1、第二章 機器人機構(jgu)第1節 概述第2節 機身和手臂機構(jgu)第3節 手腕部機構第4節 行走部機構第5節 機器人關節的驅動、傳動機構第6節 機器人的規格及主要性能指標共七十一頁第一節 概述(i sh)1 機器人機構(jgu)的分類2 機器人機構的運動3 機器人工作空間2機器人研究所共七十一頁1、機器人機構(jgu)的分類直角坐標型機器人(PPP)沿著三個互相垂直的軸線(zhu xin)移動來改變手部的空間位置。其前三關節為移動關節（Prismatic）運動形式如圖。3機器人研究所共七十一頁1、機器人機構(jgu)的分類圓柱坐標(zubio)型機器人(RPP)該類操作機是通過兩個移動關

2、節(Prismatic)和一個轉動關節(Rotation )來實現手部的空間位置的變化，運動形式如圖所示。4機器人研究所共七十一頁1、機器人機構(jgu)的分類球坐標型機器人(RRP)該類操作機用兩個轉動關節(Rotation )和一個移動關節(Prismatic)來改變手部的空間(kngjin)位置，運動形式如圖所示。5機器人研究所共七十一頁1、機器人機構(jgu)的分類關節型機器人(RRR)這類操作機是模擬(mn)人的上臂而構成的。它的前三個關節都是轉動關節(Rotation ) ，運動形式如圖所示。6機器人研究所共七十一頁2、機器人機構(jgu)的運動1）機器人的運動自由度運動自由度的定

3、義用來確定手部相對于機身位置的每個獨立變化的參數，稱為機器人的自由度。任一自由的空間物體，須有六個自由度描述(mio sh)其在空間的位置和姿態，三個正交移動軸，決定物體的位置；三個繞坐標軸 的轉動，決定物體的姿態變化。以自由度分類的機器人自由度的分布7機器人研究所共七十一頁2、機器人機構(jgu)的運動1）機器人的運動(yndng)自由度運動自由度的定義以自由度分類的機器人稱六個自由度機器人為滿自由度機器人，少于六個自由度機器人為欠自由度機器人， 多于六個自由度機 器人為冗余自由度機器人。自由度的分布8機器人研究所共七十一頁2、機器人機構(jgu)的運動1）機器人的運動(yndng)自由度運

4、動自由度的定義以自由度分類的機器人自由度的分布一般機器人的機身和手臂構成前三個關節，具有三個自由度，可確定手部在空間的位置，所構成的機構稱位置機構；手腕和手部構成后三個關節，具有三個自由度，可確定手部在空間的姿態，所構成的機構稱之為姿態機構. 9機器人研究所共七十一頁2、機器人機構(jgu)的運動1）機器人的運動(yndng)自由度PUMA機器人的各個自由度1機座 2腰部 3臂部 4腕部 5手部PUMA機器人視頻 10機器人研究所共七十一頁2、機器人機構(jgu)的運動2）機器人的運動范圍指機器人手腕在空間(kngjin)運動圖形及其大小，運動范圍取決于臂部的自由度。11機器人研究所共七十一頁

5、2、機器人機構(jgu)的運動3）機器人的各種運動形式（1）直移型：直線運動L 伸縮(shn su)運動E（2）回轉型：扭角運動T 擺角運動R12機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gngzu)空間1）工作空間定義：手腕部坐標系原點能在空間活動(hu dng)的最大活動范圍。又稱可達空間 ，或總工作空間。 13機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gngzu)空間工作(gngzu)空間示意圖直角坐標機器人的工作空間示意圖 14機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gngzu)空間工作(gngzu)空間示意圖圓柱坐標機器人的工作空間示意圖 15機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gn

6、gzu)空間工作(gngzu)空間示意圖球坐標機器人的工作空間示意圖 16機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gngzu)空間工作(gngzu)空間示意圖PUMA機器人工作空間示意圖 俯視圖 主視圖 17機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gngzu)空間2）靈活工作空間末端(m dun)執行器可以任意姿態達到的工作空間。3）奇異形位總工作空間的邊界點所對應的機器人的位置和姿態，及機器人工作空間內部使機械產生干涉的位置和姿態。 18機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gngzu)空間 4）兩個基本問題正問題：給出某一結構形式和結構參數的操作機以及關節變量的變化范圍，求工作空間，稱工

7、作空間分析;逆問題：給出某一限定(xindng)的工作空間，求操作機的結構形式，參數和關節變量的變化范圍，稱工作空間的綜合。19機器人研究所共七十一頁3、 機器人工作(gngzu)空間 5）確定工作空間的方法解析法: 用數學模型計算工作空間的邊界.圖解法: 國標規定了工作空間的幾何作圖法. 結構限制分析 畫出工作空間的主剖面(pumin)（xoz剖面(pumin)） 畫出工作空間的俯視剖面（xoy剖面）20機器人研究所共七十一頁第二節 機身(j shn)和手臂機構1、機身和手臂(shu b)的作用2、機身和手臂機構設計的特點3、機身結構4、手臂結構21機器人研究所共七十一頁機身定義：機身是連接

8、、支承手臂及行走機構的部件.作用：臂部的驅動裝置(zhungzh)或傳動裝置(zhungzh)安裝在機身上。特點：機身有固定式和行走式兩種。手臂定義：手臂部件是連接機身和手腕的部件。 作用：支承腕部和手部，帶動手及腕在空間運動。特點：結構類型多、受力復雜。1、機身(j shn)和手臂的作用1、手部2、腕部3、手臂4、機身22機器人研究所共七十一頁2、機身和手臂機構(jgu)設計的特點剛度：為了得到較高的精度，機器人機身和手臂的機械結構剛度比強度更重要。剛度可分為結構剛度、支承剛度、伺服剛度等。精度：機器人的精度可分為絕對精度和重復定位精度。機器人終端執行器（手部）的精度與臂和機身的位置精度密切

9、相關。平穩性：機身和臂部的運動多、質量較大、當負荷大且高速運行時，由于運動狀態變化，將產生沖擊和振動。應采取有效的緩沖裝置以吸收沖擊能量。其他(qt)：對特殊要求的要有相應措施，如防爆、防塵、防水、防真空、防輻射、防腐蝕等。23機器人研究所共七十一頁機身是支承手、臂且帶其運動的部件，由于機器人的運動形式、使用條件 、負荷能力各不相同，所采用的驅動裝置，傳動機構、導向裝置亦不同，使機器人機身有很大差異，結構十分復雜。分類: 1)橫梁(hn lin)式2)立柱式3)屈伸式 4)類人型3、機身(j shn)結構PUMA-262型機器人 24機器人研究所共七十一頁4、手臂(shu b)結構工業機器人的

10、手臂一般具有3個自由度，即手臂的伸縮、回轉、俯仰（或升降(shngjing)）運動； 手臂的分類：按結構形式分：手臂有單臂；雙臂；懸掛式手臂。按手臂的運動形式分：直線運動、回轉運動、復合運動。25機器人研究所共七十一頁4、手臂(shu b)結構手臂的結構(jigu)形式單臂式雙臂式懸掛式26機器人研究所共七十一頁4、手臂(shu b)結構手臂的運動形式直線運動：如手臂的伸縮、升降及橫向、縱向移動；回轉(huzhun)運動：如手臂的左右回轉，上下擺動（俯仰）；復合運動：如直線運動與回轉運動的組合，兩直線運動的組合，兩回轉運動的組合等。27機器人研究所共七十一頁4、手臂(shu b)結構直線運動行

11、程小時，采用活塞(husi)油（氣）缸直接驅動。行程大時可采用活塞油（氣）缸和齒輪齒條機構，絲杠螺母機構以及活塞油（氣）缸和連桿機構等。28機器人研究所共七十一頁4、手臂(shu b)結構回轉運動手臂的回轉運動一般采用葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構以及(yj)連桿機構等來實現。29機器人研究所共七十一頁4、手臂(shu b)結構回轉(huzhun)運動手臂俯仰驅動缸安置示意圖 30機器人研究所共七十一頁4、手臂(shu b)結構回轉(huzhun)運動手臂俯仰驅動缸安置示意圖 31機器人研究所共七十一頁第三節 手腕(shuwn)部機構1、概述(i sh)2、手部機構3、腕部機構32機

12、器人研究所共七十一頁1、概述(i sh)手部：是最重要的執行(zhxng)機械，工業機器人手部可分為：1.夾持類；2.吸附類腕部：1.完成手部的俯仰，擺動和旋轉；2.智能機器人腕部具有力、力矩傳感器。33機器人研究所共七十一頁 2、手部機構(jgu)1）夾持式手部的組成手指傳動機構驅動(q dn)裝置34機器人研究所共七十一頁 2、手部機構(jgu)1）夾持(ji ch)式手部的組成夾鉗式手部的組成 35機器人研究所共七十一頁 2、手部機構(jgu)1）夾持(ji ch)式手部的組成斜楔杠桿式手部 36機器人研究所共七十一頁 2、手部機構(jgu)1）夾持(ji ch)式手部的組成雙支點連桿杠

13、桿式手部 37機器人研究所共七十一頁 2、手部機構(jgu)1）夾持(ji ch)式手部的組成齒條齒輪杠桿式手部 38機器人研究所共七十一頁 2、手部機構(jgu)2）吸附(xf)式手部的組成真空吸附取料手 39機器人研究所共七十一頁 2、手部機構(jgu)3）手部機構設計要點 開閉(ki b)范圍； 夾緊力； 定位精度； 結構緊湊，重量輕，效率高； 通用性和可換性；40機器人研究所共七十一頁 3、腕部、關節(gunji)部結構1）關節的作用和分類(fn li)作用：關節將機器人的各構件連接起來，機器人各構件間的相對運動，通過驅動、傳動裝置在各關節上實現的。主要有運動傳遞和力 傳遞。 分類：旋

14、轉型關節和直線移動型關節。腕關節在機器人中很重要，以下主要討論腕關節。41機器人研究所共七十一頁 3、腕部、關節(gunji)部結構2） 關節設計要點 力求結構緊湊，重量輕：關節的結構、重量、動力載荷直接影響機器人的結構、重量和性能。 處于手臂(shu b)的末端 有2-3個自由度和驅動裝置 需較大的力矩和盡量輕的重量 綜合考慮，合理布局：需要考慮強度、剛度、制造、裝配、精度和、控制可靠性。 須考慮腕部的工作條件：如高低溫、腐蝕性、防暴、防塵、防滲。42機器人研究所共七十一頁 3、腕部、關節(gunji)部結構3）關節部結構(jigu)單自由度手腕：單自由度手腕只可能有如下兩種形式，即滾轉型和

15、彎轉型。43機器人研究所共七十一頁 3、腕部、關節(gunji)部結構3）關節部結構二自由度手腕：對兩自由度腕關節來說，可能有的組合形式(xngsh)有四種: RR, BR, RB, BB。44機器人研究所共七十一頁 3、腕部、關節(gunji)部結構3）關節部結構(jigu)三自由度手腕：說明: 設計時使三個軸線匯交于一點，將使腕關節具有最緊湊的尺寸。45機器人研究所共七十一頁第四節 行走(xngzu)部機構1 概述(i sh)2運行車式行走機構46機器人研究所共七十一頁1概述(i sh)機器人可分為(fn wi)固定型和行走型兩種。海洋水下機器人核工業原子能反應唯用機器人空間機器人軍用機器

16、人醫療福利機器人服務機器人移動式搬運機器人移動式固定式工業機器人焊接噴漆上下料機器人47機器人研究所共七十一頁2運行(ynxng)車式行走機構（1）車輪(ch ln)式行走機構（2）履帶式行走機構（3）步行式行走機構48機器人研究所共七十一頁（1）車輪(ch ln)式行走機構1）車輪式動作穩定，自動操縱簡單，在FMS或自動倉庫中作搬運小車用得 較多，適合室內平地行走。2）車輪式行走機構有3輪，4輪，或6輪等3）車輪式行走機構采用的轉向機構：采用自位輪和主動輪差動轉向將會有角度誤差。采用驅動轉向輪，靜止狀態(zhungti)阻力大。49機器人研究所共七十一頁（1）車輪(ch ln)式行走機構三輪

17、車型移動機器人機構(jgu) 50機器人研究所共七十一頁（1）車輪(ch ln)式行走機構四輪車的驅動(q dn)機構和運動 51機器人研究所共七十一頁（2）履帶式行走機構 履帶式行走機構適合于野外作業，軍用機器人，及各種勘探及探險，適應各種地形(dxng)，爬坡可達45，可以爬樓梯。適應地形的履帶 52機器人研究所共七十一頁（3）步行(bxng)式行走機構1）步行(bxng)式行走機構的優點 可在高低不平的地段上行走。 腳的主動性可保持平衡，不隨地面晃動。 在柔軟的地面上運動、效率不顯著降低。53機器人研究所共七十一頁（3）步行(bxng)式行走機構2）動步行與靜步行靜步行：機器人重心始終(

18、shzhng)落在支持于地面的幾只腳所圈成的多邊形面積內。動步行：有時重心落在支撐面積外，利用重力和慣性力，作為步行的動力，步行速度快、耗能少。54機器人研究所共七十一頁（3）步行(bxng)式行走機構3）兩腳步行式行走機構優點：有最好的適應性，與人類相似的優越性;人類幻想的高級智能機器人的行走機構。控制難點：無論是靜步行或動步行，控制都困難，猶如倒擺。測出各物理量，控制機構連桿的相對角;利用腳尖(jiojin)在地面上的反作用力測重心的位置。55機器人研究所共七十一頁第五節 機器人關節(gunji)的驅動、傳動機構1、 機器人的驅動(q dn)機構2、機器人的傳動機構56機器人研究所共七十一

19、頁1. 機器人的驅動(q dn)機構驅動裝置是使機器人各部件動作的動力源，目前常見的有： 1）液壓驅動 2）氣壓(qy)驅動 3）電機驅動4）其他驅動方式57機器人研究所共七十一頁1. 機器人的驅動(q dn)機構1）液壓驅動: 是高壓油作為工作介質，推動直線或旋轉的油缸進行工作的, 在一個液壓驅動系統中其主要的部件如下：直線液壓缸：在高壓油的作用下，作直線往復運動擺動(bidng)缸：在高壓油的作用下產生一定角度的擺動。電液伺服閥：可精確地控制油路的開關、并可控制供油量的大小，以便對液壓缸進行精確的控制，并可以根據位置傳感器和速度傳感器反饋的信號進行閉環控制。液壓驅動的應用：目前在負荷較大的

20、搬運機器人和噴涂機器人應用較多。58機器人研究所共七十一頁1. 機器人的驅動(q dn)機構2）氣壓驅動在所有的驅動方式中，氣壓驅動是最簡單的，在工業中應用很廣，其組成與液壓驅動相似。可以(ky)用機械的檔次實現點到點的控制，并能達到較高的精度, 雖然達到高精度的伺服控制較難，但目前已經用微處理機直接控制的氣動馬達，定位精度在1mm。在機器人中主要用于各種氣動手爪，以及小型機器人的驅動。59機器人研究所共七十一頁1. 機器人的驅動(q dn)機構3）電機驅動電動驅動在機器人中的應用(yngyng)可以分成三種：直流電機組成伺服控制系統；交流（或）無刷直流電機組成伺服控制系統；步進電機驅動的開環

21、數字控制系統。60機器人研究所共七十一頁1. 機器人的驅動(q dn)機構4）其他驅動方式氣囊式人工肌肉磁致伸縮驅動：鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態的改變, 其長度和體積都要發生微小變化, 這種現象稱為磁致伸縮。形狀記憶合金（SMA）驅動器：記憶合金在航空航天領域內的應用有很多成功的范例。人造衛星上龐大的天線可以用記憶合金制作。發射人造衛星之前，將拋物面天線折疊起來(q li)裝進衛星體內，火箭升空把人造衛星送到預定軌道后，只需加溫，折疊的衛星天線因具有“記憶”功能而自然展開。壓電晶體驅動器61機器人研究所共七十一頁1. 機器人的驅動(q dn)機構5）驅動方式的選擇機器人驅動器要求啟動(q

22、dng)力矩大、調速范圍寬、慣量小 驅動方式選擇：負荷為2000N以下采用電動驅動方式小功率點位控制采用氣動驅動方式大功率大力矩采用液壓驅動方式62機器人研究所共七十一頁2. 機器人的傳動(chundng)機構1）常用傳動機構類型和特點(1) 齒輪類傳動：齒輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條等優點：響應快、扭矩大、剛性好缺點：傳動有間隙、故回差大，精度(jn d)低 應用：腰、腕關節(2) 鏈索類傳動：鏈條、齒形帶、鋼帶等優點：無間隙、剛度與張緊裝置有關，力矩較大缺點：速比小，齒形帶和鋼帶適用于小負載應用：腕關節63機器人研究所共七十一頁2. 機器人的傳動(chundng)機構2）滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠副

23、的特點是將螺旋運動變為直線運動或者(huzh)將直線運動變換為螺旋運動。內滾道外滾道64機器人研究所共七十一頁2. 機器人的傳動(chundng)機構2）滾珠絲杠螺母副(1)結構(jigu)組成： 滾珠絲杠螺母副可分為內循環和外循環兩種。為消除回差，螺母分成兩段，采用雙螺母預緊消除間隙的方式，以墊片、鎖緊螺母、齒差調整兩段螺母的相對位置。(2)特點： 摩擦系數小且動靜摩擦系數差小，效率高且逆傳動效率也高，靈敏度高、傳動平移、磨損小、壽命長。65機器人研究所共七十一頁第六節 機器人的規格(gug)及主要性能指標1. 負荷方面：(1) 額定負荷：在正常運行條件(tiojin)下施加到手腕部的最大負荷的容許值，包括末端執行器、附件和慣性力。(2)限定負荷：機器人機構部分不發生破壞或不出故障時手腕外所能承受的最大負荷。(3