1、第2章 机器人的机械结构v2.1 机器人的基本结构v2.2 机器人主要技术参数v2.3 工业机器人机械结构及应用v2.4 机器人的位姿问题2.1 机器人的基本结构2.1.1 机器人的主要特点（1）通用性通用性指的是执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力，机器人的通用性取决于它的几何特性和机械能力。 （2）适应性机器人的适应性是指它对环境的自适应能力，即所设计的机器人是否能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人认识其工作的环境，即具有人工知觉。包括以下几方面能力：分析任务所处的空间和对执行操作进行规划的能力运用传感器测试周围环境的
2、能力具备自动指令模式2.1.2 机器人系统的基本组成包含：机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四个部分2.2 机器人主要技术参数2.2.1 机器人的自由度及选择1、自由度的定义 机器人的自由度是指当确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目，不包括手部开合自由度。2、机器人自由度的选择（1）一般自由度的选择 五自由度机器人 三自由度机器人2）冗余自由度 机器人的自由度多于为完成任务所必需的自由度是，多余的自定义称为冗余自由度。如下图所示为手臂型七自由度关节式机器人。 理论上，具有六个自由度的机器人就可以在空间达到任意位子和姿态，但由于奇异位形存在，一些关节运动到相应位置，自
3、由度退化，会失去一个几个自由度；还存在工作空间的障碍，所以具有六个自由度机器人也无法满足工作要求。具有冗余自由度的机器人就可以克服这些障碍。2.2.2 机器人工作空间MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人工作范围一MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人工作范围二 工作空间表示机器人的工作范围，它是机器人末端上参考点所达到的所有空间区域。由于末端执行器的形状是多样的，所有工作空间是指不安装末端执行器时的工作区域2.2.3 机器人的额定速度和承载能力1、额定速度 机器人在保持运动平稳性和位置精度的前提下所能达到的最大速度称为额定速度。其某一关节运动的速度称为单轴速度，由各轴速度分量合成
4、的速度称为合成速度。2、承载能力 承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量，通常可以用质量、力矩或惯性矩来表示。承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。 2.2.4 机器人的分辨率和精度1、分辨率：编程分辨率和控制分辨率2、精度：定位精度和重复定位精度 如下图，为重复定位精度的几种典型情况：图a为重复定位精度的测定；图b为合理的定位精度，良好的重复定位精度；图c良好的定位精度，很差的重复定位精度；图d为很差的定位精度，良好的重复定位精度 2.2.5 典型机器人的技术参数MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人各项技术参数 MOTOM
5、AN-EA1900N弧焊专用机器人 2.3 工业机器人机械结构及应用2.3.1 工业机器人概述1、工业机器人定义 2、工业机器人分类（1）按坐标形式分： 直角坐标式；圆柱坐标式；球坐标式；关节坐标式（又称回转坐标式），分为垂直关节坐标和平面(水平)关节坐标两种。（2）按控制方式分： 点位控制和连续轨迹控制（3）按驱动方式分： 电力驱动、液压驱动和气压驱动 （4）按编程方式分：示教编程和语言编程 （5）按机器人的负荷和工作范围分:v 大型机器人负荷为110KN，工作空间为10 m3以上。v 中型机器人负荷为1001000N，工作空间为110 m3。v 小型机器人负荷为1100N，工作空间为0.1
6、1 m3。v 超小型机器人负荷小于1N，工作空间小于0.1 m3。（6）按机器人具有的运动自由度分：工业机器人的自由度一般为27个，简易型机器人为24个自由度；复杂型机器人为57个自由度。自由度越多，机器人的“柔性”越大，但结构和控制也就越复杂，并非越多越好。（7）按使用范围分：可编程序的通用机器人。其工作程序可以改变，通用性强。适用于多品种，中小批量的生产系统中；固定程序专用机器人。根据工作要求设计成固定程序，多采用液动或气动驱动，结构比较简单。2.3.2 工业机器人机械结构 一般工业机器人都由机身（也称立柱），臂部（包括大臂和小臂），手腕和手部几部分组成，如果是可移动的工业机器人，还额外需
7、要移动机构。如图2.11所示，为工业机器人的基本构成。1机器人手部2机器人腕部3机器人手臂4机器人机身1、机身 主要起支撑作用，是工业机器人的基础部分，固定式工业机器人的机身直接连接在地面上或平台上，移动式工业机器人的机身则是安装在移动机构上。 如图所示为机器人臂部、腕部和手部的结构意图示。2、臂部、臂部 臂部（包括小臂和大臂）是机器人机构的主要部分，称为主体机构。其作用是支撑腕部和手部，并带动它们使手部中心点按一定的运动轨迹，由某一位置运动到达另一指定位置。（1）工业机器人臂部的特点 工业机器人的臂部一般有23个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降。 专用机械手的臂部一般有12个自由度，即伸缩、
8、回转或直行。 臂部的总重量较大，受力一般比较复杂，臂部运动部分零部件的重量直接影响着臂部结构的刚度和强度。工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身（即机座）上，机身可以使固定的，也可以使行走式的，即可沿地面或导轨运动。（2）工业机器人臂部的设计要求 1）刚度要大，要有足够的承载能力 2）导向好性要 3）重量和转动惯量要小 4）运动要平稳，定位精度要高 3、腕部、腕部 腕部是连接臂部和手部的部件，其作用主要是改变和调整手部在空间的方位，从而使手爪中所握持的工具或工件取得某一指定的姿态。腕部有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。 腕部所需要的自由度数目可根据机器人的工作性能
9、要求来确定。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间3个坐标轴x、y、z的转动，即具有回转、俯仰和摆动三个自由度。如图（d）所示。 回转回转：使手部绕自身的轴线Z旋转。如图（a）所示。 俯仰俯仰：使手部绕与臂垂直的水平轴Y旋转。如图（b）所示。 摆动摆动：使手部绕与臂垂直的垂直轴X旋转。如图（c）所示。 如图所示，为常用的腕部组合方式，其中图a为臂转、腕摆、手转结构；图b为臂转、双腕摆、手转结构 腕部设计时需要注意一下几点：结构尽量紧凑、重量尽量轻。转动灵活、密封性好。注意腕部与手部臂部的连接以及各个自由度的位置检测、管线布置以及润滑、维修和调整问题。 4. 手部手部 机器人的手部是
10、用来抓持物件的机构，故又称为抓取机构，或称为夹持器。手部的结构形式很多，大部分是按工作要求和物件形状而特定设计的，其自由度根据需要而定。 常用的手部按抓持物件的方式可分为夹持类和吸附类。夹持类手部又可细分为夹钳式、勾托式、弹簧式等等；吸附类手部又可分为气吸式和磁吸式等。 工业机器人手部的特点：（1）手部和腕部连接处可拆卸，手部和腕部有机械接口，也可以有电、气、液接头，当工业机器人作业对象不同时，可以方便拆卸和更换手部。（2）手部是工业机器人的末端操作器。它可以像人的手指一样，也可以不具备手指；可以使类人的手爪，也可以使作业工具。如焊接工具等。（3）手部通用性较差。工业机器人的手部通常是专用装置
11、，一种手爪一般只能抓握一种或几种在形状、质量、尺寸等方面相近的工件，只能执行一种作业任务。（4）手部是一个独立的部件，它决定着工业机器人作业完成好坏、作业柔性好坏的关键部件之一。 除了以上所述的手部夹持器常用类型外，对于一些较大的物件还采用某些平面机构式的夹持器。如图 所示为滑槽杠杆式手部结构示意图，它采用左右对称结构，输入构件1上固联一圆柱销2，该圆柱销可在输出构件3的槽内作相对滑动，输出构件3绕o3轴的摆动，实现了手爪的开合运动。5. 移动机构移动机构 随着工业机器人应用范围的不断扩大，以及海洋开发、原子能工业及航空航天等领域的不断发展，具有一定智能的可移动机器人将是未来机器人的发展方向之
12、一，并会得到广泛应用。1）定义和组成： 工业机器人的移动机构，是可以根据工作任务的要求，带着机器人在一定范围内运动。移动机构是移动式机器人的重要部件，它由移动驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。2）分类： 移动机构一般有轮式移动机构、履带式移动机构和足式移动机构，还有步进式移动机构，蠕动式移动机构，蛇行式移动机构和混合式移动机构等。一般室内的多采用轮式移动机构；室外的为适应野外环境，多采用履带式移动机构。一些仿生机器人，通常模仿某种生物的运动方式而采用相应的移动机构。其中：轮式移动机构效率最高，但适应能力相对较差；而腿式的适应能力强，但其效率最低。（1）轮式移动结构 车
13、轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六轮之分。它们或有驱动轮和自位轮，或有驱动轮和转向机构，用来转弯。轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，不能跨越高度，不能爬楼梯在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。1）车轮形式： 车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。如左图所示2）车轮的配置和转向机构 如右图所示：图a为后轮用两轮独立驱动，前轮为小脚轮构成辅助轮；图b为前轮驱动和转向，两后轮为从动轮；图c为后轮通过差动齿轮驱动，前轮转向。 （2）履带式移动结构 履带式移动机构适合于未加工的天然路面行走，它是轮式行走机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。1）履带行走
14、机构与轮式行走机构相比，有如下特点： 支承面积大，接地比压小。适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小； 越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构； 履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力； 结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏；如图 DGX3B单兵反恐机器人下台阶 2）特殊的履带移动结构 形状可变履带机器人 所谓形状可变履带机器人，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。下图1所示为一种形状可变履带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时
15、，机器人实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境，如图2所示，图a越障；图b为上下台阶 a) b)图2 履带变形情况和适用场合图1 形状可变履带机器人的外形示意图 位置可变履带机器人所谓位置可变履带机器人，是指履带相对于车体的位置可以发生变化的履带式机器人。这种位置的改变既可以是一个自由度的，也可以是两个自由度的。图所示为一种二自由度变位履带机器人，各履带能够绕车体的水平轴线和垂直轴线偏转，从而改变机器人的整体构形。二自由度变位履带机器人 （3）足式移动结构足式行走对崎岖路面
16、具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平,机身的运动仍然可以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。如图所示，为足式移动机器人几种形式，一般有单足，两足、三足、四足和六足等。足的数目越多，承载能力越强，但运动速度越慢。双足和四足具有最好的适应性和灵活性，最接近人类和动物。a）单足跳跃机器人 b）双足机器人 c）三足机器人 d）四足机器人 e）六足机器人 2.3.3 工业机器人的应用范围1. 在工业生产中的应用在工业生
17、产中的应用主要是焊接、喷涂、搬运、装配等方面的应用2. 在恶劣生产条件下的应用在恶劣生产条件下的应用（1）海洋探测 （2）太空探测（3）恶劣环境（4）有害环境2.3.4 工业机器人的发展趋势（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。（2）机械结构向模块化可重构化发展。（3）工业机器人控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要。（5）机器人化机械开始兴起。（6）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真
18、、预演发展到用于过程控制。（7）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（8）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。（9）我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，经过二十年余年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。2.4 机器人的位姿问题2.4.1 机器人坐标系机器人的位姿问题包含两方面问题：（1）正
19、向运动学问题（2）反向运动学问题 机器人的各种坐标系都由正交的右手定则来决定 当围绕平行于X，Y，Z轴线的各轴转动时，分别定义为A，B，C。A，B，C的正方向分别以X，Y，Z的正方向上右手螺旋前进的方向为正方向 全局坐标系全局坐标系关节坐标系关节坐标系 工具坐标系工具坐标系 2.4.2 圆柱坐标系主体机构位姿问题举例1. 正向运动学问题求解正向运动学问题求解图所示为圆柱坐标式主体机构的组成示意图。构件2与机座1组成圆柱副，构件2相对构件1可以输入转动(q)和移动(h)；构件3与构件2组成移动副，构件3相对构件2只可输入一个移动(r)。三个输入变量为： 转角q，从x轴开始度量，对着z轴观察逆时针
20、转向为正。 位移h，从坐标原点沿z轴度量。 位移r，手部中心点P至z轴的距离确定手部中心点P在基准坐标系中相应的位置坐标xp，yp，zp。由图中的几何关系可得: hzryrxpppsincos用列矩阵表示为 hrrzyxpppsincos 用矩阵表示为：将给定的q、h、r三个变量瞬时值代入式(2.1)，即可解出xp，yp，zp，从而确定了手部中心点P的瞬时空间位置。(2.1) 2. 反向运动学问题求解反向运动学问题求解 给定手部中心点P在空间的点位置xp，yp，zp，确定应输入的关节变量q、h、r各值。为求逆解，可联立式(2.1)中前两式可得： ppxyarctansincosppyxrpzh
21、 将给定的值xp，yp，zp代入式(2.2)和式(2.3)，即可解出应输入的关节变量q、r和h。再将式(2.2)代回式(2.1)可得(2.2) （2.3） 2.4.3 球坐标式主体机构位姿问题举例球坐标式主体机构位姿问题举例图所示为球坐标式主体机构的组成示意图。立柱2与机座1和构件3分别组成转动副，因此立柱2相对机座1、构件3相对立柱2分别可输入一个转动(q,j)；构件4与构件3组成移动副，构件4相对构件3可输入一个移动(r)。1. 正向运动学问题求解正向运动学问题求解 三个输入变量为： 转角q，从x轴开始度量，对着z轴观察逆时针转向为正。 转角j，从平行于oxy平面内开始度量，朝z轴正方向转
22、动为正。 位移r，手部中心点P至转动中心A的距离。 确定手部中心点P在基准坐标系中相应的位置坐标xp，yp，zp。由图中的几何关系可得 sinsincossincoscoscosrhzrryrrxppp sinsincoscoscosrhrrzyxppp式中：h为已知的立柱长度尺寸。用列矩阵表示为： 将给定的q、j、r三个变量瞬时值代入式(2.4)，即可解出xp，yp，zp，从而确定了手部中心点P的瞬时空间位置 （2.5） (2.4) 2. 反向运动学问题求解反向运动学问题求解 给定手部中心点P在空间的点位置xp，yp，zp，确定应输入的关节变量q、j、r各值。由图中的几何关系可得：2222222arctantanarctantan)(pppppppppppppyxhzyxrrhzxyxyhzyxr根据式(2.6)即可在给定的xp，yp，zp的情况下，解出应输入的关节变量q、j、r。（2.6）
