機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù),機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu),1,機(jī)器人的臂部與腕部的機(jī)構(gòu),2,機(jī)器人的手部機(jī)構(gòu),3,機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),4,機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),4,本模塊主要講述機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本模塊介紹了機(jī)器人的升降回轉(zhuǎn)型、俯仰型、直移型、類人機(jī)器人型機(jī)身機(jī)構(gòu)；講解了機(jī)器人的臂部的組成，講述了機(jī)器人腕部機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式、自由度、驅(qū)動(dòng)方式，介紹了機(jī)器人手部機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)與夾持方式，講述了機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，講述了車輪式、履帶式和足式3種機(jī)構(gòu)。,學(xué)習(xí)完本模塊的內(nèi)容后，學(xué)生應(yīng)能夠了解機(jī)器人機(jī)身不同結(jié)構(gòu)的組成原理，手部、腕部、臂部、傳動(dòng)和行走機(jī)構(gòu)各部分的組成與種類；能熟練地分析各機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特點(diǎn)與工作原理；掌握各個(gè)

2、機(jī)械結(jié)構(gòu)的典型機(jī)構(gòu)；能用上述所學(xué)分析實(shí)用機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成、原理、故障的可能原因。,學(xué)習(xí)單元一 機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu),(1)升降油缸在下，回轉(zhuǎn)油缸在上，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)，因擺動(dòng)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(zhuǎn)油缸在下，升降油缸在上，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)，相比之下，回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩要設(shè)計(jì)得大一些。,一、機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu),(3)鏈條鏈輪傳動(dòng)是將鏈條的直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)殒溳喌幕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它的回轉(zhuǎn)角度可大于360。,圖3-1 鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),一、機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu),一、機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu),一、機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu),俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)由實(shí)現(xiàn)手臂左右回轉(zhuǎn)和上下俯仰的部件組成，

3、它用手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)部件代替手臂的升降運(yùn)動(dòng)部件。俯仰運(yùn)動(dòng)大多采用擺式直線缸驅(qū)動(dòng)。 機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)一般采用活塞缸與連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)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)或中部銷軸等方式與立柱連接，如圖3-3所示。此外，有時(shí)也采用無桿活塞缸驅(qū)動(dòng)齒條齒輪或四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。,二、附身型機(jī)身結(jié)構(gòu),圖3-3 俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu),三、直移型機(jī)身結(jié)構(gòu),四、類人機(jī)器人型機(jī)身結(jié)構(gòu),類人機(jī)器人型機(jī)身結(jié)構(gòu)上除了裝有驅(qū)動(dòng)臂部的運(yùn)動(dòng)裝置外，還應(yīng)該有驅(qū)動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)的裝置和腰部關(guān)節(jié)。類人機(jī)器人型機(jī)身靠腿部的屈伸運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)升降，腰部關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)左右和前后的俯仰與人身軸線方向的回轉(zhuǎn)

4、運(yùn)動(dòng)。,學(xué)習(xí)單元二 機(jī)器人的臂部與腕部機(jī)構(gòu),一般來講，為了讓機(jī)器人的手爪或末端操作器可以達(dá)到任務(wù)要求，手臂至少能夠完成垂直移動(dòng)、徑向移動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3個(gè)運(yùn)動(dòng)。,一、機(jī)器人臂部的組成,一、機(jī)器人臂部的組成,一、機(jī)器人臂部的組成,機(jī)器人的手臂主要包括臂桿及與其伸縮、屈伸或自轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支承連接和位置檢測(cè)元件等)。此外，還有與腕部或手臂的運(yùn)動(dòng)和連接支承等有關(guān)的構(gòu)件、配管配線等。 根據(jù)臂部的運(yùn)動(dòng)和布局、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)和導(dǎo)向裝置的不同，臂部結(jié)構(gòu)可分為伸縮型臂部結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部結(jié)構(gòu)、屈伸型臂部結(jié)構(gòu)及其他專用的機(jī)械傳動(dòng)臂部結(jié)構(gòu)。伸縮型臂部結(jié)構(gòu)可由液（氣）壓缸驅(qū)動(dòng)或

5、直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮型臂部結(jié)構(gòu)除了臂部做伸縮運(yùn)動(dòng)，還繞自身軸線運(yùn)動(dòng)，以便使手部旋轉(zhuǎn)。,一、機(jī)器人臂部的組成,二、機(jī)器人臂部的配置,機(jī)身設(shè)計(jì)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式大多為移動(dòng)式。它具有占地面積小、能有效利用空間、動(dòng)作簡(jiǎn)單直觀等優(yōu)點(diǎn)。,圖3-4 橫梁式配置,二、機(jī)器人臂部的配置,二、機(jī)器人臂部的配置,立柱式配置的臂部多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)，具有占地面積小、工作范圍大的特點(diǎn)。,圖3-5 立柱式配置,二、機(jī)器人

6、臂部的配置,二、機(jī)器人臂部的配置,機(jī)座式配置的臂部可以是獨(dú)立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可以隨意安放和搬動(dòng)，也可以具有行走機(jī)構(gòu)，如沿地面上的專用軌道移動(dòng)，以擴(kuò)大其活動(dòng)范圍。各種運(yùn)動(dòng)形式均可設(shè)計(jì)成機(jī)座式，機(jī)座式配置通常分為單臂回轉(zhuǎn)式、雙臂回轉(zhuǎn)式和多臂回轉(zhuǎn)式。,圖3-6 基座式配置,二、機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)，稱為屈伸臂。屈伸臂與機(jī)身間的配置形式(平面屈伸式和立體屈伸式)關(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，平面屈伸式可以實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，立式屈伸式可以實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)，如圖3-7所示。,二、機(jī)器人臂部的配置,圖3-7 屈伸式配置,三、機(jī)器人的臂部機(jī)構(gòu),三、機(jī)器人的臂部機(jī)構(gòu),手臂

7、的垂直伸縮運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是行程長(zhǎng)，抓重大。工件形狀不規(guī)則時(shí)，為了防止產(chǎn)生較大的偏重力矩，可用4根導(dǎo)向柱，這種結(jié)構(gòu)多用于箱體加工線上。,圖3-8 四導(dǎo)向柱式臂部伸縮機(jī)構(gòu) 1油缸； 2夾緊缸； 3手部； 4導(dǎo)向柱； 5運(yùn)行架； 6行走車輪； 7軌道； 8支座,通常采用擺動(dòng)油（氣）缸驅(qū)動(dòng)、鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰，如圖3-9所示。,圖3-9 擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)連桿俯仰臂部機(jī)構(gòu) 1手部； 2夾緊缸； 3升降缸； 4小臂； 5、8擺動(dòng)氣缸； 6大臂； 7立柱,三、機(jī)器人的臂部機(jī)構(gòu),三、機(jī)器人的臂部機(jī)構(gòu),工業(yè)機(jī)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(jī)器人一般具有6個(gè)自由度

8、才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置和處于期望的姿態(tài)，腕部上的自由度主要用于實(shí)現(xiàn)所期望的姿態(tài)。,四、機(jī)器人的腕部機(jī)構(gòu),四、機(jī)器人的腕部機(jī)構(gòu),為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間3個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)3個(gè)自由度，如圖3-10所示。通常把腕部的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)稱為Yaw，用Y表示。,圖3-10 工業(yè)機(jī)器人腕部的自由度,圖3-11（a）所示為R關(guān)節(jié)，它使手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸線形式，其旋轉(zhuǎn)角度大，可達(dá)360以上；圖3-11（b）、圖3-11（c）所示為B關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線與前、后兩個(gè)連接件的軸線相垂直。B

9、關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)上的干涉，旋轉(zhuǎn)角度小，方向角大大受限。圖3-11（d）所示為T關(guān)節(jié)。,圖3-11 單自由度手腕,四、機(jī)器人的腕部機(jī)構(gòu),二自由度手腕可以是由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成的BR手腕見圖3-12（a），也可以是由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成的BB手腕見圖3-12（b）。但是不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)組成RR手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)共軸線，所以會(huì)減小一個(gè)自由度，實(shí)際只構(gòu)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(jī)器人的腕部機(jī)構(gòu),圖3-12 二自由度手腕,四、機(jī)器人的腕部機(jī)構(gòu),三自由度手腕可以是由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成的多種形式的手腕，但在實(shí)際應(yīng)用中，常用的有BBR、RRR、BRR和RB

10、R 4種，如圖3-13所示。,圖3-13 三自由度手腕,四、機(jī)器人的腕部機(jī)構(gòu),PUMA 262機(jī)器人的手腕采用的是RRR結(jié)構(gòu)形式，安川HP20機(jī)器人的手腕采用的是RBR結(jié)構(gòu)形式，如圖3-14所示。,圖3-14 安川HP20工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)形式,四、機(jī)器人的腕部機(jī)構(gòu),學(xué)習(xí)單元三 機(jī)器人的手部機(jī)構(gòu),一、機(jī)械手抓,一、機(jī)械手抓,一、機(jī)械手抓,圖3-15所示為氣壓驅(qū)動(dòng)的手爪，氣缸4中的壓縮空氣推動(dòng)活塞5使齒條1做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)扇形齒輪2帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)，使爪鉗3平行地快速開合。,圖3-15 氣壓驅(qū)動(dòng)的手爪 1齒條； 2扇形齒輪； 3爪鉗；4氣缸； 5活塞,一、機(jī)械手抓,一、機(jī)械手抓,圖3-16 手爪

11、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型,一、機(jī)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(duì)夾緊力有很大的影響。夾緊工件的接觸點(diǎn)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)。,圖3-17 V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(chǎng)吸力把工件吸住。,圖3-18 電磁吸盤的結(jié)構(gòu) 1外殼體； 2線圈； 3防塵蓋； 4磁盤,二、磁力吸盤,三、真空式吸盤,真空負(fù)壓吸盤采用真空泵能保證吸盤內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生負(fù)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

12、切的關(guān)系，它影響負(fù)壓的泄漏。,圖3-19 真空負(fù)壓吸盤 1電動(dòng)機(jī)； 2真空泵； 3吸盤； 4、5電磁閥； 6通大氣,三、真空式吸盤,壓縮空氣進(jìn)入噴嘴后，由于伯努利效應(yīng)，橡膠皮碗內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。在工廠一般都有空壓機(jī)或空壓站，空壓機(jī)氣源比較容易解決，不用專門為機(jī)器人配置真空泵，因此氣流負(fù)壓吸盤在工廠里使用較多。,圖3-20 氣流負(fù)壓吸盤的工作原理,三、真空式吸盤,當(dāng)吸盤壓向工件表面時(shí)，將吸盤內(nèi)空氣擠出；當(dāng)吸盤與工件去除壓力時(shí)，吸盤恢復(fù)彈性變形，使吸盤內(nèi)腔形成負(fù)壓，將工件牢牢吸住，機(jī)械手即可進(jìn)行工件搬運(yùn)；到達(dá)目標(biāo)位置后，可用碰撞力或電磁力使壓蓋動(dòng)作，空氣進(jìn)入吸盤腔內(nèi)，釋放工件。這種擠氣負(fù)壓吸盤不需要真空

13、泵也不需要壓縮空氣氣源，經(jīng)濟(jì)方便，但是可靠性比真空負(fù)壓吸盤和氣流負(fù)壓吸盤差。,圖3-21 擠氣負(fù)壓吸盤的結(jié)構(gòu) 1吸盤架； 2吸盤； 3工件； 4密封墊； 5壓蓋,學(xué)習(xí)單元四 機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),在運(yùn)動(dòng)過程中，移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌可以起到保證位置精度和導(dǎo)向的作用。移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌有普通滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓動(dòng)壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、液壓靜壓滑動(dòng)導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌5種。前兩種導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是它必須留有間隙，以便潤(rùn)滑，而機(jī)器人載荷的大小和方向變化很快，間隙的存在又將會(huì)引起坐標(biāo)位置的變化和有效載荷的變化；另外，這種導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)又隨著速度的變化而變化，在低速時(shí)容易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象等。第三種導(dǎo)軌能產(chǎn)生預(yù)載荷，能完全

14、消除間隙，具有高剛度、低摩擦、高阻尼等優(yōu)點(diǎn)，但是它需要單獨(dú)的液壓系統(tǒng)和回收潤(rùn)滑油的機(jī)構(gòu)。第四種導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是剛度和阻尼較低。,一、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu),一、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu),目前，第五種導(dǎo)軌在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛，圖3-22所示為包容式滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)，其由支承座支承，可以方便地與任何平面相連，此時(shí)套筒必須是開式的，嵌在滑枕中，既增強(qiáng)了剛度，也方便與其他元件進(jìn)行連接。,圖3-22 包容式滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu),一、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu),在齒輪齒條裝置中（見圖3-23），如果齒條固定不動(dòng)，那么當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪軸連同拖板沿齒條方向做直線運(yùn)動(dòng)。這樣，齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就轉(zhuǎn)換成拖板的直線運(yùn)動(dòng)。拖板是由導(dǎo)桿或?qū)к壷С械?。該裝置的回差

15、較大。,圖3-23 齒輪齒條裝置 1拖板； 2導(dǎo)向桿； 3齒輪； 4齒條,一、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu),一、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu),圖3-24所示滾珠絲杠螺母副里的滾珠經(jīng)過研磨的導(dǎo)槽循環(huán)往復(fù)傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率可以達(dá)到90%。,圖3-24 滾珠絲杠螺母副,一、直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu),二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),齒輪副不但可以傳遞運(yùn)動(dòng)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(gè)齒輪裝在輸入軸上，另一個(gè)齒輪裝在輸出軸上，可以得到齒輪的齒數(shù)與其轉(zhuǎn)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),圖3-25 齒輪傳動(dòng)副,二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

16、,在工業(yè)機(jī)器人中，同步帶傳動(dòng)主要用來傳遞平行軸間的運(yùn)動(dòng)。同步傳送帶和帶輪的接觸面都制成相應(yīng)的齒形，靠嚙合傳遞功率，其傳動(dòng)原理如圖3-26所示。齒的節(jié)距用包絡(luò)帶輪時(shí)的圓節(jié)距t表示。,圖3-26 同步帶的傳動(dòng)原理,二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),同步帶的計(jì)算公式為 式中，n1為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；n2為被動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，r/min；z1為主動(dòng)輪齒數(shù)；z2為被動(dòng)輪齒數(shù)。 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)為：傳動(dòng)時(shí)無滑動(dòng)，傳動(dòng)比較準(zhǔn)確且平穩(wěn)；速比范圍大；初始拉力?。惠S與軸承不易過載。但是，這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的制造及安裝要求嚴(yán)格，對(duì)帶的材料要求也較高，因而成本較高。同步帶傳動(dòng)適合于電動(dòng)機(jī)與高減速比減速器之間的傳動(dòng)。,二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),諧波齒

17、輪傳動(dòng)由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪3個(gè)主要零件組成。,圖3-27 諧波齒輪傳動(dòng) 1輸入軸； 2柔性外齒圈； 3剛性內(nèi)齒圈； 4諧波發(fā)生器；5柔性齒輪； 6剛性齒輪； 7輸出軸,諧波齒輪傳動(dòng)比的計(jì)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(shè)剛性齒輪有100個(gè)齒，柔性齒輪比它少兩個(gè)齒，則當(dāng)諧波發(fā)生器轉(zhuǎn)50圈時(shí)，柔性齒輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),工作時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)。柔性齒輪比

18、剛性齒輪少兩個(gè)齒，所以柔性齒輪沿剛性齒輪每轉(zhuǎn)一圈就反向轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒的相應(yīng)轉(zhuǎn)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(dòng)柔性齒輪旋轉(zhuǎn)，使之發(fā)生塑性變形。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(duì)于剛性齒輪自由地轉(zhuǎn)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(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),擺線針輪傳動(dòng)是在針擺傳動(dòng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳動(dòng)方式，20世紀(jì)80年代日本研制出了用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的擺線針輪傳動(dòng)減速器，如圖3-28所示。,圖3-28 擺線針輪傳動(dòng)減速器 1針齒殼； 2輸出軸； 3針齒；

19、 4擺線輪； 5曲柄軸； 6漸開線行星輪； 7漸開線中心輪,二、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),它由漸開線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)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(dòng)的輸入部分。如果漸開線中心輪7順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么漸開線行星齒輪在公轉(zhuǎn)的同時(shí)還逆時(shí)針自轉(zhuǎn)，并通過曲柄軸帶動(dòng)擺線輪做平面運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，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(zhuǎn)的同時(shí)，還將反方向自轉(zhuǎn)，即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，它通過曲柄軸推動(dòng)行星架輸出機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。,學(xué)習(xí)單元五 機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu),一、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),一、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),工廠對(duì)機(jī)器人行走性能的基本要求是機(jī)器人能夠從一臺(tái)機(jī)器旁邊移

20、動(dòng)到另一臺(tái)機(jī)器旁邊，或在一個(gè)需要焊接、噴涂或加工的物體周圍移動(dòng)。這樣，就不用再把工件送到機(jī)器人旁邊。這種行走性能也使機(jī)器人能更加靈活地從事更多的工作。在一項(xiàng)任務(wù)不忙時(shí)，它還能夠進(jìn)行另一項(xiàng)任務(wù)，就好像真正的工人一樣。要使機(jī)器人能夠在被加工物體周圍移動(dòng)或從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)，首先需要機(jī)器人能夠面對(duì)一個(gè)物體自行重新定位。同時(shí)，行走機(jī)器人應(yīng)能夠繞過其運(yùn)行軌跡上的障礙物。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)是提供上述能力的方法之一。,一、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),一、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),二、車輪式行走機(jī)構(gòu),二、車輪式行走機(jī)構(gòu),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

21、而開發(fā)的；圖3-29（c）所示的傳統(tǒng)車輪適合于平坦的堅(jiān)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3-29 車輪的不同形式,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),“玉兔”月球車車輪是鏤空金屬帶輪，鏤空是為了減少揚(yáng)塵。因?yàn)樵谠旅姝h(huán)境影響下，“玉兔”行駛時(shí)很容易打滑，月壤細(xì)粒會(huì)大量揚(yáng)起飄浮，進(jìn)而對(duì)巡視器等敏感部件產(chǎn)生影響，引起機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死、密封機(jī)構(gòu)失效、光學(xué)系統(tǒng)靈敏度下降等故障。為應(yīng)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(qiáng)度和抓地力的同時(shí)，減輕了輪子的重量，輪子是鏤空的，同時(shí)還能起到減少揚(yáng)塵的作用。輪子上還有二十幾個(gè)抓地爪露在外面。

22、,圖3-30 “玉兔”月球車車輪,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),圖3-31 三輪行走機(jī)構(gòu),三輪行走機(jī)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，代表性的車輪配置方式是一個(gè)前輪、兩個(gè)后輪，如圖3-31 所示。圖3-31（a）所示為兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前輪僅起支承作用，靠后輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；圖3-31（b）所示為采用輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向的方式；圖3-31（c）所示為利用兩后輪差動(dòng)減速器驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向的方式。,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),三組輪子呈等邊三角形分布在機(jī)器人的下部，每組輪子由若干個(gè)滾輪組成。這些輪子能夠在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下自由地轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)既可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)三組輪子，也可以分別驅(qū)動(dòng)其中兩組輪子。這樣，機(jī)器人就能夠

23、在任何方向上移動(dòng)。該機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)得非常靈活，它不但可以在工廠地面上運(yùn)動(dòng)，而且能夠沿小路行駛。這種行走機(jī)構(gòu)存在的問題是穩(wěn)定性不夠，容易傾倒，而且運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性隨著負(fù)載輪子的相對(duì)位置不同而變化；在輪子與地面的接觸點(diǎn)從一個(gè)滾輪移到另一個(gè)滾輪上時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)顛簸。,圖3-32 具有三組輪子的輪組三輪行走機(jī)構(gòu),二、車輪式行走機(jī)構(gòu),二、車輪式行走機(jī)構(gòu),四輪機(jī)構(gòu)可采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。（a）所示為后輪分散驅(qū)動(dòng)；（b）所示為四輪同步轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，當(dāng)前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，通過四連桿機(jī)構(gòu)使后輪得到相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，這種轉(zhuǎn)向機(jī)械相比僅有前輪轉(zhuǎn)向的車輛可實(shí)現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)向回轉(zhuǎn)半徑。,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),二、車輪式行走機(jī)構(gòu),四輪行走

24、機(jī)械的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有很大提高。但是，要保證4個(gè)輪子同時(shí)和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。它需要4個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜，造價(jià)也較高。圖3-34 所示為輪位可變型四輪行走機(jī)構(gòu)，機(jī)器人可以根據(jù)需要讓4個(gè)車輪呈橫向、縱向或同心方向行走，可以增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性。,圖3-34 輪位可變型四輪行走機(jī)構(gòu),當(dāng)小車輪自轉(zhuǎn)時(shí)，用于正常行走；當(dāng)、車輪公轉(zhuǎn)時(shí)，用于上臺(tái)階，是支臂撐起的負(fù)載。,圖3-35 三小輪式車輪機(jī)構(gòu),二、車輪式行走機(jī)構(gòu),二、車輪式行走機(jī)構(gòu),如圖3-36（a）所示，a小輪和c小輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)（行走），使車輪接觸臺(tái)階停??；如圖3-36（b）所示，a、b和c小輪繞著它們的中心旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)），

25、b小輪接觸到了高一級(jí)臺(tái)階；如圖3-36（c）所示，b小輪和a小輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)（行走）；如圖3-36（d）所示，車輪又一次接觸臺(tái)階停住。如此往復(fù)，便可以一級(jí)一級(jí)臺(tái)階地向上爬。,圖3-36 三小輪式車輪機(jī)構(gòu)上、下臺(tái)階時(shí)的工作示意圖,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),圖3-37所示為三輪或四輪裝置三小輪式車輪機(jī)械上臺(tái)階時(shí)的示意圖，在同一個(gè)時(shí)刻，總是有輪子在行走，有輪子在公轉(zhuǎn)。,圖3-37 三輪或四輪裝置三小輪式車輪機(jī)構(gòu)上臺(tái)階時(shí)的示意圖,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),多節(jié)車輪式機(jī)構(gòu)是由多個(gè)車輪用軸關(guān)節(jié)或伸縮關(guān)節(jié)連在一起形成的輪式行走機(jī)構(gòu)。這種多輪式行走機(jī)構(gòu)非常適合在崎嶇不平的道路上行駛，對(duì)攀爬臺(tái)階也非常有效。,圖3-37 三輪或

26、四輪裝置三小輪式車輪機(jī)構(gòu)上臺(tái)階時(shí)的示意圖,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),圖3-39 多節(jié)車輪式行走機(jī)構(gòu)上臺(tái)階的工作過程示意圖,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),搖臂車輪式機(jī)構(gòu)的行走機(jī)構(gòu)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(gè)獨(dú)立的搖臂作為每個(gè)車輪的支撐，每個(gè)車輪可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立旋轉(zhuǎn)、獨(dú)立伸縮?！坝裢谩痹虑蜍嚳梢詰{借6個(gè)輪子實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)向、行進(jìn)間轉(zhuǎn)向、20爬坡、20 cm 越障等。六輪搖臂車輪式行走機(jī)構(gòu)，可使它們同時(shí)適應(yīng)不同高度，保持6個(gè)輪子同時(shí)著地，使“玉兔”月球車成為一個(gè)真正的“爬行高手”。,二、車輪式行走機(jī)構(gòu),圖3-40 “玉兔”月球車,履帶式行走機(jī)構(gòu)由履帶、驅(qū)動(dòng)鏈輪、支承輪

27、、托帶輪和張緊輪(導(dǎo)向輪)組成，如圖3-41所示。,三、履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-41 履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-42（a）所示為一字形履帶式行走機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)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(shí)驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)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(jī)構(gòu)，不做支承輪的驅(qū)動(dòng)輪與張緊輪裝得高于地面，鏈條引入引出時(shí)角度達(dá)50，其好處是適合于穿越障礙，另外因?yàn)闇p少了泥土夾入引起的磨損和失效，可以延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)輪和張緊輪的壽命。,三、履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-42 履帶式行走機(jī)構(gòu)的形狀,三、履帶式行走機(jī)構(gòu),隨著主臂桿和曲柄的搖擺，整個(gè)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

28、適應(yīng)臺(tái)階而改變，這樣會(huì)比普通履帶機(jī)構(gòu)的動(dòng)作更為自如，從而使機(jī)器人的機(jī)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(jī)構(gòu),圖3-43 形狀可變履帶式行走機(jī)構(gòu) 1履帶； 2行星輪； 3曲柄； 4主臂桿； 5導(dǎo)向輪；6履帶架； 7驅(qū)動(dòng)輪； 8機(jī)體; 9攝像機(jī),三、履帶式行走機(jī)構(gòu),三、履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-44 形狀可變履帶式行走機(jī)構(gòu)上下樓梯,三、履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-45 位置可變履帶式行走機(jī)構(gòu),隨著主臂桿和曲柄的搖擺，4個(gè)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(jī)器人的機(jī)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(jī)構(gòu),圖3-46 位置可變履帶式行

29、走機(jī)構(gòu)的上下樓梯和跨越橫溝,三、履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-47 位置可變履帶式行走機(jī)構(gòu)的實(shí)例,圖3-48所示為裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的履帶式行走機(jī)構(gòu)。它可以轉(zhuǎn)向，可以上下臺(tái)階。,三、履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-48 裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的履帶式行走機(jī)構(gòu),雙重履帶式可轉(zhuǎn)向行走機(jī)構(gòu)的主體前后裝有轉(zhuǎn)向器，并裝有使轉(zhuǎn)向器繞圖中的AA軸旋轉(zhuǎn)的提起機(jī)構(gòu)，這使得該行走機(jī)構(gòu)上下臺(tái)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(shì)。,三、履帶式行走機(jī)構(gòu),圖3-49 雙重履帶式可轉(zhuǎn)向行走機(jī)構(gòu),四、足式行走機(jī)構(gòu),足式行走對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式行走的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，

30、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(diǎn)；足式行走機(jī)構(gòu)有很大的適應(yīng)性，尤其在有障礙物的通道（如管道、臺(tái)階或樓梯）或很難接近的工作場(chǎng)地更有優(yōu)越性。足式行走還具有主動(dòng)隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，能耗較少。,四、足式行走機(jī)構(gòu),四、足式行走機(jī)構(gòu),圖3-50 單足、雙足、三足、四足和六足行走機(jī)構(gòu),四、足式行走機(jī)構(gòu),四、足式行走機(jī)構(gòu),四、足式行走機(jī)構(gòu),在假設(shè)足的配置為對(duì)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3-48 裝有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的履帶式行走機(jī)構(gòu),四、足式行走機(jī)構(gòu),圖3-52所示為足在主平面內(nèi)的幾何構(gòu)形，包括哺乳動(dòng)物形、爬行動(dòng)物形、昆蟲形。,圖3-52 足在主平面內(nèi)的幾何