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第二章第二章机器人机械结构机器人机械结构自动化学院自动化学院第二章第二章机器人机械结构机器人机械结构2.1机器人基本结构和设计原则2.2机器人机身和臂部结构2.3机器人腕部和手部结构2.4机器人行走机构2.1机器人基本结构和设计原则机器人机械结构指其机器人机械结构指其机体结构机体结构和和机械传动系统机械传动系统，也是机，也是机器人的支承基础和执行机构。本章以器人的支承基础和执行机构。本章以工业机器人工业机器人为主要对象为主要对象介绍机器人主要组成部分的结构形式和特点介绍机器人主要组成部分的结构形式和特点1.1.机器人本体的基本结构形式机器人本体的基本结构形式机器人本体是机器人的重要部分，是所机器人本体是机器人的重要部分，是所有的计算、分析、控制和编程的基础、有的计算、分析、控制和编程的基础、最终要通过本体的运动和动作完成特定最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影响整体性能构、材料的选择将直接影响整体性能机器人本体主要包括机器人本体主要包括:(1):(1)机身及行走机机身及行走机构构、、(2)(2)臂部臂部、、(3)(3)腕部、腕部、(4)(4)手部、手部、(5)(5)传动部件传动部件12342.1机器人基本结构和设计原则典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能，所以也称作典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能，所以也称作机器机器人操作机或机械手人操作机或机械手机器人机构可以视为一种杆件机构，它的基本结构是将机构学中的机器人机构可以视为一种杆件机构，它的基本结构是将机构学中的杆件杆件(link)(link)和和运动副运动副(pair)(pair)相互连接而构成的开式运动链。当然也有部分闭链相互连接而构成的开式运动链。当然也有部分闭链或全部闭链的机器人或全部闭链的机器人2.1机器人基本结构和设计原则2.2.机器人本体的设计原则机器人本体的设计原则一、一、按用户要求优化工作空间相关参数按用户要求优化工作空间相关参数二、二、优选材料、结构、工艺，提高速度及精度优选材料、结构、工艺，提高速度及精度材料选择：材料选择：ⅰⅰ..基本要求：基本要求：运动部分重量轻、强度高、弹性模量（刚度）大、阻尼运动部分重量轻、强度高、弹性模量（刚度）大、阻尼大、经济性大、经济性ⅱⅱ..常用材料：结构钢、铝合金、纤维增强合金、陶瓷、复合材料常用材料：结构钢、铝合金、纤维增强合金、陶瓷、复合材料结构刚度结构刚度：：ⅰⅰ..根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸ⅱⅱ..提高支撑刚度和接触刚度提高支撑刚度和接触刚度ⅲⅲ..合理布置作用力的位置和方向合理布置作用力的位置和方向三、三、应用机电一体化思想提高功能价格比应用机电一体化思想提高功能价格比四、四、合理布置管线，提高机器人可靠性合理布置管线，提高机器人可靠性五、五、考虑考虑安全安全技术，防止人机事故技术，防止人机事故2.2机器人机身和手臂结构机身机身是直接连接、支撑和传动手臂和行走机构的部件是直接连接、支撑和传动手臂和行走机构的部件机身结构一般由机器人总体设计确定。比如，圆柱坐标型机器人把机身结构一般由机器人总体设计确定。比如，圆柱坐标型机器人把回转与升降这两个自由度归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯回转与升降这两个自由度归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把回转自由度归属仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把回转自由度归属于机身于机身手臂手臂部件是机器人的主要执行部件，是支部件是机器人的主要执行部件，是支撑腕部（关节）和手部（包括工件或工撑腕部（关节）和手部（包括工件或工具），并带动它们在空间运动，具），并带动它们在空间运动，改变手部改变手部的空间位置的空间位置手臂的运动类型：手臂的运动类型：伸缩、俯仰、屈伸、回伸缩、俯仰、屈伸、回转转机器人机身和臂部的配置形式机器人机身和臂部的配置形式一、一、横梁式：横梁式：ⅰⅰ、单臂悬挂式：、单臂悬挂式：ⅱⅱ、双臂悬挂式、双臂悬挂式：：ⅲⅲ、多臂悬挂式、多臂悬挂式::横梁上配置多个悬伸臂横梁上配置多个悬伸臂,,适用于自动生产线适用于自动生产线,,用于工用于工位间传送工件位间传送工件2.2机器人机身和手臂结构二、立柱式二、立柱式::ⅰⅰ、单臂配置、单臂配置ⅱⅱ、双臂配置、双臂配置三、机座式：三、机座式：ⅰⅰ、手臂配置在机座顶端、手臂配置在机座顶端2.2机器人机身和手臂结构ⅱⅱ、手臂配置于机座立柱中间、手臂配置于机座立柱中间四四、、屈伸式：屈伸式：ⅰⅰ、平面屈伸、平面屈伸ⅱⅱ、空间屈伸、空间屈伸2.2机器人机身和手臂结构2.3机器人腕部和手部结构1.1.腕部结构腕部结构腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和确定手部腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和确定手部姿态姿态的作用的作用机器人设置机器人设置11～～33个自由度的腕关节，可以提高动作适应性，可在空个自由度的腕关节，可以提高动作适应性，可在空间曲面上进行连续作业，腕关节运动的自由度根据作业要求及驱动间曲面上进行连续作业，腕关节运动的自由度根据作业要求及驱动源可具有三个旋转自由度，即源可具有三个旋转自由度，即偏转（摆动）、俯仰、翻转（回转）偏转（摆动）、俯仰、翻转（回转）三轴垂直相交的手腕，理论上可以达到任意的三轴垂直相交的手腕，理论上可以达到任意的姿态姿态（但由于关节角（但由于关节角通常受到结构的限制而无法达到任意的姿态）通常受到结构的限制而无法达到任意的姿态）按按转动特点转动特点，用于手腕关节的转动又可分为滚转和弯转两种。，用于手腕关节的转动又可分为滚转和弯转两种。滚转滚转（回转轴线重合）用（回转轴线重合）用RR来标记。来标记。弯转弯转（转动轴线垂直）的用（转动轴线垂直）的用BB来标记，来标记，由于受到结构的限制，其相对转动角度一般小于由于受到结构的限制，其相对转动角度一般小于360360°°三自由度手腕的三自由度手腕的66种结合方式种结合方式，，RRRRRR型手腕容易实现远距传动，制造型手腕容易实现远距传动，制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍2.3机器人腕部和手部结构腕部的典型结构腕部的典型结构一、液压手腕结构一、液压手腕结构二、二、电动手腕结构电动手腕结构远程驱动远程驱动直接驱动直接驱动11、、具有回转自由度的手腕具有回转自由度的手腕2.3机器人腕部和手部结构22、具有回转及摆动的手腕、具有回转及摆动的手腕存在诱导运动存在诱导运动33、、具有回转、摆动及扭转的手腕具有回转、摆动及扭转的手腕2.3机器人腕部和手部结构2.2.手部结构手部结构手部手部也叫做也叫做末端执行器末端执行器，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行，它是装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件作业的部件机器人手部的机器人手部的特点特点(1)(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，可以方便地拆卸和更换手部液接头，可以方便地拆卸和更换手部(2)(2)手部是机器人末端执行器。它可以像人手那样具有手指，也可以是进行手部是机器人末端执行器。它可以像人手那样具有手指，也可以是进行专业作业的工具，比如喷漆枪、焊接工具等专业作业的工具，比如喷漆枪、焊接工具等(3)(3)手部的通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，例如，一种手爪手部的通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，例如，一种手爪往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一种往往只能抓握一种或几种在形状、尺寸、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工具只能执行一种作业任务(4)(4)手部是一个独立的部件，是完成作业好坏手部是一个独立的部件，是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部件之一以及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具有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工业机器人作业的灵活性和可靠性2.3机器人腕部和手部结构手部的典型结构手部的典型结构11、、夹钳式夹钳式夹持机构夹持机构手指：两指、多指；手指：两指、多指；平面、平面、VV形形传动机构：回转、平移传动机构：回转、平移驱动装置：气动、液动、驱动装置：气动、液动、电动、电磁电动、电磁支架支架2.3机器人腕部和手部结构22、、拖持式拖持式夹持机构：夹持机构：适于抓取适于抓取重量大重量大的工件的工件33、、弹簧式弹簧式夹持机构夹持机构2.3机器人腕部和手部结构44、、吸附式吸附式抓取机构：抓取机构：真空式真空式负压式负压式磁吸式吸盘磁吸式吸盘2.3机器人腕部和手部结构电磁吸盘结构气流负压挤气负压55、、柔性手柔性手2.3机器人腕部和手部结构66、、多指灵巧手多指灵巧手（仿人手）（仿人手）2.3机器人腕部和手部结构ShadowHand贝尔格莱德手40AirMuscles2.3机器人腕部和手部结构DLRHandHIT-DLRHand手部的典型工具手部的典型工具11、弧焊设备、弧焊设备送丝设备焊枪电源2.3机器人腕部和手部结构22、点焊设备、点焊设备2.3机器人腕部和手部结构33、喷涂设备、喷涂设备双组份混合器换色器齿轮泵液体调节器2.3机器人腕部和手部结构行走（移动）机构行走（移动）机构是移动机器人的重要执行部件，它一方面支撑是移动机器人的重要执行部件，它一方面支撑机器人的机身、臂部和手部，另一方面根据任务要求带动机器人机器人的机身、臂部和手部，另一方面根据任务要求带动机器人运动运动行走机构按其移动轨迹可分为行走机构按其移动轨迹可分为固定轨迹式固定轨迹式和和无固定轨迹式无固定轨迹式，前者，前者主要用于工业机器人，后者又可细分为：主要用于工业机器人，后者又可细分为：一、一、运行车式行走机构运行车式行走机构11、、轮式行走机构轮式行走机构：适合于平坦坚硬的地面：适合于平坦坚硬的地面2.4机器人行走机构机器人行走机构22、、履带式行走机构履带式行走机构：适合于野外工作，能够适应各种地形，如山坡或峡：适合于野外工作，能够适应各种地形，如山坡或峡谷中，可以爬跃坡度达谷中，可以爬跃坡度达4545゜及上下楼梯，机身不倾斜゜及上下楼梯，机身不倾斜2.4机器人行走机构2.4机器人行走机构二、二、步行式行走机构步行式行走机构步行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步行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，可以在可能达到的地面上选择最优的支撑点；主动隔振是离散的点，可以在可能达到的地面上选择最优的支撑点；主动隔振能力强；在不平、松软地面上运动速度高能力强；在不平、松软地面上运动速度高11、、四足或四足或多足行走机构多足行走机构：模仿动物，容易保持稳定和控制：模仿动物，容易保持稳定和控制2.4机器人行走机构22、、两两足式行走机构足式行走机构：类人双足行走，具有最好的适应性和灵活性；类人：类人双足行走，具有最好的适应性和灵活性；类人双足行走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双足行走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。这种机构除结构简单外，在保证象。这种机构除结构简单外，在保证静、动静、动行走性能及稳定性和高速行走性能及稳定性和高速运动等方面都是最困难的运动等方面都是最困难的2.4机器人行走机构三、三、其他行走机构其他行走机构特殊应用场合和目的特殊应用场合和目的11、、吸附爬行吸附爬行22、蛇形、蛇形2.4机器人行走机构德国Gavin.HS7本章结束本章结束