機(jī)器人機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)

機(jī)器人機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)第1頁/共51頁一、機(jī)身的自由度和運(yùn)動(dòng)

第2頁/共51頁1．機(jī)身的自由度：

機(jī)身往往具有升降、回轉(zhuǎn)及俯仰三個(gè)自由度。

第3頁/共51頁2．機(jī)身的運(yùn)動(dòng)：

由上面三個(gè)自由度可以組合成機(jī)身五種運(yùn)動(dòng)形式。分別是：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；升降運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)—升降運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)—俯仰運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)—升降運(yùn)動(dòng)—俯仰運(yùn)動(dòng)。第4頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)（1）：

圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)通常具有三個(gè)自由度：一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（腰轉(zhuǎn)）及兩個(gè)直線移動(dòng)（升降運(yùn)動(dòng)及手臂伸縮運(yùn)動(dòng)）。腰轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)通常由機(jī)身來實(shí)現(xiàn)。第5頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)（2）：

球面坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)通常具有三個(gè)自由度：繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、繞水平軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（俯仰運(yùn)動(dòng)）及手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。通常把回轉(zhuǎn)及俯仰運(yùn)動(dòng)歸屬于機(jī)身。第6頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)（3）：

關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通常僅把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為機(jī)身。第7頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)（4）：

直角坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度且都是直線運(yùn)動(dòng)。通常把升降運(yùn)動(dòng)或水平移動(dòng)的自由度歸為機(jī)身部分。第8頁/共51頁二、機(jī)身典型結(jié)構(gòu)

第9頁/共51頁1．回轉(zhuǎn)與升降運(yùn)動(dòng)機(jī)身(1)：

鏈輪—液壓缸機(jī)構(gòu)：

構(gòu)成：主要由鏈輪機(jī)構(gòu)、液壓缸機(jī)構(gòu)、機(jī)身本體部分構(gòu)成。且升降機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上方。工作原理：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：通過液壓缸活塞的移動(dòng)→帶動(dòng)鏈條的移動(dòng)→鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)→機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)升降運(yùn)動(dòng)：活塞的上下移動(dòng)→帶動(dòng)機(jī)身的上下升降第10頁/共51頁鏈輪—液壓缸機(jī)構(gòu)圖例：問題：要使立柱作大于360°的旋轉(zhuǎn)，對(duì)活塞的行程有什么要求？每個(gè)液壓缸只有一個(gè)油口。第11頁/共51頁1．回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身(2)：

直線運(yùn)動(dòng)液壓缸—擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)：

構(gòu)成：主要由直線運(yùn)動(dòng)液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、花鍵導(dǎo)向軸、機(jī)身本體等部分構(gòu)成。工作原理：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：擺動(dòng)液壓缸進(jìn)油→擺動(dòng)缸動(dòng)片7擺動(dòng)→帶動(dòng)擺動(dòng)缸套5擺動(dòng)由于花鍵軸3只起導(dǎo)向作用而不回轉(zhuǎn)，擺動(dòng)缸定片與花鍵軸之間通過平鍵和螺釘固定連接，保證定片的位置確定。升降運(yùn)動(dòng)：活塞1下腔進(jìn)油→活塞推動(dòng)機(jī)身沿花鍵軸上升活塞1上腔進(jìn)油→活塞推動(dòng)機(jī)身沿花鍵軸下降第12頁/共51頁直線運(yùn)動(dòng)液壓缸—擺動(dòng)液壓缸機(jī)構(gòu)圖例：問題：1、擺動(dòng)液壓缸的動(dòng)片與缸的什么部件相連？機(jī)械臂將與擺動(dòng)液壓缸的什么部件相連？2、為什么采用長度較短的花鍵套導(dǎo)向？3、機(jī)身升降運(yùn)動(dòng)的行程和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角度取決于什么？4、畫出零件2的結(jié)構(gòu)圖。油口油口第13頁/共51頁花鍵軸與花鍵孔：第14頁/共51頁1．回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身(3)：

齒條活塞缸—升降缸機(jī)構(gòu)：

構(gòu)成：主要由升降缸體、齒條缸、齒輪套筒、固定立柱和升降回轉(zhuǎn)臺(tái)等部分構(gòu)成。工作原理：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：齒條缸的齒條活塞桿直線運(yùn)動(dòng)→齒輪套筒6回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)→齒輪套筒6和升降缸體2及升降回轉(zhuǎn)臺(tái)1固聯(lián)→升降回轉(zhuǎn)臺(tái)1回轉(zhuǎn)升降運(yùn)動(dòng)：升降缸體2、齒輪套筒6、回轉(zhuǎn)臺(tái)1整個(gè)一起升降運(yùn)動(dòng)第15頁/共51頁齒條活塞缸—升降缸機(jī)構(gòu)圖例：第16頁/共51頁2．回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身：

機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用活塞缸與連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。手臂俯仰運(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好，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方法與立柱連接。第17頁/共51頁回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身圖例：第18頁/共51頁三、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

第19頁/共51頁1．行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)成：

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)通常由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、位置檢測裝置、傳感器、電纜和管路等構(gòu)成。第20頁/共51頁2．行走機(jī)構(gòu)的分類：

按運(yùn)行軌跡分：分為固定軌跡式和無固定軌跡式兩種。固定軌跡式主要用于工業(yè)機(jī)器人按行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)分：對(duì)于無固定軌跡機(jī)器人，可分為輪式、履帶式和步行式等。前兩者與地面連續(xù)接觸，后者與地面為間斷接觸。第21頁/共51頁3．固定軌道式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：

機(jī)器人機(jī)身底座，安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板上，依靠絲桿螺母副的運(yùn)動(dòng)將來自電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。第22頁/共51頁4．車輪式行走機(jī)器人：

分類：車輪式行走機(jī)器人通常有三輪、四輪、六輪之分。它們或有驅(qū)動(dòng)輪和自位輪，或有驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，用來轉(zhuǎn)彎。適用范圍：最適合平地行走，不能跨越高度，不能爬樓梯。第23頁/共51頁圖

2.57利用陀螺儀的二輪車

第24頁/共51頁三輪行走機(jī)器人圖例：第25頁/共51頁三輪行走機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)：構(gòu)成：三個(gè)車輪、轉(zhuǎn)向叉、驅(qū)動(dòng)裝置等。驅(qū)動(dòng)方案：電機(jī)5驅(qū)動(dòng)輪1：通過V1、V2的不同速度控制小車的移動(dòng)方向，同時(shí)，轉(zhuǎn)向叉3自動(dòng)地轉(zhuǎn)向正確的方向。此時(shí)輪2受到地面的摩擦而滾動(dòng)。電機(jī)6驅(qū)動(dòng)輪2：由電機(jī)6驅(qū)動(dòng)，小車的方向由專用電機(jī)7驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向叉實(shí)現(xiàn)。此時(shí)輪1自由滾動(dòng)。缺陷：施加在角落的力容易產(chǎn)生使機(jī)器人翻倒，對(duì)負(fù)載有一定的限制。第26頁/共51頁圖2.59所示的三組輪是由美國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

第27頁/共51頁四輪行走機(jī)器人：第28頁/共51頁圖

2.60四輪車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)

第29頁/共51頁圖2.62所示為四輪防爆機(jī)器人,該輪系由于采用了四組輪子,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。

第30頁/共51頁排爆機(jī)器人第31頁/共51頁圖

2.63三角輪系的機(jī)構(gòu)圖

第32頁/共51頁圖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

第33頁/共51頁5．履帶式行走機(jī)器人：特點(diǎn)：可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺(tái)階。沒有自位輪，依靠左右兩個(gè)履帶的速度差轉(zhuǎn)彎，會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)彎阻力大，且不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑。第34頁/共51頁履帶式行走機(jī)器人圖例（1）：第35頁/共51頁履帶式行走機(jī)器人圖例（2）：第36頁/共51頁救援機(jī)器人德國排爆機(jī)器人第37頁/共51頁

6．腳踏行走機(jī)器人：

腳踏行走機(jī)器人即步行機(jī)器人，典型特征是不僅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越溝壑，上下臺(tái)階，具有廣泛的適應(yīng)性。主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是機(jī)器人跨步時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)移重心而保持平衡的問題。第38頁/共51頁兩足步行機(jī)器人圖例：控制特點(diǎn)：使機(jī)器人的重心經(jīng)常在接地的腳掌上，一邊不斷取得準(zhǔn)靜態(tài)平衡，一邊穩(wěn)定的步行。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：為了能變換方向和上下臺(tái)階，一定要具備多自由度。第39頁/共51頁圖

2.65兩足步行式行走機(jī)構(gòu)原理圖

第40頁/共51頁兩足步行機(jī)器人圖例：主要構(gòu)成：

1—框架2—大腿3—小腿4—腳5—肩6—肘7—手8—液壓缸第41頁/共51頁圖

2.66漢庫科技公司的雙足機(jī)器人

第42頁/共51頁步行式第43頁/共51頁四足機(jī)器人圖例（1）：特點(diǎn)：四足機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下是穩(wěn)定的，具有很高的實(shí)用性。四足機(jī)器人步行時(shí)，一只腳抬起，三只腳支撐自重，這時(shí)有必要移動(dòng)身體，讓重心落在三只腳接地點(diǎn)組成的三角形內(nèi)。第44頁/共51頁四足機(jī)器人圖例（2）：第45頁/共51頁四足機(jī)器人圖例（3）：第46頁/共51頁7．其它行走機(jī)器