機(jī)器人機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)

機(jī)器人機(jī)身及行走機(jī)構(gòu)第1頁/共51頁一、機(jī)身的自由度和運(yùn)動

第2頁/共51頁1．機(jī)身的自由度：

機(jī)身往往具有升降、回轉(zhuǎn)及俯仰三個自由度。

第3頁/共51頁2．機(jī)身的運(yùn)動：

由上面三個自由度可以組合成機(jī)身五種運(yùn)動形式。分別是：回轉(zhuǎn)運(yùn)動；升降運(yùn)動；回轉(zhuǎn)—升降運(yùn)動；回轉(zhuǎn)—俯仰運(yùn)動；回轉(zhuǎn)—升降運(yùn)動—俯仰運(yùn)動。第4頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動方案設(shè)計（1）：

圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)通常具有三個自由度：一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動（腰轉(zhuǎn)）及兩個直線移動（升降運(yùn)動及手臂伸縮運(yùn)動）。腰轉(zhuǎn)運(yùn)動及升降運(yùn)動通常由機(jī)身來實現(xiàn)。第5頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動方案設(shè)計（2）：

球面坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)通常具有三個自由度：繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動（回轉(zhuǎn)運(yùn)動）、繞水平軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動（俯仰運(yùn)動）及手臂的伸縮運(yùn)動。通常把回轉(zhuǎn)及俯仰運(yùn)動歸屬于機(jī)身。第6頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動方案設(shè)計（3）：

關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的三個自由度均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，構(gòu)成機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動、俯仰運(yùn)動和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。通常僅把回轉(zhuǎn)運(yùn)動歸結(jié)為機(jī)身。第7頁/共51頁3．各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動方案設(shè)計（4）：

直角坐標(biāo)式機(jī)器人：這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個自由度且都是直線運(yùn)動。通常把升降運(yùn)動或水平移動的自由度歸為機(jī)身部分。第8頁/共51頁二、機(jī)身典型結(jié)構(gòu)

第9頁/共51頁1．回轉(zhuǎn)與升降運(yùn)動機(jī)身(1)：

鏈輪—液壓缸機(jī)構(gòu)：

構(gòu)成：主要由鏈輪機(jī)構(gòu)、液壓缸機(jī)構(gòu)、機(jī)身本體部分構(gòu)成。且升降機(jī)構(gòu)位于轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的上方。工作原理：回轉(zhuǎn)運(yùn)動：通過液壓缸活塞的移動→帶動鏈條的移動→鏈輪的轉(zhuǎn)動→機(jī)身的轉(zhuǎn)動升降運(yùn)動：活塞的上下移動→帶動機(jī)身的上下升降第10頁/共51頁鏈輪—液壓缸機(jī)構(gòu)圖例：問題：要使立柱作大于360°的旋轉(zhuǎn)，對活塞的行程有什么要求？每個液壓缸只有一個油口。第11頁/共51頁1．回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身(2)：

直線運(yùn)動液壓缸—擺動液壓缸機(jī)構(gòu)：

構(gòu)成：主要由直線運(yùn)動液壓缸、擺動液壓缸、花鍵導(dǎo)向軸、機(jī)身本體等部分構(gòu)成。工作原理：回轉(zhuǎn)運(yùn)動：擺動液壓缸進(jìn)油→擺動缸動片7擺動→帶動擺動缸套5擺動由于花鍵軸3只起導(dǎo)向作用而不回轉(zhuǎn)，擺動缸定片與花鍵軸之間通過平鍵和螺釘固定連接，保證定片的位置確定。升降運(yùn)動：活塞1下腔進(jìn)油→活塞推動機(jī)身沿花鍵軸上升活塞1上腔進(jìn)油→活塞推動機(jī)身沿花鍵軸下降第12頁/共51頁直線運(yùn)動液壓缸—擺動液壓缸機(jī)構(gòu)圖例：問題：1、擺動液壓缸的動片與缸的什么部件相連？機(jī)械臂將與擺動液壓缸的什么部件相連？2、為什么采用長度較短的花鍵套導(dǎo)向？3、機(jī)身升降運(yùn)動的行程和回轉(zhuǎn)運(yùn)動角度取決于什么？4、畫出零件2的結(jié)構(gòu)圖。油口油口第13頁/共51頁花鍵軸與花鍵孔：第14頁/共51頁1．回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身(3)：

齒條活塞缸—升降缸機(jī)構(gòu)：

構(gòu)成：主要由升降缸體、齒條缸、齒輪套筒、固定立柱和升降回轉(zhuǎn)臺等部分構(gòu)成。工作原理：回轉(zhuǎn)運(yùn)動：齒條缸的齒條活塞桿直線運(yùn)動→齒輪套筒6回轉(zhuǎn)運(yùn)動→齒輪套筒6和升降缸體2及升降回轉(zhuǎn)臺1固聯(lián)→升降回轉(zhuǎn)臺1回轉(zhuǎn)升降運(yùn)動：升降缸體2、齒輪套筒6、回轉(zhuǎn)臺1整個一起升降運(yùn)動第15頁/共51頁齒條活塞缸—升降缸機(jī)構(gòu)圖例：第16頁/共51頁2．回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身：

機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動，一般采用活塞缸與連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。手臂俯仰運(yùn)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好，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方法與立柱連接。第17頁/共51頁回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身圖例：第18頁/共51頁三、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

第19頁/共51頁1．行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)成：

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)通常由驅(qū)動裝置、傳動裝置、位置檢測裝置、傳感器、電纜和管路等構(gòu)成。第20頁/共51頁2．行走機(jī)構(gòu)的分類：

按運(yùn)行軌跡分：分為固定軌跡式和無固定軌跡式兩種。固定軌跡式主要用于工業(yè)機(jī)器人按行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)分：對于無固定軌跡機(jī)器人，可分為輪式、履帶式和步行式等。前兩者與地面連續(xù)接觸，后者與地面為間斷接觸。第21頁/共51頁3．固定軌道式機(jī)器人運(yùn)動的實現(xiàn)：

機(jī)器人機(jī)身底座，安裝在一個可移動的拖板上，依靠絲桿螺母副的運(yùn)動將來自電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動。第22頁/共51頁4．車輪式行走機(jī)器人：

分類：車輪式行走機(jī)器人通常有三輪、四輪、六輪之分。它們或有驅(qū)動輪和自位輪，或有驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，用來轉(zhuǎn)彎。適用范圍：最適合平地行走，不能跨越高度，不能爬樓梯。第23頁/共51頁圖

2.57利用陀螺儀的二輪車

第24頁/共51頁三輪行走機(jī)器人圖例：第25頁/共51頁三輪行走機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動：構(gòu)成：三個車輪、轉(zhuǎn)向叉、驅(qū)動裝置等。驅(qū)動方案：電機(jī)5驅(qū)動輪1：通過V1、V2的不同速度控制小車的移動方向，同時，轉(zhuǎn)向叉3自動地轉(zhuǎn)向正確的方向。此時輪2受到地面的摩擦而滾動。電機(jī)6驅(qū)動輪2：由電機(jī)6驅(qū)動，小車的方向由專用電機(jī)7驅(qū)動轉(zhuǎn)向叉實現(xiàn)。此時輪1自由滾動。缺陷：施加在角落的力容易產(chǎn)生使機(jī)器人翻倒，對負(fù)載有一定的限制。第26頁/共51頁圖2.59所示的三組輪是由美國Unimationstanford行走機(jī)器人課題研究小組設(shè)計研制的。它采用了三組輪子,呈等邊三角形分布在機(jī)器人的下部。

圖

2.59三組輪

第27頁/共51頁四輪行走機(jī)器人：第28頁/共51頁圖

2.60四輪車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和運(yùn)動

第29頁/共51頁圖2.62所示為四輪防爆機(jī)器人,該輪系由于采用了四組輪子,運(yùn)動穩(wěn)定性有很大提高。但是,要保證四組輪子同時和地面接觸,必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。它需要四個驅(qū)動電機(jī),控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜,造價也較高。

第30頁/共51頁排爆機(jī)器人第31頁/共51頁圖

2.63三角輪系的機(jī)構(gòu)圖

第32頁/共51頁圖2.64全方位移動車的移動方式(a)全方位方式；

(b)轉(zhuǎn)彎方式;(c)旋轉(zhuǎn)方式;(d)制動方式

第33頁/共51頁5．履帶式行走機(jī)器人：特點(diǎn)：可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階。沒有自位輪，依靠左右兩個履帶的速度差轉(zhuǎn)彎，會產(chǎn)生滑動，轉(zhuǎn)彎阻力大，且不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑。第34頁/共51頁履帶式行走機(jī)器人圖例（1）：第35頁/共51頁履帶式行走機(jī)器人圖例（2）：第36頁/共51頁救援機(jī)器人德國排爆機(jī)器人第37頁/共51頁

6．腳踏行走機(jī)器人：

腳踏行走機(jī)器人即步行機(jī)器人，典型特征是不僅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越溝壑，上下臺階，具有廣泛的適應(yīng)性。主要設(shè)計難點(diǎn)是機(jī)器人跨步時自動轉(zhuǎn)移重心而保持平衡的問題。第38頁/共51頁兩足步行機(jī)器人圖例：控制特點(diǎn)：使機(jī)器人的重心經(jīng)常在接地的腳掌上，一邊不斷取得準(zhǔn)靜態(tài)平衡，一邊穩(wěn)定的步行。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：為了能變換方向和上下臺階，一定要具備多自由度。第39頁/共51頁圖

2.65兩足步行式行走機(jī)構(gòu)原理圖

第40頁/共51頁兩足步行機(jī)器人圖例：主要構(gòu)成：

1—框架2—大腿3—小腿4—腳5—肩6—肘7—手8—液壓缸第41頁/共51頁圖

2.66漢庫科技公司的雙足機(jī)器人

第42頁/共51頁步行式第43頁/共51頁四足機(jī)器人圖例（1）：特點(diǎn)：四足機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下是穩(wěn)定的，具有很高的實用性。四足機(jī)器人步行時，一只腳抬起，三只腳支撐自重，這時有必要移動身體，讓重心落在三只腳接地點(diǎn)組成的三角形內(nèi)。第44頁/共51頁四足機(jī)器人圖例（2）：第45頁/共51頁四足機(jī)器人圖例（3）：第46頁/共51頁7．其它行走機(jī)器