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机 器 人 本 体 的 结 构 形 式& 第 二 章 机 器 人 的 主 要 结 构机 器 人 本 体执 行 机 构 驱 动 装 置 控 制 系 统 感 知 系 统手部（操作器 ） 腕部 臂部 腰部 电驱动装置 液压驱动装置 气压驱动装置 处理器 关节伺服控制器 内部传感器 外部传感器 基 座（固定或移动）传 动 装 置 2 手 部腕 部小 臂 （ 上 臂 ） 大 臂（ 下 臂 ） 腰 部 基 座 控 制 柜示 教 盒 3 2.1 机 器 人 本 体 设 计 的 步 骤1、 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 （ 1） 确 定 动 力 源 （ 2） 确 定 构 型 和 安 装 方 式 （ 3） 确 定 自 由 度 （ 4） 确 定 动 力 容 量 和 传 动 方 式 （ 5） 优 化 运 动 参 数 和 结 构 参 数 （ 6） 确 定 平 衡 方 式 和 平 衡 量 （ 7） 绘 制 机 构 运 动 简 图 4 3、 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 ， 平 衡 机 构 的 设 计 ， 走 线 及 电 器 接 口设 计 等 。4、 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 ，确 定 其 结 构 固 有 频 率 和 响 应 特 性 。5、 施 工 设 计 完 成 施 工 图 设 计 ， 编 制 相 关 技 术 文 件 。 例 ： 六 自 由 度 轻 型 机 械 臂 的 设 计 机 械 臂 的 设 计 指 标 ： 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 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 6自 由 度 轻 型 臂 构 型 传 动 方 案 设 计 集 成 化 设 计 驱 动 、 传 动 、传 感 、 控 制 集 成 化 设 计 电 气 及 传 感 器 2.2 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 (一 般 为 减 速 器 )， 再 通 过 关 节 轴 带 动 杆 件 运 动 。 最 常 用 的 运 动 关 节 转 动 关 节 和 移 (直 )动 关 节 。 为 了 进 行 位 置 和 速 度 控 制 ， 驱 动 系 统 中 还 包 括 位 置 和速 度 检 测 元 件 。 2.2.1 驱 动 传 动 系 统 的 构 成 13 1码 盘 ；2 测 速 机 ；3 电 机 ；4 联 轴 器 ；5 传 动 装 置 ；6 转 动 关 节 ；7 杆 8 电 机 ； 9 联 轴 器 ；10 螺 旋 副 ；11 移 动 关 节 ； 12 电 位 器 (或 光 栅 尺 ) 伺 服 电 机 驱 动 关 节 伺 服 电 机 +联 轴 节 +传 动 装 置 +运 动 关 节 +反 馈 元 件 1 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 (DC)、 交 流 (AC)伺 服 电 机 驱 动 和 步 进 电机 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 度小 功 率 机 器 人 系 统 。2.2.2 驱 动 装 置 的 类 型 和 特 点 直 流 电 机 （ 有 刷 ） 步 进 电 机盘 式 无 刷 直 流 电 机 交 流 伺 服 电 机 15 2. 液 压 驱 动 装 置 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， 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 。 液 压 马 达液 压 摆 动 马 达 液 压 控 制 阀液 压 泵 应 用 ： 并 联 机 器 人 （ 六 自 由 度 摇 摆 台 ） 20 3 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 。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 。 气动马达 气动摆动马达 气缸 气泵 气动三大件 气动控制阀 21 4 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 工肌 肉 等 。 压 电 微 驱 动 并 联 机 器 人 形 状 记 忆 合 金 驱 动 机 器 人 手 22 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 。 一 般 说 来 ， 目 前 负 荷 为 100 kg以 下 的 ,可 优 先 考 虑 电 动 驱动 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 ，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 。5 驱 动 装 置 的 选 择 原 则 23 2.2.3 机 器 人 的 常 用 传 动 机 构1. 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 ；(2) 传 动 刚 度 大 ， 即 承 受 力 矩 作 用 时 变 形 要 小 ， 以 提 高 整 机 的 固 有 领 率 ， 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 置 控 制 精 度 ；(4) 寿 命 长 、 价 格 低 。 微 电 机 +减 速 器 微 小 型 减 速 器 24 2. 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 。 25 26 其 中 腰 关 节 最 常 用 谐 波 传 动 、 齿 轮 /蜗 轮 传 动 ； 臂 关 节 最 常用 谐 波 传 动 、 RV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 。 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 ，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 。 2.3.1 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 RV减 速 器 传 动 ， 也 可 采 用 谐 波 传动 、 摆 线 针 轮 或 蜗 杆 传 动 。 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 。 对 于 液 压 驱 动 关 节 ， 多 采 用 回 转 缸 +齿 轮 传 动 机 构 。 2.3 工 业 机 器 人 关 节 的 构 造 及 其 传 动 配 置 281 电 机 ； 2 RV减 速 器 ， 3 支 架 ， 4 交 叉 滚 子 轴 承 ； 5 电 缆同 轴 式 腰 关 节 电 机 上 置 ) 12345 29同 轴 式 腰 关 节 (电 机 下 置 ) 1腰 部 固 定 立 柱 壳 体 ；2 腰 部 回 转 壳 体 ；3 四 点 接 触 球 轴 承 ；4 伺 服 电 机 组 件 ；5谐 波 减 速 器 ；5 4 30平 行 轴 式 腰 关 节2 134 1 电 机 ；2 齿 轮 ；3 空 心 立 柱 ；4 轴 承 31 v 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 。v 同 轴 式 腰 关 节 结 构 紧 凑 ， 腰 关 节 高 度 尺 寸 小 (使 用 特 制 轴 承的 缘 故 )， 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 过中 空 轴 ， 联 接 于 支 座 的 固 定 接 线 板 上 。 32 2.3.2 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 ，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 波传 动 、 摆 线 针 轮 或 齿 轮 传 动 等 。 关 节 结 构 形 式 有 ： 1、 同 轴 式 配 置 电 机 轴 线 与 关 节 轴 线 重 合 。 2、 偏 置 式 配 置 电 机 轴 线 与 关 节 轴 线 偏 离 一 定 距 离 。 同 轴 减 速 传 动 结 构 33同 轴 减 速 传 动 结 构 1 腰 支 座 ；2, 7 RV减 速 器 ；3, 6 驱 动 电 机 ；4 大 臂 ；5 曲 柄 ；8 轴 承 。123 4 5 678 34 1 大 臂 ；2 关 节 1电 机 ；3 小 臂 定 位 板 ；4 小 臂 ；5 气 动 阀 ； 6 立 柱 ；7 直 齿 轮 ； 8 中 间 齿 轮 ；9 机 座 ； 10 主 齿 轮 ；11 管 形 连 接 轴 ；12 手 腕 偏 置 减 速 传 动 结 构 (PUMA) 35 36 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 采用 滚 动 丝 杠 和 导 柱 (轨 )式 ； 后 者 可 采 用 油 缸 驱 动 齿 轮 齿 条 的 移动 结 构 。 导 柱 (轨 )起 到 导 向 及 承 受 支 承 力 与 弯 矩 矩 的 作 用 。 37 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 联而 成 ， 原 来 意 义 上 的 臂 (大 臂 、 小 臂 ) 已 演 化 成 一 个 节 ， 节与 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 独 立 驱 动 万 向 节 柔 性 臂 38多 节 万 向 节 型 柔 性 臂 39脊 骨 式 多 节 柔 性 臂 40连 杆 式 多 节 型 柔 性 臂1定 长 刚 性 臂 ； 2 并 联 机 构 柔 性 臂 41 2.3.3 手 腕 关 节1、 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 个旋 转 自 由 度 ， 用 于 调 整 装 配 件 的 方 位 。 SCARA 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 。 这 种 传 动 特 点 特别 适 合 于 电 子 线 路板 的 插 件 作 业 。 42 2、 两 自 由 度 手 腕两 种 常 见 的 配 置 形 式 汇 交 式 和 偏 置 式 （ 按 手 腕 轴 线 交点 与 手 臂 轴 线 位 置 划 分 ） 。 1-法 兰2 -齿 轮 轴3 - 锥 齿 轮4 -弹 簧5 -链 轮 6 -轴 承7 -链 轮8 -弹 簧9 -轴 承10 -转 壳1- 法 兰2 - 腕 壳3 - 锥 齿 轮 轴4 -小 臂5 -链 轮6 - 锥 齿 轮 轴7 -链 轮8 -链9 -弹 簧10 -弹 簧 汇 交 式 两 自 由 度 手 腕偏 置 式 两 自 由 度 手 腕 21 43 658 710943 51 2 8710 96 43 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 。 1 扁 平 谐 波 ； 2 杯 式 谐 波 ；3 齿 形 带 轮 ； 4 锥 齿 轮 ； 5 腕 壳谐 波 前 置 汇 交 手 腕 1 谐 波 减 速 ； 2 马 达 ； 3 链 轮 ； 4 腕 壳电 机 前 置 偏 置 手 腕 44 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 ； 3、 5 从 动 链 轮手 腕 传 动 示 意 图 45 3、 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 腕相 对 于 小 臂 的 转 动 自 由 度 而 形 成 的 。 三 自 由 度 手 腕 是 “ 万 向 ” 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 节型 机 器 人 都 采 用 了 三 自 由 度 手 腕 。 46 47 48 v 必 须 指 出 ，若 操 作 机 为 6自 由 度 ， 当手 腕 为 偏 置式 时 ， 运 动学 反 解 得 不出 解 析 的 显式 ， 且 动 力学 参 数 也 是强 耦 合 的 。设 计 时 必 须给 予 充 分 注意 。 49 KUKA IR662 100机 器 人 手 碗 传 动 图KUKA IR662 100机 器 人 手 碗 结 构 图Cincinnati Milacron T 3 机 器 人 腕 部 结 构 50 PUMA一 262 机 器 人 手 腕 传 动 原 理 51 4、 柔 顺 手 腕 结 构 机 器 人 精 密 装 配 时 ， 由 于 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 种 ： 一 种 是 控 制 的 角 度 ， 借 助 检 测 元 件 采取 边 校 正 、 边 装 配 的 方 式 ， 称 为 “ 主 动 柔 顺 装 配 ” ； 另 一 种是 从 结 构 的 角 度 在 手 腕 部 配 置 一 个 柔 顺 环 节 ， 这 种 柔 顺 装 配 技术 称 为 “ 被 动 柔 顺 装 配 ” 即 RCC (Remote Center Compliance)。 带 检 测 元 件 的 手 腕 移 动 摆 动 柔 顺 手 腕 柔 顺 手 腕 动 作 过 程 52板 弹 簧 柔 顺 手 腕 钢 丝 弹 簧 柔 顺 手 腕 53 2.4 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 、 喷涂 等 ） 和 作 业 对 象 的 不 同 （ 如 轴 类 、 板 类 、 箱 类 、 包 类 物体 等 ） ， 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 ： 1 卡 爪 式 夹 持 器 ； 2 吸 附 式 取 料 手 ； 3 专 用 操 作 器 及 换 接 器 4 仿 生 多 指 灵 巧 手 。 54 卡 爪 式 夹 持 器 通 常 有 两 个 夹 爪 ， 分 为 弹 力 型 、 回 转 型 和平 移 型 三 种 类 型 。 2.4.1 卡 爪 式 夹 持 器 几 种 弹 力 型 夹 持 器 1、 弹 力 型 夹 持 器 55 2、 回 转 型 夹 持 器开 合 占 用 空 间 较小 ， 但 是 夹 持 中心 变 化 。 56 3、 平 移 型 夹 持 器开 合 占 用 空 间 较 大 ， 但 是 夹 持 中 心 不 变 。 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 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 工 作 的 。 具 有 结 构 简 单 ， 重 量 轻 ， 吸 附 力 分 布 均 匀 等优 点 。 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 。 1、 气 吸 附 取 料 手 58气 流 负 压 气 吸 盘 挤 压 排 气 吸 盘真 空 气 吸 盘 59 2、 磁 吸 附 取 料 手 60 3、 专 用 操 作 器 及 换 接 器 61 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 。 4、 仿 生 多 指 灵 巧 手 UTACH MIT 多 指 手 三 指 手 双 拇 指 手 62 最 小 的 三 指 手 BHII 三 指 手 四 指 灵 巧 手 灵 巧 的 双 手 DLR多 指 手 哈 工 大 多 指 手 63 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 强度 和 很 轻 的 重 量 ， 但 刚 性 差 ， 较 大 的 弹 性 ， 不 利 于 控 制 。MIT手 、 JPL手 和 DLR-I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 Belgrade手 ， NASA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 一定 的 力 学 条 件 。 64 并 联 机 构 在 1965年 由 Stewart提 出 原 是 作 为 飞 行 模 拟 器用 于 训 练 飞 行 员 的 。 机 舱 由 6个 液 压 缸 支 撑 和 驱 动 ， 可 以 使机 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Hunt 在 1978年 提 出 。 可 以 应 用 6自 由 度 的 Stewart平 台 机 构作 为 机 器 人 机 构 。 到 80年 代 中 期 ， 国 际 上 研 究 并 联 机 器 人 的人 还 寥 寥 无 几 。 到 80年 代 末 特 别 是 90年 代 以 来 ， 并 联 式 机 器人 才 被 广 为 主 意 ， 并 成 为 了 新 的 热 点 。 2.6 并 联 机 器 人 机 构 65 66 67 68 3RPS机 构 6RSS机 构6SPS机 构 6SPS双 三 角 机 构 696RSS机 构6PSS机 构6SPS单 三 角 机 构 3RRR球 面 机 构 70 2.7 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 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 ； (2)履 带 式 移 动 机 构 ； (3)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 动机 构 和 蛇 行 式 移 动 机 构 等 适 合 于 一 些 特 别 的 场 合 。 71 2.7.1 轮 式 移 动 机 构 轮 式 移 动 机 构 依 据 车 轮 的 数 目 分 为 1轮 、 2轮 、 3轮 、 4轮 、5轮 、 6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 ，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 分 为 被 动 适 应 型 （ 自 适 应 ） 、 主 动 适 应 型 和 混 合适 应 型 三 类 。 72 73 74 75 76 车 轮 类 型 ： 77 转 向 方 式 ： （ Ackerman 转 向 ） 78（ 全 方 位 转 向 ） 2( )2( )( )L RR LR LR Lv vv w v vR v vv vw w wRLv Rv Lv Rvv （ 差 动 转 向 ） 79 麦 克 纳 姆 轮 轮 系 机 构 ： 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 81 履 带 形 式 82越 障 上 、 下 台 阶 关 节 履 带 83 履 带 张 紧 机 构 2.7.3 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 够自 主 选 择 有 利 的 落 足 点 ， 具 有 出 色 的 地 形 适 应 能 力 ； 此 外 ， 能够 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 100kg 美 国 big dog 腿 足 结 构 形 式 两 足 多 足l 稳 定 性 问 题 零 力 矩 点 （ ZMP） ： 机 器 人重 力 与 惯 性 力 合 力 的 延 长 线 与机 器 人 支 撑 面 的 交 点 。 l步 态 问 题 步 态 规 划 ： 86 2.7.4 轮 腿 式 移 动 机 构 87 2.6 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 ，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 ； 2） 材 料 的 加 工 工 艺 性 好 ； 3） 材 料 的 稳 定 性 好 ； 4） 材 料 的 密 度 尽 量 小 ； 5） 材 料 的 成 本 尽 可 能 低 ； 6） 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 境对 材 料 性 能 的 要 求 和 影 响 。 88 原 材 料 实 用 性 成 本 强 度 切 割 性 稳 定 性 抗 震 性 密 度木 材 优 优 良 良 良 良 小胶 合 板 优 良 良 中 等 中 等 优 较 小钢 材 良 良 优 较 差 优 优 大铝 （ 合 金） 良 中 等 良 中 等 优 中 等 较 大碎 料 板 优 良 良 中 等 中 等 差 较 小纸 板 优 优 差 优 差 差 小 有 机 玻 璃 良 优 中 等 中 等 良 差 较 小塑 料 良 优 中 等 中 等 中 等 中 等 较 小 部 分 原 材 料 对 比 表 89 主 要 参 考 文 献 ：（ 1） 柳 洪 义 ， 宋 伟 刚 编 著 ， 机 器 人 技 术 基 础 ， 冶 金 工 业 出 版 社 ， 2002（ 2） 龚 振 邦 等 ， 机 器 人 机 械 设 计 ， 电 子 工 业 出 版 社 ， 1995（ 3） 美 John J. Craig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 ， 2007, 16 (4):1-8 90 谐 波 传 动 ： 由 波 发 生 器 、 柔 轮 和 刚 轮 组 成 。主 要 特 点(1) 传 动 比 大 ， 单 级 为 50300。(2) 传 动 平 稳 ， 承 载 能 力 高 。(3) 传 动 效 率 高 ,可 达 70%90%。(4) 传 动 精 度 高 ,比 普 通 齿 轮 传 动 高 34倍 。(5) 回 差 小 。 回 差 可 小 于 3 。(6) 不 能 获 得 中 间 输 出 ， 柔 轮 刚 度 较 低 。 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 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 、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 26倍 ， 但 重 量 也 增 加 了 13倍 。 92 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 ， 必须 考 虑 张 紧 问 题 ， 否 则 也 会 产 生 很 大 的 回 差 。 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 (滚 道 )循 环 滚 动 。v为 了 消 除 回 差 (空 回 )， 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 ，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 重下 降 的 场 合 。v螺 母 两 端 及 丝 杠 的 外 露 部 分 必 须 密 封 。1一 齿 轮 ； 2一 返 回 装 置 ；3一 键 ； 4一 滚 珠 ；5一 丝 杠 ；6一 螺 母 ；7支 座 94思 考 题 ：1、 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 。 3、 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 。5、 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 。7、 移 动 机 器 人 的 转 向 方 式 。 参 考 文 献 ：1、 日 日 本 机 器 人 学 会 编 ， 宗 光 华 等 译 ， 机 器 人 技 术 手 册 ， 科 学 出 版 社 ， 2007。2、 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 。