機器人技術基礎 課件 第2章 機器人的本體結(jié)構(gòu) -2

第2章

機器人的本體結(jié)構(gòu)機器人技術基礎目錄contants2.1串聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.3移動機器人的結(jié)構(gòu)

第2章

機器人的本體結(jié)構(gòu)2.1串聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.1.1驅(qū)動機構(gòu)2.1.2傳動機構(gòu)2.1.3傳動機構(gòu)的定位與消隙技術2.1.4執(zhí)行機構(gòu)機器人執(zhí)行機構(gòu)的作用是實現(xiàn)機器人的運動并直接完成規(guī)定的各種作業(yè)。機器人類型不同，其執(zhí)行機構(gòu)也有所不同。在第1章機器人的分類中介紹過，按運動坐標不同，串聯(lián)機器人可以分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型和關節(jié)坐標型機器人。下面分別介紹其不同的執(zhí)行機構(gòu)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)圖為直角坐標型機器人結(jié)構(gòu)形式，其執(zhí)行機構(gòu)即沿X，Y，Z三個方向的移動關節(jié)，每個關節(jié)都由對應的電機通過直線傳動機構(gòu)驅(qū)動，三軸聯(lián)動即可帶動手部完成作業(yè)，比如3D打印、工件加工、物品搬運等。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)直角坐標型機器人的典型結(jié)構(gòu)圖為典型的圓柱坐標型機器人結(jié)構(gòu)形式，其執(zhí)行機構(gòu)有一個回轉(zhuǎn)關節(jié)和兩個移動關節(jié)（升降和伸縮），該機器人的關節(jié)由油缸通過其傳動系統(tǒng)驅(qū)動，帶動手部完成要求的作業(yè)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)圓柱坐標型機器人的典型結(jié)構(gòu)圖為典型的球坐標型機器人結(jié)構(gòu)形式，其執(zhí)行機構(gòu)有回轉(zhuǎn)、俯仰兩個旋轉(zhuǎn)關節(jié)和一個用于伸縮的移動關節(jié)，這三個關節(jié)決定了其球形的工作空間。它的腕部還有兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)，使其手部更加靈活。該機器人的關節(jié)由油缸通過其傳動系統(tǒng)驅(qū)動，帶動手部完成要求的作業(yè)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)球坐標型機器人的典型結(jié)構(gòu)圖為水平多關節(jié)機器人共有4個關節(jié)，其中三個為轉(zhuǎn)動關節(jié)，其轉(zhuǎn)軸相互平行均為垂直方向，所以三個回轉(zhuǎn)運動都是在水平面內(nèi)進行的。此外還有一個移動關節(jié)，方便手部在垂直方向完成裝配等作業(yè)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)水平多關節(jié)機器人關節(jié)坐標型機器人又可分為水平多關節(jié)和垂直多關節(jié)機器人兩種。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)PUMA-262機器人結(jié)構(gòu)示意圖大多數(shù)工業(yè)機器人為垂直多關節(jié)型機器人，其各關節(jié)的回轉(zhuǎn)軸互相垂直或平行。圖示的PUMA-262機器人是美國Unimation公司于1978年制造的直流伺服電動機驅(qū)動的六自由度關節(jié)型機器人，主要由基座、臂部（包括大臂和小臂）、腕部以及末端執(zhí)行器（手部）四大部分構(gòu)成。該機器人立柱繞垂直軸回轉(zhuǎn)，稱為腰關節(jié)，立柱內(nèi)部安裝腰關節(jié)的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等；大臂的回轉(zhuǎn)軸稱為肩關節(jié)，由肩關節(jié)電機通過其傳動系統(tǒng)驅(qū)動；小臂的回轉(zhuǎn)軸稱為肘關節(jié)，由肘關節(jié)電機通過其傳動系統(tǒng)驅(qū)動。腕部還有實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、俯仰、翻轉(zhuǎn)運動3個關節(jié)，對應的三個電機均安裝在小臂里面，通過傳動系統(tǒng)將運動和動力傳遞給手腕，增加手部姿態(tài)的靈活性。目前最常見的工業(yè)機器人如圖所示，它與PUMA-262機器人類似有6個自由度，也由基座、臂部、腕部及手部四大部分組成，不同之處在于，現(xiàn)在大多機器人采用模塊化的關節(jié)模組（集成電機和減速器）作為驅(qū)動和傳動裝置。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)最常見的工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)關節(jié)模組通常直接安裝在對應的關節(jié)處，除了關節(jié)5的電機與關節(jié)5稍有一段距離，電機與減速器之間采用了同步帶傳動，其他5個電機及其減速器均直接布置在相應的關節(jié)上，這樣機器人的傳動鏈更短，結(jié)構(gòu)更為緊湊。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)最常見的工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)通過觀察上面幾種串聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，除直角坐標機器人比較特殊以外，機器人的執(zhí)行機構(gòu)基本都是由基座、臂部（包括大臂和小臂）、腕部以及末端執(zhí)行器（手部）四大部分構(gòu)成。下面分別介紹這四大部分的特點及其設計注意事項。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)最常見的工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)基座是機器人的基礎部分，起支撐作用，可分為固定式和移動式兩種。固定式機器人的基座直接固定在地面上，大多數(shù)機器人的基座是固定式的，下圖展示了兩種常見的移動式基座，機器人基座安裝在滑軌上，擴大了其運動和操作范圍。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（1）基座移動式基座基座是機器人的安裝和固定部分，也是電線電纜、油管、氣管的輸入連接部分，有時機器人第一個關節(jié)的驅(qū)動系統(tǒng)也會安裝在基座上，比如PUMA-262機器人的基座，其上裝有關節(jié)1的電機，電機驅(qū)動兩級直齒圓柱齒輪，傳動路線為直齒輪-中間齒輪的大齒輪-同軸小齒輪-主齒輪，主齒輪通過管形連接軸驅(qū)動立柱實現(xiàn)腰部回轉(zhuǎn)運動。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（1）基座PUMA機器人的基座結(jié)構(gòu)機器人的臂部又稱機器人手臂，是機器人執(zhí)行機構(gòu)的重要部件。在六自由度關節(jié)機器人中，多由大臂和小臂一起構(gòu)成機器人的臂部，它的作用是支撐腕部和手部，并將抓取的工件運送到指定位置。機器人的臂部主要包括臂桿以及與其運動有關的構(gòu)件，包括驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、導向定位裝置、支撐連接和位置檢測元件等。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、臂力和定位精度都直接影響機器人的工作性能。根據(jù)運動坐標系的不同，臂部可能會有伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰、升降等不同的運動形式。臂部的結(jié)構(gòu)必須根據(jù)機器人的運動形式、動作自由度、運動精度等因素來確定。此外機器人手臂設計時還要考慮手臂的受力情況、油氣缸及導向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（2）臂部①剛度高：為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，應合理選擇手臂的截面形狀。弓字形截面的彎曲剛度一般比圓截面大，空心管兒的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實心軸大得多，所以常用鋼管制作臂桿及導向桿，用弓字鋼和槽鋼制作支撐板。②導向性能好：為防止手臂在直線運動過程中沿運動軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，應設置導向裝置或設計方形花鍵等形式的臂桿。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（2）臂部1）臂部的設計要求③質(zhì)量輕：為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的質(zhì)量，并減少整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。機器人手臂在攜帶工具或抓取工件進行作業(yè)的過程中，所受動靜載荷以及被夾持物體及手部、腕部等機構(gòu)的重量均作用在手臂上，所以臂部應盡可能結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，所以一般選擇高強度輕質(zhì)材料。④精度高：由于臂部運動速度越高，慣性力引起的沖擊越大，運動不平穩(wěn)則定位精度不高。因此臂部設計還要采用一定形式的緩沖措施和定位裝置來提高定位精度。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（2）臂部1）臂部的設計要求目前有很多工業(yè)機器人的臂部采用圖示的結(jié)構(gòu)，肩關節(jié)和肘關節(jié)的電機、減速器均集成在關節(jié)模組中，驅(qū)動大臂和小臂完成俯仰運動。但減速器價格比較貴，所以有時也會選擇自己設計傳動系統(tǒng)，下面仍以PUMA262為例介紹臂部的典型結(jié)構(gòu)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)如圖，肩關節(jié)的傳動分為三級。肩關節(jié)伺服電機輸出軸通過柔性連軸器與一圓錐小齒輪相連接，小齒輪驅(qū)動圓錐大齒輪旋轉(zhuǎn)，這是第一級傳動；與圓錐大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動圓柱大齒輪，這是第二級傳動；與圓柱大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動第二個圓柱大齒輪，這是第三級傳動。該圓柱大齒輪最終帶動肩關節(jié)轉(zhuǎn)動。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)肘關節(jié)的傳動也分為三級。肘關節(jié)伺服電機輸出軸通過柔性連軸器遠距離傳動到與另一柔性連軸器相連的圓錐小齒輪，該小齒輪驅(qū)動圓錐大齒輪旋轉(zhuǎn)，這是第一級傳動；與圓錐大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動圓柱大齒輪，這是第二級傳動；與圓柱大齒輪同軸的圓柱小齒輪驅(qū)動第二個圓柱大齒輪，這是第三級傳動。該圓柱大齒輪最終帶動肘關節(jié)轉(zhuǎn)動。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)小臂內(nèi)部裝有三個電機及其傳動系統(tǒng)，從而驅(qū)動手腕的三個軸轉(zhuǎn)動，下一小節(jié)會詳細介紹。在一些大型重載機器人中，臂部常采用液壓驅(qū)動。比如圓柱坐標型機器人的臂部回轉(zhuǎn)運動采用液壓馬達驅(qū)動蝸輪蝸桿來完成，升降運動采用油缸活塞驅(qū)動。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（2）臂部2）臂部的典型結(jié)構(gòu)腕部是手臂和手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。機器人腕部的自由度主要用于實現(xiàn)期望的手部姿態(tài)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部1）腕部的設計要求①結(jié)構(gòu)應盡量緊湊、質(zhì)量小、強度剛度高。腕部的自由度數(shù)目較多，且要求的驅(qū)動力較大，故其結(jié)構(gòu)設計要求較高。因為腕部的每一個自由度都配有一套驅(qū)動件和執(zhí)行件，所以腕部必須較小的空間內(nèi)同時容納幾套元件，難度較大。由于手腕處在開式連桿系末端的特殊位置，它的尺寸和質(zhì)量對機器人的動態(tài)性能和使用性能影響很大，為了提高作業(yè)速度和精度，必須要求腕部結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小，并具有比較高的強度和剛度。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部1）腕部的設計要求②適應工作環(huán)境要求。如果用于高溫作業(yè)或腐蝕性介質(zhì)中，設計必須充分考慮環(huán)境對手腕的不良影響，并預先采取相應的措施，以保證其具有良好的工作性能和較長的使用壽命。③要綜合考慮各方面要求，合理布局手腕。如考慮腕部與手部、臂部的連接結(jié)構(gòu)，管線布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能繞X、Y、Z三個坐標軸轉(zhuǎn)動，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)3個自由度。這與人類手腕的運動十分相似。人類手腕可以繞小臂軸線旋轉(zhuǎn)，機器人的腕部可以繞Z軸回轉(zhuǎn)，稱為Roll，用R表示，如圖（a）所示；人類手腕可以上下轉(zhuǎn)動，機器人腕部也可以繞Y軸做俯仰運動，稱為Pitch，用P表示，如圖（b）所示；人類手腕還可以左右擺動，機器人腕部也可繞X軸偏轉(zhuǎn)，稱為Yaw，用Y表示，如圖（c）所示。當然，機器人腕部也可能沿直線運動，稱為Translate，用T表示。（a）回轉(zhuǎn)自由度

（b）俯仰自由度（c）偏轉(zhuǎn)自由度（d）RPY三個自由度2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式工業(yè)機器人的手腕可以有一個自由度，二個自由度或者三個自由度，最常見的是擁有三個旋轉(zhuǎn)運動，即RPY三個自由度，如圖（d）所示。（a）回轉(zhuǎn)自由度

（b）俯仰自由度（c）偏轉(zhuǎn)自由度（d）RPY三個自由度2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式單自由度手腕可以由不同類型的關節(jié)組成，R關節(jié)和B關節(jié)是常見的兩種關節(jié)類型。R關節(jié)（rolljoint）又稱R型軸或回轉(zhuǎn)軸，指能夠在四個象限內(nèi)進行360度或接近360度回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。如圖（a）所示，R型軸的回轉(zhuǎn)中心與其自身的幾何回轉(zhuǎn)中心重合。B關節(jié)（bendjoint）又稱B型軸或擺動軸，如圖（b）所示，因結(jié)構(gòu)的限制，B型軸只能在三個象限內(nèi)進行270度以下的轉(zhuǎn)動。（a）R型軸

（b）B型軸

2種單自由度手腕2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式二自由度手腕可以是由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)組成的BR手腕，如圖（a）所示；也可以是由兩個B關節(jié)組成的BB手腕，如圖（b）所示；但是不能由兩個RR關節(jié)組成RR手腕，因為兩個R關節(jié)共軸線，實際只構(gòu)成單自由度手腕，如圖（c）所示。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。(a)BR型（常用）

（b）BB型

（c）RR型（不可）3種二自由度手腕的結(jié)合方式示意圖2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式由R和B兩種關節(jié)組成的6種三自由度手腕。（a）BBR型

（b）BRR型

（c）RBR型（d）BRB型

（e）RBB型

（f）RRR型2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式圖為RRR型手腕的典型結(jié)構(gòu)，它使用了3組錐齒輪傳動，3個回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動范圍均不受限，且結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈活，可以最大限度地改變機器人的姿態(tài)。但是從圖中可以看出，三個回轉(zhuǎn)軸的中心線互不垂直，增加了控制的難度，因此在通用機器人中較少使用這種類型的手腕結(jié)構(gòu)。RRR型手腕結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式BBR或BRR結(jié)構(gòu)的手腕操作簡單且控制容易，應用較為普遍。圖為BBR結(jié)構(gòu)，通常其第一個B型軸執(zhí)行俯仰動作，第二個B型軸執(zhí)行偏轉(zhuǎn)動作，最后一個R軸執(zhí)行回轉(zhuǎn)動作。但是這種結(jié)構(gòu)的手腕外形通常較大，結(jié)構(gòu)相對松散，因此多用于大型、重載的機器人。在機器人作業(yè)要求固定時，BBR結(jié)構(gòu)的手腕經(jīng)常被簡化為BR結(jié)構(gòu)的二自由度手腕BBR型手腕結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式圖示的RBR結(jié)構(gòu)的手腕是工業(yè)機器人最為常用的手腕結(jié)構(gòu)。RBR型手腕結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式驅(qū)動形式機器人手腕的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動和遠程驅(qū)動兩種。直接驅(qū)動指驅(qū)動器安裝在手腕運動關節(jié)的附近，優(yōu)點是傳動路線短，傳動剛度好，缺點是腕部尺寸和質(zhì)量大、轉(zhuǎn)動慣量大?，F(xiàn)在比較流行的做法是將電機與減速器集成為結(jié)構(gòu)緊湊且輕便的關節(jié)模組來完成腕部的直接驅(qū)動。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式遠程驅(qū)動指驅(qū)動器安裝在機器人的小臂遠端，通過連桿、鏈條或其他傳動機構(gòu)間接驅(qū)動腕部。遠程驅(qū)動的優(yōu)點是腕部結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量小，缺點是傳動設計復雜，傳動剛度低。PUMA機器人的腕部就屬于遠程驅(qū)動的形式，該機器人的手腕為RBR型。（a）關節(jié)4和關節(jié)5的傳動機構(gòu)

（b）關節(jié)6的傳動機構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式關節(jié)4采用兩級齒輪傳動，第一級為直齒輪傳動，運動經(jīng)驅(qū)動軸和聯(lián)軸器傳遞到第二級直齒輪，并帶動關節(jié)4旋轉(zhuǎn)。關節(jié)5也采用兩級齒輪傳動，電機通過聯(lián)軸器帶動驅(qū)動軸將運動傳遞到第一級直齒輪傳動機構(gòu)，再到第二級錐齒輪傳動，減速的同時改變轉(zhuǎn)動軸的方向，從而驅(qū)動關節(jié)5旋轉(zhuǎn)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)（3）腕部2）腕部的結(jié)構(gòu)形式關節(jié)6采用三級齒輪傳動，電機通過聯(lián)軸器和驅(qū)動軸將運動傳遞給一級錐齒輪，再通過同軸的小錐齒完成第二級錐齒輪傳動，第三級為直齒輪傳動，最終驅(qū)動關節(jié)6旋轉(zhuǎn)。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）末端執(zhí)行器是直接執(zhí)行作業(yè)的裝置，它對增強機器人的作業(yè)功能、擴大應用范圍和提高工作效率都有很大作用。機器人的末端執(zhí)行器是根據(jù)機器人的作業(yè)要求來設計的，新增一種末端執(zhí)行器意味著為機器人新增一個應用領域。末端執(zhí)行器又稱為手部、手爪、機械手等。按照用途，末端執(zhí)行器可以分為兩類，即專用末端執(zhí)行器和類人的手爪。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）機器人根據(jù)任務要求，配上專用的末端執(zhí)行器（也稱為專業(yè)工具）就能勝任不同任務。比如在通用機器人上安裝焊槍，就成為焊接機器人；安裝擰螺母機，就成為裝配機器人；用于進行測量及檢驗作業(yè)時，機器人則需要裝上測量專用末端執(zhí)行器。常用的專業(yè)末端執(zhí)行器有焊槍、擰螺母機、電磨頭、拋光頭、電鉆削頭、激光頭、噴槍等。專用末端執(zhí)行器的常見類型根據(jù)夾持原理機械手爪吸附式手爪仿人柔性手人2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）多指靈巧手機械手爪與人手相似，是工業(yè)機器人廣為應用的一種手部形式。它一般由驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)、手指及連接與支撐元件組成。機械手爪通過開閉運動，依靠摩擦力或吊鉤承重實現(xiàn)對物體的夾持。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）①手指手指是直接與物件接觸的構(gòu)件，其張開和閉合實現(xiàn)了被夾持物體的松開和夾緊。機器人的手部通常只有兩個手指，也有三個或多個手指的情況。手指需要具有適當?shù)拈_閉范圍、足夠的握力和一定的精度，其形狀還應順應被抓取對象物的形狀。例如被抓取對象物為方形，則大多采用平面指；對象物為圓柱形，則往往采用V形指；對象不規(guī)則時，則常采用特形指。1）機械手爪手指的形狀2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材質(zhì)軟硬、表面形狀等不同，手指的指面又可分為光滑指面、齒形指面和柔性指面三種形式。光滑指面平整光滑用來夾持已加工表面，避免表面受損。齒形指面刻有齒紋，可增加它與被夾持工件間的摩擦力，確保夾持可靠。齒形指面常用來夾持表面粗糙的毛坯和半成品。柔性指面上鑲襯了橡膠、泡沫、石棉等物質(zhì)，具有增加摩擦力、保護工件表面及隔熱等作用，一般用來夾持已加工表面、熾熱件、薄壁件和脆性件。1）機械手爪2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）②驅(qū)動機構(gòu)手爪的開合通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅(qū)動。氣動手爪應用廣泛主要是因為其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、質(zhì)量輕、容易維修且開合迅速等優(yōu)點。氣動手爪的缺點在于空氣介質(zhì)存在可壓縮性，使爪鉗位置控制比較復雜。右圖展示了氣動手爪的工作原理，氣缸中的壓縮空氣推動活塞及與其連接的齒條做往復運動，齒條帶動兩個扇形齒輪轉(zhuǎn)動，進而帶動兩個平行四邊形機構(gòu)，最終使兩個爪鉗平行地快速開合。1）機械手爪

氣動手爪液壓驅(qū)動的手爪可以提供更高的驅(qū)動力，但成本要高些。電動手爪的優(yōu)點在于手指開合電動機的控制與機器人控制可以共用一個系統(tǒng)，缺點是夾緊力比液壓手爪小，而且開合時間稍長。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對傳動機構(gòu)有運動和夾緊力兩方面的要求。1）機械手爪圖（a）是齒輪齒條直接傳動的手爪，驅(qū)動機構(gòu)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)并推動齒條做直線往復運動，從而實現(xiàn)手指的松開和閉合。這種手爪可保持爪鉗平行運動，且行程范圍大。對夾緊力要求是，爪鉗開合度不同時夾緊力應保持不變。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對傳動機構(gòu)有運動和夾緊力兩方面的要求。1）機械手爪圖（b）為撥桿杠桿式手爪，滑槽向右運動時帶動右側(cè)的撥桿杠桿式轉(zhuǎn)動，與此同時，與右側(cè)杠桿轉(zhuǎn)軸同軸的齒輪隨其轉(zhuǎn)動，并帶動左側(cè)齒輪轉(zhuǎn)動。因此左右兩個手爪均朝夾緊工件的方向運動，完成夾緊。當滑槽帶動撥桿反方向運動時，手爪則會松開工件。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對傳動機構(gòu)有運動和夾緊力兩方面的要求。1）機械手爪圖（c）為滑槽式手爪，杠桿型手指的一端裝有V型指，另一端則開有長滑槽。驅(qū)動桿上的圓柱銷套在兩指的滑槽內(nèi)，當驅(qū)動桿帶動圓柱銷做往復運動時，即可撥動兩個手指各繞其支點做相對回轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)手指的夾緊與松開動作。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）③傳動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動力通過傳動機構(gòu)驅(qū)爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力，對傳動機構(gòu)有運動和夾緊力兩方面的要求。1）機械手爪圖（d）所示為重力式手爪，它依靠重力使手爪下降，實現(xiàn)對工件的夾持。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）④機械手爪設計要求1）機械手爪a.應具有足夠的夾緊力。機器人的手部靠鉗爪夾緊工件，并把工件從一個位置移動到另一個位置?？紤]到工件本身的重力以及搬運過程中產(chǎn)生的慣性力和振動等，鉗爪必須具有足夠大的加緊力才能防止工件在移動過程中脫落。一般要求夾緊力是工件重量的兩到三倍。手爪的結(jié)構(gòu)形式不同，夾緊力的計算方法也不同。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）④機械手爪設計要求1）機械手爪b.應具有足夠大的工作范圍。鉗爪必須具有足夠的張開角或移動范圍來適應不同尺寸的工件，而且夾持工件的中心位置變化要小，從而減小定位誤差。c.應能保證工件的可靠定位。為了使工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)工件的形狀采用相應的手指形狀來定位，如圓柱形工件多采用V形手指，以便自動定心。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）④機械手爪設計要求1）機械手爪d.應具有足夠的強度和剛度。手爪除受到被夾持工件的反作用力外，還受機器人手部在運動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響。因此，對于受力較大的手爪應進行必要的強度、剛度校核。e.應盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小。這是因為手部處于腕部的最前端，其質(zhì)量和慣性負荷會直接影響機器人的任務達成度。根據(jù)夾持原理機械手爪吸附式手爪仿人柔性手人2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）多指靈巧手吸附類末端執(zhí)行器靠吸附力取料，應用十分廣泛。比如，對于大平面的工件，玻璃、陶瓷等易碎品，電子元器件或藥品等尺寸很小的物品，用機械手爪抓取不太方便，比較適合用吸附類末端執(zhí)行器。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪吸附類末端執(zhí)行器有氣吸式和磁吸式吸盤兩類。氣吸式手爪是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差工作的。按照形成壓力差的方法不同，可以分為擠壓排氣式、氣流負壓式和真空式三種。與機械手爪相比，氣吸式手爪具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、吸附力均勻等優(yōu)點，對于薄片狀物體的搬運更具優(yōu)越性。使用氣吸式手爪要求工件與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，要求被吸工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。如果工件表面不夠平整或者有孔、隙等結(jié)構(gòu)，則可以考慮磁吸式手爪。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪①擠壓排氣吸盤擠壓排氣式吸盤如圖所示。取料時，先將吸盤壓向工件物體擠出吸盤內(nèi)腔空氣，再提起吸盤形成負壓吸起工件；需要釋放時，可用碰撞力或電磁力作用于壓蓋上部，壓蓋則繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，壓蓋下部打開使得吸盤內(nèi)腔與大氣連通，破壞負壓釋放工件。擠壓排氣式吸盤結(jié)構(gòu)簡單，不需要壓縮空氣氣源，經(jīng)濟方便。但要防止漏氣，不宜長期停頓，可靠性不如真空吸盤和氣流負壓吸盤。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪②氣流負壓吸盤氣流負壓吸盤如圖所示，吸盤吸力在理論上取決于吸盤與工件表面的接觸面積和吸盤的內(nèi)外壓差。當需要取物時，壓縮空氣從進氣口經(jīng)吸盤出口高速到排氣口，利用伯努利效應，吸盤出口氣壓低于其腔內(nèi)氣壓，腔內(nèi)氣體被氣流帶走形成負壓，從而完成取物動作。需要釋放時，切斷壓縮空氣即可。這種類型的吸盤需要穩(wěn)定氣源，噴嘴出口處氣流速度很高，有嘯叫聲。工廠一般都有空壓機氣源，不需要專為機器人配置真空泵，因此氣流負壓式吸盤在工廠使用方便，成本低，應用較為廣泛。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪③真空吸盤圖（a）展示了真空吸盤的工作原理，真空負壓吸盤采用真空泵保證吸盤內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生負壓。圖（b）展示了真空吸盤的結(jié)構(gòu)，碟形橡膠吸盤通過固定盤安裝在支撐桿上，支撐桿由螺母固定在基板上。取料時，橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤邊緣既起到密封作用，又起到緩沖作用。電動機帶動真空泵抽氣，吸盤內(nèi)腔形成真空，吸取物料。放料時，在電磁閥的控制下，吸盤管路接通大氣失去負壓，物體放下。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪④磁吸式手爪磁吸式手爪有永磁式和電磁式兩種。電磁吸盤中線圈通電瞬時產(chǎn)生磁場，磁力線穿過工件、線圈鐵心和空氣間隙形成的回路產(chǎn)生磁力吸住工件；一旦斷電，磁力消失工件松開。（a）實物圖

（b）結(jié)構(gòu)示意圖電磁吸盤結(jié)構(gòu)2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）2）吸附式手爪④磁吸式手爪

電磁吸盤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，單位面積吸力較大，對被吸持工件表面光整度要求不高，對工件表面沒有損傷，可以快速吸附工件，使用壽命長。缺點是只能吸住含鐵的黑色金屬工件，對有色金屬及非金屬無效。另外由于鋼鐵等磁性物質(zhì)在高溫時磁性會消失，所以在高溫條件下不宜使用電磁吸盤。磁吸式手爪的設計，首先要求具有足夠的電磁吸力，其吸力大小由工件的質(zhì)量而定；其次電磁吸盤的形狀、大小以及吸盤的吸附面應與工件的被吸附面形狀相適應。根據(jù)夾持原理機械手爪吸附式手爪仿人柔性手人2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）多指靈巧手為了提高機器人手爪和手腕的操作能力、靈活性和快速反應能力，使機器人能像人手那樣進行各種復雜的作業(yè)，就必須設計運動更加靈活、動作更加多樣的靈活手。2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手①柔性手為了能對不同外形的物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻，研制出了柔性手。圖為多關節(jié)柔性手指手爪，每個手指由多個關節(jié)串聯(lián)而成，手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成。每個手指由兩根鋼絲繩牽引，一側(cè)為握緊，另一側(cè)為放松。驅(qū)動源可采用電機驅(qū)動或液壓氣動元件驅(qū)動。多關節(jié)柔性手指手爪2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手①柔性手圖為柔性材料制作的各種形式的柔性手爪，適合抓取各種易碎、易損的物體。柔性材料制作的各種柔性手爪2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手①柔性手隨著機器人技術的迅猛發(fā)展，對機器人手爪的要求越來越高。前面所示柔性手爪雖可抓起易損易碎物體，但其提供的精度有限且容易被污染。人們已經(jīng)開始探索非接觸式手爪的可能性。2020年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員開發(fā)出了一種無損傷和無污染的非接觸式機器人手爪，如右圖所示，通過聲波懸浮原理，該手爪可以在零接觸的情況下拾起和操縱小物體，非常適合處理高度易碎的物體或精密零件。非接觸柔性手爪2.1.4

執(zhí)行機構(gòu)(4)末端執(zhí)行器（手部）3）仿人柔性手及多指靈巧手②多指靈巧手多指靈巧手由多個手指組成，每一個手指有多個關節(jié)，每一個關節(jié)自由度都可獨立控制。如圖所示的五指靈巧手，其食指、中指、無名指和小指各有三個回轉(zhuǎn)關節(jié)，大拇指的回轉(zhuǎn)關節(jié)則有6個之多，因此，它能模仿人類手指完成各種復雜動作。多指靈巧手的應用十分廣泛，可在各種極限環(huán)境下完成人類無法實現(xiàn)的操作，如高溫、高壓、高真空環(huán)境下的作業(yè)。目錄contants2.1串聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.3移動機器人的結(jié)構(gòu)

第2章

機器人的本體結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.2.1并聯(lián)機構(gòu)2.2.2并聯(lián)機器人2.2.1并聯(lián)機構(gòu)動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)稱為并聯(lián)機構(gòu)。并聯(lián)機構(gòu)的出現(xiàn)可以回溯至20世紀30年代。1931年，Gwinnett在其專利中提出了一種基于球面并聯(lián)機構(gòu)的娛樂裝置；1940年，Pollard在其專利中提出了一種空間工業(yè)并聯(lián)機構(gòu)，用于汽車的噴漆；1962年，Gough發(fā)明了一種基于并聯(lián)機構(gòu)的六自由度輪胎檢測裝置；2.2.1并聯(lián)機構(gòu)1965年，Stewart對Gough發(fā)明的這種機構(gòu)進行了機構(gòu)學意義上的研究，如圖所示的機構(gòu)被命名為Gough-Stewart或Stewart并聯(lián)機構(gòu)，這也是應用最為廣泛的并聯(lián)機構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看，Stewart六桿并聯(lián)機構(gòu)的動平臺通過6根支桿與定平臺相連接，6根支桿都可以獨立地自由伸縮，每根支桿含有1個連接動平臺的球鉸，1個移動副和1個連接定平臺的球鉸。這樣，動平臺就可以進行六個獨立運動，即有六個自由度，動平臺在三維空間中可以作任意方向的移動以及繞任何方向、位置的軸線進行轉(zhuǎn)動。2.2.1并聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)的早期應用：并聯(lián)機構(gòu)最早用于飛行模擬器，它能完成90%的訓練任務，而所需費用僅為實際飛行的2.5%~10%，由于效益明顯，并聯(lián)在飛行模擬器中得到廣泛應用，此外還應用于6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領域。2.2.2并聯(lián)機器人將并聯(lián)機構(gòu)用于機器人的執(zhí)行機構(gòu)則產(chǎn)生了并聯(lián)機器人。1978年，澳大利亞著名機構(gòu)學教授Hunt提出將并聯(lián)機構(gòu)用于機器人手臂，由此拉開了并聯(lián)機器人研究的序幕。此后，日本、俄羅斯、意大利、德國及歐洲的各大公司相繼推出并聯(lián)機器人。我國也非常重視并聯(lián)機器人及并聯(lián)機床的研究與開發(fā)工作，1991年，燕山大學黃真教授研制出我國第一臺六自由度并聯(lián)機器人樣機；1997~1999年間，清華大學、天津大學、東北大學、哈工大等大學均成功將并聯(lián)機構(gòu)應用于數(shù)控機床。2.2.2并聯(lián)機器人與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)相比，并聯(lián)機構(gòu)的零部件數(shù)目大幅減少。并聯(lián)機構(gòu)主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而其制造和庫存?zhèn)浼杀颈认嗤δ艿拇?lián)機構(gòu)低得多，且易于組裝和模塊化。2.2.2并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人通常有二至六個自由度。ABB的三自由度移動并聯(lián)機器人Delta非常著名，其動平臺和靜平臺均為等邊三角形，兩平臺之間以三條完全相同的支鏈連接。驅(qū)動裝置安裝在定平臺之中，這樣可使定平臺部分重量輕、速度高、動態(tài)響應好。各支鏈通過轉(zhuǎn)動副與定平臺連接，這是機構(gòu)的輸入；平行四邊形機構(gòu)與動平臺及定長桿均以球面副連接，從而消除運動平臺的三個轉(zhuǎn)動自由度，只保持三個純平動自由度，因此Delta機器人只能在工作空間內(nèi)做平移。由于專利保護的限制，Delta機器人早期并沒有得到應有的推廣，直到2010年后專利保護一一終止后，才開始被世界各地的制造商爭相生產(chǎn)和開發(fā)。2.2.2并聯(lián)機器人圖示管道并聯(lián)機器人是在Stewart并聯(lián)機構(gòu)的基礎上研發(fā)的。機器人通過上、下平臺上的支撐腳交替地支撐管壁，使得機器人的上、下平臺交替地作為動、靜平臺，再通過驅(qū)動桿驅(qū)動機器人在狹窄的管道中向前蠕動前行。（a）結(jié)構(gòu)圖

（b）通過彎道的過程

管道并聯(lián)機器人

2.2.2并聯(lián)機器人除了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，并聯(lián)機構(gòu)在實際應用中還有串聯(lián)機構(gòu)不可比擬的其他優(yōu)勢。①剛度質(zhì)量比大。因采用并聯(lián)閉環(huán)桿系，桿系理論上只承受拉、壓載荷，是典型的二力桿，并且多桿受力，使得傳動機構(gòu)具有很高的承載強度。②動態(tài)性能優(yōu)越。運動部件質(zhì)量輕慣性低，可有效改善伺服控制器的動態(tài)性能，使動平臺獲得很高的響應速度。2.2.2并聯(lián)機器人③運動精度高。這是與傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)相比而言的，傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)的加工誤差使各個關節(jié)的誤差積累，而并聯(lián)機構(gòu)各個關節(jié)的誤差可以相互抵消、相互彌補。④多功能靈活性強?？蓸?gòu)成形式多樣的布局和自由度組合，在動平臺上安裝刀具進行多坐標銑、磨、鉆、特種曲面加工等，也可安裝夾具進行復雜的空間裝配，適應性強，是柔性化的理想機構(gòu)。⑤使用壽命長。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運動部件磨損小，且沒有導軌，不會發(fā)生劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。2.2.2并聯(lián)機器人根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)的特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無需很大工作空間的領域內(nèi)得到廣泛應用，比如飛機、潛艇、坦克駕駛運動模擬器、空間飛行器的對接裝置、并聯(lián)機床、生物醫(yī)學工程中的細胞微操作機器人、大型射電天文望遠鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置等。2.2.2并聯(lián)機器人缺點：并聯(lián)機器人的主要缺點是運動空間較小，而串并混聯(lián)機器人則彌補了并聯(lián)機構(gòu)的不足，它既有質(zhì)量輕、剛度大、精度高的特點，又增大了機構(gòu)的工作空間，因此具有很好的應用前景。串并混聯(lián)機器人目錄contants2.1串聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.2并聯(lián)機器人的結(jié)構(gòu)2.3移動機器人的結(jié)構(gòu)

第2章

機器人的本體結(jié)構(gòu)2.3移動機器人的結(jié)構(gòu)2.3.1車輪式移動機器人2.3.2履帶式移動機器人2.3.3步行機器人2.3移動機器人的結(jié)構(gòu)前面兩節(jié)介紹的串聯(lián)和并聯(lián)機器人中的大部分屬于固定式機器人。然而在倉儲物流、農(nóng)業(yè)園藝、醫(yī)療保健、建筑地產(chǎn)以及制造業(yè)中，往往需要機器人可以自由移動，而且不同的環(huán)境對機器人移動機構(gòu)提出了不同的需求。在平坦的地面上，普通的車輪即可實現(xiàn)移動功能；在崎嶇不平的山路上，就需要特殊的移動機構(gòu)。目前常見的機器人移動機構(gòu)主要分為車輪式、履帶式和步行式。2.3.1車輪式移動機器人車輪式移動機構(gòu)具有移動平穩(wěn)、能耗小以及速度和方向容易控制移動等優(yōu)點，因此得到了廣泛的應用。圖為用于排爆和巡檢的車輪式移動機器人。（a）6輪排爆機器人（b）4輪巡檢機器人車輪式移動機器人2.3.1車輪式移動機器人車輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運行的車輪大多是實心鋼輪，在室外路面行駛的車輪大多是充氣輪胎，在室內(nèi)平坦地面行駛的車輪大多是實心輪胎。車輪式移動機構(gòu)依據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪以及多輪機構(gòu)。1輪、2輪移動機構(gòu)在實現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問題。3輪移動機構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，要解決的主要問題是移動方向和速度控制，代表性的車輪配置方式是一個前輪、兩個后輪。4輪機構(gòu)行走的穩(wěn)定性更高，但是要保證4個輪子同時和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。在實際系統(tǒng)中采用何種車輪以及車輪的數(shù)量取決于地面的性質(zhì)、車輛的承載要求及具體的任務。2.3.2履帶式移動機器人履帶最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行駛。由于履帶支承面積大，接地比壓小，適合在松軟或泥濘場地進行作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小。履帶機構(gòu)的越野機動性好，可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階，其爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式行走機構(gòu)。此外，履帶支承面上有履齒不易打滑，牽引附著性能好，可發(fā)揮較大的牽引力。缺點是履帶結(jié)構(gòu)復雜，質(zhì)量大且減震性能差。2.3.2履帶式移動機器人圖示移動機器人采用雙重履帶式可轉(zhuǎn)向行走機構(gòu)，其主體前后裝有轉(zhuǎn)向器，并裝有使轉(zhuǎn)向器繞圖中的AA′軸旋轉(zhuǎn)的提起機構(gòu)，所以該機構(gòu)上下臺階非常順利，還能在斜面上保持主體水平。雙重履帶式機器人2.3.2履帶式移動機器人圖為形狀可變的履帶式機構(gòu)。隨著主臂桿和曲柄的搖擺，整個履帶可以隨意變成各種類型的三角形形態(tài)，即其履帶形狀可以根據(jù)障礙物的形狀、大小主動做出改變，從而使機器人更加自如上下樓梯或越過障礙物。形狀可變式履帶機構(gòu)2.3.2履帶式移動機器人圖為用于處理爆炸可疑物的履帶式排爆機器人，它采用了位置可