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1、 機 器 人 本 體 的 結(jié) 構(gòu) 形 式& 第 二 章 機 器 人 的 主 要 結(jié) 構(gòu)機 器 人 本 體執(zhí) 行 機 構(gòu) 驅(qū) 動 裝 置 控 制 系 統(tǒng) 感 知 系 統(tǒng)手部（操作器 ） 腕部 臂部 腰部 電驅(qū)動裝置 液壓驅(qū)動裝置 氣壓驅(qū)動裝置 處理器 關(guān)節(jié)伺服控制器 內(nèi)部傳感器 外部傳感器 基 座（固定或移動）傳 動 裝 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 機 器 人 本 體 設(shè) 計 的 步 驟1、 作 業(yè) 分 析 作 業(yè) 分 析 包 括 任 務(wù) 分 析 和 環(huán) 境 分 析 ， 不 同 的 作 業(yè) 任 務(wù)和 環(huán) 境

2、對 機 器 人 操 作 及 的 方 案 設(shè) 計 有 著 決 定 性 的 影 響 。2、 總 體 方 案 設(shè) 計 （ 1） 確 定 動 力 源 （ 2） 確 定 構(gòu) 型 和 安 裝 方 式 （ 3） 確 定 自 由 度 （ 4） 確 定 動 力 容 量 和 傳 動 方 式 （ 5） 優(yōu) 化 運 動 參 數(shù) 和 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) （ 6） 確 定 平 衡 方 式 和 平 衡 量 （ 7） 繪 制 機 構(gòu) 運 動 簡 圖 4 3、 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 包 括 機 器 人 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 、 傳 動 系 統(tǒng) 的 配 置 及 其 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 ，關(guān) 節(jié) 及 桿 件 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 ， 平 衡 機 構(gòu) 的

3、 設(shè) 計 ， 走 線 及 電 器 接 口設(shè) 計 等 。4、 動 特 性 分 析 估 算 慣 性 參 數(shù) ， 建 立 系 統(tǒng) 動 力 學(xué) 模 型 進 行 仿 真 、 分 析 ，確 定 其 結(jié) 構(gòu) 固 有 頻 率 和 響 應(yīng) 特 性 。5、 施 工 設(shè) 計 完 成 施 工 圖 設(shè) 計 ， 編 制 相 關(guān) 技 術(shù) 文 件 。 例 ： 六 自 由 度 輕 型 機 械 臂 的 設(shè) 計 機 械 臂 的 設(shè) 計 指 標(biāo) ： 構(gòu) 型 設(shè) 計 原 則 自 由 度 為 主 ， 兼 顧 復(fù) 雜 程 度 、 剛 度 及 控 制 難 度 關(guān) 節(jié) 運 動 范 圍 盡 可 能 大 關(guān) 節(jié) 無 奇 異 工 作 空 間 無 死

4、 區(qū) ， 至 少 6自 由 度 構(gòu) 型 合 理 ， 驅(qū) 動 、 傳 動 布 置 模 塊 化 幾 何 構(gòu) 型 考 慮 運 動 學(xué) 逆 解 的 存 在 性 ： 1） 三 個 相 鄰 關(guān) 節(jié) 軸 線交 于 一 點 ， 2） 三 個 相 鄰 關(guān) 節(jié) 軸 線 相 互 平 行 6自 由 度 輕 型 臂 構(gòu) 型 傳 動 方 案 設(shè) 計 集 成 化 設(shè) 計 驅(qū) 動 、 傳 動 、傳 感 、 控 制 集 成 化 設(shè) 計 電 氣 及 傳 感 器 2.2 機 器 人 的 驅(qū) 動 與 傳 動 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 驅(qū) 動 器 （ 通 過 聯(lián) 軸 器 ） 帶 動 傳 動 裝 置 (一 般 為 減 速 器 )， 再 通 過 關(guān)

5、 節(jié) 軸 帶 動 桿 件 運 動 。 最 常 用 的 運 動 關(guān) 節(jié) 轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié) 和 移 (直 )動 關(guān) 節(jié) 。 為 了 進 行 位 置 和 速 度 控 制 ， 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 中 還 包 括 位 置 和速 度 檢 測 元 件 。 2.2.1 驅(qū) 動 傳 動 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成 13 1碼 盤 ；2 測 速 機 ；3 電 機 ；4 聯(lián) 軸 器 ；5 傳 動 裝 置 ；6 轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié) ；7 桿 8 電 機 ； 9 聯(lián) 軸 器 ；10 螺 旋 副 ；11 移 動 關(guān) 節(jié) ； 12 電 位 器 (或 光 柵 尺 ) 伺 服 電 機 驅(qū) 動 關(guān) 節(jié) 伺 服 電 機 +聯(lián) 軸 節(jié) +傳 動 裝

6、置 +運 動 關(guān) 節(jié) +反 饋 元 件 1 電 動 驅(qū) 動 裝 置 電 動 驅(qū) 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(lián) ， 直 接 驅(qū) 動 比 較 困 難 。 電 動 驅(qū) 動 裝 置 又 可 分 為 直 流 (DC)、 交 流 (AC)伺 服 電 機 驅(qū) 動 和 步 進 電機 驅(qū) 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 了越 來 越 廣 泛 的 應(yīng) 用 。 步 進 電 機 驅(qū) 動 多 為

7、 開 環(huán) 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(tǒng) 。2.2.2 驅(qū) 動 裝 置 的 類 型 和 特 點 直 流 電 機 （ 有 刷 ） 步 進 電 機盤 式 無 刷 直 流 電 機 交 流 伺 服 電 機 15 2. 液 壓 驅(qū) 動 裝 置 優(yōu) 點 ： 功 率 大 ， 可 省 去 減 速 裝 置 直 接 與被 驅(qū) 動 的 桿 件 相 連 ， 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 剛 度 好， 響 應(yīng) 快 ， 伺 服 驅(qū) 動 具 有 較 高 的 精 度 。 缺 點 ： 需 要 增 設(shè) 液 壓 源 ， 易 產(chǎn) 生 液 體 泄漏 ， 不 適 合 高 、

8、 低 溫 場 合 ， 故 液 壓 驅(qū) 動目 前 多 用 于 特 大 功 率 的 機 器 人 系 統(tǒng) 。 液 壓 馬 達液 壓 擺 動 馬 達 液 壓 控 制 閥液 壓 泵 應(yīng) 用 ： 并 聯(lián) 機 器 人 （ 六 自 由 度 搖 擺 臺 ） 20 3 氣 動 驅(qū) 動 裝 置 氣 壓 驅(qū) 動 的 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 清 潔 ， 動 作 靈 敏 ， 具 有 緩 沖 作 用 。但 與 液 壓 驅(qū) 動 裝 置 相 比 ， 功 率 較 小 ， 剛 度 差 ， 噪 音 大 ， 速 度不 易 控 制 ， 所 以 多 用 于 精 度 不 高 的 點 位 控 制 機 器 人 。 氣動馬達 氣動擺動馬達 氣缸 氣泵

9、 氣動三大件 氣動控制閥 21 4 其 它 驅(qū) 動 裝 置 作 為 特 殊 的 驅(qū) 動 裝 置 ， 有 壓 電 晶 體 、 形 狀 記 憶 合 金 、 人 工肌 肉 等 。 壓 電 微 驅(qū) 動 并 聯(lián) 機 器 人 形 狀 記 憶 合 金 驅(qū) 動 機 器 人 手 22 驅(qū) 動 裝 置 的 選 擇 應(yīng) 以 作 業(yè) 要 求 、 生 產(chǎn) 環(huán) 境 為 先 決 條 件 ，以 價 格 高 低 、 技 術(shù) 水 平 為 評 價 標(biāo) 準(zhǔn) 。 一 般 說 來 ， 目 前 負 荷 為 100 kg以 下 的 ,可 優(yōu) 先 考 慮 電 動 驅(qū)動 裝 置 。 只 須 點 位 控 制 且 負 荷 較 小 者 ， 或 有 防

10、 暴 、 清 潔 等 特 殊 要求 者 ， 可 采 用 氣 動 驅(qū) 動 裝 置 。 負 荷 很 大 或 機 器 人 周 圍 已 有 液 壓 源 的 常 溫 場 合 ， 可 采 用液 壓 驅(qū) 動 裝 置 。 對 于 驅(qū) 動 裝 置 來 說 ， 最 重 要 的 指 標(biāo) 要 求 是 起 動 力 矩 大 ，調(diào) 速 范 圍 寬 ， 慣 量 小 ， 尺 寸 小 ， 同 時 還 要 有 性 能 好 、 與 之配 套 的 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng) 。5 驅(qū) 動 裝 置 的 選 擇 原 則 23 2.2.3 機 器 人 的 常 用 傳 動 機 構(gòu)1. 機 器 人 傳 動 機 構(gòu) 的 基 本 要 求(1) 結(jié) 構(gòu)

11、緊 湊 ， 即 同 比 體 積 最 小 、 重 量 最 輕 ；(2) 傳 動 剛 度 大 ， 即 承 受 力 矩 作 用 時 變 形 要 小 ， 以 提 高 整 機 的 固 有 領(lǐng) 率 ， 降 低 整 機 的 低 頻 振 動 ；(3) 回 差 小 ， 即 由 正 轉(zhuǎn) 到 反 轉(zhuǎn) 時 空 行 程 要 小 ， 以 得 到 較 高 的 位 置 控 制 精 度 ；(4) 壽 命 長 、 價 格 低 。 微 電 機 +減 速 器 微 小 型 減 速 器 24 2. 機 器 人 常 用 傳 動 機 構(gòu) 機 器 人 幾 乎 使 用 了 目 前 出 現(xiàn) 的 絕 大 多 數(shù) 傳 動 機 構(gòu) 。 25 26 其

12、中 腰 關(guān) 節(jié) 最 常 用 諧 波 傳 動 、 齒 輪 /蝸 輪 傳 動 ； 臂 關(guān) 節(jié) 最 常用 諧 波 傳 動 、 RV擺 線 針 輪 行 星 傳 動 和 滾 動 螺 旋 傳 動 。 腕 關(guān) 節(jié)最 常 用 齒 輪 傳 動 、 諧 波 傳 動 、 同 步 帶 傳 動 和 綱 繩 傳 動 。 27 關(guān) 節(jié) 是 操 作 機 各 桿 件 間 的 結(jié) 合 部 分 ， 通 常 為 轉(zhuǎn) 動 和 移 動 兩種 類 型 。工 業(yè) 機 器 人 前 三 關(guān) 節(jié) 通 常 稱 作 腰 關(guān) 節(jié) 、 肩 關(guān) 節(jié) 和 肘 關(guān) 節(jié) ，它 們 決 定 了 操 作 機 的 位 置 。 后 面 關(guān) 節(jié) 決 定 了 操 作 機 的

13、 姿 態(tài) ，稱 作 腕 部 關(guān) 節(jié) 。 2.3.1 腰 關(guān) 節(jié) 腰 關(guān) 節(jié) 為 回 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) ， 既 承 受 很 大 的 軸 向 力 、 徑 向 力 ， 又 承受 傾 翻 力 矩 ， 且 應(yīng) 具 有 較 高 的 運 動 精 度 和 剛 度 。 腰 關(guān) 節(jié) 多 采 用 高 剛 性 的 RV減 速 器 傳 動 ， 也 可 采 用 諧 波 傳動 、 擺 線 針 輪 或 蝸 桿 傳 動 。 其 轉(zhuǎn) 動 副 多 采 用 薄 壁 軸 承 或 四 點接 觸 軸 承 ， 有 的 還 設(shè) 計 有 調(diào) 隙 機 構(gòu) 。 對 于 液 壓 驅(qū) 動 關(guān) 節(jié) ， 多 采 用 回 轉(zhuǎn) 缸 +齒 輪 傳 動 機 構(gòu) 。 2.

14、3 工 業(yè) 機 器 人 關(guān) 節(jié) 的 構(gòu) 造 及 其 傳 動 配 置 281 電 機 ； 2 RV減 速 器 ， 3 支 架 ， 4 交 叉 滾 子 軸 承 ； 5 電 纜同 軸 式 腰 關(guān) 節(jié) 電 機 上 置 ) 12345 29同 軸 式 腰 關(guān) 節(jié) (電 機 下 置 ) 1腰 部 固 定 立 柱 殼 體 ；2 腰 部 回 轉(zhuǎn) 殼 體 ；3 四 點 接 觸 球 軸 承 ；4 伺 服 電 機 組 件 ；5諧 波 減 速 器 ；5 4 30平 行 軸 式 腰 關(guān) 節(jié)2 134 1 電 機 ；2 齒 輪 ；3 空 心 立 柱 ；4 軸 承 31 v 由 上 面 的 圖 例 可 以 看 出 ， 腰

15、關(guān) 節(jié) 的 回 轉(zhuǎn) 副 主 要 是 兩 種 類 型 ：使 用 交 叉 滾 子 或 四 點 接 觸 式 軸 承 的 同 軸 式 或 平 行 軸 式 。v 同 軸 式 腰 關(guān) 節(jié) 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 腰 關(guān) 節(jié) 高 度 尺 寸 小 (使 用 特 制 軸 承的 緣 故 )， 但 關(guān) 節(jié) 的 各 種 電 纜 走 線 比 較 困 難 ， 大 多 是 在 固 定 的中 間 柱 體 外 面 留 有 較 大 的 環(huán) 形 空 間 ， 使 電 纜 以 盤 旋 的 形 式 松 松地 套 在 中 間 柱 體 上 ， 當(dāng) 腰 支 架 等 機 體 轉(zhuǎn) 動 時 ， 電 纜 猶 如 盤 旋 彈簧 般 收 緊 或 放 松 。

16、對 于 平 行 軸 式 腰 關(guān) 節(jié) ， 電 纜 則 可 方 便 地 通 過中 空 軸 ， 聯(lián) 接 于 支 座 的 固 定 接 線 板 上 。 32 2.3.2 肩 關(guān) 節(jié) 和 肘 關(guān) 節(jié) 對 于 開 式 連 桿 結(jié) 構(gòu) ， 肩 關(guān) 節(jié) （ 大 臂 關(guān) 節(jié) ） 位 于 腰 部 的 支 座 上 ，多 采 用 RV減 速 器 傳 動 、 諧 波 傳 動 或 擺 線 針 輪 傳 動 ； 也 可 采 用 滾動 螺 旋 組 合 連 桿 機 構(gòu) 或 直 接 應(yīng) 用 齒 輪 機 構(gòu) 。 肘 關(guān) 節(jié) （ 小 臂 關(guān) 節(jié) ） 位 于 大 臂 與 小 臂 的 聯(lián) 接 處 ， 多 采 用 諧 波傳 動 、 擺 線 針

17、 輪 或 齒 輪 傳 動 等 。 關(guān) 節(jié) 結(jié) 構(gòu) 形 式 有 ： 1、 同 軸 式 配 置 電 機 軸 線 與 關(guān) 節(jié) 軸 線 重 合 。 2、 偏 置 式 配 置 電 機 軸 線 與 關(guān) 節(jié) 軸 線 偏 離 一 定 距 離 。 同 軸 減 速 傳 動 結(jié) 構(gòu) 33同 軸 減 速 傳 動 結(jié) 構(gòu) 1 腰 支 座 ；2, 7 RV減 速 器 ；3, 6 驅(qū) 動 電 機 ；4 大 臂 ；5 曲 柄 ；8 軸 承 。123 4 5 678 34 1 大 臂 ；2 關(guān) 節(jié) 1電 機 ；3 小 臂 定 位 板 ；4 小 臂 ；5 氣 動 閥 ； 6 立 柱 ；7 直 齒 輪 ； 8 中 間 齒 輪 ；9

18、 機 座 ； 10 主 齒 輪 ；11 管 形 連 接 軸 ；12 手 腕 偏 置 減 速 傳 動 結(jié) 構(gòu) (PUMA) 35 36 直 動 關(guān) 節(jié) 直 動 關(guān) 節(jié) 可 有 兩 種 類 型 ； 電 機 驅(qū) 動 和 液 壓 驅(qū) 動 。 前 者 多 采用 滾 動 絲 杠 和 導(dǎo) 柱 (軌 )式 ； 后 者 可 采 用 油 缸 驅(qū) 動 齒 輪 齒 條 的 移動 結(jié) 構(gòu) 。 導(dǎo) 柱 (軌 )起 到 導(dǎo) 向 及 承 受 支 承 力 與 彎 矩 矩 的 作 用 。 37 多 關(guān) 節(jié) 柔 性 臂 多 關(guān) 節(jié) 柔 性 臂 也 稱 作 象 鼻 型 或 蛇 型 臂 。 其 手 臂 由 多 節(jié) 串 聯(lián)而 成 ， 原

19、 來 意 義 上 的 臂 (大 臂 、 小 臂 ) 已 演 化 成 一 個 節(jié) ， 節(jié)與 節(jié) 之 間 可 以 相 對 擺 動 。 嚴 格 講 ， 多 關(guān) 節(jié) 柔 性 臂 并 不 是 全 柔 性 的 ， 稱 其 為 蛇 型 臂 較為 合 適 。 由 于 柔 性 臂 的 關(guān) 節(jié) 多 ， 能 滿 足 避 障 等 特 殊 需 要 。多 級 聯(lián) 動 萬 向 節(jié) 柔 性 臂 多 級 獨 立 驅(qū) 動 萬 向 節(jié) 柔 性 臂 38多 節(jié) 萬 向 節(jié) 型 柔 性 臂 39脊 骨 式 多 節(jié) 柔 性 臂 40連 桿 式 多 節(jié) 型 柔 性 臂1定 長 剛 性 臂 ； 2 并 聯(lián) 機 構(gòu) 柔 性 臂 41 2.3.

20、3 手 腕 關(guān) 節(jié)1、 單 自 由 度 手 腕 SCARA水 平 關(guān) 節(jié) 裝 配 機 器 人 的 手 腕 只 有 繞 垂 直 軸 的 一 個旋 轉(zhuǎn) 自 由 度 ， 用 于 調(diào) 整 裝 配 件 的 方 位 。 SCARA 機 器 人 傳 動 為 兩 級 等 徑 輪 齒 形 帶 ， 所 以 大 、 小 臂 的 轉(zhuǎn) 動 不 影 響 末 端執(zhí) 行 器 的 水 平 方 位 ， 而 該 方 位 的 調(diào) 整 完 全 取 決 于 腕 轉(zhuǎn) 動 的 驅(qū) 動電 機 。 這 種 傳 動 特 點 特別 適 合 于 電 子 線 路板 的 插 件 作 業(yè) 。 42 2、 兩 自 由 度 手 腕兩 種 常 見 的 配 置 形

21、 式 匯 交 式 和 偏 置 式 （ 按 手 腕 軸 線 交點 與 手 臂 軸 線 位 置 劃 分 ） 。 1-法 蘭2 -齒 輪 軸3 - 錐 齒 輪4 -彈 簧5 -鏈 輪 6 -軸 承7 -鏈 輪8 -彈 簧9 -軸 承10 -轉(zhuǎn) 殼1- 法 蘭2 - 腕 殼3 - 錐 齒 輪 軸4 -小 臂5 -鏈 輪6 - 錐 齒 輪 軸7 -鏈 輪8 -鏈9 -彈 簧10 -彈 簧 匯 交 式 兩 自 由 度 手 腕偏 置 式 兩 自 由 度 手 腕 21 43 658 710943 51 2 8710 96 43 兩 自 由 度 手 腕 的 另 兩 種 結(jié) 構(gòu) ： 諧 波 減 速 器 前 置 的

22、 匯 交 型手 腕 ； 驅(qū) 動 電 機 與 諧 波 減 速 器 前 置 的 偏 置 型 手 腕 。 1 扁 平 諧 波 ； 2 杯 式 諧 波 ；3 齒 形 帶 輪 ； 4 錐 齒 輪 ； 5 腕 殼諧 波 前 置 匯 交 手 腕 1 諧 波 減 速 ； 2 馬 達 ； 3 鏈 輪 ； 4 腕 殼電 機 前 置 偏 置 手 腕 44 誘 導(dǎo) 運 動 把 某 一 桿 件 因 另 一 桿 件 的 被 驅(qū) 動 而 引 起 的 運 動 ， 稱 作 誘 導(dǎo)運 動 。 在 進 行 機 器 人 運 動 學(xué) 計 算 時 ， 必 須 考 慮 誘 導(dǎo) 運 動 。 2 主 動 鏈 輪 ； 3、 5 從 動 鏈 輪手

23、 腕 傳 動 示 意 圖 45 3、 三 自 由 度 手 腕 三 自 由 度 手 腕 是 在 兩 自 由 度 手 腕 的 基 礎(chǔ) 上 加 一 個 整 個 手 腕相 對 于 小 臂 的 轉(zhuǎn) 動 自 由 度 而 形 成 的 。 三 自 由 度 手 腕 是 “ 萬 向 ” 型 手 腕 ， 結(jié) 構(gòu) 形 式 繁 多 ， 可 以 完成 兩 自 由 度 手 腕 很 多 無 法 完 成 的 作 業(yè) 。 近 年 來 ， 大 多 數(shù) 關(guān) 節(jié)型 機 器 人 都 采 用 了 三 自 由 度 手 腕 。 46 47 48 v 必 須 指 出 ，若 操 作 機 為 6自 由 度 ， 當(dāng)手 腕 為 偏 置式 時 ， 運 動

24、學(xué) 反 解 得 不出 解 析 的 顯式 ， 且 動 力學(xué) 參 數(shù) 也 是強 耦 合 的 。設(shè) 計 時 必 須給 予 充 分 注意 。 49 KUKA IR662 100機 器 人 手 碗 傳 動 圖KUKA IR662 100機 器 人 手 碗 結(jié) 構(gòu) 圖Cincinnati Milacron T 3 機 器 人 腕 部 結(jié) 構(gòu) 50 PUMA一 262 機 器 人 手 腕 傳 動 原 理 51 4、 柔 順 手 腕 結(jié) 構(gòu) 機 器 人 精 密 裝 配 時 ， 由 于 被 裝 配 零 件 的 不 一 致 性 、 工 件 定 位夾 具 及 機 器 人 手 部 的 定 位 精 度 無 法 滿 足

25、裝 配 要 求 時 ， 會 導(dǎo) 致 裝配 困 難 甚 至 失 敗 。 這 就 提 出 了 裝 配 動 作 的 柔 順 性 要 求 。 柔 順 裝 配 技 術(shù) 有 兩 種 ： 一 種 是 控 制 的 角 度 ， 借 助 檢 測 元 件 采取 邊 校 正 、 邊 裝 配 的 方 式 ， 稱 為 “ 主 動 柔 順 裝 配 ” ； 另 一 種是 從 結(jié) 構(gòu) 的 角 度 在 手 腕 部 配 置 一 個 柔 順 環(huán) 節(jié) ， 這 種 柔 順 裝 配 技術(shù) 稱 為 “ 被 動 柔 順 裝 配 ” 即 RCC (Remote Center Compliance)。 帶 檢 測 元 件 的 手 腕 移 動 擺

26、動 柔 順 手 腕 柔 順 手 腕 動 作 過 程 52板 彈 簧 柔 順 手 腕 鋼 絲 彈 簧 柔 順 手 腕 53 2.4 機 器 人 的 手 部 機 器 人 手 部 是 機 器 人 為 了 進 行 作 業(yè) ， 在 手 腕 上 配 置 的 操作 機 構(gòu) 。 因 此 有 時 也 稱 為 末 端 操 作 器 。 由 于 機 器 人 作 業(yè) 內(nèi) 容 的 差 異 （ 如 搬 運 、 裝 配 、 焊 接 、 噴涂 等 ） 和 作 業(yè) 對 象 的 不 同 （ 如 軸 類 、 板 類 、 箱 類 、 包 類 物體 等 ） ， 手 部 的 形 式 多 樣 。 綜 合 考 慮 手 部 的 用 途 、 功

27、能 和結(jié) 構(gòu) 持 點 ， 大 致 可 分 成 以 下 幾 類 ： 1 卡 爪 式 夾 持 器 ； 2 吸 附 式 取 料 手 ； 3 專 用 操 作 器 及 換 接 器 4 仿 生 多 指 靈 巧 手 。 54 卡 爪 式 夾 持 器 通 常 有 兩 個 夾 爪 ， 分 為 彈 力 型 、 回 轉(zhuǎn) 型 和平 移 型 三 種 類 型 。 2.4.1 卡 爪 式 夾 持 器 幾 種 彈 力 型 夾 持 器 1、 彈 力 型 夾 持 器 55 2、 回 轉(zhuǎn) 型 夾 持 器開 合 占 用 空 間 較小 ， 但 是 夾 持 中心 變 化 。 56 3、 平 移 型 夾 持 器開 合 占 用 空 間 較

28、大 ， 但 是 夾 持 中 心 不 變 。 57 吸 式 取 料 手 是 目 前 應(yīng) 用 較 多 的 一 種 執(zhí) 行 器 ， 特 別 是 用 于 搬運 機 器 人 。 該 類 執(zhí) 行 器 可 分 氣 吸 和 磁 吸 兩 類 。 2.4.2 吸 附 式 取 料 手 氣 吸 附 取 料 手 是 利 用 吸 盤 內(nèi) 的 壓 力 與 大 氣 壓 之 間 的 壓 力差 而 工 作 的 。 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 重 量 輕 ， 吸 附 力 分 布 均 勻 等優(yōu) 點 。 按 形 成 壓 力 的 方 法 ， 可 分 成 真 空 氣 吸 、 氣 流 負 壓 氣 吸 、擠 壓 排 氣 負 壓 氣 吸 式 兒

29、 種 。 1、 氣 吸 附 取 料 手 58氣 流 負 壓 氣 吸 盤 擠 壓 排 氣 吸 盤真 空 氣 吸 盤 59 2、 磁 吸 附 取 料 手 60 3、 專 用 操 作 器 及 換 接 器 61 人 手 是 最 靈 巧 的 夾 持 器 ， 如 果 模 擬 人 手 結(jié) 構(gòu) ， 就 能 制 造出 結(jié) 構(gòu) 最 優(yōu) 的 夾 持 器 。 但 由 于 人 手 自 由 度 較 多 ， 驅(qū) 動 和 控制 都 十 分 復(fù) 雜 ， 迄 今 為 止 ， 只 是 制 造 出 了 一 些 原 理 樣 機 ，離 工 業(yè) 應(yīng) 用 還 有 一 定 的 差 距 。 4、 仿 生 多 指 靈 巧 手 UTACH MIT

30、多 指 手 三 指 手 雙 拇 指 手 62 最 小 的 三 指 手 BHII 三 指 手 四 指 靈 巧 手 靈 巧 的 雙 手 DLR多 指 手 哈 工 大 多 指 手 63 手 指 關(guān) 節(jié) 的 設(shè) 計手 指 主 要 用 于 抓 握 動 作 ， 要 求 動 作 靈 活 ， 剛 度 好 ， 具 有 較 大的 抓 握 力 。 就 其 手 的 結(jié) 構(gòu) 而 言 ， 傳 動 機 構(gòu) 有 三 種 方 式 ：1) 腱 傳 動 ， 特 點 是 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 節(jié) 省 空 間 ， 具 有 很 高 的 抗 拉 強度 和 很 輕 的 重 量 ， 但 剛 性 差 ， 較 大 的 彈 性 ， 不 利 于 控 制

31、 。MIT手 、 JPL手 和 DLR-I手 都 是 這 種 方 式 。2) 齒 輪 傳 動 ， 特 點 是 傳 動 比 可 靠 ， 但 是 摩 擦 較 大 ， 有 回 程 間隙 ， 占 用 空 間 大 。3) 連 桿 傳 動 ， 剛 度 好 ， 加 工 制 造 比 較 簡 單 ， 高 精 度 ， 能 實 現(xiàn)多 種 運 動 規(guī) 律 和 軌 跡 的 要 求 。 但 是 設(shè) 計 復(fù) 雜 ， 不 能 精 確 地 滿足 各 種 運 動 規(guī) 律 的 要 求 。 典 型 的 如 Belgrade手 ， NASA手 等 。4） 欠 驅(qū) 動 手 指 關(guān) 節(jié) ， 可 簡 化 機 械 結(jié) 構(gòu) 及 控 制 ， 但

32、需 要 滿 足 一定 的 力 學(xué) 條 件 。 64 并 聯(lián) 機 構(gòu) 在 1965年 由 Stewart提 出 原 是 作 為 飛 行 模 擬 器用 于 訓(xùn) 練 飛 行 員 的 。 機 艙 由 6個 液 壓 缸 支 撐 和 驅(qū) 動 ， 可 以 使機 艙 獲 得 任 何 需 要 的 位 姿 。 在 串 聯(lián) 機 器 人 發(fā) 展 方 興 未 艾 時 ， 澳 大 利 亞 著 名 機 構(gòu) 學(xué) 教 授Hunt 在 1978年 提 出 。 可 以 應(yīng) 用 6自 由 度 的 Stewart平 臺 機 構(gòu)作 為 機 器 人 機 構(gòu) 。 到 80年 代 中 期 ， 國 際 上 研 究 并 聯(lián) 機 器 人 的人 還

33、寥 寥 無 幾 。 到 80年 代 末 特 別 是 90年 代 以 來 ， 并 聯(lián) 式 機 器人 才 被 廣 為 主 意 ， 并 成 為 了 新 的 熱 點 。 2.6 并 聯(lián) 機 器 人 機 構(gòu) 65 66 67 68 3RPS機 構(gòu) 6RSS機 構(gòu)6SPS機 構(gòu) 6SPS雙 三 角 機 構(gòu) 696RSS機 構(gòu)6PSS機 構(gòu)6SPS單 三 角 機 構(gòu) 3RRR球 面 機 構(gòu) 70 2.7 移 動 機 器 人 機 構(gòu) 移 動 功 能 的 機 器 人 可 認 為 是 人 類 行 走 功 能 的 模 擬 和 擴 展 。 移 動 機 器 人 多 是 針 對 陸 上 表 面 環(huán) 境 的 。 其 機 構(gòu)

34、 形 式 主 要 有 ： (1)車 輪 式 移 動 機 構(gòu) ； (2)履 帶 式 移 動 機 構(gòu) ； (3)腿 足 式 移 動 機 構(gòu) 。 此 外 ， 近 有 步 進 式 移 動 機 構(gòu) 、 蠕 動 式 移 動 機 構(gòu) 、 混 合 式 移 動機 構(gòu) 和 蛇 行 式 移 動 機 構(gòu) 等 適 合 于 一 些 特 別 的 場 合 。 71 2.7.1 輪 式 移 動 機 構(gòu) 輪 式 移 動 機 構(gòu) 依 據(jù) 車 輪 的 數(shù) 目 分 為 1輪 、 2輪 、 3輪 、 4輪 、5輪 、 6輪 以 及 多 輪 機 構(gòu) 。 輪 式 移 動 系 統(tǒng) 機 構(gòu) 簡 單 ， 質(zhì) 量 輕 ， 功 耗 小 ， 控 制 方

35、 便 ，運 動 靈 活 。 缺 點 是 其 越 野 能 力 較 差 ， 但 可 以 通 過 選 擇 合 適 的懸 架 系 統(tǒng) 來 提 高 其 地 形 適 應(yīng) 能 力 。 懸 架 系 統(tǒng) 分 為 被 動 適 應(yīng) 型 （ 自 適 應(yīng) ） 、 主 動 適 應(yīng) 型 和 混 合適 應(yīng) 型 三 類 。 72 73 74 75 76 車 輪 類 型 ： 77 轉(zhuǎn) 向 方 式 ： （ Ackerman 轉(zhuǎn) 向 ） 78（ 全 方 位 轉(zhuǎn) 向 ） 2( )2( )( )L RR LR LR Lv vv w v vR v vv vw w wRLv Rv Lv Rvv （ 差 動 轉(zhuǎn) 向 ） 79 麥 克 納 姆

36、輪 輪 系 機 構(gòu) ： 80 履 帶 式 移 動 機 構(gòu) 是 輪 式 移 動 機 構(gòu) 的 拓 展 ， 履 帶 本 身 起 著 給車 輪 連 續(xù) 鋪 路 的 作 用 ， 著 地 面 積 較 大 ， 壓 強 較 小 ， 與 路 面 的粘 著 力 較 強 ， 能 在 不 平 和 松 軟 的 路 面 上 穩(wěn) 定 移 動 ， 具 有 很 強的 越 野 能 力 ， 控 制 也 簡 單 。 但 功 耗 較 大 ， 運 動 靈 活 性 差 。 2.7.2 履 帶 式 移 動 機 構(gòu) 81 履 帶 形 式 82越 障 上 、 下 臺 階 關(guān) 節(jié) 履 帶 83 履 帶 張 緊 機 構(gòu) 2.7.3 腿 足 式 移

37、動 機 構(gòu) 腿 足 式 移 動 系 統(tǒng) 的 特 點 是 落 足 點 為 幾 個 離 散 的 位 置 點 ， 能 夠自 主 選 擇 有 利 的 落 足 點 ， 具 有 出 色 的 地 形 適 應(yīng) 能 力 ； 此 外 ， 能夠 自 主 隔 振 ， 保 證 系 統(tǒng) 沿 平 滑 預(yù) 定 的 軌 跡 運 行 其 機 械 結(jié) 構(gòu) 和 控 制 系 統(tǒng) 復(fù) 雜 ， 系 統(tǒng) 可 靠 性 低 ； 在 松 軟 沙 地 行走 時 ， 抗 沉 陷 性 較 差 ， 效 率 較 低 ， 功 耗 也 大 。 日 本 雙 足 機 器 人 載 重 100kg 美 國 big dog 腿 足 結(jié) 構(gòu) 形 式 兩 足 多 足l 穩(wěn)

38、定 性 問 題 零 力 矩 點 （ ZMP） ： 機 器 人重 力 與 慣 性 力 合 力 的 延 長 線 與機 器 人 支 撐 面 的 交 點 。 l步 態(tài) 問 題 步 態(tài) 規(guī) 劃 ： 86 2.7.4 輪 腿 式 移 動 機 構(gòu) 87 2.6 機 器 人 本 體 的 材 料 制 作 機 器 人 的 材 料 是 多 種 多 樣 的 。 選 擇 制 作 材 料 時 ，主 要 考 慮 以 下 幾 個 方 面 ： 1） 材 料 要 能 滿 足 機 器 人 的 強 度 和 剛 度 要 求 ； 2） 材 料 的 加 工 工 藝 性 好 ； 3） 材 料 的 穩(wěn) 定 性 好 ； 4） 材 料 的 密 度

39、 盡 量 小 ； 5） 材 料 的 成 本 盡 可 能 低 ； 6） 機 器 人 的 用 途 。 此 外 ， 對 于 一 些 特 殊 環(huán) 境 下 的 機 器 人 ， 還 要 考 慮 環(huán) 境對 材 料 性 能 的 要 求 和 影 響 。 88 原 材 料 實 用 性 成 本 強 度 切 割 性 穩(wěn) 定 性 抗 震 性 密 度木 材 優(yōu) 優(yōu) 良 良 良 良 小膠 合 板 優(yōu) 良 良 中 等 中 等 優(yōu) 較 小鋼 材 良 良 優(yōu) 較 差 優(yōu) 優(yōu) 大鋁 （ 合 金） 良 中 等 良 中 等 優(yōu) 中 等 較 大碎 料 板 優(yōu) 良 良 中 等 中 等 差 較 小紙 板 優(yōu) 優(yōu) 差 優(yōu) 差 差 小 有 機

40、玻 璃 良 優(yōu) 中 等 中 等 良 差 較 小塑 料 良 優(yōu) 中 等 中 等 中 等 中 等 較 小 部 分 原 材 料 對 比 表 89 主 要 參 考 文 獻 ：（ 1） 柳 洪 義 ， 宋 偉 剛 編 著 ， 機 器 人 技 術(shù) 基 礎(chǔ) ， 冶 金 工 業(yè) 出 版 社 ， 2002（ 2） 龔 振 邦 等 ， 機 器 人 機 械 設(shè) 計 ， 電 子 工 業(yè) 出 版 社 ， 1995（ 3） 美 John J. Craig著 ， 贠 遠 超 譯 ， 機 器 人 學(xué) 導(dǎo) 論 ， 機 械 工 業(yè) 出 版 社 ， 2006.6（ 4） 于 登 云 等 ， 空 間 機 械 臂 技 術(shù) 及 發(fā) 展

41、建 議 ， 航 天 器 工 程 ， 2007, 16 (4):1-8 90 諧 波 傳 動 ： 由 波 發(fā) 生 器 、 柔 輪 和 剛 輪 組 成 。主 要 特 點(1) 傳 動 比 大 ， 單 級 為 50300。(2) 傳 動 平 穩(wěn) ， 承 載 能 力 高 。(3) 傳 動 效 率 高 ,可 達 70%90%。(4) 傳 動 精 度 高 ,比 普 通 齒 輪 傳 動 高 34倍 。(5) 回 差 小 。 回 差 可 小 于 3 。(6) 不 能 獲 得 中 間 輸 出 ， 柔 輪 剛 度 較 低 。 91 RV擺 線 針 輪 行 星 傳 動 ： 是 由 一 級 行 星 輪 系 再 串 聯(lián)

42、 一 級擺 線 針 輪 減 速 器 組 合 而 成 的 。RV擺 線 針 輪 傳 動 除 了 具 有 相 同 的 速 比 大 、 同 軸 線 傳 動 、結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、 效 率 高 等 待 點 外 ， 最 顯 著 的 特 點 是 剛 性 好 ， 傳動 剛 度 較 諧 波 傳 動 要 大 26倍 ， 但 重 量 也 增 加 了 13倍 。 92 齒 輪 傳 動 、 蝸 輪 傳 動 和 齒 輪 齒 條 傳 動 應(yīng) 用 于 機 器 人 傳 動機 構(gòu) 時 ， 須 特 別 注 意 消 除 間 隙 問 題 ， 否 則 回 差 很 大 ， 達 不到 應(yīng) 有 的 轉(zhuǎn) 角 精 度 要 求 。 對 于 鏈 傳

43、動 、 齒 形 帶 傳 動 、 鋼 帶 傳 動 和 鋼 絲 繩 傳 動 ， 必須 考 慮 張 緊 問 題 ， 否 則 也 會 產(chǎn) 生 很 大 的 回 差 。 93 滾 動 螺 旋 傳 動 ： 在 具 有 螺 旋 槽 的 絲 杠 與 螺 母 之 間 放 入 適 當(dāng)?shù)?滾 珠 ， 使 其 由 滑 動 摩 擦 變 為 滾 動 摩 擦 的 一 種 螺 旋 傳 動 ， 滾珠 在 工 作 過 程 中 ， 順 螺 旋 槽 (滾 道 )循 環(huán) 滾 動 。v為 了 消 除 回 差 (空 回 )， 螺 母 分 成 兩 段 ， 以 墊 片 、 雙 螺 母 等調(diào) 整 兩 段 螺 母 的 相 對 軸 向 位 置 ， 從

44、 而 消 除 間 隙 和 施 加 預(yù) 緊 力 ，使 回 差 為 零 。v必 須 有 防 止 逆 轉(zhuǎn) 的 制 動 或 自 鎖 機 構(gòu) 才 能 安 全 地 用 于 有 自 重下 降 的 場 合 。v螺 母 兩 端 及 絲 杠 的 外 露 部 分 必 須 密 封 。1一 齒 輪 ； 2一 返 回 裝 置 ；3一 鍵 ； 4一 滾 珠 ；5一 絲 杠 ；6一 螺 母 ；7支 座 94思 考 題 ：1、 機 器 人 驅(qū) 動 器 的 類 型 及 選 擇 原 則 。2、 機 器 人 的 常 用 傳 動 機 構(gòu) 及 其 特 點 。 3、 機 器 人 二 自 由 度 與 三 自 由 度 手 腕 的 結(jié) 構(gòu) 類 型 ， 舉 例 說 明 。 4、 機 器 人 手 臂 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 的 特 點 、 平 衡 方 式 。5、 機 器 人 卡 爪 式 夾 持 器 的 類 型 。6、 機 器 人 移 動 機 構(gòu) 的 主 要 類 型 及 其 特 點 。7、 移 動 機 器 人 的 轉(zhuǎn) 向 方 式 。 參 考 文 獻 ：1、 日 日 本 機 器 人 學(xué) 會 編 ， 宗 光 華 等 譯 ， 機 器 人 技 術(shù) 手 冊 ， 科 學(xué) 出 版 社 ， 2007。2、 馬 香 峰 ， 工 業(yè) 機 器 人 的 操 作 機 設(shè) 計 ， 1991 3、 費 仁 元 ， 機 器 人 機 械 設(shè) 計 和 分 析 。