工業(yè)機(jī)器人技術(shù)02

1、 王丹 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計(jì)是工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要部分。不同應(yīng)用領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的差異比其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)差異大得多。使用要求是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。機(jī)械部分的組成：末端操作器手腕手臂機(jī)座2.1 2.1 機(jī)器人末端操作器機(jī)器人末端操作器2.2 2.2 機(jī)器人手腕機(jī)器人手腕2.3 2.3 機(jī)器人手臂機(jī)器人手臂2.4 2.4 機(jī)器人機(jī)座機(jī)器人機(jī)座2.5 2.5 工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)習(xí)題習(xí)題 機(jī)器人必須有“手”，才能執(zhí)行“命令”所相應(yīng)的動(dòng)作?！笆帧惫δ埽阂粋€(gè)執(zhí)行命令的結(jié)構(gòu)具有識(shí)別的功能機(jī)器人的手一般由方形的手掌和節(jié)狀的手指組成。裝有帶彈性觸點(diǎn)的觸敏元件

2、和精巧的電位器?，F(xiàn)在機(jī)器人的手已經(jīng)具備了人手的許多功能。圖 2.1 人類手腕的兩個(gè)B關(guān)節(jié) 2.1 2.1 機(jī)器人末端操作器機(jī)器人末端操作器 圖2.1所示為人類手腕的兩個(gè)B關(guān)節(jié)。實(shí)際中, 不一定需要這樣復(fù)雜的多節(jié)人工指,而只需能從各種不同的角度觸及并搬動(dòng)物體的鉗形指即可。2.1 2.1 機(jī)器人末端操作器機(jī)器人末端操作器用在工業(yè)上的機(jī)器人的手我們一般稱之為末端操作器, 它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊(吸附)專用工具(如噴槍、扳手、 焊具、 噴頭等)進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能, 并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、 重量、 材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同,大致可分為以下幾類: (1

3、) 夾鉗式取料手；(2) 吸附式取料手；(3) 專用操作器及轉(zhuǎn)換器；(4) 仿生多指靈巧手。 （一）夾鉗式取料手夾鉗式手部與人手相似, 是工業(yè)機(jī)器人廣為應(yīng)用的一種手部形式。能通過手爪的開閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。它一般由手指(手爪)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接與支承元件組成, 如圖2.2所示:圖 2.2 夾鉗式手部的組成 1. 手指直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件, 就是通過手指的張開與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人的手部一般有兩個(gè)手指, 也有三個(gè)或多個(gè)手指,其結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。 1)指端的形狀V型指、平面指、尖指、薄指、長(zhǎng)指圖 2.4 夾鉗式手的指端 2）指面的形狀根據(jù)工件形

4、狀、大小及其被夾持部位材料質(zhì)軟硬、表面性質(zhì)等的不同，手指指面常有光滑指面、齒形指面和柔性指面等。3）手指的材料手指材料選用恰當(dāng)與否，對(duì)機(jī)器人的使用效果有很大的影響。對(duì)于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。2. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力, 以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。根據(jù)手指開合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型（又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)）和平移型。根據(jù)手爪夾緊是擺動(dòng)還是平動(dòng),又可分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型。 (1) 回轉(zhuǎn)型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部, 手指就是一對(duì)杠桿,一般再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機(jī)構(gòu)組成復(fù)合式杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 用以改變傳動(dòng)比和運(yùn)動(dòng)方向

5、等。 圖 2.5 斜楔杠桿式手部 圖 2.6 滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部 圖 2.7 雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部 圖 2.8 齒條齒輪杠桿式手部 (2) 平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)張開或閉合動(dòng)作的, 常用于夾持具有平行平面的工件(如冰箱等)。 其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。平移型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)據(jù)其結(jié)構(gòu)大致分為： 直線往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu):實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)很多, 常用的斜楔傳動(dòng)、齒條傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu)。 平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu):實(shí)現(xiàn)手指平移的機(jī)構(gòu)很多, 常用的齒條齒輪、蝸桿蝸輪、連桿斜滑槽的傳動(dòng)方法等均可應(yīng)用于手部結(jié)構(gòu)。圖 2.9 直線平移型手部 圖 2.10 四

6、連桿機(jī)構(gòu)平移型手部結(jié)構(gòu) （二）吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為：氣吸附和礠吸附兩種。1. 氣吸附式取料手利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。與夾鉗式取料手相比, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕, 吸附力分布均勻等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于薄片狀物體的搬運(yùn)更有其優(yōu)越性(如板材、紙張等物體),廣泛應(yīng)用于非金屬材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物體表面較平整光滑, 無(wú)孔無(wú)凹槽。按形成壓力差的方法,可分為真空吸附、氣流負(fù)壓氣吸、擠壓排氣負(fù)壓氣吸式等幾種。 1) 真空吸附取料手圖2.11所示為真空吸附取料手的結(jié)構(gòu)原理。其真空的產(chǎn)生是利用真空泵, 真空度較高。主要零件為碟形橡膠吸盤1, 通過固定環(huán)2安裝在

7、支承桿4上, 支承桿由螺母5固定在基板6上。真空吸附取料手有時(shí)還用于微小無(wú)法抓取的零件, 如圖2.12所示。真空吸附取料工作可靠，吸附力大，但需要有真空系統(tǒng)，成本較高。 圖 2.11 真空吸附取料手 圖 2.12 微小零件取料手(a) 墊圈取料手； (b) 鋼球取料手 圖 2.13 各種真空吸附取料手 2) 氣流負(fù)壓吸附取料手氣流負(fù)壓吸附取料手如圖2.14所示。氣流負(fù)壓吸附取料手是利用流體力學(xué)的原理, 當(dāng)需要取物時(shí), 壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴5時(shí), 其出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓, 于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓, 完成取物動(dòng)作;當(dāng)需要釋放時(shí), 切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣,

8、工廠里較易取得,故成本較低。 圖 2.14 氣流負(fù)壓吸附取料手 3) 擠壓排氣式取料手?jǐn)D壓排氣式取料手如圖2.15所示。其工作原理為: 取料時(shí)吸盤壓緊物體, 橡膠吸盤變形, 擠出腔內(nèi)多余的空氣,取料手上升, 靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負(fù)壓, 將物體吸住; 釋放時(shí),壓下拉桿3, 使吸盤腔與大氣相連通而失去負(fù)壓。 該取料手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 但吸附力小, 吸附狀態(tài)不易長(zhǎng)期保持。 圖 2.15 擠壓排氣式取料手 2. 磁吸附式取料手利用電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料, 因此只能對(duì)鐵磁物體起作用; 另外,對(duì)某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。比氣吸收式手部：有較大的單位面積吸力，

9、對(duì)工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無(wú)特殊要求。電磁鐵工作原理如圖2.16(a)所示。當(dāng)線圈1通電后, 在鐵心2內(nèi)外產(chǎn)生磁場(chǎng), 磁力線穿過鐵心, 空氣隙和銜鐵3被磁化并形成回路, 銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸住。圖 2.16 電磁鐵工作原理 圖 2.17 盤狀磁吸附取料手結(jié)構(gòu) 圖 2.18 幾種電磁式吸盤吸料示意圖 (三)專用操作器及轉(zhuǎn)換器1. 1. 專用末端操作器專用末端操作器機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動(dòng)作, 再配上各種專用的末端操作器后,就能完成各種動(dòng)作。如在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺(tái)焊接機(jī)器人, 安裝擰螺母機(jī)則成為一臺(tái)裝配機(jī)器人。目前有許多由專用電動(dòng)、氣

10、動(dòng)工具改型而成的操作器, 如圖2.19所示, 有擰螺母機(jī)、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機(jī)等。 所形成的一整套系列供用戶選用, 使機(jī)器人能勝任各種工作。 圖 2.19 各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器 2. 2. 換接器或自動(dòng)手爪更換裝置換接器或自動(dòng)手爪更換裝置使用一臺(tái)通用機(jī)器人,要在作業(yè)時(shí)能自動(dòng)更換不同的末端操作器, 就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成: 換接器插座和換接器插頭, 分別裝在機(jī)器腕部和末端操作器上,能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端操作器的快速自動(dòng)更換。 專用末端操作器換接器的要求主要有:同時(shí)具備氣源、電源及信號(hào)的快速聯(lián)接與切換; 能承受末端操作器的工作載荷;

11、 在失電、 失氣情況下, 機(jī)器人停止工作時(shí)不會(huì)自行脫離;具有一定的換接精度等。 圖 2.20 氣動(dòng)換接器與專用末端操作器庫(kù) 圖 2.21 專用末端操作器庫(kù) 3. 3. 多工位換接裝置多工位換接裝置某些機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)相對(duì)較為集中,需要換接一定量的末端操作器, 又不必配備數(shù)量較多的末端操作器庫(kù)。這時(shí)， 可以在機(jī)器人手腕上設(shè)置一個(gè)多工位換接裝置。例如,在機(jī)器人柔性裝配線某個(gè)工位上,機(jī)器人要依次裝配如墊圈、螺釘?shù)葞追N零件, 裝配采用多工位換接裝置,可以從幾個(gè)供料處依次抓取幾種零件, 然后逐個(gè)進(jìn)行裝配, 既可以節(jié)省幾臺(tái)專用機(jī)器人,也可以避免通用機(jī)器人頻繁換接操作器和節(jié)省裝配作業(yè)時(shí)間。 圖 2.22 多

12、工位末端操作器換接裝置(a) 棱錐型； (b) 棱柱型 ( (四四) )仿生多指靈巧手仿生多指靈巧手1. 1. 柔性手柔性手為了能對(duì)不同外形的物體實(shí)施抓取, 并使物體表面受力比較均勻, 因此研制出了柔性手。如圖2.23所示為多關(guān)節(jié)柔性手腕,每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。圖2.24所示為用柔性材料做成的柔性手。此種柔性手適用于抓取輕型、圓形物體, 如玻璃器皿等。 圖2.23多關(guān)節(jié)柔性手腕圖 2.24 柔性手 2. 2. 多指靈巧手多指靈巧手機(jī)器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。 如圖2.25所示,多指靈巧手有多個(gè)手指, 每個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié), 每一個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的。因此

13、,幾乎人手指能完成的各種復(fù)雜動(dòng)作它都能模仿,諸如擰螺釘、彈鋼琴、 作禮儀手勢(shì)等動(dòng)作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器, 將會(huì)使多指靈巧手達(dá)到更完美的程度。多指靈巧手的應(yīng)用前景十分廣泛,可在各種極限環(huán)境下完成人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的操作, 如核工業(yè)領(lǐng)域、宇宙空間作業(yè), 在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。 圖 2.25 多指靈巧手 （五）（五） 其它手其它手1. 1. 彈性力手爪彈性力手爪彈性力手爪的特點(diǎn)是其夾持物體的抓力是由彈性元件提供的,不需要專門的驅(qū)動(dòng)裝置, 在抓取物體時(shí)需要一定的壓入力, 而在卸料時(shí), 則需要一定的拉力。 圖2.26所示為幾種彈性力手爪的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2.26(a)所示的手爪有一

14、個(gè)固定爪, 另一個(gè)活動(dòng)爪6靠壓簧4提供抓力, 活動(dòng)爪繞軸5回轉(zhuǎn), 空手時(shí)其回轉(zhuǎn)角度由平面2、3限制。抓物時(shí),爪6在推力作用下張開,靠爪上的凹槽和彈性力抓取物體; 卸料時(shí), 需固定物體的側(cè)面,手爪用力拔出即可。 圖 2.26 彈性力手爪 2. 2. 擺動(dòng)式手爪擺動(dòng)式手爪擺動(dòng)式手爪的特點(diǎn)是在手爪的開合過程中, 其爪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是繞固定軸擺動(dòng)的, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用較廣,適合于圓柱表面物體的抓取。 圖2.27所示為一種擺動(dòng)式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖。這是一種連桿擺動(dòng)式手爪, 活塞桿移動(dòng), 并通過連桿帶動(dòng)手爪回繞同一軸擺動(dòng), 完成開合動(dòng)作。 圖 2.27 擺動(dòng)式手爪的結(jié)構(gòu)原理圖 圖 2.28 自重式手部結(jié)構(gòu) 圖 2

15、.29 彈簧外卡式手部結(jié)構(gòu) 3. 3. 勾托式手部勾托式手部圖2.30所示為勾托式手部結(jié)構(gòu)示意圖。勾托式手部并不靠夾緊力來(lái)夾持工件, 而是利用工件本身的重量, 通過手指對(duì)工件的勾、托、捧等動(dòng)作來(lái)托持工件。應(yīng)用勾托方式可降低對(duì)驅(qū)動(dòng)力的要求,簡(jiǎn)化手部結(jié)構(gòu), 甚至可以省略手部驅(qū)動(dòng)裝置。該手部適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)搬運(yùn)大型笨重的工件或結(jié)構(gòu)粗大而質(zhì)量較輕且易變形的物體。 勾托式手部又有手部無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置兩種類型。 圖 2.30 勾托式手部示意圖(a) 無(wú)驅(qū)動(dòng)裝置的手部； (b) 有驅(qū)動(dòng)裝置的手部 l 手腕手腕是是連接末端操作器和手臂的部件連接末端操作器和手臂的部件，l 作用：作用：是調(diào)整或改變

16、末端操作器方位和姿態(tài)是調(diào)整或改變末端操作器方位和姿態(tài)l 組成：組成：三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。p繞小臂軸線繞小臂軸線X X旋轉(zhuǎn)的臂轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的臂轉(zhuǎn)p相對(duì)于小臂擺動(dòng)的腕擺相對(duì)于小臂擺動(dòng)的腕擺p繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的手轉(zhuǎn)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的手轉(zhuǎn)圖 2.31 手腕的自由度 ( (一一) )手腕的分類手腕的分類1. 1. 按自由度數(shù)目來(lái)分按自由度數(shù)目來(lái)分手腕按自由度數(shù)目來(lái)分, 可分為單自由度手腕、 二自由度手腕和三自由度手腕。 (1) 單自由度手腕如圖2.32所示。 圖2.32(a)是一種翻轉(zhuǎn)(Roll)關(guān)節(jié), 它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸形式。 這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大, 可達(dá)到360以上。 圖

17、2.32(b)、 (c)是一種折曲(Bend)關(guān)節(jié)(簡(jiǎn)稱B關(guān)節(jié)), 關(guān)節(jié)軸線與前后兩個(gè)連接件的軸線相垂直。 這種B關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)上的干涉, 旋轉(zhuǎn)角度小, 大大限制了方向角。 圖2.31(d)所示為移動(dòng)關(guān)節(jié)。 圖 2.32 單自由度手腕(a) R手腕； (b) B手腕; (c) Y手腕； (d) T手腕 (2) 二自由度手腕如圖2.33所示。二自由度手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成BR手腕(見圖2.33(a)，也可以由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB手腕(見圖2.33(b)。但是, 不能由兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成RR手腕, 因?yàn)閮蓚€(gè)R共軸線, 所以退化了一個(gè)自由度, 實(shí)際只構(gòu)成了單自由度手腕(見圖2.33(c)。

18、 圖 2.33 二自由度手腕(a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕 (3) 三自由度手腕如圖2.34所示。三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式。圖2.34(a)所示是通常見到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 即RPY運(yùn)動(dòng)。圖2.34(b)所示是一個(gè)B關(guān)節(jié)和兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成的BRR手腕, 為了不使自由度退化, 使手部產(chǎn)生RPY運(yùn)動(dòng),第一個(gè)R關(guān)節(jié)必須進(jìn)行如圖所示的偏置。圖2.34(c)所示是三個(gè)R關(guān)節(jié)組成的RRR手腕,它也可以實(shí)現(xiàn)手部RPY運(yùn)動(dòng)。圖2.34(d)所示是BBB手腕, 很明顯, 它已退化為二自由度手腕,只有PY運(yùn)動(dòng),實(shí)際上不采用這種手腕。 此

19、外, B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同,也會(huì)產(chǎn)生不同的效果,同時(shí)產(chǎn)生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊, 通常把兩個(gè)B關(guān)節(jié)安裝在一個(gè)十字接頭上, 這對(duì)于BBR手腕來(lái)說， 大大減小了手腕縱向尺寸。 圖 2.34 三自由度手腕(a) BBR手腕; (b) BRR手腕; (c) RRR手腕; (d) BBB手腕 2. 2. 按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分手腕按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分,可分為直接驅(qū)動(dòng)手腕和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕。 圖2.35所示為Moog公司的一種液壓直接驅(qū)動(dòng)BBR手腕, 設(shè)計(jì)緊湊巧妙。M1、M2、M3是液壓馬達(dá), 直接驅(qū)動(dòng)手腕的偏轉(zhuǎn)、俯仰和翻轉(zhuǎn)三個(gè)自由度軸。圖2.36所示為一種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的RBR手

20、腕。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使整個(gè)手腕翻轉(zhuǎn),即第一個(gè)R關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使手腕獲得俯仰運(yùn)動(dòng), 即第二個(gè)B關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)即第三個(gè)R關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)c軸一離開紙平面后, RBR手腕便在三個(gè)自由度軸上輸出RPY運(yùn)動(dòng)。這種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅(qū)動(dòng)源放在遠(yuǎn)離手腕處, 有時(shí)放在手臂的后端作平衡重量用,這不僅減輕了手腕的整體重量, 而且改善了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的平衡性。 圖 2.35 液壓直接驅(qū)動(dòng)BBR手腕 圖 2.36 遠(yuǎn)距離傳動(dòng)RBR手腕 （二）手腕的典型結(jié)構(gòu)（二）手腕的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手腕時(shí)除應(yīng)滿足啟動(dòng)和傳送過程中所需的輸出力矩外, 還要求手腕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,緊湊輕巧,避免干涉,傳動(dòng)靈活; 多數(shù)情況下，要求

21、將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分安排在小臂上, 使外形整齊; 設(shè)法使幾個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去, 運(yùn)動(dòng)傳入腕部后再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。下面介紹幾個(gè)常見的機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)。 圖2.37所示為雙手懸掛式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖。 A-A剖面所表示的是油缸外殼轉(zhuǎn)動(dòng)而中心軸不動(dòng), 以實(shí)現(xiàn)手腕的左右擺動(dòng)；B-B剖面所表示的是油缸外殼不動(dòng)而中心軸回轉(zhuǎn), 以實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 其油路的分布如圖2.37所示。 圖 2.37 手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖 圖2.38所示為PT600型弧焊機(jī)器人手腕部結(jié)構(gòu)圖和傳動(dòng)原理圖。由圖可以看出, 這是一個(gè)具有腕擺與手轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度的手腕結(jié)構(gòu), 其傳動(dòng)路線為

22、: 腕擺電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶傳動(dòng)帶動(dòng)腕擺諧波減速器7, 減速器的輸出軸帶動(dòng)腕擺框1實(shí)現(xiàn)腕擺運(yùn)動(dòng); 手轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶傳動(dòng)帶動(dòng)手轉(zhuǎn)諧波減速器10, 減速器的輸出通過一對(duì)錐齒輪9實(shí)現(xiàn)手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。需要注意的是, 當(dāng)腕擺框擺動(dòng)而手轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí), 聯(lián)接末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動(dòng), 將產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 在控制上要進(jìn)行修正。 圖 2.38 PT-600型弧焊機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖 圖2.39所示為KUKA IR-662100型機(jī)器人的手腕傳動(dòng)原理圖。這是一個(gè)具有3個(gè)自由度的手腕結(jié)構(gòu), 關(guān)節(jié)配置形式為臂轉(zhuǎn)、 腕擺、 手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。 其傳動(dòng)鏈分成兩部分: 一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi), 3個(gè)電動(dòng)機(jī)的輸出通過

23、帶傳動(dòng)分別傳遞到同軸傳動(dòng)的心軸、 中間套、 外套筒上; 另一部分傳動(dòng)鏈安排在手腕部, 圖2.40所示為手腕部分的裝配圖。 其傳動(dòng)路線為: 圖 2.39 KUKA IR-662/100型機(jī)器人手腕傳動(dòng)圖 圖 2.40 KUKA IR-662/100型機(jī)器人手腕裝配圖 (1) 臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。臂部外套筒與手腕殼體7通過端面法蘭聯(lián)接,外套筒直接帶動(dòng)整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 (2) 腕擺運(yùn)動(dòng)。臂部中間套通過花鍵與空心軸4聯(lián)接, 空心軸另一端通過一對(duì)錐齒輪12、13帶動(dòng)腕擺諧波減速器的波發(fā)生器16, 波發(fā)生器上套有軸承和柔輪14,諧波減速器的定輪10與手腕殼體相聯(lián), 動(dòng)輪11通過蓋18和腕擺殼體19相固接,

24、 當(dāng)中間套帶動(dòng)空心軸旋轉(zhuǎn)時(shí), 腕擺殼體作腕擺運(yùn)動(dòng)。 (3) 手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。臂部心軸通過花鍵與腕部中心軸2聯(lián)接, 中心軸的另一端通過一對(duì)錐齒輪45、46帶動(dòng)花鍵軸41, 花鍵軸的一端通過同步齒形帶傳動(dòng)44、36帶動(dòng)花鍵軸35, 再通過一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)33、17帶動(dòng)手轉(zhuǎn)諧波減速器的波發(fā)生器25, 波發(fā)生器上套有軸承和柔輪29, 諧波減速器的定輪31通過底座34與腕擺殼體相聯(lián),動(dòng)輪24通過安裝架23與聯(lián)接手部的法蘭盤30相固定, 當(dāng)臂部心軸帶動(dòng)腕部中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí), 法蘭盤作手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （三）柔順手腕結(jié)構(gòu)（三）柔順手腕結(jié)構(gòu)在用機(jī)器人進(jìn)行的精密裝配作業(yè)中,當(dāng)被裝配零件之間的配合精度相當(dāng)高, 由于被裝配零件的不一

25、致性,工件的定位夾具、機(jī)器人手爪的定位精度無(wú)法滿足裝配要求時(shí),會(huì)導(dǎo)致裝配困難, 因而,柔順性裝配技術(shù)有兩種。一種是從檢測(cè)、控制的角度, 采取各種不同的搜索方法,實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配;有的手爪還配有檢測(cè)元件,如視覺傳感器(如圖2.41所示)、力傳感器等, 這就是所謂主動(dòng)柔順裝配。另一種是從結(jié)構(gòu)的角度, 在手腕部配置一個(gè)柔順環(huán)節(jié),以滿足柔順裝配的需要, 這種柔順裝配技術(shù)稱為被動(dòng)柔順裝配。 圖 2.41 帶檢測(cè)元件的手 圖2.42所示是具有移動(dòng)和擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順手腕。水平浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上進(jìn)行浮動(dòng); 擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由上、下球面和彈簧構(gòu)成, 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的擺動(dòng)。在裝配作業(yè)中,

26、如遇夾具定位不準(zhǔn)或機(jī)器人手爪定位不準(zhǔn)時(shí), 可自行校正。其動(dòng)作過程如圖2.43所示, 在插入裝配中工件局部被卡住時(shí),將會(huì)受到阻力, 促使柔順手腕起作用, 使手爪有一個(gè)微小的修正量,工件便能順利插入。圖2.44所示是另一種結(jié)構(gòu)形式的柔順手腕, 其工作原理與上述柔順手腕相似。 圖2.45所示是采用板彈簧作為柔性元件組成的柔順手腕, 在基座上通過板彈簧1、2聯(lián)接框架, 框架另兩個(gè)側(cè)面上通過板彈簧3、4聯(lián)接平板和軸,裝配時(shí)通過4塊板彈簧的變形實(shí)現(xiàn)柔順性裝配。圖2.46所示是采用數(shù)根鋼絲彈簧并聯(lián)組成的柔順手腕。 圖 2.42 移動(dòng)擺動(dòng)柔順手腕 圖 2.43 柔順手腕動(dòng)作過程 圖 2.44 柔順手腕 圖 2

27、.45 板彈簧柔順手腕 圖 2.46 鋼絲彈簧柔順手腕 l 手臂：是支持末端執(zhí)行器和手腕的部件，是機(jī)械操作臂中的重要部件。l 組成：大臂和小臂l 功能：完成伸縮運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)、升降或上下擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。l 作用：是把物料運(yùn)送到工作范圍內(nèi)的給定位置上。l 手臂結(jié)構(gòu)形式的選取需考慮機(jī)器人的抓取物料重量、運(yùn)動(dòng)方式、速度、自由度數(shù)等。l 手臂的驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)及復(fù)合驅(qū)動(dòng)等。它不僅僅承受被抓取工件的重量,而且承受末端執(zhí)行器、手腕和手臂自身的重量。 手臂的結(jié)構(gòu)、 工作范圍、 靈活性、抓重大小(即臂力)和定位精度都直接影響機(jī)器人的工作性能。 按手臂的結(jié)構(gòu)形式區(qū)分, 手臂有單臂式、 雙臂式及懸掛式

28、, 如圖2.47所示。 圖 2.47 手臂的結(jié)構(gòu)形式(a)、 (b) 單臂式; (c) 雙臂式； (d) 懸掛式 1. 1. 手臂的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng), 而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線活塞和連桿機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式較多,常用的有活塞油(氣)缸,活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu), 絲杠螺母機(jī)構(gòu)等。 直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)可采用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)的活塞油(氣)缸。 由于活塞油 (氣)缸的體積小,重量輕, 因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。 圖2.48所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端, 當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí), 則推動(dòng)

29、活塞桿2(即手臂)做往復(fù)直線移動(dòng)。 導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng),以防手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)(并兼作手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道)。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間,由導(dǎo)向桿承受彎曲作用, 活塞桿只受拉壓作用, 故受力簡(jiǎn)單,傳動(dòng)平穩(wěn),外形整齊美觀, 結(jié)構(gòu)緊湊。 圖 2.48 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 2. 2. 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的,常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)。下面以齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)為例說明手臂的回轉(zhuǎn)。 齒輪齒條機(jī)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)移動(dòng),帶動(dòng)與手臂聯(lián)接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn), 即可實(shí)現(xiàn)手

30、臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)齒條往復(fù)移動(dòng)的活塞缸可以由壓力油或壓縮氣體驅(qū)動(dòng)。圖2.49所示為手臂作升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。圖 2.49 手臂升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖2.50所示為采用活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)的一種雙臂機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)圖, 手臂的上下擺動(dòng)由鉸接活塞油缸和連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)鉸接活塞油缸1的兩腔通壓力油時(shí), 通過連桿2帶動(dòng)曲桿3(即手臂)繞軸心O做90的上下擺動(dòng)(如雙點(diǎn)劃線所示位置)。 手臂下擺到水平位置時(shí), 其水平和側(cè)向的定位由支承架4上的定位螺釘6和5來(lái)調(diào)節(jié)。此手臂結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、湊緊和輕巧等特點(diǎn)。 圖 2.50 雙臂機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu) 3. 3. 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人手臂的俯

31、仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞油(氣)缸與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的下方, 其活塞桿和手臂用鉸鏈連接, 缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱聯(lián)接, 如圖2.51、圖2.52所示。此外,還有采用無(wú)桿活塞缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條或四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。 圖 2.51 手臂俯仰驅(qū)動(dòng)缸安置示意圖 圖 2.52 鉸接活塞缸實(shí)現(xiàn)手臂俯仰運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 4. 4. 手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 1) 手臂的復(fù)合運(yùn)動(dòng)圖2.53(a)所示為曲線凹槽機(jī)構(gòu)手臂結(jié)構(gòu)。 當(dāng)活塞油缸1通入壓力油時(shí), 推動(dòng)銑有N型凹槽的活塞桿2右移, 由于銷軸6固定在前蓋3上, 因此, 滾套7在活塞桿的N形凹槽內(nèi)滾動(dòng),

32、 迫使活塞桿2既做移動(dòng)又做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 以實(shí)現(xiàn)手臂4的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。活塞桿2上的凹槽展開圖見圖2.53(b)所示。其中, L1直線段為機(jī)器人取料過程; L曲線段為機(jī)器人送料回轉(zhuǎn)過程;L2直線段為機(jī)器人向卡盤內(nèi)送料過程。當(dāng)機(jī)床扣盤夾緊工件后立即發(fā)出信號(hào),使活塞桿反向運(yùn)動(dòng),退至原位等待上料, 從而完成自動(dòng)上料。 圖2.53用曲線凹槽機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂復(fù)合運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖 2.54 用行星機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂和手腕同時(shí)回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)手臂和手腕的結(jié)構(gòu)圖; (b) 手臂的結(jié)構(gòu)圖; (c) 手臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖； (d) 手臂向量圖 1. 1. 固定式機(jī)器人固定式機(jī)器人固定式機(jī)器人的機(jī)座直接聯(lián)接在地面基礎(chǔ)上,也可固定在機(jī)身上。如圖2.55所

33、示的美國(guó)PUMA-262型垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人, 其基座與立柱結(jié)構(gòu)如圖2.56所示, 主要包括立柱回轉(zhuǎn)(第一關(guān)節(jié))的二級(jí)齒輪減速傳動(dòng), 減速箱體即為基座。 圖 2.55 PUMA-262型機(jī)器人 傳動(dòng)路線為:電動(dòng)機(jī)11輸出軸上裝有電磁制動(dòng)閘16, 然后聯(lián)接軸齒輪18, 軸齒輪與雙聯(lián)齒輪20嚙合, 雙聯(lián)齒輪的另一端與大齒輪4嚙合,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過二級(jí)齒輪傳動(dòng)使主軸6回轉(zhuǎn)。 基座2是一個(gè)整體鋁鑄件, 電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)接板12與基座固定, 軸齒輪通過軸承和固定套17與基座相連, 雙聯(lián)齒輪安裝在中間軸19上, 中間軸通過2個(gè)軸承安裝在基座上。主軸是個(gè)空心軸, 通過2個(gè)軸承、立柱7和壓環(huán)5與基座固定。立柱是

34、1個(gè)薄壁鋁管, 主軸上方安裝大臂部件,基座上還裝有小臂零位定位用的支架9, 2個(gè)控制末端操作器手爪動(dòng)作的空氣閥門15和氣管接頭14等。 圖 2.56 基座與立柱結(jié)構(gòu)圖 2. 2. 移動(dòng)式機(jī)器人移動(dòng)式機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分為固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式。無(wú)固定軌跡式又分為與地面連續(xù)接觸（包括輪式和履帶式）和與地面間斷接觸（步行式）。（1 1）輪車機(jī)器人）輪車機(jī)器人二輪車的速度、傾斜度等物理精度不高, 而若將其進(jìn)行機(jī)器人化,則引進(jìn)簡(jiǎn)單、便宜、可靠性高的傳感器也很難。此外,二輪車制動(dòng)及低速行走時(shí)極不穩(wěn)定, 目前正在進(jìn)行穩(wěn)定化試驗(yàn)。圖2.57所示為利用陀螺儀的二輪車。人們?cè)隈{駛兩輪車時(shí), 依靠手的操作和體重的移

35、動(dòng)力求穩(wěn)定行走,這種陀螺二輪車, 把與車體傾斜成比例的力矩作用在軸系上,利用陀螺效果使車體穩(wěn)定。 圖 2.57 利用陀螺儀的二輪車 （2 2）由三組輪子組成的輪系）由三組輪子組成的輪系三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)是車輪型機(jī)器人的基本移動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前, 作為移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的三輪機(jī)構(gòu)的原理如圖2.58所示。 圖 2.58 三輪車型移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu) 圖2.59所示的三組輪是由美國(guó)Unimationstanford 行走機(jī)器人課題研究小組設(shè)計(jì)研制的。 它采用了三組輪子, 呈等邊三角形分布在機(jī)器人的下部。 圖 2.59 三組輪 在該輪系中,每組輪子由若干個(gè)滾輪組成。這些輪子能夠在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下自由地轉(zhuǎn)動(dòng),使機(jī)器人移動(dòng)

36、。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)既可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)所有三組輪子,也可以分別驅(qū)動(dòng)其中兩組輪子,這樣,機(jī)器人就能夠在任何方向上移動(dòng)。 該機(jī)器人行走部分設(shè)計(jì)得非常靈活, 它不但可以在工廠地面上運(yùn)動(dòng),而且能夠沿小路行駛。存在的問題是,機(jī)器人的穩(wěn)定性不夠,容易傾倒, 而且運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性隨著負(fù)載輪子的相對(duì)位置不同而變化。 另外， 在輪子與地面的接觸點(diǎn)從一個(gè)滾輪移到另一個(gè)滾輪上的時(shí)候, 還會(huì)出現(xiàn)顛簸。 為了改進(jìn)該機(jī)器人的穩(wěn)定性, Unimationstanford研究小組重新設(shè)計(jì)了一種三輪機(jī)器人。改進(jìn)后的特點(diǎn)是使用長(zhǎng)度不同的兩種滾輪： 長(zhǎng)滾輪呈錐形, 固定在短滾輪的凹槽里。這樣可大大減小滾輪之間的間隙, 減小了輪子的厚度, 提高

37、了機(jī)器人的穩(wěn)定性。 此外, 滾輪上還附加了軟橡皮, 具有足夠的變形能力, 可使?jié)L輪的接觸點(diǎn)在相互替換時(shí)不發(fā)生顛簸。 （3 3）四輪機(jī)器人）四輪機(jī)器人四輪車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本上與三輪車相同。 圖2.60(a)所示為兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng), 前后帶有輔助輪的方式。 與圖2.58(a)相比, 當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0時(shí), 由于能繞車體中心旋轉(zhuǎn), 因此有利于在狹窄場(chǎng)所改變方向。 圖2.60(b)是所謂汽車方式, 適合于高速行走, 但用于低速的運(yùn)輸搬運(yùn)時(shí), 費(fèi)用不合算, 所以小型機(jī)器人不大采用。 圖 2.60 四輪車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng) 圖 2.61 火星探測(cè)用小漫游車 圖2.62所示為四輪防爆機(jī)器人, 該輪系由于采用了四組

38、輪子, 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有很大提高。但是,要保證四組輪子同時(shí)和地面接觸, 必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。它需要四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī), 控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜, 造價(jià)也較高。 圖 2.62 四輪防爆機(jī)器人 （4 4）三角輪系統(tǒng)）三角輪系統(tǒng)圖2.63所示為三角輪系的機(jī)構(gòu)圖。這是日本東京大學(xué)研制的一種機(jī)器人輪系, 它所裝備的機(jī)器人用于核電廠的自動(dòng)檢測(cè)和維修。該機(jī)器人除了采用三角輪系外, 還具有一個(gè)傳感器系統(tǒng)和一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該輪系使機(jī)器人不但能在地面上運(yùn)動(dòng), 而且還能夠爬樓梯。 圖 2.63 三角輪系的機(jī)構(gòu)圖 （5 5）全方位移動(dòng)機(jī)器人）全方位移動(dòng)機(jī)器人過去的車輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上是2自由度的, 因此不可能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)

39、任意的定位和定向。 機(jī)器人的定位, 用四輪構(gòu)成的車可通過控制各輪的轉(zhuǎn)向角來(lái)實(shí)現(xiàn)。自由度多、能簡(jiǎn)單設(shè)定機(jī)器人所需位置及方向的移動(dòng)車稱為全方位移動(dòng)車。圖2.64是表示全方位移動(dòng)車移動(dòng)方式的各車輪的轉(zhuǎn)向角。 圖 2.64 全方位移動(dòng)車的移動(dòng)方式(a) 全方位方式； (b) 轉(zhuǎn)彎方式; (c) 旋轉(zhuǎn)方式; (d) 制動(dòng)方式 （6 6）兩足步行式機(jī)器人）兩足步行式機(jī)器人車輪式行走機(jī)構(gòu)只有在平坦堅(jiān)硬的地面上行駛才有理想的運(yùn)動(dòng)特性。如果地面凸凹程度和車輪直徑相當(dāng), 或地面很軟, 則它的運(yùn)動(dòng)阻力將大增。 足式步行機(jī)構(gòu)有很大的適應(yīng)性, 尤其在有障礙物的通道(如管道、 臺(tái)階或樓梯)上或很難接近的工作場(chǎng)地更有優(yōu)越性

40、。 足式步行機(jī)構(gòu)有兩足、 三足、 四足、 六足、 八足等形式, 其中兩足步行機(jī)器人具有最好的適應(yīng)性, 也最接近人類, 故也稱之為類人雙足行走機(jī)器人。 類人雙足行走機(jī)構(gòu)是多自由度的控制系統(tǒng), 是現(xiàn)代控制理論很好的應(yīng)用對(duì)象。 這種機(jī)構(gòu)除結(jié)構(gòu)復(fù)雜外, 在靜/動(dòng)狀態(tài)下的行走性能、穩(wěn)定性和高速運(yùn)動(dòng)等都不是很理想。 如圖2.65所示, 兩足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)是一空間連桿機(jī)構(gòu)。在行走過程中, 行走機(jī)構(gòu)始終滿足靜力學(xué)的靜平衡條件,也就是機(jī)器人的重心始終落在支持地面的一腳上。 圖 2.65 兩足步行式行走機(jī)構(gòu)原理圖 兩足步行機(jī)器人的動(dòng)步行有效地利用了慣性力和重力。 人的步行就是動(dòng)步行, 動(dòng)步行的典型例子是踩高蹺

41、。 高蹺與地面只是單點(diǎn)接觸, 兩根高蹺不動(dòng)時(shí)在地面站穩(wěn)是非常困難的, 要想原地停留,必須不斷踏步,不能總是保持步行中的某種瞬間姿態(tài)。 圖2.66所示為北京漢庫(kù)科技公司研制的雙足機(jī)器人。該機(jī)器人全部采用國(guó)產(chǎn)元件, 驅(qū)動(dòng)部分采用23個(gè)直流伺服電機(jī), 行走平穩(wěn),能直立,前進(jìn),后退,單腿站立, 原地旋轉(zhuǎn),跳舞, 打太極拳等。其中，二足共有10個(gè)自由度， 由腰部、 大腿、 小腿和腳掌組成，髖部有前向和側(cè)向關(guān)節(jié)各一對(duì)，膝部有前向關(guān)節(jié)一對(duì)，踝部有前向關(guān)節(jié)和側(cè)向關(guān)節(jié)各一對(duì)。前向關(guān)節(jié)用來(lái)實(shí)現(xiàn)重心在前進(jìn)方向上的運(yùn)動(dòng)。側(cè)向關(guān)節(jié)用來(lái)實(shí)現(xiàn)重心的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。 KAMRO機(jī)器人是Karlsrube大學(xué)開發(fā)的自治式行走機(jī)器人,

42、 如圖2.67所示。該機(jī)器人用在柔性制造單元中進(jìn)行工件搬運(yùn)和裝配作業(yè)。 KAMRO機(jī)器人從材料儲(chǔ)存系統(tǒng)中挑選所需的零件并把它搬運(yùn)到裝配站, 零件準(zhǔn)備好以后, 機(jī)器人的兩個(gè)手臂在傳感器系統(tǒng)監(jiān)控下把零件裝配成成品件。手部具有裝配工作不可少的力和力矩傳感器,以便測(cè)量裝配過程中零件之間的碰撞和力; 由視覺系統(tǒng)監(jiān)視裝配過程, 即超聲波傳感器探測(cè)可能存在的障礙物, 并避開障礙物尋找安全路徑。 圖 2.66 漢庫(kù)科技公司的雙足機(jī)器人 圖 2.67 KAMRO機(jī)器人 （7 7）履帶行走機(jī)器人）履帶行走機(jī)器人履帶式機(jī)構(gòu)的最大特征是將圓環(huán)狀的無(wú)限軌道帶卷繞在多個(gè)車輪上, 使車輪不直接與路面接觸。 利用履帶可以緩沖

43、路面狀態(tài), 因此可以在各種路面條件下行走。 機(jī)器人采用履帶方式有以下一些優(yōu)點(diǎn): 1）能登上較高的臺(tái)階; 2）由于履帶的突起, 路面保持力強(qiáng), 因此適合在荒地上移動(dòng); 3）能夠原地旋轉(zhuǎn); 4）重心低, 穩(wěn)定。 圖 2.68 履帶機(jī)器人 通過進(jìn)一步采用適應(yīng)地形的履帶, 可產(chǎn)生更有效地利用履帶特性的方法。 圖2.69是適應(yīng)地形的履帶的例子。 圖 2.69 適應(yīng)地形的履帶 （一）驅(qū)動(dòng)（一）驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置是使機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行起來(lái)的裝置。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式：機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式：l 液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)l 氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)l 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)1 1液壓驅(qū)動(dòng)器類型和特點(diǎn)液壓驅(qū)動(dòng)器類型和特點(diǎn) 液壓驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是

44、功率大，可省去減速裝置而直接與被液壓驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫及有潔凈要求的場(chǎng)合。故液壓驅(qū)動(dòng)器目前多用于合高、低溫及有潔凈要求的場(chǎng)合。故液壓驅(qū)動(dòng)器目前多用于特大功率的操作機(jī)器人系統(tǒng)或機(jī)器人化工程機(jī)械。特大功率的操作機(jī)器人系統(tǒng)或機(jī)器人化工程機(jī)械。 液壓驅(qū)動(dòng)器可分為以下幾種類型。液壓驅(qū)動(dòng)器可分為以下幾種類型。液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng) 液壓馬達(dá)液壓馬達(dá) 液壓缸液壓缸 回轉(zhuǎn)馬

45、達(dá)回轉(zhuǎn)馬達(dá) 擺動(dòng)馬達(dá)擺動(dòng)馬達(dá)液壓馬達(dá)液壓馬達(dá)液壓擺動(dòng)馬達(dá)液壓擺動(dòng)馬達(dá)液壓控制閥液壓控制閥液壓泵液壓泵液壓缸液壓缸2氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器類型及特點(diǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器類型及特點(diǎn) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但也需要增設(shè)氣壓源，且與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，功率較用。但也需要增設(shè)氣壓源，且與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高、但有潔凈、防爆等要求的點(diǎn)位控制機(jī)器人。高、但有潔凈、防爆等要求的點(diǎn)位控制機(jī)器人。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器可分為以下幾種類型。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器可分為以下幾種類型。

46、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 氣動(dòng)馬達(dá)氣動(dòng)馬達(dá) 氣缸氣缸 回轉(zhuǎn)馬達(dá)回轉(zhuǎn)馬達(dá) 擺動(dòng)馬達(dá)擺動(dòng)馬達(dá)氣動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)氣動(dòng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)氣動(dòng)擺動(dòng)馬達(dá)氣動(dòng)擺動(dòng)馬達(dá)氣缸氣缸氣泵氣泵氣動(dòng)三大件氣動(dòng)三大件氣動(dòng)控制閥氣動(dòng)控制閥3 3電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器類型和特點(diǎn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器類型和特點(diǎn) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，轉(zhuǎn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小，速度和位置精度都很高，但它們多與減速裝置動(dòng)慣性小，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(dòng)比較困難。相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的類型很多，可分為以下幾種類型。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的類型很多，可分為以下幾種類型。力矩電機(jī)力矩電機(jī)電驅(qū)動(dòng)電驅(qū)動(dòng) 交流伺服

47、電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)（包括直線電機(jī)）直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)（包括直線電機(jī)） 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng) 舵機(jī)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 有刷有刷無(wú)刷無(wú)刷舵機(jī)舵機(jī)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)（二）傳動(dòng)（二）傳動(dòng)傳動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置是傳動(dòng)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的裝置。機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：l 直線傳動(dòng)直線傳動(dòng)l 旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)1. 1. 直線傳動(dòng)裝置直線傳動(dòng)裝置 （1 1）齒輪齒條裝置）齒輪齒條裝置組成：齒條、齒輪、拖板、導(dǎo)向桿齒條、齒輪、拖板、導(dǎo)向桿原理：通常,齒條是固定不動(dòng)的；齒輪傳動(dòng)時(shí), 齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動(dòng)；齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)換成為

48、拖板的直線運(yùn)動(dòng)。如圖2.70所示。特點(diǎn)：該裝置的回差較大。 圖 2.70 齒輪齒條裝置 （2 2）普通絲杠）普通絲杠普通絲杠驅(qū)動(dòng)是由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的精密絲杠驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺母沿絲杠軸向移動(dòng)。 特點(diǎn)：由于普通絲杠的摩擦力較大, 效率低, 慣性大, 在低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象, 而且精度低, 回差大。應(yīng)用：在機(jī)器人上很少采用。 （3 3）滾珠絲杠）滾珠絲杠組成：絲杠、螺母、滾珠、回程引導(dǎo)裝置原理：滾珠絲杠里的滾珠從鋼套管中出來(lái), 進(jìn)入經(jīng)過研磨的導(dǎo)槽, 轉(zhuǎn)動(dòng)23圈以后, 返回鋼套管。如圖2.71所示特點(diǎn)：傳動(dòng)過程中所受的摩擦力是滾動(dòng)摩擦, 可極大地減小摩擦力，摩擦力很?。贿\(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度快；傳動(dòng)效率高,達(dá)到90%。

49、圖 2.71 滾球絲杠副 應(yīng)用：機(jī)器人上經(jīng)常用。 2. 2. 旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置（1 1）齒輪鏈）齒輪鏈組成：由兩個(gè)或兩個(gè)以上的齒輪組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。特點(diǎn)：不但可以傳遞運(yùn)動(dòng)角位移和角速度, 而且可以傳遞力和力矩。 原理：以具有兩個(gè)齒輪的齒輪鏈為例，如圖2.73所示。其中一個(gè)齒輪裝在輸入軸上, 另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上。圖 2.73 齒輪鏈機(jī)構(gòu)使用注意： 齒輪鏈的引入會(huì)改變系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間減小, 這樣伺服系統(tǒng)就更加容易控制。輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到驅(qū)動(dòng)電機(jī)上, 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的下降與輸入輸出齒輪齒數(shù)的平方成正比。 在引入齒輪鏈的同時(shí), 由于齒輪間隙誤差, 將會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人

50、手臂的定位誤差增加; 而且, 假如不采取一些補(bǔ)救措施, 齒隙誤差還會(huì)引起伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 常用的幾種類型：（2 2）同步皮帶）同步皮帶組成：具有許多型齒的皮帶、具有型齒的同步皮帶輪齒特點(diǎn)：具有柔性好, 價(jià)格便宜兩大優(yōu)點(diǎn)；被用于輸入軸和輸出軸方向不一致的情況；同步皮帶比齒輪鏈價(jià)格低得多, 加工也容易得多。 齒輪鏈和同步皮帶結(jié)合起來(lái)使用更為方便。 （3 3）諧波齒輪）諧波齒輪組成：由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成原理：諧波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)并使之發(fā)生塑性變形。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內(nèi)齒轉(zhuǎn)動(dòng)，且柔性齒輪的橢圓形端部只有少數(shù)齒與剛性齒輪嚙合, 只有這樣,柔性齒

51、輪才能相對(duì)于剛性齒輪自由地轉(zhuǎn)過一定的角度。見圖2.74。特點(diǎn)：傳動(dòng)精度高，回差小應(yīng)用：目前, 機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有6070都使用諧波齒輪。圖 2.74 諧波齒輪傳動(dòng) （三）驅(qū)動(dòng)方式的選用（三）驅(qū)動(dòng)方式的選用 在廉價(jià)的計(jì)算機(jī)問世以前, 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算量大, 認(rèn)為采用直線驅(qū)動(dòng)方式比較好。 直流伺服電機(jī)是一種較理想的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)元件, 但需要通過較昂貴的伺服功率放大器來(lái)進(jìn)行精確的控制。 今天, 許多機(jī)器人公司在制造和設(shè)計(jì)新機(jī)器人時(shí), 都選用了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。 然而也有許多情況采用直線驅(qū)動(dòng)更為合適,有些要求精度高的地方也要選用直線驅(qū)動(dòng)。因此，直線氣缸仍是目前所有驅(qū)動(dòng)裝置中最廉價(jià)的動(dòng)力源。（四）工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)要

52、求（四）工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)要求l結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積?。籰消除傳動(dòng)間隙, 提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度。 表2.1為工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較與分析。 表表2.1 工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較與分析工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較與分析 表表2.1 工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較與分析工業(yè)機(jī)器人常用傳動(dòng)方式的比較與分析 （五）制動(dòng)器（五）制動(dòng)器許多機(jī)器人的機(jī)械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動(dòng)器。作用: 在機(jī)器人停止工作時(shí), 保持機(jī)械臂的位置不變; 在電源發(fā)生故障時(shí), 保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。通常是按失效抱閘方式工作的, 即要松開制動(dòng)器就必須接通電源,否則,各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 主要目的：在電源出現(xiàn)故障時(shí)起保護(hù)作用。缺點(diǎn)：在工作期間要不斷通電使制動(dòng)器松開。圖 2.75 三菱裝配機(jī)器人肩部制動(dòng)閘安裝圖 （六）新型的驅(qū)動(dòng)方式（六）新型的驅(qū)動(dòng)方式1. 1. 磁致伸縮驅(qū)動(dòng)磁致伸縮驅(qū)動(dòng)鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變, 其長(zhǎng)度和體積都要發(fā)生微小的變化, 這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。 這一現(xiàn)象已用于制造具有微英寸量級(jí)位移能力的直線電機(jī)。美國(guó)波士頓大學(xué)已經(jīng)研制出了一臺(tái)使用壓電微電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人“機(jī)