1、机器人机身及行走机构机器人机身及行走机构主讲 郝建豹引言：?机器人机械结构由三大部分构成：机身、手臂（含手腕） 、手部。其中机身又称立柱，是支承臂部的部件。同时，大多数工业机器人必须有一个便于安装的基础部件，这就是机器人的基座， 基座往往与机身做成一体。有些机器人需要行走，机身下面还会安装有行走机构。一、机身的自由度和运动一、机身的自由度和运动1机身的自由度：机身的自由度：?机身往往具有升降、回转及俯仰三个自由度。2机身的运动：机身的运动：?由上面三个自由度可以组合成机身五种运动形式。分别是：?回转运动；?升降运动；?回转升降运动；?回转俯仰运动；?回转升降运动俯仰运动。3各种坐标类型机身运动
2、方案设计（1）：?圆柱坐标式机器人：?这种类型的机器人主体结构通常具有三个自由度：一个回转运动（腰转）及 两 个 直 线 移 动（升降运动及手臂伸缩运动）。腰转运动及升降运动通常由机身来实现。3各种坐标类型机身运动方案设计（2）：?球面坐标式机器人：?这种类型的机器人主体结构通常具有三个自由度：绕垂直轴线的回转运动（回转运动）、绕水平轴线的回转运动（俯仰运动）及手臂的伸缩运动。通常把回转及俯仰运动归属于机身。3各种坐标类型机身运动方案设计（3）：?关节坐标式机器人：关节坐标式机器人：?这种类型的机器人主体结构的三个自由度均为回转运动，构成机器人的回转运动、俯仰运动和偏转运动。通常 仅把回转运动
3、归结为机身。3各种坐标类型机身运动方案设计（4）：?直角坐标式机器人：直角坐标式机器人：?这种类型的机器人主体结构具有三个自由度且都是直线运动。通常 把升降运动或水平移动的自由度归为机身部分。二、机身典型结构二、机身典型结构1回转与升降运动机身(1)：?链轮液压缸机构机构：?构成：?主要由链轮机构、液压缸机构、机身本体部分构成。且升降机构位于转动机构的上方。?工作原理：?回转运动：?通过液压缸活塞的移动带动链条的移动链轮的转动机身的转动?升降运动：?活塞的上下移动带动机身的上下升降链轮液压缸机构图例：问题：要使立柱作大于360的旋转，对活塞的行程有什么要求？每个液压缸只有一个油口。1回转与升降
4、机身(2)：?直线运动液压缸摆动液压缸机构机构：?构成：?主要由直线运动液压缸、摆动液压缸、花键导向轴、机身本体等部分构成。?工作原理：?回转运动：?摆动液压缸进油摆动缸动片7摆动带动摆动缸套5摆动?由于花键轴3只起导向作用而不回转，摆动缸定片与花键轴之间通过平键和螺钉固定连接，保证定片的位置确定。?升降运动：?活塞1下腔进油活塞推动机身沿花键轴上升?活塞1上腔进油活塞推动机身沿花键轴下降直线运动液压缸摆动液压缸机构图例：问题：1、摆动液压缸的动片与缸的什么部件相连？机械臂将与摆动液压缸的什么部件相连？2、为什么采用长度较短的花键套导向？3、机身升降运动的行程和回转运动角度取决于什么？4、画出
5、零件2的结构图。油口油口花键轴与花键孔：1回转与升降机身(3)：?齿条活塞缸升降缸机构机构：?构成：?主要由升降缸体、齿条缸、齿轮套筒、固定立柱和升降回转台等部分构成。?工作原理：?回转运动：?齿条缸的齿条活塞杆直线运动齿轮套筒6回转运动齿轮套筒6 和升降缸体2及升降回转台1固联升降回转台1 回转?升降运动：?升降缸体2、齿轮套筒6、回转台1整个一起升降运动齿条活塞缸升降缸机构图例：2回转与俯仰机身：回转与俯仰机身：?机器人手臂的俯仰运动， 一般采用活塞缸与连杆机构实现 。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接好，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方法与立柱连接。回转与俯仰机
6、身图例：回转与俯仰机身图例：三、机器人行走机构三、机器人行走机构1行走机构的构成：行走机构的构成：?机器人行走机构通常由 驱动装置、传动装置、位置检测装置 、传感器、电缆和管路等构成。2行走机构的分类：行走机构的分类：?按运行轨迹分：?分为固定轨迹式 和无固定轨迹式 两种。固定轨迹式主要用于工业机器人?按行走机构的特点分：?对于无固定轨迹机器人，可分为 轮式、履带式和步行式等。前两者与地面连续接触，后者与地面为间断接触。3固定轨道式机器人运动的实现：固定轨道式机器人运动的实现：?机器人机身底座，安装在一个可移动的拖板上，依靠 丝杆螺母副的运动 将来自电机的旋转运动转化为直线运动。4车轮式行走机
7、器人：车轮式行走机器人：?分类：?车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。?适用范围：?最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。图 2.57 利用陀螺仪的二轮车三轮行走机器人图例：三轮行走机器人结构及驱动：?构成：构成：三个车轮、转向叉、驱动装置等。?驱动方案驱动方案：?电机5驱动轮1：通过V1、V2的不同速度控制小车的移动方向，同时，转向叉3自动地转向正确的方向。此时轮2受到地面的摩擦而滚动。?电机6驱动轮2：由电机6驱动，小车的方向由专用电机7驱动转向叉实现。此时轮1自由滚动。?缺陷：缺陷：施加在角落的力容易产生使机器人翻倒，对
8、负载有一定的限制。图2.59所示的三组轮是由美国 Unimationstanford 行走机器人课题研究小组设计研制的。 它采用了三组轮子, 呈等边三角形分布在机器人的下部。图 2.59 三组轮四轮行走机器人：图 2.60 四轮车的驱动机构和运动图2.62所示为四轮防爆机器人, 该轮系由于采用了四组轮子, 运动稳定性有很大提高。但是 ,要保证四组轮子同时和地面接触, 必须使用特殊的轮系悬挂系统。它需要四个驱动电机,控制系统也比较复杂, 造价也较高。排爆机器人图 2.63 三角轮系的机构图图 2.64 (a) 全方位方式； (b) 转弯方式; (c) 旋转方式; (d) 制动方式5履带式行走机器
9、人：履带式行走机器人：?特点：?可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。?没有自位轮，依靠左右两个履带的速度差转弯，会产生滑动，转弯阻力大，且不能准确地确定回转半径。履带式行走机器人图例（1）：履带式行走机器人图例（2）：救救援援机机器器人人德国排爆机器人6脚踏行走机器人：脚踏行走机器人：?脚踏行走机器人即步行机器人，典型特征是不仅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶，具有广泛的适应性。主要设计难点是机器人跨步时自动转移重心而保持平衡的问题。两足步行机器人图例：?控制特点：控制特点：?使机器人的重心经常在接地的脚掌上，一边不断取得准静态平衡，一
10、边稳定的步行。?结构特点：结构特点：?为了能变换方向和上下台阶，一定要具备多自由度。图 2.65 两足步行式行走机构原理图两足步行机器人图例：主要构成：主要构成：1框架2大腿3小腿4脚5肩6肘7手8液压缸图 2.66 汉库科技公司的双足机器人步行式四足机器人图例（1）：?特点：特点：?四足机器人在静止状态下是稳定的，具有很高的实用性。?四足机器人步行时，一只脚抬起，三只脚支撑自重，这时有必要移动身体，让重心落在三只脚接地点组成的三角形内。四足机器人图例（2）：四足机器人图例（3）：7其它行走机器人：其它行走机器人：?爬壁机器人：?车轮和脚混合式机器人：其它行走机器人图例：其它行走机器人图例：4. 其它移动方式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000 米无缆自治机器人蛇形机器人Class is over.Bye-bye!
