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1、 機器人本體的結構形式機器人本體的結構形式&第二章第二章 機器人的主要結構機器人的主要結構機機 器器 人本體人本體執(zhí)行機構執(zhí)行機構驅動裝置驅動裝置控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)手部（操作器）手部（操作器）腕部腕部臂部臂部腰部腰部電驅動裝置電驅動裝置液壓驅動裝置液壓驅動裝置氣壓驅動裝置氣壓驅動裝置處理器處理器關節(jié)伺服控制器關節(jié)伺服控制器內部傳感器內部傳感器外部傳感器外部傳感器 基基 座座（固定或移動固定或移動）傳動裝置傳動裝置機器人結構設計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機器人結構設計3 2.1 機器人本體設計的步驟

2、機器人本體設計的步驟1、作業(yè)分析、作業(yè)分析 作業(yè)分析包括任務分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務作業(yè)分析包括任務分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務和環(huán)境對機器人操作及的方案設計有著決定性的影響。和環(huán)境對機器人操作及的方案設計有著決定性的影響。2、總體方案設計、總體方案設計 （1）確定動力源）確定動力源 （2）確定構型和安裝方式）確定構型和安裝方式 （3）確定自由度）確定自由度 （4）確定動力容量和傳動方式）確定動力容量和傳動方式 （5）優(yōu)化運動參數(shù)和結構參數(shù)）優(yōu)化運動參數(shù)和結構參數(shù) （6）確定平衡方式和平衡量）確定平衡方式和平衡量 （7）繪制機構運動簡圖）繪制機構運動簡圖 機器人結構設計43、結構設計、

3、結構設計 包括機器人驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及其結構設計，包括機器人驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及其結構設計，關節(jié)及桿件的結構設計，關節(jié)及桿件的結構設計，平衡機構平衡機構的設計，的設計，走線及電器接口走線及電器接口設計等。設計等。4、動特性分析、動特性分析 估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學模型進行仿真、分析，估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學模型進行仿真、分析，確定其結構固有頻率和響應特性。確定其結構固有頻率和響應特性。5、施工設計、施工設計 完成施工圖設計，編制相關技術文件。完成施工圖設計，編制相關技術文件。機器人結構設計例：六自由度輕型機械臂的設計 機械臂的設計指標：機器人結構設計構型設計原則 自由度為

4、主，兼顧復雜程度、剛度及控制難度 關節(jié)運動范圍盡可能大 關節(jié)無奇異 工作空間無死區(qū)，至少6自由度 構型合理，驅動、傳動布置 模塊化機器人結構設計幾何構型 考慮運動學逆解的存在性：1）三個相鄰關節(jié)軸線交于一點，2）三個相鄰關節(jié)軸線相互平行機器人結構設計 6自由度輕型臂構型機器人結構設計傳動方案設計機器人結構設計集成化設計 驅動、傳動、傳感、控制機器人結構設計集成化設計 電氣及傳感器機器人結構設計 2.2 機器人的驅動與傳動系統(tǒng)結構機器人的驅動與傳動系統(tǒng)結構 驅動器（通過聯(lián)軸器）帶動傳動裝置驅動器（通過聯(lián)軸器）帶動傳動裝置(一般為減速器一般為減速器)，再通過關節(jié)軸帶動桿件運動。，再通過關節(jié)軸帶動桿

5、件運動。最常用的運動關節(jié)最常用的運動關節(jié)轉動關節(jié)和移轉動關節(jié)和移(直直)動關節(jié)。動關節(jié)。為了進行位置和速度控制，驅動系統(tǒng)中還包括位置和為了進行位置和速度控制，驅動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。速度檢測元件。2.2.1 2.2.1 驅動驅動傳動系統(tǒng)的構成傳動系統(tǒng)的構成機器人結構設計131碼盤；碼盤；2 測速機；測速機；3 電機；電機；4 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；5 傳動裝置；傳動裝置；6 轉動關節(jié)；轉動關節(jié)；7 桿桿 8 電機；電機；9 聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；10 螺旋副；螺旋副；11 移動關節(jié)；移動關節(jié)；12 電位器電位器(或光柵尺或光柵尺)伺服電機驅動關節(jié)伺服電機驅動關節(jié)伺服電機伺服電機+聯(lián)軸節(jié)聯(lián)軸節(jié)+

6、傳動裝置傳動裝置+運動關節(jié)運動關節(jié)+反饋元件反饋元件機器人結構設計1 1電動驅動裝置電動驅動裝置 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(lián)，直接驅動比較困難。度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅動比較困難。電動驅動裝置又可分為直流電動驅動裝置又可分為直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服電機驅動和步進電伺服電機驅動和步進電機驅動。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用。越來越廣泛

7、的應用。步進電機驅動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度步進電機驅動多為開環(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)。小功率機器人系統(tǒng)。2.2.2 2.2.2 驅動裝置的類型和特點驅動裝置的類型和特點直流電機（有刷）直流電機（有刷）步進電機步進電機盤式無刷直流電機盤式無刷直流電機交流伺服電機交流伺服電機機器人結構設計152.液壓驅動裝置液壓驅動裝置 優(yōu)點：功率大，可省去減速裝置直接與優(yōu)點：功率大，可省去減速裝置直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。，響應快，伺服驅動具有較高的精度。缺點：需要增設液壓源

8、，易產生液體泄缺點：需要增設液壓源，易產生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。液壓馬達液壓馬達液壓擺動馬達液壓擺動馬達液壓控制閥液壓控制閥液壓泵液壓泵機器人結構設計機器人結構設計機器人結構設計機器人結構設計應用：并聯(lián)機器人（六自由度搖擺臺）機器人結構設計203氣動驅動裝置氣動驅動裝置 氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅動裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度但與液壓驅動裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制

9、，所以多用于精度不高的點位控制機器人。不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。氣氣動動馬馬達達氣氣動動擺擺動動馬馬達達氣氣缸缸氣氣泵泵氣氣動動三三大大件件氣氣動動控控制制閥閥機器人結構設計21 4其它驅動裝置其它驅動裝置 作為特殊的驅動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、人工作為特殊的驅動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金、人工肌肉等。肌肉等。壓電微驅動并聯(lián)機器人壓電微驅動并聯(lián)機器人形狀記憶合金驅動機器人手形狀記憶合金驅動機器人手機器人結構設計22 驅動裝置的選擇應以作業(yè)要求、生產環(huán)境為先決條件，驅動裝置的選擇應以作業(yè)要求、生產環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術水平為評價標準。以價格高低、技術水平

10、為評價標準。一般說來，目前負荷為一般說來，目前負荷為100 kg以下的以下的,可優(yōu)先考慮電動驅可優(yōu)先考慮電動驅動裝置。動裝置。只須點位控制且負荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要只須點位控制且負荷較小者，或有防暴、清潔等特殊要求者，可采用氣動驅動裝置。求者，可采用氣動驅動裝置。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，可采用液壓驅動裝置。液壓驅動裝置。對于驅動裝置來說，最重要的指標要求是起動力矩大，對于驅動裝置來說，最重要的指標要求是起動力矩大，調速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好、與之調速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好、與之配套的

11、數(shù)字控制系統(tǒng)。配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。5驅動裝置的選擇原則驅動裝置的選擇原則機器人結構設計232.2.3 2.2.3 機器人的常用傳動機構機器人的常用傳動機構1.1.機器人傳動機構的基本要求機器人傳動機構的基本要求(1)結構緊湊，即同比體積最小、重量最輕；結構緊湊，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，以傳動剛度大，即承受力矩作用時變形要小，以提高整機的提高整機的 固有領率，固有領率，降低整機的低頻振動；降低整機的低頻振動；(3)回差小，即由正轉到反轉時空行程要小，以得到較高的位回差小，即由正轉到反轉時空行程要小，以得到較高的位 置控制精度；置控制精度；(4)壽命長

12、、價格低。壽命長、價格低。微電機微電機+減速器減速器微小型減速器微小型減速器機器人結構設計242.2.機器人常用傳動機構機器人常用傳動機構 機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構。機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構。機器人結構設計25機器人結構設計26 其中腰關節(jié)最常用諧波傳動、齒輪其中腰關節(jié)最常用諧波傳動、齒輪/蝸輪傳動；臂關節(jié)最常蝸輪傳動；臂關節(jié)最常用諧波傳動、用諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。腕關節(jié)擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。腕關節(jié)最常用齒輪傳動、諧波傳動、同步帶傳動和綱繩傳動。最常用齒輪傳動、諧波傳動、同步帶傳動和綱繩傳動。機器人結構設計27關節(jié)是操作機各

13、桿件間的結合部分，通常為轉動和移動兩關節(jié)是操作機各桿件間的結合部分，通常為轉動和移動兩種類型。種類型。工業(yè)機器人前三關節(jié)通常稱作腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)，工業(yè)機器人前三關節(jié)通常稱作腰關節(jié)、肩關節(jié)和肘關節(jié)，它們決定了操作機的位置。后面關節(jié)決定了操作機的姿態(tài)，它們決定了操作機的位置。后面關節(jié)決定了操作機的姿態(tài)，稱作腕部關節(jié)。稱作腕部關節(jié)。2.3.1 腰關節(jié)腰關節(jié) 腰關節(jié)為回轉關節(jié)，既承受很大的軸向力、徑向力，又承腰關節(jié)為回轉關節(jié)，既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾翻力矩，且應具有較高的運動精度和剛度。受傾翻力矩，且應具有較高的運動精度和剛度。腰關節(jié)多采用高剛性的腰關節(jié)多采用高剛性的RV減速器傳動減

14、速器傳動，也可采用，也可采用諧波傳諧波傳動、擺線針輪或蝸桿傳動動、擺線針輪或蝸桿傳動。其轉動副多采用薄壁軸承或四點。其轉動副多采用薄壁軸承或四點接觸軸承，有的還設計有調隙機構。接觸軸承，有的還設計有調隙機構。對于液壓驅動關節(jié)，多采用對于液壓驅動關節(jié)，多采用回轉缸回轉缸+齒輪傳動機構齒輪傳動機構。2.32.3 工業(yè)機器人關節(jié)的構造及其傳動配置工業(yè)機器人關節(jié)的構造及其傳動配置機器人結構設計281 電機；電機；2 RV減速器，減速器，3 支架，支架，4 交叉滾子軸承；交叉滾子軸承；5 電纜電纜同軸式腰關節(jié)同軸式腰關節(jié)電機上置電機上置)12345機器人結構設計29同軸式腰關節(jié)同軸式腰關節(jié)(電機下置電機

15、下置)1腰部固定立柱殼體；腰部固定立柱殼體；2 腰部回轉殼體；腰部回轉殼體；3 四點接觸球軸承；四點接觸球軸承；4 伺服電機組件；伺服電機組件；5諧波減速器；諧波減速器；54機器人結構設計30平行軸式腰關節(jié)平行軸式腰關節(jié)21341 電機電機；2 齒輪；齒輪；3 空心立柱；空心立柱；4 軸承軸承機器人結構設計31v 由上面的圖例可以看出，腰關節(jié)的回轉副主要是兩種類型：由上面的圖例可以看出，腰關節(jié)的回轉副主要是兩種類型：使用交叉滾子或四點接觸式軸承的同軸式或平行軸式。使用交叉滾子或四點接觸式軸承的同軸式或平行軸式。v 同軸式腰關節(jié)結構緊湊，腰關節(jié)高度尺寸小同軸式腰關節(jié)結構緊湊，腰關節(jié)高度尺寸小(使

16、用特制軸承使用特制軸承的緣故的緣故)，但關節(jié)的各種電纜走線比較困難，大多是在固定的，但關節(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，當腰支架等機體轉動時，電纜猶如盤旋彈地套在中間柱體上，當腰支架等機體轉動時，電纜猶如盤旋彈簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關節(jié)，電纜則可方便地通過簧般收緊或放松。對于平行軸式腰關節(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。中空軸，聯(lián)接于支座的固定接線板上。機器人結構設計322.3.2 肩關節(jié)和肘關節(jié)肩關節(jié)和肘關節(jié) 對于開式連桿結構，肩

17、關節(jié)（大臂關節(jié)）位于腰部的支座上，對于開式連桿結構，肩關節(jié)（大臂關節(jié)）位于腰部的支座上，多采用多采用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或直接應用齒輪機構。動螺旋組合連桿機構或直接應用齒輪機構。肘關節(jié)（小臂關節(jié)）位于大臂與小臂的聯(lián)接處，多采用諧波肘關節(jié)（小臂關節(jié)）位于大臂與小臂的聯(lián)接處，多采用諧波傳動、擺線針輪或齒輪傳動等。傳動、擺線針輪或齒輪傳動等。關節(jié)結構形式有：關節(jié)結構形式有：1、同軸式配置、同軸式配置 電機軸線與關節(jié)軸電機軸線與關節(jié)軸 線重合。線重合。2、偏置式配置、偏置式配置 電機軸線與關節(jié)軸電機軸線與關節(jié)

18、軸 線偏離一定距離。線偏離一定距離。同軸減速傳動結構同軸減速傳動結構機器人結構設計33同軸減速傳動結構同軸減速傳動結構1 腰支座；腰支座；2,7 RV減速器；減速器；3,6 驅動電機；驅動電機；4 大臂；大臂；5 曲柄；曲柄；8 軸承。軸承。12345678機器人結構設計341 大臂；大臂；2 關節(jié)關節(jié)1電機；電機；3 小臂定位板；小臂定位板；4 小臂；小臂；5 氣動閥；氣動閥；6 立柱；立柱；7 直齒輪；直齒輪；8 中間齒輪；中間齒輪；9 機座；機座；10 主齒輪；主齒輪；11 管形連接軸；管形連接軸；12 手腕手腕偏置減速傳動結構偏置減速傳動結構(PUMA)機器人結構設計35機器人結構設計

19、36 直動關節(jié)直動關節(jié) 直動關節(jié)可有兩種類型；電機驅動和液壓驅動。前者多采直動關節(jié)可有兩種類型；電機驅動和液壓驅動。前者多采用滾動絲杠和導柱用滾動絲杠和導柱(軌軌)式；后者可采用油缸驅動齒輪齒條的移式；后者可采用油缸驅動齒輪齒條的移動結構。動結構。導柱導柱(軌軌)起到導向及承受支承力與彎矩矩的作用。起到導向及承受支承力與彎矩矩的作用。機器人結構設計37 多關節(jié)柔性臂多關節(jié)柔性臂 多關節(jié)柔性臂也稱作象鼻型或蛇型臂。其手臂由多節(jié)串聯(lián)多關節(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，原來意義上的臂而成，原來意義上的臂(大臂、小臂大臂、小臂)已演化成一個節(jié)，節(jié)已演化成一個節(jié)，節(jié)與節(jié)之間可以相對擺

20、動。與節(jié)之間可以相對擺動。嚴格講，多關節(jié)柔性臂并不是全柔性的，稱其為蛇型臂較嚴格講，多關節(jié)柔性臂并不是全柔性的，稱其為蛇型臂較為合適。由于柔性臂的關節(jié)多，能滿足避障等特殊需要。為合適。由于柔性臂的關節(jié)多，能滿足避障等特殊需要。多級聯(lián)動萬向節(jié)柔性臂多級聯(lián)動萬向節(jié)柔性臂多級獨立驅動萬向節(jié)柔性臂多級獨立驅動萬向節(jié)柔性臂機器人結構設計38多節(jié)萬向節(jié)型柔性臂多節(jié)萬向節(jié)型柔性臂機器人結構設計39脊骨式多節(jié)柔性臂脊骨式多節(jié)柔性臂機器人結構設計40連桿式多節(jié)型柔性臂連桿式多節(jié)型柔性臂1定長剛性臂；定長剛性臂；2 并聯(lián)機構柔性臂并聯(lián)機構柔性臂機器人結構設計41 2.3.3 手腕關節(jié)手腕關節(jié)1 1、單自由度手腕、

21、單自由度手腕 SCARA水平關節(jié)裝配機器人的手腕只有繞垂直軸的一個水平關節(jié)裝配機器人的手腕只有繞垂直軸的一個旋轉自由度，用于調整裝配件的方位。旋轉自由度，用于調整裝配件的方位。SCARA 機器人機器人 傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉動不影響末端傳動為兩級等徑輪齒形帶，所以大、小臂的轉動不影響末端執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調整完全取決于腕轉動的驅動執(zhí)行器的水平方位，而該方位的調整完全取決于腕轉動的驅動電機。電機。這種傳動特點特這種傳動特點特別適合于電子線路別適合于電子線路板的插件作業(yè)。板的插件作業(yè)。機器人結構設計422 2、兩自由度手腕、兩自由度手腕兩種常見的配置形式兩種常見的配置形

22、式匯交式和偏置式（按手腕軸線交匯交式和偏置式（按手腕軸線交點與手臂軸線位置劃分）。點與手臂軸線位置劃分）。1-法蘭法蘭2-齒輪軸齒輪軸3-錐齒輪錐齒輪4-彈簧彈簧5-鏈輪鏈輪6-軸承軸承7-鏈輪鏈輪8-彈簧彈簧9-軸承軸承10-轉殼轉殼1-法蘭法蘭2-腕殼腕殼3-錐齒輪軸錐齒輪軸4-小臂小臂5-鏈輪鏈輪6-錐齒輪軸錐齒輪軸7-鏈輪鏈輪8-鏈鏈9-彈簧彈簧10-彈簧彈簧匯交式兩自由度手腕匯交式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕2143658710943512871096機器人結構設計43 兩自由度手腕的另兩種結構：諧波減速器前置的匯交型兩自由度手腕的另兩種結構：諧波減速器前置的匯交

23、型手腕；驅動電機與諧波減速器前置的偏置型手腕。手腕；驅動電機與諧波減速器前置的偏置型手腕。1 扁平諧波；扁平諧波；2 杯式諧波；杯式諧波；3 齒形帶輪；齒形帶輪；4 錐齒輪；錐齒輪；5 腕殼腕殼諧波前置匯交手腕諧波前置匯交手腕 1 諧波減速；諧波減速；2 馬達；馬達；3 鏈輪；鏈輪；4 腕殼腕殼電機前置偏置手腕電機前置偏置手腕機器人結構設計44 誘導運動誘導運動 把某一桿件因另一桿件的被驅動而引起的運動，稱作誘導把某一桿件因另一桿件的被驅動而引起的運動，稱作誘導運動。在進行機器人運動學計算時，必須考慮誘導運動。運動。在進行機器人運動學計算時，必須考慮誘導運動。2 主動鏈輪；主動鏈輪；3、5 從

24、動鏈輪從動鏈輪手腕傳動示意圖手腕傳動示意圖機器人結構設計453 3、三自由度手腕、三自由度手腕 三自由度手腕是在兩自由度手腕的基礎上加一個整個手腕三自由度手腕是在兩自由度手腕的基礎上加一個整個手腕相對于小臂的轉動自由度而形成的。相對于小臂的轉動自由度而形成的。三自由度手腕是三自由度手腕是“萬向萬向”型手腕，結構形式繁多，可以完型手腕，結構形式繁多，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)關節(jié)成兩自由度手腕很多無法完成的作業(yè)。近年來，大多數(shù)關節(jié)型機器人都采用了三自由度手腕。型機器人都采用了三自由度手腕。機器人結構設計46機器人結構設計47機器人結構設計48v 必須指出，必須指出，若

25、操作機為若操作機為6自由度，當自由度，當手腕為偏置手腕為偏置式時，運動式時，運動學反解得不學反解得不出解析的顯出解析的顯式，且動力式，且動力學參數(shù)也是學參數(shù)也是強耦合的。強耦合的。設計時必須設計時必須給予充分注給予充分注意。意。機器人結構設計49KUKA IR662100機器人手碗傳動圖機器人手碗傳動圖KUKA IR662100機器人手碗結構圖機器人手碗結構圖Cincinnati Milacron T3 機器人腕部結構機器人腕部結構機器人結構設計50PUMA一一262 機器人手腕傳動原理機器人手腕傳動原理機器人結構設計514 4、柔順手腕結構、柔順手腕結構 機器人精密機器人精密裝配時，裝配時，

26、由于由于被裝配零件的不一致性、工件定位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裝配要求時，會導致裝夾具及機器人手部的定位精度無法滿足裝配要求時，會導致裝配困難甚至失敗。這就提出了裝配動作的柔順性要求。配困難甚至失敗。這就提出了裝配動作的柔順性要求。柔順裝配技術有兩柔順裝配技術有兩種種：一一種是控制的角度，借助檢測元件采種是控制的角度，借助檢測元件采取邊校正、邊裝配的方式，取邊校正、邊裝配的方式，稱為稱為“主動柔順裝配主動柔順裝配”；另一種；另一種是從結構的角度在手腕部是從結構的角度在手腕部配置一配置一 個柔順環(huán)節(jié)，這種柔順裝配技個柔順環(huán)節(jié)，這種柔順裝配技術稱為術稱為“被

27、動柔順裝配被動柔順裝配 ”即即RCC(Remote Center Compliance)。帶檢測元件的手腕帶檢測元件的手腕移動擺動柔順手腕移動擺動柔順手腕柔順手腕動作過程柔順手腕動作過程機器人結構設計52板彈簧柔順手腕板彈簧柔順手腕鋼絲彈簧柔順手腕鋼絲彈簧柔順手腕機器人結構設計53 2.42.4 機器人的手部機器人的手部 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。因此有時也稱為末端操作器。作機構。因此有時也稱為末端操作器。由于機器人作業(yè)內容的差異（如搬運、裝配、焊接、噴由于機器人作業(yè)內容的差異（如搬運、裝配、焊接、噴涂等）和作業(yè)對象

28、的不同（如軸類、板類、箱類、包類物涂等）和作業(yè)對象的不同（如軸類、板類、箱類、包類物體等），體等），手部的形式多樣。綜合考慮手部的用途、功能和手部的形式多樣。綜合考慮手部的用途、功能和結構持點，大致可分成以下幾類：結構持點，大致可分成以下幾類：1卡爪式夾持器；卡爪式夾持器；2吸附式取料手；吸附式取料手；3專用操作器及換接器專用操作器及換接器 4仿生多指靈巧手。仿生多指靈巧手。機器人結構設計54 卡爪式夾持器卡爪式夾持器通常有兩個夾爪，分為通常有兩個夾爪，分為彈力型、回轉型和彈力型、回轉型和平移型三種類型平移型三種類型。2.4.1 卡爪式夾持器卡爪式夾持器幾種彈力型夾持器幾種彈力型夾持器1 1、

29、彈力型夾持器、彈力型夾持器機器人結構設計55 2、回轉型夾持器、回轉型夾持器開合占用空間較開合占用空間較小，但是夾持中小，但是夾持中心變化。心變化。機器人結構設計563 3、平移型夾持器、平移型夾持器開合占用空間較大，但是夾持中心不變。開合占用空間較大，但是夾持中心不變。機器人結構設計57 吸式取料手是目前應用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬吸式取料手是目前應用較多的一種執(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。運機器人。該類執(zhí)行器可分氣吸和磁吸兩類。2.4.2 吸附式取料手吸附式取料手 氣吸附取料手是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力氣吸附取料手是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間

30、的壓力差而差而工工作的。具有結構簡單，重量輕，吸附力分布均勻等作的。具有結構簡單，重量輕，吸附力分布均勻等優(yōu)點。優(yōu)點。按形成壓力的方法，可分成真空氣吸、氣流負壓氣吸、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種。擠壓排氣負壓氣吸式兒種。1 1、氣吸附取料手、氣吸附取料手機器人結構設計58氣流負壓氣吸盤氣流負壓氣吸盤擠壓排氣吸盤擠壓排氣吸盤真空氣吸盤真空氣吸盤機器人結構設計592 2、磁吸附取料手、磁吸附取料手機器人結構設計603 3、專用操作器及換接器專用操作器及換接器機器人結構設計61 人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結構，就能制造人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人

31、手結構，就能制造出結構最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅動和控出結構最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多，驅動和控制都十分復雜，迄今為止，只是制造出了一些原理樣機，制都十分復雜，迄今為止，只是制造出了一些原理樣機，離工業(yè)應用還有一定的差距。離工業(yè)應用還有一定的差距。4 4、仿生多指靈巧手仿生多指靈巧手UTACHMIT 多指多指手手 三指三指手手 雙拇指雙拇指手手 機器人結構設計62最小的三指最小的三指手手 BHII 三指手三指手 四指靈巧四指靈巧手手 靈巧的雙靈巧的雙手手 DLR多指手多指手哈工大多指手哈工大多指手機器人結構設計63 手指關節(jié)的設計手指關節(jié)的設計手指主要用于抓握動作，要求動作

32、靈活，剛度好，具有較大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。就其手的結構而言，傳動機構有三種方式：的抓握力。就其手的結構而言，傳動機構有三種方式：1)腱傳動，特點是結構簡單，節(jié)省空間，具有很高的抗拉強腱傳動，特點是結構簡單，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。度和很輕的重量，但剛性差，較大的彈性，不利于控制。MIT手、手、JPL手和手和DLR-I手都是這種方式。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。隙，占用空間大。3)連桿傳動，剛度好

33、，加工制造比較簡單，高精度，能實現(xiàn)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。但是設計復雜，不能精確地滿多種運動規(guī)律和軌跡的要求。但是設計復雜，不能精確地滿足各種運動規(guī)律的要求。典型的如足各種運動規(guī)律的要求。典型的如Belgrade手，手，NASA手等。手等。4）欠驅動手指關節(jié)，可簡化機械結構及控制，但需要滿足一）欠驅動手指關節(jié)，可簡化機械結構及控制，但需要滿足一定的力學條件。定的力學條件。機器人結構設計64 并聯(lián)機構在并聯(lián)機構在1965年由年由Stewart提出原是作為飛行模擬器提出原是作為飛行模擬器用于訓練飛行員的。機艙由用于訓練飛行員的。機艙由6個液壓缸支

34、撐和驅動，可以使個液壓缸支撐和驅動，可以使機艙獲得任何需要的位姿。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，澳大利亞著名機構學教授在串聯(lián)機器人發(fā)展方興未艾時，澳大利亞著名機構學教授Hunt 在在1978年提出?？梢詰媚晏岢觥？梢詰?自由度的自由度的Stewart平臺機構平臺機構作為機器人機構。到作為機器人機構。到80年代中期，國際上研究并聯(lián)機器人的年代中期，國際上研究并聯(lián)機器人的人還寥寥無幾。到人還寥寥無幾。到80年代末特別是年代末特別是90年代以來，并聯(lián)式機器年代以來，并聯(lián)式機器人才被廣為主意，并成為了新的熱點。人才被廣為主意，并成為了新的熱點。2.6 2.6 并聯(lián)機器人機構并

35、聯(lián)機器人機構機器人結構設計65機器人結構設計66機器人結構設計67機器人結構設計683RPS機構機構6RSS機構機構6SPS機構機構6SPS雙三角機構雙三角機構機器人結構設計696RSS機構機構6PSS機構機構6SPS單三角機構單三角機構3RRR球面機構球面機構機器人結構設計70 2.7 2.7 移動機器人機構移動機器人機構 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。其機構形式主要有：移動機器人多是針對陸上表面環(huán)境的。其機構形式主要有：(1)車輪式移動機構；車輪式移動機構；(2)履帶式移動機構；履帶式移

36、動機構；(3)腿足式移動機構。腿足式移動機構。此外，近有步進式移動機構、蠕動式移動機構、混合式移動此外，近有步進式移動機構、蠕動式移動機構、混合式移動機構和蛇行式移動機構等適合于一些特別的場合。機構和蛇行式移動機構等適合于一些特別的場合。機器人結構設計71 2.7.1 輪式移動機構輪式移動機構 輪式移動機構依據(jù)車輪的數(shù)目分為輪式移動機構依據(jù)車輪的數(shù)目分為1輪、輪、2輪、輪、3輪、輪、4輪、輪、5輪、輪、6輪以及多輪機構。輪以及多輪機構。輪式移動系統(tǒng)機構簡單，質量輕，功耗小，控制方便，輪式移動系統(tǒng)機構簡單，質量輕，功耗小，控制方便，運動靈活。缺點是其越野能力較差，但可以通過選擇合適的運動靈活。缺

37、點是其越野能力較差，但可以通過選擇合適的懸架系統(tǒng)來提高其地形適應能力。懸架系統(tǒng)來提高其地形適應能力。懸架系統(tǒng)分為懸架系統(tǒng)分為被動適應型（自適應）被動適應型（自適應）、主動適應型主動適應型和和混合混合適應型適應型三類。三類。機器人結構設計72機器人結構設計73機器人結構設計74機器人結構設計75機器人結構設計76 車輪類型：車輪類型：機器人結構設計77 轉向方式：轉向方式：（Ackerman 轉向）轉向）機器人結構設計78（全方位轉向）（全方位轉向）2()2()()LRRLRLRLvvvw vvRvvvvw wwRLvRvLvRvv（差動轉向）（差動轉向）機器人結構設計79麥克納姆輪麥克納姆輪

38、輪系機構：輪系機構：機器人結構設計80 履帶式移動機構是輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給履帶式移動機構是輪式移動機構的拓展，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。的越野能力，控制也簡單。但功耗較大，運動靈活性差。2.7.2 履帶式移動機構履帶式移動機構機器人結構設計81 履帶形式履帶形式機器人結構設計82越障越障上、下臺階上、下臺階 關節(jié)履帶關節(jié)履帶機器人結構設

39、計83 履帶張緊機構履帶張緊機構機器人結構設計 2.7.3 腿足式移動機構腿足式移動機構 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能力自主選擇有利的落足點，具有出色的地形適應能力；此外，能；此外，能夠自主隔振，保證系統(tǒng)沿平滑預定的軌跡運行夠自主隔振，保證系統(tǒng)沿平滑預定的軌跡運行 其機械結構和控制系統(tǒng)復雜，系統(tǒng)可靠性低；在松軟沙地行其機械結構和控制系統(tǒng)復雜，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。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日本雙足機器人

40、載重100kg 美國美國big dog機器人結構設計 腿足結構形式腿足結構形式 兩足兩足 多足多足l 穩(wěn)定性問題穩(wěn)定性問題 零力矩點（零力矩點（ZMP）：）：機器人機器人重力與慣性力合力的延長線與重力與慣性力合力的延長線與機器人支撐面的交點。機器人支撐面的交點。l步態(tài)問題步態(tài)問題 步態(tài)規(guī)劃步態(tài)規(guī)劃：機器人結構設計86 2.7.4 輪腿式移動機構輪腿式移動機構機器人結構設計872.6 2.6 機器人本體的材料機器人本體的材料 制作機器人的材料是多種多樣的。選擇制作材料時，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：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

41、求；）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；）材料的加工工藝性好；3）材料的穩(wěn)定性好；）材料的穩(wěn)定性好；4）材料的密度盡量?。唬┎牧系拿芏缺M量??；5）材料的成本盡可能低；）材料的成本盡可能低；6）機器人的用途。）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。對材料性能的要求和影響。機器人結構設計88原材料原材料實用性實用性成本成本強度強度切割性切割性穩(wěn)定性穩(wěn)定性抗震性抗震性密度密度木材木材優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)良良良良良良良良小小膠合板膠合板優(yōu)優(yōu)良良良良中等中等中等中等優(yōu)優(yōu)較小較小鋼材鋼材良良良良優(yōu)優(yōu)較

42、差較差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)大大鋁（合金鋁（合金）良良中等中等良良中等中等優(yōu)優(yōu)中等中等較大較大碎料板碎料板優(yōu)優(yōu)良良良良中等中等中等中等差差較小較小紙板紙板優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)差差優(yōu)優(yōu)差差差差小小有機玻璃有機玻璃良良優(yōu)優(yōu)中等中等中等中等良良 差差較小較小塑料塑料良良優(yōu)優(yōu)中等中等中等中等中等中等中等中等較小較小部分原材料對比表部分原材料對比表 機器人結構設計89主要參考文獻：主要參考文獻：（1）柳洪義，宋偉剛）柳洪義，宋偉剛 編著，編著，機器人技術基礎機器人技術基礎，冶金工業(yè)出版社，冶金工業(yè)出版社，2002（2）龔振邦等，）龔振邦等，機器人機械設計機器人機械設計，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社，1995（3）美美 John

43、 J.Craig著，贠遠超譯，機器人學導論，機械工業(yè)出版社，著，贠遠超譯，機器人學導論，機械工業(yè)出版社，2006.6（4）于登云等，空間機械臂技術及發(fā)展建議，航天器工程，）于登云等，空間機械臂技術及發(fā)展建議，航天器工程，2007,16(4):1-8機器人結構設計90 諧波傳動：諧波傳動：由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成。主要特點主要特點(1)傳動比大，單級為傳動比大，單級為50300。(2)傳動平穩(wěn)，承載能力高。傳動平穩(wěn)，承載能力高。(3)傳動效率高傳動效率高,可達可達70%70%90%。(4)傳動精度高傳動精度高,比普通齒輪傳動高比普通齒輪傳動高 3 34倍。倍。(5)回

44、差小?；夭羁尚∮诨夭钚?。回差可小于3 。(6)不能獲得中間輸出，柔輪剛度不能獲得中間輸出，柔輪剛度 較低。較低。機器人結構設計91 RV擺線針輪行星傳動：是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪行星傳動：是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪減速器組合而成的。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、擺線針輪傳動除了具有相同的速比大、同軸線傳動、結構緊湊、效率高等待點外，最顯著的特點是剛性好，傳結構緊湊、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動剛度較諧波傳動要大26倍，但重量也增加了倍，但重量也增加了13倍。倍。機器人結構設計92 齒輪傳動、蝸輪傳

45、動和齒輪齒條傳動應用于機器人傳動齒輪傳動、蝸輪傳動和齒輪齒條傳動應用于機器人傳動機構時，須特別注意消除間隙問題，否則回差很大，達不機構時，須特別注意消除間隙問題，否則回差很大，達不到應有的轉角精度要求。到應有的轉角精度要求。對于鏈傳動、齒形帶傳動、鋼帶傳動和鋼絲繩傳動，必對于鏈傳動、齒形帶傳動、鋼帶傳動和鋼絲繩傳動，必須考慮張緊問題，否則也會產生很大的回差。須考慮張緊問題，否則也會產生很大的回差。機器人結構設計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滾動螺旋傳動：在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當?shù)臐L珠，使其由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋傳動，滾的滾珠，使其由滑動摩擦變?yōu)闈L

46、動摩擦的一種螺旋傳動，滾珠在工作過程中，順螺旋槽珠在工作過程中，順螺旋槽(滾道滾道)循環(huán)滾動。循環(huán)滾動。v為了消除回差為了消除回差(空回空回)，螺母分成兩段，以墊片、雙螺母等，螺母分成兩段，以墊片、雙螺母等調整兩段螺母的相對軸向位置，從而消除間隙和施加預緊力，調整兩段螺母的相對軸向位置，從而消除間隙和施加預緊力，使回差為零。使回差為零。v必須有防止逆轉的制動或自鎖機構才能安全地用于有自重必須有防止逆轉的制動或自鎖機構才能安全地用于有自重下降的場合。下降的場合。v螺母兩端及絲杠的外露部分必須密封。螺母兩端及絲杠的外露部分必須密封。1一齒輪；一齒輪；2一返回裝置；一返回裝置；3一鍵；一鍵；4一滾珠

47、；一滾珠；5一絲杠；一絲杠；6一螺母；一螺母；7支座支座機器人結構設計94思考題：思考題：1、機器人驅動器的類型及選擇原則。、機器人驅動器的類型及選擇原則。2、機器人的常用傳動機構及其特點。、機器人的常用傳動機構及其特點。3、機器人二自由度與三自由度手腕的結構類型，舉例說明。、機器人二自由度與三自由度手腕的結構類型，舉例說明。4、機器人手臂結構設計的特點、平衡方式。、機器人手臂結構設計的特點、平衡方式。5、機器人卡爪式夾持器的類型、機器人卡爪式夾持器的類型。6、機器人移動機構的主要類型及其特點。、機器人移動機構的主要類型及其特點。7、移動機器人的轉向方式。、移動機器人的轉向方式。參考文獻：參考文獻：1、日日日本機器人學會編，宗光華日本機器人學會編，宗光華 等譯，機器人技術手冊，等譯，機器人技術手冊，科學出版社，科學出版社，2007。2、馬香峰，工業(yè)機器人的操作機設計，、馬香峰，工業(yè)機器人的操作機設計，1991 3、費仁元，機器人機械設計和分析、費仁元，機器人機械設計和分析。機器人結構設計