2、機器人的組成結構

1、2、機器人的組成結構 一、機器器人系統(tǒng)統(tǒng)的組成成如圖所示示，機器器人由機機械部分分、傳感感部分、控制部部分三大大部分組組成這這三大部部分可分分成驅動動系統(tǒng)、機械結結構系統(tǒng)統(tǒng)、感受受系統(tǒng)、機器人人一環(huán)境境交互系系統(tǒng)、人人機交互互系統(tǒng)、控制系系統(tǒng)六個個子系統(tǒng)統(tǒng)驅動系統(tǒng)統(tǒng)要使機器器人運行行起來，需給各個個關節(jié)即即每個運運動自由由度安置置傳動裝裝置，這就是是驅動系系統(tǒng)感受系統(tǒng)統(tǒng)它由內部部傳感器器模塊和和外部傳傳感器模模塊組成成,獲取取內部和和外部環(huán)環(huán)境狀態(tài)態(tài)中有意意義的信信息智智能傳感感器的使使用提高高了機器器人的機機動性、適應性性和智能能化的水水準人人類的感感受系統(tǒng)統(tǒng)對感知知外部世世界信息息是極其其

2、靈巧的的，然而而，對于于一些特特殊的信信息，傳傳感器比比人類的的感受系系統(tǒng)更有有效機器人一一環(huán)境交交互系統(tǒng)統(tǒng)機器人一一環(huán)境交交互系統(tǒng)統(tǒng)是實現(xiàn)現(xiàn)機器人人與外部部環(huán)境中中的設備備相互聯(lián)聯(lián)系和協(xié)協(xié)調的系系統(tǒng)機機器人與與外部設設備集成成為一個個功能單單元，如如加工制制造單元元、焊接接單元、裝配單單元等人一機交交互系統(tǒng)統(tǒng)人一機交交互系統(tǒng)統(tǒng)是人與與機器人人進行聯(lián)聯(lián)系和參參與機器器人控制制的裝置置 ：指指令給定定裝置和和信息顯顯示裝置置控制系統(tǒng)統(tǒng)控制系統(tǒng)統(tǒng)的任務務是根據(jù)據(jù)機器人人的作業(yè)業(yè)指令程程序以及及從傳感感器反饋饋回來的的信號，支配機機器人的的執(zhí)行機機構去完完成規(guī)定定的運動動和功能能如果果機器人人不具備

3、備信息反反饋特征征，則為為開環(huán)控控制系統(tǒng)統(tǒng)；具備備信息反反饋特征征，則為為閉環(huán)控控制系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)據(jù)控制原原理可分分為程序序控制系系統(tǒng)，適適應性控控制系統(tǒng)統(tǒng)和人工工智能控控制系統(tǒng)統(tǒng)根據(jù)據(jù)控制運運動的形形式可分分為點位位控制和和連續(xù)軌軌跡控制制操作機器器人本體體的結構構形式機 器 人本體執(zhí)行機構驅動裝置控制系統(tǒng)感知系統(tǒng)手部（操作器）腕部臂部腰部電驅動裝置液壓驅動裝置氣壓驅動裝置處理器關節(jié)伺服控制器內部傳感器外部傳感器 基 座（固定或移動）傳動裝置6手部腕部小臂（上上臂）大臂（下臂）腰部基 座控制柜示教盒相關術語語及性能能指標關節(jié)（Joint）：即運動動副，允允許機器器人手臂臂各零件件之間發(fā)發(fā)生相對對

4、運動的的機構。連桿（Link）：機器人手手臂上被被相鄰兩兩關節(jié)分分開的部部分。自由度（Degreeoffreedom） ：或或者稱坐坐標軸數(shù)數(shù)，是指指描述物物體運動動所需要要的獨立立坐標數(shù)數(shù)。手指指的開、合，以以及手指指關節(jié)的的自由度度一般不不包括在在內。剛度（Stiffness）：機身或臂臂部在外外力作用用下抵抗抗變形的的能力。它是用外外力和在在外力作作用方向向上的變變形量（位移）之比來來度量。定位精度度（Positioningaccuracy）：指機器人人末端參參考點實實際到達達的位置置與所需需要到達達的理想想位置之之間的差差距。重復性（Repeatability）或重復精精度：在在相同同

5、的位置置指令下下，機器器人連續(xù)續(xù)重復若若干次其其位置的的分散情情況。它它是衡量量一列誤誤差值的的密集程程度，即即重復度度。oo工作空間間（Working space）：機器人手手腕參考考點或末末端操作作器安裝裝點（不不包括末末端操作作器）所所能到達達的所有有空間區(qū)區(qū)域，一一般不包包括末端端操作器器本身所所能到達達的區(qū)域域。二、工業(yè)業(yè)機器人人的機械械結構工業(yè)機器器人的機機械本體體類似于于具備上上肢機能能的機械械手，由手部部、腕部部、臂、機身(有的包包括行走走機構)組成。2.1機械手的的操作動動作機械手的的動作形形態(tài)是由由三種不不同的單單動作旋轉轉、回轉轉、伸縮縮組合而而成的。旋轉和回回轉是指指運

6、動機機構產(chǎn)生生相對運運動。旋轉是轉轉動部件件的軸線線和轉動動軸同軸軸；回轉是轉轉動部件件的軸線線與轉動動軸不同同軸。伸縮是指指運動機機構產(chǎn)生生直線運運動。2.2機械手的的坐標形形式和自自由度（1）根根據(jù)單元元動作組組合方式式的不同同，機械械手的動動作形態(tài)態(tài)一般歸歸納為以以下四種種坐標類類型：直角坐坐標型(圖722)；圓柱坐坐標型(圖723)；極坐標標型(圖圖724)；多多關節(jié)型型(圖725)。直角坐標標型機械械手可以在三三個互相相垂直的的方向上上作直線線伸縮運運動，這這類機械械手各個個方向的的運動是是獨立的的，計算算和控制制比較方方便，但但占地面面積大，限于特特定的應應用場合合圓柱坐標標型機械

7、械手有一個圍圍繞基座座軸的旋旋轉運動動和兩個個在相互互垂直方方向上的的直線伸伸縮運動動。它適適用于采采用油壓壓(或氣氣壓)驅驅動機構構，在操操作對象象位于機機器人四四周的情情況下，操作最最為方便便。極坐標型型機械手手的動作形形態(tài)包括括圍繞基基座軸的的旋轉，一個回回轉和一一個直線線伸縮運運動，其其特點類類似于圓圓柱型機機械手。多關節(jié)型型機械手手最接近于于人臂的的構造。它主要要由多個個回轉或或旋轉關關節(jié)所組組成，一一般都采采用電機機驅動機機構。運運用不同同的關節(jié)節(jié)連接方方式，可可以完成成各種復復雜的操操作。由由于具有有占地面面積小，動作范范圍大，空間移移動速度度快而靈靈活等特特點，多多關節(jié)型型機械

8、手手在各種種智能機機器人中中被廣為為采用。SCARA機器人關關節(jié)節(jié)式機器器人2.3.機身、臂臂部和手手部機構構機身是直直接聯(lián)接接、支承承和傳動動手臂及及行走機機構的部部件。它它是由臂臂部運動動(升降、平平移、回回轉和俯俯仰)機構及有有關的導導向裝置置、支撐撐件等組組成。由由于機器器人的運運動型式式、使用用條件、負載能能力各不不相同，所采用用的驅動動裝置、傳動機機構、導導向裝置置也不同同，致使使機身結結構有很很大差異異。一般情況況下，實實現(xiàn)臂部部的升降降、回轉轉或或俯俯仰等運運動的驅驅動裝置置或傳動動件都安安裝在機機身上。臂部的的運動愈愈多，機機身的結結構和受受力愈復復雜。機機身既可可以是固固定

9、式的的，也可可以是行行走式的的，即在在它的下下部裝有有能行走走的機構構，可沿沿地面或或架空軌軌道運行行。機身身結構常用的機機身結構構：）升降降回轉型型機身結結構）俯仰仰型機身身結構）直移移型機身身結構）類人人機器人人機身結結構臂部部結構手臂部件件(簡稱臂部部)是機器人人的主要要執(zhí)行部部件，它它的作用用是支撐撐腕部和和手部，并帶動動它們在在空間運運動。機機器人的的臂部主主要包括括臂桿以以及與其其伸縮、屈伸或或自轉等等運動有有關的構構件，如如傳動機機構、驅驅動裝置置、導向向定位裝裝置、支支撐聯(lián)接接和位置置檢測元元件等。此外，還有與與腕部或或手臂的的運動和和聯(lián)接支支撐等有有關的構構件、配配管配線線等

10、。根據(jù)臂部部的運動動和布局局、驅動動方式、傳動和和導向裝裝置的不不同可分分為：）伸縮縮型臂部部結構）轉動動伸縮型型臂部結結構）驅伸伸型臂部部結構）其他他專用的的機械傳傳動臂部部結構機身身和臂部部的配置置形式機身和臂臂部的配配置形式式基本上上反映了了機器人人的總體體布局。由于機機器人的的運動要要求、工工作對象象、作業(yè)業(yè)環(huán)境和和場地等等因素的的不同，出現(xiàn)了了各種不不同的配配置形式式。目前前常用的的有如下下幾種形形式：（）橫橫梁式（）立立柱式（）機機座式（）驅驅伸式橫梁式：機身設計計成橫梁梁式，用用于懸掛掛手臂部部件，這這類機器器人的運運動形式式大多為為移動式式。它具具有占地地面積小小，能有有效利用

11、用空間，直觀等等優(yōu)點。橫梁可可設計成成固定的的或行走走的，一一般橫梁梁安裝在在廠房原原有建筑筑的柱梁梁或有關關設備上上，也可可從地面面架設。立柱式：立柱式機機器人多多采用回回轉型、俯仰型型或屈伸伸型的運運動型式式，是一一種常見見的配置置形式。一般臂臂部都可可在水平平面內回回轉，具具有占地地面積小小而工作作范圍大大的特點點。立柱柱可固定定安裝在在空地上上，也可可以固定定在床身身上。立立主式結結構簡單單，服務務于某種種主機，承擔上上、下料料或轉運運等工作作。機座式：機身設計計成機座座式，這這種機器器人可以以是獨立立的、自自成系統(tǒng)統(tǒng)的完整整裝置，可以隨隨意安放放和搬動動。也可可以具有有行走機機構，如

12、如沿地面面上的專專用軌道道移動，以擴大大其活動動范圍。各種運運動形式式均可設設計成機機座式。屈伸式：屈伸式機機器人的的臂部由由大小臂臂組成，大小臂臂間有相相對運動動，稱為為屈伸臂臂。屈伸伸臂與機機身間的的配置形形式關系系到機器器人的運運動軌跡跡，可以以實現(xiàn)平平面運動動，也可可以作空空間運動動。（圖見下頁頁）4、手腕結結構手腕是聯(lián)接手手臂和手手部的結結構部件件，它的的主要作作用是確確定手部部的作業(yè)業(yè)方向。因此它它具有獨獨立的自自由度，以滿足足機器人人手部完完成復雜雜的姿態(tài)態(tài)。要確定手手部的作作業(yè)方向向，一般般需要三三個自由由度，這這三個回回轉方向向為：）臂轉轉繞小小臂軸線線方向的的旋轉。）手轉轉

13、使手手部繞自自身的軸軸線方向向旋轉。）腕擺擺使手手部相對對于臂進進行擺動動。手腕結構構多為上上述三個個回轉方方式的組組合，組組合的方方式可以以有多種種形式如如下圖所所示：腕部結構構的設計計要滿足足傳動靈靈活、結結構緊湊湊輕巧、避免干干涉。機機器人多多數(shù)將腕腕部結構構的驅動動部分安安排在小小臂上。首先設設法使幾幾個電動動機的運運動傳遞遞到同軸軸旋轉的的心軸和和多層套套筒上去去。運動動傳入腕腕部后再再分別實實現(xiàn)各個個動作。柔順手腕腕在用機器器人進行行精密裝裝配作業(yè)業(yè)中，當當被裝配配零件的的不一致致、工件件的定位位夾具、機器人人的定位位精度不不能滿足足裝配要要求時，會導致致裝配困困難。這這就提出出了

14、柔順順性要求求。柔順裝配配技術有有兩種：一種是是從檢測測、控制制的角度度，采取取各種不不同的搜搜索方法法，實現(xiàn)現(xiàn)邊校正正邊裝配配。一種是從從機械結結構的角角度在手手腕部配配置一個個柔順環(huán)環(huán)節(jié)，以以滿足柔柔順裝配配的要求求。5、手部機機構機器人的的手部是是是最重重要的執(zhí)執(zhí)行機構構。機器人手手部是機機器人為為了進行行作業(yè)，在手腕腕上配置置的操作作機構。因此有有時也稱稱為末端端操作器器。由于機器器人作業(yè)業(yè)內容的的差異（如搬運運、裝配配、焊接接、噴涂涂等）和和作業(yè)對對象的不不同（如如軸類、板類、箱類、包類物物體等），手手部的的形式多多樣。綜合考慮慮手部的的用途、功能和和結構持持點，大大致可分分成以下下

15、幾類：1卡爪式式夾持器器；2吸附式式取料手手；3專用操操作器及及換接器器4仿生多多指靈巧巧手。34卡爪式夾夾持器通常有兩兩個夾爪爪，分為為回轉型型和平移移型兩種種類型?？ㄗκ綂A夾持器幾種彈力力抓手1）彈力夾夾持器352） 回轉轉型夾持持器開合占用用空間較小夾持中心心變化363）平移型型夾持器器開合占用用空間較大夾持中心心保持不變1.滑槽杠桿桿式手部部2.齒輪齒條式手部3.滑塊杠桿式手部4.斜楔杠桿式5.移動型連桿式手部6.齒輪齒條式手部7.內漲斜塊式手部8.連桿杠桿式手部手指類型型：41吸式取料料手是目目前應用用較多的的一種執(zhí)執(zhí)行器，特別是是用于搬搬運機器器人。該該類執(zhí)行行器可分分氣吸和和磁吸

16、兩兩類。吸附式取取料手氣吸附取取料手是是利用吸吸盤內氣氣壓與大大氣壓之之間的壓壓力差而而工作的。具具有結構構簡單，重量輕輕，吸附附力分布布均勻等等優(yōu)點。按形成壓壓力的方方法，可可分成真真空氣吸吸、氣流流負壓氣氣吸、擠擠壓排氣氣負壓氣氣吸式兒兒種。1）氣吸附附取料手手氣流負壓壓氣吸盤盤擠壓排氣氣吸盤真空氣吸吸盤422）磁吸附附取料手手43專用操作作器及換換接器44人手是最最靈巧的的夾持器器，如果果模擬人人手結構構，就能能制造出出結構最最優(yōu)的夾夾持器。但由于于人手自自由度較較多（20個），驅驅動和控控制都十十分復雜雜，迄今今為止，只是制制造出了了一些原原理樣機機，離工工業(yè)應用用還有一一定的差差距。

17、仿生多指指靈巧手手UTACHMIT多指手三指手雙拇指手45最小的三三指手BHII三指手四指靈巧巧手靈巧的雙雙手DLR多指手哈工大多多指手46手指關節(jié)節(jié)的設計計手指主要要用于抓抓握動作作，要求求動作靈靈活，剛剛度好，具有較較大的抓抓握力。就其手手的結構構而言，傳動機機構有三三種方式式：1)腱傳動，特點是是結構簡簡單，節(jié)節(jié)省空間間，具有有很高的的抗拉強強度和很很輕的重重量，但但剛性差差，較大大的彈性性，不利利于控制制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是這這種方式式。2)齒輪傳動動，特點點是傳動動比可靠靠，但是是摩擦較較大，有有回程間間隙，占占用空間間大。3)連桿傳動動，剛度度好，加加工制造造比較

18、簡簡單，高高精度，能較好好的實現(xiàn)現(xiàn)多種運運動規(guī)律律和運動動軌跡的的要求。但是設設計復雜雜，不能能精確地地滿足各各種運動動規(guī)律的的要求。典型的的如Belgrade手，NASA手等。4）欠驅動動手指關關節(jié)1）車輪型型5、移動機機器人兩輪型三輪型四輪型2）履履帶式救援機器人3）步行行式（足式行行走）履帶式行行走機構構雖然可在在高低不不平的地地面上運運動，但但它的適適應性不不夠，行行走時候候晃動太太大，在在軟地面面上行駛駛運動效效率低。根據(jù)調調查，在在地球上上近一半半的地面面不適合合于傳統(tǒng)統(tǒng)的輪式式或履帶帶式車輛輛行走。但是一一般多足足動物卻卻能在這這些地方方行動自自如，顯顯然足式式與輪式式和履帶帶式

19、行走走方式相相比具有有獨特的的優(yōu)勢。足式行走走對崎嶇路路面具有有很好的的適應能能力一，足式運運動方式式的立足足點是離離散的點點，可以以在可能能到達的的地面上上選擇最最優(yōu)的支支撐點，而輪式式和履帶帶行走工工具必須須面臨最最壞的地地形上的的幾乎所所有點；足式運運動方式式還具有有主動隔隔振能力力，盡管管地面高高低不平平，機身身的運動動仍然可可以相當當平穩(wěn)；足式行行走在不不平地面面和松軟軟地面上上的運動動速度較較高，能能耗較少少。（）足足的數(shù)目目現(xiàn)有的步步行機器器人的足足數(shù)分別別為單足足、雙足足、三足足、四足足、六足足、八足足甚至更更多。足足的數(shù)目目多，適適合于重重載和慢慢速運動動。雙足足和四足足具有

20、最最好的適適應性和和靈活性性，也最最接近人人類和動動物。下頁圖顯示了單單足、雙雙足、三三足、四四足和六六足行走走結構。（）足足的配置置足的配置置指足相相對于機機體的位位置和方方位的安安排，這這個問題題對于多多于兩足足時尤為為重要。就二足足而言，足的配配置或者者是一左左一右，或者是是一前一一后。后后一種配配置因容容易引起起腿間的的干涉而而實際上上很少用用到。幾何構型型彎曲方向向（）足足式行走走機構的的平衡和和穩(wěn)定性性靜態(tài)穩(wěn)定定的多足足機其機身的的穩(wěn)定通通過足夠夠數(shù)量的的足支撐撐來保證證。在行行走過程程中，機機身重心心的垂直直投影始始終落在在支撐足足著落地地點的垂垂直投影影所形成成的凸多多邊形內內

21、。這樣樣，即使使在運動動中的某某一瞬時時將運動動“凝固固”，機機體也不不會有傾傾覆的危危險。這這類行走走機構的的速度較較慢，它它的步態(tài)態(tài)為爬行行或步行行。動態(tài)穩(wěn)定定典型的例例子是踩踩高蹺。高蹺與與地面只只是單點點接觸，兩根高高蹺在地地面不動動時站穩(wěn)穩(wěn)是非常常困難的的，要想想原地停停留，必必須不斷斷踏步，不能總總是保持持步行中中的某種種瞬間姿姿態(tài)。在動態(tài)穩(wěn)穩(wěn)定中，機體重重心有時時不在支支撐圖形形中，利利用這種種重心超超出面積積外而向向前產(chǎn)生生傾倒的的分力作作為行走走的動力力并不停停地調整整平衡點點以保證證不會跌跌倒。這這類機構構一般運運動速度度較快，消耗能能量小。其步態(tài)態(tài)可以是是小跑和和跳躍。4

22、）其它它移動方方式軍用昆蟲機器人爬纜索機器人水下6000米無纜自治機器人蛇形機器人三、機器器人的驅驅動系統(tǒng)統(tǒng)3.1關節(jié)直接接驅動方方式直接驅動動方式是是驅動器器的輸出出軸和機機器人手手臂的關關節(jié)軸直直接相連連間接驅動動方式是是驅動器器經(jīng)過減減速器或或鋼絲繩繩、皮帶帶、平行行連桿等等裝置后后與關節(jié)節(jié)軸相連連(1)關關節(jié)間接接驅動方方式的缺缺點大大部部分機器器人的關關節(jié)是間間接驅動動這種種間接驅驅動，通通常其驅驅動器的的輸出力力矩大大大小于驅驅動關節(jié)節(jié)所需要要的力矩矩，所以以必須使使用減速速器另另外，由由于手臂臂通常采采用懸臂臂梁結構構，所以以多自由由度機器器人關節(jié)節(jié)上安裝裝減速器器會使手手臂根部

23、部關節(jié)驅驅動器的的負荷增增大目前中小小型機器器人一般般采用普普通的直直流伺服服電機、交流伺伺服電機機或步進進電機作作為機器器人的執(zhí)執(zhí)行電機機由于于電機速速度較高高，所以以需配以以大速比比減速裝裝置，進進行間接接傳動但是，間接驅驅動帶來來了機械械傳動中中不可避避免的誤誤差，引引起沖擊擊振動，影響機機器人系系統(tǒng)的可可靠性，并且增增加關節(jié)節(jié)重量和和尺寸(2)關關節(jié)直接接驅動方方式直接驅動動機器人人也叫作作DD機器人(Directdriverobot)，簡稱DDRDD機器人一一般指驅驅動電機機通過機機械接口口直接與與關節(jié)連連接DD機器人的的特點是是驅動電電機和關關節(jié)之間間沒有速速度和轉轉矩的轉轉換 D

24、D機器人與與間接驅驅動機器器人相比比，有如如下優(yōu)點點：機機械傳動動精度高高振振動小，結構剛剛度好機械械傳動損損耗小結構構緊湊，可靠性性高電機機峰值轉轉矩大，電氣時時間常數(shù)數(shù)小，短短時間內內可以產(chǎn)產(chǎn)生很大大轉矩，響應速速度快，調速范范圍寬控制制性能較較好日本、美美國等工工業(yè)發(fā)達達國家已已經(jīng)開發(fā)發(fā)出性能能優(yōu)異的的DD機器人美國Adept公司研制制出帶有有視覺功功能的四四自由度度平面關關節(jié)型DD機器人日本大大日機工工公司研研制成功功了五自自由度關關節(jié)型DD一600V機器人其性能能指標為為：最大大工作范范圍12m，可搬重量量5kg，最大運動動速度82ms，重復定位位精度005mmDD機器人目目前主要要

25、存在的的問題載荷荷變化、耦合轉轉矩及非非線性轉轉矩對驅驅動及控控制影響響顯著，使控制制系統(tǒng)設設計困難難和復雜雜對位置置、速度度的傳感感元件提提出了相相當高的的要求需開發(fā)小小型實用用的DD電機電機機成本高高3.2驅動元件件(1)液液(氣)壓壓驅動液(氣)壓缸液(氣)壓馬達達(2)步步進電動動機驅動動在小的機機器人上上，有時時也用步步進電機機作為主主驅動電電機。可可以用編編碼器或或電位器器提供精精確的位位置反饋饋，所以以步進電電機也可可用于閉閉環(huán)控制制步進電機機是通過過脈沖電電流實現(xiàn)現(xiàn)步進的的，因此此每給一一個脈沖沖轉子便便轉動一一個步距距。在精度度要求不不高的情情況下，沒有必必要加入入位置反反饋(3)直直流電動動機驅動動直流電動動機與步步進電動動機是工工業(yè)機器器人中應應用最廣廣泛的兩兩種電動動機，但但