第二部分 机器人机械结构

1、 机器人结构机器人结构主要内容主要内容机器人组成机器人组成主要技术参数主要技术参数机械结构与运动机械结构与运动驱动机构驱动机构不同类型机器人机械、电气、控制结构不同；不同类型机器人机械、电气、控制结构不同；机器人系统通常机器人系统通常三大部分三大部分：机械部分、传感部分和：机械部分、传感部分和控制部分；控制部分；六个子系统六个子系统：驱动系统、机械系统、感知系统、人：驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人环境交互系统、控制系统等组机交互系统、机器人环境交互系统、控制系统等组成；成；机器人的构成机械系统机械系统 机械系统又称操作机或执行机构系统，由一机械系统又称操作机或执行机构系统，

2、由一系列系列连杆、关节或其他形式的运动部件连杆、关节或其他形式的运动部件组成，组成，通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和手爪等，构成多自由度机械系统。关节和手爪等，构成多自由度机械系统。 工业机器人机械系统由工业机器人机械系统由机身、手臂和末端执机身、手臂和末端执行器行器组成，机身可具有行走机构，手臂一般组成，机身可具有行走机构，手臂一般有上臂、下臂和手腕组成，末端执行器直接有上臂、下臂和手腕组成，末端执行器直接装在手腕上，可以是两手指或多手指手爪，装在手腕上，可以是两手指或多手指手爪，可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。驱

3、动系统驱动系统 感知系统感知系统驱动系统主要指驱动机械系统的机械装置，根据驱驱动系统主要指驱动机械系统的机械装置，根据驱动源不同可分为动源不同可分为电动、液压、气动电动、液压、气动三种或三者结合三种或三者结合一起的综合系统；驱动系统可以直接与机械系统相一起的综合系统；驱动系统可以直接与机械系统相连，或通过皮带、链条、齿轮等机械传动机构间接连，或通过皮带、链条、齿轮等机械传动机构间接相连；相连；感知系统由感知系统由内部内部传感器模块和传感器模块和外部外部传感器模块组成，传感器模块组成，获取内部和外部环境状态信息，确定机械部件各部获取内部和外部环境状态信息，确定机械部件各部分的运行轨迹、状态、位置

4、和速度等信息，使机械分的运行轨迹、状态、位置和速度等信息，使机械部件各部分按预定程序和工作需要进行动作。智能部件各部分按预定程序和工作需要进行动作。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。能化水平。控制系统控制系统 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。构完成规定的运动和功能。 若不具备信息反馈，则为若不具备信息反馈，则为开环开环控制系统；具备信控制系统；具备信息反馈特征则为息反馈

5、特征则为闭环闭环控制系统。控制系统。 根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统，人工智能控制系统；系统，人工智能控制系统； 根据控制运动形式分为点位控制和轨迹控制。根据控制运动形式分为点位控制和轨迹控制。交互系统交互系统 机器人机器人-环境交互系统是实现机器人与外部环境中环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人可以与外的设备相互联系和协调的系统。机器人可以与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等；也可以是多台机器人、焊接单元、装配单元等；也可以是多台

6、机器人、多台机床、设备、零件存储装置等集成为一个可多台机床、设备、零件存储装置等集成为一个可执行复杂任务的功能单元。执行复杂任务的功能单元。 人机交互系统是操作人员参与机器人控制并与机人机交互系统是操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，如计算机终端、指令控制器人进行联系的装置，如计算机终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。主要有两台、信息显示板及危险信号报警器等。主要有两类：指令给定装置和信息显示装置。类：指令给定装置和信息显示装置。二、机器人的分类二、机器人的分类1 1、按照结构形态，负载能力和动作空间划分、按照结构形态，负载能力和动作空间划分可分为可分为 超大型机器人超

7、大型机器人：负载能力：负载能力 1000 kg 以上以上 大型机器人大型机器人：100-1000 kg / 10 m2 以上以上 中型机器人中型机器人：10-100 kg / 1 10 m2 小型机器人小型机器人：0.1-10 kg / 0.1-1 m2 超小型机器人超小型机器人：0.1 kg 以下以下 / 0.1 m2 以下以下点位伺服控制点位伺服控制连续轨迹伺服控制连续轨迹伺服控制n伺服控制机器人伺服控制机器人 n非伺服机器人非伺服机器人2 2、按机器人的控制方式分类、按机器人的控制方式分类3 3、按机器人结构坐标系特点方式分类、按机器人结构坐标系特点方式分类1）直角坐标型机器人直角坐标型

8、机器人 2）圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人 3）极坐标型机器人极坐标型机器人4）关节型机器人关节型机器人通过沿三个互通过沿三个互相垂直的轴线相垂直的轴线的移动来实现的移动来实现机器人手部空机器人手部空间位置的改变间位置的改变通过两个移动通过两个移动和一个和一个转动实转动实现位置的改变现位置的改变运动由一个直运动由一个直线运动和两个线运动和两个转动组成转动组成运动由前后的运动由前后的俯仰及立柱的俯仰及立柱的回转组成回转组成气力驱动式气力驱动式 液力驱动式液力驱动式电力驱动式电力驱动式新型驱动方式新型驱动方式4 4、按驱动方式可分为、按驱动方式可分为1 1）机座固定式机器人）机座固定式机器人 固

9、定式机器人被固定在一个底座上，不固定式机器人被固定在一个底座上，不能移动，其工作范围有限。能移动，其工作范围有限。2 2）机座移动式机器人）机座移动式机器人 移动式机器人可沿某个方向或任意方向移动式机器人可沿某个方向或任意方向移动，工作范围较大，常见的有轮式机器人、移动，工作范围较大，常见的有轮式机器人、履带式机器人和步行机器人。履带式机器人和步行机器人。5 5、按机座可动性可分为、按机座可动性可分为第二节第二节 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 机器人机器人的技术参数反映了机器人可胜的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，任的工作、具有的最高操作性能等情况，是设

10、计、应用机器人必须考虑的问题是设计、应用机器人必须考虑的问题。 机器人机器人的主要技术参数有的主要技术参数有自由度自由度、分分辨率辨率、工作空间工作空间、工作速度工作速度、工作载荷工作载荷等。等。1 1、自由度、自由度 机器人机器人具有的具有的独立坐标轴独立坐标轴运动的运动的数目。数目。 机器人机器人的自由度是指确定机器人手部在空的自由度是指确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。目。手指的开、合，以及手指关节的自由度一手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。般不包括在内。 机器人机器人的自由度数等于关节数目的自由度数等于

11、关节数目。 机器人常用的自由度数一般不超过机器人常用的自由度数一般不超过5 56 6个。个。自由度自由度升降升降(L(L1 1) )伸缩伸缩(L(L2 2) )转动转动( (1 1) )转动转动( (2 2) )旋转旋转3 3。关节（关节（Joint）：即：即运动副，运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。对运动的机构。2 2、工作空间、工作空间 机器人机器人手臂或手部安装点所能达手臂或手部安装点所能达到的所有到的所有空间区域。空间区域。 其形状取决于机器人的自由度数其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。和各运动关节的类型与配置。 侧视

12、图侧视图俯视图俯视图 3 3、工作速度、工作速度 机器人机器人在工作载荷条件下、匀速运在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点动过程中，机械接口中心或工具中心点在在单位时间单位时间内所内所移动的距离移动的距离或或转动的转动的角角度。度。 机器人的运动速度机器人的运动速度是指单关节速度；是指单关节速度；最大最大工作速度工作速度通常指机器人末端的最大速度。通常指机器人末端的最大速度。4 4、工作载荷、工作载荷 指机器人在工作范围内任何位置上所指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩表示。还和运行速度和加速度大小

13、惯性矩表示。还和运行速度和加速度大小方向有关，一般规定高速运行时所能抓取方向有关，一般规定高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。的工件重量作为承载能力指标。5 5、控制、控制方式方式 是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。迹还是点到点的运动。6 6、驱动方式、驱动方式 关节关节执行器的动力源形式执行器的动力源形式7 7、精度、精度 实际实际到达的位置与理想位置的差距到达的位置与理想位置的差距8 8、重复精度、重复精度 在相同的命令下，机器人多次轨迹之间的在相同的命令下，机器人多次轨迹之间的误差度量误差度量 任何一台机器人

14、在同一环境、同一条件、同任何一台机器人在同一环境、同一条件、同一动作、同一指令下，每一次动作位置不可能一动作、同一指令下，每一次动作位置不可能完全一致，重复定位精度是指各次不同位置距完全一致，重复定位精度是指各次不同位置距离平均位置的最大偏差。离平均位置的最大偏差。9 9、分辨率、分辨率 指指机器人每根轴能够实现的最小移动距离机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度或最小转动角度。 精度精度和分辨率不一定相关。一台设备的运和分辨率不一定相关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，行此命令后能够达到

15、的运动位置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运动位置和命令分辨率则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。所能够设定的位置之间的差距。一、机器人机械结构的组成（如下图）一、机器人机械结构的组成（如下图） 机械部分机械部分1 手部手部2 手腕手腕3 臂部臂部4 机身机身末端执行器联接手部和手臂的部分，联接手部和手臂的部分，主要改变手部的空间方主要改变手部的空间方向和将作业载荷传递到向和将作业载荷传递到手臂手臂 联接联接机身和机身和手腕的部分，手腕的部分，改变手部的空改变手部的空间位置，并将间位置，并将各种载荷传递各种载荷传递到机座到机座起到支起到支承作用承作用第三节第三节 机

16、器人的机械结构与运动机器人的机械结构与运动二、机器人机构的运动二、机器人机构的运动1、手臂的运动、手臂的运动垂直移动垂直移动径向移动径向移动回转运动回转运动机器人手臂的机器人手臂的上下运动上下运动手臂的伸手臂的伸缩运动缩运动机器人绕铅机器人绕铅垂轴的转动垂轴的转动2、手腕的运动、手腕的运动手腕旋转手腕旋转 手腕弯曲手腕弯曲手腕侧摆手腕侧摆手腕绕小手腕绕小臂轴线的臂轴线的转动转动手腕的手腕的上下摆上下摆动动手腕的水手腕的水平摆动平摆动 机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动机构的部件。它是由臂部运动(升降、平移、升降、平移、回转和俯仰回

17、转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件机构及有关的导向装置、支撑件等组成。等组成。 由于机器人的运动型式、使用条件、负载由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。差异。三、机身和臂部机构三、机身和臂部机构 一般情况下，实现臂部的升降、回转或一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。机身上。 臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身

18、既可以是固定式的，也可以是行走杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。沿地面或架空轨道运行。三、机身和臂部机构三、机身和臂部机构1、机身机构、机身机构升降回转型机身机构升降回转型机身机构仰俯型机身结构仰俯型机身结构直移型机身结构直移型机身结构类人机器人机身结构类人机器人机身结构常用的机身机构如下：常用的机身机构如下：2 2、臂部结构、臂部结构 手臂部件（简称臂部）是机器人的手臂部件（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。手

19、部，并带动它们在空间运动。 机器人的臂部主要包括臂杆以及与其机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。支撑联接和位置检测元件等。）伸缩型臂部结构）伸缩型臂部结构）转动伸缩型臂部结构）转动伸缩型臂部结构）屈伸型臂部结构）屈伸型臂部结构）其他专用的机械传动臂部结构）其他专用的机械传动臂部结构 根据臂部的运动和布局、驱动方式、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：传动和导向装置的不同可分为： 机身和臂部的配置形式反映了机器人

20、的机身和臂部的配置形式反映了机器人的总体布局。目前常用的形式有：总体布局。目前常用的形式有： （）横梁式（）横梁式（）立柱式（）立柱式（）机座式（）机座式（）屈伸式（）屈伸式3 3、机身和臂部的配置型式、机身和臂部的配置型式 单臂悬挂式单臂悬挂式 双臂悬挂式双臂悬挂式（1 1）横梁式）横梁式 机身设计成横梁式，用于机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，运动形式多为移动式。悬挂手臂部件，运动形式多为移动式。（2 2）立柱式）立柱式 运动型式多采用回转型、俯仰运动型式多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式。（常见）型或屈伸型的运动型式。（常见）（3 3）机座式）机座式 机身设计成机座机身设计成机座式

21、，这种机器人可以是式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放整装置，可以随意安放和搬动和搬动。（4 4）屈伸式）屈伸式 屈伸式机器人的臂部由大小屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。可以实现平面运动，也可以作空间运臂。可以实现平面运动，也可以作空间运动。动。平面屈伸型平面屈伸型 空间屈伸型空间屈伸型四、手腕结构四、手腕结构 手腕是联接手臂和手部的结构部件，手腕是联接手臂和手部的结构部件，具有独立的自由度。具有独立的自由度。（1 1）作用）作用：调整或改变工件的姿态：调整或改变工件的姿态( (方位

22、方位) )，因，因而它有独立的自由度，已使机器人手部适应复而它有独立的自由度，已使机器人手部适应复杂的动作要求。杂的动作要求。（2 2）自由度）自由度：三个自由度：三个自由度 手腕结构多为上述三个回转方式的组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，合，组合的方式可以有多种形式，常用的常用的手腕组合的方式手腕组合的方式臂转、腕摆、手转结构臂转、腕摆、手转结构 臂转、双腕摆、手转结构臂转、双腕摆、手转结构手腕的分类手腕的分类 1 1）按自由度数目来分类：）按自由度数目来分类： 单自由度手腕单自由度手腕 二自由度手腕二自由度手腕 三自由度手腕三自由度手腕(1)(1)单自由度手腕

23、单自由度手腕(2)(2)二自由度手腕二自由度手腕 如下图：二自由度手腕可以由一个如下图：二自由度手腕可以由一个R R关节和关节和一个一个B B关节组成关节组成BRBR手腕手腕(a)(a)；也可以由两个；也可以由两个B B关节关节组成组成BBBB手腕手腕(b)(b)。但是，不能由两个。但是，不能由两个R R关节组成关节组成RRRR手腕，因为两个手腕，因为两个R R关节共轴线，所以退化了一个关节共轴线，所以退化了一个自由度，实际只构成了单自由度手腕自由度，实际只构成了单自由度手腕 (c) (c)(3)(3)三自由度手腕三自由度手腕 如左图所示。三自由如左图所示。三自由度手腕可以由度手腕可以由B B

24、关节和关节和R R关节组成许多种形式。关节组成许多种形式。此外，此外，B B关节和关节和R R关节排关节排列的次序不同，也会产列的次序不同，也会产生不同的效果，也产生生不同的效果，也产生了其它形式的三自由度了其它形式的三自由度手腕。手腕。为了使手腕结构为了使手腕结构紧凑，通常把两个紧凑，通常把两个B B关关节安装在一个十字接头节安装在一个十字接头上，这对于上，这对于BBRBBR手腕来手腕来说大大减小了手腕纵向说大大减小了手腕纵向尺寸。尺寸。2）柔顺手腕结构柔顺手腕结构 在用机器人进行的精密装配作业中在用机器人进行的精密装配作业中, ,当被装配当被装配零件之间的配合精度相当高零件之间的配合精度相

25、当高, , 由于被装配零件的由于被装配零件的不一致性不一致性, ,工件的定位夹具、机器人手爪的定位精工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时度无法满足装配要求时, ,会导致装配困难会导致装配困难, , 因而因而, ,需要柔顺性装配。需要柔顺性装配。 柔顺性装配技术有两种。一种是从检测、控柔顺性装配技术有两种。一种是从检测、控制的角度制的角度, , 采取各种不同的搜索方法采取各种不同的搜索方法, ,实现边校正实现边校正边装配边装配; ;有的手爪还配有检测元件有的手爪还配有检测元件, ,如视觉传感器、如视觉传感器、力传感器等力传感器等, , 这就是所谓主动柔顺装配。另一种这就是所谓主

26、动柔顺装配。另一种是从结构的角度是从结构的角度, , 在手腕部配置一个柔顺环节在手腕部配置一个柔顺环节, ,以以满足柔顺装配的需要满足柔顺装配的需要, , 这种柔顺装配技术称为被这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配。动柔顺装配。 柔顺手腕柔顺手腕 机器人手部是机器人为了进行作业，在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手腕上配置的操作机构。因此有时也称为末端操作器。操作器。1 1、作用、作用：机器人直接用于抓取和握紧（或：机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用工具（如喷枪、扳手、吸附）工件或操持专用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部件，它具

27、有模砂轮、焊枪等）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的最前端。最前端。五、手部机构五、手部机构2 2、工业机器人手部的特点：、工业机器人手部的特点： (1)(1)手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕相连处可拆卸。手部与手。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便当工业机器人作业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。地拆卸和更换手部。 (2)(2)手部是工业机器人末端操作器手部是工业机器人末端操作器。它可。它可以像人手那样具有手指，也可以是不具备以像人手那样

28、具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机器人手进行专业作业的工具，比如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。腕上的喷漆枪、焊接工具等。 每个每个手指有手指有三个或四个关三个或四个关节节。 技术技术关键是关键是手指之间的协手指之间的协调控制调控制。末端操作器图例（末端操作器图例（2 2）：）：(3(3) )手部的通用性比较差手部的通用性比较差。工业机器人工业机器人手部通常是专用的装置，比如：手部通常是专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面

29、相近似的工件；一种工具只能寸、重量等方面相近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。执行一种作业任务。(4)(4)手部是一个独立的部件手部是一个独立的部件。 假如假如把手腕归属于手臂，那么工业机器人机把手腕归属于手臂，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、手臂和手部械系统的三大件就是机身、手臂和手部( (未端操未端操作器作器) )。手部对于整个工业机器人来说是完成作。手部对于整个工业机器人来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。具有业好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现，增加了工复杂感知能力的智能化手爪的出现，增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性业机器

30、人作业的灵活性和可靠性。1 1）机械夹持式）机械夹持式 机械夹持式手部与人手相似机械夹持式手部与人手相似, , 是工业是工业机器人广为应用的一种手部形式。机械夹机器人广为应用的一种手部形式。机械夹持式手由手指（或手爪）、驱动机构、传持式手由手指（或手爪）、驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成，它通过手动机构及连接与支承元件组成，它通过手指的开、合动作实现对物体的夹持操作。指的开、合动作实现对物体的夹持操作。 3、手部的分类、手部的分类图图 夹钳式手部的组成夹钳式手部的组成1-手指手指 2-传动机构传动机构 3-驱动装置驱动装置 4-支架支架 5-工件工件（1 1）夹钳式）夹钳式 常用形式，由

31、手指（手爪）、驱动装置、传动机构常用形式，由手指（手爪）、驱动装置、传动机构和承接支架组成，通过手爪开闭动作实现夹持。和承接支架组成，通过手爪开闭动作实现夹持。手指手指 直接与物件接触，张开与闭合实现了对物件直接与物件接触，张开与闭合实现了对物件的松开和夹紧；的松开和夹紧； 适当的开闭范围，足够握力，相应精度；适当的开闭范围，足够握力，相应精度； 通常两个手指，或三个，结构形式取决于被通常两个手指，或三个，结构形式取决于被夹持工件的形状和特性；夹持工件的形状和特性； V V形指：圆柱形，形指：圆柱形， 平面指：方形工件；平面指：方形工件； 尖指：小型或柔性工件；尖指：小型或柔性工件； 专用：形

32、状不规则工件；专用：形状不规则工件； 根据工件形状、大小、及被夹持部位材质软根据工件形状、大小、及被夹持部位材质软硬、表面性质不同，有光滑值面、齿形指面硬、表面性质不同，有光滑值面、齿形指面和柔性指面；和柔性指面； 光滑指面光滑指面：指面平整光滑，已加工表面受损：指面平整光滑，已加工表面受损 齿形指面齿形指面：指面有齿纹，毛坯或半成品，增：指面有齿纹，毛坯或半成品，增加摩擦力，确保夹紧可靠；加摩擦力，确保夹紧可靠； 柔性指面柔性指面：指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等，：指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等，夹持已加工表面、炽热件，或薄壁件或脆性夹持已加工表面、炽热件，或薄壁件或脆性工件，增加摩擦，保护工件表面

33、，隔热等；工件，增加摩擦，保护工件表面，隔热等；指面形式指面形式2）传动机构传动机构 以向手指传递运动和动力，实现夹紧和松开以向手指传递运动和动力，实现夹紧和松开动作，回转型和平移型两类；动作，回转型和平移型两类； 夹钳式手部多用回转型，手指是一对或几对夹钳式手部多用回转型，手指是一对或几对杠杆，同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杠杆，同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆组成复合式杠杆传动机构，以改变杆或螺杆组成复合式杠杆传动机构，以改变传力比及运动方向；传力比及运动方向；常用的机构常用的机构有：有：a.a.楔块杠杆式楔块杠杆式 楔块杠杆式回转型手楔块杠杆式回转型手当当驱动器驱动器推动楔块前

34、进时，推动楔块前进时，通过楔块通过楔块的斜面的斜面与杠杆作与杠杆作用，使手爪产生用，使手爪产生夹紧夹紧动作动作和夹紧力，当楔块后退时，和夹紧力，当楔块后退时，靠弹簧的拉力使手爪松开。靠弹簧的拉力使手爪松开。回转型传动机构回转型传动机构b.b.滑槽杠杆式滑槽杠杆式 滑槽杠杆式回转型滑槽杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆手当驱动器推动中心杆向上运动时，圆柱销在向上运动时，圆柱销在两杠杆的滑槽中移动，两杠杆的滑槽中移动，迫使与支架相铰接的手迫使与支架相铰接的手爪产生夹紧动作和夹紧爪产生夹紧动作和夹紧力，当中心杆向下运动力，当中心杆向下运动时，手抓松开。时，手抓松开。 c.c.连杆杠杆式连杆杠杆式 连杆

35、杠杆式回转型手当驱动器连杆杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆上下运动时，由中心杆、推动中心杆上下运动时，由中心杆、连杆、手爪和支架就构成四杆机构，连杆、手爪和支架就构成四杆机构，从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。需要注意的是，当中心杆向下运动，需要注意的是，当中心杆向下运动，两个连杆处于一条水平线时，手爪已闭合到最小极两个连杆处于一条水平线时，手爪已闭合到最小极限位置，当中心杆继续向下运动时，手爪不但不会限位置，当中心杆继续向下运动时，手爪不但不会闭合的更紧，反而会松开，这是使用连杆杠杆式回闭合的更紧，反而会松开，这是使用连杆杠杆式回转手时一定要避免的情况。转手时一

36、定要避免的情况。 d.d.齿轮齿条式齿轮齿条式 齿轮齿条式回转齿轮齿条式回转型手中心杆的端部两型手中心杆的端部两侧有齿条，与固定在侧有齿条，与固定在手爪上的齿轮相啮合，手爪上的齿轮相啮合，当中心杆上下运动时，当中心杆上下运动时，在齿轮齿条的啮合作在齿轮齿条的啮合作用下就带动两个手爪用下就带动两个手爪回转，从而产生夹紧回转，从而产生夹紧和松开动作。和松开动作。 (2(2）钩托式手部）钩托式手部 勾托式手部并不靠夹紧力来夹持工件勾托式手部并不靠夹紧力来夹持工件, , 而是利用工件本身的重量而是利用工件本身的重量, , 通过手指对通过手指对工件的勾、托、捧等动作来托持工件。工件的勾、托、捧等动作来托

37、持工件。应用勾托方式可降低对驱动力的要求应用勾托方式可降低对驱动力的要求, ,简简化手部结构化手部结构, , 甚至可以省略手部驱动装甚至可以省略手部驱动装置。该手部适用于在水平面内和垂直面置。该手部适用于在水平面内和垂直面内搬运大型笨重的工件或结构粗大而质内搬运大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的物体。量较轻且易变形的物体。 无驱动装置无驱动装置 有驱动装置有驱动装置(3(3）弹簧式手部）弹簧式手部 弹性力手爪的特点是其夹持物体的抓力弹性力手爪的特点是其夹持物体的抓力是由弹性元件提供的是由弹性元件提供的, ,不需要专门的驱动装不需要专门的驱动装置置, , 在抓取物体时需要一定的压入力在

38、抓取物体时需要一定的压入力, , 而而在卸料时在卸料时, , 则需要一定的拉力，则需要一定的拉力，结构简单，结构简单，只适于夹持轻小工件。只适于夹持轻小工件。弹簧式手部弹簧式手部2)2)吸附式吸附式 依靠吸附力取料，分气吸附和磁吸附两种，适用依靠吸附力取料，分气吸附和磁吸附两种，适用于爪取大平面、易碎、微小物体；于爪取大平面、易碎、微小物体； 气吸式手部是常用的一种吸持式装置，利用吸盘气吸式手部是常用的一种吸持式装置，利用吸盘内压力和大气压力差工作，由吸盘、吸盘架及进内压力和大气压力差工作，由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，结构简单、重量轻、使用方便；排气系统组成，结构简单、重量轻、使用方便；应

39、用于非金属材料（板材、纸张、玻璃等）或不应用于非金属材料（板材、纸张、玻璃等）或不可有剩磁的材料吸附；要求物体表面平整光滑，可有剩磁的材料吸附；要求物体表面平整光滑，无透气空隙；无透气空隙； 形成压力差方式：形成压力差方式：真空吸附真空吸附、气流负压吸附气流负压吸附、挤挤压吸附压吸附；真空抽气式真空抽气式 真空泵产生真空，真空度真空泵产生真空，真空度高，吸力大，工作可靠，高，吸力大，工作可靠，成本高；成本高； 橡胶盘，靠近物体表面，橡胶盘，靠近物体表面，抽真空，吸附；接通大气，抽真空，吸附；接通大气，放下；放下； 背部球铰接；背部球铰接；气流负压式气流负压式 压缩空气高速流经喷嘴，压缩空气高速

40、流经喷嘴，腔内气体被高速气流带走腔内气体被高速气流带走形成负压，完成取物；切形成负压，完成取物；切断压缩空气即可释放；断压缩空气即可释放； 压缩空气取来方便，成本压缩空气取来方便，成本低；低；挤压排气式挤压排气式 取料时吸盘压紧物体，吸盘取料时吸盘压紧物体，吸盘变形，挤出多余气体，手部变形，挤出多余气体，手部上升靠吸盘恢复力形成负压上升靠吸盘恢复力形成负压将物体吸住；压下推杆连同将物体吸住；压下推杆连同大气释放；大气释放； 结构简单，吸附力小，防止结构简单，吸附力小，防止漏气，不宜长期保持；漏气，不宜长期保持；（3 3）磁吸式）磁吸式 依靠永磁体或电磁铁的磁力吸附，单位面积吸力大，依靠永磁体或

41、电磁铁的磁力吸附，单位面积吸力大，对工件表面粗糙度、通孔、沟槽无特殊要求，但只对工件表面粗糙度、通孔、沟槽无特殊要求，但只对铁磁物体起作用，被吸工件存在剩磁，铁屑，对铁磁物体起作用，被吸工件存在剩磁，铁屑，致致使不能可靠地吸住工件，使不能可靠地吸住工件， 只适用于工件要求不高或有剩磁也无妨的场合只适用于工件要求不高或有剩磁也无妨的场合，对，对不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。使用有一定的局限性。 对不同形状、不同材质的物体实施夹持和操对不同形状、不同材质的物体实施夹持和操作，物体表面受力均匀，提高操作能力、灵作，物体表面

42、受力均匀，提高操作能力、灵活性和快速反应能力，仿人手；活性和快速反应能力，仿人手； 柔性手：多关节串联，钢丝绳牵引，凹凸不柔性手：多关节串联，钢丝绳牵引，凹凸不平的物体受力均匀；平的物体受力均匀； 多指灵活手：多手指组成，每个手指三个回多指灵活手：多手指组成，每个手指三个回转关节，每个关节独立控制；转关节，每个关节独立控制；3 3、仿人机器人的手部、仿人机器人的手部 每个手指由多个关节串联而成。手指传动部每个手指由多个关节串联而成。手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成, ,每个手指由两根每个手指由两根钢丝绳牵引钢丝绳牵引, ,一侧为握紧一侧为握紧, ,另一侧为放松

43、。驱动源另一侧为放松。驱动源可采用电机驱动或液压、气动元件驱动。柔性手可采用电机驱动或液压、气动元件驱动。柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物体受力较为均匀。腕可抓取凹凸不平的外形并使物体受力较为均匀。1 1）柔性手）柔性手图多关节柔性手腕图多关节柔性手腕机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。手的多指灵巧手。 如右图所示如右图所示, ,多指灵巧手有多指灵巧手有多个手指多个手指, , 每个手指有每个手指有3 3个回转关节个回转关节, , 每一个关每一个关节的自由度都是独立控制的。因此节的自由度都是独立控制的。因此, ,几乎人手指几乎人手指能完成的各

44、种复杂动作它都能模仿能完成的各种复杂动作它都能模仿, ,诸如拧螺钉、诸如拧螺钉、弹钢琴、弹钢琴、 作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器力觉、视觉、温度传感器, , 将会使多指灵巧手将会使多指灵巧手达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛分广泛, ,可在各种极限环境下完成人无法实现的可在各种极限环境下完成人无法实现的操作操作, , 如核工业领域、宇宙空间作业如核工业领域、宇宙空间作业, , 在高温、在高温、高压、高真空环境下作业等。高压、高真空环境下作业等。 图图 多指灵巧手多指灵巧手 2 2）

45、多指灵巧手多指灵巧手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六、行走机构六、行走机构行走机构是行走机器人的重要执行部件行走机构是行走机器人的重要执行部件, ,它由它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂等组成。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。机器人实现在更广阔的空间内运动。针对陆上表

46、面环境的。其机构形式主要有：针对陆上表面环境的。其机构形式主要有：车轮式行走机构车轮式行走机构履带式行走机构履带式行走机构足式足式行走机构行走机构 1 1、车轮式行走机构、车轮式行走机构 轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制方便，运动灵活。缺点是其方便，运动灵活。缺点是其越野能力较差越野能力较差，但可以，但可以通过选择合适的悬架系统来提高其地形适应能力。通过选择合适的悬架系统来提高其地形适应能力。 （）车轮的形式（）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。的承载能力。（）车轮的配

47、置和转向机构（）车轮的配置和转向机构 车轮行走机构依据车轮的多少分为车轮行走机构依据车轮的多少分为1 1轮、轮、2 2轮、轮、3 3轮、轮、4 4轮以及多轮机构。轮以及多轮机构。 1 1轮和轮和2 2轮行走机构在实现上的主要障碍是轮行走机构在实现上的主要障碍是稳定性问题，实际应用的车轮式行走机构多为稳定性问题，实际应用的车轮式行走机构多为3 3轮和轮和4 4轮。轮。两轮型两轮型 二轮车的速度、倾斜度等物理精度不高二轮车的速度、倾斜度等物理精度不高, , 而若将其进行机而若将其进行机器人化器人化, , 则引进简单、便宜、可靠性高的传感器也很难。则引进简单、便宜、可靠性高的传感器也很难。 此外此外

48、, ,二轮车制动及低速行走时极不稳定二轮车制动及低速行走时极不稳定, , 目前正在进行稳定化试验。目前正在进行稳定化试验。下图所示为利用陀螺仪的二轮车。人们在驾驶两轮车时下图所示为利用陀螺仪的二轮车。人们在驾驶两轮车时, , 依靠依靠手的操作和体重的移动力求稳定行走手的操作和体重的移动力求稳定行走, ,这种陀螺二轮车这种陀螺二轮车, , 把与车把与车体倾斜成比例的力矩作用在轴系上体倾斜成比例的力矩作用在轴系上, ,利用陀螺效果使车体稳定利用陀螺效果使车体稳定。 图图 利用陀螺仪的二轮车利用陀螺仪的二轮车 三轮型三轮型三轮移动机构是车轮型机器人的基本移动机构。目前三轮移动机构是车轮型机器人的基本

49、移动机构。目前, , 作作为移动机器人移动机构的三轮机构的原理如图为移动机器人移动机构的三轮机构的原理如图2 2所示。所示。(a)(a)由两由两个驱动轮的速度差和自位轮转弯；个驱动轮的速度差和自位轮转弯；(b)(b)由一个驱动轮和转向机由一个驱动轮和转向机构转弯；构转弯；(c)(c)由两个驱动轮的速度差和转向机构（操舵轮）转由两个驱动轮的速度差和转向机构（操舵轮）转弯。弯。图图 2三轮车型移动机器人机构三轮车型移动机器人机构 四轮型四轮型四轮车的驱动机构和运动基本上与三轮车相同。四轮车的驱动机构和运动基本上与三轮车相同。 图图2.64(a)2.64(a)所示为两轮独立驱动所示为两轮独立驱动,

50、, 前后带有辅助轮的方式。前后带有辅助轮的方式。 与与图图 (b)(b)相比相比, , 当旋转半径为当旋转半径为0 0时时, , 由于能绕车体中心旋转由于能绕车体中心旋转, , 因因此有利于在狭窄场所改变方向。此有利于在狭窄场所改变方向。 图图2.64(b)2.64(b)是所谓汽车方式是所谓汽车方式, , 适合于高速行走适合于高速行走, , 但用于低速的运输搬运时但用于低速的运输搬运时, , 费用不合算费用不合算, , 所以小型机器人不大采用。所以小型机器人不大采用。 图图 2.64 四轮车的驱动机构和运动四轮车的驱动机构和运动 (a)(b)越障轮式机构越障轮式机构 普通车轮行走机构对崎岖不平

51、地面适应性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。了越障轮式机构。 多节车轮式结构多节车轮式结构2 2）履带式行走机构）履带式行走机构 履带式移动机构是轮式移动机构的拓展，履带本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。但上稳定移动，具有很强的越野能力，控制也简单。但功耗较大

52、，运动灵活性差。功耗较大，运动灵活性差。 履带行走机构与轮式行走机构相比，履带行走机构与轮式行走机构相比，有如下特点：有如下特点： （1 1）支承面积大，接地比压小。适）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，合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小。滚动阻力小。 （2 2）越野机动性好，爬坡、越沟等）越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构性能均优于轮式行走机构 （3 3）履带支承面上有履齿，不易打）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；牵引力； （4 4）结构复杂，重量大，运动惯性）

53、结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏大，减振功能差，零件易损坏. .通过进一步采用适应地形的履带通过进一步采用适应地形的履带, , 可产生更有效地利用可产生更有效地利用履带特性的方法。履带特性的方法。 下图是适应地形的履带的例子。下图是适应地形的履带的例子。 越障越障上、下台阶上、下台阶位置可变履带行走机构位置可变履带行走机构变位履带移动机构变位履带移动机构救救援援机机器器人人3)3)足式行走机构足式行走机构 离散点，选择支离散点，选择支撑；撑； 主动隔振；主动隔振； 不平、松软地面不平、松软地面速度高能耗少；速度高能耗少；（）足的数目（）足的数目 现有的步行机器人的足数分别为

54、单现有的步行机器人的足数分别为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的数目多，适合于重载和慢至更多。足的数目多，适合于重载和慢速运动。双足和四足具有最好的适应性速运动。双足和四足具有最好的适应性和灵活性，也最接近人类和动物。和灵活性，也最接近人类和动物。 下图为六足缩放式腿步行机构原理，每腿有下图为六足缩放式腿步行机构原理，每腿有三个转动关节（三个转动关节（、）。行走时，三腿）。行走时，三腿为一组，足端以相同位移移动，二组相差一定为一组，足端以相同位移移动，二组相差一定时间间隔进行移动，可以实现时间间隔进行移动，可以实现xyxy平面内任意方平面内任意方

55、向行走和原地转动。向行走和原地转动。图图（2）足的配置足的配置足的主平面的安排足的主平面的安排正向对称分布正向对称分布 前后向对称分布前后向对称分布 足的配置指足相对于机体的位置和方位的安排，足的配置指足相对于机体的位置和方位的安排，这个问题对于多于两足时尤为重要。就二足而言，足这个问题对于多于两足时尤为重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一种配的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一种配置因容易引起腿间的干涉而实际上很少用到。置因容易引起腿间的干涉而实际上很少用到。足的几何构型足的几何构型哺乳动物形哺乳动物形 爬行动物爬行动物 昆虫形昆虫形足的相对方位足的相对方位内

56、侧相对弯曲内侧相对弯曲 外侧相对弯曲外侧相对弯曲 同侧弯曲同侧弯曲 3 3）其它移动方式）其它移动方式爬缆索机器人爬缆索机器人蛇形机器人蛇形机器人机器人的驱动机构机器人的驱动机构机器人关节的驱动方式有：机器人关节的驱动方式有： （1 1）液压式）液压式 （2 2）气动式）气动式 （3 3）电动式。）电动式。一、驱动方式一、驱动方式1 1、液压驱动、液压驱动 液压驱动是由高精度的缸体和液压驱动是由高精度的缸体和活塞一起完成的。活塞和缸体采用活塞一起完成的。活塞和缸体采用滑动配合滑动配合, , 压力油从液压缸的一端压力油从液压缸的一端进入进入, , 把活塞推向液压缸的另一端把活塞推向液压缸的另一端

57、, , 调节液压缸内部活塞两端的液体压调节液压缸内部活塞两端的液体压力和进入液压缸的油量即可控制活力和进入液压缸的油量即可控制活塞的运动。塞的运动。优点优点: :(1) (1) 液压容易达到较高的单位面积压力液压容易达到较高的单位面积压力( (常用油常用油压为压为2.52.56.3 MPa), 6.3 MPa), 体积较小体积较小, , 可以获得较大可以获得较大的推力或转矩。的推力或转矩。(2) (2) 液压系统介质的可压缩性小液压系统介质的可压缩性小, , 工作平稳可工作平稳可靠靠, , 并可得到较高的位置精度。并可得到较高的位置精度。 (3) (3) 液压传动中液压传动中, , 力、力、

58、速度和方向比较容易实速度和方向比较容易实现自动控制。现自动控制。 (4) (4) 液压系统采用油液作介质液压系统采用油液作介质, ,具有防锈性和自具有防锈性和自润滑性能润滑性能, , 可以提高机械效率可以提高机械效率, , 使用寿命长。使用寿命长。 存在的不足存在的不足: : (1) (1) 油液的粘度随温度变化而变化油液的粘度随温度变化而变化, , 这将影这将影响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。 (2) (2) 液体的泄漏难于克服液体的泄漏难于克服, ,要求液压元件有要求液压元件有较高的精度和质量较高的精度和质量, , 故造价较高。故造价较高

59、。 (3) (3) 需要相应的供油系统需要相应的供油系统, ,尤其是电液伺服尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置系统要求严格的滤油装置, ,否则会引起故障。否则会引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更大，液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于能构成伺服机构，常用于大型大型机器人机器人关节的驱动。关节的驱动。 右右图为一气动机械手。图为一气动机械手。该机械手采用气动方式该机械手采用气动方式驱动驱动, , 有三个自由度有三个自由度, , 分别为转动分别为转动( (由摆动气缸由摆动气缸实现实现) )、X X轴移动轴移动( (由由X X轴轴直线气缸实现直线气缸实现) )和和Z Z轴升

60、轴升降降( (由由Z Z轴气缸实现轴气缸实现) )。末。末端操作器为小型气流负端操作器为小型气流负压式吸盘。压式吸盘。 气动气动机械手机械手2 2、气压驱动、气压驱动与液压驱动相比与液压驱动相比, , 气压驱动的特点是气压驱动的特点是: : (1) (1) 压缩空气粘度小压缩空气粘度小, , 容易达到高速容易达到高速(1 (1 m ms)s)。 (2) (2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气利用工厂集中的空气压缩机站供气, , 不必添加动力设备。不必添加动力设备。(3) (3) 空气介质对环境无污染空气介质对环境无污染, ,使用安全使用安全, ,可直接应用于高温作业。可直接应用于高温作业。 (