1機器人控制技術與實踐

2第二章機器人的機械結構系統(tǒng)2.1機械結構系統(tǒng)的主要參數(shù)2.2機械臂2.3行走機構2.4機械結構設計實例2.53D打印3第二章機器人的機械結構系統(tǒng)

機器人機械結構系統(tǒng)是機器人的支承基礎和執(zhí)行機構，具備完善、合理的結構是保證機器人是能夠精準、高效工作的基礎。機械結構的缺陷會限制功能的發(fā)揮，即使程序再完美也無法達到期望的效果，因此機器人的機械結構設計直接決定機器人工作性能的好壞。42.1機械結構系統(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節(jié)在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運動坐標軸的數(shù)目，通常機器人的自由度數(shù)等于關節(jié)數(shù)目。52.1機械結構系統(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)和各運動關節(jié)的類型與配置。（a）側(cè)視圖（b）俯視圖62.1機械結構系統(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系，且影響著機器人的工作效率。72.1機械結構系統(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載，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示。

機器人的載荷與負載的質(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。82.1機械結構系統(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)動裝置的選擇應以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術水平為評價標準（2）驅(qū)動裝置要求關鍵指標：力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小和尺寸小92.1機械結構系統(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)行末端實際能到達的位置與目標位置之間的差異。102.1機械結構系統(tǒng)的主要參數(shù)

七、重復性

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

重復性代表了機器人的執(zhí)行機構在相同的命令下，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，即重復度。112.1機械結構系統(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)行機構的分辨率是依據(jù)執(zhí)行機構編碼器的分辨率，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構主要分為三部分：機身、手臂（包括手腕）和手部。132.2機械臂

一、機械臂的結構

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、關節(jié)

關節(jié)，也稱為運動副，在運動學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成了一個關節(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、平移關節(jié)

平移關節(jié)，又稱為平移副、棱柱關節(jié)或滑動關節(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節(jié)。

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

2、旋轉(zhuǎn)關節(jié)

旋轉(zhuǎn)關節(jié)，又稱為回轉(zhuǎn)副、回轉(zhuǎn)關節(jié)和轉(zhuǎn)動關節(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)動的關節(jié)，兩個構件之間只做相對轉(zhuǎn)動的運動副。

旋轉(zhuǎn)關節(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之一。在剛度設計中應考慮的關鍵因素有軸的直徑、誤差和間隙，軸承的支撐結構，以及在梁上加載合適的預載荷。172.2機械臂

三、腕部的結構

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三個坐標軸的轉(zhuǎn)動，即具有翻轉(zhuǎn)關節(jié)（Roll，R關節(jié)）、折曲關節(jié)（Bend，B關節(jié)）、移動關節(jié)（Translate，T關節(jié)）。182.2機械臂

三、腕部的結構

192.2機械臂

四、手部結構

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，相當于人的手，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

機器人傳動機構的基本要求主要有：（1）結構緊湊，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

行走機構是機器人實現(xiàn)迅速靈活移動的關鍵部分，它由驅(qū)動裝置、位置檢測元件、傳動機構、傳感器、電纜及管路等組成。固定軌跡式主要應用于工業(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

一、足式

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

一、足式

1.單足機器人

單足機器人因其單條腿的結構特性，導致其平衡性較差，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，這也促進了單足彈跳機器的研究發(fā)展。272.3行走機構

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動作的類人機器人。

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

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、時變拓撲運動機構的足式機器人。

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構，最典型的就是四足機器人和六足機器人。

292.3行走機構

二、輪式

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

302.3行走機構

二、輪式

1.車輪形式

輪式行走機構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

二、輪式

2.車輪的配置和轉(zhuǎn)向機構

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

322.3行走機構

二、輪式

3.輪式越障機構

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

332.3行走機構

三、履帶式

履帶式行走機構是輪式移動機構的拓展，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，履帶在地面反復連續(xù)向前鋪設，從而帶動底盤運動。

342.3行走機構

三、履帶式

1.履帶式行走機構的組成與形狀

履帶式行走機構主要由履帶、驅(qū)動鏈輪、支撐輪、拖帶輪和張緊輪組成。

352.3行走機構

三、履帶式

1.履帶式行走機構的組成與形狀

常見的履帶式行走機構的形狀有：一字形和倒梯形。

362.4機械結構設計實例

本節(jié)主要介紹如何通過SolidWorksCAD軟件來制作一個結構件實例。一、SolidWorks簡介SolidWorksCAD軟件是一款機械自動化設計的應用程序。用戶使用它能快速地按照其設計思路繪制草圖，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機械結構設計實例

二、SolidWorks基礎知識

1、用戶界面SolidWorks應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應用程序可通過多種方式來選擇不同功能并執(zhí)行任務。當執(zhí)行某項任務時，例如繪制實體的草圖或應用特征，SolidWorks應用程序還會給出反饋，例如指針、推理線、預覽等。382.4機械結構設計實例

二、SolidWorks基礎知識

2、草圖草圖是大多數(shù)三維模型的基礎。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?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機械結構設計實例

二、SolidWorks基礎知識

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機械結構設計實例

二、SolidWorks基礎知識

4、裝配體裝配體是多個相關零件的集合，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機械結構設計實例

二、SolidWorks基礎知識

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，例如標準三視圖和等軸側(cè)視圖等，還可以從模型文件導入尺寸并且添加工程圖注解（例如基準目標符號）等。422.4機械結構設計實例

二、SolidWorks基礎知識

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機械結構設計實例

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。通過此部分的學習可對SolidWorks的零件制作和