機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與應(yīng)用 課件 第9課 機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)

智能機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用“十四五”職業(yè)教育人工智能技術(shù)應(yīng)用專業(yè)系列教材第9課機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)231知識(shí)目標(biāo)（1）熟悉機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)。（2）熟悉機(jī)器人交互系統(tǒng)。（3）掌握串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人的定義、結(jié)構(gòu)和主要形式。能力目標(biāo)（1）掌握專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)閱讀、思考與研究的能力。（2）積極參與“研究性學(xué)習(xí)小組”活動(dòng)，提高組織和活動(dòng)能力，具備團(tuán)隊(duì)精神。素質(zhì)目標(biāo)（1）熱愛學(xué)習(xí)，掌握學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)能力。（2）熱愛讀書，善于分析，勤于思考，關(guān)心智能技術(shù)的不斷進(jìn)步。（3）體驗(yàn)、積累和提高“大國工匠”的專業(yè)素質(zhì)。學(xué)習(xí)目標(biāo)

愿景

體驗(yàn)

創(chuàng)意

實(shí)踐重點(diǎn)難點(diǎn)（1）熟悉機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)。（2）熟悉串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。目錄機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)01機(jī)器人交互系統(tǒng)02串聯(lián)機(jī)器人03并聯(lián)機(jī)器人04串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)器人的區(qū)別05第9課機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)機(jī)器人的外貌組成與人很相似，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成：（1）機(jī)構(gòu)部分包括機(jī)械手和移動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手相當(dāng)于完成各種工作的人手，移動(dòng)機(jī)構(gòu)則相當(dāng)于用來行走的人腳。（2）感知機(jī)器人自身或外部環(huán)境變化信息的傳感器是它的感覺器官，包括內(nèi)傳感器和外傳感器，相當(dāng)于人的眼、耳、皮膚等。（3）電腦是機(jī)器人的指揮中心，相當(dāng)于人腦或中樞神經(jīng)，它能控制機(jī)器人各部位協(xié)調(diào)動(dòng)作。（4）信息處理裝置是人與機(jī)器人溝通的工具，可根據(jù)外界變化、靈活變更機(jī)器人的動(dòng)作。機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)0101

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)是由機(jī)器人和作業(yè)對(duì)象及環(huán)境共同構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)一般包括機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)四大部分?；蛘咭部梢苑譃橛布蛙浖刹糠?。硬件部分主要包括本體和控制器，而軟件部分則指的是它的控制技術(shù)（裝置）。圖9-9機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)形式01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)從機(jī)械系統(tǒng)角度看，工業(yè)機(jī)器人包括機(jī)身、臂部、手腕、末端操作器和行走機(jī)構(gòu)等部分，每一部分都有若干自由度，從而構(gòu)成了一個(gè)多自由度系統(tǒng)。有的機(jī)器人還具備行走機(jī)構(gòu)，構(gòu)成行走機(jī)器人；若機(jī)器人不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等作業(yè)工具。工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的作用相當(dāng)于人的身體（如骨髓、手、臂和腿等）。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)01020304050607本體部分直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)力檢測(cè)傳感系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置位置檢測(cè)01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9.1.1本體部分我們以現(xiàn)代機(jī)器人HS220型號(hào)為例來分析機(jī)器人的本體部

分。工業(yè)機(jī)器人是仿照人的手臂來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，從外觀來

看，主要有底座、下框架、上框架、手臂、腕體、腕托等

六個(gè)部分。

圖9-10哈工現(xiàn)代機(jī)器人HS22001

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)就和人類的肌肉一樣，靠伺服電機(jī)和減速器來控制移動(dòng)。伺服電機(jī)是動(dòng)力的來源，機(jī)器人的運(yùn)行速度以及負(fù)載重量如何，都和伺服電機(jī)有關(guān)。而減速器則是動(dòng)力傳輸?shù)闹薪?，它擁有許多不同尺寸。對(duì)于微型機(jī)器人來說，要求的重復(fù)精度都很高，一般在0.0254毫米以下。伺服電機(jī)與減速器相連，可以幫助提高精度，提高減速器的傳動(dòng)比。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)機(jī)械臂的6個(gè)軸擁有6個(gè)伺服電機(jī)和減速器，安裝在每一個(gè)連接的接頭上，使機(jī)器人可以向六個(gè)方向進(jìn)行移動(dòng)，分別是X軸-前后，Y軸-左右，Z軸-上下，RX-繞X軸旋轉(zhuǎn)，RY-繞Y軸旋轉(zhuǎn)，RZ-繞Z軸旋轉(zhuǎn)。也就是通常所說的六軸機(jī)器人。正是這種擁

有多個(gè)維度移動(dòng)的能力，機(jī)器人才可以擺出不同的姿勢(shì)，完

成各項(xiàng)任務(wù)。

圖9-11六軸機(jī)械臂01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9.1.2驅(qū)動(dòng)裝置要使機(jī)器人運(yùn)行起來，需要給各個(gè)關(guān)節(jié)，即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，其作用是為機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動(dòng)作提供原動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，或者是結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)?？梢允侵苯域?qū)動(dòng)或者是通過

同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行

間接驅(qū)動(dòng)。

圖9-12機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)1.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的能源簡(jiǎn)單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置又可分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花；無刷直流電機(jī)也得到了廣泛應(yīng)用；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。電動(dòng)裝置上電運(yùn)行前要檢查電源電壓是否合適，直流輸入的+/-極性與連接，驅(qū)動(dòng)控制器電機(jī)

型號(hào)或電流設(shè)定值是否合適，控制信號(hào)線連接的牢靠，安全

接地，以及需要密切觀察電機(jī)狀態(tài)，如運(yùn)動(dòng)、聲音和溫升情

況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)停機(jī)調(diào)整。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)2.液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)通過高精度的缸體和活塞桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)來完成，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，故不適合高、低溫場(chǎng)合。液壓驅(qū)動(dòng)多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。液壓驅(qū)動(dòng)方式要選擇適合的液壓油。防止固體雜質(zhì)混入液壓系統(tǒng)，防止空氣和水入侵液壓系統(tǒng)。

機(jī)械作業(yè)要柔和平順，否則產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷會(huì)使機(jī)械故障頻發(fā)，縮短使用壽命。作

業(yè)中要時(shí)刻注意液壓泵和溢流閥的氣蝕和溢流噪聲。如果液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲，

經(jīng)排氣后不能消除，應(yīng)查明原因排除故障后才能使用。液壓系統(tǒng)的工作溫度一般控

制在30～80℃之間為宜。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)3.氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但氣壓驅(qū)動(dòng)的功率比液壓驅(qū)動(dòng)裝置小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于中、小負(fù)荷，精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人，如上、下料和沖壓等。氣壓驅(qū)動(dòng)的控制裝置多選用可編程控制器（PLC控制器）。在易燃、易爆場(chǎng)合下可采用氣動(dòng)邏輯元件組成控制裝置。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9.1.3直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置是連接動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)連桿的關(guān)鍵部分，根據(jù)關(guān)節(jié)形式，常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式有直線傳動(dòng)和旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直線傳動(dòng)方式可用于直角坐標(biāo)機(jī)器人的X、Y、Z向驅(qū)動(dòng)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動(dòng)和垂直升降驅(qū)動(dòng)，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動(dòng)元件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，也可以由直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或者直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。在齒輪齒條裝置中，齒條通常是固定的，由齒輪的

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但

回差較大。圖9-13齒輪齒條傳動(dòng)01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)在滾珠絲杠裝置中，絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入滾珠，并通過螺母中的導(dǎo)向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是摩擦力小，傳動(dòng)效率高，無爬行，精度高，但制造成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9.1.4旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的是將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)源輸出的較高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。機(jī)器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時(shí)相當(dāng)于柔軟的齒輪。其優(yōu)點(diǎn)是無滑動(dòng)，柔性好，價(jià)格便宜，重復(fù)定位精度高，但具有一定的彈性變形。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅(qū)動(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。諧波傳動(dòng)裝置在機(jī)器人技術(shù)比較先進(jìn)的國家得到廣泛應(yīng)用，例如日本的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置有60％都采用了諧波傳動(dòng)。美國登月機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)部位也都采用諧波傳動(dòng)裝置，其中一只上臂就用了30個(gè)諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。前蘇聯(lián)

送入月球的移動(dòng)式機(jī)器人“登月者”，其成對(duì)安裝的8個(gè)輪

子均是用密閉諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。德國、法國企業(yè)

研制的一些機(jī)器人也都采用了諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖9-14諧波齒輪01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9.1.5傳感系統(tǒng)機(jī)器人傳感系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。對(duì)于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9.1.6位置檢測(cè)旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最常用的位置反饋裝置。光電探測(cè)器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過計(jì)算脈沖數(shù)得到，轉(zhuǎn)動(dòng)方向由兩個(gè)方波信號(hào)的相對(duì)相位決定。感應(yīng)同步器輸出兩個(gè)模擬信號(hào)——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅值計(jì)算得到。感應(yīng)同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。電位計(jì)是最直接的位置檢測(cè)形式。它連接在電橋中，能夠產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號(hào)。但

是，由于分辨率低、線性不好以及對(duì)噪聲敏感。轉(zhuǎn)速計(jì)能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)。如果沒有

這樣的速度傳感器，可以通過對(duì)檢測(cè)到的位置相對(duì)于時(shí)間

的差分得到速度反饋信號(hào)。01

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)9.1.7力檢測(cè)力傳感器通常安裝在操作臂下述三個(gè)位置：（1）關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器?？蓽y(cè)量驅(qū)動(dòng)器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測(cè)末端執(zhí)行器與環(huán)境之間的接觸力。（2）末端執(zhí)行器與操作臂的終端關(guān)節(jié)之間，也稱腕力傳感器。通常，可以測(cè)量施加于末端執(zhí)行器上的三個(gè)到六個(gè)力/力矩分量。（3）末端執(zhí)行器的“指尖”上。通常，這些帶有力覺得手指內(nèi)置了應(yīng)變計(jì)，可以測(cè)量作用在指尖上的一個(gè)到四個(gè)分力。機(jī)器人交互系統(tǒng)0202

機(jī)器人交互系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。人機(jī)交互系統(tǒng)使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系，該系統(tǒng)可以歸納分為兩類：指令給定裝置和信息顯示裝置（見圖9-15）。02

機(jī)器人交互系統(tǒng)

圖9-15人機(jī)信息交互串聯(lián)機(jī)器人0303

串聯(lián)機(jī)器人從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度看，機(jī)器人可以分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩大類。串聯(lián)結(jié)構(gòu)操作手較早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，剛開始出現(xiàn)時(shí)，是由剛度很大的桿通過關(guān)節(jié)連接起來的，關(guān)節(jié)有轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)兩種，前者稱為旋轉(zhuǎn)副，后者稱為棱柱關(guān)節(jié)，結(jié)構(gòu)是桿之間串聯(lián)，形成一個(gè)開運(yùn)動(dòng)鏈。除了兩端的桿只能和前或后連接外，每一個(gè)桿和前面和后面的桿通過關(guān)節(jié)連接在一起。由于操作手的這種連接的連續(xù)性，即使它們有很強(qiáng)的連接，它們的負(fù)載能力和剛性與多軸機(jī)械比較起來還是很低。很明顯，剛性差就意味著位置精度低。串聯(lián)機(jī)器人開環(huán)機(jī)構(gòu)PUMA機(jī)器人03

串聯(lián)機(jī)器人SCARA機(jī)器人斯坦福機(jī)器人平行連桿機(jī)器人03

串聯(lián)機(jī)器人9.3.1串聯(lián)機(jī)器人的開環(huán)機(jī)構(gòu)串聯(lián)機(jī)器人以開環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人機(jī)構(gòu)原型（見圖9-16），其串聯(lián)式結(jié)構(gòu)是一個(gè)開放的運(yùn)動(dòng)鏈，所有運(yùn)動(dòng)桿并沒有形成一個(gè)封閉的結(jié)構(gòu)鏈。它是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)形成的。采用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)連桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使末端焊槍達(dá)到合適的位姿。串聯(lián)機(jī)器人的工作空間大，運(yùn)動(dòng)分析比較容易可以避免驅(qū)動(dòng)軸之間的耦合效應(yīng)。但其機(jī)構(gòu)各軸必須要獨(dú)立控制，并且需要搭配編碼器和傳感器來提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的精準(zhǔn)度。03

串聯(lián)機(jī)器人

圖9-16串聯(lián)機(jī)器人03

串聯(lián)機(jī)器人由于桿件之間聯(lián)結(jié)的運(yùn)動(dòng)副的不同，串聯(lián)機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人。下圖為串聯(lián)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和工作空間。03

串聯(lián)機(jī)器人實(shí)用的串聯(lián)機(jī)器人中比較著名的結(jié)構(gòu)形式有：PUMA型機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、Stanford型機(jī)器人、平行連桿結(jié)構(gòu)型機(jī)器人。03

串聯(lián)機(jī)器人9.3.2PUMA機(jī)器人PUMA（彪馬）機(jī)器人是一款經(jīng)典的關(guān)節(jié)式臂式六軸工業(yè)機(jī)器人。圖9-18PUMA機(jī)器人03

串聯(lián)機(jī)器人德國運(yùn)動(dòng)品牌彪馬公司和廣告公司紐約智威湯遜合作推出機(jī)器人BeatBot，這個(gè)看起來像“長(zhǎng)著輪子的鞋盒”的機(jī)器人旨在幫助田徑運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行跑步訓(xùn)練。運(yùn)動(dòng)員只要在App中輸入他們跑步的距離以及目標(biāo)時(shí)間，BeatBot就能夠相應(yīng)地計(jì)算出自己的“跑步”速度。此外，它還能充當(dāng)“發(fā)令槍”。03

串聯(lián)機(jī)器人9.3.3SCARA機(jī)器人SCARA機(jī)器人是一種圓柱坐標(biāo)型的特殊類型的工業(yè)機(jī)器人（見圖9-19），有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移φ1和φ2及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移z決定的。這類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，例如Adept1型SCARA機(jī)

器人運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10m/s，比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍，它

最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。03

串聯(lián)機(jī)器人XY方向坐標(biāo)（前后左右）Z方向坐標(biāo)（上下）圖9-19SCARA機(jī)器人03

串聯(lián)機(jī)器人9.3.4斯坦福機(jī)器人由于計(jì)算能力的進(jìn)步，機(jī)器人的研究也在蓬勃發(fā)展。例如斯坦福大學(xué)的機(jī)器人已經(jīng)能攀爬墻壁，像鳥兒一樣振翅高飛，在地球和海洋深處乘風(fēng)而行，與宇航員在太空中閑逛。幾十年來，斯坦福大學(xué)一直在面向未來發(fā)明機(jī)器人。這一未來最早始于20世紀(jì)60年代的一艘登陸月球的探測(cè)器，以及最早的人工智能機(jī)器人之一——“Shakey（搖搖晃晃的）”（見圖9-20），那個(gè)時(shí)候，很多人把機(jī)器人想象成下一代的家庭幫傭，裝洗碗機(jī)，調(diào)馬提尼酒。然而，絕大多數(shù)機(jī)器人已經(jīng)從這些早期雄心壯志的家用場(chǎng)景轉(zhuǎn)移到了工廠，因?yàn)闄C(jī)器人能力受到現(xiàn)有技術(shù)的限制，又重也危險(xiǎn)，沒辦法和人類共處一室。但是，對(duì)更柔軟、更溫和、更智能的機(jī)器人的研究仍在繼續(xù)。03

串聯(lián)機(jī)器人

圖9-20第一個(gè)AI機(jī)器人Shakey（沙基）03

串聯(lián)機(jī)器人受Shakey的啟發(fā)，斯坦福通用機(jī)器人項(xiàng)目STAIR的最重要成果之一是ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)），ROS甚至已經(jīng)運(yùn)行在國際空間站的機(jī)器人上。在STAIR項(xiàng)目中，斯坦福的研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，感知是一個(gè)更緊迫的問題。感知問題是機(jī)器人如何與它周圍的環(huán)境互動(dòng)。研究小組開始將大部分時(shí)間花在深度學(xué)習(xí)上，因?yàn)檫@是解決許多開放感知問題的最佳方法，深度學(xué)習(xí)讓機(jī)器人可以看得更加清楚。03

串聯(lián)機(jī)器人9.3.5平行連桿機(jī)器人平行連桿結(jié)構(gòu)機(jī)器人又稱平行四邊形機(jī)器人，是一種高效率、高速度的搬運(yùn)機(jī)器人。它首創(chuàng)于20世紀(jì)80年代，以其特有的平行桿件結(jié)構(gòu)的機(jī)械手臂命名。相對(duì)于其他工業(yè)機(jī)器人，它的特點(diǎn)是有比較高搬運(yùn)速度、較好的定位準(zhǔn)確度、很高的重復(fù)定位精準(zhǔn)度，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是流水線工作（比如，食品包裝流水線）中

得到廣泛的應(yīng)用。

圖9-21平行連桿機(jī)器人03

串聯(lián)機(jī)器人此外，機(jī)器人需要在三維空間中運(yùn)動(dòng)，在直角參考坐標(biāo)系中機(jī)器人操作手末端需要滿足3個(gè)方向的位置要求和相對(duì)于3個(gè)坐標(biāo)軸的角度要求，因而在運(yùn)動(dòng)或姿態(tài)控制時(shí)需要控制6個(gè)參數(shù)。所以，一般情況下，一個(gè)通用機(jī)器人操作手需要6個(gè)自由度。應(yīng)在滿足要求的前提下盡量減少機(jī)器人的自由度數(shù)，以便減少機(jī)器人的復(fù)雜程度，降低機(jī)器人制造成本。例如SCARA機(jī)器人僅有４個(gè)自由度。有些機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜，在工作時(shí)需回避障礙，甚至可能需要有7個(gè)或7個(gè)以上的自由度。這種機(jī)器人稱為具有“冗余自由度”機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人0404

并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人是以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈的機(jī)器人，一般由動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和兩條或者兩條以上獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)支鏈相連接構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)支鏈之間構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)機(jī)構(gòu)組成的關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器人，通過改變各個(gè)支鏈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使整個(gè)機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或者兩個(gè)以上可以操作的自由度。圖9-22并聯(lián)機(jī)器人04

并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)是：（1）無累積誤差，精度較高；（2）驅(qū)動(dòng)裝置可置于定平臺(tái)上或接近定平臺(tái)的位置，這樣運(yùn)動(dòng)部分重量輕，速度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；（3）結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大；（4）完全對(duì)稱的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有較好的各向同性；（5）工作空間較?。?4

并聯(lián)機(jī)器人根據(jù)這些特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，例如：（1）食品、電子、化工、包裝等行業(yè)的分揀、搬運(yùn)、裝箱等。（2）模擬運(yùn)動(dòng)、并聯(lián)機(jī)床、金屬切削加工、機(jī)器人關(guān)節(jié)，航天器接口等；（3）類銑床、磨床鉆床或點(diǎn)焊機(jī)、切割機(jī)；（4）測(cè)量機(jī)，用來作為其他機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償器；（5）生物醫(yī)學(xué)工程中的細(xì)胞操作機(jī)器人、可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的注射和分割，微外科手術(shù)機(jī)器人等；（6）并聯(lián)機(jī)器人還廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中的潛艇、坦克駕駛運(yùn)動(dòng)模擬器，下一代戰(zhàn)斗機(jī)的矢量噴管、潛艇及空間飛行器的對(duì)接裝置、姿態(tài)控制器等。多軸機(jī)器人坐標(biāo)機(jī)器人多自由度并聯(lián)機(jī)器人04

并聯(lián)機(jī)器人04

并聯(lián)機(jī)器人9.4.1多軸機(jī)器人多軸機(jī)器人又稱單軸機(jī)械手，工業(yè)機(jī)械臂，電缸等，是以XYZ直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本數(shù)學(xué)模型，以伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)、單軸機(jī)械臂為基本工作單元，以滾珠

絲桿、同步皮帶、齒輪齒條為常用的傳動(dòng)方式所架構(gòu)起來的機(jī)器人系

統(tǒng)，可以完成在XYZ三維坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)的到達(dá)和遵循可控的運(yùn)動(dòng)

軌跡。多軸機(jī)器人采用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的驅(qū)動(dòng)及編程控制，直

線、曲線等運(yùn)動(dòng)軌跡的生成為多點(diǎn)插補(bǔ)方式，操作及編程方式為引導(dǎo)

示教編程方式或坐標(biāo)定位方式。

圖9-23多軸機(jī)器人04

并聯(lián)機(jī)器人9.4.2坐標(biāo)機(jī)器人坐標(biāo)機(jī)器人是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度建成空間直角關(guān)系的、多用途的操作機(jī)（見圖9-24）。其工作的行為方式主要是通過完成沿著X、Y、Z軸上的線性運(yùn)動(dòng)。坐標(biāo)機(jī)器人采用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的驅(qū)動(dòng)及編程控制，直線、曲線等運(yùn)動(dòng)軌跡的生成為多點(diǎn)插補(bǔ)方式，操作及編程方式為引導(dǎo)示教編程方式或坐標(biāo)定位方式。坐標(biāo)機(jī)器人有龍門結(jié)構(gòu)、壁掛結(jié)構(gòu)和懸掛結(jié)構(gòu)等多種形式。作為一種成本低廉、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的自動(dòng)化機(jī)器人系統(tǒng)解決方案，坐標(biāo)機(jī)器可以被應(yīng)用于點(diǎn)膠、滴塑、噴涂、碼垛、分揀、包裝、焊接、金屬加工、搬運(yùn)、上下料、裝配、印刷等常見的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在替代人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量等方面都具備顯著的應(yīng)用價(jià)值。04

并聯(lián)機(jī)器人

圖9-24坐標(biāo)機(jī)器人04

并聯(lián)機(jī)器人9.4.3多自由度并聯(lián)機(jī)器人以3自由度為例。3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)種類較多（見圖9-25），形式較復(fù)雜，一般有以下形式：（1）平面3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3-RRR機(jī)構(gòu)，它們具有2個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）球面3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3-UPS-1-S球面機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解都很簡(jiǎn)單，是一種應(yīng)用很廣泛的3維移動(dòng)空間機(jī)構(gòu)；（3）空間3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如Delta并聯(lián)機(jī)器人，

這類機(jī)構(gòu)屬于欠秩機(jī)構(gòu)，在工作空間內(nèi)不同的點(diǎn)其運(yùn)

動(dòng)形式不同是其最顯著的特點(diǎn)。還有一類是增加輔助

桿件和運(yùn)動(dòng)副的