第02章 机器人的基本结构原理

　　第02章 机器人的基本结构原理_工学_高等教育_教育专区。教案首页 课程名称 农业机器人 任课教师 李玉柱 第 2 章 机器人的基本结构原理 计划学时 3 教学目的和要求： 1. 弄清机器人的基本构成； 2. 了解机器人的主要技术参数； 3.

　　教案首页 课程名称 农业机器人 任课教师 李玉柱 第 2 章 机器人的基本结构原理 计划学时 3 教学目的和要求： 1. 弄清机器人的基本构成； 2. 了解机器人的主要技术参数； 3. 了解机器人的手部、腕部和臂部结构； 4. 了解机器人的机身结构； 5. 了解机器人的行走机构 重点： 1. 掌握机器人的基本构成 2. 弄清机器人都有哪些主要技术参数 3. 机器人的手部、腕部和臂部结构 难点： 机器人的手部、腕部和臂部结构 思考题： 1. 机器人由哪些部分组成？ 2. 机器人的主要技术参数有哪些？ 3. 机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能 否有类型的行走机构？ 1 第2章 概 论 教学主要内容： 2.1 机器人的基本构成 2.2 机器人的主要技术参数 2.3 人的手臂作用机能初步分析 2.4 机器人的机械结构构成 2.5 机器人的手部 2.6 机器人的手臂 2.7 机器人的机身 2.8 机器人的行走机构 本章介绍了机器人的基本构成、主要技术参数，人手臂 作用机能，在此基础上对机器人的手部、手腕、手部、。机 身、行走机构等原理及相关的结构设计进行讨论，使学生对 机器人的机构和原理有较为清楚的了解。 2.1 机器人的基本构成 简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、 思维方式和控制决策能力。 不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同， 通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。 这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是 驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人环境交互系统、控制系统等。如图 2-1 所示。 2 传 感 部 分 感 知 系 统 人机交互系统 控 制 部 控制系统 分 驱动系统 机 械 部 机械系统 分 机器人—环境交互系统 图 2-1 机器人的基本构成 ? 机．械．系．统． 是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体， 形成开环运动学链系。连杆类似于人类的小臂、大臂等。 关节通常分为转动关节和移动关节，移动关节允许连杆 做直线移动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。 由关节-连杆结构所构成的机械结构一般有 3 个主要部 件，即手、腕、臂，它们可在规定的范围上运动。 ? 驱．动．系．统． 是使各种机械部件产生运动的装置。常规的驱 动系统有气动传动、液压传动或电动传动，它们可以直 接地与臂、腕或手上的机械连杆或关节连接在一起，也 可以使用齿轮、带、链条等机械传动机构间接传动。 3 ? 感．知．系．统． 由一个或多个传感器组成，用来获取内部和外 部环境中的有用信息，通过这些信息确定机械部件各部 分的运行轨迹、速度、位置和外部环境状态，使机械部 件的各部分按预定程序或者工作需要进行动作。传感器 的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。 ? 控．制．系．统． 其任务是根据机器人的作业指令程序以及从 传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规 定的运动和功能。若机器人不具备信息反馈特征，则为 开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系 统。根据控制原理，控制系统又可分为程序控制系统、 适应性控制系统和人工控制系统。根据控制运动的形式， 控制系统还可分为点位控制和规矩控制。 ? 机．器．人．-．环．境．交．互．系．统． 是实现机器人与外部环境中的设 备相互联系和协调的系统。机器人可与外部设备集成为 一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元，也可以是 多台机器人或设备集成为一个复杂任务的功能单元。 ? 人．机．交．互．系．统． 是使操作人员参与机器人控制并与机器 人进行连续的装置。例如计算机的标准终端、指令控制 台、信息显示板及危险信号报警器等。归纳起来人机交 互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。 4 机器人作为一个系统，它由如下部件构成： 机械手或移动车 这是机器人的主体部分，由连杆，活 动关节以及结构部件构成，使机器人达到空间的某一位 置。如果没有部件，仅机械手本身并不是机器人。（相 当于人的身体或手臂） 末端执行器 连接在机械手最后一个关节上的部件，它 一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务，机 器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他 们只提供一个简单的抓持器。（相当于人的手） 末端执行器安装在机器人上以完成给定环境中的任务，如焊 接，喷漆，涂胶以及零件装卸等就是少数几个可能需要机器 人来完成的任务。通常，末端执行器的动作由机器人 直接控制，或将机器人的信号传至末端执行器自身的 控制装置（如 PLC） 驱动器 驱动器是机械手的“肌肉”。常见的驱动器有伺 服电机，步进电机，气缸及液压缸等，也还有一些用于某些 特殊场合的新型驱动器，它们将在第 6 章进行讨论。驱动器 受的控制。 传感器 传感器用来收集机器人内部状态的信息或用来 与外部环境进行通信。机器人需要知道每个连杆的位 置才能知道机器人的总体构型。人即使在完全黑暗中也会知 道胳膊和腿在哪里，这是因为肌腱内的中枢神经系统中的神 5 经传感器将信息反馈给了人的大脑。大脑利用这些信息来测 定肌肉伸缩程度进而确定胳膊和腿的状态。对于机器人，集 成在机器人内的传感器将每一个关节和连杆的信息发送给 ，于是就能决定机器人的构型。机器人常配有 许多外部传感器，例如视觉系统，触觉传感器，语言合成器 等，以使机器人能与外界进行通信。 机器人从计算机获取数据，控制驱动器 的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。假如 要机器人从箱柜里取出一个零件，它的第一个关节角度必须 为 35°，如果第一关节尚未达到这一角度，就会发出 一个信号到驱动器（输送电流到电动机），使驱动器运动， 然后通过关节上的反馈传感器（电位器或编码器等）测量关 节角度的变化，当关节达到预定角度时，停止发送控制信号。 对于更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控 制。机器人与人的小脑十分相似，虽然小脑的功能没 有人的大脑功能强大，但它却控制着人的运动。 处理器 处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节 的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速 度和位置，并且监督与传感器协调动作。处理器通常 就是一台计算机（专用）。它也需要拥有操作系统，程序和 像监视器那样的外部设备等。 软件 用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系 6 统，用来操作计算机。第二块是机器人软件，它根据机器人 运动方程计算每一个关节的动作，然后将这些信息传送到控 制器，这种软件有多种级别，从机器语言到现代机器人使用 的高级语言不等。第三块是例行程序集合和应用程序，它们 是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉通用程序）， 或者是为了执行特定任务而开发的。 在许多系统中，和处理器放置在同一单元中。虽 然这两部分放在同一装置盒内甚至集成在同一电路中，但他 们有各自的功能。 2.2 机器人主要技术参数 由于机器人的结构、用途和用户要求的不同，机器人的 技术参数也不同。一般来说，机器人的技术参数主要包括自 由度、工作范围、工作速度、承载能力、精度、驱动方式、 7 控制方式等。 ? 自．由．度． 机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标 轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的 开合自由度。自由度表示了机器人动作灵活的尺度。 机．器．人．的．自．由．度．越．多．，．越．接．近．人．手．的．动．作．机．能．，．其． 通．用．性．越．好．；．但．是．自．由．度．越．多．结．构．也．越．复．杂．。． 图 2-2 三自由度机器人 图 2-3 六自由度机器人 ? 工．作．范．围． 机器人的工作范围是指机器人手臂或手部安 装点所能达到的空间区域。因为手部末端操作器的尺寸 和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数， 这里指不安装末端操作器时的工作区域。机器人工作范 8 围的形状和大小十分重要，机器人在执行作业时可能会 因为存在手部不能达到的作业死区而无法完成工作任 务。机器人所具有的自由度数目机器组合决定其运动图 形；而自由度的变化量（即直线运动的距离和回转角度 的大小）则决定着运动图形的大小。 ? 工．作．速．度． 指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程 中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的 距离或转动的角度。产品说明书中一般提供了主要运动 自由度的最大稳定速度，但是在实际应用中仅考虑最大 稳定速度是不够的。这是因为运动循环包括加速启动、 等速运行和减速制动三个过程。如果最大稳定速度高允 许的极限加速度小，则加减速的时间就会长一些，即有 效速度就要低一些。所以，在考虑机器人运动特性时， 除了要注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加 减速度。 ? 承．载．能．力． 指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承 受的最大负载，通常可以用质量、力矩、惯性矩来表示。 承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运行 的速度和加速度的大小和方向有关。一般低速运行时， 承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓起 的工件质量作为承载能力指标。 9 图 2-4 排爆机器人 ? 定．位．精．度．、．重．复．精．度．和．分．辨．率． 定．位．精．度．是指机器人手部 实际到达位置与目标位置之间的差异。如果机器人重复 执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而 是 在 一 平 均 值 附 近 变 化 ， 变 化 的 幅 度 代 表 重．复．精．度．。 分．辨．率．是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最 小转动角度。定位精度、重复精度和分辨率并不一定相 关，它们是根据机器人使用要求设计确定的，取决于机 器人的机械精度与电气精度。 ? 驱．动．方．式． 是指机器人的动力源形式，主要有液压驱动、 气压驱动和电力驱动等方式。 ? 控．制．方．式． 指机器人用于控制轴的方式，目前主要分为伺 服控制和非伺服控制。 2.3 人的手臂作用机能初步分析 人的上肢大体上可以分为大臂、小臂、手部三大部分。 大臂通过肩关节与躯干相连接，小臂与手之间通过腕关节相 10 连接。手部由手掌与五个手指构成。从工程学的角度出发， 将臂部从肩关节起到手腕关节的活动机能用自由度加以描 述，则每个可看作缸体的部分，在空间都有沿 x、y、z 轴的 三个移动自由度，以及绕 x、y、z 轴的三个转动自由度。 人手共有 27 个自由度。 图 2-5 人臂的自由度 图 2-6 人手的自由度 人的手指通过关节的屈伸，可以进行种种的复杂动作。 尤其是大拇指与其他四指不同，它除了有与其他四指相同的 屈伸功能外，还具有内外转动的机能，以及与其他四个指对 向的机能，这种对向动作，大大提高了手的把握机能。从机 构学的角度，将日常生活中常见手的握持动作大致可以区 分。 在考虑机械手的把握机能时，除必须考虑机械手自身的 机构和机构外，还必须对对象物及环境等进行分析。作为机 械手自身，存在手指的大小、形状、根数、手指接触表面的 11 状态与手指的配置情况问题。同时，还存在一个为充分发挥 其作用，全体所具有的自由度数问题。 对象物的条件请参见表 2-1 ，P13 对于有条件约束的机械手，在确定手指所需握力时还应 考虑由于惯性与振动的影响而产生的附加力。 如果在机械手上再加上感知性传感元件，感知到手指表 面是否接触到对象物，抓着对象物时的强弱，以及被加在手 上的外力大小，手指的开闭程度等，就成了具有智能的高级 机械手。 2.4 机器人机械结构组成 通常机器人由手部、手腕、手臂。机身和行走机构组成。 ? 手部 机器人为了进行作业，通常在手腕上配置的操作机 构，也称末端操作器。其主要作用是抓取物体，对其进 行相关操作。 ? 手腕 连接手部和手臂的部件，主要作用是改变手部的空 间方向和将作业载荷传到手臂。它有独立的自由度，以 使机器人的手能满足复杂的动作要求。 ? 手臂 连接机身和手腕的部分，主要作用是把被抓取的工 件运送到给定的位置，并将各种载荷传递到机座。 ? 机身 它是机器人的基础部分，起支承作用。固定式机器 人的机身直接连在地面或者平台上，移动式机器人的机 身安装在移动机构上。 12 ? 移动机构 移动机器人需要移动机构，它能根据工作任务 的要求，带动机器人在一定范围空间内运动。 机器人的手部是最重要的执行机构，可分为：工业机器人的 手部和仿人机器人的手部。 工业机器人的手部 2.4.1 夹钳式手部 它一般由手指和驱动装置、传动机构和承接支架组成， 能通过手抓的开闭动作实现对物件的夹持。 图 2-8 夹钳式手部 1-手指； 2，4-传动机构 3-驱动装置；5-工件 1. 手指 手指是直接与物件接触的构件。手指的张开和闭合实现 13 了松开和加紧物件。通常机器人的手部只有两个手指，也有 三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形 状和特性。 把持机能良好的机械手，除手指具有适当的开闭范围、 足够的握力与相应的精度外，其手指的形状应顺应被抓取对 象物的形状。例如，对象物若为圆柱形，则往往采样 V 形手 指，如图 2-9（a）所示；对象物为方形，则大多采用平面形 手指，如图 2-9（b）所示；用于夹持小型或柔性工件的尖指， 如图 2-9（c）所示；适用于形状不规则工件的专用特形指， 如图 2-9（d）所示。 图 2-9 夹钳式手的指端 根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表面性 质等的不同，主要有光滑指面、齿型指面和柔性指面三种形 式。 光滑指面 其指面平整光滑，用来夹持已加工表面，避 14 免已加工的光滑表面受损伤。 齿型指面 其指面刻有齿纹，可增加与被夹持工件间的 摩擦力，以确保夹紧可靠，多用来夹持表面粗糙的毛坯和半 成品。 柔性指面 其镶衬了橡胶、泡沫、石棉等物，有增加摩 擦力、保护工件表面、隔热等作用。一般用来夹持已加工表 面、炽热件，也适于夹持薄壁件和脆性工件。 2. 传动机构 传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开 动作的机构。根据手指开合的特点可分为回转型和平移型。 回转型传动机构 其手部的手指是一对杠杆，再同斜楔、 滑槽、连杆、齿轮、涡轮蜗杆或螺杆等机构组成符合杠杆传 动机构，以改变传力比、传动比及运动方向等。 15 16 平移型传动机构 它是通过手指的指面做直线往复运 动，或平面移动实现张开与闭合动作的。常用于夹持具有平 行平面的工件，因其结构比较复杂，不如回转型应用广泛。 二、吸附式手部 吸附式手部依靠吸附力取料，根据吸附力不同可分为气 17 吸附和磁吸附两种形式。吸附式手部适应于抓取大平面、易 碎、微小的物体。 1.气吸式手部 是机器人常用的一种吸持对象的装置， 是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。 可分为 真空吸附、气流负压吸附和挤压排气式吸附等。 2. 磁吸式手部 利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力 来吸附对象，与气吸式手部相同，磁吸式手部不会破坏被吸 对象的表面质量。 18 2.4.2 仿人机器人的手部 一、柔性手 为了能对不同外形的物体实施抓取，并使物体表面受力比较 均匀，一次研制出了柔性手。 二 多指灵巧手 多指灵巧手由多个手指组成，每一个手指有三个回转关 节，每一个关节自由度都是独立控制的。图 2-22 为哈尔滨 19 工业大学和德国宇航中基于 DLRII 灵巧手合作开发的具有多 种传感功能的新一代机器人 HIT/DLR 灵巧手，有 4 个相同结 构的模块化手指、13 个自由度，具有位置、温度等多种传感 器。 2.4.3 机械手驱动力学计算【选讲内容】 1.夹紧力的计算 手指握紧工件时所需要的力称为握力（即夹紧力），握 力的大小与被夹持工件的重量、重心位置以及夹持工件的方 位有关。 图 2-23 夹持悬伸工件时的受力分析 设夹紧力 N 位于手指与工件接触面的对称面内，两力大 20 小相等，方向相反。工件重 G，重心在 C 点，由于重力作用 线与手指夹持工件时的对称平面不重合，因此，手指附加承 受工件的悬伸偏重力矩为 GL。设在偏重力矩的作用下，工件 对手指的反作用力按三角形分布。为防止工件下移，下指对 工件产生的反作用力 R1=G，为防止工件转动，上下指对工件 产生一力矩 2R2H/6=GL。其中 R2 为手指对工件的反作用力的 合力。 对 O1 点取矩： ?mO1(F) ? 0 对 O2 点取矩： Nb ? R2 (b ? H 6 ) ?mO2 (F) ? 0 二试相加整理得： Nb ? R1b ? R2 (b ? H 6 ) N ? G(3L H ? 1) 2 ? K3G K3 称为方位系数，它与手指和工件的形状以及手指夹持 工件时的方位有关。 2.驱动力的计算 当工件重量，手指指形，工件的形状和夹持的方位确定 后，即可查看教材 P21 表 2-2 的握力计算公式，可求出驱动 力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力，振动 以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 Ps 应按下式计 算。 Ps≥P K1K ? 2 21 式中 P—驱动力，N； η —手部的机械效率，一般取 0.85~0.95； K1—安全系数，一般取 1.2~2； K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2 可由下式估计，K2=1+α /g α —被抓取工件运动时的最大加速度； g— 重力加速度。 握力与驱动力 P 的关系，取决于传力机构的结构形式及 尺寸等。 22 2.5 机器人的手腕 机器人手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调节 或改变工件的方位，因而具有独立的自由度，以使机器人手 部满足复杂的动作要求。 手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕 和三自由度手腕。 1. 单自由度手腕 如图 2-27 所示，图 2-27（a）是一种翻转 （Roll）关节，它将手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形 式。这种 R 关节旋转角度大，可达到 360°以上。图 2-27（b）、 （c）是一种折曲（Bend）关节，关节轴线与前后两个连接 件的轴线相垂直。这种 B 关节因为受到结构上的干涉，旋转 23 角度小，大大限制了方向角。图 2-27（d）是一种移动（Move） 关节。 2. 二自由度手腕 二自由度手腕可以由一个 R 关节和一个 B 关节组成 BR 手腕，，如图 2-28（a）所示。也可以由两个 B 关节组成 BB 手腕，如图 2-28（b）但是，不能由两个 RR 关节组成 RR 手腕，因为两个 R 共线，所以退化了一个自由 度，实际只构成了一个单自由度手腕。 3. 三自由度手腕 它可以由 B 关节和 R 关节组成多种形式。 图 2-29（a）所示是通常见到的 BBR 手腕，使手部具有俯仰、 偏转和翻转运动，即 RPY 运动。图 2-29（b）所示是一个 B 关节和两个 R 关节组成的 BRR 手腕，为了不使自由度退化， 使手部产生 RPY 运动，第一个 R 关节必须进行如图所示的 偏置。图 2-29（c）所示是三个 R 关节组成的 RR 手腕，它 24 可以实现手部的 RPY 运动。图 2-29（d）所示是 BBB 手腕， 很明显，它已退化为二自由度手腕，只有 PY 运动，实际上 不采用这种手腕。此外，B 关节和 R 关节排列的次序不同， 也会产生不同的效果，透视产生了其他三种形式的三自由手 腕。为了使手腕结构紧凑，通常把两个 B 关节安装在一个十 字接头上。 设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力 矩外，还要求手腕结构简单，紧凑轻巧，避免干涉. 传动灵 活，多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上， 使外形整齐. 也可以设法使几个电动机的运动传递到同轴旋 转的心轴和多层套筒上去，运动传入手腕部后再分别实现各 个动作。下面介绍几个常见的机器人手腕结构。 (1)单自由度手腕 图 2-30 所示为采用回转油缸的手腕结构。定片 1 与后 25 盖 3，回转缸体 6 和前盖 7 均用螺钉和销子进行连接和定 位，动片 2 与手都的夹紧油缸缸体 (或转轴) 4 用键连接。 缸体 4 与指座 8 因连成一体。当回转油缸的两腔分别通人 压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体 1 和指座 8 一 同转 动，即是手腕的回转运动。此手腕具有结构简单和紧凑等优 点。见图 2-30 (2)二自由度手腕 图 2-31 所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右 摆动的结构图。V—V 剖面所表示的是油缸外壳转动而中心 轴不动，以实现手腕的左右摆动；L—L 剖面所表示的是油 缸外壳不动而中心轴回转，以实现手腕的回转运动。其油路 的分布如剖面所示。 图 2-32 所示为 KUKAIR 662/100 型机器人的手腕 传动 )条理图。这是一个具有 3 个自由度的手腕结构，关节 配置形式为臂转、腕摆、手转结构。其传动链分成两部分： 一部分在机器人小臂壳内， 3 个电动机的输出通过带传动 分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上；另一部分 传动链安排在手腕部，图 2-33 所示为手腕部分的装配图。 P26 图 2-32 其传动路线如下。 ①臂转运动 臂部外套筒与手腕壳体 7 通过端面法 26 兰连接，外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。 ②腕接运动 臂部中间套通过花键与空心轴 4 连接， 空心轴另一端通过一对锥齿轮 12、13 带动腕摆谐波减速器 的波发生器 16，波发生器上套有轴承和柔轮 14，谐波减速 器的定 10 与手腕壳体相连，动轮 11 通过盖 18 和腕摆壳体 19 相固按，当中间套带动空心轴旋转时，腕摆壳体做腕摆 运动。 ③手转运动 臂部心轴通过花键与腕部中心轴 2 连 接，中心轴的另一捕通过一对锥齿轮 45、46 带动花键轴 41， 花键轴的另一端通过同步齿形带传动 44、36 带动花键轴 35，再通过一对锥齿轮传动 33、带动谐波减速器的波发生 器 25，波发生器上套有轴承和柔轮 29，谐波减速器的定轮 31 通过底座 34 与腕摆壳体相连，动轮 24 通过安装架 23 与 连接手部的 法兰 30 相固定，当臂部心轴带动腕部中心轴旋 转时，法兰盘作手转运动。 2.6 机器人的手臂 手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是支承 腕部和手部，井将披抓取的工件运送到给定的位置上。机器 人的臂部主要包括臂杆以及与其运动有关的构件，包括传动 机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接和位置检测元件 等。此外，还有与腕部或手臂的运动和连接支承等有关的构 件，其结构形式如图 2~34 所示。 27 2.6.1 机器人的手臂 一般机器人手臂有 3 个自由度，即手臂的伸缩、左右 回转和升降 (或俯仰)运动。手臂回转和升降运动是通过机座 的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各 种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。手臂的 3 个自由度，可以有不同的运动 (自由度)组合，通常可以将其 设计成如图 2-34 五种形式。 ① 圆柱坐标型 如图 2-34(a)所示，这种运动形式是通过 一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作 空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比较，在相同的工作空 间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。 ② 直角坐标型 如图 2-34(b)所示，直角坐标型机器人， 其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图 形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直 接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度 高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。 28 ③球坐标型 如图 2-34(c)所示，又称极坐标型，它由 两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和 一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一球体，它可以作上 下俯仰动作并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构 紧凑、工作空间范围大的特点，但结构轻复杂。 ④关节型 如图 2-34(d)所示，关节型又称回转坐标型， 这种机器人的手臂与上肢类似，其前三个关节都是回转 关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与六臂同 形成肩关节，大臂与小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运 动θ 1 和使大管作俯仰摆动θ 2，小臂作俯仰摆动θ 3。其特点 29 是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座 的物体。 ⑧平面关节型 如图 2-34(e)所示，采用两个回转关节 和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移 动关节则实现上下运动，具工作空间的轨迹图形，它的纵截 面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转 关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状、这种形式 又称为 SCARA 型装配机器人。 结合 P29-30 的图选讲其中一个工作原理。 2.6.2 机器人手臂的典型机构 （1）手臂直线和回转运动机构 机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手 臂往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（汽） 缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等。因为活 塞油（汽）缸的体积小、重量轻，在机器人的手臂结构中得 到的应用比较多。 （2）手臂俯仰运动机构 机器人手臂的俯仰运动一般采取活塞油（汽）缸与连杆机构 联用来实现。手臂的俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方， 其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴 等方式与立柱连接。 结合 P-31-32 的图选讲其中一个工作原理。 30 2.7 机器人的机身 机器人必须有一个便于安装的基础件机座或行走机构。 机座往往与机身作成一体。机身与臂部相连，机身支承臂部， 臂部又支承腕部和手部，机身运动的平稳性是一个重要的问 题。 下面主要介绍直线移动机身、回转与升降机身、回转与 俯仰机身和类人式多自由度机身等。 (1)直线移动机身 直线移动机身通常设计成横梁式，用于悬挂手管部仵， 这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小， 能有效地利用空间，直观等优点。横梁可设计成固定型或行 走型，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱粱或有关设备上， 也可从地面架设。 图 2-47 所示形式为双臂对称交叉悬挂式。双管悬挂式 结构大多用于为某一机床 (如卧式车床、外圆磨床等)上、下 料服务，一个臂用于上料，另一个臂用于下料，这种形式可 以减少辅助时间，缩短动作循环周期，有利于提高生产率。 双臂在横梁上的配置有双管平行配置、双臂对称交叉配置和 双臂一侧交叉配置等。具体配置形式，视工件的类型、工件 在机床上的位置和夹紧方式、料道与机床问相对位且及运动 形式等不同而各异。 31 (2)回转与升降机身 回转与升降机身的回转运动采用摆动油缸驱动；升降油 缸可以布置在回转油缸上面，也可以布置在回转油缸下面， 有的采用链条链轮传动来将直线运动变为链轮的回转运动， 也有用双杆活塞汽缸驱动链条链轮回转的方式，这种驱动方 式的回转角度可大于 360°。图 2-48 所示为气动机器人采 用单杆活塞汽缸驱动链条链轮传动机构实现机身的回转运 动。 (3)回转与俯仰机身 机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油 (汽)缸与连杆 机构实现。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活 塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方 32 式与立柱连接，如图 2-49 所示。此外有时也采用无杆活塞 缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。 (4)类人式多自由度机身 荷兰的 Mark Ho 设计的 ARTFORM No. 1 类人式机器 人的机身如图 2～50 所示。它的机身上除装有驱动臂部的 运动装置外，还有驱动足部运功的装置和腰部关节。靠足部 和腰部的屈伸运动来实现升降，腰部关节实现左右和前后人 身轴线)机身设计要注意的问题 i 刚度和强度大，稳定性好。 ii. 运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。 iii. 驱动方式适宜。 iv. 结构布置合理。 2.8 机器人的行走机构 行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由行走的驱 动装置、传动机构、位置信息传感器等组成。它支承机器人 机身、臂和手都，并带动机器人在它的环境中无约束地运动。 机器人的行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和 无固定轨迹式。工业机群多采用固定轨迹式行走机构。 对了无固定轨迹式行走方式，按其行走机构的结构特点可分 为轮式、履带式和足式。 2.8. 1 固定轨迹式行走机构 33 该类机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠 丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。除了这种直线 驱动方式外，还有类似起重机梁行走方式等，这种可移动机 主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓 库中材料搬运等。 2.8.2 无固定轨迹式行走机构 (1)轮式行走机构 迄今为止，轮子一般是移动机器人中最流行的行走运动 机构，它可达到很高的效率且用比较简单的机械就可实现。 车轮的形状或结构形式取决于地面性质和车辆的承载能力。 在轨道上运行的多采用钢轮，室外路面行驶的采用充气轮 胎，室内平坦地面上的可采用实心轮胎，图 2-51 所示的是 不同地面上采用的不同车轮形式。图 2-51(a)适合于平坦的坚 硬路面；图 2-51(b)适 于沙丘地形；图 2-51(c)为车轮的一种 变形，称为无缘轮，适合于爬越阶梯和在水田中驶；图 2-51(d) 和图 2-51(e)所示的是超轻金属线编织轮和半球形轮。这两种 轮为火星表面移动车辆开发而言之，其中超轻金属线编制轮 用来减少移动机构的重量，减少飞船升空时的功耗。 34 车轮式行走机构依据车轮的多少分为一轮、二轮、三轮、 四轮以及多轮机构。一轮和二轮行走机构在实现上的主要障 碍时稳定性问题。实际应用的车轮式行走机构多为三轮和四 轮。 35 图 2-53 是美国 Unimation-Stanford 研究小组设计的一 种三轮机器人。该三组轮子呈等边三角形分布在机器人的下 部，每组轮子由若干个滚轮组成，这些轮子能够在驱动电动 机的带动下自由的转动，使机器人移动。 四轮行走机构的应用最为广泛，四轮机构采用不同的方 式实现驱动和转向。 图 2-55（a）为两轮独立驱动，前后带有辅助轮的方式， 与图 2-55（b）相比，当旋转半径为 0 时，由于能绕车体中 心旋转，因此有利于在狭窄场所改变方向。图 2-55（b）所 谓汽车方式，适合高速行走。 36 （2）履带式行走机构 履带式行走机构的主要特征是将圆环状的无限轨道带 绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。利用履带可以 缓冲路面的状态，因此可以在各种路面上行走，图 2-57 是 INSPECTOR 反恐排爆机器人采用的即是履带式机构。 图 2-57 INSPECTOR 排爆机器人 INSPECTOR 侦查机器人 履带式行走方式的优点主要有： ? 能登上较高的台阶； ? 由于履带的突起，路面保持力强，因此适合在荒地上移 动； ? 能实现原地旋转； ? 重心低，稳定性好 通过进一步采用适应地形的履带，可产生更有效的利用 履带特性的方法。如图 2-58 37 波兰学者 Fijalkowski 利于现代技术，提出了仿龟形的 步行橡胶履带车辆，像龟腿似的四条履带在普通路面上行 驶，同常规车辆一样可以高速行驶，当地面变软或遇到障 碍物时，四条履带可以与地面星型轮一样实现缓慢行驶。 （3）足式行走机构 履带式行走机构虽然可以再高低不平的地面上运动，但 它的适应性不够，行走时晃动太大，在软地面上行驶运动效 率低。面对崎岖的路面，轮式和履带式行走工具必须面临最 坏的地形上几乎所有的点，相比之下，足式运动方式则优越 的多。首先，因为足式运动方式的立足点是离散的点，他可 38 以在可能达到的地面上选择最优的支撑点；其次，足式运动 方式具有主动隔振能力，尽管高低不平，机身的运动仍然可 以相当平稳；再次，足式行走在不平地面和松软地面上的运 动速度较高、能耗较少。 足式行走机构有一足、两足、三足、四足、六足等，足 的数目越多，承载能力越强，但是运动速度越慢，双足和四 足具有良好的适应性和灵活性，最接近人类和动物。 1. 单足机器人 单足机器人的主要问题在于保持平衡。 2. 双足机器人 为了开发理想模型的双足步行机器人，各国的研究人员 根据自己设定的目标进行了各种各样的研究。 39 3.多足机器人 （4）轮足混合行走机构 足式行走机器人在粗糙的地形中和提供良好的机动性， 轮足混合可提高行走效率。 40 【思考题】： 1. 机器人由哪些部分组成？ 2. 机器人的主要技术参数有哪些？ 3. 机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能否有 类型的行走机构？ 4. 机器人手臂有哪几种形式，各有什么缺点？ 41