《机器人基础与数字孪生系统》 课件 第1、2章 绪论、机器人机构

第1章绪论1.1机器人学介绍1.1.1机器人的起源机器人的起源可以追溯到3000多年前。我国西周时代，巧匠偃师献给周穆王一个能歌善舞的木偶；公元前2世纪出现的书籍中，描写过一个具有类似机器人角色的机械化剧院；我国东汉时期，张衡发明的指南车是世界上最早的机器人雏形；公元618至907年间，四川能工巧匠杨行廉制作的能走会动的“木僧”，江苏马待封制作的“酒山”；民间流传十分广泛的三国诸葛亮制作的木牛流马。1.1机器人学介绍近代之后，人类期望发明各种机械工具和动力机器，用以协助甚至代替人们从事各种体力劳动的梦想更加强烈。瑞士钟表名匠德罗斯父子三人于1768—1774年间，设计制造出三个像真人一样大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人；德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙哥雷姆”；日本物理学家细川半藏设计的各种自动机械图形；法国杰夸特设计的机械式可编程序织造机；加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”；1.1机器人学介绍机器人一词的起源1920年，捷克剧作家卡雷尔·恰佩克（KarelCapek）在他的科幻情节剧《罗萨姆的万能机器人》中，第一次提出了“Robot”这个名词，被认为是机器人一词的起源。机器人三守则美国著名科学幻想小说家阿西莫夫于1950年在他的小说《我是机器人》中，提出了有名的“机器人三守则”：机器人必须不危害人类，也不允许它眼看人将受害而袖手旁观；机器人必须绝对服从于人类，除非这种服从有害于人类；机器人必须保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。第一代机器人的诞生美国人乔治·德沃尔在1954年设计了第一台电子程序可编的工业机器人，并于1961年发表了该项机器人专利。1962年，美国万能自动化（Unimati-on）公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。1.1机器人学介绍1.1.2机器人学的发展1.国际机器人学的发展近年来，全球机器人行业发展迅速，据国际机器人联合会统计，2019年全球机器人市场规模达到294.1亿美元，其中，工业机器人159.2亿美元，服务机器人94.6亿美元，特种机器人40.3亿美元。2014—2019年的平均增长率约为12.3％。此时全世界运行的工业机器人总数在200万台以上。2019年全球机器人市场规模（单位：亿美元）2.国内机器人学的发展1.1机器人学介绍中国于1972年开始研制工业机器人，虽起步较晚但进步较快，已在工业机器人、特种机器人和智能机器人各方面取得明显成绩，为我国机器人技术的发展打下基础。工业机器人进入21世纪以来，中国工业机器人市场迅速增长，经过一段产业化过程后，其市场发展已呈井喷之势。2019年，中国新增工业机器人装机量为14.05万台，累计装机78.3万台，总量居亚洲第一，年增长率为12％。智能机器人1986年3月，中国启动实施了“国家高技术研究发展计划”（简称“863”计划）。按照“863”计划智能机器人主题的总体战略目标，智能机器人研究开发工作的实施分为型号和应用工程、基础技术开发、实用技术开发、成果推广4个层次，通过各层次的工作体现和实现战略目标。特种机器人在“863”计划的支持下，特种机器人的开发包括管道机器人、爬壁机器人、水下机器人、自动导引车和排险机器人等。1.1机器人学介绍1.1.3机器人的定义至今还没有对机器人的统一定义，要给机器人下一个合适的和为人们普遍接受的定义是困难的。现在，世界上对机器人还没有统一的定义，各国有自己的定义，专家们也采用不同的方法来定义这个术语。英国简明牛津字典的定义。机器人是“貌似人的自动机，是具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。美国机器人协会的定义。机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手（manipulator）”。日本工业机器人协会（JapanRobotAssociation，JARA）的定义。工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器（endeffecter）的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。1.1机器人学介绍美国国家标准和技术研究所（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）的定义。机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。国际标准组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）的定义。机器人是“一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。《中国大百科全书》对机器人的定义。能灵活地完成特定的操作和运动任务，并可再编程序的多功能操作器。而对机械手的定义为：一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。1.2机器人的分类1.2.1操作机器人操作型机器人通常是指机械手或机械臂。机械手工作空间是指末端执行器可以达到的空间范围。按照工作空间的几何形状，可将机械手划分为笛卡尔、圆柱型、球形和关节机械手。通常，机械手由诸如PPP或RPP之类的序列指定，这些序列指示组成机器人的移动（P）和转动（R）关节的类型和顺序。例如，一个PPP机械手是由三个移动关节构成的，而一个RPP机器人是由一个转动关节和两个连续的移动关节构成。1.2机器人的分类1.笛卡尔机械手笛卡尔机器人（Cartesianrobot）是由三个相互正交的移动关节定义的PPP机械手，PPP手臂是最简单的机械手之一。特征模型以及用于定位和移动这些机器人的控制定律都易于推导；系统趋向于刚性；可以承受和传递大负载，并实现高精度的定位；需要大面积的操作空间，并且工作空间小于机器人本身；用于移动关节的导向装置必须密封，以防异物进入，这会使维护变得困难。实例Sepro集团的笛卡尔机器人1.2机器人的分类2.圆柱坐标型机械手假设笛卡尔机器人中的第一个移动关节被转动关节代替。通过适当选择旋转轴的方向，RPP机器人就是圆柱坐标型机器人（cylindricalrobot）的示例。特征机械手结构简单；运动学和动力学模型容易推导，关联的控制定律同样非常容易确定；非常适合进入具有型腔或其他类似复杂几何形状的工件；精度很高，可用于流水线上的拾取和放置操作；在某些构形中，机器人的背面可能伸入工作空间，这可能会干扰工作空间并使路径规划和控制变得复杂；导向装置表面必须清洁且无碎屑，使维护和保养更加困难。实例STRobotics的圆柱坐标型机器人1.2机器人的分类3.SCARA机械手引人SCARA（SelectiveComplianceArticulatedRobotArm）RRP机器人是在高刚性机器人（例如笛卡尔机器人）和可访问几何形状复杂的工作空间（例如球形机械手）的机器人之间的折中方案。特征机器人在水平平面内的运动中相对柔顺，而在垂直于该平面的运动中刚度较大；工作空间是高度结构化的；十分适用于精确的拾取和放置操作。实例EpsonSynthisTMT3多合一SCARA机器人1.2机器人的分类4.球形机械手RRP球形机械手（sphericalroboticmanipulator）由两个垂直的转动关节和一个移动关节组成。对于某些关节之间固定偏置的选择，工具或机械臂末端的运动可以用球坐标表示，成为该机器人名字来源。特征适用于必须在复杂几何形状上执行的各种任务；可容纳的球形工作空间更大；运动学和动力学模型比笛卡尔或圆柱坐标型机器人的运动学和动力学模型更为复杂，控制定律也更加复杂；机器人的刚性要比笛卡尔机械手小，定位精度可能会降低；可能更适合于诸如焊接或喷漆之类的任务。实例Unimate球形机器人1.2机器人的分类5.PUMA机械手历史上，装配线上使用最广泛的机械手之一是PUMA（ProgrammableUniversalMachineforAssembly）RRR机器人。该机器人的第一个转动关节围绕垂直轴，接下来的两个平行的转动关节垂直于垂直轴。特征具有丰富的运动学特性并且可以到达较大的半球形工作空间；刚性不如笛卡尔机器人；非常适合需要大型且可配置程度高的工作空间的应用。实例PUMA机器人1.2机器人的分类关节型机械臂（articulatedrobotarm）或仿人机械臂（anthropomorphicrobotarm）是一种能够实现类似人手臂动作的机械手。所有仿人的机械手臂至少具有三个转动关节，并且通常有五个、六个或更多的转动关节。特征可以进入较大的工作空间，并且可以将位于其尖端的工具以任意方向摆放；在装配线上的焊接和喷涂中得到了广泛的应用；该臂具有复杂的几何形状；描述此机器人系统的运动学和动力学的相应方程式形式复杂，从这些模型得出的控制定律也是如此。实例KUKA关节型机器人6.关节型机器人1.2机器人的分类1.2.2移动型机器人1.仿人机器人从出现机器人技术领域的最早阶段开始，设计师就梦想着创造出外观和功能都与人类相似的机器人。如今，仿人机器人已经发展到能够执行非常复杂任务的程度。2022年在泰国曼谷举行的RoboCup机器人比赛上，来自德国波恩大学的NimbRo团队赢得了类人组中成人组的冠军和最佳人形奖。世界各地的研究人员目前也在开发全尺寸仿人机器人，其潜在应用领域广阔。右下图为波士顿动力公司研发的Atlas机器人，该款机器人经过多年的改进已能够完成跑酷动作。1.2机器人的分类2.自主地面车辆如右上图所示，Waymo公司在旧金山的道路上测试全自动驾驶车辆JaguarI-PACE。右下图展示了百度第六代量产无人车ApolloRT6。该产品是百度面向未来出行自主研发、正向设计的量产车，整车针对乘客需求和无人驾驶出行场景进行了深度设计。自主地面车辆（autonomousgroundvehicle，AGV）的设计、分析和制造已经在美国和世界各地进行了多年。近年来，AGV机器人技术已经接近成熟，并出现了一些可靠的、高性能的商用和军事机器人。1.2机器人的分类3.无人机近几年，无人机（autonomousaerialvehicle，AAV）的应用在商业领域不断扩展，已被提议用于农业、救灾、警察监视和边境安全等领域。2022年11月，DJI大疆农业正式发布T50、T25农业无人飞机以及Mavic3多光谱版无人飞机。两款全新农业无人机全面升级，针对大田喷洒、肥料播撒，果树喷洒等应用场景进行多项优化。如右上图所示，T50农业无人机正在执行喷洒作业。右下图展示了弗吉尼亚理工大学的CraigWoolsey教授在各种研究活动中使用的SPAARO自主无人机。这款无人机支持从农业自动化和气载病原体遥感到自主无人机梯队的协调控制等方面的研究。1.2机器人的分类4.自主海上航行器自主海上航行器的发展如同AGV、AAV一样面临着特殊挑战，这些障碍在过去几年里开发的许多自主水面船舶（autonomoussurfacevehicle，ASV）和自主水下机器人（autonomousunderwatervehicle，AUV）中得到了说明。如右上图所示，美国在ASV上安装了武器，并于2016年试航了一艘名为“SeaHawk”的新型无人反潜舰艇。如右下图所示，海豚一号是一种小型AUV，搭载浙江大学研制的合成孔径声纳，主要用于探测水下小目标和掩埋目标。1.3数字孪生系统介绍1.3.1数字孪生的发展历程数字孪生国外发展进程如下图所示。美国NASA在1969年阿波罗计划时就开始利用镜像系统来管理航空和航天设备；2003年，数字孪生技术概念，由MichaelGrieves教授提出；经过多年发展，国外的一些大公司开始针对数字孪生进行了大量的研究，全球著名IT研究机构Gartner在2017年至2019年连续三年将数字孪生列为十大战略性科技趋势之一。1.3数字孪生系统介绍公司数字孪生平台功能优势GEPredix物理机械和分析技术结合，利用虚实互联，构建飞机发动机数字孪生使维修过程变得更加细致、透明ANSYSTwinBuilder构建真实世界系统的完整虚拟模型，实现设备的调度维护，对响应进行反馈实现对产品和资产的全生命周期管理，防止计划外停机，降低成本SiemensTeamcenterX部署产品、生产和性能数字孪生，构建多域和材料集成的数字孪生减少物理原型的需求、缩短开发时间、提高质量PTCThingWorx可视化物联网收集的重要信息，并与ANSYS连接可布置于云端和本地，可视化方式更加灵活VuforiaEngineAreaTargets实现完全数字化沉浸式互动，进行机械虚拟操作提高效率，具有强大的扩增环境能力和灵活性SAPSAPLeonardo实现网络化部署数字孪生，进行数据快速计算采用边云协同方式，实现数据快速传输和反馈MicrosoftAzureDigitalTwins实现物理世界业务流程的构建，辅助更好的优化产品和管理采用物联网，打破连接孤岛，建立于可信的企业级平台Dassault3DEXPERIENCE快速实现设计与制造之间的无缝衔接，并提供对应的标准件优化设计与制造间的协同，确保产品的可追溯性AutodeskInfraWorks、Tandem面向工程建筑等，提供更好的决策和前瞻性洞察创建最新的易于访问的数据，提供更智能的决策IBMDigitalTwinExchange智能评估管理、监测、预测维护，确保安全性和可靠性可下载3DCAD文件、工程手册等，建立信息模型，更灵活右表所示为部分国外企业在数字孪生领域的研究成果。显而易见，国外著名工业或软件企业紧跟潮流，分别通过不同的方式探索数字孪生概念与应用场景。从诸多企业的竞相追逐中也不难看出，数字孪生具有深厚的发展潜力和广阔的应用前景。1.3数字孪生系统介绍相较于国外，在国内也有学者在数字孪生方面取得了一些研究成果。北京航空航天大学的陶飞于2019年提出数字孪生五维架构体系。同济大学的屈国强等人提出了类似NIST的数字孪生车间概念。庄存波教授提出了全新的数字孪生体系架构，并基于该数字孪生体系架构详细分析了数字孪生的可能应用领域与发展前景。陈振把数字孪生技术应用在飞机零部件的装配工作上，并进一步研究了如何基于数字孪生技术高效管理工业生产。从数字孪生的概念诞生以来，数字孪生技术已得到了快速发展，各主流架构和关键技术相继被提出，以数字孪生为标题的论文数量亦逐年上升，现在数字孪生领域的研究已经进入成长期阶段，发展势头正盛，其发展趋势如下图：1.3数字孪生系统介绍目前而言，对于数字孪生没有统一共识的定义，不同的学者、企业、研究机构等对数字孪生的理解也存在着不同的认识。1.3.2数字孪生的定义MichaelGrieves教授认为，数字孪生是一组虚拟信息结构，可以从微观原子级别到宏观几何级别全面描述潜在的物理制成品。在最佳状态下，可以通过数字孪生获得任何物理制成品的信息。李培根院士指出,“物理生命体”是指“孕、育”过程（即实体的设计开发过程）和服役过程（运行、使用）中的物理实体（如产品或装备），数字孪生体是“物理生命体”在其孕育和服役过程中的数字化模型。北京航空航天大学陶飞教授提出，数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。……以卫星的监测、优化、管理和控制为例，如图所示，通过获取卫星近实时遥测数据在地面站构建数字孪生体，实时反映卫星的健康状态并预估卫星各系统、各部件的使用寿命，并对卫星状态进行分析和计算，呈现给使用者全面细致的卫星状态监测接口，同时还优化了卫星的调度管理和控制，实现卫星使用寿命的延长。1.3数字孪生系统介绍1.4数字孪生的关键技术1.4.1数字孪生的技术划分数字孪生技术的实现依赖于诸多先进技术的发展和应用，其技术按照从基础数据采集层到顶层应用层依次可以分为数据保障层、建模计算层、数字孪生功能层和沉浸式体验层共四层，每一层的实现都建立在前面各层的基础之上，是对前面各层功能的进一步丰富和拓展。1.4数字孪生的关键技术数据保障层是整个数字孪生技术层面的基础，支撑着整个上层体系的运作，其主要由高性能传感器数据采集、高速数据传输和全寿命周期数据管理三部分构成。先进传感器技术及分布式传感技术使整个数字孪生系统能够获得更加准确、充分的数据源支撑；高带宽光纤技术的采用使得海量传感器数据的传输不再受带宽的限制，保障了系统实时性；分布式云服务器存储技术的发展为全寿命周期数据的存储和管理提供了平台保障。1.4数字孪生的关键技术建模计算层在获得数据保障层提供的数据后，利用数据驱动方法和基于数学模型的方法对系统进行多物理、多尺度层面的建模，使所建立的模型与实际系统准备匹配、实时同步，并能预测系统未来状态和寿命，依据其当前和未来健康状态评估其执行任务成功的可能性。建模计算层主要由建模算法和一体化计算平台两部分构成，智能算法部分实现系统数据的深度特征提取和建模，计算部分包括系统嵌入式计算和云服务器计算两部分，协同完成系统的计算任务。1.4数字孪生的关键技术功能层面向实际的系统设计、生产、使用和维护需求提供相应的功能，包括多层级系统寿命估计、系统集群执行任务能力的评估、系统集群维护保障、系统生产过程监控以及系统设计决策等功能。作为整个数字孪生系统的直接价值体现，功能层可以根据实际系统需要进行定制，在建模计算层提供的强大信息接口的基础上，功能层可以满足高可靠性、高准确度、高实时性以及智能辅助决策等多个性能指标，提升产品在整个寿命周期内的表现性能。1.4数字孪生的关键技术沉浸式体验层的主要目的在于提供给使用者人机交互良好的使用环境，令使用者获得身临其境般的技术体验，迅速了解和掌握复杂系统的特性和功能，并能便捷地通过语音和肢体动作，来访问数字孪生体功能层提供的信息，获得分析和决策方面的信息支持。体验层是直接面向用户的层级，以用户可用性和交互友好性为主要参考指标。1.4.2数字孪生的核心技术1.多领域多尺度融合建模1.4数字孪生的关键技术方法当前大部分建模方法是在特定领域进行模型开发和熟化，然后在后期采用集成和数据融合的方法将来自不同领域的独立的模型融合为一个综合的系统级模型，但这种融合方法融合深度不够且缺乏合理解释，限制了将来自不同领域的模型进行深度融合的能力。多领域建模是指在正常和非正常工况下从不同领域视角对物理系统进行跨领域融合建模，且从最初的概念设计阶段开始实施，从深层次的机理层面进行融合设计理解和建模。难点多领域融合建模的难点，在于多种特性的融合会导致系统方程具有很大的自由度，同时传感器采集的数据要求与实际系统数据高度一致，以确保基于高精度传感测量的模型动态更新。2.数据驱动与物理模型融合的状态评估1.4数字孪生的关键技术难点目前数据与模型融合的难点，在于两者原理层面的融合与互补，如何将高精度的传感数据统计特性与系统的机理模型合理、有效地结合起来，获得更好的状态评估与监测效果，是亟待考虑和解决的问题。采用数据驱动的方法，利用系统的历史和实时运行数据，对物理模型进行更新、修正、连接和补充，充分融合系统机理特性和运行数据特性，能够更好地结合系统的实时运行状态，获得动态实时跟随目标系统状态的评估系统。方法目前数据驱动与解析模型相融合的方法主要有两种思路，一种是以解析模型为主，利用数据驱动的方法对解析模型的参数进行修正;另一种是将两种方法并行使用，最后依据两者输出的可靠度进行加权，得到最后的评估结果。3.数据采集和传输1.4数字孪生的关键技术高精度传感器数据的采集和快速传输是整个数字孪生系统体系的基础，温度、压力、振动等各个类型的传感器性能都要最优，以复现实体目标系统的运行状态。数字孪生系统是物理实体系统的实时动态超现实映射，数据的实时采集传输和更新对于数字孪生具有至关重要的作用。方法微机电系统传感器日趋低成本和高集成度；高带宽和低成本的无线传输，能够为获取更多用于表征和评价对象系统运行状态或异常、故障、退化等复杂状态提供前提。难点目前数字孪生系统数据采集的难点在于传感器的种类、精度、可靠性、工作环境等受到当前技术发展水平的限制，采集数据的方式也受到局限。数据传输的关键在于实时性和安全性，网络传输设备和网络结构受限于当前技术水平，无法满足更高级别的传输速率，网络安全性保障在实际应用中同样应予以重视。4.全寿命周期数据管理1.4数字孪生的关键技术复杂系统的全寿命周期数据存储和管理是数字孪生系统的重要支撑，采用云服务器对系统的海量运行数据进行分布式管理，对维持整个数字孪生系统的运行起着重要作用。难点全寿命周期数据存储和管理的实现需要借助于服务器的分布式和冗余存储，由于数字孪生系统对数据的实时性要求很高，如何优化数据的分布架构、存储方式和检索方法，获得实时可靠的数据读取性能，是其应用于数字孪生系统面临的挑战。方法考虑工业企业的数据安全以及装备领域的信息保护，构建以安全私有云为核心的数据中心或数据管理体系，是目前较为可行的技术解决方案。5.VR呈现1.4数字孪生的关键技术虚拟现实技术（VirtualReality，VR）可以将系统状态以超现实的形式给出，对系统的各个子系统进行状态监测和评估，将结果附加到系统的各个子系统、部件，在完美复现实体系统的同时将数字分析结果以虚拟映射的方式叠加到所创造的孪生系统中，从各个方面提供沉浸式的虚拟现实体验，实现实时连续的人机互动。难点复杂系统的VR技术，难点在于需要布置大量的高精度传感器来采集系统的运行数据，为虚拟现实技术提供必要的数据来源和支撑，同时，虚拟现实技术本身的技术瓶颈也亟待突破和提升，以提供更真实的虚拟现实系统体验。6.高性能计算1.4数字孪生的关键技术数字孪生系统复杂功能的实现依赖于其背后的计算平台，实时性是衡量数字孪生系统性能的重要指标。平台数字计算能力的高低直接决定系统的整体性能，作为整个系统的计算基础，其重要性毋庸置疑。难点数字孪生系统的实时性要求系统具有极高的运算性能，这有赖于计算平台的提升和计算结构的优化，系统的运算性能受限于当前的计算机发展水平和算法设计优化水平，因此，应在这两方面做突破以服务于数字孪生技术的发展。方法在现有云计算基础上，高性能数据分析算法的云化和异构加速的计算体系（如CPU+GPU、CPU+FPGA），是可以考虑的能够满足工业实时场景下高性能计算的两个方向。1.5本书主要内容机器人学作为一门高度交叉的前沿学科，已被许多学者深入研究并获得快速发展。数字孪生作为近年来的新兴技术，正深入应用至多种场景与领域中。为实现智能制造领域的人才培养，本书将这两项关键技术进行统一融合，讲述相关理论与应用实例。第1章绪论第2章机器人机构学第3章机器人运动学第4章机器人动力学第5章机器人系统的传感与控制第6章机器人数字孪生系统开发第7章人-机共融的数字孪生系统第8章数字孪生系统的故障诊断第9章数字孪生系统的生命周期管理本书章节目录：习题1.简述“机器人”一词的由来。2.“机器人三守则”是什么？它的重要意义是什么？3.区分下列机械手，描述它们的特征，并找出每种机械手在商用机器人中的实例。笛卡尔机器人圆柱坐标型机器人球形机器人SCARA机器人PUMA机器人仿人机械臂4.结合1~2个实例，谈谈你对数字孪生的理解。5.选取数字孪生的一项技术，查阅相关资料对其简要介绍。第2章机器人机构运动副又称关节或铰链，它决定了两相邻连杆之间的连接关系。通常把运动副分为两类：高副和低副。低副：两连杆之间通过面接触高副：若连杆之间通过线接触或点接触

低副分为六种，如图2-1所示，（a）旋转副

（b）移动副

（c）螺旋副

（d）圆柱副

（e）平面副

（f）球面副图2–1六种低副机构2.1运动副旋转副（1个自由度）移动副（1个自由度）螺旋副（1个自由度）圆柱副（2个自由度）平面副（3个自由度）球面副（3个自由度）串联机器人广泛应用在工业生产线中，因此，又称这类机器人为工业机器人，也称作操作手。工业机器人一般指机械制造业中代替人完成具有大批量、重复性要求的工作，如汽车制造，摩托车制造，舰船制造，自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。一个典型的串联机器人通常由手臂机构、手腕机构和末端执行器3个部分组成，如图2-2所示。图2–2典型串联机器人的组成2.2串联机器人1）手臂机构：机器人机构的主要部分，其作用是支承腕部和末端执行器，并确定腕部中心点在

空间中的位置坐标，通常具有3个自由度，个别为4个自由度。

2）手腕机构：连接手臂和末端执行器的部件，其作用主要是改变和调整末端执行器在空间中的

方位，即姿态，一般具有3个旋转自由度，个别为2个旋转自由度。3）末端执行器：机器人作业时安装在腕部的工具，根据任务选装。机器人手臂的主体机构一般为3自由度机构，主要包括直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节式四种基本结构型式。1）直角坐标式：由3个相互垂直的移动副组成，每个关节独立分布在直角坐标的3个坐标轴上（图2-3）。其结构简单、控制简单、精度较高。2）圆柱坐标式：将直角坐标机器人中某一个移动副代替（图2-4）。该结构运动范围较大。3）球面坐标式：前2个铰链为相互汇交的转动副而第3个为移动副（图2-5）。该结构运动范围较大。4）关节式：所有3个铰链均为转动副（图2-6）。这种结构对作业的适应性较好，而且更接近人的手臂。图2–3直角坐标式机器人

图2–4圆柱坐标式机器人图2–5球面坐标式机器人

图2–6关节式机器人2.2.1手臂机构腕部是连接臂部和手爪的部件，其作用主要是改变和调整手爪在空间的方位，从而使手爪所握持的工具或工件到达某一指定的姿态。因此，手腕机构通常也称为动向机构，或调姿机构。最普遍的手腕是由2个或3个相互垂直的关节轴组成的，手腕的第一个关节就是机器人的第四个关节。1）二自由度球形手腕最简单的手腕是图2-7所示的Pitch-Roll球形手腕。由3个锥齿轮A,B,C组成差动机构，其中齿轮C与工具Roll轴固联，而齿轮A和B分别通过链传动（或同步带传动）与两个驱动马达相连，形成差动机构。当齿轮A和B同速反向旋转时，末端执行器绕Roll轴转动，转速与A（或B）相同；当齿轮A和B同速同向旋转使，末端执行器将绕Pitch轴转动。一般情况下，末端执行器的转动是上述两种转动的合成，即图

2–7Pitch-Roll球形手腕2.2.2手腕机构2）三轴垂直相交的手腕图2-8中，

和

对应得轴线相互垂直，

和

对应的轴线相互垂直，三轴交于一点。由远距离安装的驱动装置带动几组锥齿轮旋转，如果三个轴输入的转角分别为

，

和

，相互啮合的齿轮齿数相等，则输出的关节角分别为：

。三轴垂直相交的手腕，在理论上可以达到任意的姿态，但是，由于关节角通常受到结构的限制，并非能够达到任意姿态。图2–8

三轴垂直相交手腕（a）示意图（b）传动图3）可连续转动的手腕如图2-9所示，这种手腕有3个相交的关节轴，但各关节轴不相互垂直。其特点是3个关节角不受限制，可以连续转动360°。但是这种非正交轴的手腕不可能使末端执行器达到任意的姿态，手腕的第三轴不可达的方位在空间构成一个锥体。在使用时，将手腕安装的手臂上的位置使得手臂连杆恰好占据不可达的锥空间。图

2–9可连续转动手腕（a）外观图（b）传动图

机器人手爪，学名为末端执行器，是指安装在机器人末端的执行装置，它直接与工作接触，用于实现对工件的处理、传输、夹持、放置和释放等作业。末端执行器可以是一种单纯的机械装置，也可以是包含工具快速转换装置、传感器或柔顺装置等的集成执行装置。大多数末端执行器的功能、构型及结构尺寸都是根据具体的作业任务要求进行设计和集成的，其种类繁多、形式多样。结构紧凑、轻量化及模块化是末端执行器设计的主要目标。(1)夹持式手爪

根据作业任务的不同，末端执行器可以是夹持装置或专用工具。其中，夹持装置包括机械手爪、吸盘等，专用工具有气焊枪、电焊枪、研磨头、铣刀、钻头等。夹持装置是应用最为广泛的一类末端执行器。图2-10所示为一种夹持式手爪的工作过程。当手爪加紧和松开物体时，手指做回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。图2–10夹持式手爪2.2.3机器人手爪(2)多指灵巧手这类手爪一般由3个或4个手指构成，每个手指相当于一个操作臂，有3个或4个关节，与人的手十分相似，用于抓取复杂形状的物体，实现精细操作。Okada灵巧手，如图2-11所示，具有3个手指和一个手掌，拇指有3个自由度，另外两个手指各有4个自由度，采用电机驱动和肌腱传动方式。Stanford/JPL灵巧手，如图2-12所示，该手有3个手指，每指各有3自由度，采用12个直流伺服电机作为关节驱动器，采用N+1型腱驱动系统传递运动和动力。Utah/MIT灵巧手，如图2-13所示，具有完全相同的4个手指，每个手指有4个自由度，采用2N型腱驱动系统传递运动和动力，整手有16个关节，驱动器数量达到了32个。上述三只灵巧手是该领域研究初始阶段的典型代表，为后续仿人型多指灵巧手的研究建立了理论基础。图2–11

Okada灵巧手

图2–12

Stanford/JPL灵巧手图

2–13

Utah/MIT

灵巧手(3)欠驱动拟人手这类手爪的外形与多指灵巧手类似，但各关节不是电机独立驱动，而是由少量的电动机以差动的方式驱动，电动机的数量远小于关节的数量。图2-14（a）表示欠驱动拟人手中的一个手指。拟人手的5个手指的构型一致，通过手指之间的差动实现对物体的包络。手指包络运动可通过腱（绳索）牵引（见图2-14（a））或者通过连杆机构实现（见图2-14（b）、（c））。

与多指灵巧手不同，欠驱动拟人手一般具有良好的形状自适应能力，由于驱动电动机的数量远小于关节的数量，因而欠驱动拟人手的控制要比多指灵巧手的控制简单，但抓握模式相对来说不如多指灵巧手丰富。图

2–14欠驱动拟人手手指并联机器人机构是一种多闭环机构，它由动平台、定平台和连接两个平台的多个支链（或分支，或腿）组成。如果支链数与动平台的自由度数相同，每个支链由一个驱动器驱动，并且所有驱动器均安放在或接近定平台的地方，这种并联机构称为完全并联机构。为简单描述并联机器人机构，可采用数字与符号组合的命名方式，以并联机构为例，每个支链用运动副符号组合来表示，并按照从基座到动平台的顺序。例如图2-15所示的3-RPS机构，3表示该机构有三个相同的支链，RPS表示每个支链含有R、P、S副，遵循从基座到动平台的顺序。有时为了区分运动副中哪个是驱动副，上面的机构还可表示成3-RPS机构，表示P为驱动副。对于不同支链组成的并联机构，如有3个支链为UPS，另一个支链为UP，所组成的并联机构即可表示成3-UPS&1-UP。图2–153-RPS并联机构的组成与命名2.3并联机构1.Gough-Stewart平台并联机器人机构的概念设计可以追溯到1947年，Gough建立了具有闭环结构的机构设计基本原理，这种机构可以控制平台的位置和姿态，从而实现轮胎的检测。在该构型中，运动构件使一个六边形平台，平台的各个顶点通过球铰与可伸缩杆相连，杆件的另一端通过虎克铰与定平台连接，动平台的位置和姿态通过6个直线电动机改变杆件的长度来实现。Stewart在1965年设计了用作飞行模拟器的执行机构。该机构的运动构件是一个三角平台，其个顶点通过球铰链与连杆相连接，其机架也呈三角布置。这是两种最早出现的并联机构、后人称为Gough-Stewart平台，有时简称Stewart平台。这类机构共同的特征是：连接上、下平台的每个支链都由两段组成，两段之间通过移动副相连，可以伸长或缩短，支链的两端通过球副（或者一端是球副、另一端是虎克铰）分别与上、下平台连接，都具有6个自由度。基于运动平台所展现的六边形和三角形特征，又可细分为Hexapod机器人和Tripod机器人两类，如图2-16所示。图2–16Gough-Steward平台2.Delta机器人并联机构中最著名的当属Delta机器人机构。1986年，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Clavel教授创造性地提出了一种全新的并联机器人机构——Delata机器人，其机构简图如图2-17所示。设计该机器人的基本思想在于巧妙地利用了一种开放式铰链和空间平行四边形机构。平行四边形机构保证了末端执行器始终与基座保持平行，从而使该机器人只有3个移动自由度的运动输出；开放式铰链使其易于组装和拆卸，且运动灵活快速，极大地方便了工业应用。图

2–17Delta机器人机构3.平面/球面3-RRR机构平面/球面3-RRR并联机构是由加拿大拉瓦尔大学的Gosselin教授提出并开始系统研究的，它们也是并联机构家族中应用较广的类型。如图2-18所示，平面3-RRR机构的动平台相对于中心具有3个平面自由度：两个平面内的移动和一个绕垂直于该平面轴线的转动，其运动类型与串联3R机器人完全一致。图

2–18平面3-RRR机构图2-19所示是球面3-RRR机构，该机构所有转动副的轴线交于空间一点，该点称为机构的转动中心，动平台可实现绕转动中心的3个转动，因此，该机构也称为调资机构或指向机构。图2–19球面3-RRR机构移动机器人(mobilerobot)是指一类能够感知环境和自身状态，在结构、非结构化环境中自主运动，并能实现指定操作和任务的机器人。移动机器人的运动载体也是机构。与平台型机器人机构类似的是，很多移动机器人的运动机构也来自于自然、仿生的启示，如行走类、跳跃类、攀爬类、飞行类、泳动类、蠕动类、摆动类、翻滚类等。但也有例外，轮式和履带式机器人是人类发明的以轮子(或履带)为载体的杰作。移动机器人按照不同标准有不同的分类方法：1.按工作环境分为：陆地机器人、水下机器人、飞行机器人等；2.按功能用途分为：医疗机器人、服务机器人、军用机器人等；3.按运动载体主要分为：轮式、足式和履带式。

移动机器人正逐渐应用于医疗、服务、工业生产、灾难救援、军事侦察等领域，将人类从繁杂的体力劳动中解放出来，缓解了人口老龄化和劳动力成本增加等带来的社会问题，给人类生活带来极大便利。尤其在恶少或极其危险的环境中（如外太空、深海、雷区、狭窄管道、核辐射区等)，使用移动机器人完成侦察、探测和操作任务已经成为一种必要手段。鉴于移动机器人种类繁多，这里只介绍两种基本类型：轮式（含履带式）和足式。2.4移动机器人机构2.4.1轮式移动机器人机构车轮式行走机构具有移动平稳、能耗小，以及容易控制移动速度和方向等优点，因此得到了普遍的应用。目前应用的车轮式行走机构主要为三轮式或四轮式。三轮式行走机构具有最基本的稳定性，其主要问题是如何实现移动方向的控制。典型车轮的配置方法是一个前轮、两个后轮，前轮作为操纵舵，用来改变方向，后轮用来驱动；另一种是用后两轮独立驱动，另一个轮仅起支承作用，并靠两轮的转速差或转向来改变移动方向，从而实现整体灵活的、小范围的移动。不过，要做较长距离的直线移动时，两驱动轮的直径差会影响前进的方向。四轮式行走机构也是一种应用广泛的行走机构，其基本原理类似于三轮式行走机构。图2-20所示为四轮式行走机构。其中（a）、（b）所示机构采用了两个驱动轮和两个自位轮（（a）中后面两轮和（b）中左、右两轮是驱动轮）；（c）所示是和汽车行走方式相同的移动机构，为转向采用了四连杆机构，回转中心大致在后轮车轴的延长线上；（d）所示机构可以独立地进行左、右转向，因而可以提高回转精度；（e）所示机构的全部轮子都可以进行转向，能够减小转弯半径。图

2–20四轮机构（a）、（b）采用两个驱动轮和两个自位轮的行走机构；（c）移动机构；（d）可独立转向的机构；（e）全部轮子均可转向的机构履带式行走机构的特点很突出，采用该类行走机构的机器人可以在凸凹不平的地面上行走，也可以跨越障碍物、爬不太高的台阶等。一般类似于坦克的履带式机器人，由于没有自位轮和转向机构，要转弯时只能靠左、右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向上也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。图2-21中（a）所示是主体前、后装有转向器的履带式机器人，它没有上述的缺点，可以上、下台阶。它具有提起机构，该机构可以使转向器绕着（a）中的A-A轴旋转，这使得机器人上、下台阶非常顺利，能实现诸如用折叠方式向高处伸臂、在斜面上保持主体水平等各种各样的姿势。（b）所示机器人的履带形状可为适应台阶形状而改变，也比一般履带式机器人的动作更为自如。（a）双重履带式机器人；（b）形状可变式履带机构图2–21上、下台阶的履带式机器人2.4.2多足步行机器人机构类似于动物那样，利用脚部关节机构、用步行方式实现移动的机构，称为步行机构。采用步行机构的步行机器人，能够在凸凹不平的地上行走、跨越沟壑，还可以上、下台阶，因而具有广泛的适应性。但控制上有相当的难度，完全实现上述要求的实际例子很少。步行机构有两足、三足、四足、六足、八足等形式，其中两足步行机构具有最好的适应性，也最接近人类，故又称为类人双足行走机构。1.两足步行机构两足步行机构是多自由度的控制系统，是现代控制理论很好的应用对象。这种机构结构简单，但其静、动行走性能及稳定性和高速运动性能都较难实现。如图2-22所示，两足步行机构是一空间连杆机构。在行走过程中，行走机构始终满足静力学的静平衡条件，也就是机器人的重心始终落在支持地面的一脚上。这种行走方式称为静止步态行走。图2–22两足步行机构原理图及其静止步态2.四足步行机构四足步行机构比两足步行机构承载能力强、稳定性好，其结构也比六足、八足步行机器人简单。四足步行机构在行走时机体首先要保证静态稳定，因此，其在运动的任一时刻至少应有三条腿与地面接触，以支撑机体，且机体的重心必须落在三足支撑点构成的三角形区域内，如图2-23所示。在这个前提下，四条腿才能按一定的顺序抬起和落地，实现行走。在行走的时候，机体相对地面始终向前运动，重心始终在移动。四条腿轮流抬、跨，相对机体也向前运动，不断改变足落地的位置，构成新的稳定三角形，从而保证静态稳定。图2–23四足步行机构运动时形态3.六足步行机构六足步行机器人的控制比四足步行机器人的控制更容易，六足步行机构也更加稳定。图2-24（a）所示为有十八个自由度的六足步行机器人，该机器人能够实现相当从容的步态。但要实现十八个自由度及包含力传感器、接触传感器、倾斜传感器在内的稳定的步行控制也是相当困难的。图2-24(b)所示的仿形式六足步行机构仅有一个绕载荷平台的旋转关节，无腿部屈伸关节，每条腿均为半圆弧结构，具有一定的柔性。该类型的六足步行机器人具有很强的机动性，对崎岖地面也具有非常强的适应性，它可以成功通过岩石地面、沙地、草地、斜坡、阶梯等复杂路面。图2–24六足步行机构机器人的自由度是指确定机器人位形（位姿）所需要的最小独立变量数目。对串联机器人来说

，其各关节位置能唯一确定机器人的位形。因此，串联机器人的自由度数往往就等于关节数；而对并联机器人来说，其自由度相对复杂得多。不过，并联机器人的自由度一般等于末端的输出自由度。2.5机器人的自由度1）全自由度机器人：当机器人的自由度与末端执行器的输出自由度相等时，就称为全自由度机器人。一般空间机器人的全自由度为6，平面/球面机器人的全自由度为3。因此，PUMA机器人、平面3R机械手、平面/球面3-RRR机构等都为全自由度机器人机构。2）少自由度机器人：自由度小于6的空间机器人称为少自由度机器人。平面2R机械手、SCARA机器人、Delta机构等都是少自由度机器人。3）冗余自由度机器人：当机器人的自由度大于末端执行器的输出自由度时，该机器人称为冗余自由度机器人，简称冗余机器人。ABBYumi、KUKAIIWA等都是7自由度机器人，因此，它们都是冗余度机器人。2.5.1机器人按自由度分类2.5.2自由度计算公式在三维空间中有N个完全不受约束的物体，选中其中一个为固定参考物，这时，每个物体相对参照物都有6个自由度的运动。若将所有的物体之间用运动副连接起来，便构成了一个空间运动链。该运动链中含有N-1个或n个活动构件，连接构件的运动副用来限制构件间的相互运动。采用类似于平面机构自由度计算方法，得到两种形式的公式：式中，其中，

为机构的自由度；

为运动副数；

为第

个运动副的自由度；

为机构的阶数。一般情况下，当机构为空间机构时，式中的

；为p为平面机构或球面机构时，式中的

。为各级运动副的数目。不过上式更为普遍的表达式是公式：

但是传统的

1.存在局部自由度（图2-25）尽管连接两构件的运动副具有较多的自由度，但由于特殊的几何设计及装配条件，这个运动副在实际运动中并没有完全实现所有可能的相对运动，即产生了局部自由度，其结果会导致机构的自由度数增加。对于有局部自由度的机器人机构自由度计算，将局部自由度从中减掉即可。2.存在过约束（图2-26）在某些机器人中，由于运动副或构件几何位置的特殊位置，或者使所有构件都失去了某些可能的运动，这等于对机构所有构件的运动加上了公共约束，或者使某些运动副全部或部分失去约束功能。也就是说，机构中运动副的约束功能并没有完全体现出来。图2–25局部自由度示例

图2–26冗余自由度示例

公式尚需改善与修正，原于如下两个方面：由于以上两个原因，如果机构或机器人具有公共约束数为

，则机构或机器人的阶数

。这时，机构或机器人自由度的计算公式就变为了修正后的

公式。式中，

为机构或机器人的阶数，由公共约束数来决定，而不是传统公式中的3或6。平面及球面机构的阶数为3，即

。对于一般没有公共约束的空间机构，

。而对于存在公共约束的空间机构而言，

为3～6之间的自然数。不过，还需考虑冗余约束和局部自由度对机构的影响。这时，上式进一步修正为：式中，

为冗余约束数。

为局部自由度数。2.6驱动机构、传动机构与机器人用减速器2.6.1驱动机构驱动器的主要功能在于为机器人提供动力。目前，大多数机器人的驱动器都已商业化。最常用的驱动器包括电磁式、液压式和气动式等。1.电磁驱动器1)伺服电动机。目前大多数机器人使用伺服电动机作为动力源，因为伺服电动机可以实现位置、速度或者转矩等精确的信号输出。机器人中最常用的是永磁式直流电动机和无刷直流电动机。其中，永磁电动机可产生大转矩，速度控制范围大，转矩-转速性能好，适用于不同控制类型。无刷电动机因为成本相对较低，通常应用在工业机器人领域。2)步进电动机。一些小型机器人中通常使用步进或脉冲电动机。这类机器人的位置和速度采用开环控制即可，这样，成本相对较低并且容易与电子驱动电路对接，细分控制可以产生更多的独立机器关节位置。此外，步进电动机的比功率比其他类型的电动机更小。3)直驱电动机。近年来已开发出了商用的直驱电动机，即电动机与载荷直接耦合，其结构特点是转子为一圆环，置于内外定子之间，由电动机直接驱动机器人关节轴，从而减少了转子的转动惯量，增大了转矩。2.气动驱动器

气动驱动器和液压驱动器类似，它将气体压缩时产生的能量转化为直线或旋转运动。气动驱动器最初应用在简单的执行装置中。气动驱动器结构简单且成本低廉，而且具有电动机没有的许多优点。例如，它在易爆场合使用更安全、受周围环境温度和湿度影响更小等。但是，一些小型驱动器需要又气源才能工作，对于那些大量使用气动驱动器的机器人来说仍需要安装昂贵的空气压缩系统，此外，气动驱动器的能效相对也较低。

尽管气动驱动器不使用在重载条件下，但是它可用于功率-质量比的机器人手指或者人造肌肉中，例如，气动驱动器通过控制压缩气体充填气囊进而实现收缩或扩张肌肉。另外，由于气动驱动器不会受到磁场的影响，它可以应用在医疗领域；同样，由于没有电弧，它还可以用在易燃场合。4.其他类型的特殊驱动器机器人中还存在其他类型的驱动器。如利用热学、形状记忆元件、化学、压电、超声、磁致伸缩、电聚合物（EAP）、电流、磁流、橡胶、高分子、气囊和微机电系统（MEMS）等原理或材料制成的各类新型驱动器，包括形状记忆合金（SMA）、压电陶瓷、人工肌肉、超声电机、音圈电机等。这些驱动器大多用于特种机器人的研究，而不是配备在大量生产的工业机器人上。3.液压驱动器液压驱动器是指将液压能转变为机械能的机器。由于采用高压液体，液压驱动器既带来了优点，也不可避免地产生了一些缺点。液压油能提供非常大的力和力矩，以及非常高的功率-质量比，而且可以使运动部件在小惯性条件下实现直线和旋转运动。但液压驱动器需要消耗大的功率，同时需要快速反应的伺服阀，成本也非常高，而且漏液以及复杂的维护需求也限制了液压驱动机器人的应用。目前，液压驱动器主要应用在需要力或者力矩大、速度快的场合，它比现有的电磁驱动器表现更优异，典型的如高承载的运动模拟器等。2.6.2传动机构机器人传动机构或传动系统的主要功能是将机械动力从来源处转移到受载荷处。传动系统的设计和选择需要考虑运动、负载和电源的要求，首先考虑的就是传动机构的刚度、效率和成本。体积过大的传动系统会增加系统的质量、惯性和摩擦损失。对于那些刚度较低的传动系统，在持续的或是高负载的工作循环下会快速磨损，或者在偶然过载下失效。以串联机器人为例，其关节的驱动基本上都要通过传动装置来实现。其中，传动比决定了驱动器的转矩与速度。合理的传动系统的布置、尺寸以及机构的设计决定了机器人的刚度、质量和整体操作性能。目前，大多数现代机器人都应用了高效的、扛过载破坏的，以及可反向的传动装置。1.带传动机器人用的带传动通常是指将由合金钢或钛材料制成的薄履带固定在驱动轴和被驱动的连杆之间，用来产生有限的旋转或直线运动。传动装置的传动比可以高达10:1。这种薄履带形式的带传动相比缆绳或皮带传动而言，是一种更柔顺并且刚性更好的传动系统。同步带往往应用在小型机器人的传动机构和一些大型机器人的轴上，其功能大体和带传动相同，但具有连续驱动的能力。多级带传动有时用来产生大的传动比（高达100:1）。2.齿轮传动直齿轮或斜齿轮传动为机器人提供了可靠、密封性能好、维护成本低的动力传递方式。它们主要应用在机器人手腕处，在这些手腕的结构中要求多条轴线相交并且驱动器布置要紧凑。大直径的转盘齿轮用于大型机器人的基座关节，以提供高刚度来传递大转矩。齿轮传动常用于基座，而且往往与长传动轴联合，实现驱动器和驱动关节之间的长距离动力传输。例如，驱动器和第一级减速器可能被安装在肘部附近，通过一个长的空心传动轴来驱动另一级减速器。行星齿轮传动常常应用在紧凑型齿轮电动机中，为了尽量减小节点齿轮驱动时的间隙，齿轮传动系统需要进行精心的设计，只有这样才能实现不以牺牲刚度、效率和精度为代价的小间隙的传动。3.蜗杆传动蜗杆传动偶尔应用在低俗机器人上，其特点是可以使动力发生正交偏移或者平移，同时传动比高，结构简单，具有良好的刚性和承载能力，以及在大传动比时具有反向自锁特性，这意味着在没有动力时，关节会自锁在当前位置。但是蜗杆传动的传动率较低。5.直线传动机构直驱式直线传动机构装置将直线电动机与轴整合在一起，这种关联往往只是驱动机器人和机器人连杆之间的一个刚性或柔性连接，或者由一个直线电动机和其导轨组合后直接连接到直线轴上。直线电磁驱动器的特点是零齿隙、高刚度、高速，以及具有优良的性能，但是其质量大、效率低，成本比其他类型的直线驱4.滚珠丝杠基于滚珠丝杠的直线传动装置能平稳有效地将原动件的旋转运动变成直线运动。通常情况下，螺母通过与丝杠配合将旋转运动转换成直线运动。目前已有高性能的商用滚珠丝杠传动系统。尽管对于短距或中距的滚珠丝杠，刚度可以达到要求，但在长距离行程中由于丝杠只能支承在两端是的刚性较差。另外，通过采用精密丝杠可以获得很小甚至为零的齿隙。另一方面，该传动装置的运行速度被丝杠的力学稳定性所制约，所以一般情况下使用旋转螺母来获得更高的速度。2.6.3减速器减速器在机械传动领域是连接动力源和传动机构之间的中间装置，通常通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，并传递更大的转矩。相比较通用减速器，机器人专业减速器更加精密。精密减速器的存在使伺服电动机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械体刚度的同时输出更大的转矩。与通用减速器相比，机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量小和易于控制的特点。目前，大量应用在关节型机器人上的减速器主要由两类：RV减速器和谐波减速器。其中，谐波减速器常用在关节型机器人上，这些传动装置齿隙小，但柔性齿轮在反向运动时会产生弹性翘曲以及低刚度；RV减速器更适用于大型机器人，特别是超载和受冲击载荷的机器人。RV减速器是一种两级行星齿轮传动减速机构。第一级减速是通过渐开线中心轮1与行星轮的啮合实现的，按照中心轮与行星齿轮的齿数比进行减速。传动过程中如果中心轮1顺时针转动，那么行星轮2将既绕自身轴线逆时针自转，又绕中心轮轴线公转。第一级传动部分中的渐开线行星轮2与曲柄轴3连成一体，并通过曲柄轴3带动摆线轮4做偏心运动，该偏心运动为第二级传动部分的输入。第二级减速是通过摆线轮4与针轮5啮合实现的。在摆线轮与针轮啮合传动过程中，摆线轮在绕针轮轴线公转的同时，还将反方向自转，即顺时针转动。最后，传动力通过曲柄轴推动行星架输出机构顺时针转动。传动原理如图2-27所示。图2–27RV减速器及其传动原理1-渐开线中心轮；2-渐开线行星轮；3-曲柄轴；4-摆线轮；5-针轮；6-输出机构；7-针齿壳1.RV减速器RV减速器的传动比计算公式为：

式中：

为渐开线中心轮1的齿数；

为渐开线行星轮2的齿数；

为针轮5的齿数；

为摆线轮4的齿数。

RV减速器具有如下特点：(1)传动比范围大：只要改变渐开线齿轮的齿数比