機器人的機構與肢體課件

機器人技術概論IntroductiontoRoboticTechnology1機器人技術概論101 機器人的基本構件02 機器人的自由度03 機器人的傳動機構04 機器人的移動機構05 機器人的腿部機構06 機器人的臂部機構07 機器人的手部機構第四章機器人的機構與肢體(RoboticMechanism

and

Body)201 機器人的基本構件第四章機器人的機構與肢體2機器人的肌體是無機的，其中，最重要的是動作器官，包括：機械腿，機械臂，和機械手。3機器人的肌體是無機的，其中，最重要的是動作器官，包括：機械腿01機器人的基本構件1.1

連桿：機器人的骨骼在機器人機構中，最基本的構件有兩種：連桿（Link）：相當于人或動物的骨骼鉸鏈（Joint）：相當于人或動物的關節(jié)連桿，或稱“連接件”，一般為剛性物體，其中，理論上，任意兩點沒有相對的運動。連桿，可以有各種各樣的形狀，可以由各種各樣的材料構成，然而，都可以抽象為一條線段。401機器人的基本構件1.1連桿：機器人的骨骼在機器人機構01機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈，是一種能將兩個連桿（剛體）連合在一起的機構，它為連桿之間的相對運動，提供物理上的約束。1.2

鉸鏈：機器人的關節(jié)(2)：旋轉鉸鏈鉸鏈，有多種形式：(4)：平移鉸鏈(1)：球形鉸鏈（萬向節(jié)）(3)：平面鉸鏈(5)：圓柱鉸鏈(6)：螺旋鉸鏈501機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈01機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：（所有的鉸鏈都是這兩種基本形式的組合）1.2

鉸鏈：機器人的關節(jié)旋轉鉸鏈：最常見的鉸鏈形式，約束兩個連桿相對旋轉的運動。601機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：1.01機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：（所有的鉸鏈都是這兩種基本形式的組合）1.2

鉸鏈：機器人的關節(jié)平移鉸鏈：約束兩個連桿相對位移的運動。701機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：1.02機器人的自由度2.1關于自由度概念自由度（Degree

of

Freedom，DoF），是表示一個機械系統(tǒng)運動靈活性的尺度，意味著獨立的運動的數(shù)量。自由度的概念，其意義在于：描述機械系統(tǒng)運動的靈活性或靈活程度，同時，建立起機械系統(tǒng)設計的一個重要原理：多自由度機構可以由單自由度機構的串聯(lián)形成。例如：一個多自由度的機械臂，通常是由多個單自由度機構串聯(lián)形成。802機器人的自由度2.1關于自由度概念自由度（Degre嚴格地，一個機構的自由度（DoF），被定義為：完整描述其姿態(tài)（Pose）和構型（Configuration）所需要的獨立的坐標數(shù)量。因此，一個在笛卡爾三維空間中運動的剛體，有6個自由度，其中，3個為位置（Position）（位移自由度），3個為朝向（Orientation）（旋轉自由度）。機器人系統(tǒng)的自由度（DoF），一般由其關節(jié)的數(shù)量和自由度決定。具有驅動力的鉸鏈或關節(jié)，被稱為主動關節(jié)，相應的自由度被稱為主動自由度；而不具有驅動力的鉸鏈或關節(jié)，則被稱為被動關節(jié)，相應的自由度也被稱為被動自由度。02機器人的自由度2.1關于自由度概念9嚴格地，一個機構的自由度（DoF），被定義為：完整描述其姿態(tài)01機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈，是一種能將兩個連桿（剛體）連合在一起的機構，它為連桿之間的相對運動，提供物理上的約束。2.1關于自由度概念(2)：旋轉鉸鏈(1個旋轉自由度)鉸鏈，有多種形式：(4)：平移鉸鏈(1個平移自由度)(1)：球形鉸鏈（萬向節(jié)）(3個旋轉自由度)(3)：平面鉸鏈(3個自由度：1個旋轉和2個平移)(5)：圓柱鉸鏈(2個平移自由度：1個旋轉和1個平移)(6)：螺旋鉸鏈(1個自由度：1個平移)1001機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈2.2自由度的計算方法計算自由度（DoF）的方法很多，Grubler-Kutzbach準則（Criterion）是其中之一：其中：n：

整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）s：

運動空間的自由度

（2維：s=3；3維：s=6）r：

連桿（剛體）的數(shù)量p：

鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量ni：

各關節(jié)的相對自由度02機器人的自由度112.2自由度的計算方法計算自由度（DoF）的方法很多，Gr2.3自由度計算實例計算實例1：二維空間中的四連桿機構（其中有4個單自由度鉸鏈）整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）：n=？運動空間的自由度：s=3連桿（剛體）的數(shù)量：r=4鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量：p=4各關節(jié)的相對自由度：ni=1（i=1,2,3,4）02機器人的自由度122.3自由度計算實例計算實例1：二維空間中的四連桿機構（計算實例2：二維空間中的五連桿機構（其中有5個單自由度鉸鏈）整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）：n=？運動空間的自由度：s=3連桿（剛體）的數(shù)量：r=5鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量：p=5各關節(jié)的相對自由度：ni=1（i=1,2,3,4,5）2.3自由度計算實例02機器人的自由度13計算實例2：二維空間中的五連桿機構（其中有5個單自由度計算實例3：三維空間中的機械臂（其中有7個連桿（剛體），5個單自由度鉸鏈）整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）：n=？運動空間的自由度：s=6連桿（剛體）的數(shù)量：r=7鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量：p=6各關節(jié)的相對自由度：ni=1（i=1,2,3,4,5,6）2.3自由度計算實例02機器人的自由度14計算實例3：三維空間中的機械臂（其中有7個連桿（剛體）03機器人的傳動機構3.1關于機器人動力的傳送機器人的動力源，包括電動馬達，液動或氣動系統(tǒng)，一般不能直接地驅動末端執(zhí)行機構（或稱末端效應器：End-Effector，相當于機器人的肢體，如：機械手或機械臂末端的夾持器，機械腿和機械足，輪足和履帶，等等）。以減速機構為例：減速機構是最常見和最普通的傳動機構，一個每分鐘8000轉的直流電機，由于速度和轉矩的限制，一般不能直接驅動輪式機器人的末端執(zhí)行機構（包括輪子），需要減速機構，對電機的旋轉速度進行變換。機器人的動力，一般需要經(jīng)過傳動系統(tǒng)（傳動機構），才能到達并驅動需要動力的末端執(zhí)行機構（末端效應器），同時，機器人運動的速度，運動的方向，也需要傳動系統(tǒng)（傳動機構）的協(xié)調(diào)和控制。1503機器人的傳動機構3.1關于機器人動力的傳送機器人的動機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的。03機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動(1)：直齒圓柱齒輪傳動(傳動：變速換向)(2)：斜齒圓柱齒輪傳動(傳動：變速換向)(3)：人字齒圓柱齒輪傳動(傳動：變速換向)(4)：內(nèi)嚙合齒輪傳動(傳動：變速換向變換運動模式)16機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的。03機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動(5)：齒輪齒條傳動(傳動：旋轉變位移)(6)：雙曲面齒輪傳動(傳動：變速90換向)(7)：螺旋齒輪傳動(傳動：變速90換向)(8)：蝸桿傳動(傳動：變速90換向)(9)：直齒錐齒輪傳動(傳動：變速90換向)(10)：斜齒錐齒輪傳動(傳動：變速90換向)(11)：曲線齒錐齒輪傳動(傳動：變速90換向)17機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的03機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動齒輪傳動可對馬達或發(fā)機旋轉的速度和旋轉的方向進行變換，還能將旋轉運動變換為位移運動。(a)傳遞(b)變速(c)平面換向(e)旋轉變位移(d)立體換向歸納起來，齒輪傳動的形式有：1803機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動齒輪傳動可對馬03機器人的傳動機構3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構大部分齒輪都是定軸齒輪，其軸線是固定的。軸線固定的齒輪傳動原理很簡單，在一對互相嚙合的齒輪中，有一個齒輪作為主動輪，動力從它那里輸入，另一個齒輪作為從動輪，動力從它輸出。也有的齒輪僅作為中轉站，一邊與主動輪嚙合，另一邊與從動輪嚙合，動力從它那里通過，這種齒輪叫惰輪。然而，有一類齒輪，它們的軸線安裝在一個可以轉動的支架上，即，其軸線是不固定的。(a)主動輪(b)從動輪(c)惰輪1903機器人的傳動機構3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動03機器人的傳動機構然而，有一類齒輪，它們的軸線安裝在一個可以轉動的支架上，是不固定的。行星齒輪示意圖這種齒輪，即可以自轉（繞自己的軸線轉動），又可以公轉（繞其它的齒輪轉動），因而，被稱為：行星齒輪。行星齒輪系統(tǒng)的原理較為復雜，功能和用途較為特殊。行星齒輪減速器，是行星齒輪的一種特殊用途，其中，包含一個太陽輪和3-4個行星輪。3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構2003機器人的傳動機構然而，有一類齒輪，它們的軸線安裝在一個03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：行星齒輪減速器可以有多種動力傳送方式：行星齒輪減速器動力從太陽輪輸入，從內(nèi)齒輪輸出，行星架鎖死；動力從太陽輪輸入，從行星架輸出，內(nèi)齒輪鎖死；動力從行星架輸入，從太陽輪輸出，內(nèi)齒輪鎖死；動力從行星架輸入，從內(nèi)齒輪輸出，太陽輪鎖死；3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構2103機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：動力從內(nèi)齒輪輸入，從行星架輸出，太陽輪鎖死；動力從內(nèi)齒輪輸入，從太陽輪輸出，行星架鎖死；兩股動力分別從太陽輪和內(nèi)齒輪輸入合成，從行星架輸出；兩股動力分別從行星架和太陽輪輸入合成，從內(nèi)齒輪輸出；行星齒輪減速器行星齒輪減速器可以有多種動力傳送方式：3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構2203機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：兩股動力分別從行星架和內(nèi)齒輪輸入合成，從太陽輪輸出；動力從太陽輪輸入，分兩路從內(nèi)齒輪和行星架輸出；動力從行星架輸入，分兩路從太陽輪和內(nèi)齒輪輸出；動力內(nèi)齒輪輸入，分兩路從太陽輪和行星架輸出。行星齒輪減速器行星齒輪減速器可以有多種動力傳送方式：3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構2303機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：體積小，承載能力大，工作平穩(wěn)；施加的力分布多個行星輪上，承受力矩大于同樣大小的直齒傳動機構；傳動比可以很大。行星齒輪減速器行星齒輪系的主要特點在于：3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構因此，行星齒輪系可用于構造大傳動比的變速器，即行星齒輪變速器。2403機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所三角帶與無級變速03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）鏈（Chain）傳動機構三角帶（V

Belt），指剖面為V字形（準確地說是梯形）傳送帶，常常用于傳送電機的連續(xù)的旋轉運動。(2)三角帶纖維編織層聚酯絲纜(3)V形槽傳送輪(1)V形帶傳送系統(tǒng)優(yōu)點：

傳送距離大，可實現(xiàn)無級變速，簡單，低廉。25三角帶與無級變速03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）(1)同步帶傳送系統(tǒng)同步帶傳動機構03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）鏈（Chain）傳動機構同步帶（SynchronousBelt或Timing

Belt），是一種帶有齒條的傳送帶，傳送距離大，傳動比固定，工作穩(wěn)定。(2)同步帶(3)同步帶輪26(1)同步帶傳送系統(tǒng)同步帶傳動機構03機器人的傳動機構鏈條（Daisy

Chain）傳動機構03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）鏈（Chain）傳動機構許多機器人也采用了鏈條或履帶式傳動。鏈條傳動是我們熟悉的，自行車和摩托車的動力傳動，就主要采用鏈條傳動形式。27鏈條（DaisyChain）傳動機構03機器人的傳動機構03機器人的傳動機構由連桿和凸輪組成的傳動機構，可以把電動機的連續(xù)的旋轉運動，轉換為間歇往復運動，實現(xiàn)不等速運動（減速比可變化）的功能等。3.5連桿與凸輪傳動機構連桿、曲柄和凸輪等形成的復雜傳動機構，能將電動機的動力轉變?yōu)闄C器人肢體的動作。機械腿的凸輪傳動機構原理圖中是機器昆蟲的機械腿及其運動示意圖，其中，齒輪接受從直流電動機傳遞過來的動力，與齒輪固定在同一軸上的凸輪周而復始地上下和前后推動機械腿運動，從而驅使機器昆蟲向前爬行。2803機器人的傳動機構由連桿和凸輪組成的傳動機構，可以把電動04機器人的移動機構自治移動式機器人，自然需要移動機構（遷徙機構）。移動機構（遷徙機構），是機器人的腿或足。4.1關于移動（遷徙）機構機器人有各種各樣的移動機構，或者說，機器人有各種各樣的機械腿，大致可以分為兩類：旋轉型移動機構：主要特征是旋轉滾動運動，如：輪式移動機構，履帶式移動機構，旋翼式推進機構等。移動（遷徙），是自治移動式機器人的生命特征之一。本節(jié)只介紹機器人的旋轉式移動（遷徙）機構，有關機器人仿生的移動（遷徙）機構，留待下節(jié)介紹。仿生型移動機構：主要特征是往復交替運動，如：雙足機器人的腿和足，機器蜻蜓的翅膀，機器魚的鰭等。2904機器人的移動機構自治移動式機器人，自然需要移動機構（遷04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）采用輪式移動（遷徙）機構的機器人，種類很多，其中，4輪（4-Wheeled）和3輪（3-Wheeled）的移動（遷徙）機構是最普通的。像汽車一樣，依靠輪子移動（遷徙），是最簡單，最易于實現(xiàn)，并且，效率最高的移動方式。六輪機器人：6-Wheeled

Robot兩輪機器人：2-WheeledRobot獨輪機器人：Single-Wheeled

Robot然而，在采用輪式移動（遷徙）機構的機器人中，真正值得我們一提的是：其中，兩輪機器人和獨輪機器人，被稱為自平衡機器人（Self-Balancing

Robot）：3004機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）采用輪04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）六輪機器人，其移動（遷徙）機構自然具有6個輪子，可以在崎嶇的環(huán)境中行走，因此，常常被月球車和火星車采用，如：美國的探測火星的旅居者。六輪機器人（6-Wheeled

Robot）3104機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）六輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）SHRIMP

是一款新穎的6輪機器人，研究的目的主要為圍繞火星探測任務。六輪機器人（6-Wheeled

Robot）SHRIMP

的前方有一個導向輪，身體兩側各有兩個輪子，尾部有一個尾輪。SHRIMP具有極高的機動性，可以在亂石堆里行走，還能上下樓梯。3204機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）SHR04機器人的移動機構3304機器人的移動機構33關于自平衡機器人：機器人系統(tǒng)中特殊的和重要的一類。自平衡機器人的研究水平，已經(jīng)成為反應一個國家機器人學和機器人技術發(fā)展水平的重要標志。其中，最典型的是兩輪機器人和獨輪機器人：04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）34關于自平衡機器人：機器人系統(tǒng)中特殊的和重要的一類。自平衡機器關于自平衡機器人：控制技術可用于導彈制導，火箭發(fā)射，航天飛機自動駕駛，衛(wèi)星姿態(tài)控制，以及工業(yè)過程等。04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）35關于自平衡機器人：控制技術可用于導彈制導，火箭發(fā)射，航天飛機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）兩輪機器人，是一種自平衡機器人。自平衡機器人的研究水平，已經(jīng)成為反應一個國家機器人學和機器人技術水平的重要標志。在實驗機器人學的意義下，自平衡機器人屬科學研究型機器人，是新型的和智能的科學實驗儀器。自平衡機器人可用于機器人學、機構學、運動控制的理論與方法，以及人工智能的科學研究和科學實驗。自平衡機器人先進的控制技術可用于導彈制導，火箭發(fā)射，航天飛機自動駕駛，同步衛(wèi)星姿態(tài)控制，以及數(shù)控機床和工業(yè)過程控制等。3604機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）兩輪機器人，自然只有兩個輪子。像兩輪自行車一樣，兩輪機器人本質(zhì)上是不穩(wěn)定的和不平衡的系統(tǒng)。兩輪機器人的兩個輪子，各由一個電機驅動，其姿態(tài)（和d/dt）一般由慣性測量單元（Inertia

Measurement

Unit，IMU）測量。控制器可由嵌入式工控機或DSP器件擔任，根據(jù)機器人姿態(tài)狀況和運動需求，計算出控制量。3704機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）1986年，日本電氣通信大學KazuoYamafuji教授，構思了一種只有兩個輪子的自平衡機械。這種自平衡機械像一般的自行車一樣有兩個輪子，然而，這兩個輪子是平行的或并排的，因而，取名“平行自行車”的。平行自行車被認為是兩輪自平衡機器人的起源。之后，自平衡機器人便成為機器人家族中的一員。3804機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）美國麻省阿默斯特大學及MIT研制的uBot2000年之后，美國和日本等機器人技術先進的國家，對兩輪自平衡機器人系統(tǒng)開展了深入研究，并且，先后研制出了本國具有代表性的兩輪自平衡機器人。3904機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）2000年之后，美國和日本等機器人技術先進的國家，對兩輪自平衡機器人系統(tǒng)開展了深入研究，并且，先后研制出了本國具有代表性的兩輪自平衡機器人。日本伙伴機器人中的小號手，具有人工唇和人工肺，會吹奏樂器。4004機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）2000年之后，美國和日本等機器人技術先進的國家，對兩輪自平衡機器人系統(tǒng)開展了深入研究，并且，先后研制出了本國具有代表性的兩輪自平衡機器人。瑞士的Joe被人為是目前機動性和魯棒性最好的兩輪機器人系統(tǒng)。4104機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）2000年之后，美國和日本等機器人技術先進的國家，對兩輪自平衡機器人系統(tǒng)開展了深入研究，并且，先后研制出了本國具有代表性的兩輪自平衡機器人。歐盟基于兩輪自平衡機器人技術，研制了兩輪自平衡垃圾車Bustbot，可自行穿梭于城市街道收集垃圾。4204機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）NASA的研究工作使人們看到了自平衡機器人潛在的實際工程應用價值。4304機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）原人2號原人3號原人1號北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院“人工智能與機器人研究所”自行研制的兩輪自平衡機器人。4404機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）美國Segway公司的兩輪自平衡載人系統(tǒng)自平衡機器人系統(tǒng)的實際應用4504機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）德國Transporter公司的兩輪載人拍攝系統(tǒng)HandsfreeTransporter用于電視等的拍攝或轉播4604機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機器人（Single-Wheeled

Robot）研究表明，獨輪機器人是自平衡機器人中難度最大和最具有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)。最早的有關獨輪機器人的研究報道可以追溯到上世紀80年代初：1980年，日本的Ozaka等人基于人走鋼絲的原理設計了一種獨輪機械，依靠機器臂左右移動的質(zhì)量塊維持平衡。1987年，美國斯坦福大學基于陀螺原理，采用水平旋轉輪作側平衡機構，運用LQR實現(xiàn)了縱向平衡控制。4704機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機器人（Single-Wheeled

Robot）1990年，美國MIT采用斯坦福模型研制了獨輪機器人，實現(xiàn)自平衡，但不能行走。日本千葉大學基于斯坦福模型設計了具有雙陀螺側平衡機構的獨輪機器人。4804機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機器人（Single-Wheeled

Robot）1995年，日本電氣通信大學大Yamafuji和Sheng等人構思了一種模仿人騎獨輪車的機器。其中設計了仿人的大腿、小腿、腳，試圖完全采用人的方式控制獨輪機器人平衡。4904機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機器人（Single-Wheeled

Robot）2007年，美國加州大學利用慣性飛輪構造側平衡機構，研制成功第一個原理系統(tǒng)Unibot。2008年，日本村田制作所基于加州大學模型，制作了村田少女。5004機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機器人（Single-Wheeled

Robot）村田少女的研制成功，在國際上產(chǎn)生了極大的影響，我國中央電視臺在新聞節(jié)目中進行了即時地報道。5104機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機器人（Single-Wheeled

Robot）北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院“人工智能與機器人研究所”自行研制的獨輪自平衡機器人。5204機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）獨輪機04機器人的移動機構4.3機器人的履帶式移動（遷徙）為了適應等為復雜的道路或環(huán)境，許多機器人，像坦克和履帶式拖拉機一樣，采用了履帶式移動（遷徙）機構。一個極富創(chuàng)意的履帶式概念機器足，整個系統(tǒng)就是一個履帶式傳動機構，作為機器人的移動機構，可以在雪地等復雜環(huán)境中工作。5304機器人的移動機構4.3機器人的履帶式移動（遷徙）為了04機器人的移動機構4.3機器人的履帶式移動（遷徙）為了適應較為復雜的道路或環(huán)境，許多機器人，像坦克和履帶式拖拉機一樣，采用了履帶式移動（遷徙）機構。Talonmachines：美軍的機器工兵，排爆機器人，據(jù)說美軍在伊拉克布置了2500個Talon機器人。

5404機器人的移動機構4.3機器人的履帶式移動（遷徙）為了04機器人的移動機構4.3機器人的履帶式移動（遷徙）為了適應較為復雜的道路或環(huán)境，許多機器人，像坦克和履帶式拖拉機一樣，采用了履帶式移動（遷徙）機構。美軍的機器戰(zhàn)士5504機器人的移動機構4.3機器人的履帶式移動（遷徙）為了04機器人的移動機構4.4飛行機器人的移動（遷徙）目前的飛行機器人主要采用旋翼推進機構。右圖是美軍設計的機器鷹，能做各種特技飛行，執(zhí)行特殊的偵察任務，然而，與圖真正的鷹相比，其飛行技能還差得很遠。鷹與機器鷹有不同的翅膀飛行機器人，是在空中移動（遷徙）的機器人。翅膀是鳥的遷移器官。飛行機器人也有翅膀，然而，這種翅膀一般不能象鳥的翅膀那樣撲騰。5604機器人的移動機構4.4飛行機器人的移動（遷徙）目前的04機器人的移動機構4.4飛行機器人的移動（遷徙）美國的飛行機器人（Flying

Robot），UAV（UnmannedAerialVehicle），頻繁地在阿富汗戰(zhàn)爭中執(zhí)行任務。UAV

采用的推進方式仍然是旋翼飛行機構。5704機器人的移動機構4.4飛行機器人的移動（遷徙）美國的05機器人的腿部機構5.1關于仿生移動機構：機械腿正如上一節(jié)我們已經(jīng)介紹過的，自治移動式機器人的腿，大致可以分為兩類：旋轉型移動（遷徙）機構是高效的，然而，難以適應特殊的和復雜的環(huán)境。旋轉型移動機構：主要特征是旋轉滾動運動，如：輪式移動機構，履帶式移動機構，旋翼式推進機構等。放生型移動機構：主要特征是往復交替運動，如：雙足機器人的腿和足，機器蜻蜓的翅膀，機器魚的鰭等。為了使自治移動時機器人更像人或動物一樣移動（遷徙），像人和動物一樣能夠適應特殊的和復雜的環(huán)境，人們開始研究和設計各種仿生型移動（遷徙）機構。5805機器人的腿部機構5.1關于仿生移動機構：機械腿正如上05機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿人形機器人，模仿人的外貌，形態(tài)，構造（生理結構），運動方式（包括人直立行走的方式），行為方式（包括智能行為）。為了像人那樣直立行走，機器人就需要有兩條像人一樣的腿。日本HondaMotorCo.經(jīng)過長達15年的時間，于2000年，研制成功了人形機器人ASIMO。ASIMO有一雙類似人的腿，是世界上第一個能能像人一樣輕松優(yōu)雅地行走的機器人。5905機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿人形機器人，模仿05機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿ASIMO這樣的人形機器人，又稱：雙足機器人（Biped

Robot）。研究雙足機器人，目的之一在于：闡明人類直立行走的機理。人形機器人腿的自由度因此，人形機器人的腿部機構，實際上，就是模仿人類雙腿生理結構的放生系統(tǒng)。人形機器人的腿部機構，一般由單自由度的多個旋轉鉸鏈和多個連桿機構形成。人形機器人的腿部機構的自由度，主要模擬人類雙腿的3個重要關節(jié)，即：1）髖關節(jié)，2）膝關節(jié)，3）踝關節(jié)；分單腿6自由度和7自由度兩種形式。6005機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿ASIMO這樣05機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿單腿7自由度的形式：髖關節(jié)：3自由度（DoF，包括：縱搖軸，橫搖軸，偏轉軸，3個旋轉運動）膝關節(jié)：2自由度（DoF，包括：縱搖軸，偏轉軸，2個自由度）踝關節(jié)：2自由度（DoF，包括：縱搖軸，橫搖軸，2個自由度）人形機器人腿的自由度人形機器人單腿7自由度的仿生機械腿結構示意圖髖關節(jié)膝關節(jié)踝關節(jié)偏轉縱搖橫搖正前方向6105機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿單腿7自由度05機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿人形機器人腿部關節(jié)，一般采用旋轉電機驅動。人形機器人腿的驅動方式最簡單的方式：電機固定于關節(jié)上部構件，電機軸固定于關節(jié)下部構件?？蛇x方式之一：電機固定于上部構件，通過減速器，同步帶，帶動下部構建。仿生的腿驅動方式6205機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿人形機器人腿部關05機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿人形機器人的腳掌機構與腿部機構是一體的。人形機器人的腳掌機構腳掌的作用是，使踝關節(jié)能夠圍繞著地點產(chǎn)生轉矩，這對于人形機器人直立行走有重要意義。人形機器人需要與地面保持良好的接觸狀態(tài)，以得到足夠的摩擦力，從而，由地面獲得向前行進的反作用力。一塊板兩塊板帶腳趾(1)：簡單，易于實現(xiàn)。(2)：夾層為減震器，使行走更為平穩(wěn)。(3)：可以增加腳底的抓地力，提高控制的維數(shù)。腳掌可安裝力傳感器，為行走控制提供信息。6305機器人的腿部機構5.2人形機器人的腿人形機器人的腳掌05機器人的腿部機構5.3機器狗的腿其中一些研究人員發(fā)起成立了波士頓動力公司（BostonDynamics）。美國麻省理工學院（MIT）有一個腿機器人實驗室（MITLegLaboratory），專門研究仿生的機械腿。6405機器人的腿部機構5.3機器狗的腿其中一些研究人員發(fā)起05機器人的腿部機構5.3機器狗的腿美國武器合約商波士頓動力公司（BostonDynamics）研制了一種運輸機器人——“大狗”（BigDog）BigDog高約1米，重75kg，最大負載340磅，時速可達120km。BigDog有維持機身平衡的回轉儀，內(nèi)力傳感器等，可探測或感知地勢變化?？勘旧淼牧Ⅲw視覺系統(tǒng)或遠程遙控器確認路徑。BigDog有四只強有力的腿，每條腿有三個關節(jié)，其中一個是彈性關節(jié)。這些關節(jié)由一個機載計算機處理器控制。采用汽油發(fā)動機驅動。6505機器人的腿部機構5.3機器狗的腿美國武器合約商波士頓05機器人的腿部機構5.3機器狗的腿現(xiàn)代版的木牛流馬：美國的大狗（BIGDOG），一個運輸機器人。6605機器人的腿部機構5.3機器狗的腿現(xiàn)代版的木牛流馬：美05機器人的腿部機構5.4機器昆蟲的腿肌肉和電動機是完全不同的兩種動力源，因此，機器人的遷移器官與自然生命的遷移器官存在很大的差異。與依賴旋轉型移動（遷徙）機構的機器人（機器生命）相比，人和動物的遷徙器官更適應復雜的自然或地理環(huán)境。越來越多的機器人（機器生命）模仿動物的遷徙運動。具有六條腿的機器昆蟲，已經(jīng)成為機器生命家族中的重要成員。機電化6705機器人的腿部機構5.4機器昆蟲的腿肌肉和電動機是完全05機器人的腿部機構5.4機器昆蟲的腿LAURON

III是一個機器昆蟲，有6條機械腿。各條腿各3個自由度（？），各只足安裝有一個3軸力覺傳感器，能在崎嶇的環(huán)境中行走。LAURON

III：一個機器昆蟲（Robotic

Insect）6805機器人的腿部機構5.4機器昆蟲的腿LAURONII06機器人的臂部機構6.1關于機器人的臂（Arm）：機械臂機械臂（Robotic

Arm），是機器人系統(tǒng)中類似人類胳膊的機構，是機器人學較早研究的系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應用于工廠的自動生產(chǎn)線。6906機器人的臂部機構6.1關于機器人的臂（Arm）：機械06機器人的臂部機構6.1關于機器人的臂（Arm）：機械臂實際上，所謂“工業(yè)機器人”，就是一個固定于基座上的機械臂，是一個自動的操作機構。隨著機器人學和機器人技術的發(fā)展，機械臂不再僅僅或只是固定于基座上。機械臂開始成為自主移動式機器人重要的組成部分。7006機器人的臂部機構6.1關于機器人的臂（Arm）：機械06機器人的臂部機構6.1關于機器人的臂（Arm）：機械臂ASIMO有一雙靈巧的機械臂7106機器人的臂部機構6.1關于機器人的臂（Arm）：機械06機器人的臂部機構6.2臂部機構的自由度在3D空間中的無約束物體，可以作平行于X軸，Y軸，Z軸的平移運動，同時，還可以圍繞X軸，Y軸，Z軸的旋轉運動，因此，具有6個自由度（DoF）：3個與位置相關的自由度，3個與姿態(tài)相關的自由度。因此，為了能夠任意地操作物體的位置和姿態(tài)，機器人的臂部機構，必須至少具備6個自由度（DoF）。人的臂部，有7個自由度：肩關節(jié)3個，肘關節(jié)2，腕關節(jié)2個。多于6個的自由度，被稱為：“冗余自由度”（Redundant

Degree

of

Freedom）。實際上，機械臂的自由度應依據(jù)其作業(yè)任務的需求。例如，僅限于2D空間的作業(yè)，或許3個自由度就夠了。7206機器人的臂部機構6.2臂部機構的自由度在3D空間06機器人的臂部機構6.3臂部機構的構成不計夾持器，圖中的機械臂，共有8個自由度，其中，7個旋轉自由度，1個平移自由度。機械臂的關節(jié)也可以選用多自由度的鉸鏈，如球形關節(jié)。然而，多自由度的鉸鏈一般只能是被動關節(jié)，如：球形關節(jié)一般只有3個被動自由度。為了真正實現(xiàn)帶驅動的3個旋轉自由度，一般需要3個單自由度主動關節(jié)的串聯(lián)。機器人的臂部機構，一般由單自由度的多個旋轉鉸鏈和多個連桿連合形成。平移扭轉旋轉7306機器人的臂部機構6.3臂部機構的構成不計夾持器，圖中06機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)關節(jié)的構成方式，以及自由度的實現(xiàn)方法，對機械臂的操作性和空間可達性等性能指標，影響極大。機械臂運動的目的是，使機械手或末端執(zhí)行機構（End-Effector）抵達預定的空間坐標。相同自由度的機械臂，可以不同的串聯(lián)方式；不同的串聯(lián)方式，將導致不同的功能或結果?？紤]旋轉（轉軸垂直于連桿長度方向），扭轉（轉軸平行于連桿長度方向），平移三種鉸鏈的組合，構造一個3自由度的機械臂，其串聯(lián)方式多達27種。然而，根據(jù)機械臂的動作形態(tài)，這27種形式中，具有代表性的關節(jié)構成，一共有4種。7406機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)關節(jié)的構成方06機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)具有代表性的機械臂關節(jié)構成：(c)(a)扭轉(b)豎直位移(c)水平位移(a)(b)圓柱坐標型機械臂

（Cylindrical

Coordinates

Robot）7506機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)具有代表性的06機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)具有代表性的機械臂關節(jié)構成：直角坐標型機械臂

（Cartesian

Coordinates

Robot）(a)(c)(b)(a)(c)(b)(a)(b)(c)均為平移關節(jié)7606機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)具有代表性的06機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)具有代表性的機械臂關節(jié)構成：極坐標型機械臂

（Polar

Coordinates

Robot）(a)(c)(b)(a)扭轉(b)旋轉(c)平移7706機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)具有代表性的(a)扭轉(c)旋轉(b)旋轉06機器人的臂部機構6.4臂部機構的動作形態(tài)具有代表性的機械臂關節(jié)構成：關節(jié)坐標型機械臂

（ArticulateRobot）78(a)扭轉(c)旋轉(b)旋轉06機器人的臂部機構6.407機器人的手部機構7.1關于機器人的手（Hand）：機械手機械手（Robotic

Hand），是機器人系統(tǒng)中類似人類手的機構，是一種典型的仿生機構。人類的雙手是極為靈巧的，機械的操作系統(tǒng)一般很難達到人類手的靈活性，正因為如此，模仿人類的手以使機器人具有類似人類的操作能力的夢想，便成為一種動力和挑戰(zhàn)，推動著機器手的科學研究。自然地，機械手與機械臂是聯(lián)系在一起的。實際上，機械手是機械臂的“末端執(zhí)行器”?！澳┒藞?zhí)行器”（End

Effector），是機械臂末端直接作用于對象的操作器（Manipulator）。然而，大多數(shù)末端執(zhí)行器只能面向簡單的和單一的操作任務，一般不具有人手靈巧的和通用（萬能）的操作功能。7907機器人的手部機構7.1關于機器人的手（Hand）：機07機器人的手部機構7.2工業(yè)型末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器的種類很多，工業(yè)型末端執(zhí)行器是一大類，如：焊槍，噴槍，電磁吸盤，真空吸盤，等等。其中，吸盤具有了類似動物手或肢體的功能特征。8007機器人的手部機構7.2工業(yè)型末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器的種07機器人的手部機構7.3夾持器：原始的機械手夾持器（Gripper），也是一種末端執(zhí)行器。但夾持器更接近于手，因為，它的作用就是像手那樣抓握物體。夾持器就是原始的機械手。機器人的夾持器，有些像鉗子，就是一種夾具，可以夾取被操作的對象。為了夾取被操作的對象，夾持器需要完成開合的動作。夾持器可以有不同設計，不同結構，不同驅動，不同的原理。8107機器人的手部機構7.3夾持器：原始的機械手夾持器（G07機器人的手部機構7.4機器人的靈巧手夾持器只有兩個手指。為了更接近人類的手，機械手由兩個手指的夾持器，發(fā)展出3個手指的機械手，直至5個手指的機械靈巧手。8207機器人的手部機構7.4機器人的靈巧手夾持器只有兩個手07機器人的手部機構7.4機器人的靈巧手夾持器只有兩個手指。為了更接近人類的手，機械手由兩個手指的夾持器，發(fā)展出3個手指的機械手，直至5個手指的機械靈巧手。8307機器人的手部機構7.4機器人的靈巧手夾持器只有兩個手07機器人的手部機構7.4機器人的靈巧手歐洲的科學家，成功地把一只機械手與一個從手腕截肢的人聯(lián)系起來，使他能通過意念控制機械手，并且，產(chǎn)生對機械手的感覺?？茖W家說，這是第一次，一個斷肢的人，能通過意念控制一個與自己的神經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)系在一起的生物機電手，從而，實現(xiàn)復雜的手部運動。8407機器人的手部機構7.4機器人的靈巧手歐洲的科學家，成思考與練習[1]

在機器人機構中，最基本的構件有兩種：一是

，相當于人或動物的

；二是

，相當于人和動物的

。[3]

右圖有6種鉸鏈，每一種鉸鏈各有幾個自由度？幾個平移自由度？幾個旋轉自由度？[2]

鉸鏈有哪兩種基本的形式？其各自的作用是什么？85思考與練習[1] 在機器人機構中，最基本的構件有兩種：一是思考與練習[4]

什么是自由度？一個在笛卡爾3維空間中運動的剛體，有幾個自由度？幾個位置自由度？幾個旋轉自由度？[5] 2維空間中的剛體有幾個自由度？幾個位置自由度？幾個旋轉自由度？1維空間呢？[7]

右圖是二維空間中的五連桿機構，計算它的自由度。[6]

什么叫主動關節(jié)？什么叫被動關節(jié)？什么叫主動自由度？什么叫被動自由度？86思考與練習[4] 什么是自由度？一個在笛卡爾3維空間中運動的思考與練習[8]

移動機構（遷徙機構），是機器人的腿或足。機器人有各種各樣的移動機構，大致可以分為兩類。哪兩類？[9]

機器人主要有兩類移動機構，一類是旋轉型移動機構，其主要的運動方式是

運動；另一類是放生型移動機構，其主要運動方式是

運動。[12]

為什么兩輪機器人和獨輪機器人被稱為平衡機器人（BalancingRobot）或自平衡機器人（Self-BalancingRobot）？[13]

自平衡機器人具有什么樣的研究意義或研究價值？[10]

對于機器人系統(tǒng)（RoboticSystem）而言，旋轉型移動機構有什么優(yōu)點？有什么缺點？[11]

對于機器人系統(tǒng)（RoboticSystem）而言，仿生型移動機構有什么優(yōu)點？有什么缺點？87思考與練習[8] 移動機構（遷徙機構），是機器人的腿或足。機思考與練習[14]

人形機器人腿部機構的自由度，主要模擬人類雙腿的3個重要關節(jié)，即：1）

，2）

，3）

。[15]

圖中的人形機器人，每一條腿有多少自由度？其中，髖關節(jié)有幾個自由度，膝關節(jié)有幾個自由度，踝關節(jié)有幾個自由度？人形機器人的仿生機械腿結構示意圖髖關節(jié)膝關節(jié)踝關節(jié)[16]

機械臂的自由度應該怎樣確定？二維空間中的機械臂至少需要多少個自由度？三維空間的呢？88思考與練習[14] 人形機器人腿部機構的自由度，主要模擬人類思考與練習[17]

圖中是四種最具有代表性的和典型的機械臂，說出它們的名字和所具有的自由度。(a)扭轉(b)豎直位移(c)水平位移(a)(c)(b)(a)扭轉(b)旋轉(c)平移(a)扭轉(c)旋轉(b)旋轉89思考與練習[17] 圖中是四種最具有代表性的和典型的機械臂，機器生命的機體是無機的，然而，其活性與自然生命是相同的或相似的。90機器生命的機體是無機的，然而，其活性與自然生命是相同的或相似機器人技術概論IntroductiontoRoboticTechnology91機器人技術概論101 機器人的基本構件02 機器人的自由度03 機器人的傳動機構04 機器人的移動機構05 機器人的腿部機構06 機器人的臂部機構07 機器人的手部機構第四章機器人的機構與肢體(RoboticMechanism

and

Body)9201 機器人的基本構件第四章機器人的機構與肢體2機器人的肌體是無機的，其中，最重要的是動作器官，包括：機械腿，機械臂，和機械手。93機器人的肌體是無機的，其中，最重要的是動作器官，包括：機械腿01機器人的基本構件1.1

連桿：機器人的骨骼在機器人機構中，最基本的構件有兩種：連桿（Link）：相當于人或動物的骨骼鉸鏈（Joint）：相當于人或動物的關節(jié)連桿，或稱“連接件”，一般為剛性物體，其中，理論上，任意兩點沒有相對的運動。連桿，可以有各種各樣的形狀，可以由各種各樣的材料構成，然而，都可以抽象為一條線段。9401機器人的基本構件1.1連桿：機器人的骨骼在機器人機構01機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈，是一種能將兩個連桿（剛體）連合在一起的機構，它為連桿之間的相對運動，提供物理上的約束。1.2

鉸鏈：機器人的關節(jié)(2)：旋轉鉸鏈鉸鏈，有多種形式：(4)：平移鉸鏈(1)：球形鉸鏈（萬向節(jié)）(3)：平面鉸鏈(5)：圓柱鉸鏈(6)：螺旋鉸鏈9501機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈01機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：（所有的鉸鏈都是這兩種基本形式的組合）1.2

鉸鏈：機器人的關節(jié)旋轉鉸鏈：最常見的鉸鏈形式，約束兩個連桿相對旋轉的運動。9601機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：1.01機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：（所有的鉸鏈都是這兩種基本形式的組合）1.2

鉸鏈：機器人的關節(jié)平移鉸鏈：約束兩個連桿相對位移的運動。9701機器人基本構件與自由度鉸鏈，主要有兩種基本的形式：1.02機器人的自由度2.1關于自由度概念自由度（Degree

of

Freedom，DoF），是表示一個機械系統(tǒng)運動靈活性的尺度，意味著獨立的運動的數(shù)量。自由度的概念，其意義在于：描述機械系統(tǒng)運動的靈活性或靈活程度，同時，建立起機械系統(tǒng)設計的一個重要原理：多自由度機構可以由單自由度機構的串聯(lián)形成。例如：一個多自由度的機械臂，通常是由多個單自由度機構串聯(lián)形成。9802機器人的自由度2.1關于自由度概念自由度（Degre嚴格地，一個機構的自由度（DoF），被定義為：完整描述其姿態(tài)（Pose）和構型（Configuration）所需要的獨立的坐標數(shù)量。因此，一個在笛卡爾三維空間中運動的剛體，有6個自由度，其中，3個為位置（Position）（位移自由度），3個為朝向（Orientation）（旋轉自由度）。機器人系統(tǒng)的自由度（DoF），一般由其關節(jié)的數(shù)量和自由度決定。具有驅動力的鉸鏈或關節(jié)，被稱為主動關節(jié)，相應的自由度被稱為主動自由度；而不具有驅動力的鉸鏈或關節(jié)，則被稱為被動關節(jié)，相應的自由度也被稱為被動自由度。02機器人的自由度2.1關于自由度概念99嚴格地，一個機構的自由度（DoF），被定義為：完整描述其姿態(tài)01機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈，是一種能將兩個連桿（剛體）連合在一起的機構，它為連桿之間的相對運動，提供物理上的約束。2.1關于自由度概念(2)：旋轉鉸鏈(1個旋轉自由度)鉸鏈，有多種形式：(4)：平移鉸鏈(1個平移自由度)(1)：球形鉸鏈（萬向節(jié)）(3個旋轉自由度)(3)：平面鉸鏈(3個自由度：1個旋轉和2個平移)(5)：圓柱鉸鏈(2個平移自由度：1個旋轉和1個平移)(6)：螺旋鉸鏈(1個自由度：1個平移)10001機器人基本構件與自由度連桿，需要與鉸鏈連合在一起。鉸鏈2.2自由度的計算方法計算自由度（DoF）的方法很多，Grubler-Kutzbach準則（Criterion）是其中之一：其中：n：

整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）s：

運動空間的自由度

（2維：s=3；3維：s=6）r：

連桿（剛體）的數(shù)量p：

鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量ni：

各關節(jié)的相對自由度02機器人的自由度1012.2自由度的計算方法計算自由度（DoF）的方法很多，Gr2.3自由度計算實例計算實例1：二維空間中的四連桿機構（其中有4個單自由度鉸鏈）整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）：n=？運動空間的自由度：s=3連桿（剛體）的數(shù)量：r=4鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量：p=4各關節(jié)的相對自由度：ni=1（i=1,2,3,4）02機器人的自由度1022.3自由度計算實例計算實例1：二維空間中的四連桿機構（計算實例2：二維空間中的五連桿機構（其中有5個單自由度鉸鏈）整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）：n=？運動空間的自由度：s=3連桿（剛體）的數(shù)量：r=5鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量：p=5各關節(jié)的相對自由度：ni=1（i=1,2,3,4,5）2.3自由度計算實例02機器人的自由度103計算實例2：二維空間中的五連桿機構（其中有5個單自由度計算實例3：三維空間中的機械臂（其中有7個連桿（剛體），5個單自由度鉸鏈）整個機械系統(tǒng)的自由度（DoF）：n=？運動空間的自由度：s=6連桿（剛體）的數(shù)量：r=7鉸鏈（關節(jié)）的數(shù)量：p=6各關節(jié)的相對自由度：ni=1（i=1,2,3,4,5,6）2.3自由度計算實例02機器人的自由度104計算實例3：三維空間中的機械臂（其中有7個連桿（剛體）03機器人的傳動機構3.1關于機器人動力的傳送機器人的動力源，包括電動馬達，液動或氣動系統(tǒng)，一般不能直接地驅動末端執(zhí)行機構（或稱末端效應器：End-Effector，相當于機器人的肢體，如：機械手或機械臂末端的夾持器，機械腿和機械足，輪足和履帶，等等）。以減速機構為例：減速機構是最常見和最普通的傳動機構，一個每分鐘8000轉的直流電機，由于速度和轉矩的限制，一般不能直接驅動輪式機器人的末端執(zhí)行機構（包括輪子），需要減速機構，對電機的旋轉速度進行變換。機器人的動力，一般需要經(jīng)過傳動系統(tǒng)（傳動機構），才能到達并驅動需要動力的末端執(zhí)行機構（末端效應器），同時，機器人運動的速度，運動的方向，也需要傳動系統(tǒng)（傳動機構）的協(xié)調(diào)和控制。10503機器人的傳動機構3.1關于機器人動力的傳送機器人的動機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的。03機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動(1)：直齒圓柱齒輪傳動(傳動：變速換向)(2)：斜齒圓柱齒輪傳動(傳動：變速換向)(3)：人字齒圓柱齒輪傳動(傳動：變速換向)(4)：內(nèi)嚙合齒輪傳動(傳動：變速換向變換運動模式)106機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的。03機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動(5)：齒輪齒條傳動(傳動：旋轉變位移)(6)：雙曲面齒輪傳動(傳動：變速90換向)(7)：螺旋齒輪傳動(傳動：變速90換向)(8)：蝸桿傳動(傳動：變速90換向)(9)：直齒錐齒輪傳動(傳動：變速90換向)(10)：斜齒錐齒輪傳動(傳動：變速90換向)(11)：曲線齒錐齒輪傳動(傳動：變速90換向)107機器人動力傳動的形式很多，其中，齒輪傳動是最常見的，最典型的03機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動齒輪傳動可對馬達或發(fā)機旋轉的速度和旋轉的方向進行變換，還能將旋轉運動變換為位移運動。(a)傳遞(b)變速(c)平面換向(e)旋轉變位移(d)立體換向歸納起來，齒輪傳動的形式有：10803機器人的傳動機構3.2機器人的齒輪傳動齒輪傳動可對馬03機器人的傳動機構3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構大部分齒輪都是定軸齒輪，其軸線是固定的。軸線固定的齒輪傳動原理很簡單，在一對互相嚙合的齒輪中，有一個齒輪作為主動輪，動力從它那里輸入，另一個齒輪作為從動輪，動力從它輸出。也有的齒輪僅作為中轉站，一邊與主動輪嚙合，另一邊與從動輪嚙合，動力從它那里通過，這種齒輪叫惰輪。然而，有一類齒輪，它們的軸線安裝在一個可以轉動的支架上，即，其軸線是不固定的。(a)主動輪(b)從動輪(c)惰輪10903機器人的傳動機構3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動03機器人的傳動機構然而，有一類齒輪，它們的軸線安裝在一個可以轉動的支架上，是不固定的。行星齒輪示意圖這種齒輪，即可以自轉（繞自己的軸線轉動），又可以公轉（繞其它的齒輪轉動），因而，被稱為：行星齒輪。行星齒輪系統(tǒng)的原理較為復雜，功能和用途較為特殊。行星齒輪減速器，是行星齒輪的一種特殊用途，其中，包含一個太陽輪和3-4個行星輪。3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構11003機器人的傳動機構然而，有一類齒輪，它們的軸線安裝在一個03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：行星齒輪減速器可以有多種動力傳送方式：行星齒輪減速器動力從太陽輪輸入，從內(nèi)齒輪輸出，行星架鎖死；動力從太陽輪輸入，從行星架輸出，內(nèi)齒輪鎖死；動力從行星架輸入，從太陽輪輸出，內(nèi)齒輪鎖死；動力從行星架輸入，從內(nèi)齒輪輸出，太陽輪鎖死；3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構11103機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：動力從內(nèi)齒輪輸入，從行星架輸出，太陽輪鎖死；動力從內(nèi)齒輪輸入，從太陽輪輸出，行星架鎖死；兩股動力分別從太陽輪和內(nèi)齒輪輸入合成，從行星架輸出；兩股動力分別從行星架和太陽輪輸入合成，從內(nèi)齒輪輸出；行星齒輪減速器行星齒輪減速器可以有多種動力傳送方式：3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構11203機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：兩股動力分別從行星架和內(nèi)齒輪輸入合成，從太陽輪輸出；動力從太陽輪輸入，分兩路從內(nèi)齒輪和行星架輸出；動力從行星架輸入，分兩路從太陽輪和內(nèi)齒輪輸出；動力內(nèi)齒輪輸入，分兩路從太陽輪和行星架輸出。行星齒輪減速器行星齒輪減速器可以有多種動力傳送方式：3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構11303機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所03機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所示：體積小，承載能力大，工作平穩(wěn)；施加的力分布多個行星輪上，承受力矩大于同樣大小的直齒傳動機構；傳動比可以很大。行星齒輪減速器行星齒輪系的主要特點在于：3.3行星齒輪系：一種特殊的齒輪傳動機構因此，行星齒輪系可用于構造大傳動比的變速器，即行星齒輪變速器。11403機器人的傳動機構一個具有4個行星齒輪的減速器如圖所三角帶與無級變速03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）鏈（Chain）傳動機構三角帶（V

Belt），指剖面為V字形（準確地說是梯形）傳送帶，常常用于傳送電機的連續(xù)的旋轉運動。(2)三角帶纖維編織層聚酯絲纜(3)V形槽傳送輪(1)V形帶傳送系統(tǒng)優(yōu)點：

傳送距離大，可實現(xiàn)無級變速，簡單，低廉。115三角帶與無級變速03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）(1)同步帶傳送系統(tǒng)同步帶傳動機構03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）鏈（Chain）傳動機構同步帶（SynchronousBelt或Timing

Belt），是一種帶有齒條的傳送帶，傳送距離大，傳動比固定，工作穩(wěn)定。(2)同步帶(3)同步帶輪116(1)同步帶傳送系統(tǒng)同步帶傳動機構03機器人的傳動機構鏈條（Daisy

Chain）傳動機構03機器人的傳動機構3.4帶（Belt）鏈（Chain）傳動機構許多機器人也采用了鏈條或履帶式傳動。鏈條傳動是我們熟悉的，自行車和摩托車的動力傳動，就主要采用鏈條傳動形式。117鏈條（DaisyChain）傳動機構03機器人的傳動機構03機器人的傳動機構由連桿和凸輪組成的傳動機構，可以把電動機的連續(xù)的旋轉運動，轉換為間歇往復運動，實現(xiàn)不等速運動（減速比可變化）的功能等。3.5連桿與凸輪傳動機構連桿、曲柄和凸輪等形成的復雜傳動機構，能將電動機的動力轉變?yōu)闄C器人肢體的動作。機械腿的凸輪傳動機構原理圖中是機器昆蟲的機械腿及其運動示意圖，其中，齒輪接受從直流電動機傳遞過來的動力，與齒輪固定在同一軸上的凸輪周而復始地上下和前后推動機械腿運動，從而驅使機器昆蟲向前爬行。11803機器人的傳動機構由連桿和凸輪組成的傳動機構，可以把電動04機器人的移動機構自治移動式機器人，自然需要移動機構（遷徙機構）。移動機構（遷徙機構），是機器人的腿或足。4.1關于移動（遷徙）機構機器人有各種各樣的移動機構，或者說，機器人有各種各樣的機械腿，大致可以分為兩類：旋轉型移動機構：主要特征是旋轉滾動運動，如：輪式移動機構，履帶式移動機構，旋翼式推進機構等。移動（遷徙），是自治移動式機器人的生命特征之一。本節(jié)只介紹機器人的旋轉式移動（遷徙）機構，有關機器人仿生的移動（遷徙）機構，留待下節(jié)介紹。仿生型移動機構：主要特征是往復交替運動，如：雙足機器人的腿和足，機器蜻蜓的翅膀，機器魚的鰭等。11904機器人的移動機構自治移動式機器人，自然需要移動機構（遷04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）采用輪式移動（遷徙）機構的機器人，種類很多，其中，4輪（4-Wheeled）和3輪（3-Wheeled）的移動（遷徙）機構是最普通的。像汽車一樣，依靠輪子移動（遷徙），是最簡單，最易于實現(xiàn)，并且，效率最高的移動方式。六輪機器人：6-Wheeled

Robot兩輪機器人：2-WheeledRobot獨輪機器人：Single-Wheeled

Robot然而，在采用輪式移動（遷徙）機構的機器人中，真正值得我們一提的是：其中，兩輪機器人和獨輪機器人，被稱為自平衡機器人（Self-Balancing

Robot）：12004機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）采用輪04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）六輪機器人，其移動（遷徙）機構自然具有6個輪子，可以在崎嶇的環(huán)境中行走，因此，常常被月球車和火星車采用，如：美國的探測火星的旅居者。六輪機器人（6-Wheeled

Robot）12104機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）六輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）SHRIMP

是一款新穎的6輪機器人，研究的目的主要為圍繞火星探測任務。六輪機器人（6-Wheeled

Robot）SHRIMP

的前方有一個導向輪，身體兩側各有兩個輪子，尾部有一個尾輪。SHRIMP具有極高的機動性，可以在亂石堆里行走，還能上下樓梯。12204機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）SHR04機器人的移動機構12304機器人的移動機構33關于自平衡機器人：機器人系統(tǒng)中特殊的和重要的一類。自平衡機器人的研究水平，已經(jīng)成為反應一個國家機器人學和機器人技術發(fā)展水平的重要標志。其中，最典型的是兩輪機器人和獨輪機器人：04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）124關于自平衡機器人：機器人系統(tǒng)中特殊的和重要的一類。自平衡機器關于自平衡機器人：控制技術可用于導彈制導，火箭發(fā)射，航天飛機自動駕駛，衛(wèi)星姿態(tài)控制，以及工業(yè)過程等。04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）125關于自平衡機器人：控制技術可用于導彈制導，火箭發(fā)射，航天飛機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）兩輪機器人，是一種自平衡機器人。自平衡機器人的研究水平，已經(jīng)成為反應一個國家機器人學和機器人技術水平的重要標志。在實驗機器人學的意義下，自平衡機器人屬科學研究型機器人，是新型的和智能的科學實驗儀器。自平衡機器人可用于機器人學、機構學、運動控制的理論與方法，以及人工智能的科學研究和科學實驗。自平衡機器人先進的控制技術可用于導彈制導，火箭發(fā)射，航天飛機自動駕駛，同步衛(wèi)星姿態(tài)控制，以及數(shù)控機床和工業(yè)過程控制等。12604機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）兩輪機器人，自然只有兩個輪子。像兩輪自行車一樣，兩輪機器人本質(zhì)上是不穩(wěn)定的和不平衡的系統(tǒng)。兩輪機器人的兩個輪子，各由一個電機驅動，其姿態(tài)（和d/dt）一般由慣性測量單元（Inertia

Measurement

Unit，IMU）測量?？刂破骺捎汕度胧焦た貦C或DSP器件擔任，根據(jù)機器人姿態(tài)狀況和運動需求，計算出控制量。12704機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機04機器人的移動機構4.2機器人的輪式移動（遷徙）兩輪機器人（2-Wheeled

Robot）1986年，日本電氣通信大學KazuoYamafuji教授，構思了一種只有兩個輪子的自平衡機械。這種自平衡機械像一般的自行車一樣有兩個輪子，然而，這兩個輪子是平行的或并排的，因而，取名“平行自行車”的。平行自行車被認為是兩輪自平衡機器人的起源。之后，自平衡機器人便成為機器人家族中的