模塊三機器人的機械結構

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1、模塊三機器人的機械結構機器人的機身結構1機器人的臂部與腕部的機構2機器人的手部機構3機器人的傳動機構4機器人的傳動機構4 本模塊主要講述機器人的機械結構。本模塊介紹了機器人的升降回轉型、俯仰型、直移型、類人機器人型機身機構；講解了機器人的臂部的組成，講述了機器人腕部機構的轉動方式、自由度、驅(qū)動方式，介紹了機器人手部機構的特點與夾持方式，講述了機器人傳動機構、行走機構的特點，講述了車輪式、履帶式和足式3種機構。單元提要 學習完本模塊的內(nèi)容后，學生應能夠了解機器人機身不同結構的組成原理，手部、腕部、臂部、傳動和行走機構各部分的組成與種類；能熟練地分析各機械結構系統(tǒng)的特點與工作原理；掌握各個機械結構

2、的典型機構；能用上述所學分析實用機器人的各個機械結構的組成、原理、故障的可能原因。學習要求學習單元一機器人的機身結構機器人的機身結構 1.升降回轉型機身結構的特點升降回轉型機身結構的特點 (1)升降油缸在下，回轉油缸在上，回轉運動采用擺動油缸驅(qū)動，因擺動油缸安置在升降活塞桿的上方，故活塞桿的尺寸要加大。 (2)回轉油缸在下，升降油缸在上，回轉運動采用擺動油缸驅(qū)動，相比之下，回轉油缸的驅(qū)動力矩要設計得大一些。一、機器人的機身結構 (3)鏈條鏈輪傳動是將鏈條的直線運動變?yōu)殒溳喌幕剞D運動，它的回轉角度可大于360。圖圖3-1 3-1 鏈條鏈輪傳動機構鏈條鏈輪傳動機構一、機器人的機身結構 2.升降回轉

3、型機身結構的工作原理升降回轉型機身結構的工作原理 圖3-2所示設計的機身包括兩個運動，即機身的回轉和升降。機身回轉機構置于升降缸之上。圖圖3-2 3-2 升降回轉型機身結構升降回轉型機身結構11回轉缸；回轉缸； 22活塞；活塞； 33花鍵軸；花鍵軸； 44花鍵軸套；花鍵軸套； 55升降缸升降缸一、機器人的機身結構一、機器人的機身結構 俯仰型機身結構由實現(xiàn)手臂左右回轉和上下俯仰的部件組成，它用手臂的俯仰運動部件代替手臂的升降運動部件。俯仰運動大多采用擺式直線缸驅(qū)動。 機器人手臂的俯仰運動一般采用活塞缸與連桿機構實現(xiàn)。手臂俯仰運動用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)

4、或中部銷軸等方式與立柱連接，如圖3-3所示。此外，有時也采用無桿活塞缸驅(qū)動齒條齒輪或四連桿機構實現(xiàn)手臂的俯仰運動。 二、附身型機身結構圖圖3-3 3-3 俯仰型機身結構俯仰型機身結構三、直移型機身結構四、類人機器人型機身結構 類人機器人型機身結構上除了裝有驅(qū)動臂部的運動裝置外，還應該有驅(qū)動腿部運動的裝置和腰部關節(jié)。類人機器人型機身靠腿部的屈伸運動來實現(xiàn)升降，腰部關節(jié)實現(xiàn)左右和前后的俯仰與人身軸線方向的回轉運動。學習單元二機器人的臂部與腕部機構機器人的臂部與腕部機構 一般來講，為了讓機器人的手爪或末端操作器可以達到任務要求，手臂至少能夠完成垂直移動、徑向移動和回轉運動3個運動。 一、機器人臂部的

5、組成 1. 手臂的運動手臂的運動1 1）垂直運動）垂直運動2 2）徑向運動）徑向運動 一、機器人臂部的組成3 3）回轉運動）回轉運動 一、機器人臂部的組成 2. 手臂的組成手臂的組成 機器人的手臂主要包括臂桿及與其伸縮、屈伸或自轉等運動有關的構件(傳動機構、驅(qū)動裝置、導向定位裝置、支承連接和位置檢測元件等)。此外，還有與腕部或手臂的運動和連接支承等有關的構件、配管配線等。 根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導向裝置的不同，臂部結構可分為伸縮型臂部結構、轉動伸縮型臂部結構、屈伸型臂部結構及其他專用的機械傳動臂部結構。伸縮型臂部結構可由液（氣）壓缸驅(qū)動或直線電動機驅(qū)動；轉動伸縮型臂部結構除了臂

6、部做伸縮運動，還繞自身軸線運動，以便使手部旋轉。 一、機器人臂部的組成二、機器人臂部的配置 機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，橫梁式配置通常分為單臂懸掛式和雙臂懸掛式兩種，如圖3-4所示。這類機器人的運動形式大多為移動式。它具有占地面積小、能有效利用空間、動作簡單直觀等優(yōu)點。 1. 橫梁式配置橫梁式配置圖圖3-4 3-4 橫梁式配置橫梁式配置二、機器人臂部的配置二、機器人臂部的配置 立柱式配置的臂部多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動形式，是一種常見的配置形式。立柱式配置通常分為單臂式和雙臂式兩種。一般臂部都可在水平面內(nèi)回轉，具有占地面積小、工作范圍大的特點。 2. 立柱式配置立柱式配置圖圖3

7、-5 3-5 立柱式配置立柱式配置二、機器人臂部的配置二、機器人臂部的配置 機座式配置的臂部可以是獨立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可以隨意安放和搬動，也可以具有行走機構，如沿地面上的專用軌道移動，以擴大其活動范圍。各種運動形式均可設計成機座式，機座式配置通常分為單臂回轉式、雙臂回轉式和多臂回轉式。 3. 基座式配置基座式配置圖圖3-6 3-6 基座式配置基座式配置二、機器人臂部的配置 屈伸式配置的臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂。屈伸臂與機身間的配置形式(平面屈伸式和立體屈伸式)關系到機器人的運動軌跡，平面屈伸式可以實現(xiàn)平面運動，立式屈伸式可以實現(xiàn)空間運動，如圖3-7所示。 4.

8、屈伸式配置屈伸式配置二、機器人臂部的配置圖圖3-7 3-7 屈伸式配置屈伸式配置 三、機器人的臂部機構 三、機器人的臂部機構 手臂的垂直伸縮運動由油缸驅(qū)動，其特點是行程長，抓重大。工件形狀不規(guī)則時，為了防止產(chǎn)生較大的偏重力矩，可用4根導向柱，這種結構多用于箱體加工線上。圖圖3-8 3-8 四導向柱式臂部伸縮機構四導向柱式臂部伸縮機構11油缸；油缸； 22夾緊缸；夾緊缸； 33手部；手部； 44導向柱；導向柱； 55運行架；運行架； 66行走車輪；行走車輪； 77軌道；軌道； 88支座支座 通常采用擺動油（氣）缸驅(qū)動、鉸鏈連桿機構傳動實現(xiàn)手臂的俯仰，如圖3-9所示。 2. 臂部俯仰結構臂部俯仰結

9、構圖圖3-9 3-9 擺動氣缸驅(qū)動連桿俯仰臂部機構擺動氣缸驅(qū)動連桿俯仰臂部機構11手部；手部； 22夾緊缸；夾緊缸； 33升降缸；升降缸； 44小臂；小臂； 5 5、88擺動氣缸；擺動氣缸； 66大臂；大臂； 77立柱立柱 三、機器人的臂部機構 3.臂部回轉與升降機構臂部回轉與升降機構 臂部回轉和升降機構常采用回轉缸與升降缸單獨驅(qū)動，適用于升降行程短而回轉角度小于360的情況，也有用升降缸與氣動馬達錐齒輪傳動的機構。 三、機器人的臂部機構 工業(yè)機器人腕部是手臂和手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。機器人一般具有6個自由度才能使手部達到目標位置和處于期望的姿態(tài)，腕部上的自由度主要用于

10、實現(xiàn)所期望的姿態(tài)。 四、機器人的腕部機構 1. 腕部的作用腕部的作用 四、機器人的腕部機構 為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間3個坐標軸X、Y、Z的轉動，即具有翻轉、俯仰和偏轉3個自由度，如圖3-10所示。通常把腕部的回轉稱為Roll，用R表示；把腕部的俯仰稱為Pitch，用P表示；把腕部的偏轉稱為Yaw，用Y表示。 2. 腕部的自由度腕部的自由度圖圖3-10 3-10 工業(yè)機器人腕部的自由度工業(yè)機器人腕部的自由度1 1）單自由度手腕）單自由度手腕 圖3-11（a）所示為R關節(jié)，它使手臂縱軸線和手腕關節(jié)軸線構成共軸線形式，其旋轉角度大，可達360以上；圖3-11（b）、圖3-1

11、1（c）所示為B關節(jié)，關節(jié)軸線與前、后兩個連接件的軸線相垂直。B關節(jié)因為受到結構上的干涉，旋轉角度小，方向角大大受限。圖3-11（d）所示為T關節(jié)。圖圖3-11 3-11 單自由度手腕單自由度手腕 四、機器人的腕部機構2 2）二自由度手腕）二自由度手腕 二自由度手腕可以是由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)組成的BR手腕見圖3-12（a），也可以是由兩個B關節(jié)組成的BB手腕見圖3-12（b）。但是不能由兩個RR關節(jié)組成RR手腕，因為兩個R關節(jié)共軸線，所以會減小一個自由度，實際只構成單自由度手腕見圖3-12（c）。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。 四、機器人的腕部機構圖圖3-12 3-12 二自由度手腕二

12、自由度手腕 四、機器人的腕部機構3 3）三自由度手腕）三自由度手腕 三自由度手腕可以是由B關節(jié)和R關節(jié)組成的多種形式的手腕，但在實際應用中，常用的有BBR、RRR、BRR和RBR 4種，如圖3-13所示。圖圖3-13 3-13 三自由度手腕三自由度手腕 四、機器人的腕部機構 PUMA 262機器人的手腕采用的是RRR結構形式，安川HP20機器人的手腕采用的是RBR結構形式，如圖3-14所示。圖圖3-14 3-14 安川安川HP20HP20工業(yè)機器人腕部結構形式工業(yè)機器人腕部結構形式 四、機器人的腕部機構學習單元三機器人的手部機構機器人的手部機構 工業(yè)機器人的手部是裝在工業(yè)機器人手腕上直接抓握工

13、件或執(zhí)行作業(yè)的部件。對于整個工業(yè)機器人來說，手部是完成作業(yè)好壞、作業(yè)柔性優(yōu)劣的關鍵部件之一。工業(yè)機器人的手部可以像人手那樣具有手指，也可以是不具備手指的手；可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，如裝在機器人手腕上的噴漆槍、焊接工具等。 一、機械手抓 一、機械手抓 1. 手抓的驅(qū)動手抓的驅(qū)動 機械手爪的作用是抓住工件、握持工件和釋放工件。手指的開合通常采用氣動、液動、電動和電磁來驅(qū)動，氣動手爪目前得到廣泛的應用，主要由于氣動手爪具有結構簡單、成本低、容易維修，且開合迅速、質(zhì)量輕等優(yōu)點，其缺點在于空氣介質(zhì)存在可壓縮性，使爪鉗位置控制比較復雜。液壓驅(qū)動手爪成本要高些。電動手爪的優(yōu)點在于手指開

14、合電動機的控制與機器人控制共用一個系統(tǒng)，但是夾緊力比氣動手爪、液壓手爪小，相比而言開合時間要稍長。 一、機械手抓 圖3-15所示為氣壓驅(qū)動的手爪，氣缸4中的壓縮空氣推動活塞5使齒條1做往復運動，經(jīng)扇形齒輪2帶動平行四邊形機構，使爪鉗3平行地快速開合。圖圖3-15 3-15 氣壓驅(qū)動的手爪氣壓驅(qū)動的手爪11齒條；齒條； 22扇形齒輪；扇形齒輪； 33爪鉗；爪鉗；44氣缸；氣缸； 55活塞活塞 一、機械手抓 2. 手抓的傳動機構手抓的傳動機構 驅(qū)動機構的驅(qū)動力通過傳動機構驅(qū)使爪鉗開合并產(chǎn)生夾緊力。 對于傳動機構有運動要求和夾緊力要求。圖3-15及圖3-16所示的手爪傳動機構可保持爪鉗平行運動，夾持

15、寬度變化大。對夾緊力要求是，爪鉗開合度不同時夾緊力能保持不變。 一、機械手抓圖圖3-16 3-16 手爪傳動機構的類型手爪傳動機構的類型 一、機械手抓 爪鉗是與工件直接接觸的部分。它們的形狀和材料對夾緊力有很大的影響。夾緊工件的接觸點越多，所要求的夾緊力越小，夾持工件越安全。圖3-17所示為V形爪鉗圖示，有4條折線與工件相接觸，形成夾緊力封閉的夾持狀態(tài)。 3. 爪鉗爪鉗圖圖3-17 V3-17 V形爪鉗圖示形爪鉗圖示 二、磁力吸盤 磁力吸盤有電磁吸盤和永磁吸盤兩種。磁力吸盤是在手部裝上電磁鐵，通過磁場吸力把工件吸住。圖圖3-18 3-18 電磁吸盤的結構電磁吸盤的結構11外殼體；外殼體； 22

16、線圈；線圈； 33防塵蓋；防塵蓋； 44磁盤磁盤 二、磁力吸盤 三、真空式吸盤 真空負壓吸盤采用真空泵能保證吸盤內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生負壓。其吸盤吸力取決于吸盤與工件表面的接觸面積和吸盤內(nèi)、外壓力差，另外與工件表面狀態(tài)也有十分密切的關系，它影響負壓的泄漏。 1. 真空負壓吸盤真空負壓吸盤圖圖3-19 3-19 真空負壓吸盤真空負壓吸盤11電動機；電動機； 22真空泵；真空泵； 33吸盤；吸盤； 4 4、55電磁閥；電磁閥； 66通大氣通大氣 三、真空式吸盤 壓縮空氣進入噴嘴后，由于伯努利效應，橡膠皮碗內(nèi)產(chǎn)生負壓。在工廠一般都有空壓機或空壓站，空壓機氣源比較容易解決，不用專門為機器人配置真空泵，因此氣流負壓

17、吸盤在工廠里使用較多。 2. 氣流負壓吸盤氣流負壓吸盤圖圖3-20 3-20 氣流負壓吸盤的工作原理氣流負壓吸盤的工作原理 三、真空式吸盤 當吸盤壓向工件表面時，將吸盤內(nèi)空氣擠出；當吸盤與工件去除壓力時，吸盤恢復彈性變形，使吸盤內(nèi)腔形成負壓，將工件牢牢吸住，機械手即可進行工件搬運；到達目標位置后，可用碰撞力或電磁力使壓蓋動作，空氣進入吸盤腔內(nèi)，釋放工件。這種擠氣負壓吸盤不需要真空泵也不需要壓縮空氣氣源，經(jīng)濟方便，但是可靠性比真空負壓吸盤和氣流負壓吸盤差。 3.擠氣負壓吸盤擠氣負壓吸盤圖圖3-21 3-21 擠氣負壓吸盤的結構擠氣負壓吸盤的結構11吸盤架；吸盤架； 22吸盤；吸盤； 33工工件；

18、件； 44密封墊；密封墊； 55壓蓋壓蓋學習單元四機器人的傳動機構機器人的傳動機構 1. 移動關節(jié)導軌移動關節(jié)導軌 在運動過程中，移動關節(jié)導軌可以起到保證位置精度和導向的作用。移動關節(jié)導軌有普通滑動導軌、液壓動壓滑動導軌、液壓靜壓滑動導軌、氣浮導軌和滾動導軌5種。前兩種導軌具有結構簡單、成本低的優(yōu)點，但是它必須留有間隙，以便潤滑，而機器人載荷的大小和方向變化很快，間隙的存在又將會引起坐標位置的變化和有效載荷的變化；另外，這種導軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化，在低速時容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象等。第三種導軌能產(chǎn)生預載荷，能完全消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點，但是它需要單獨的液壓系統(tǒng)和回收潤

19、滑油的機構。第四種導軌的缺點是剛度和阻尼較低。 一、直線傳動機構 一、直線傳動機構 目前，第五種導軌在工業(yè)機器人中應用最為廣泛，圖3-22所示為包容式滾動導軌的結構，其由支承座支承，可以方便地與任何平面相連，此時套筒必須是開式的，嵌在滑枕中，既增強了剛度，也方便與其他元件進行連接。圖圖3-22 3-22 包容式滾動導軌的結構包容式滾動導軌的結構 一、直線傳動機構 在齒輪齒條裝置中（見圖3-23），如果齒條固定不動，那么當齒輪轉動時，齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運動。這樣，齒輪的旋轉運動就轉換成拖板的直線運動。拖板是由導桿或?qū)к壷С械?。該裝置的回差較大。 2. 齒輪齒條裝置齒輪齒條裝置圖圖3-

20、23 3-23 齒輪齒條裝置齒輪齒條裝置11拖板；拖板； 22導向桿；導向桿； 33齒輪；齒輪； 44齒條齒條 在工業(yè)機器人中經(jīng)常采用滾珠絲杠，這是因為滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應速度快。由于滾珠絲杠螺母的螺旋槽里放置了許多滾珠，絲杠在傳動過程中所受的是滾動摩擦力，摩擦力較小，因此傳動效率高，同時可消除低速運動時的爬行現(xiàn)象；在裝配時施加一定的預緊力，可消除回差。 3.滾珠絲杠螺母滾珠絲杠螺母 一、直線傳動機構 一、直線傳動機構 圖3-24所示滾珠絲杠螺母副里的滾珠經(jīng)過研磨的導槽循環(huán)往復傳遞運動與動力。滾珠絲杠的傳動效率可以達到90%。圖圖3-24 3-24 滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠螺母副 4.

21、液（氣）壓缸液（氣）壓缸 一、直線傳動機構 二、旋轉傳動機構 二、旋轉傳動機構 齒輪副不但可以傳遞運動角位移和角速度，而且可以傳遞力和力矩。如圖3-25所示，一個齒輪裝在輸入軸上，另一個齒輪裝在輸出軸上，可以得到齒輪的齒數(shù)與其轉速成反比式（3-1），輸出力矩與輸入力矩之比等于輸出齒數(shù)與輸入齒數(shù)之比式（3-2）。 (3-1) (3-2) 1. 齒輪副齒輪副圖圖3-25 3-25 齒輪傳動副齒輪傳動副 二、旋轉傳動機構 在工業(yè)機器人中，同步帶傳動主要用來傳遞平行軸間的運動。同步傳送帶和帶輪的接觸面都制成相應的齒形，靠嚙合傳遞功率，其傳動原理如圖3-26所示。齒的節(jié)距用包絡帶輪時的圓節(jié)距t表示。圖圖

22、3-26 3-26 同步帶的傳動原理同步帶的傳動原理 2. 同步帶傳動裝置同步帶傳動裝置 二、旋轉傳動機構 同步帶的計算公式為式中，n1為主動輪轉速，r/min；n2為被動輪轉速，r/min；z1為主動輪齒數(shù)；z2為被動輪齒數(shù)。 同步帶傳動的優(yōu)點為：傳動時無滑動，傳動比較準確且平穩(wěn)；速比范圍大；初始拉力??；軸與軸承不易過載。但是，這種傳動機構的制造及安裝要求嚴格，對帶的材料要求也較高，因而成本較高。同步帶傳動適合于電動機與高減速比減速器之間的傳動。 二、旋轉傳動機構諧波齒輪傳動由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪3個主要零件組成。 3. 諧波齒輪諧波齒輪圖圖3-27 3-27 諧波齒輪傳動諧波齒輪

23、傳動11輸入軸；輸入軸； 22柔性外齒圈；柔性外齒圈； 33剛性內(nèi)齒圈；剛性內(nèi)齒圈； 44諧波諧波發(fā)生器；發(fā)生器；55柔性齒輪；柔性齒輪； 66剛性齒輪；剛性齒輪； 77輸出軸輸出軸 諧波齒輪傳動比的計算公式為式中，z1為柔性齒輪的齒數(shù)；z2為剛性齒輪的齒數(shù)。假設剛性齒輪有100個齒，柔性齒輪比它少兩個齒，則當諧波發(fā)生器轉50圈時，柔性齒輪轉1圈，這樣只占用很小的空間就可以得到150的減速比。通常將諧波發(fā)生器裝在輸入軸上，把柔性齒輪裝在輸出軸上，以獲得較大的齒輪減速比。 二、旋轉傳動機構 工作時，剛性齒輪6固定安裝，各齒均勻分布于圓周上，具有柔性外齒圈2的柔性齒輪5沿剛性內(nèi)齒圈3轉動。柔性齒輪

24、比剛性齒輪少兩個齒，所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉一圈就反向轉過兩個齒的相應轉角。諧波發(fā)生器4具有橢圓形輪廓，裝在其上的滾珠用于支承柔性齒輪，諧波發(fā)生器驅(qū)動柔性齒輪旋轉，使之發(fā)生塑性變形。轉動時，柔性齒輪的橢圓形端部只有少數(shù)齒與剛性齒輪嚙合。只有這樣，柔性齒輪才能相對于剛性齒輪自由地轉過一定的角度。通常剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器作為輸入端，柔性齒輪與輸出軸相連。 二、旋轉傳動機構 二、旋轉傳動機構 擺線針輪傳動是在針擺傳動基礎上發(fā)展起來的一種新型傳動方式，20世紀80年代日本研制出了用于機器人關節(jié)的擺線針輪傳動減速器，如圖3-28所示。 4.擺線針輪傳動減速器擺線針輪傳動減速器圖圖3-28 3-28

25、 擺線針輪傳動減速器擺線針輪傳動減速器 11針齒殼；針齒殼； 22輸出軸；輸出軸； 33針齒；針齒； 44擺線輪；擺線輪； 55曲曲柄軸；柄軸； 66漸開線行星輪；漸開線行星輪； 77漸開線中心輪漸開線中心輪 二、旋轉傳動機構 它由漸開線圓柱齒輪行星減速機構和擺線針輪行星減速機構兩部分組成。漸開線行星輪6與曲柄軸5連成一體，作為擺線針輪傳動的輸入部分。如果漸開線中心輪7順時針旋轉，那么漸開線行星齒輪在公轉的同時還逆時針自轉，并通過曲柄軸帶動擺線輪做平面運動。此時，擺線輪因受與之嚙合的針輪的約束，在其軸線繞針輪軸線公轉的同時，還將反方向自轉，即順時針轉動。同時，它通過曲柄軸推動行星架輸出機構順時

26、針轉動。學習單元五機器人的行走機構機器人的行走機構一、機器人行走機構的特點 行走機構按其行走移動軌跡可分為固定軌跡式和無固定軌跡式。固定軌跡式行走機構主要用于工業(yè)機器人。無固定軌跡式按行走機構的特點可分為步行式、輪式和履帶式。在行走過程中，步行式為間斷接觸，輪式和履帶式與地面為連續(xù)接觸；步行式為類人（動物）的腿腳式，輪式和履帶式的形態(tài)為運行車式。運行車式行走機構用得比較多，多用于野外作業(yè)，比較成熟。步行式行走機構正在發(fā)展和完善中。 1.固定軌跡式可移動機器人固定軌跡式可移動機器人一、機器人行走機構的特點 固定軌跡式可移動機器人機身底座安裝在一個可移動的拖板座上，靠絲杠螺母驅(qū)動，整個機器人沿絲杠

27、縱向移動。這類機器人除了采用直線驅(qū)動方式外，也可以采用類似起重機梁行走方式等。這種可移動機器人主要用在作業(yè)區(qū)域大的場合，如大型設備裝配，立體化倉庫中的材料搬運、材料堆垛和儲運及大面積噴涂等。 工廠對機器人行走性能的基本要求是機器人能夠從一臺機器旁邊移動到另一臺機器旁邊，或在一個需要焊接、噴涂或加工的物體周圍移動。這樣，就不用再把工件送到機器人旁邊。這種行走性能也使機器人能更加靈活地從事更多的工作。在一項任務不忙時，它還能夠進行另一項任務，就好像真正的工人一樣。要使機器人能夠在被加工物體周圍移動或從一個工作地點移動到另一個工作地點，首先需要機器人能夠面對一個物體自行重新定位。同時，行走機器人應能

28、夠繞過其運行軌跡上的障礙物。計算機視覺系統(tǒng)是提供上述能力的方法之一。 2.無固定軌跡式行走機器人無固定軌跡式行走機器人一、機器人行走機構的特點 運載機器人的行走車輛必須能夠支承機器人的重量。當機器人四處行走對物體進行加工時，移動車輛還需具有保持穩(wěn)定的能力。這就意味著機器人本身既要平衡可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定力或力矩，又要有足夠的強度和剛度，以承受可能施加于其上的力和力矩。為了滿足這些要求，可以采用以下兩種方法：一是增加機器人移動車輛的重量和剛性，二是進行實時計算和施加所需要的平衡力。由于前一種方法容易實現(xiàn)，因而它是目前改善機器人行走性能的常用方法。一、機器人行走機構的特點 車輪的形狀或結構形式取決于地

29、面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運行的車輪大多是實心鋼輪，在室外路面行駛的車輪大多是充氣輪胎，在室內(nèi)平坦地面行駛的車輪大多是實心輪胎。二、車輪式行走機構 1.車輪的形式車輪的形式二、車輪式行走機構 圖3-29（a）所示的充氣球輪適合于沙丘地形；圖3-29（b）所示的半球形輪是為火星表面而開發(fā)的；圖3-29（c）所示的傳統(tǒng)車輪適合于平坦的堅硬路面；圖3-29（d）所示為車輪的一種變形，稱為無緣輪，用來爬越階梯，及在水田中行駛。圖圖3-29 3-29 車輪的不同形式車輪的不同形式二、車輪式行走機構 “玉兔”月球車車輪是鏤空金屬帶輪，鏤空是為了減少揚塵。因為在月面環(huán)境影響下，“玉兔”行駛時很容易打

30、滑，月壤細粒會大量揚起飄浮，進而對巡視器等敏感部件產(chǎn)生影響，引起機械結構卡死、密封機構失效、光學系統(tǒng)靈敏度下降等故障。為應付“月塵”困擾，“玉兔”的輪子的輻條采用鈦合金，篩網(wǎng)用金屬絲編制，在保持高強度和抓地力的同時，減輕了輪子的重量，輪子是鏤空的，同時還能起到減少揚塵的作用。輪子上還有二十幾個抓地爪露在外面。圖圖3-30 “3-30 “玉兔玉兔”月球車車輪月球車車輪二、車輪式行走機構圖圖3-31 3-31 三輪行走機構三輪行走機構 三輪行走機構具有一定的穩(wěn)定性，代表性的車輪配置方式是一個前輪、兩個后輪，如圖3-31 所示。圖3-31（a）所示為兩后輪獨立驅(qū)動，前輪僅起支承作用，靠后輪的轉速差實

31、現(xiàn)轉向；圖3-31（b）所示為采用輪驅(qū)動，前輪轉向的方式；圖3-31（c）所示為利用兩后輪差動減速器驅(qū)動，前輪轉向的方式。 2.車輪的配置和轉向機構車輪的配置和轉向機構1 1）三輪行走機構）三輪行走機構二、車輪式行走機構2 2）輪組三輪行走機構）輪組三輪行走機構 三組輪子呈等邊三角形分布在機器人的下部，每組輪子由若干個滾輪組成。這些輪子能夠在驅(qū)動電動機的帶動下自由地轉動，使機器人移動。驅(qū)動電動機控制系統(tǒng)既可以同時驅(qū)動三組輪子，也可以分別驅(qū)動其中兩組輪子。這樣，機器人就能夠在任何方向上移動。該機器人的行走機構設計得非常靈活，它不但可以在工廠地面上運動，而且能夠沿小路行駛。這種行走機構存在的問題是

32、穩(wěn)定性不夠，容易傾倒，而且運動穩(wěn)定性隨著負載輪子的相對位置不同而變化；在輪子與地面的接觸點從一個滾輪移到另一個滾輪上時，還會出現(xiàn)顛簸。圖圖3-32 3-32 具有三組輪子具有三組輪子的輪組三輪行走機構的輪組三輪行走機構二、車輪式行走機構 為了改進該機器人的穩(wěn)定性，重新設計的三輪機器人是使用長度不同的兩種滾輪，長滾輪呈錐形，固定在短滾輪的凹槽里，這樣可大大減小滾輪之間的間隙，減小了輪子的厚度，提高了機器人的穩(wěn)定性。此外，滾輪上還附加了軟橡皮，具有足夠的變形能力，可使?jié)L輪的接觸點在相互替換時不發(fā)生顛簸。二、車輪式行走機構3 3）四輪行走機構）四輪行走機構 四輪機構可采用不同的方式實現(xiàn)驅(qū)動和轉向。（

33、a）所示為后輪分散驅(qū)動；（b）所示為四輪同步轉向機構，當前輪轉向時，通過四連桿機構使后輪得到相應的偏轉，這種轉向機械相比僅有前輪轉向的車輛可實現(xiàn)更小的轉向回轉半徑。二、車輪式行走機構二、車輪式行走機構 四輪行走機械的運動穩(wěn)定性有很大提高。但是，要保證4個輪子同時和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。它需要4個驅(qū)動電動機，控制系統(tǒng)也比較復雜，造價也較高。圖3-34 所示為輪位可變型四輪行走機構，機器人可以根據(jù)需要讓4個車輪呈橫向、縱向或同心方向行走，可以增加機器人的運動靈活性。圖圖3-34 3-34 輪位可變型四輪行走機構輪位可變型四輪行走機構 3.越障輪式機構越障輪式機構1)1)三小輪式車輪

34、機構三小輪式車輪機構 當小車輪自轉時，用于正常行走；當、車輪公轉時，用于上臺階，是支臂撐起的負載。圖圖3-35 3-35 三小輪式車輪機構三小輪式車輪機構二、車輪式行走機構二、車輪式行走機構 如圖3-36（a）所示，a小輪和c小輪旋轉前進（行走），使車輪接觸臺階停住；如圖3-36（b）所示，a、b和c小輪繞著它們的中心旋轉（公轉），b小輪接觸到了高一級臺階；如圖3-36（c）所示，b小輪和a小輪旋轉前進（行走）；如圖3-36（d）所示，車輪又一次接觸臺階停住。如此往復，便可以一級一級臺階地向上爬。圖圖3-36 3-36 三小輪式車輪機構上、下臺階時的工作示意圖三小輪式車輪機構上、下臺階時的工作

35、示意圖二、車輪式行走機構 圖3-37所示為三輪或四輪裝置三小輪式車輪機械上臺階時的示意圖，在同一個時刻，總是有輪子在行走，有輪子在公轉。圖圖3-37 3-37 三輪或四輪裝置三小輪式車輪機構上臺階時的示意圖三輪或四輪裝置三小輪式車輪機構上臺階時的示意圖二、車輪式行走機構 多節(jié)車輪式機構是由多個車輪用軸關節(jié)或伸縮關節(jié)連在一起形成的輪式行走機構。這種多輪式行走機構非常適合在崎嶇不平的道路上行駛，對攀爬臺階也非常有效。圖圖3-37 3-37 三輪或四輪裝置三小輪式車輪機構上臺階時的示意圖三輪或四輪裝置三小輪式車輪機構上臺階時的示意圖2)2)多節(jié)車輪式機構多節(jié)車輪式機構二、車輪式行走機構圖圖3-39

36、3-39 多節(jié)車輪式行走機構上臺階的工作過程示意圖多節(jié)車輪式行走機構上臺階的工作過程示意圖二、車輪式行走機構 搖臂車輪式機構的行走機構更有利于在未知的地況下行走，圖3-40所示的“玉兔”月球車是由6個獨立的搖臂作為每個車輪的支撐，每個車輪可以獨立驅(qū)動、獨立旋轉、獨立伸縮。“玉兔”月球車可以憑借6個輪子實現(xiàn)前進、后退、原地轉向、行進間轉向、20爬坡、20 cm 越障等。六輪搖臂車輪式行走機構，可使它們同時適應不同高度，保持6個輪子同時著地，使“玉兔”月球車成為一個真正的“爬行高手”。3)3)搖臂車輪式機構搖臂車輪式機構二、車輪式行走機構圖圖3-40 “3-40 “玉兔玉兔”月球車月球車 1.履帶

37、式行走機構的組成與形狀履帶式行走機構的組成與形狀1)1)履帶式行走機構的組成履帶式行走機構的組成 履帶式行走機構由履帶、驅(qū)動鏈輪、支承輪、托帶輪和張緊輪(導向輪)組成，如圖3-41所示。三、履帶式行走機構圖圖3-41 3-41 履帶式行走機構履帶式行走機構2)2)履帶式行走機構的形狀履帶式行走機構的形狀 圖3-42（a）所示為一字形履帶式行走機構，驅(qū)動輪及張緊輪兼做支承輪，增大支承地面面積，改善了穩(wěn)定性，此時驅(qū)動輪和導向輪只略微高于地面。圖3-42（b）所示為倒梯形履帶式行走機構，不做支承輪的驅(qū)動輪與張緊輪裝得高于地面，鏈條引入引出時角度達50，其好處是適合于穿越障礙，另外因為減少了泥土夾入引

38、起的磨損和失效，可以延長驅(qū)動輪和張緊輪的壽命。三、履帶式行走機構圖圖3-42 3-42 履帶式行走機構的形狀履帶式行走機構的形狀 2.履帶式行走機構的特點履帶式行走機構的特點三、履帶式行走機構1)履帶式行走機構的優(yōu)點(1)支承面積大，接地比壓小，適合在松軟或泥濘場地進行作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小。(2)越野機動性好，可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式行走機構。(3)履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，可發(fā)揮較大的牽引力。 3.履帶式行走機構的變形履帶式行走機構的變形1)1)形狀可變履帶式行走機構形狀可變履帶式行走機構 隨著主臂桿和

39、曲柄的搖擺，整個履帶可以隨意變成各種類型的三角形形態(tài)，即其履帶形狀可以為適應臺階而改變，這樣會比普通履帶機構的動作更為自如，從而使機器人的機體能夠任意上下樓梯(見圖3-44)和越過障礙物。三、履帶式行走機構圖圖3-43 3-43 形狀可變履帶式行走機構形狀可變履帶式行走機構11履帶；履帶； 22行星輪；行星輪； 33曲柄；曲柄； 44主臂桿；主臂桿； 55導向輪；導向輪；66履帶架；履帶架； 77驅(qū)動輪；驅(qū)動輪； 88機體機體; 9; 9攝像機攝像機三、履帶式行走機構2)履帶式行走機構的缺點（1）由于沒有自定位輪，沒有轉向機構，只能靠左右兩個履帶的速度差實現(xiàn)轉彎，所以在橫向和前進方向都會產(chǎn)生滑

40、動。（2）轉彎阻力大，不能準確地確定回轉半徑。(3)結構復雜，重量大，運動慣性大，減振功能差，零件易損壞。三、履帶式行走機構圖圖3-44 3-44 形狀可變履帶式行走機構上下樓梯形狀可變履帶式行走機構上下樓梯2)2)位置可變履帶式行走機構位置可變履帶式行走機構三、履帶式行走機構圖圖3-45 3-45 位置可變履帶式行走機構位置可變履帶式行走機構 隨著主臂桿和曲柄的搖擺，4個履帶可以隨意變成朝前和朝后的多種位置組合形態(tài)，從而使機器人的機體能夠上下樓梯，甚至跨越橫溝，如圖3-46所示。三、履帶式行走機構圖圖3-46 3-46 位置可變履帶式行走機構的上下樓梯和跨越橫溝位置可變履帶式行走機構的上下樓

41、梯和跨越橫溝三、履帶式行走機構圖圖3-47 3-47 位置可變履帶式行走機構的實例位置可變履帶式行走機構的實例3)3)裝有轉向機構的履帶式行走機構裝有轉向機構的履帶式行走機構 圖3-48所示為裝有轉向機構的履帶式行走機構。它可以轉向，可以上下臺階。三、履帶式行走機構圖圖3-48 3-48 裝有轉向機構的履帶式行走機構裝有轉向機構的履帶式行走機構 雙重履帶式可轉向行走機構的主體前后裝有轉向器，并裝有使轉向器繞圖中的AA軸旋轉的提起機構，這使得該行走機構上下臺階非常順利，能得到用折疊方式向高處伸臂，在斜面上保持主體水平等各種各樣的姿勢。三、履帶式行走機構圖圖3-49 3-49 雙重履帶式可轉向行走

42、機構雙重履帶式可轉向行走機構 四、足式行走機構 1.足式行走的特點足式行走的特點1)1)足式行走的優(yōu)點足式行走的優(yōu)點 足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力，足式行走的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式和履帶式行走工具必須面臨最差的地形上的幾乎所有點；足式行走機構有很大的適應性，尤其在有障礙物的通道（如管道、臺階或樓梯）或很難接近的工作場地更有優(yōu)越性。足式行走還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩(wěn)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。 四、足式行走機構 四、足式行走機構2)2)足的數(shù)目足的數(shù)目圖圖3-50 3-50 單足

43、、雙足、三足、四足和六足行走機構單足、雙足、三足、四足和六足行走機構 四、足式行走機構 2.足的配置足的配置 足的配置是指足相對于機體的位置和方位的安排，這個問題對于兩足及兩足以上的機器人尤為重要。就兩足而言，足的配置或是一左一右，或是一前一后。后一種配置因容易引起腿間的干涉，故在實際中很少用到。 四、足式行走機構 四、足式行走機構1)1)足的主平面的安排足的主平面的安排 在假設足的配置為對稱的前提下，四足或多于四足的配置可能有兩種，如圖3-51所示。圖3-51（a）所示為正向?qū)ΨQ分布，即腿的主平面與行走方向垂直；圖3-51（b）所示為前后向?qū)ΨQ分布，即腿的主平面與行走方向一致。圖圖3-48

44、3-48 裝有轉向機構的履帶式行走機構裝有轉向機構的履帶式行走機構 四、足式行走機構2)2)足的幾何構形足的幾何構形 圖3-52所示為足在主平面內(nèi)的幾何構形，包括哺乳動物形、爬行動物形、昆蟲形。圖圖3-52 3-52 足在主平面內(nèi)的幾何構形足在主平面內(nèi)的幾何構形 四、足式行走機構3)3)足的相對方向足的相對方向 圖3-53所示為足的相對彎曲方向，包括內(nèi)側相對彎曲、外側相對彎曲、同側彎曲。不同的安排對穩(wěn)定性有不同的影響。圖圖3-53 3-53 足的相對彎曲方向足的相對彎曲方向 四、足式行走機構 3.足式行走機構的平衡和穩(wěn)定性足式行走機構的平衡和穩(wěn)定性1)1)靜態(tài)穩(wěn)定的多足機構靜態(tài)穩(wěn)定的多足機構

45、機器人機身的穩(wěn)定通過足夠數(shù)量的足支承來保證。在行走過程中，機身重心的垂直投影始終落在支承足落地點垂直投影所形成的凸多邊形內(nèi)。這樣，即使在運動中的某一瞬時將運動“凝固”，機體也不會有傾覆的危險。這類行走機構的速度較慢，它的步態(tài)為爬行或步行。 四足機器人在靜止狀態(tài)是穩(wěn)定的。在步行時，當一只腳抬起，另三只腳支承自重時，必須移動身體，讓重心落在三只腳接地點所組成的三角形內(nèi)。六足、八足步行機器人由于行走時可保證至少有三足同時支承機體，在行走時更容易得到穩(wěn)定的重心。 在設計階段，靜平衡機器人的物理特性和行走方式都經(jīng)過認真協(xié)調(diào)，因此在行走時不會發(fā)生嚴重偏離平衡位置的現(xiàn)象。為了保持靜平衡，機器人需要仔細考慮足

46、的配置。保證至少同時有三個足著地來保持平衡，也可以采用大的機器足，使機器人重心能通過足的著地面，易于控制平衡。 四、足式行走機構2)2)動態(tài)穩(wěn)定的多足機構動態(tài)穩(wěn)定的多足機構 四、足式行走機構 雙足行走和單足行走有效地利用了慣性力和重力，利用重力使身體向前傾倒來向前運動。這就要求機器人控制器必須不斷地將機器人的平衡狀態(tài)反饋回來，通過不停地改變加速度或重心的位置來滿足平衡或定位的要求。 四、足式行走機構 四、足式行走機構 4.典型的足式行走機構典型的足式行走機構1)1)兩足步行式機器人兩足步行式機器人 足式行走機構有兩足、三足、四足、六足、八足等形式，其中兩足步行式機器人具有最好的適應性，也最接近

47、人類，故也稱為類人雙足行走機器人。類人雙足行走機構是多自由度的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代控制理論很好的應用對象。這種機構除結構簡單外，在保證靜、動行走性能及穩(wěn)定性和高速運動等方面都是最困難的。 四、足式行走機構 在行走過程中，行走機構始終滿足靜力學的靜平衡條件，即機器人的重心始終落在接觸地面的一只腳上。圖圖3-54 3-54 兩足步行式機器人行走機構原理圖兩足步行式機器人行走機構原理圖2)2)四足、六足步行式機器人四足、六足步行式機器人 四足、六足步行式機器人是模仿動物行走的機器人。四足步行式機器人除了關節(jié)式外，還有縮放式步行機構。圖3-55所示為四足縮放式步行機器人的平面幾何模型，其機體與支承面保持平行。四足對稱姿態(tài)比兩足步行容易保持運動過程中的穩(wěn)定，控制也容易些，其運動過程是一只腿抬起，三腿支承機體向前移動。圖圖3-55 3-55 四足縮放式步行四足縮放式步行機器人的平面幾何模型機器人的平面幾何模型 四、足式行走機構 四、足式行走機構 圖3-56所示為六足縮放式步行機構的原理，六足縮放式步行機構的每條腿有三個轉動關節(jié)。行走時，三條腿為一組，足端以相同位移移動，兩組相差一定時間間隔進行移動，可以實現(xiàn)XY平面內(nèi)任意方向的行走和原地轉動。圖圖3-56 3-56 六足縮放式步行機構的原理圖六足縮放式步行機構的原理圖