机器学习技术与应用 课件 第9课 机器人体系结构

智能机器人技术与应用“十四五”职业教育人工智能技术应用专业系列教材第9课机器人体系结构231知识目标（1）熟悉机器人的主要结构。（2）熟悉机器人交互系统。（3）掌握串联机器人、并联机器人的定义、结构和主要形式。能力目标（1）掌握专业知识的学习方法，培养阅读、思考与研究的能力。（2）积极参与“研究性学习小组”活动，提高组织和活动能力，具备团队精神。素质目标（1）热爱学习，掌握学习方法，提高学习能力。（2）热爱读书，善于分析，勤于思考，关心智能技术的不断进步。（3）体验、积累和提高“大国工匠”的专业素质。学习目标

愿景

体验

创意

实践重点难点（1）熟悉机器人主要结构。（2）熟悉串联机器人和并联机器人。目录机器人主要结构01机器人交互系统02串联机器人03并联机器人04串联和并联机器人的区别05第9课机器人体系结构机器人的外貌组成与人很相似，其系统结构由机器人的机构部分、传感器组、控制部分及信息处理部分组成：（1）机构部分包括机械手和移动机构。机械手相当于完成各种工作的人手，移动机构则相当于用来行走的人脚。（2）感知机器人自身或外部环境变化信息的传感器是它的感觉器官，包括内传感器和外传感器，相当于人的眼、耳、皮肤等。（3）电脑是机器人的指挥中心，相当于人脑或中枢神经，它能控制机器人各部位协调动作。（4）信息处理装置是人与机器人沟通的工具，可根据外界变化、灵活变更机器人的动作。机器人主要结构0101

机器人主要结构机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的，其结构一般包括机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分。或者也可以分为硬件和软件两部分。硬件部分主要包括本体和控制器，而软件部分则指的是它的控制技术（装置）。图9-9机器人本体结构形式01

机器人主要结构从机械系统角度看，工业机器人包括机身、臂部、手腕、末端操作器和行走机构等部分，每一部分都有若干自由度，从而构成了一个多自由度系统。有的机器人还具备行走机构，构成行走机器人；若机器人不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。工业机器人机械系统的作用相当于人的身体（如骨髓、手、臂和腿等）。01

机器人主要结构01020304050607本体部分直线传动机构旋转传动机构力检测传感系统驱动装置位置检测01

机器人主要结构9.1.1本体部分我们以现代机器人HS220型号为例来分析机器人的本体部

分。工业机器人是仿照人的手臂来进行设计的，从外观来

看，主要有底座、下框架、上框架、手臂、腕体、腕托等

六个部分。

图9-10哈工现代机器人HS22001

机器人主要结构机器人的各个关节就和人类的肌肉一样，靠伺服电机和减速器来控制移动。伺服电机是动力的来源，机器人的运行速度以及负载重量如何，都和伺服电机有关。而减速器则是动力传输的中介，它拥有许多不同尺寸。对于微型机器人来说，要求的重复精度都很高，一般在0.0254毫米以下。伺服电机与减速器相连，可以帮助提高精度，提高减速器的传动比。01

机器人主要结构机械臂的6个轴拥有6个伺服电机和减速器，安装在每一个连接的接头上，使机器人可以向六个方向进行移动，分别是X轴-前后，Y轴-左右，Z轴-上下，RX-绕X轴旋转，RY-绕Y轴旋转，RZ-绕Z轴旋转。也就是通常所说的六轴机器人。正是这种拥

有多个维度移动的能力，机器人才可以摆出不同的姿势，完

成各项任务。

图9-11六轴机械臂01

机器人主要结构9.1.2驱动装置要使机器人运行起来，需要给各个关节，即每个运动自由度安置传动装置，其作用是为机器人各部位、各关节动作提供原动力。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者是结合起来应用的综合系统。可以是直接驱动或者是通过

同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行

间接驱动。

图9-12机器人的关节驱动01

机器人主要结构1.电动驱动装置电动驱动装置的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动装置又可分为直流（DC）、交流（AC）伺服电机驱动和步进电机驱动。直流伺服电机电刷易磨损，且易形成火花；无刷直流电机也得到了广泛应用；步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。电动装置上电运行前要检查电源电压是否合适，直流输入的+/-极性与连接，驱动控制器电机

型号或电流设定值是否合适，控制信号线连接的牢靠，安全

接地，以及需要密切观察电机状态，如运动、声音和温升情

况，发现问题及时停机调整。01

机器人主要结构2.液压驱动液压驱动通过高精度的缸体和活塞杆相对运动来完成，实现直线运动。其优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。液压驱动的缺点是：需要增设液压源，易产生液体泄漏，故不适合高、低温场合。液压驱动多用于特大功率的机器人系统。液压驱动方式要选择适合的液压油。防止固体杂质混入液压系统，防止空气和水入侵液压系统。

机械作业要柔和平顺，否则产生的冲击负荷会使机械故障频发，缩短使用寿命。作

业中要时刻注意液压泵和溢流阀的气蚀和溢流噪声。如果液压泵出现“气蚀”噪声，

经排气后不能消除，应查明原因排除故障后才能使用。液压系统的工作温度一般控

制在30～80℃之间为宜。01

机器人主要结构3.气压驱动气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但气压驱动的功率比液压驱动装置小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于中、小负荷，精度不高的点位控制机器人，如上、下料和冲压等。气压驱动的控制装置多选用可编程控制器（PLC控制器）。在易燃、易爆场合下可采用气动逻辑元件组成控制装置。01

机器人主要结构9.1.3直线传动机构传动装置是连接动力源和运动连杆的关键部分，根据关节形式，常用的传动机构形式有直线传动和旋转传动机构。直线传动方式可用于直角坐标机器人的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以通过齿轮齿条、丝杠螺母等传动元件将旋转运动转换来实现，也可以由直线驱动电机驱动，或者直接由气缸或液压缸的活塞产生。在齿轮齿条装置中，齿条通常是固定的，由齿轮的

旋转运动转换成托板的直线运动。其结构简单，但

回差较大。图9-13齿轮齿条传动01

机器人主要结构在滚珠丝杠装置中，丝杠和螺母的螺旋槽内嵌入滚珠，并通过螺母中的导向槽使滚珠能连续循环。其优点是摩擦力小，传动效率高，无爬行，精度高，但制造成本高，结构复杂。01

机器人主要结构9.1.4旋转传动机构采用旋转传动机构的目的是将电机的驱动源输出的较高转速转换成较低转速，并获得较大的力矩。机器人中应用较多的旋转传动机构有齿轮链、同步皮带和谐波齿轮。同步带是具有许多型齿的皮带，它与同样具有型齿的同步皮带轮相啮合。工作时相当于柔软的齿轮。其优点是无滑动，柔性好，价格便宜，重复定位精度高，但具有一定的弹性变形。01

机器人主要结构谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成，一般刚性齿轮固定，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转。谐波传动装置在机器人技术比较先进的国家得到广泛应用，例如日本的机器人驱动装置有60％都采用了谐波传动。美国登月机器人的各个关节部位也都采用谐波传动装置，其中一只上臂就用了30个谐波传动机构。前苏联

送入月球的移动式机器人“登月者”，其成对安装的8个轮

子均是用密闭谐波传动机构单独驱动的。德国、法国企业

研制的一些机器人也都采用了谐波传动机构。

图9-14谐波齿轮01

机器人主要结构9.1.5传感系统机器人传感系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。对于一些特殊的信息,传感器比人类的感受系统更有效。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。01

机器人主要结构9.1.6位置检测旋转光学编码器是最常用的位置反馈装置。光电探测器把光脉冲转化成二进制波形。轴的转角通过计算脉冲数得到，转动方向由两个方波信号的相对相位决定。感应同步器输出两个模拟信号——轴转角的正弦信号和余弦信号。轴的转角由这两个信号的相对幅值计算得到。感应同步器一般比编码器可靠，但它的分辨率较低。电位计是最直接的位置检测形式。它连接在电桥中，能够产生与轴转角成正比的电压信号。但

是，由于分辨率低、线性不好以及对噪声敏感。转速计能够输出与轴的转速成正比的模拟信号。如果没有

这样的速度传感器，可以通过对检测到的位置相对于时间

的差分得到速度反馈信号。01

机器人主要结构9.1.7力检测力传感器通常安装在操作臂下述三个位置：（1）关节驱动器。可测量驱动器/减速器自身的力矩或者力的输出。但不能很好地检测末端执行器与环境之间的接触力。（2）末端执行器与操作臂的终端关节之间，也称腕力传感器。通常，可以测量施加于末端执行器上的三个到六个力/力矩分量。（3）末端执行器的“指尖”上。通常，这些带有力觉得手指内置了应变计，可以测量作用在指尖上的一个到四个分力。机器人交互系统0202

机器人交互系统工业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。也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个执行复杂任务的功能单元。机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。人机交互系统使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系，该系统可以归纳分为两类：指令给定装置和信息显示装置（见图9-15）。02

机器人交互系统

图9-15人机信息交互串联机器人0303

串联机器人从机构学的角度看，机器人可以分为串联机器人和并联机器人两大类。串联结构操作手较早应用于工业领域，刚开始出现时，是由刚度很大的杆通过关节连接起来的，关节有转动和移动两种，前者称为旋转副，后者称为棱柱关节，结构是杆之间串联，形成一个开运动链。除了两端的杆只能和前或后连接外，每一个杆和前面和后面的杆通过关节连接在一起。由于操作手的这种连接的连续性，即使它们有很强的连接，它们的负载能力和刚性与多轴机械比较起来还是很低。很明显，刚性差就意味着位置精度低。串联机器人开环机构PUMA机器人03

串联机器人SCARA机器人斯坦福机器人平行连杆机器人03

串联机器人9.3.1串联机器人的开环机构串联机器人以开环机构为机器人机构原型（见图9-16），其串联式结构是一个开放的运动链，所有运动杆并没有形成一个封闭的结构链。它是由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联形成的。采用驱动器驱动各个关节的运动从而带动连杆的相对运动，使末端焊枪达到合适的位姿。串联机器人的工作空间大，运动分析比较容易可以避免驱动轴之间的耦合效应。但其机构各轴必须要独立控制，并且需要搭配编码器和传感器来提高机构运动时的精准度。03

串联机器人

图9-16串联机器人03

串联机器人由于杆件之间联结的运动副的不同，串联机器人可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、关节型机器人。下图为串联机器人的基本结构形式、结构简图和工作空间。03

串联机器人实用的串联机器人中比较著名的结构形式有：PUMA型机器人、SCARA机器人、Stanford型机器人、平行连杆结构型机器人。03

串联机器人9.3.2PUMA机器人PUMA（彪马）机器人是一款经典的关节式臂式六轴工业机器人。图9-18PUMA机器人03

串联机器人德国运动品牌彪马公司和广告公司纽约智威汤逊合作推出机器人BeatBot，这个看起来像“长着轮子的鞋盒”的机器人旨在帮助田径运动员进行跑步训练。运动员只要在App中输入他们跑步的距离以及目标时间，BeatBot就能够相应地计算出自己的“跑步”速度。此外，它还能充当“发令枪”。03

串联机器人9.3.3SCARA机器人SCARA机器人是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人（见图9-19），有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ1和φ2及移动关节的位移z决定的。这类机器人的结构轻便、响应快，例如Adept1型SCARA机

器人运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍，它

最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。03

串联机器人XY方向坐标（前后左右）Z方向坐标（上下）图9-19SCARA机器人03

串联机器人9.3.4斯坦福机器人由于计算能力的进步，机器人的研究也在蓬勃发展。例如斯坦福大学的机器人已经能攀爬墙壁，像鸟儿一样振翅高飞，在地球和海洋深处乘风而行，与宇航员在太空中闲逛。几十年来，斯坦福大学一直在面向未来发明机器人。这一未来最早始于20世纪60年代的一艘登陆月球的探测器，以及最早的人工智能机器人之一——“Shakey（摇摇晃晃的）”（见图9-20），那个时候，很多人把机器人想象成下一代的家庭帮佣，装洗碗机，调马提尼酒。然而，绝大多数机器人已经从这些早期雄心壮志的家用场景转移到了工厂，因为机器人能力受到现有技术的限制，又重也危险，没办法和人类共处一室。但是，对更柔软、更温和、更智能的机器人的研究仍在继续。03

串联机器人

图9-20第一个AI机器人Shakey（沙基）03

串联机器人受Shakey的启发，斯坦福通用机器人项目STAIR的最重要成果之一是ROS（机器人操作系统），ROS甚至已经运行在国际空间站的机器人上。在STAIR项目中，斯坦福的研究团队意识到，感知是一个更紧迫的问题。感知问题是机器人如何与它周围的环境互动。研究小组开始将大部分时间花在深度学习上，因为这是解决许多开放感知问题的最佳方法，深度学习让机器人可以看得更加清楚。03

串联机器人9.3.5平行连杆机器人平行连杆结构机器人又称平行四边形机器人，是一种高效率、高速度的搬运机器人。它首创于20世纪80年代，以其特有的平行杆件结构的机械手臂命名。相对于其他工业机器人，它的特点是有比较高搬运速度、较好的定位准确度、很高的重复定位精准度，因此在工业生产中，尤其是流水线工作（比如，食品包装流水线）中

得到广泛的应用。

图9-21平行连杆机器人03

串联机器人此外，机器人需要在三维空间中运动，在直角参考坐标系中机器人操作手末端需要满足3个方向的位置要求和相对于3个坐标轴的角度要求，因而在运动或姿态控制时需要控制6个参数。所以，一般情况下，一个通用机器人操作手需要6个自由度。应在满足要求的前提下尽量减少机器人的自由度数，以便减少机器人的复杂程度，降低机器人制造成本。例如SCARA机器人仅有４个自由度。有些机器人的工作环境复杂，在工作时需回避障碍，甚至可能需要有7个或7个以上的自由度。这种机器人称为具有“冗余自由度”机器人。并联机器人0404

并联机器人并联机器人是以并联方式驱动的一种闭环运动链的机器人，一般由动平台和定平台的上下运动平台和两条或者两条以上独立的运动支链相连接构成，运动平台和运动支链之间构成一个或多个闭环机构组成的关节点坐标相互关联的机器人，通过改变各个支链的运动状态，使整个机构具有两个或者两个以上可以操作的自由度。图9-22并联机器人04

并联机器人并联机器人的特点是：（1）无累积误差，精度较高；（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；（5）工作空间较小；04

并联机器人根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用，例如：（1）食品、电子、化工、包装等行业的分拣、搬运、装箱等。（2）模拟运动、并联机床、金属切削加工、机器人关节，航天器接口等；（3）类铣床、磨床钻床或点焊机、切割机；（4）测量机，用来作为其他机构的误差补偿器；（5）生物医学工程中的细胞操作机器人、可实现细胞的注射和分割，微外科手术机器人等；（6）并联机器人还广泛应用于军事领域中的潜艇、坦克驾驶运动模拟器，下一代战斗机的矢量喷管、潜艇及空间飞行器的对接装置、姿态控制器等。多轴机器人坐标机器人多自由度并联机器人04

并联机器人04

并联机器人9.4.1多轴机器人多轴机器人又称单轴机械手，工业机械臂，电缸等，是以XYZ直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机、步进电机为驱动、单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠

丝杆、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系

统，可以完成在XYZ三维坐标系中任意一点的到达和遵循可控的运动

轨迹。多轴机器人采用运动控制系统实现对其的驱动及编程控制，直

线、曲线等运动轨迹的生成为多点插补方式，操作及编程方式为引导

示教编程方式或坐标定位方式。

图9-23多轴机器人04

并联机器人9.4.2坐标机器人坐标机器人是能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机（见图9-24）。其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动。坐标机器人采用运动控制系统实现对其的驱动及编程控制，直线、曲线等运动轨迹的生成为多点插补方式，操作及编程方式为引导示教编程方式或坐标定位方式。坐标机器人有龙门结构、壁挂结构和悬挂结构等多种形式。作为一种成本低廉、系统结构简单的自动化机器人系统解决方案，坐标机器可以被应用于点胶、滴塑、喷涂、码垛、分拣、包装、焊接、金属加工、搬运、上下料、装配、印刷等常见的工业生产领域，在替代人工，提高生产效率，稳定产品质量等方面都具备显著的应用价值。04

并联机器人

图9-24坐标机器人04

并联机器人9.4.3多自由度并联机器人以3自由度为例。3自由度并联机构种类较多（见图9-25），形式较复杂，一般有以下形式：（1）平面3自由度并联机构，如3-RRR机构，它们具有2个移动和一个转动；（2）球面3自由度并联机构，如3-UPS-1-S球面机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维移动空间机构；（3）空间3自由度并联机构，如Delta并联机器人，

这类机构属于欠秩机构，在工作空间内不同的点其运

动形式不同是其最显著的特点。还有一类是增加辅助

杆件和运动副的