)用得十分廣泛。調(diào)節(jié)和控制，因此應(yīng)用得十分廣泛。 這種平衡技術(shù)的缺點是需要有動力源和儲能器，因而系統(tǒng)這種平衡技術(shù)的缺點是需要有動力源和儲能器，因而系統(tǒng)比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)比較龐大，不像彈簧平衡或質(zhì)量平衡那么簡比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)比較龐大，不像彈簧平衡或質(zhì)量平衡那么簡單。而且設(shè)計時，如采用這種方案，需考慮在動力源一旦中單。而且設(shè)計時，如采用這種方案，需考慮在動力源一旦中斷時的防范措施，如手臂會因自重下滑等，以免發(fā)生事故。斷時的防范措施，如手臂會因自重下滑等，以免發(fā)生事故。47思考題：思考題：1、機器人驅(qū)動器的類型及選擇原則。、機器人驅(qū)動器的類型及選擇原則。2、機器人的常用傳

29、動機構(gòu)及其特點。、機器人的常用傳動機構(gòu)及其特點。 3、機器人手臂各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點。、機器人手臂各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點。4、機器人二自由度與三自由度手腕的結(jié)構(gòu)類型，請舉例、機器人二自由度與三自由度手腕的結(jié)構(gòu)類型，請舉例 說明。說明。 5、機器人大臂的平衡方式。、機器人大臂的平衡方式。48 2.52.5 機器人的手部機器人的手部 機器人手部是機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置的操機器人手部是機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置的操作機構(gòu)。因此有時也稱為末端操作器。作機構(gòu)。因此有時也稱為末端操作器。 由于機器人作業(yè)內(nèi)容的差異（如搬運、裝配、焊接、噴由于機器人作業(yè)內(nèi)容的差異（如搬運、裝配、焊接、噴涂等）和

30、作業(yè)對象的不同（如軸類、板類、箱類、包類物涂等）和作業(yè)對象的不同（如軸類、板類、箱類、包類物體等），體等）， 手部的形式多樣。綜合考慮手部的用途、功能和手部的形式多樣。綜合考慮手部的用途、功能和結(jié)構(gòu)持點，大致可分成以下幾類：結(jié)構(gòu)持點，大致可分成以下幾類： 1卡爪式夾持器；卡爪式夾持器； 2吸附式取料手；吸附式取料手； 3專用操作器及換接器專用操作器及換接器 4仿生多指靈巧手。仿生多指靈巧手。49卡爪式夾持器卡爪式夾持器通常有兩個夾爪，分為彈力型、回轉(zhuǎn)型和平通常有兩個夾爪，分為彈力型、回轉(zhuǎn)型和平移型三種類型。移型三種類型。 2.5.1 卡爪式夾持器卡爪式夾持器幾種彈力型夾持器幾種彈力型夾持器1

31、1、彈力型夾持器、彈力型夾持器50 2、回轉(zhuǎn)型夾持器、回轉(zhuǎn)型夾持器開合占用空間較開合占用空間較小，但是夾持中小，但是夾持中心變化。心變化。513 3、平移型夾持器、平移型夾持器開合占用空間開合占用空間較大，但是夾較大，但是夾持中心不變。持中心不變。52 吸式取料手是目前應(yīng)用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬吸式取料手是目前應(yīng)用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬運機器人。該類執(zhí)行器可分氣吸和磁吸兩類。運機器人。該類執(zhí)行器可分氣吸和磁吸兩類。 2.5.2 吸附式取料手吸附式取料手 氣吸附取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力氣吸附取料手是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而差而工工作的。具有結(jié)構(gòu)簡單

32、，重量輕，吸附力分布均勻等作的。具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，吸附力分布均勻等優(yōu)點。優(yōu)點。 按形成壓力的方法，可分成真空氣吸、氣流負壓氣吸、按形成壓力的方法，可分成真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸式兒種。擠壓排氣負壓氣吸式兒種。 1 1、氣吸附取料手、氣吸附取料手53氣流負壓氣吸盤氣流負壓氣吸盤擠壓排氣吸盤擠壓排氣吸盤真空氣吸盤真空氣吸盤542 2、磁吸附取料手、磁吸附取料手553 3、專用操作器及換接器專用操作器及換接器56 人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結(jié)構(gòu)，就能制造人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結(jié)構(gòu)，就能制造出結(jié)構(gòu)最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅(qū)動和控出結(jié)構(gòu)最優(yōu)的夾持器。但

33、由于人手自由度較多，驅(qū)動和控制都十分復(fù)雜，迄今為止，只是制造出了一些原理樣機，制都十分復(fù)雜，迄今為止，只是制造出了一些原理樣機，離工業(yè)應(yīng)用還有一定的差距。離工業(yè)應(yīng)用還有一定的差距。 4 4、仿生多指靈巧手仿生多指靈巧手UTACHMIT 多指多指手手 三指三指手手 雙拇指雙拇指手手 57最小的三指最小的三指手手 BHII 三指手三指手 四指靈巧四指靈巧手手 靈巧的雙靈巧的雙手手 DLR多指手多指手哈工大多指手哈工大多指手58 手指關(guān)節(jié)的設(shè)計手指關(guān)節(jié)的設(shè)計手指主要用于抓握動作，要求動作靈活，剛度好，具有較大手指主要用于抓握動作，要求動作靈活，剛度好，具有較大的抓握力。就其手的結(jié)構(gòu)而言，傳動機構(gòu)有三

34、種方式：的抓握力。就其手的結(jié)構(gòu)而言，傳動機構(gòu)有三種方式：1) 腱傳動，特點是結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省空間，具有很高的抗拉強腱傳動，特點是結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省空間，具有很高的抗拉強度和很輕的重量，但剛性差，較大的彈性，不利于控制。度和很輕的重量，但剛性差，較大的彈性，不利于控制。MIT手、手、JPL手和手和DLR-I手都是這種方式。手都是這種方式。2) 齒輪傳動，特點是傳動比可靠，但是摩擦較大，有回程間齒輪傳動，特點是傳動比可靠，但是摩擦較大，有回程間隙，占用空間大。隙，占用空間大。3) 連桿傳動，剛度好，加工制造比較簡單，高精度，能實現(xiàn)連桿傳動，剛度好，加工制造比較簡單，高精度，能實現(xiàn)多種運動規(guī)律和軌跡的要求

35、。但是設(shè)計復(fù)雜，不能精確地滿多種運動規(guī)律和軌跡的要求。但是設(shè)計復(fù)雜，不能精確地滿足各種運動規(guī)律的要求。典型的如足各種運動規(guī)律的要求。典型的如Belgrade手，手，NASA手等。手等。4）欠驅(qū)動手指關(guān)節(jié)，可簡化機械結(jié)構(gòu)及控制，但需要滿足一）欠驅(qū)動手指關(guān)節(jié)，可簡化機械結(jié)構(gòu)及控制，但需要滿足一定的力學(xué)條件。定的力學(xué)條件。59 2.6 2.6 移動機器人機構(gòu)移動機器人機構(gòu) 移動功能的機器人可認為是人類行走功能的模擬和擴展。移動功能的機器人可認為是人類行走功能的模擬和擴展。一臺完全意義上的自主式移動機器人，除具備基本的移動機一臺完全意義上的自主式移動機器人，除具備基本的移動機能外，還必須有移動控制功能

36、、環(huán)境感知機能和規(guī)劃決策機能外，還必須有移動控制功能、環(huán)境感知機能和規(guī)劃決策機能。只有這樣，機器人才有可能在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中自主地選擇能。只有這樣，機器人才有可能在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中自主地選擇行走路徑，避開障礙物，利用已有的知識系統(tǒng)進行必要的分行走路徑，避開障礙物，利用已有的知識系統(tǒng)進行必要的分析推理和決策，完成從出發(fā)地到目的地的自動移動任務(wù)。析推理和決策，完成從出發(fā)地到目的地的自動移動任務(wù)。 移動機器人多是針對陸上表面環(huán)境的。其機構(gòu)形式主要有：移動機器人多是針對陸上表面環(huán)境的。其機構(gòu)形式主要有： (1)車輪式移動機構(gòu)；車輪式移動機構(gòu)； (2)履帶式移動機構(gòu)；履帶式移動機構(gòu)； (3)腿足式移動機構(gòu)。腿足

37、式移動機構(gòu)。 此外，近有步進式移動機構(gòu)、蠕動式移動機構(gòu)、混合式移動此外，近有步進式移動機構(gòu)、蠕動式移動機構(gòu)、混合式移動機構(gòu)和蛇行式移動機構(gòu)等適合于一些特別的場合。機構(gòu)和蛇行式移動機構(gòu)等適合于一些特別的場合。60 2.6.1 輪式移動機構(gòu)輪式移動機構(gòu) 輪式移動機構(gòu)依據(jù)車輪的數(shù)目分為輪式移動機構(gòu)依據(jù)車輪的數(shù)目分為1輪、輪、2輪、輪、3輪、輪、4輪、輪、5輪、輪、6輪以及多輪機構(gòu)。輪以及多輪機構(gòu)。 輪式移動系統(tǒng)機構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，功耗小，控制方便，輪式移動系統(tǒng)機構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，功耗小，控制方便，運動靈活。缺點是其越野能力較差，但可以通過選擇合適的運動靈活。缺點是其越野能力較差，但可以通過選擇合適的懸架

38、系統(tǒng)來提高其地形適應(yīng)能力。懸架系統(tǒng)來提高其地形適應(yīng)能力。 6162636465 輪輪-地接觸簡化力學(xué)模型地接觸簡化力學(xué)模型)0()() z (1zzzkbkncRQfFQfQrqTF rQ=MgRvFfrTMfFqFddqfFFFQfQf滾動阻力系數(shù)滾動阻力系數(shù)附著系數(shù)附著系數(shù)l 硬地面硬地面l 軟地面軟地面122212112223)(1()3 (1nnncnncDWbkknnRdFH10)cos()(dHcFFR11() (1)(sinsin )/( )(tan )(1)( )tan (1)jrsKKcece 22cottan()(cottan)1(cottan)1 tantan()2tan

39、cotcccbccXXXRh chXX 66 車輪類型：車輪類型：67 轉(zhuǎn)向方式：轉(zhuǎn)向方式：（Ackerman 轉(zhuǎn)向）轉(zhuǎn)向）68（全方位轉(zhuǎn)向）（全方位轉(zhuǎn)向）2()2()()LRRLRLRLvvvw vvRvvvvw wwRLvRvLvRvv（差動轉(zhuǎn)向）（差動轉(zhuǎn)向）69麥克納姆輪麥克納姆輪 輪系機構(gòu)：輪系機構(gòu)：70 履帶式移動機構(gòu)是輪式移動機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給履帶式移動機構(gòu)是輪式移動機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用，著地面積較大，壓強較小，與路面的車輪連續(xù)鋪路的作用，著地面積較大，壓強較小，與路面的粘著力較強，能在不平和松軟的路面上穩(wěn)定移動，具有很強粘著力較強，能在不平和松軟的

40、路面上穩(wěn)定移動，具有很強的越野能力，控制也簡單。但功耗較大，運動靈活性差。的越野能力，控制也簡單。但功耗較大，運動靈活性差。 2.6.2 履帶式移動機構(gòu)履帶式移動機構(gòu)71 履帶形式履帶形式72越障越障上、下臺階上、下臺階 關(guān)節(jié)履帶關(guān)節(jié)履帶73 履帶張緊機構(gòu)履帶張緊機構(gòu)74 2.6.3 腿足式移動機構(gòu)腿足式移動機構(gòu) 腿足式移動系統(tǒng)的特點是落足點為幾個離散的位置點，能夠腿足式移動系統(tǒng)的特點是落足點為幾個離散的位置點，能夠自主選擇有利的落足點，具有出色的地形適應(yīng)能力自主選擇有利的落足點，具有出色的地形適應(yīng)能力 ；此外，能；此外，能夠自主隔振，保證系統(tǒng)沿平滑預(yù)定的軌跡運行。腿足式移動系夠自主隔振，保證

41、系統(tǒng)沿平滑預(yù)定的軌跡運行。腿足式移動系統(tǒng)一直得到國內(nèi)外的移動機器人研究者的廣泛重視。但其機械統(tǒng)一直得到國內(nèi)外的移動機器人研究者的廣泛重視。但其機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性低；在松軟沙地行走時，抗結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性低；在松軟沙地行走時，抗沉陷性較差，效率較低，功耗也大。沉陷性較差，效率較低，功耗也大。 75 腿足結(jié)構(gòu)形式腿足結(jié)構(gòu)形式767778 2.7.4 輪腿式移動機構(gòu)輪腿式移動機構(gòu)79 諧波傳動：諧波傳動：由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成。鋼輪、柔輪、鋼輪、柔輪、波發(fā)生器波發(fā)生器優(yōu)點：優(yōu)點：n 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕 3, 50%, 1/3n 傳動比范圍大 50300, 300060000n 同時嚙合的齒數(shù)多 30%,正是由于同時嚙合齒數(shù)多這一獨特的優(yōu)點，使諧波傳動的精度高，齒的承載能力大，進而實現(xiàn)大速比、小體積