機器人的組成結構描述

機器人的組成結構描述第1頁/共67頁一、機器人系統(tǒng)的組成如圖所示，機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成·這三大部分可分成驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)．

第2頁/共67頁驅動系統(tǒng)要使機器人運行起來，需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)．感受系統(tǒng)它由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息．智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準．人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效．機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)

機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)．機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等

第3頁/共67頁人一機交互系統(tǒng)

人一機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置：指令給定裝置和信息顯示裝置．控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能．如果機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)．根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)．根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制

第4頁/共67頁操作機器人本體的結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）傳動裝置第5頁/共67頁6手部腕部小臂（上臂）大臂（下臂）腰部

基座控制柜示教盒第6頁/共67頁相關術語及性能指標關節(jié)（Joint）：即運動副，允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構。連桿（Link）：機器人手臂上被相鄰兩關節(jié)分開的部分。第7頁/共67頁自由度（Degreeoffreedom）：或者稱坐標軸數(shù)，是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。手指的開、合，以及手指關節(jié)的自由度一般不包括在內。剛度（Stiffness）：機身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來度量。第8頁/共67頁定位精度（Positioningaccuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復性（Repeatability）或重復精度：在相同的位置指令下，機器人連續(xù)重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。oo第9頁/共67頁工作空間（Workingspace）：機器人手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能到達的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。第10頁/共67頁二、工業(yè)機器人的機械結構

工業(yè)機器人的機械本體類似于具備上肢機能的機械手，由手部、腕部、臂、機身(有的包括行走機構)組成。2.1機械手的操作動作機械手的動作形態(tài)是由三種不同的單動作——旋轉、回轉、伸縮組合而成的。旋轉和回轉是指運動機構產(chǎn)生相對運動。旋轉是轉動部件的軸線和轉動軸同軸；回轉是轉動部件的軸線與轉動軸不同軸。伸縮是指運動機構產(chǎn)生直線運動。

第11頁/共67頁第12頁/共67頁2.2機械手的坐標形式和自由度（1）根據(jù)單元動作組合方式的不同，機械手的動作形態(tài)一般歸納為以下四種坐標類型：①直角坐標型(圖7．2—2)；②圓柱坐標型(圖7．2—3)；③極坐標型(圖7．2—4)；④多關節(jié)型(圖7．2—5)。

直角坐標型機械手可以在三個互相垂直的方向上作直線伸縮運動，這類機械手各個方向的運動是獨立的，計算和控制比較方便，但占地面積大，限于特定的應用場合

第13頁/共67頁圓柱坐標型機械手有一個圍繞基座軸的旋轉運動和兩個在相互垂直方向上的直線伸縮運動。它適用于采用油壓(或氣壓)驅動機構，在操作對象位于機器人四周的情況下，操作最為方便。極坐標型機械手的動作形態(tài)包括圍繞基座軸的旋轉，一個回轉和一個直線伸縮運動，其特點類似于圓柱型機械手。

第14頁/共67頁多關節(jié)型機械手最接近于人臂的構造。它主要由多個回轉或旋轉關節(jié)所組成，一般都采用電機驅動機構。運用不同的關節(jié)連接方式，可以完成各種復雜的操作。由于具有占地面積小，動作范圍大，空間移動速度快而靈活等特點，多關節(jié)型機械手在各種智能機器人中被廣為采用。

第15頁/共67頁第16頁/共67頁SCARA機器人關節(jié)式機器人第17頁/共67頁2.3.機身、臂部和手部機構

機身是直接聯(lián)接、支承和傳動手臂及行走機構的部件。它是由臂部運動(升降、平移、回轉和俯仰)機構及有關的導向裝置、支撐件等組成。由于機器人的運動型式、使用條件、負載能力各不相同，所采用的驅動裝置、傳動機構、導向裝置也不同，致使機身結構有很大差異。一般情況下，實現(xiàn)臂部的升降、回轉或或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動愈多，機身的結構和受力愈復雜。機身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機構，可沿地面或架空軌道運行。１．機身結構第18頁/共67頁常用的機身結構：１）升降回轉型機身結構２）俯仰型機身結構３）直移型機身結構４）類人機器人機身結構第19頁/共67頁２．臂部結構手臂部件(簡稱臂部)是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。機器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自轉等運動有關的構件，如傳動機構、驅動裝置、導向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測元件等。此外，還有與腕部或手臂的運動和聯(lián)接支撐等有關的構件、配管配線等。第20頁/共67頁根據(jù)臂部的運動和布局、驅動方式、傳動和導向裝置的不同可分為：１）伸縮型臂部結構２）轉動伸縮型臂部結構３）驅伸型臂部結構４）其他專用的機械傳動臂部結構第21頁/共67頁３．機身和臂部的配置形式機身和臂部的配置形式基本上反映了機器人的總體布局。由于機器人的運動要求、工作對象、作業(yè)環(huán)境和場地等因素的不同，出現(xiàn)了各種不同的配置形式。目前常用的有如下幾種形式：（１）橫梁式（２）立柱式（３）機座式（４）驅伸式第22頁/共67頁橫梁式：機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，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，直觀等優(yōu)點。橫梁可設計成固定的或行走的，一般橫梁安裝在廠房原有建筑的柱梁或有關設備上，也可從地面架設。第23頁/共67頁立柱式：立柱式機器人多采用回轉型、俯仰型或屈伸型的運動型式，是一種常見的配置形式。一般臂部都可在水平面內回轉，具有占地面積小而工作范圍大的特點。立柱可固定安裝在空地上，也可以固定在床身上。立主式結構簡單，服務于某種主機，承擔上、下料或轉運等工作。第24頁/共67頁機座式：機身設計成機座式，這種機器人可以是獨立的、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。第25頁/共67頁屈伸式：屈伸式機器人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關系到機器人的運動軌跡，可以實現(xiàn)平面運動，也可以作空間運動。（圖見下頁）第26頁/共67頁第27頁/共67頁4、手腕結構

手腕是聯(lián)接手臂和手部的結構部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復雜的姿態(tài)。要確定手部的作業(yè)方向，一般需要三個自由度，這三個回轉方向為：１）臂轉繞小臂軸線方向的旋轉。２）手轉使手部繞自身的軸線方向旋轉。３）腕擺使手部相對于臂進行擺動。第28頁/共67頁手腕結構多為上述三個回轉方式的組合，組合的方式可以有多種形式如下圖所示：第29頁/共67頁腕部結構的設計要滿足傳動靈活、結構緊湊輕巧、避免干涉。機器人多數(shù)將腕部結構的驅動部分安排在小臂上。首先設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉的心軸和多層套筒上去。運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。第30頁/共67頁柔順手腕在用機器人進行精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件的不一致、工件的定位夾具、機器人的定位精度不能滿足裝配要求時，會導致裝配困難。這就提出了柔順性要求。柔順裝配技術有兩種：一種是從檢測、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，實現(xiàn)邊校正邊裝配。一種是從機械結構的角度在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的要求。

第31頁/共67頁第32頁/共67頁5、手部機構

機器人的手部是是最重要的執(zhí)行機構。

機器人手部是機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置的操作機構。因此有時也稱為末端操作器。由于機器人作業(yè)內容的差異（如搬運、裝配、焊接、噴涂等）和作業(yè)對象的不同（如軸類、板類、箱類、包類物體等），手部的形式多樣。綜合考慮手部的用途、功能和結構持點，大致可分成以下幾類：

1．卡爪式夾持器；

2．吸附式取料手；

3．專用操作器及換接器

4．仿生多指靈巧手。第33頁/共67頁34卡爪式夾持器通常有兩個夾爪，分為回轉型和平移型兩種類型。

卡爪式夾持器幾種彈力抓手1）彈力夾持器第34頁/共67頁352）回轉型夾持器開合占用空間較小夾持中心變化第35頁/共67頁363）平移型夾持器開合占用空間較大夾持中心保持不變第36頁/共67頁1.滑槽杠桿式手部第37頁/共67頁2.齒輪齒條式手部3.滑塊杠桿式手部4.斜楔杠桿式第38頁/共67頁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.連桿杠桿式手部第39頁/共67頁手指類型：第40頁/共67頁41

吸式取料手是目前應用較多的一種執(zhí)行器，特別是用于搬運機器人。該類執(zhí)行器可分氣吸和磁吸兩類。

吸附式取料手

氣吸附取料手是利用吸盤內氣壓與大氣壓之間的壓力差而工作的。具有結構簡單，重量輕，吸附力分布均勻等優(yōu)點。按形成壓力的方法，可分成真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸式兒種。

1）氣吸附取料手氣流負壓氣吸盤擠壓排氣吸盤真空氣吸盤第41頁/共67頁422）磁吸附取料手第42頁/共67頁43專用操作器及換接器第43頁/共67頁44

人手是最靈巧的夾持器，如果模擬人手結構，就能制造出結構最優(yōu)的夾持器。但由于人手自由度較多（20個），驅動和控制都十分復雜，迄今為止，只是制造出了一些原理樣機，離工業(yè)應用還有一定的差距。

仿生多指靈巧手UTACH／MIT多指手

三指手

雙拇指手

第44頁/共67頁45最小的三指手

BH—II三指手

四指靈巧手

靈巧的雙手

DLR多指手哈工大多指手第45頁/共67頁46

手指關節(jié)的設計手指主要用于抓握動作，要求動作靈活，剛度好，具有較大的抓握力。就其手的結構而言，傳動機構有三種方式：1)腱傳動，特點是結構簡單，節(jié)省空間，具有很高的抗拉強度和很輕的重量，但剛性差，較大的彈性，不利于控制。MIT手、JPL手和DLR-I手都是這種方式。2)齒輪傳動，特點是傳動比可靠，但是摩擦較大，有回程間隙，占用空間大。3)連桿傳動，剛度好，加工制造比較簡單，高精度，能較好的實現(xiàn)多種運動規(guī)律和運動軌跡的要求。但是設計復雜，不能精確地滿足各種運動規(guī)律的要求。典型的如Belgrade手，NASA手等。4）欠驅動手指關節(jié)第46頁/共67頁1）車輪型5、移動機器人兩輪型三輪型四輪型第47頁/共67頁2）履帶式救援機器人第48頁/共67頁3）步行式（足式行走）第49頁/共67頁

履帶式行走機構雖然可在高低不平的地面上運動，但它的適應性不夠，行走時候晃動太大，在軟地面上行駛運動效率低。根據(jù)調查，在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走。但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如，顯然足式與輪式和履帶式行走方式相比具有獨特的優(yōu)勢。

足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力一，足式運動方式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，而輪式和履帶行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點；足式運動方式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。第50頁/共67頁（１）足的數(shù)目現(xiàn)有的步行機器人的足數(shù)分別為單足、雙足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的數(shù)目多，適合于重載和慢速運動。雙足和四足具有最好的適應性和靈活性，也最接近人類和動物。下頁圖顯示了單足、雙足、三足、四足和六足行走結構。第51頁/共67頁第52頁/共67頁（２）足的配置足的配置指足相對于機體的位置和方位的安排，這個問題對于多于兩足時尤為重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一種配置因容易引起腿間的干涉而實際上很少用到。第53頁/共67頁幾何構型彎曲方向第54頁/共67頁（３）足式行走機構的平衡和穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定的多足機其機身的穩(wěn)定通過足夠數(shù)量的足支撐來保證。在行走過程中，機身重心的垂直投影始終落在支撐足著落地點的垂直投影所形成的凸多邊形內。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。第55頁/共67頁動態(tài)穩(wěn)定典型的例子是踩高蹺。高蹺與地面只是單點接觸，兩根高蹺在地面不動時站穩(wěn)是非常困難的，要想原地停留，必須不斷踏步，不能總是保持步行中的某種瞬間姿態(tài)。在動態(tài)穩(wěn)定中，機體重心有時不在支撐圖形中，利用這種重心超出面積外而向前產(chǎn)生傾倒的分力作為行走的動力并不停地調整平衡點以保證不會跌倒。這類機構一般運動速度較快，消耗能量小。其步態(tài)可以是小跑和跳躍。第56頁/共67頁4）其它移動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第57頁/共67頁三、機器人的驅動系統(tǒng)

3.1關節(jié)直接驅動方式

直接驅動方式是驅動器的輸出軸和機器人手臂的關節(jié)軸直接相連．間接驅動方式是驅動器經(jīng)過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置后與關節(jié)軸相連(1)關節(jié)間接驅動方式的缺點．

大部分機器人的關節(jié)是間接驅動．這種間接驅動，通常其驅動器的輸出力矩大大小于驅動關節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速器．另外，由于手臂通常采用懸臂梁結構，所以多自由度機器人關節(jié)上安裝減速器會使手臂根部關節(jié)驅動器的負荷增大第58頁/共67頁目前中小型機器人一般采用普通的直流伺服電機、交流伺服電機或步進電機作為機器人的執(zhí)行電機．由于電機速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進行間接傳動．但是，間接驅動帶來了機械傳動中不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響機器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關節(jié)重量和尺寸

(2)關節(jié)直接驅動方式

直接驅動機器人也叫作DD機器人(Directdriverobot)，簡稱DDR．DD機器人一般指驅動電機通過機械接口直接與關節(jié)連接．DD機器人的特點是驅動電機和關節(jié)之間沒有速度和轉矩的轉換

第59頁/共67頁DD機器人與間接驅動機器人相比，有如下優(yōu)點：①機械傳動精度高．②振動小，結構剛度好．③機械傳動損耗小．④結構緊湊，可靠性高．⑤電機峰值轉矩大，電氣時間常數(shù)小，短時間內可以產(chǎn)生很大轉矩，響應速度快，調速范圍寬．⑥控制性能較好．日本、美國等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的DD機器人．美國Adept公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關節(jié)型DD機器人．日本大日機工公司研制成功了五自由度關節(jié)型DD一600V機器人．其性能指標為：最大工作范圍1．2m，可搬重量5kg，最大運動速度8．2m／s，重復定位精度0．05mm第60頁/共67頁DD機器人目前主要存在的問題①載荷變化、耦合轉矩及非線性轉矩對驅動及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設計困難和復雜．②對位置、速度的傳感元件提出了相當高的要求③需開發(fā)小型實用的DD電機．④電機成本高第61頁/共67頁3.2驅動元件(1)液(氣)壓驅動液(氣)壓缸液(氣)壓馬達(2)步進電動機驅動在小的機器人上，有時也用步進電機作為主驅動電機?？梢杂镁幋a器或電位器提供精確的位置反饋，所以步進電機也可用于閉環(huán)控制步進電機是通過脈沖電流實現(xiàn)步進的，因此每給一個脈沖轉子便轉動一個步距。在精度要求不高