第2章 機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

1機器人控制技術(shù)與實踐

2第二章機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)2.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)2.2機械臂2.3行走機構(gòu)2.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例2.53D打印3第二章機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

機器人機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是機器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機構(gòu)，具備完善、合理的結(jié)構(gòu)是保證機器人是能夠精準(zhǔn)、高效工作的基礎(chǔ)。機械結(jié)構(gòu)的缺陷會限制功能的發(fā)揮，即使程序再完美也無法達(dá)到期望的效果，因此機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計直接決定機器人工作性能的好壞。42.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

一、自由度

機器人的自由度是指確定機器人關(guān)節(jié)在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運動坐標(biāo)軸的數(shù)目，通常機器人的自由度數(shù)等于關(guān)節(jié)數(shù)目。52.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

二、工作范圍

工作范圍是指機器人執(zhí)行器（如手臂末端或手腕中心）所能到達(dá)的所有空間區(qū)域的集合，也稱為工作區(qū)域。

工作范圍的形狀取決于機器人的自由度數(shù)和各運動關(guān)節(jié)的類型與配置。（a）側(cè)視圖（b）俯視圖62.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

三、工作速度

工作速度是指機器人在工作載荷下，機械接口中心在單位時間內(nèi)勻速移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。

工作速度受機器人所承載的重量和位置精度有密切的關(guān)系，且影響著機器人的工作效率。72.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

四、工作載荷

工作載荷是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大負(fù)載，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示。

機器人的載荷與負(fù)載的質(zhì)量，以及移動速度和加速度大小與方向有著密切關(guān)系。

工作載荷還受機器人末端操作器的質(zhì)量和慣性力影響，為了保證安全，一般將高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標(biāo)。82.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

五、驅(qū)動方式

驅(qū)動裝置是機器人的動力之源，目前機器人常用的三種驅(qū)動器分別為液壓式、氣動式和電氣式。

其選擇原則主要有：（1）驅(qū)動裝置的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)（2）驅(qū)動裝置要求關(guān)鍵指標(biāo)：力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小和尺寸小92.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

六、精度

精度代表的是機器人在空間內(nèi)，將其執(zhí)行裝置定位到程序設(shè)定位置的能力。

通常機器人精度主要是指定位精度，具體是指機器人執(zhí)行末端實際能到達(dá)的位置與目標(biāo)位置之間的差異。102.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

七、重復(fù)性

重復(fù)性是指從同樣的位置開始，采用相同的程序、載荷和安裝設(shè)置，機器人的執(zhí)行機構(gòu)能夠到達(dá)目標(biāo)位置的有效球形空間半徑。

重復(fù)性代表了機器人的執(zhí)行機構(gòu)在相同的命令下，多次返回至同一位置的能力，可度量多次軌跡之間的誤差。它是衡量一系列誤差值的密集度，即重復(fù)度。112.1機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)

八、分辨率

分辨率是指能夠由機器人執(zhí)行器實現(xiàn)的最小增量值，比如移動距離或轉(zhuǎn)動角度。

機器人通過傳感器控制運動和精確定位時，分辨率是重要的參數(shù)之一。目前多數(shù)機器人執(zhí)行機構(gòu)的分辨率是依據(jù)執(zhí)行機構(gòu)編碼器的分辨率，或伺服電機和傳動裝置的步長來計算獲得。122.2機械臂

常見的各類機器人機械結(jié)構(gòu)主要分為三部分：機身、手臂（包括手腕）和手部。132.2機械臂

一、機械臂的結(jié)構(gòu)

機器人手臂是連接機身和手腕的部分，用于改變手部的空間位置，并將各種載荷傳遞到機座。

常見關(guān)節(jié)型機器人的機械臂主要由腰部、臂部和手腕組成。142.2機械臂

二、關(guān)節(jié)

關(guān)節(jié)，也稱為運動副，在運動學(xué)上是指兩個物體之間的連接，它限制了兩個物體間的相對運動，所以相互連接的兩個物體便構(gòu)成了一個關(guān)節(jié)。（a）垂直平移（b）平行平移（c）平面旋轉(zhuǎn)（d）空間旋轉(zhuǎn)152.2機械臂

1、平移關(guān)節(jié)

平移關(guān)節(jié)，又稱為平移副、棱柱關(guān)節(jié)或滑動關(guān)節(jié)，是兩桿件間的組件能使其中一件相對于另一件作直線運動的關(guān)節(jié)。

平移關(guān)節(jié)有兩種基本類型：單級型和伸縮型。單級型關(guān)節(jié)由一個可以沿另一個固定表面移動的表面組成。伸縮型關(guān)節(jié)本質(zhì)上是由單級型關(guān)節(jié)組合而成。162.2機械臂

2、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，又稱為回轉(zhuǎn)副、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，是連接兩桿件的組件能使其中一件相對于另一件繞固定軸轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，兩個構(gòu)件之間只做相對轉(zhuǎn)動的運動副。

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的剛度或者抵抗其他干擾運動的能力是其最重要的評價指標(biāo)之一。在剛度設(shè)計中應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素有軸的直徑、誤差和間隙，軸承的支撐結(jié)構(gòu)，以及在梁上加載合適的預(yù)載荷。172.2機械臂

三、腕部的結(jié)構(gòu)

機器人腕部是連接手部和手臂的部分，主要用于給手臂傳遞作業(yè)載荷和改變手部的空間方向。

腕部能分別在X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動，即具有翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（Roll，R關(guān)節(jié)）、折曲關(guān)節(jié)（Bend，B關(guān)節(jié)）、移動關(guān)節(jié)（Translate，T關(guān)節(jié)）。182.2機械臂

三、腕部的結(jié)構(gòu)

192.2機械臂

四、手部結(jié)構(gòu)

機器人的手也叫末端操作器或末端執(zhí)行器，是在機械臂腕部配置的操作機構(gòu)，相當(dāng)于人的手，其主要作用是夾持工件或按照規(guī)定的程序完成指定的工作。

202.2機械臂

五、傳動方式

機器人傳動機構(gòu)的基本要求主要有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕；（2）傳動剛度大，即承受力矩作用時變形要小，以提高整機的固有領(lǐng)率，降低整機的低頻振動；（3）回差小，即旋轉(zhuǎn)變向時空行程要小，以得到較高的位置控制精度；（4）壽命長與價格低。

212.2機械臂

五、傳動方式

1.齒輪傳動

齒輪傳動是通過齒輪傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，是現(xiàn)代機械傳動中應(yīng)用最廣泛的一種機械傳動方式。222.2機械臂

五、傳動方式

2.帶傳動

帶傳動是利用張緊在帶輪上的柔性帶進(jìn)行運動或動力傳遞的一種機械傳動，通常由主動輪1、從動輪2和張緊在兩輪上的環(huán)形帶3組成。232.2機械臂

五、傳動方式

3.鏈傳動

鏈傳動是通過鏈條與鏈輪的嚙合，將主動鏈輪的運動和動力傳遞到從動鏈輪的一種傳動方式。242.3行走機構(gòu)

行走機構(gòu)是機器人實現(xiàn)迅速靈活移動的關(guān)鍵部分，它由驅(qū)動裝置、位置檢測元件、傳動機構(gòu)、傳感器、電纜及管路等組成。固定軌跡式主要應(yīng)用于工業(yè)機器人，而無固定軌跡式按機器人的行走方式可分為輪式、履帶式和足式。

252.3行走機構(gòu)

一、足式

足式行走機構(gòu)能較好地適應(yīng)崎嶇地形，因其行走觸地點是離散的，可選擇優(yōu)化其可能到達(dá)的地面支撐點，262.3行走機構(gòu)

一、足式

1.單足機器人

單足機器人因其單條腿的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致其平衡性較差，且行走困難。

早期的單足機器人是模仿青蛙的跳躍運動被設(shè)計為彈跳式機器人。

單足彈跳機器人相比輪式和爬行機器人可跳躍數(shù)倍于自身高度的障礙物，且彈跳運動的爆發(fā)性有利于其躲避危險，這也促進(jìn)了單足彈跳機器的研究發(fā)展。272.3行走機構(gòu)

一、足式

2.雙足機器人

雙足機器人是仿人雙足直立行走和能完成相關(guān)動作的類人機器人。

雙足步行機器人對非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面具有良好的適應(yīng)性、自動化程度高，并且移動盲區(qū)小等優(yōu)點，使其成為機器人領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。282.3行走機構(gòu)

一、足式

3.多足機器人

多足機器人是一種具有冗余驅(qū)動、多支鏈、時變拓?fù)溥\動機構(gòu)的足式機器人。

多足一般指四足以及四足以上，常見多足機器人同雙足一樣多采用對稱式足部結(jié)構(gòu)，最典型的就是四足機器人和六足機器人。

292.3行走機構(gòu)

二、輪式

輪式行走機構(gòu)是以驅(qū)動輪子來帶動機器人進(jìn)行移動，較適合平坦的路面，由于其具有自重輕、承載大、機構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走速度快、工作效率高等特點，從而被廣泛應(yīng)用，在陸地機器人中輪式也是使用最多的行走機構(gòu)。

302.3行走機構(gòu)

二、輪式

1.車輪形式

輪式行走機構(gòu)的車輪形式取決于其使用的地形地貌和車輛載重情況。常見的車輪有：實心、充氣、全向輪（OmniWheel）或麥克納姆輪（MecanumWheel）。

312.3行走機構(gòu)

二、輪式

2.車輪的配置和轉(zhuǎn)向機構(gòu)

車輪行走機構(gòu)根據(jù)車輪的數(shù)量可分為：一輪、二輪、三輪、四輪以及多輪機構(gòu)。其中，一輪和二輪行走機構(gòu)的穩(wěn)定性問題一定程度上限制了其應(yīng)用范圍；三輪和四輪則相對穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于日常生活中的輪式行走機構(gòu)中。

322.3行走機構(gòu)

二、輪式

3.輪式越障機構(gòu)

常規(guī)的輪式行走機構(gòu)對崎嶇不平地面適應(yīng)性較差，為了提高輪式機器人的地面適應(yīng)能力，研究人員開發(fā)了輪式越障機構(gòu)。

332.3行走機構(gòu)

三、履帶式

履帶式行走機構(gòu)是輪式移動機構(gòu)的拓展，其通過在驅(qū)動輪和一系列滾輪外側(cè)環(huán)繞循環(huán)履帶，使車輪不直接與地面接觸，而是通過循環(huán)履帶與地面發(fā)生作用，再通過驅(qū)動輪帶動履帶，實現(xiàn)車輪在履帶上的相對滾動的同時，履帶在地面反復(fù)連續(xù)向前鋪設(shè)，從而帶動底盤運動。

342.3行走機構(gòu)

三、履帶式

1.履帶式行走機構(gòu)的組成與形狀

履帶式行走機構(gòu)主要由履帶、驅(qū)動鏈輪、支撐輪、拖帶輪和張緊輪組成。

352.3行走機構(gòu)

三、履帶式

1.履帶式行走機構(gòu)的組成與形狀

常見的履帶式行走機構(gòu)的形狀有：一字形和倒梯形。

362.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

本節(jié)主要介紹如何通過SolidWorksCAD軟件來制作一個結(jié)構(gòu)件實例。一、SolidWorks簡介SolidWorksCAD軟件是一款機械自動化設(shè)計的應(yīng)用程序。用戶使用它能快速地按照其設(shè)計思路繪制草圖，嘗試運用多種模型特性與不同尺寸，生成模型和工程圖。372.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

二、SolidWorks基礎(chǔ)知識

1、用戶界面SolidWorks應(yīng)用程序的用戶界面包括：文檔窗口、工具和功能選擇等，幫助高效率地生成和編輯模型。SolidWorks文檔窗口的管理器窗口主要包括：FeatureManager、PropertyManager和ConfigurationManager。SolidWorks應(yīng)用程序可通過多種方式來選擇不同功能并執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)執(zhí)行某項任務(wù)時，例如繪制實體的草圖或應(yīng)用特征，SolidWorks應(yīng)用程序還會給出反饋，例如指針、推理線、預(yù)覽等。382.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

二、SolidWorks基礎(chǔ)知識

2、草圖草圖是大多數(shù)三維模型的基礎(chǔ)。通常，創(chuàng)建模型的第一步就是繪制草圖，隨后可以從草圖生成特征。將一個或多個特征組合即生成零件。然后，可以組合和配合適當(dāng)?shù)牧慵陨裳b配體。從零件或裝配體，就可以生成工程圖。392.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

二、SolidWorks基礎(chǔ)知識

3、特征完成草圖以后，使用拉伸或旋轉(zhuǎn)等特征來生成三維模型。402.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

二、SolidWorks基礎(chǔ)知識

4、裝配體裝配體是多個相關(guān)零件的集合，該SolidWorks文件的擴展名為.sldasm。裝配體最少可以包含兩個零部件，最多可以包含超過一千個零部件。這些零部件可以是零件，也可以是稱為子裝配體的其它裝配體。412.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

二、SolidWorks基礎(chǔ)知識

5、工程圖工程圖可以由零件或裝配體模型生成。工程圖提供有多個視圖，例如標(biāo)準(zhǔn)三視圖和等軸側(cè)視圖等，還可以從模型文件導(dǎo)入尺寸并且添加工程圖注解（例如基準(zhǔn)目標(biāo)符號）等。422.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

二、SolidWorks基礎(chǔ)知識

6、模型編輯使用SolidWorks的FeatureManager和PropertyManager編輯草圖、工程圖、零件或裝配體。還可以通過在圖形區(qū)域中直接選擇特征和草圖來編輯它們。有了這種直觀的方法，就不需要再知道特征的名稱。編輯功能包括：編輯草圖、編輯特征、隱藏和顯示、壓縮和解除壓縮、退回。432.4機械結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

三、制作零件

零件是每個SolidWorks模型的基本組件。要生成的每個裝配體和工程圖均由零件制作而成。通過此部分的學(xué)習(xí)可對SolidWorks的零件制作和