機器人的組成結構

2、機器人的組成結構

一、機器人系統(tǒng)的組成如圖所示，機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成·這三大部分可分成驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)．

驅動系統(tǒng)要使機器人運行起來，需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)．感受系統(tǒng)它由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息．智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準．人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效．機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)

機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實現機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯系和協調的系統(tǒng)．機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等

人一機交互系統(tǒng)

人一機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯系和參與機器人控制的裝置：指令給定裝置和信息顯示裝置．控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務是根據機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能．如果機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)．根據控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)．根據控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制

操作機器人本體的結構形式機器人本體執(zhí)行機構驅動裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)手部（操作器）腕部臂部腰部電驅動裝置液壓驅動裝置氣壓驅動裝置處理器關節(jié)伺服控制器內部傳感器外部傳感器

基座（固定或移動）傳動裝置6手部腕部小臂（上臂）大臂（下臂）腰部

基座控制柜示教盒相關術語及性能指標關節(jié)（Joint）：即運動副，允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構。連桿（Link）：機器人手臂上被相鄰兩關節(jié)分開的部分。自由度（Degreeoffreedom）：或者稱坐標軸數，是指描述物體運動所需要的獨立坐標數。手指的開、合，以及手指關節(jié)的自由度一般不包括在內。剛度（Stiffness）：機身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來度量。定位精度（Positioningaccuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復性（Repeatability）或重復精度：在相同的位置指令下，機器人連續(xù)重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。oo工作空間（Workingspace）：機器人手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能到達的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。二、工業(yè)機器器人的機械結結構工業(yè)機器人的的機械本體類類似于具備上上肢機能的機機械手，由由手部、腕部部、臂、機身身(有的包括括行走機構)組成。2.1機械手手的操作動作作機械手的動作作形態(tài)是由三三種不同的單單動作——旋旋轉、回轉、、伸縮組合而而成的。旋轉和回轉是是指運動機構構產生相對運運動。旋轉是轉動部部件的軸線和和轉動軸同軸軸；回轉是轉動部部件的軸線與與轉動軸不同同軸。伸縮是指運動動機構產生直直線運動。2.2機械手手的坐標形式式和自由度（1）根據單單元動作組合合方式的不同同，機械手的的動作形態(tài)一一般歸納為以以下四種坐標標類型：①直直角坐標型(圖7．2——2)；②圓圓柱坐標型(圖7．2——3)；③極極坐標型(圖圖7．2—4)；④多關關節(jié)型(圖7．2—5)。直角坐標型機機械手可以在三個互互相垂直的方方向上作直線線伸縮運動，，這類機械手手各個方向的的運動是獨立立的，計算和和控制比較方方便，但占地地面積大，限限于特定的應應用場合圓柱坐標型機機械手有一個圍繞基基座軸的旋轉轉運動和兩個個在相互垂直直方向上的直直線伸縮運動動。它適用于于采用油壓(或氣壓)驅驅動機構，在在操作對象位位于機器人四四周的情況下下，操作最為為方便。極坐標型機械械手的動作形態(tài)包包括圍繞基座座軸的旋轉，，一個回轉和和一個直線伸伸縮運動，其其特點類似于于圓柱型機械械手。多關節(jié)型機械械手最接近于人臂臂的構造。它它主要由多個個回轉或旋轉轉關節(jié)所組成成，一般都采采用電機驅動動機構。運用用不同的關節(jié)節(jié)連接方式，，可以完成各各種復雜的操操作。由于具具有占地面積積小，動作范范圍大，空間間移動速度快快而靈活等特特點，多關節(jié)節(jié)型機械手在在各種智能機機器人中被廣廣為采用。SCARA機器人關關節(jié)式式機器人2.3.機身、臂部和和手部機構機身是直接聯聯接、支承和和傳動手臂及及行走機構的的部件。它是是由臂部運動動(升降、平移、、回轉和俯仰仰)機構及有關的的導向裝置、、支撐件等組組成。由于機機器人的運動動型式、使用用條件、負載載能力各不相相同，所采用用的驅動裝置置、傳動機構構、導向裝置置也不同，致致使機身結構構有很大差異異。一般情況下，，實現臂部的的升降、回轉轉或或俯仰等等運動的驅動動裝置或傳動動件都安裝在在機身上。臂臂部的運動愈愈多，機身的的結構和受力力愈復雜。機機身既可以是是固定式的，，也可以是行行走式的，即即在它的下部部裝有能行走走的機構，可可沿地面或架架空軌道運行行。１．機身結構構常用的機身結結構：１）升降回轉轉型機身結構構２）俯仰型機機身結構３）直移型機機身結構４）類人機器器人機身結構構２．臂部結構構手臂部件(簡稱臂部)是機器人的主主要執(zhí)行部件件，它的作用用是支撐腕部部和手部，并并帶動它們在在空間運動。。機器人的臂臂部主要包括括臂桿以及與與其伸縮、屈屈伸或自轉等等運動有關的的構件，如傳傳動機構、驅驅動裝置、導導向定位裝置置、支撐聯接接和位置檢測測元件等。此此外，還有與與腕部或手臂臂的運動和聯聯接支撐等有有關的構件、、配管配線等等。根據臂部的運運動和布局、、驅動方式、、傳動和導向向裝置的不同同可分為：１）伸縮型臂臂部結構２）轉動伸縮縮型臂部結構構３）驅伸型臂臂部結構４）其他專用用的機械傳動動臂部結構３．機身和臂臂部的配置形形式機身和臂部部的配置形形式基本上上反映了機機器人的總總體布局。。由于機器器人的運動動要求、工工作對象、、作業(yè)環(huán)境境和場地等等因素的不不同，出現現了各種不不同的配置置形式。目目前常用的的有如下幾幾種形式：：（１）橫梁梁式（２）立柱柱式（３）機座座式（４）驅伸伸式橫梁式：機身設計成成橫梁式，，用于懸掛掛手臂部件件，這類機機器人的運運動形式大大多為移動動式。它具具有占地面面積小，能能有效利用用空間，直直觀等優(yōu)點點。橫梁可可設計成固固定的或行行走的，一一般橫梁安安裝在廠房房原有建筑筑的柱梁或或有關設備備上，也可可從地面架架設。立柱式：立柱式機器器人多采用用回轉型、、俯仰型或或屈伸型的的運動型式式，是一種種常見的配配置形式。。一般臂部部都可在水水平面內回回轉，具有有占地面積積小而工作作范圍大的的特點。立立柱可固定定安裝在空空地上，也也可以固定定在床身上上。立主式式結構簡單單，服務于于某種主機機，承擔上上、下料或或轉運等工工作。機座式：機身設計成成機座式，，這種機器器人可以是是獨立的、、自成系統(tǒng)統(tǒng)的完整裝裝置，可以以隨意安放放和搬動。。也可以具具有行走機機構，如沿沿地面上的的專用軌道道移動，以以擴大其活活動范圍。。各種運動動形式均可可設計成機機座式。屈伸式：屈伸式機器器人的臂部部由大小臂臂組成，大大小臂間有有相對運動動，稱為屈屈伸臂。屈屈伸臂與機機身間的配配置形式關關系到機器器人的運動動軌跡，可可以實現平平面運動，，也可以作作空間運動動。（圖見下頁）4、手腕結構構手腕是聯接手臂臂和手部的的結構部件件，它的主主要作用是是確定手部部的作業(yè)方方向。因此此它具有獨獨立的自由由度，以滿滿足機器人人手部完成成復雜的姿姿態(tài)。要確定手部部的作業(yè)方方向，一般般需要三個個自由度，，這三個回回轉方向為為：１）臂轉繞繞小臂軸軸線方向的的旋轉。２）手轉使使手部繞繞自身的軸軸線方向旋旋轉。３）腕擺使使手部相相對于臂進進行擺動。。手腕結構多多為上述三三個回轉方方式的組合合，組合的的方式可以以有多種形形式如下圖圖所示：腕部結構的的設計要滿滿足傳動靈靈活、結構構緊湊輕巧巧、避免干干涉。機器器人多數將將腕部結構構的驅動部部分安排在在小臂上。。首先設法法使幾個電電動機的運運動傳遞到到同軸旋轉轉的心軸和和多層套筒筒上去。運運動傳入腕腕部后再分分別實現各各個動作。。柔順手腕在用機器人人進行精密密裝配作業(yè)業(yè)中，當被被裝配零件件的不一致致、工件的的定位夾具具、機器人人的定位精精度不能滿滿足裝配要要求時，會會導致裝配配困難。這這就提出了了柔順性要要求。柔順裝配技技術有兩種種：一種是是從檢測、、控制的角角度，采取取各種不同同的搜索方方法，實現現邊校正邊邊裝配。一種是從機機械結構的的角度在手手腕部配置置一個柔順順環(huán)節(jié)，以以滿足柔順順裝配的要要求。5、手部機構構機器人的手手部是是最最重要的執(zhí)執(zhí)行機構。。機器人手部部是機器人人為了進行行作業(yè)，在在手腕上配配置的操作作機構。因因此有時也也稱為末端端操作器。。由于機器人人作業(yè)內容容的差異（（如搬運、、裝配、焊焊接、噴涂涂等）和作作業(yè)對象的的不同（如如軸類、板板類、箱類類、包類物物體等），，手部部的形式多多樣。綜合合考考慮慮手手部部的的用用途途、、功功能能和和結結構構持持點點，，大大致致可可分分成成以以下下幾幾類類：：1．卡卡爪爪式式夾夾持持器器；；2．吸吸附附式式取取料料手手；；3．專專用用操操作作器器及及換換接接器器4．仿仿生生多多指指靈靈巧巧手手。。34卡爪爪式式夾夾持持器器通常常有有兩兩個個夾夾爪爪，，分分為為回回轉轉型型和和平平移移型型兩兩種種類類型型。?？ㄗψκ绞綂A夾持持器器幾種種彈彈力力抓抓手手1）彈彈力力夾夾持持器器352）回回轉轉型型夾夾持持器器開合合占占用用空空間間較小小夾持持中中心心變變化化363）平平移移型型夾夾持持器器開合合占占用用空空間較較大大夾持持中中心心保保持不不變變1.滑槽槽杠杠桿桿式式手手部部2.齒輪齒條式手部3.滑塊杠桿式手部4.斜楔杠桿式5.移動型連桿式手部6.齒輪齒條式手部7.內漲斜塊式手部8.連桿杠桿式手部手指指類類型型：：41吸式式取取料料手手是是目目前前應應用用較較多多的的一一種種執(zhí)執(zhí)行行器器，，特特別別是是用用于于搬搬運運機機器器人人。。該該類類執(zhí)執(zhí)行行器器可可分分氣氣吸吸和和磁磁吸吸兩兩類類。。吸附附式式取取料料手手氣吸吸附附取取料料手手是是利利用用吸吸盤盤內內氣氣壓壓與與大大氣氣壓壓之之間間的的壓壓力力差差而而工作的的。。具具有有結結構構簡簡單單，，重重量量輕輕，，吸吸附附力力分分布布均均勻勻等等優(yōu)優(yōu)點點。。按形形成成壓壓力力的的方方法法，，可可分分成成真真空空氣氣吸吸、、氣氣流流負負壓壓氣氣吸吸、、擠擠壓壓排排氣氣負負壓壓氣氣吸吸式式兒兒種種。。1）氣氣吸吸附附取取料料手手氣流流負負壓壓氣氣吸吸盤盤擠壓壓排排氣氣吸吸盤盤真空空氣氣吸吸盤盤422）磁磁吸吸附附取取料料手手43專用用操操作作器器及及換換接接器器44人手手是是最最靈靈巧巧的的夾夾持持器器，，如如果果模模擬擬人人手手結結構構，，就就能能制制造造出出結結構構最最優(yōu)優(yōu)的的夾夾持持器器。。但但由由于于人人手手自自由由度度較較多多（（20個）），，驅驅動動和和控控制制都都十十分分復復雜雜，，迄迄今今為為止止，，只只是是制制造造出出了了一一些些原原理理樣樣機機，，離離工工業(yè)業(yè)應應用用還還有有一一定定的的差差距距。。仿生生多多指指靈靈巧巧手手UTACH／MIT多指指手三指指手雙拇拇指指手45最小小的的三三指指手BH——II三指指手手四指指靈靈巧巧手靈巧巧的的雙雙手DLR多指指手手哈工工大大多多指指手手46手指關節(jié)節(jié)的設計計手指主要要用于抓抓握動作作，要求求動作靈靈活，剛剛度好，，具有較較大的抓抓握力。。就其手手的結構構而言，，傳動機機構有三三種方式式：1)腱傳動，，特點是是結構簡簡單，節(jié)節(jié)省空間間，具有有很高的的抗拉強強度和很很輕的重重量，但但剛性差差，較大大的彈性性，不利利于控制制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是這這種方式式。2)齒輪傳動動，特點點是傳動動比可靠靠，但是是摩擦較較大，有有回程間間隙，占占用空間間大。3)連桿傳動動，剛度度好，加加工制造造比較簡簡單，高高精度，，能較好好的實現現多種運運動規(guī)律律和運動動軌跡的的要求。。但是設設計復雜雜，不能能精確地地滿足各各種運動動規(guī)律的的要求。。典型的的如Belgrade手，NASA手等。4）欠驅動動手指關關節(jié)1）車輪型型5、移動機機器人兩輪型三輪型四輪型2）履履帶式救援機器人3）步行行式（足式行行走）履帶式行行走機構構雖然可在在高低不不平的地地面上運運動，但但它的適適應性不不夠，行行走時候候晃動太太大，在在軟地面面上行駛駛運動效效率低。。根據調調查，在在地球上上近一半半的地面面不適合合于傳統(tǒng)統(tǒng)的輪式式或履帶帶式車輛輛行走。。但是一一般多足足動物卻卻能在這這些地方方行動自自如，顯顯然足式式與輪式式和履帶帶式行走走方式相相比具有有獨特的的優(yōu)勢。。足式行走對崎嶇路面面具有很好好的適應能能力一，足足式運動方方式的立足足點是離散散的點，可可以在可能能到達的地地面上選擇擇最優(yōu)的支支撐點，而而輪式和履履帶行走工工具必須面面臨最壞的的地形上的的幾乎所有有點；足式式運動方式式還具有主主動隔振能能力，盡管管地面高低低不平，機機身的運動動仍然可以以相當平穩(wěn)穩(wěn)；足式行行走在不平平地面和松松軟地面上上的運動速速度較高，，能耗較少少。（１）足的的數目現有的步行行機器人的的足數分別別為單足、、雙足、三三足、四足足、六足、、八足甚至至更多。足足的數目多多，適合于于重載和慢慢速運動。。雙足和四四足具有最最好的適應應性和靈活活性，也最最接近人類類和動物。。下頁圖顯示了單足足、雙足、、三足、四四足和六足足行走結構構。（２）足的的配置足的配置指指足相對于于機體的位位置和方位位的安排，，這個問題題對于多于于兩足時尤尤為重要。。就二足而而言，足的的配置或者者是一左一一右，或者者是一前一一后。后一一種配置因因容易引起起腿間的干干涉而實際際上很少用用到。幾何構型彎曲方向（３）足式式行走機構構的平衡和和穩(wěn)定性靜態(tài)態(tài)穩(wěn)穩(wěn)定定的的多多足足機機其機機身身的的穩(wěn)穩(wěn)定定通通過過足足夠夠數數量量的的足足支支撐撐來來保保證證。。在在行行走走過過程程中中，，機機身身重重心心的的垂垂直直投投影影始始終終落落在在支支撐撐足足著著落落地地點點的的垂垂直直投投影影所所形形成成的的凸凸多多邊邊形形內內。。這這樣樣，，即即使使在在運運動動中中的的某某一一瞬瞬時時將將運運動動““凝凝固固””，，機機體體也也不不會會有有傾傾覆覆的的危危險險。。這這類類行行走走機機構構的的速速度度較較慢慢，，它它的的步步態(tài)態(tài)為為爬爬行行或或步步行行。動態(tài)態(tài)穩(wěn)穩(wěn)定定典型型的的例例子子是是踩踩高高蹺蹺。。高高蹺蹺與與地地面面只只是是單單點點接接觸觸，，兩兩根根高高蹺蹺在在地地面面不不動動時時站站穩(wěn)穩(wěn)是是非非常常困困難難的的，，要要想想原原地地停停留留，，必必須須不不斷斷踏踏步步，，不不能能總總是是保保持持步步行行中中的的某某種種瞬瞬間間姿姿態(tài)態(tài)。。在動動態(tài)態(tài)穩(wěn)穩(wěn)定定中中，，機機體體重重心心有有時時不不在在支支撐撐圖圖形形中中，，利利用用這這種種重重心心超超出出面面積積外外而而向向前前產產生生傾傾倒倒的的分分力力作作為為行行走走的的動動力力并并不不停停地地調調整整平平衡衡點點以以保保證證不不會會跌跌倒倒。。這這類類機機構構一一般般運運動動速速度度較較快快，，消消耗耗能能量量小小。。其其步步態(tài)態(tài)可可以以是是小小跑跑和和跳跳躍躍。。4））其其它它移移動動方方式式軍用昆蟲機器人爬纜索機器人水下6000米無纜自治機器人蛇形機器人三、、機機器器人人的的驅驅動動系系統(tǒng)統(tǒng)3.1關節(jié)節(jié)直直接接驅驅動動方方式式直接接驅驅動動方方式式是是驅驅動動器器的的輸輸出出軸軸和和機機器器人人手手臂臂的的關關節(jié)節(jié)軸軸直直接接相相連連．間接驅動方式式是驅動器經經過減速器或或鋼絲繩、皮皮帶、平行連連桿等裝置后后與關節(jié)軸相相連(1)關節(jié)間間接驅動方式式的缺點．大大部分機器人人的關節(jié)是間間接驅動．這這種間接驅動動，通常其驅驅動器的輸出出力矩大大小小于驅動關節(jié)節(jié)所需要的力力矩，所以必必須使用減速速器．另外，，由于手臂通通常采用懸臂臂梁結構，所所以多自由度度機器人關節(jié)節(jié)上安裝減速速器會使手臂臂根部關節(jié)驅驅動器的負荷荷增大目前中小小型機器器人一般般采用普普通的直直流伺服服電機、、交流伺伺服電機機或步進進電機作作為機器器人的執(zhí)執(zhí)行電機機．由于于電機速速度較高高，所以以需配以以大速比比減速裝裝置，進進行間接接傳動．．但是，，間接驅驅動帶來來了機械械傳動中中不可避避免的誤誤差，引引起沖擊擊振動，，影響機機器人系系統(tǒng)的可可靠性，，并且增增加關節(jié)節(jié)重量和和尺寸(2)關關節(jié)直接接驅動方方式直接驅動動機器人人也叫作作DD機器人(Directdriverobot)，簡稱DDR．．DD機器人一一般指驅驅動電機機通過機機械接口口直接與與關節(jié)連連接．DD機器人人的特特點是是驅動動電機機和關關節(jié)之之間沒沒有速速度和和轉矩矩的轉轉換DD機器人人與間間接驅驅動機機器人人相比比，有有如下下優(yōu)點點：①①機械械傳動動精度度高．．②振振動小小，結結構剛剛度好好．③③機械械傳動動損耗耗?。芙Y結構緊緊湊，，可靠靠性高高．⑤⑤電電機峰峰值轉轉矩大大，電電氣時時間常常數小小，短短時間間內可可以產產生很很大轉轉矩，，響應應速度度快，，調速速范圍圍寬．．⑥控控制性性能較較好．．日本、、美國國等工工業(yè)發(fā)發(fā)達國國家已已經開開發(fā)出出性能能優(yōu)異異的DD機器人人．美美國Adept公司研研制出出帶有有視覺覺功能能的四四自由由度平平面關關節(jié)型型DD機器人人．日日本大大日機機工公公司研研制成成功了了五自自由度度關節(jié)節(jié)型DD一600V機器人人．其其性能能指標標為：：最大大工作作范圍圍1．．2m，可搬重量量5kg，最大運動動速度8．2m／s，，重復定位位精度0．05mmDD機器人目目前主要要存在的的問題①①載荷荷變化、、耦合轉轉矩及非非線性轉轉矩對驅驅動及控控制影響響顯著，，使控制制系統(tǒng)設設計困難難和復雜雜．②②對位置置、速度度的傳感感元件提提出了相相當高的的要求③需開發(fā)小小型實用用的DD電機．④④電機機成本高高3.2驅動元件件(1)液液(氣)壓壓驅動液(氣)壓缸液(氣)壓馬達達(2)步步進電動動機驅動動在小的機機器人上上，有時時也用步步進電機機作為主主驅動電電機。可可以用編編碼器或或電位器器提供精精確的位位置反饋饋，所以以步進電電機也可可用于閉閉環(huán)控制制步進電機機是通過過脈沖電電流實