机器人结构设计课件

机器人本体的结构形式机器人本体的结构形式&第二章第二章 机器人的主要结构机器人的主要结构机机 器器 人本体人本体执行机构执行机构驱动装置驱动装置控制系统控制系统感知系统感知系统手部（操作器）手部（操作器）腕部腕部臂部臂部腰部腰部电驱动装置电驱动装置液压驱动装置液压驱动装置气压驱动装置气压驱动装置处理器处理器关节伺服控制器关节伺服控制器内部传感器内部传感器外部传感器外部传感器 基基 座座（固定或移动固定或移动）传动装置传动装置机器人结构设计2手部手部腕部腕部小臂（上臂）小臂（上臂）大臂大臂（下臂）（下臂）腰部腰部 基基 座座控制柜控制柜示教盒示教盒机器人结构设计3 2.1 机器人本体设计的步骤机器人本体设计的步骤1、作业分析、作业分析 作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务作业分析包括任务分析和环境分析，不同的作业任务和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。和环境对机器人操作及的方案设计有着决定性的影响。2、总体方案设计、总体方案设计 （1）确定动力源）确定动力源 （2）确定构型和安装方式）确定构型和安装方式 （3）确定自由度）确定自由度 （4）确定动力容量和传动方式）确定动力容量和传动方式 （5）优化运动参数和结构参数）优化运动参数和结构参数 （6）确定平衡方式和平衡量）确定平衡方式和平衡量 （7）绘制机构运动简图）绘制机构运动简图 机器人结构设计43、结构设计、结构设计 包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计，包括机器人驱动系统、传动系统的配置及其结构设计，关节及杆件的结构设计，关节及杆件的结构设计，平衡机构平衡机构的设计，的设计，走线及电器接口走线及电器接口设计等。设计等。4、动特性分析、动特性分析 估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真、分析，估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真、分析，确定其结构固有频率和响应特性。确定其结构固有频率和响应特性。5、施工设计、施工设计 完成施工图设计，编制相关技术文件。完成施工图设计，编制相关技术文件。机器人结构设计例：六自由度轻型机械臂的设计 机械臂的设计指标：机器人结构设计构型设计原则 自由度为主，兼顾复杂程度、刚度及控制难度 关节运动范围尽可能大 关节无奇异 工作空间无死区，至少6自由度 构型合理，驱动、传动布置 模块化机器人结构设计几何构型 考虑运动学逆解的存在性：1）三个相邻关节轴线交于一点，2）三个相邻关节轴线相互平行机器人结构设计 6自由度轻型臂构型机器人结构设计传动方案设计机器人结构设计集成化设计 驱动、传动、传感、控制机器人结构设计集成化设计 电气及传感器机器人结构设计 2.2 机器人的驱动与传动系统结构机器人的驱动与传动系统结构 驱动器（通过联轴器）带动传动装置驱动器（通过联轴器）带动传动装置(一般为减速器一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。，再通过关节轴带动杆件运动。最常用的运动关节最常用的运动关节转动关节和移转动关节和移(直直)动关节。动关节。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。速度检测元件。2.2.1 2.2.1 驱动驱动传动系统的构成传动系统的构成机器人结构设计131码盘；码盘；2 测速机；测速机；3 电机；电机；4 联轴器；联轴器；5 传动装置；传动装置；6 转动关节；转动关节；7 杆杆 8 电机；电机；9 联轴器；联轴器；10 螺旋副；螺旋副；11 移动关节；移动关节；12 电位器电位器(或光栅尺或光栅尺)伺服电机驱动关节伺服电机驱动关节伺服电机伺服电机+联轴节联轴节+传动装置传动装置+运动关节运动关节+反馈元件反馈元件机器人结构设计1 1电动驱动装置电动驱动装置 电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动装置又可分为直流电动驱动装置又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机驱动和步进电伺服电机驱动和步进电机驱动。机驱动。直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电机也得到了直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花。无刷直流电机也得到了越来越广泛的应用。越来越广泛的应用。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。小功率机器人系统。2.2.2 2.2.2 驱动装置的类型和特点驱动装置的类型和特点直流电机（有刷）直流电机（有刷）步进电机步进电机盘式无刷直流电机盘式无刷直流电机交流伺服电机交流伺服电机机器人结构设计152.液压驱动装置液压驱动装置 优点：功率大，可省去减速装置直接与优点：功率大，可省去减速装置直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。，响应快，伺服驱动具有较高的精度。缺点：需要增设液压源，易产生液体泄缺点：需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。目前多用于特大功率的机器人系统。液压马达液压马达液压摆动马达液压摆动马达液压控制阀液压控制阀液压泵液压泵机器人结构设计机器人结构设计机器人结构设计机器人结构设计应用：并联机器人（六自由度摇摆台）机器人结构设计203气动驱动装置气动驱动装置 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动装置相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度但与液压驱动装置相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。气气动动马马达达气气动动摆摆动动马马达达气气缸缸气气泵泵气气动动三三大大件件气气动动控控制制阀阀机器人结构设计21 4其它驱动装置其它驱动装置 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、人工作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、人工肌肉等。肌肉等。压电微驱动并联机器人压电微驱动并联机器人形状记忆合金驱动机器人手形状记忆合金驱动机器人手机器人结构设计22 驱动装置的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，驱动装置的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为一般说来，目前负荷为100 kg以下的以下的,可优先考虑电动驱可优先考虑电动驱动装置。动装置。只须点位控制且负荷较小者，或有防暴、清洁等特殊要只须点位控制且负荷较小者，或有防暴、清洁等特殊要求者，可采用气动驱动装置。求者，可采用气动驱动装置。负荷很大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采用负荷很大或机器人周围已有液压源的常温场合，可采用液压驱动装置。液压驱动装置。对于驱动装置来说，最重要的指标要求是起动力矩大，对于驱动装置来说，最重要的指标要求是起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与之调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好、与之配套的数字控制系统。配套的数字控制系统。5驱动装置的选择原则驱动装置的选择原则机器人结构设计232.2.3 2.2.3 机器人的常用传动机构机器人的常用传动机构1.1.机器人传动机构的基本要求机器人传动机构的基本要求(1)结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；(2)传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以提高整机的提高整机的 固有领率，固有领率，降低整机的低频振动；降低整机的低频振动；(3)回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位 置控制精度；置控制精度；(4)寿命长、价格低。寿命长、价格低。微电机微电机+减速器减速器微小型减速器微小型减速器机器人结构设计242.2.机器人常用传动机构机器人常用传动机构 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构。机器人结构设计25机器人结构设计26 其中腰关节最常用谐波传动、齿轮其中腰关节最常用谐波传动、齿轮/蜗轮传动；臂关节最常蜗轮传动；臂关节最常用谐波传动、用谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。腕关节摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。腕关节最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。机器人结构设计27关节是操作机各杆件间的结合部分，通常为转动和移动两关节是操作机各杆件间的结合部分，通常为转动和移动两种类型。种类型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节，它们决定了操作机的位置。后面关节决定了操作机的姿态，它们决定了操作机的位置。后面关节决定了操作机的姿态，称作腕部关节。称作腕部关节。2.3.1 腰关节腰关节 腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承腰关节为回转关节，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩，且应具有较高的运动精度和刚度。受倾翻力矩，且应具有较高的运动精度和刚度。腰关节多采用高刚性的腰关节多采用高刚性的RV减速器传动减速器传动，也可采用，也可采用谐波传谐波传动、摆线针轮或蜗杆传动动、摆线针轮或蜗杆传动。其转动副多采用薄壁轴承或四点。其转动副多采用薄壁轴承或四点接触轴承，有的还设计有调隙机构。接触轴承，有的还设计有调隙机构。对于液压驱动关节，多采用对于液压驱动关节，多采用回转缸回转缸+齿轮传动机构齿轮传动机构。2.32.3 工业机器人关节的构造及其传动配置工业机器人关节的构造及其传动配置机器人结构设计281 电机；电机；2 RV减速器，减速器，3 支架，支架，4 交叉滚子轴承；交叉滚子轴承；5 电缆电缆同轴式腰关节同轴式腰关节电机上置电机上置)12345机器人结构设计29同轴式腰关节同轴式腰关节(电机下置电机下置)1腰部固定立柱壳体；腰部固定立柱壳体；2 腰部回转壳体；腰部回转壳体；3 四点接触球轴承；四点接触球轴承；4 伺服电机组件；伺服电机组件；5谐波减速器；谐波减速器；54机器人结构设计30平行轴式腰关节平行轴式腰关节21341 电机电机；2 齿轮；齿轮；3 空心立柱；空心立柱；4 轴承轴承机器人结构设计31v 由上面的图例可以看出，腰关节的回转副主要是两种类型：由上面的图例可以看出，腰关节的回转副主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式或平行轴式。使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式或平行轴式。v 同轴式腰关节结构紧凑，腰关节高度尺寸小同轴式腰关节结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制轴承使用特制轴承的缘故的缘故)，但关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的，但关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松中间柱体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹地套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。中空轴，联接于支座的固定接线板上。机器人结构设计322.3.2 肩关节和肘关节肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节（大臂关节）位于腰部的支座上，对于开式连杆结构，肩关节（大臂关节）位于腰部的支座上，多采用多采用RV减速器传动、谐波传动或摆线针轮传动；也可采用滚减速器传动、谐波传动或摆线针轮传动；也可采用滚动螺旋组合连杆机构或直接应用齿轮机构。动螺旋组合连杆机构或直接应用齿轮机构。肘关节（小臂关节）位于大臂与小臂的联接处，多采用谐波肘关节（小臂关节）位于大臂与小臂的联接处，多采用谐波传动、摆线针轮或齿轮传动等。传动、摆线针轮或齿轮传动等。关节结构形式有：关节结构形式有：1、同轴式配置、同轴式配置 电机轴线与关节轴电机轴线与关节轴 线重合。线重合。2、偏置式配置、偏置式配置 电机轴线与关节轴电机轴线与关节轴 线偏离一定距离。线偏离一定距离。同轴减速传动结构同轴减速传动结构机器人结构设计33同轴减速传动结构同轴减速传动结构1 腰支座；腰支座；2,7 RV减速器；减速器；3,6 驱动电机；驱动电机；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 轴承。轴承。12345678机器人结构设计341 大臂；大臂；2 关节关节1电机；电机；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 气动阀；气动阀；6 立柱；立柱；7 直齿轮；直齿轮；8 中间齿轮；中间齿轮；9 机座；机座；10 主齿轮；主齿轮；11 管形连接轴；管形连接轴；12 手腕手腕偏置减速传动结构偏置减速传动结构(PUMA)机器人结构设计35机器人结构设计36 直动关节直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采用滚动丝杠和导柱用滚动丝杠和导柱(轨轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的移式；后者可采用油缸驱动齿轮齿条的移动结构。动结构。导柱导柱(轨轨)起到导向及承受支承力与弯矩矩的作用。起到导向及承受支承力与弯矩矩的作用。机器人结构设计37 多关节柔性臂多关节柔性臂 多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联多关节柔性臂也称作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多节串联而成，原来意义上的臂而成，原来意义上的臂(大臂、小臂大臂、小臂)已演化成一个节，节已演化成一个节，节与节之间可以相对摆动。与节之间可以相对摆动。严格讲，多关节柔性臂并不是全柔性的，称其为蛇型臂较严格讲，多关节柔性臂并不是全柔性的，称其为蛇型臂较为合适。由于柔性臂的关节多，能满足避障等特殊需要。为合适。由于柔性臂的关节多，能满足避障等特殊需要。多级联动万向节柔性臂多级联动万向节柔性臂多级独立驱动万向节柔性臂多级独立驱动万向节柔性臂机器人结构设计38多节万向节型柔性臂多节万向节型柔性臂机器人结构设计39脊骨式多节柔性臂脊骨式多节柔性臂机器人结构设计40连杆式多节型柔性臂连杆式多节型柔性臂1定长刚性臂；定长刚性臂；2 并联机构柔性臂并联机构柔性臂机器人结构设计41 2.3.3 手腕关节手腕关节1 1、单自由度手腕、单自由度手腕 SCARA水平关节装配机器人的手腕只有绕垂直轴的一个水平关节装配机器人的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度，用于调整装配件的方位。旋转自由度，用于调整装配件的方位。SCARA 机器人机器人 传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端传动为两级等径轮齿形带，所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动执行器的水平方位，而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机。电机。这种传动特点特这种传动特点特别适合于电子线路别适合于电子线路板的插件作业。板的插件作业。机器人结构设计422 2、两自由度手腕、两自由度手腕两种常见的配置形式两种常见的配置形式汇交式和偏置式（按手腕轴线交汇交式和偏置式（按手腕轴线交点与手臂轴线位置划分）。点与手臂轴线位置划分）。1-法兰法兰2-齿轮轴齿轮轴3-锥齿轮锥齿轮4-弹簧弹簧5-链轮链轮6-轴承轴承7-链轮链轮8-弹簧弹簧9-轴承轴承10-转壳转壳1-法兰法兰2-腕壳腕壳3-锥齿轮轴锥齿轮轴4-小臂小臂5-链轮链轮6-锥齿轮轴锥齿轮轴7-链轮链轮8-链链9-弹簧弹簧10-弹簧弹簧汇交式两自由度手腕汇交式两自由度手腕偏置式两自由度手腕偏置式两自由度手腕2143658710943512871096机器人结构设计43 两自由度手腕的另两种结构：谐波减速器前置的汇交型两自由度手腕的另两种结构：谐波减速器前置的汇交型手腕；驱动电机与谐波减速器前置的偏置型手腕。手腕；驱动电机与谐波减速器前置的偏置型手腕。1 扁平谐波；扁平谐波；2 杯式谐波；杯式谐波；3 齿形带轮；齿形带轮；4 锥齿轮；锥齿轮；5 腕壳腕壳谐波前置汇交手腕谐波前置汇交手腕 1 谐波减速；谐波减速；2 马达；马达；3 链轮；链轮；4 腕壳腕壳电机前置偏置手腕电机前置偏置手腕机器人结构设计44 诱导运动诱导运动 把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。运动。在进行机器人运动学计算时，必须考虑诱导运动。2 主动链轮；主动链轮；3、5 从动链轮从动链轮手腕传动示意图手腕传动示意图机器人结构设计453 3、三自由度手腕、三自由度手腕 三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度而形成的。相对于小臂的转动自由度而形成的。三自由度手腕是三自由度手腕是“万向万向”型手腕，结构形式繁多，可以完型手腕，结构形式繁多，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节成两自由度手腕很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。型机器人都采用了三自由度手腕。机器人结构设计46机器人结构设计47机器人结构设计48v 必须指出，必须指出，若操作机为若操作机为6自由度，当自由度，当手腕为偏置手腕为偏置式时，运动式时，运动学反解得不学反解得不出解析的显出解析的显式，且动力式，且动力学参数也是学参数也是强耦合的。强耦合的。设计时必须设计时必须给予充分注给予充分注意。意。机器人结构设计49KUKA IR662100机器人手碗传动图机器人手碗传动图KUKA IR662100机器人手碗结构图机器人手碗结构图Cincinnati Milacron T3 机器人腕部结构机器人腕部结构机器人结构设计50PUMA一一262 机器人手腕传动原理机器人手腕传动原理机器人结构设计514 4、柔顺手腕结构、柔顺手腕结构 机器人精密机器人精密装配时，装配时，由于由于被装配零件的不一致性、工件定位被装配零件的不一致性、工件定位夹具及机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装夹具及机器人手部的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难甚至失败。这就提出了装配动作的柔顺性要求。配困难甚至失败。这就提出了装配动作的柔顺性要求。柔顺装配技术有两柔顺装配技术有两种种：一一种是控制的角度，借助检测元件采种是控制的角度，借助检测元件采取边校正、边装配的方式，取边校正、边装配的方式，称为称为“主动柔顺装配主动柔顺装配”；另一种；另一种是从结构的角度在手腕部是从结构的角度在手腕部配置一配置一 个柔顺环节，这种柔顺装配技个柔顺环节，这种柔顺装配技术称为术称为“被动柔顺装配被动柔顺装配 ”即即RCC(Remote Center Compliance)。带检测元件的手腕带检测元件的手腕移动摆动柔顺手腕移动摆动柔顺手腕柔顺手腕动作过程柔顺手腕动作过程机器人结构设计52板弹簧柔顺手腕板弹簧柔顺手腕钢丝弹簧柔顺手腕钢丝弹簧柔顺手腕机器人结构设计53 2.42.4 机器人的手部机器人的手部 机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操作机构。因此有时也称为末端操作器。作机构。因此有时也称为末端操作器。由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物体等），体等），手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和结构持点，大致可分成以下几类：结构持点，大致可分成以下几类：1卡爪式夹持器；卡爪式夹持器；2吸附式取料手；吸附式取料手；3专用操作器及换接器专用操作器及换接器 4仿生多指灵巧手。仿生多指灵巧手。机器人结构设计54 卡爪式夹持器卡爪式夹持器通常有两个夹爪，分为通常有两个夹爪，分为弹力型、回转型和弹力型、回转型和平移型三种类型平移型三种类型。2.4.1 卡爪式夹持器卡爪式夹持器几种弹力型夹持器几种弹力型夹持器1 1、弹力型夹持器、弹力型夹持器机器人结构设计55 2、回转型夹持器、回转型夹持器开合占用空间较开合占用空间较小，但是夹持中小，但是夹持中心变化。心变化。机器人结构设计563 3、平移型夹持器、平移型夹持器开合占用空间较大，但是夹持中心不变。开合占用空间较大，但是夹持中心不变。机器人结构设计57 吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。2.4.2 吸附式取料手吸附式取料手 气吸附取料手是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力气吸附取料手是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而差而工工作的。具有结构简单，重量轻，吸附力分布均匀等作的。具有结构简单，重量轻，吸附力分布均匀等优点。优点。按形成压力的方法，可分成真空气吸、气流负压气吸、按形成压力的方法，可分成真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式儿种。挤压排气负压气吸式儿种。1 1、气吸附取料手、气吸附取料手机器人结构设计58气流负压气吸盘气流负压气吸盘挤压排气吸盘挤压排气吸盘真空气吸盘真空气吸盘机器人结构设计592 2、磁吸附取料手、磁吸附取料手机器人结构设计603 3、专用操作器及换接器专用操作器及换接器机器人结构设计61 人手是最灵巧的夹持器，如果模拟人手结构，就能制造人手是最灵巧的夹持器，如果模拟人手结构，就能制造出结构最优的夹持器。但由于人手自由度较多，驱动和控出结构最优的夹持器。但由于人手自由度较多，驱动和控制都十分复杂，迄今为止，只是制造出了一些原理样机，制都十分复杂，迄今为止，只是制造出了一些原理样机，离工业应用还有一定的差距。离工业应用还有一定的差距。4 4、仿生多指灵巧手仿生多指灵巧手UTACHMIT 多指多指手手 三指三指手手 双拇指双拇指手手 机器人结构设计62最小的三指最小的三指手手 BHII 三指手三指手 四指灵巧四指灵巧手手 灵巧的双灵巧的双手手 DLR多指手多指手哈工大多指手哈工大多指手机器人结构设计63 手指关节的设计手指关节的设计手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：1)腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。MIT手、手、JPL手和手和DLR-I手都是这种方式。手都是这种方式。2)齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间隙，占用空间大。隙，占用空间大。3)连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能实现连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能实现多种运动规律和轨迹的要求。但是设计复杂，不能精确地满多种运动规律和轨迹的要求。但是设计复杂，不能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如足各种运动规律的要求。典型的如Belgrade手，手，NASA手等。手等。4）欠驱动手指关节，可简化机械结构及控制，但需要满足一）欠驱动手指关节，可简化机械结构及控制，但需要满足一定的力学条件。定的力学条件。机器人结构设计64 并联机构在并联机构在1965年由年由Stewart提出原是作为飞行模拟器提出原是作为飞行模拟器用于训练飞行员的。机舱由用于训练飞行员的。机舱由6个液压缸支撑和驱动，可以使个液压缸支撑和驱动，可以使机舱获得任何需要的位姿。机舱获得任何需要的位姿。在串联机器人发展方兴未艾时，澳大利亚著名机构学教授在串联机器人发展方兴未艾时，澳大利亚著名机构学教授Hunt 在在1978年提出。可以应用年提出。可以应用6自由度的自由度的Stewart平台机构平台机构作为机器人机构。到作为机器人机构。到80年代中期，国际上研究并联机器人的年代中期，国际上研究并联机器人的人还寥寥无几。到人还寥寥无几。到80年代末特别是年代末特别是90年代以来，并联式机器年代以来，并联式机器人才被广为主意，并成为了新的热点。人才被广为主意，并成为了新的热点。2.6 2.6 并联机器人机构并联机器人机构机器人结构设计65机器人结构设计66机器人结构设计67机器人结构设计683RPS机构机构6RSS机构机构6SPS机构机构6SPS双三角机构双三角机构机器人结构设计696RSS机构机构6PSS机构机构6SPS单三角机构单三角机构3RRR球面机构球面机构机器人结构设计70 2.7 2.7 移动机器人机构移动机器人机构 移动功能的机器人可认为是人类行走功能的模拟和扩展。移动功能的机器人可认为是人类行走功能的模拟和扩展。移动机器人多是针对陆上表面环境的。其机构形式主要有：移动机器人多是针对陆上表面环境的。其机构形式主要有：(1)车轮式移动机构；车轮式移动机构；(2)履带式移动机构；履带式移动机构；(3)腿足式移动机构。腿足式移动机构。此外，近有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动此外，近有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合。机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合。机器人结构设计71 2.7.1 轮式移动机构轮式移动机构 轮式移动机构依据车轮的数目分为轮式移动机构依据车轮的数目分为1轮、轮、2轮、轮、3轮、轮、4轮、轮、5轮、轮、6轮以及多轮机构。轮以及多轮机构。轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制方便，轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制方便，运动灵活。缺点是其越野能力较差，但可以通过选择合适的运动灵活。缺点是其越野能力较差，但可以通过选择合适的悬架系统来提高其地形适应能力。悬架系统来提高其地形适应能力。悬架系统分为悬架系统分为被动适应型（自适应）被动适应型（自适应）、主动适应型主动适应型和和混合混合适应型适应型三类。三类。机器人结构设计72机器人结构设计73机器人结构设计74机器人结构设计75机器人结构设计76 车轮类型：车轮类型：机器人结构设计77 转向方式：转向方式：（Ackerman 转向）转向）机器人结构设计78（全方位转向）（全方位转向）2()2()()LRRLRLRLvvvw vvRvvvvw wwRLvRvLvRvv（差动转向）（差动转向）机器人结构设计79麦克纳姆轮麦克纳姆轮 轮系机构：轮系机构：机器人结构设计80 履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用，着地面积较大，压强较小，与路面的车轮连续铺路的作用，着地面积较大，压强较小，与路面的粘着力较强，能在不平和松软的路面上稳定移动，具有很强粘着力较强，能在不平和松软的路面上稳定移动，具有很强的越野能力，控制也简单。但功耗较大，运动灵活性差。的越野能力，控制也简单。但功耗较大，运动灵活性差。2.7.2 履带式移动机构履带式移动机构机器人结构设计81 履带形式履带形式机器人结构设计82越障越障上、下台阶上、下台阶 关节履带关节履带机器人结构设计83 履带张紧机构履带张紧机构机器人结构设计 2.7.3 腿足式移动机构腿足式移动机构 腿足式移动系统的特点是落足点为几个离散的位置点，能够腿足式移动系统的特点是落足点为几个离散的位置点，能够自主选择有利的落足点，具有出色的地形适应能力自主选择有利的落足点，具有出色的地形适应能力；此外，能；此外，能够自主隔振，保证系统沿平滑预定的轨迹运行够自主隔振，保证系统沿平滑预定的轨迹运行 其机械结构和控制系统复杂，系统可靠性低；在松软沙地行其机械结构和控制系统复杂，系统可靠性低；在松软沙地行走时，抗沉陷性较差，效率较低，功耗也大。走时，抗沉陷性较差，效率较低，功耗也大。日本双足机器人载重日本双足机器人载重100kg 美国美国big dog机器人结构设计 腿足结构形式腿足结构形式 两足两足 多足多足l 稳定性问题稳定性问题 零力矩点（零力矩点（ZMP）：）：机器人机器人重力与惯性力合力的延长线与重力与惯性力合力的延长线与机器人支撑面的交点。机器人支撑面的交点。l步态问题步态问题 步态规划步态规划：机器人结构设计86 2.7.4 轮腿式移动机构轮腿式移动机构机器人结构设计872.6 2.6 机器人本体的材料机器人本体的材料 制作机器人的材料是多种多样的。选择制作材料时，制作机器人的材料是多种多样的。选择制作材料时，主要考虑以下几个方面：主要考虑以下几个方面：1）材料要能满足机器人的强度和刚度要求；）材料要能满足机器人的强度和刚度要求；2）材料的加工工艺性好；）材料的加工工艺性好；3）材料的稳定性好；）材料的稳定性好；4）材料的密度尽量小；）材料的密度尽量小；5）材料的成本尽可能低；）材料的成本尽可能低；6）机器人的用途。）机器人的用途。此外，对于一些特殊环境下的机器人，还要考虑环境此外，对于一些特殊环境下的机器人，还要考虑环境对材料性能的要求和影响。对材料性能的要求和影响。机器人结构设计88原材料原材料实用性实用性成本成本强度强度切割性切割性稳定性稳定性抗震性抗震性密度密度木材木材优优优优良良良良良良良良小小胶合板胶合板优优良良良良中等中等中等中等优优较小较小钢材钢材良良良良优优较差较差优优优优大大铝（合金铝（合金）良良中等中等良良中等中等优优中等中等较大较大碎料板碎料板优优良良良良中等中等中等中等差差较小较小纸板纸板优优优优差差优优差差差差小小有机玻璃有机玻璃良良优优中等中等中等中等良良 差差较小较小塑料塑料良良优优中等中等中等中等中等中等中等中等较小较小部分原材料对比表部分原材料对比表 机器人结构设计89主要参考文献：主要参考文献：（1）柳洪义，宋伟刚）柳洪义，宋伟刚 编著，编著，机器人技术基础机器人技术基础，冶金工业出版社，冶金工业出版社，2002（2）龚振邦等，）龚振邦等，机器人机械设计机器人机械设计，电子工业出版社，电子工业出版社，1995（3）美美 John J.Craig著，贠远超译，机器人学导论，机械工业出版社，著，贠远超译，机器人学导论，机械工业出版社，2006.6（4）于登云等，空间机械臂技术及发展建议，航天器工程，）于登云等，空间机械臂技术及发展建议，航天器工程，2007,16(4):1-8机器人结构设计90 谐波传动：谐波传动：由波发生器、柔轮和刚轮组成由波发生器、柔轮和刚轮组成。主要特点主要特点(1)传动比大，单级为传动比大，单级为50300。(2)传动平稳，承载能力高。传动平稳，承载能力高。(3)传动效率高传动效率高,可达可达70%70%90%。(4)传动精度高传动精度高,比普通齿轮传动高比普通齿轮传动高 3 34倍。倍。(5)回差小。回差可小于回差小。回差可小于3 。(6)不能获得中间输出，柔轮刚度不能获得中间输出，柔轮刚度 较低。较低。机器人结构设计91 RV摆线针轮行星传动：是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮行星传动：是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的。摆线针轮减速器组合而成的。RV摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大动刚度较谐波传动要大26倍，但重量也增加了倍，但重量也增加了13倍。倍。机器人结构设计92 齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动应用于机器人传动齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动应用于机器人传动机构时，须特别注意消除间隙问题，否则回差很大，达不机构时，须特别注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度要求。到应有的转角精度要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，必对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。机器人结构设计93 滚动螺旋传动：在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当滚动螺旋传动：在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动，滚的滚珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动，滚珠在工作过程中，顺螺旋槽珠在工作过程中，顺螺旋槽(滚道滚道)循环滚动。循环滚动。v为了消除回差为了消除回差(空回空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母等，螺母分成两段，以垫片、双螺母等调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零。使回差为零。v必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合。下降的场合。v螺母两端及丝杠的外露部分必须密封。螺母两端及丝杠的外露部分必须密封。1一齿轮；一齿轮；2一返回装置；一返回装置；3一键；一键；4一滚珠；一滚珠；5一丝杠；一丝杠；6一螺母；一螺母；7支座支座机器人结构设计94思考题：思考题：1、机器人驱动器的类型及选择原则。、机器人驱动器的类型及选择原则。2、机器人的常用传动机构及其特点。、机器人的常用传动机构及其特点。3、机器人二自由度与三自由度手腕的结构类型，举例说明。、机器人二自由度与三自由度手腕的结构类型，举例说明。4、机器人手臂结构设计的特点、平衡方式。、机器人手臂结构设计的特点、平衡方式。5、机器人卡爪式夹持器的类型、机器人卡爪式夹持器的类型。6、机器人移动机构的主要类型及其特点。、机器人移动机构的主要类型及其特点。7、移动机器人的转向方式。、移动机器人的转向方式。参考文献：参考文献：1、日日日本机器人学会编，宗光华日本机器人学会编，宗光华 等译，机器人技术手册，等译，机器人技术手册，科学出版社，科学出版社，2007。2、马香峰，工业机器人的操作机设计，、马香峰，工业机器人的操作机设计，1991 3、费仁元，机器人机械设计和分析、费仁元，机器人机械设计和分析。机器人结构设计