智能機器人技術與應用“十四五”職業教育人工智能技術應用專業系列教材第9課機器人體系結構231知識目標（1）熟悉機器人的主要結構。（2）熟悉機器人交互系統。（3）掌握串聯機器人、并聯機器人的定義、結構和主要形式。能力目標（1）掌握專業知識的學習方法，培養閱讀、思考與研究的能力。（2）積極參與“研究性學習小組”活動，提高組織和活動能力，具備團隊精神。素質目標（1）熱愛學習，掌握學習方法，提高學習能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，關心智能技術的不斷進步。（3）體驗、積累和提高“大國工匠”的專業素質。學習目標

愿景

體驗

創意

實踐重點難點（1）熟悉機器人主要結構。（2）熟悉串聯機器人和并聯機器人。目錄機器人主要結構01機器人交互系統02串聯機器人03并聯機器人04串聯和并聯機器人的區別05第9課機器人體系結構機器人的外貌組成與人很相似，其系統結構由機器人的機構部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成：（1）機構部分包括機械手和移動機構。機械手相當于完成各種工作的人手，移動機構則相當于用來行走的人腳。（2）感知機器人自身或外部環境變化信息的傳感器是它的感覺器官，包括內傳感器和外傳感器，相當于人的眼、耳、皮膚等。（3）電腦是機器人的指揮中心，相當于人腦或中樞神經，它能控制機器人各部位協調動作。（4）信息處理裝置是人與機器人溝通的工具，可根據外界變化、靈活變更機器人的動作。機器人主要結構0101

機器人主要結構機器人系統是由機器人和作業對象及環境共同構成的，其結構一般包括機械系統、驅動系統、控制系統和感知系統四大部分。或者也可以分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要包括本體和控制器，而軟件部分則指的是它的控制技術（裝置）。圖9-9機器人本體結構形式01

機器人主要結構從機械系統角度看，工業機器人包括機身、臂部、手腕、末端操作器和行走機構等部分，每一部分都有若干自由度，從而構成了一個多自由度系統。有的機器人還具備行走機構，構成行走機器人；若機器人不具備行走及腰轉機構，則構成單機器人臂。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等作業工具。工業機器人機械系統的作用相當于人的身體（如骨髓、手、臂和腿等）。01

機器人主要結構01020304050607本體部分直線傳動機構旋轉傳動機構力檢測傳感系統驅動裝置位置檢測01

機器人主要結構9.1.1本體部分我們以現代機器人HS220型號為例來分析機器人的本體部

分。工業機器人是仿照人的手臂來進行設計的，從外觀來

看，主要有底座、下框架、上框架、手臂、腕體、腕托等

六個部分。

圖9-10哈工現代機器人HS22001

機器人主要結構機器人的各個關節就和人類的肌肉一樣，靠伺服電機和減速器來控制移動。伺服電機是動力的來源，機器人的運行速度以及負載重量如何，都和伺服電機有關。而減速器則是動力傳輸的中介，它擁有許多不同尺寸。對于微型機器人來說，要求的重復精度都很高，一般在0.0254毫米以下。伺服電機與減速器相連，可以幫助提高精度，提高減速器的傳動比。01

機器人主要結構機械臂的6個軸擁有6個伺服電機和減速器，安裝在每一個連接的接頭上，使機器人可以向六個方向進行移動，分別是X軸-前后，Y軸-左右，Z軸-上下，RX-繞X軸旋轉，RY-繞Y軸旋轉，RZ-繞Z軸旋轉。也就是通常所說的六軸機器人。正是這種擁

有多個維度移動的能力，機器人才可以擺出不同的姿勢，完

成各項任務。

圖9-11六軸機械臂01

機器人主要結構9.1.2驅動裝置要使機器人運行起來，需要給各個關節，即每個運動自由度安置傳動裝置，其作用是為機器人各部位、各關節動作提供原動力。驅動系統可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者是結合起來應用的綜合系統。可以是直接驅動或者是通過

同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構進行

間接驅動。

圖9-12機器人的關節驅動01

機器人主要結構1.電動驅動裝置電動驅動裝置的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯，直接驅動比較困難。電動驅動裝置又可分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機驅動和步進電機驅動。直流伺服電機電刷易磨損，且易形成火花；無刷直流電機也得到了廣泛應用；步進電機驅動多為開環控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統。電動裝置上電運行前要檢查電源電壓是否合適，直流輸入的+/-極性與連接，驅動控制器電機

型號或電流設定值是否合適，控制信號線連接的牢靠，安全

接地，以及需要密切觀察電機狀態，如運動、聲音和溫升情

況，發現問題及時停機調整。01

機器人主要結構2.液壓驅動液壓驅動通過高精度的缸體和活塞桿相對運動來完成，實現直線運動。其優點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅動桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。液壓驅動的缺點是：需要增設液壓源，易產生液體泄漏，故不適合高、低溫場合。液壓驅動多用于特大功率的機器人系統。液壓驅動方式要選擇適合的液壓油。防止固體雜質混入液壓系統，防止空氣和水入侵液壓系統。

機械作業要柔和平順，否則產生的沖擊負荷會使機械故障頻發，縮短使用壽命。作

業中要時刻注意液壓泵和溢流閥的氣蝕和溢流噪聲。如果液壓泵出現“氣蝕”噪聲，

經排氣后不能消除，應查明原因排除故障后才能使用。液壓系統的工作溫度一般控

制在30～80℃之間為宜。01

機器人主要結構3.氣壓驅動氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但氣壓驅動的功率比液壓驅動裝置小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于中、小負荷，精度不高的點位控制機器人，如上、下料和沖壓等。氣壓驅動的控制裝置多選用可編程控制器（PLC控制器）。在易燃、易爆場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。01

機器人主要結構9.1.3直線傳動機構傳動裝置是連接動力源和運動連桿的關鍵部分，根據關節形式，常用的傳動機構形式有直線傳動和旋轉傳動機構。直線傳動方式可用于直角坐標機器人的X、Y、Z向驅動，圓柱坐標結構的徑向驅動和垂直升降驅動，以及球坐標結構的徑向伸縮驅動。直線運動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉運動轉換來實現，也可以由直線驅動電機驅動，或者直接由氣缸或液壓缸的活塞產生。在齒輪齒條裝置中，齒條通常是固定的，由齒輪的

旋轉運動轉換成托板的直線運動。其結構簡單，但

回差較大。圖9-13齒輪齒條傳動01

機器人主要結構在滾珠絲杠裝置中，絲杠和螺母的螺旋槽內嵌入滾珠，并通過螺母中的導向槽使滾珠能連續循環。其優點是摩擦力小，傳動效率高，無爬行，精度高，但制造成本高，結構復雜。01

機器人主要結構9.1.4旋轉傳動機構采用旋轉傳動機構的目的是將電機的驅動源輸出的較高轉速轉換成較低轉速，并獲得較大的力矩。機器人中應用較多的旋轉傳動機構有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時相當于柔軟的齒輪。其優點是無滑動，柔性好，價格便宜，重復定位精度高，但具有一定的彈性變形。01

機器人主要結構諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發生器和柔性齒輪三個主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發生器驅動柔性齒輪旋轉。諧波傳動裝置在機器人技術比較先進的國家得到廣泛應用，例如日本的機器人驅動裝置有60％都采用了諧波傳動。美國登月機器人的各個關節部位也都采用諧波傳動裝置，其中一只上臂就用了30個諧波傳動機構。前蘇聯

送入月球的移動式機器人“登月者”，其成對安裝的8個輪

子均是用密閉諧波傳動機構單獨驅動的。德國、法國企業

研制的一些機器人也都采用了諧波傳動機構。

圖9-14諧波齒輪01

機器人主要結構9.1.5傳感系統機器人傳感系統由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息。對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統更有效。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。01

機器人主要結構9.1.6位置檢測旋轉光學編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉化成二進制波形。軸的轉角通過計算脈沖數得到，轉動方向由兩個方波信號的相對相位決定。感應同步器輸出兩個模擬信號——軸轉角的正弦信號和余弦信號。軸的轉角由這兩個信號的相對幅值計算得到。感應同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，能夠產生與軸轉角成正比的電壓信號。但

是，由于分辨率低、線性不好以及對噪聲敏感。轉速計能夠輸出與軸的轉速成正比的模擬信號。如果沒有

這樣的速度傳感器，可以通過對檢測到的位置相對于時間

的差分得到速度反饋信號。01

機器人主要結構9.1.7力檢測力傳感器通常安裝在操作臂下述三個位置：（1）關節驅動器。可測量驅動器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測末端執行器與環境之間的接觸力。（2）末端執行器與操作臂的終端關節之間，也稱腕力傳感器。通常，可以測量施加于末端執行器上的三個到六個力/力矩分量。（3）末端執行器的“指尖”上。通常，這些帶有力覺得手指內置了應變計，可以測量作用在指尖上的一個到四個分力。機器人交互系統0202

機器人交互系統工業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。也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個執行復雜任務的功能單元。機器人-環境交互系統是實現工業機器人與外部環境中的設備相互聯系和協調的系統。人機交互系統使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯系，該系統可以歸納分為兩類：指令給定裝置和信息顯示裝置（見圖9-15）。02

機器人交互系統

圖9-15人機信息交互串聯機器人0303

串聯機器人從機構學的角度看，機器人可以分為串聯機器人和并聯機器人兩大類。串聯結構操作手較早應用于工業領域，剛開始出現時，是由剛度很大的桿通過關節連接起來的，關節有轉動和移動兩種，前者稱為旋轉副，后者稱為棱柱關節，結構是桿之間串聯，形成一個開運動鏈。除了兩端的桿只能和前或后連接外，每一個桿和前面和后面的桿通過關節連接在一起。由于操作手的這種連接的連續性，即使它們有很強的連接，它們的負載能力和剛性與多軸機械比較起來還是很低。很明顯，剛性差就意味著位置精度低。串聯機器人開環機構PUMA機器人03

串聯機器人SCARA機器人斯坦福機器人平行連桿機器人03

串聯機器人9.3.1串聯機器人的開環機構串聯機器人以開環機構為機器人機構原型（見圖9-16），其串聯式結構是一個開放的運動鏈，所有運動桿并沒有形成一個封閉的結構鏈。它是由一系列連桿通過轉動關節或移動關節串聯形成的。采用驅動器驅動各個關節的運動從而帶動連桿的相對運動，使末端焊槍達到合適的位姿。串聯機器人的工作空間大，運動分析比較容易可以避免驅動軸之間的耦合效應。但其機構各軸必須要獨立控制，并且需要搭配編碼器和傳感器來提高機構運動時的精準度。03

串聯機器人

圖9-16串聯機器人03

串聯機器人由于桿件之間聯結的運動副的不同，串聯機器人可分為直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、關節型機器人。下圖為串聯機器人的基本結構形式、結構簡圖和工作空間。03

串聯機器人實用的串聯機器人中比較著名的結構形式有：PUMA型機器人、SCARA機器人、Stanford型機器人、平行連桿結構型機器人。03

串聯機器人9.3.2PUMA機器人PUMA（彪馬）機器人是一款經典的關節式臂式六軸工業機器人。圖9-18PUMA機器人03

串聯機器人德國運動品牌彪馬公司和廣告公司紐約智威湯遜合作推出機器人BeatBot，這個看起來像“長著輪子的鞋盒”的機器人旨在幫助田徑運動員進行跑步訓練。運動員只要在App中輸入他們跑步的距離以及目標時間，BeatBot就能夠相應地計算出自己的“跑步”速度。此外，它還能充當“發令槍”。03

串聯機器人9.3.3SCARA機器人SCARA機器人是一種圓柱坐標型的特殊類型的工業機器人（見圖9-19），有3個旋轉關節，其軸線相互平行，在平面內進行定位和定向。另一個關節是移動關節，用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是由兩旋轉關節的角位移φ1和φ2及移動關節的位移z決定的。這類機器人的結構輕便、響應快，例如Adept1型SCARA機

器人運動速度可達10m/s，比一般關節式機器人快數倍，它

最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業。03

串聯機器人XY方向坐標（前后左右）Z方向坐標（上下）圖9-19SCARA機器人03

串聯機器人9.3.4斯坦福機器人由于計算能力的進步，機器人的研究也在蓬勃發展。例如斯坦福大學的機器人已經能攀爬墻壁，像鳥兒一樣振翅高飛，在地球和海洋深處乘風而行，與宇航員在太空中閑逛。幾十年來，斯坦福大學一直在面向未來發明機器人。這一未來最早始于20世紀60年代的一艘登陸月球的探測器，以及最早的人工智能機器人之一——“Shakey（搖搖晃晃的）”（見圖9-20），那個時候，很多人把機器人想象成下一代的家庭幫傭，裝洗碗機，調馬提尼酒。然而，絕大多數機器人已經從這些早期雄心壯志的家用場景轉移到了工廠，因為機器人能力受到現有技術的限制，又重也危險，沒辦法和人類共處一室。但是，對更柔軟、更溫和、更智能的機器人的研究仍在繼續。03

串聯機器人

圖9-20第一個AI機器人Shakey（沙基）03

串聯機器人受Shakey的啟發，斯坦福通用機器人項目STAIR的最重要成果之一是ROS（機器人操作系統），ROS甚至已經運行在國際空間站的機器人上。在STAIR項目中，斯坦福的研究團隊意識到，感知是一個更緊迫的問題。感知問題是機器人如何與它周圍的環境互動。研究小組開始將大部分時間花在深度學習上，因為這是解決許多開放感知問題的最佳方法，深度學習讓機器人可以看得更加清楚。03

串聯機器人9.3.5平行連桿機器人平行連桿結構機器人又稱平行四邊形機器人，是一種高效率、高速度的搬運機器人。它首創于20世紀80年代，以其特有的平行桿件結構的機械手臂命名。相對于其他工業機器人，它的特點是有比較高搬運速度、較好的定位準確度、很高的重復定位精準度，因此在工業生產中，尤其是流水線工作（比如，食品包裝流水線）中

得到廣泛的應用。

圖9-21平行連桿機器人03

串聯機器人此外，機器人需要在三維空間中運動，在直角參考坐標系中機器人操作手末端需要滿足3個方向的位置要求和相對于3個坐標軸的角度要求，因而在運動或姿態控制時需要控制6個參數。所以，一般情況下，一個通用機器人操作手需要6個自由度。應在滿足要求的前提下盡量減少機器人的自由度數，以便減少機器人的復雜程度，降低機器人制造成本。例如SCARA機器人僅有４個自由度。有些機器人的工作環境復雜，在工作時需回避障礙，甚至可能需要有7個或7個以上的自由度。這種機器人稱為具有“冗余自由度”機器人。并聯機器人0404

并聯機器人并聯機器人是以并聯方式驅動的一種閉環運動鏈的機器人，一般由動平臺和定平臺的上下運動平臺和兩條或者兩條以上獨立的運動支鏈相連接構成，運動平臺和運動支鏈之間構成一個或多個閉環機構組成的關節點坐標相互關聯的機器人，通過改變各個支鏈的運動狀態，使整個機構具有兩個或者兩個以上可以操作的自由度。圖9-22并聯機器人04

并聯機器人并聯機器人的特點是：（1）無累積誤差，精度較高；（2）驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態響應好；（3）結構緊湊，剛度高，承載能力大；（4）完全對稱的并聯機構具有較好的各向同性；（5）工作空間較小；04

并聯機器人根據這些特點，并聯機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領域內得到了廣泛應用，例如：（1）食品、電子、化工、包裝等行業的分揀、搬運、裝箱等。（2）模擬運動、并聯機床、金屬切削加工、機器人關節，航天器接口等；（3）類銑床、磨床鉆床或點焊機、切割機；（4）測量機，用來作為其他機構的誤差補償器；（5）生物醫學工程中的細胞操作機器人、可實現細胞的注射和分割，微外科手術機器人等；（6）并聯機器人還廣泛應用于軍事領域中的潛艇、坦克駕駛運動模擬器，下一代戰斗機的矢量噴管、潛艇及空間飛行器的對接裝置、姿態控制器等。多軸機器人坐標機器人多自由度并聯機器人04

并聯機器人04

并聯機器人9.4.1多軸機器人多軸機器人又稱單軸機械手，工業機械臂，電缸等，是以XYZ直角坐標系統為基本數學模型，以伺服電機、步進電機為驅動、單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠

絲桿、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動方式所架構起來的機器人系

統，可以完成在XYZ三維坐標系中任意一點的到達和遵循可控的運動

軌跡。多軸機器人采用運動控制系統實現對其的驅動及編程控制，直

線、曲線等運動軌跡的生成為多點插補方式，操作及編程方式為引導

示教編程方式或坐標定位方式。

圖9-23多軸機器人04

并聯機器人9.4.2坐標機器人坐標機器人是能夠實現自動控制的、可重復編程的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關系的、多用途的操作機（見圖9-24）。其工作的行為方式主要是通過完成沿著X、Y、Z軸上的線性運動。坐標機器人采用運動控制系統實現對其的驅動及編程控制，直線、曲線等運動軌跡的生成為多點插補方式，操作及編程方式為引導示教編程方式或坐標定位方式。坐標機器人有龍門結構、壁掛結構和懸掛結構等多種形式。作為一種成本低廉、系統結構簡單的自動化機器人系統解決方案，坐標機器可以被應用于點膠、滴塑、噴涂、碼垛、分揀、包裝、焊接、金屬加工、搬運、上下料、裝配、印刷等常見的工業生產領域，在替代人工，提高生產效率，穩定產品質量等方面都具備顯著的應用價值。04

并聯機器人

圖9-24坐標機器人04

并聯機器人9.4.3多自由度并聯機器人以3自由度為例。3自由度并聯機構種類較多（見圖9-25），形式較復雜，一般有以下形式：（1）平面3自由度并聯機構，如3-RRR機構，它們具有2個移動和一個轉動；（2）球面3自由度并聯機構，如3-UPS-1-S球面機構，該類機構的運動學正反解都很簡單，是一種應用很廣泛的3維移動空間機構；（3）空間3自由度并聯機構，如Delta并聯機器人，

這類機構屬于欠秩機構，在工作空間內不同的點其運

動形式不同是其最顯著的特點。還有一類是增加輔助

桿件和運動副的