第2章 机器人本体的机械结构

第二章机器人本体的机械结构第一节机器人的组成和分类第二节机器人的主要技术参数第三节机器人的机械结构与运动第四节机器人的驱动机构第一节机器人的组成和分类大多数的机器人有四个共同的主要部件：（1）机械部分机械部分是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体而形成的开环运动学链系。（2）驱动源使各种机械部件产生运动的装置为驱动部件，驱动源可以是气动的、液压的或电动的，一、机器人的组成（3）一个或多个传感器传感器是将有关机械部件的内部信息和外部信息传递给机器人的控制器。（4）控制器控制器通过获取的信息确定机械部件各部分的正确运行轨迹、速度、位置和外部环境，使机械部件的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。二、机器人的分类1.按机器人的控制方式分类（1）非伺服机器人非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。伺服码垛机器人（2）伺服控制机器人伺服控制机器人通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信号比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动，到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。2.按机器人结构坐标系特点方式分类（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）极坐标型（4）多关节型四种坐标型机器人的机构简图（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）极坐标型（4）关节型2007年路迅社6月6日消息哈工大机器人研究所新研制出系列直角坐标机器人产品，该产品采用高品质型材一体化结构和伺服控制技术。直角坐标机器人具有结构简单，精度高，运动灵活，成本较低等特点，被广泛应用于制造业。可以在三维空间里完成移载、抓取、旋转等各种复杂作业，安装不同工具可应用于定位检测、三维探伤、焊接、加油涂胶、贴标、喷码等作业。在汽车零部件、工业电器、电子通讯、物流、家电等多品种、批量化柔性作业行业广泛应用，对于提高产品质量、提高劳动效率、提高工厂自动化水平都有着十分重要的作用。第二节机器人的主要技术参数1．自由度：是指描述物体运动所需要的独立坐标数。2．工作空间：是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。3．工作速度：机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。4．工作载荷：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。用质量、力矩、惯性矩来表示。5．控制方式机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。6．驱动方式指关节执行器的动力源。7．精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率用来定义机器人手部的定位能力。一台持重30kg，供搬运、检测、装配用的圆柱坐标型工业机器人，这台机器人的主要技术指标如下：sradAsradAsmmmmAsmmmmAsradA/05.1190/10.2360/1200500/600500/10.230005043201自由度：共有三个基本关节1，2，3和两个选用关节4，5；工作范围：见左图所示；关节移动范围及速度：重复定位误差：±0.05mm控制方式：五轴同时可控，点位控制；持重（最大伸长、最高速度下）：30kg驱动方式：三个基本关节由交流伺服电机驱动，并采用增量式角位移检测装置；第三节机器人的机械结构与运动一、机器人机械结构的组成1、手部结构2、手腕结构3、臂部结构4、机身结构二、机器人机构的运动1.手臂和本体的运动（1）垂直移动指机器人手臂的上下运动。这种运动通常采用液压缸机构或其他垂直升降机构来完成，也可以通过调整整个机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。（2）径向移动是手臂的伸缩运动。机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化。在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。（3）回转运动指机器人绕铅垂轴的转动。这种运动决定了机器人能手臂所能到达的角位置。2.手腕的运动(1)手腕旋转手腕绕小臂轴线的转动。有些机器人限制其手腕转动角度小于360度。另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，手腕可以转几圈。(2)手腕弯曲指手腕的上下摆动，这种运动也称为俯仰。(3)手腕侧摆指机器人手腕的水平摆动。手腕的旋转和俯仰两种运动结合起来可以构成侧摆运动，通常机器人的侧摆运动由一个单独的关节提供。三、机身和臂部机构常用的机身结构有：（1）升降回转型机身结构；（2）俯仰型机身结构；（3）直移型机身结构；（4）类人机器人机身结构。机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。日科学家研制类似人骨骼结构高仿真机器人2.臂部结构手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支承腕部和手部，并带动它们在空间运动。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，可分为：（1）伸缩型臂部结构；（2）转动伸缩型臂部结构；（3）屈伸型臂部结构;（4）其他专用的机械传动臂部结构。黑武士机器人手臂日本最新机器人手臂曝光:看来机动战士高达快要面世了!国外媒体报道，日本工程师日前创造出了一个能与操作人员相连接的外骨骼机械手臂，操作人员利用它，可以轻易地举起90公斤的东西。这个有6人的工程师团队由GoShirogauchi领导，2003年开始从事这项研究。他们的目标是用铝合金制造出机器人，并计划在2015年前投入实际使用。3.机身和臂部的配置型式机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。（1）横梁式单臂悬挂式双臂悬挂式（2）立柱式单臂式双臂式（3）机座式单臂回转式双臂回转式多臂回转式（4）屈伸式平面屈伸型空间屈伸型四、手腕结构手腕是连接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：(1)臂转：绕小臂轴线方向的旋转。(2)手转：使手部绕自身的轴线方向旋转。(3)腕摆：使手部相对于臂进行摆动。手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式，常用的手腕组合的方式臂转、腕摆、手转结构臂转、双腕摆、手转结构五、手部机构机器人的手部是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。工业机器人常用的手部按其握持原理可以分为:(1)夹持类(2)吸附类1.夹持类(1)夹钳式•手指1•传动机构2•驱动装置3•支架4日本东京大学研制的“HRP-2”服务机器人1）手指①指端的形状V型指平面指尖指特形指②指面型式根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面和柔性指面三种形式。对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金；高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。③手指的材料2）手部的传动机构①回转型传动机构斜楔杠杆式滑槽式杠杆回转型双支点连杆杠杆式齿条齿轮杠杆式①回转型传动机构②平移型传动机构四连杆机构平移型手部直线平移型手部结构（2）钩托式手部钩托式手部是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、托、捧等动作来托持工件。无驱动装置有驱动装置（3）弹簧式手部弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单，只适于夹持轻小工件。弹簧式手部2.吸附类吸附式手部靠吸附式取料。根据吸附力的不同有气吸附和磁吸附二种。吸附式手部适应于大平面、易碎、微小的物体，因此使用面也较大。（1）气吸式气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。按形成压力差的方法，可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸三种。爬墙机器人真空气吸吸附手部气流负压吸附手部挤压排气式手部气吸式手部气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等优点。广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤，且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。（2）磁吸式磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件的，应用较广。磁吸式手部不会破坏被吸件表面质量。磁吸式手部比气吸式手部优越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面光洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。磁吸式手部的不足之处是：被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑（如铁屑等），影响正常工作。因此对那些不允许有剩磁的零件要禁止使用。对钢、铁等材料制品，温度超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式手部。磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和电磁铁手部。电磁铁手部由于供电不同又可分为交流电磁铁和直流电磁铁手部。3.仿人机器人的手部目前，大部分工业机器人的手部只有2个手指，而且手指上一般没有关节。因此取料不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手部和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，如装配作业、维修作业设备操作等，就必须有一个运动灵活、动作多样的灵巧手，即仿人手。仿人手多关节柔性手三指灵巧手四指灵巧手六、行走机构行走机构是由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。一般而言,行走机器人的行走机构主要有:(1)车轮式行走机构(2)履带式行走机构(3)和足式行走机构此外，还有步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等，以适合于各种特别的场合。1.车轮式行走机构轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人,在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。（1）车轮的形式车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。充气球轮半球形轮传统车轮无缘轮(用于沙丘地形)（用于火星表面移动）（用于平坦的坚硬路面）(用来爬越阶梯及水田中)Marshod火星漫游车插秧机器人智能轮式机器人垃圾桶站在两边的是DustCart，中间的是负责清扫街道的机器人DustClean（2）车轮的配置和转向机构两后轮独立驱动前轮驱动和转向后轮差动前轮转向后轮分散驱动四轮同步转向机构3轮车轮的配置4轮车轮的配置（3）越障轮式机构普通车轮行走机构对崎岖不平地面适应性很差，为了提高轮式车辆的地面适应能力，研究了越障轮式机构。三小轮式上下台阶的车轮机构多节车轮式结构2.履带式行走机构履带式行走机构适合于未加工的天然路面行走，它是轮式行走机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。履带行走机构与轮式行走机构相比，有如下特点：（1）支承面积大，接地比压小。适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小。（2）越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构（3）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；（4）结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏。（1）履带行走机构的组成美军目前已经装备部署2000辆魔爪军用机器人履带式侦查机器人加拿大履带式滑板形状一：驱动轮及导向轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性，此时驱动轮和导向轮只微量高于地面。形状二：不作支承轮的驱动轮与导向轮装得高于地面，链条引入引出时角度达50度，其好处是适合于穿越障碍，另外因为减少了泥土夹入引起的磨损和失效，可以提高驱动轮和导向轮的寿命。形状一形状二（2）履带行走机构的形状（3）独特的履带行走机构1）形状可变履带行走机构形状可变履带行走机构2）位置可变履带行走机构变位履带移动机构3.足式行走机构足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动