机器人的组成结构

2、机器人的组成结构

一、机器人系统的组成如图所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成·这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统．

驱动系统要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统．感受系统它由内部传感器模块和外部传感器模块组成,获取内部和外部环境状态中有意义的信息．智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准．人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效．机器人一环境交互系统

机器人一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．机器人与外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

人一机交互系统

人一机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置：指令给定装置和信息显示装置．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及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能．如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统．根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统．根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制

操作机器人本体的结构形式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6手部腕部小臂（上臂）大臂（下臂）腰部

基座控制柜示教盒相关术语及性能指标关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。自由度（Degreeoffreedom）：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。定位精度（Positioningaccuracy）：指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复性（Repeatability）或重复精度：在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。oo工作空间（Workingspace）：机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。二、工业机器器人的机械结结构工业机器人的的机械本体类类似于具备上上肢机能的机机械手，由由手部、腕部部、臂、机身身(有的包括括行走机构)组成。2.1机械手手的操作动作作机械手的动作作形态是由三三种不同的单单动作——旋旋转、回转、、伸缩组合而而成的。旋转和回转是是指运动机构构产生相对运运动。旋转是转动部部件的轴线和和转动轴同轴轴；回转是转动部部件的轴线与与转动轴不同同轴。伸缩是指运动动机构产生直直线运动。2.2机械手手的坐标形式式和自由度（1）根据单单元动作组合合方式的不同同，机械手的的动作形态一一般归纳为以以下四种坐标标类型：①直直角坐标型(图7．2——2)；②圆圆柱坐标型(图7．2——3)；③极极坐标型(图图7．2—4)；④多关关节型(图7．2—5)。直角坐标型机机械手可以在三个互互相垂直的方方向上作直线线伸缩运动，，这类机械手手各个方向的的运动是独立立的，计算和和控制比较方方便，但占地地面积大，限限于特定的应应用场合圆柱坐标型机机械手有一个围绕基基座轴的旋转转运动和两个个在相互垂直直方向上的直直线伸缩运动动。它适用于于采用油压(或气压)驱驱动机构，在在操作对象位位于机器人四四周的情况下下，操作最为为方便。极坐标型机械械手的动作形态包包括围绕基座座轴的旋转，，一个回转和和一个直线伸伸缩运动，其其特点类似于于圆柱型机械械手。多关节型机械械手最接近于人臂臂的构造。它它主要由多个个回转或旋转转关节所组成成，一般都采采用电机驱动动机构。运用用不同的关节节连接方式，，可以完成各各种复杂的操操作。由于具具有占地面积积小，动作范范围大，空间间移动速度快快而灵活等特特点，多关节节型机械手在在各种智能机机器人中被广广为采用。SCARA机器人关关节式式机器人2.3.机身、臂部和和手部机构机身是直接联联接、支承和和传动手臂及及行走机构的的部件。它是是由臂部运动动(升降、平移、、回转和俯仰仰)机构及有关的的导向装置、、支撑件等组组成。由于机机器人的运动动型式、使用用条件、负载载能力各不相相同，所采用用的驱动装置置、传动机构构、导向装置置也不同，致致使机身结构构有很大差异异。一般情况下，，实现臂部的的升降、回转转或或俯仰等等运动的驱动动装置或传动动件都安装在在机身上。臂臂部的运动愈愈多，机身的的结构和受力力愈复杂。机机身既可以是是固定式的，，也可以是行行走式的，即即在它的下部部装有能行走走的机构，可可沿地面或架架空轨道运行行。１．机身结构构常用的机身结结构：１）升降回转转型机身结构构２）俯仰型机机身结构３）直移型机机身结构４）类人机器器人机身结构构２．臂部结构构手臂部件(简称臂部)是机器人的主主要执行部件件，它的作用用是支撑腕部部和手部，并并带动它们在在空间运动。。机器人的臂臂部主要包括括臂杆以及与与其伸缩、屈屈伸或自转等等运动有关的的构件，如传传动机构、驱驱动装置、导导向定位装置置、支撑联接接和位置检测测元件等。此此外，还有与与腕部或手臂臂的运动和联联接支撑等有有关的构件、、配管配线等等。根据臂部的运运动和布局、、驱动方式、、传动和导向向装置的不同同可分为：１）伸缩型臂臂部结构２）转动伸缩缩型臂部结构构３）驱伸型臂臂部结构４）其他专用用的机械传动动臂部结构３．机身和臂臂部的配置形形式机身和臂部部的配置形形式基本上上反映了机机器人的总总体布局。。由于机器器人的运动动要求、工工作对象、、作业环境境和场地等等因素的不不同，出现现了各种不不同的配置置形式。目目前常用的的有如下几几种形式：：（１）横梁梁式（２）立柱柱式（３）机座座式（４）驱伸伸式横梁式：机身设计成成横梁式，，用于悬挂挂手臂部件件，这类机机器人的运运动形式大大多为移动动式。它具具有占地面面积小，能能有效利用用空间，直直观等优点点。横梁可可设计成固固定的或行行走的，一一般横梁安安装在厂房房原有建筑筑的柱梁或或有关设备备上，也可可从地面架架设。立柱式：立柱式机器器人多采用用回转型、、俯仰型或或屈伸型的的运动型式式，是一种种常见的配配置形式。。一般臂部部都可在水水平面内回回转，具有有占地面积积小而工作作范围大的的特点。立立柱可固定定安装在空空地上，也也可以固定定在床身上上。立主式式结构简单单，服务于于某种主机机，承担上上、下料或或转运等工工作。机座式：机身设计成成机座式，，这种机器器人可以是是独立的、、自成系统统的完整装装置，可以以随意安放放和搬动。。也可以具具有行走机机构，如沿沿地面上的的专用轨道道移动，以以扩大其活活动范围。。各种运动动形式均可可设计成机机座式。屈伸式：屈伸式机器器人的臂部部由大小臂臂组成，大大小臂间有有相对运动动，称为屈屈伸臂。屈屈伸臂与机机身间的配配置形式关关系到机器器人的运动动轨迹，可可以实现平平面运动，，也可以作作空间运动动。（图见下页）4、手腕结构构手腕是联接手臂臂和手部的的结构部件件，它的主主要作用是是确定手部部的作业方方向。因此此它具有独独立的自由由度，以满满足机器人人手部完成成复杂的姿姿态。要确定手部部的作业方方向，一般般需要三个个自由度，，这三个回回转方向为为：１）臂转绕绕小臂轴轴线方向的的旋转。２）手转使使手部绕绕自身的轴轴线方向旋旋转。３）腕摆使使手部相相对于臂进进行摆动。。手腕结构多多为上述三三个回转方方式的组合合，组合的的方式可以以有多种形形式如下图图所示：腕部结构的的设计要满满足传动灵灵活、结构构紧凑轻巧巧、避免干干涉。机器器人多数将将腕部结构构的驱动部部分安排在在小臂上。。首先设法法使几个电电动机的运运动传递到到同轴旋转转的心轴和和多层套筒筒上去。运运动传入腕腕部后再分分别实现各各个动作。。柔顺手腕在用机器人人进行精密密装配作业业中，当被被装配零件件的不一致致、工件的的定位夹具具、机器人人的定位精精度不能满满足装配要要求时，会会导致装配配困难。这这就提出了了柔顺性要要求。柔顺装配技技术有两种种：一种是是从检测、、控制的角角度，采取取各种不同同的搜索方方法，实现现边校正边边装配。一种是从机机械结构的的角度在手手腕部配置置一个柔顺顺环节，以以满足柔顺顺装配的要要求。5、手部机构构机器人的手手部是是最最重要的执执行机构。。机器人手部部是机器人人为了进行行作业，在在手腕上配配置的操作作机构。因因此有时也也称为末端端操作器。。由于机器人人作业内容容的差异（（如搬运、、装配、焊焊接、喷涂涂等）和作作业对象的的不同（如如轴类、板板类、箱类类、包类物物体等），，手部部的形式多多样。综合合考考虑虑手手部部的的用用途途、、功功能能和和结结构构持持点点，，大大致致可可分分成成以以下下几几类类：：1．卡卡爪爪式式夹夹持持器器；；2．吸吸附附式式取取料料手手；；3．专专用用操操作作器器及及换换接接器器4．仿仿生生多多指指灵灵巧巧手手。。34卡爪爪式式夹夹持持器器通常常有有两两个个夹夹爪爪，，分分为为回回转转型型和和平平移移型型两两种种类类型型。。卡爪爪式式夹夹持持器器几种种弹弹力力抓抓手手1）弹弹力力夹夹持持器器352）回回转转型型夹夹持持器器开合合占占用用空空间间较小小夹持持中中心心变变化化363）平平移移型型夹夹持持器器开合合占占用用空空间较较大大夹持持中中心心保保持不不变变1.滑槽槽杠杠杆杆式式手手部部2.齿轮齿条式手部3.滑块杠杆式手部4.斜楔杠杆式5.移动型连杆式手部6.齿轮齿条式手部7.内涨斜块式手部8.连杆杠杆式手部手指指类类型型：：41吸式式取取料料手手是是目目前前应应用用较较多多的的一一种种执执行行器器，，特特别别是是用用于于搬搬运运机机器器人人。。该该类类执执行行器器可可分分气气吸吸和和磁磁吸吸两两类类。。吸附附式式取取料料手手气吸吸附附取取料料手手是是利利用用吸吸盘盘内内气气压压与与大大气气压压之之间间的的压压力力差差而而工作的的。。具具有有结结构构简简单单，，重重量量轻轻，，吸吸附附力力分分布布均均匀匀等等优优点点。。按形形成成压压力力的的方方法法，，可可分分成成真真空空气气吸吸、、气气流流负负压压气气吸吸、、挤挤压压排排气气负负压压气气吸吸式式儿儿种种。。1）气气吸吸附附取取料料手手气流流负负压压气气吸吸盘盘挤压压排排气气吸吸盘盘真空空气气吸吸盘盘422）磁磁吸吸附附取取料料手手43专用用操操作作器器及及换换接接器器44人手手是是最最灵灵巧巧的的夹夹持持器器，，如如果果模模拟拟人人手手结结构构，，就就能能制制造造出出结结构构最最优优的的夹夹持持器器。。但但由由于于人人手手自自由由度度较较多多（（20个）），，驱驱动动和和控控制制都都十十分分复复杂杂，，迄迄今今为为止止，，只只是是制制造造出出了了一一些些原原理理样样机机，，离离工工业业应应用用还还有有一一定定的的差差距距。。仿生生多多指指灵灵巧巧手手UTACH／MIT多指指手三指指手双拇拇指指手45最小小的的三三指指手BH——II三指指手手四指指灵灵巧巧手灵巧巧的的双双手DLR多指指手手哈工工大大多多指指手手46手指关节节的设计计手指主要要用于抓抓握动作作，要求求动作灵灵活，刚刚度好，，具有较较大的抓抓握力。。就其手手的结构构而言，，传动机机构有三三种方式式：1)腱传动，，特点是是结构简简单，节节省空间间，具有有很高的的抗拉强强度和很很轻的重重量，但但刚性差差，较大大的弹性性，不利利于控制制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是这这种方式式。2)齿轮传动动，特点点是传动动比可靠靠，但是是摩擦较较大，有有回程间间隙，占占用空间间大。3)连杆传动动，刚度度好，加加工制造造比较简简单，高高精度，，能较好好的实现现多种运运动规律律和运动动轨迹的的要求。。但是设设计复杂杂，不能能精确地地满足各各种运动动规律的的要求。。典型的的如Belgrade手，NASA手等。4）欠驱动动手指关关节1）车轮型型5、移动机机器人两轮型三轮型四轮型2）履履带式救援机器人3）步行行式（足式行行走）履带式行行走机构构虽然可在在高低不不平的地地面上运运动，但但它的适适应性不不够，行行走时候候晃动太太大，在在软地面面上行驶驶运动效效率低。。根据调调查，在在地球上上近一半半的地面面不适合合于传统统的轮式式或履带带式车辆辆行走。。但是一一般多足足动物却却能在这这些地方方行动自自如，显显然足式式与轮式式和履带带式行走走方式相相比具有有独特的的优势。。足式行走对崎岖路面面具有很好好的适应能能力一，足足式运动方方式的立足足点是离散散的点，可可以在可能能到达的地地面上选择择最优的支支撑点，而而轮式和履履带行走工工具必须面面临最坏的的地形上的的几乎所有有点；足式式运动方式式还具有主主动隔振能能力，尽管管地面高低低不平，机机身的运动动仍然可以以相当平稳稳；足式行行走在不平平地面和松松软地面上上的运动速速度较高，，能耗较少少。（１）足的的数目现有的步行行机器人的的足数分别别为单足、、双足、三三足、四足足、六足、、八足甚至至更多。足足的数目多多，适合于于重载和慢慢速运动。。双足和四四足具有最最好的适应应性和灵活活性，也最最接近人类类和动物。。下页图显示了单足足、双足、、三足、四四足和六足足行走结构构。（２）足的的配置足的配置指指足相对于于机体的位位置和方位位的安排，，这个问题题对于多于于两足时尤尤为重要。。就二足而而言，足的的配置或者者是一左一一右，或者者是一前一一后。后一一种配置因因容易引起起腿间的干干涉而实际际上很少用用到。几何构型弯曲方向（３）足式式行走机构构的平衡和和稳定性静态态稳稳定定的的多多足足机机其机机身身的的稳稳定定通通过过足足够够数数量量的的足足支支撑撑来来保保证证。。在在行行走走过过程程中中，，机机身身重重心心的的垂垂直直投投影影始始终终落落在在支支撑撑足足着着落落地地点点的的垂垂直直投投影影所所形形成成的的凸凸多多边边形形内内。。这这样样，，即即使使在在运运动动中中的的某某一一瞬瞬时时将将运运动动““凝凝固固””，，机机体体也也不不会会有有倾倾覆覆的的危危险险。。这这类类行行走走机机构构的的速速度度较较慢慢，，它它的的步步态态为为爬爬行行或或步步行行。动态态稳稳定定典型型的的例例子子是是踩踩高高跷跷。。高高跷跷与与地地面面只只是是单单点点接接触触，，两两根根高高跷跷在在地地面面不不动动时时站站稳稳是是非非常常困困难难的的，，要要想想原原地地停停留留，，必必须须不不断断踏踏步步，，不不能能总总是是保保持持步步行行中中的的某某种种瞬瞬间间姿姿态态。。在动动态态稳稳定定中中，，机机体体重重心心有有时时不不在在支支撑撑图图形形中中，，利利用用这这种种重重心心超超出出面面积积外外而而向向前前产产生生倾倾倒倒的的分分力力作作为为行行走走的的动动力力并并不不停停地地调调整整平平衡衡点点以以保保证证不不会会跌跌倒倒。。这这类类机机构构一一般般运运动动速速度度较较快快，，消消耗耗能能量量小小。。其其步步态态可可以以是是小小跑跑和和跳跳跃跃。。4））其其它它移移动动方方式式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人蛇形机器人三、、机机器器人人的的驱驱动动系系统统3.1关节节直直接接驱驱动动方方式式直接接驱驱动动方方式式是是驱驱动动器器的的输输出出轴轴和和机机器器人人手手臂臂的的关关节节轴轴直直接接相相连连．间接驱动方式式是驱动器经经过减速器或或钢丝绳、皮皮带、平行连连杆等装置后后与关节轴相相连(1)关节间间接驱动方式式的缺点．大大部分机器人人的关节是间间接驱动．这这种间接驱动动，通常其驱驱动器的输出出力矩大大小小于驱动关节节所需要的力力矩，所以必必须使用减速速器．另外，，由于手臂通通常采用悬臂臂梁结构，所所以多自由度度机器人关节节上安装减速速器会使手臂臂根部关节驱驱动器的负荷荷增大目前中小小型机器器人一般般采用普普通的直直流伺服服电机、、交流伺伺服电机机或步进进电机作作为机器器人的执执行电机机．由于于电机速速度较高高，所以以需配以以大速比比减速装装置，进进行间接接传动．．但是，，间接驱驱动带来来了机械械传动中中不可避避免的误误差，引引起冲击击振动，，影响机机器人系系统的可可靠性，，并且增增加关节节重量和和尺寸(2)关关节直接接驱动方方式直接驱动动机器人人也叫作作DD机器人(Directdriverobot)，简称DDR．．DD机器人一一般指驱驱动电机机通过机机械接口口直接与与关节连连接．DD机器人人的特特点是是驱动动电机机和关关节之之间没没有速速度和和转矩矩的转转换DD机器人人与间间接驱驱动机机器人人相比比，有有如下下优点点：①①机械械传动动精度度高．．②振振动小小，结结构刚刚度好好．③③机械械传动动损耗耗小．．④结结构紧紧凑，，可靠靠性高高．⑤⑤电电机峰峰值转转矩大大，电电气时时间常常数小小，短短时间间内可可以产产生很很大转转矩，，响应应速度度快，，调速速范围围宽．．⑥控控制性性能较较好．．日本、、美国国等工工业发发达国国家已已经开开发出出性能能优异异的DD机器人人．美美国Adept公司研研制出出带有有视觉觉功能能的四四自由由度平平面关关节型型DD机器人人．日日本大大日机机工公公司研研制成成功了了五自自由度度关节节型DD一600V机器人人．其其性能能指标标为：：最大大工作作范围围1．．2m，可搬重量量5kg，最大运动动速度8．2m／s，，重复定位位精度0．05mmDD机器人目目前主要要存在的的问题①①载荷荷变化、、耦合转转矩及非非线性转转矩对驱驱动及控控制影响响显著，，使控制制系统设设计困难难和复杂杂．②②对位置置、速度度的传感感元件提提出了相相当高的的要求③需开发小小型实用用的DD电机．④④电机机成本高高3.2驱动元件件(1)液液(气)压压驱动液(气)压缸液(气)压马达达(2)步步进电动动机驱动动在小的机机器人上上，有时时也用步步进电机机作为主主驱动电电机。可可以用编编码器或或电位器器提供精精确的位位置反馈馈，所以以步进电电机也可可用于闭闭环控制制步进电机机是通过过脉冲电电流实