1、组成组成 一、机器人系统的组成 如图所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统 驱动系统 要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统 感受系统 它由内部传感器模块和外部传感器模块组成,获取内部和外部环境状态中有意义的信息智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效 机器人一环境交互系统机器人一环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备
2、相互联系和协调的系统机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等 人一机交互系统 人一机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置 ：指令给定装置和信息显示装置 控制系统 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制 操作机器人本体的结构形式操作机器人本体的结构形式机机 器器 人本体人本体执行机构执行机构
3、驱动装置驱动装置控制系统控制系统感知系统感知系统手部（操作器）手部（操作器）腕部腕部臂部臂部腰部腰部电驱动装置电驱动装置液压驱动装置液压驱动装置气压驱动装置气压驱动装置处理器处理器关节伺服控制器关节伺服控制器内部传感器内部传感器外部传感器外部传感器 基基 座座（固定或移动固定或移动）传动装置传动装置6手部手部腕部腕部小臂（上臂）小臂（上臂）大臂大臂（下臂）（下臂）腰部腰部 基基 座座控制柜控制柜示教盒示教盒关节（关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。对运动的机构。连杆连杆（Link）：）：机器人手臂上机器人手臂上被相
4、邻两关节分开的部分。被相邻两关节分开的部分。自由度（自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描述物：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。由度一般不包括在内。刚度（刚度（Stiffness）：）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。定位精度（定位精度（Positioning accuracy）：）：指指
5、机器人末端参考点实际到达的位置与所机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。需要到达的理想位置之间的差距。重复性（重复性（Repeatability）或重复精度：或重复精度： 在相同的位置指令下，机器人连续重在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。量一列误差值的密集程度，即重复度。oo工作空间（工作空间（Working space）：机器人机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般
6、不包括末端操作器本身间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。所能到达的区域。二、工业机器人的机械结构 工业机器人的机械本体类似于具备上肢机能的机械手 ，由手部、腕部、臂、机身(有的包括行走机构)组成。 2.12.1机械手的操作动作机械手的操作动作 机械手的动作形态是由三种不同的单动作旋转、回转、伸缩组合而成的。 旋转和回转是指运动机构产生相对运动。旋转是转动部件的轴线和转动轴同轴；回转是转动部件的轴线与转动轴不同轴。 伸缩是指运动机构产生直线运动。 2.22.2机械手的坐标形式和自由度机械手的坐标形式和自由度 （1）根据单元动作组合方式的不同，机械手的动作形态一般归纳为以下四种坐标类型
7、：直角坐标型(图722)；圆柱坐标型(图723)；极坐标型(图724)；多关节型(图725)。 直角坐标型机械手可以在三个互相垂直的方向上作直线伸缩运动，这类机械手各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但占地面积大，限于特定的应用场合 圆柱坐标型机械手有一个围绕基座轴的旋转运动和两个在相互垂直方向上的直线伸缩运动。它适用于采用油压(或气压)驱动机构，在操作对象位于机器人四周的情况下，操作最为方便。 极坐标型机械手的动作形态包括围绕基座轴的旋转，一个回转和一个直线伸缩运动，其特点类似于圆柱型机械手。 多关节型机械手最接近于人臂的构造。它主要由多个回转或旋转关节所组成，一般都采用电机驱动机构
8、。运用不同的关节连接方式，可以完成各种复杂的操作。由于具有占地面积小，动作范围大，空间移动速度快而灵活等特点，多关节型机械手在各种智能机器人中被广为采用。SCARA机器人 关节式机器人2.3.2.3. 机身、臂部和手部机构机身、臂部和手部机构机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复
9、杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。机身结构机身结构常用的机身结构：）升降回转型机身结构）俯仰型机身结构）直移型机身结构）类人机器人机身结构臂部结构臂部结构手臂部件(简称臂部)是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件、配管配线等。根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：）伸缩型臂部结构）转动伸缩型臂部结构）
10、驱伸型臂部结构）其他专用的机械传动臂部结构机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种形式：（）横梁式（）立柱式（）机座式（）驱伸式横梁式横梁式：机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效利用空间，直观等优点。横梁可设计成固定的或行走的，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。立柱式：立柱式：立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配置形式。一般臂
11、部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。立主式结构简单，服务于某种主机，承担上、下料或转运等工作。机座式机座式：机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。各种运动形式均可设计成机座式。屈伸式屈伸式：屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机身间的配置形式关系到机器人的运动轨迹，可以实现平面运动，也可以作空间运动。（图见下页图见下页）4、手腕结构、手腕结构手腕手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用
12、是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：）臂转绕小臂轴线方向的旋转。）手转使手部绕自身的轴线方向旋转。）腕摆使手部相对于臂进行摆动。手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式如下图所示：腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。柔顺手腕柔顺手腕在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件的不一致、工件的定位夹具、机器人的定位精度不能
13、满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。柔顺装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。一种是从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的要求。5、手部机构、手部机构 机器人的手部是是最重要的执行机构。机器人的手部是是最重要的执行机构。 机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操作机构。因此有时也称为末端操作器。作机构。因此有时也称为末端操作器。 由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷涂等）和作业对象的不同（如轴类、
14、板类、箱类、包类物涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物体等），体等）， 手部的形式多样。手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和综合考虑手部的用途、功能和结构持点，大致可分成以下几类：结构持点，大致可分成以下几类： 1卡爪式夹持器；卡爪式夹持器； 2吸附式取料手；吸附式取料手； 3专用操作器及换接器专用操作器及换接器 4仿生多指灵巧手。仿生多指灵巧手。34卡爪式夹持器卡爪式夹持器通常有两个夹爪，分为回转型和平移型两种通常有两个夹爪，分为回转型和平移型两种类型。类型。 卡爪式夹持器卡爪式夹持器几种弹力抓手几种弹力抓手1 1）弹力夹持器）弹力夹持器352） 回转型夹持器回转型夹持器
15、l 开合占用空间开合占用空间 较小较小l 夹持中心变化夹持中心变化363 3）平移型夹持器）平移型夹持器l 开合占用空开合占用空 间较大间较大l 夹持中心保夹持中心保 持不变持不变1. 滑槽杠杆式手部滑槽杠杆式手部2.齿轮齿条式手部齿轮齿条式手部3.滑块杠杆式手部滑块杠杆式手部4.斜斜楔楔杠杠杆杆式式5.移动型连杆式手部移动型连杆式手部6.齿轮齿条式手部齿轮齿条式手部7.内涨斜块式手部内涨斜块式手部8.连杆杠杆式手部连杆杠杆式手部手指类型：手指类型：41 吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。
16、运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。 吸附式取料手吸附式取料手 气吸附取料手是利用吸盘内气压与大气压之间的压力差而气吸附取料手是利用吸盘内气压与大气压之间的压力差而工工作的。具有结构简单，重量轻，吸附力分布均匀等优点。作的。具有结构简单，重量轻，吸附力分布均匀等优点。 按形成压力的方法，可分成真空气吸、气流负压气吸、挤按形成压力的方法，可分成真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式儿种。压排气负压气吸式儿种。 1 1）气吸附取料手）气吸附取料手气流负压气吸盘气流负压气吸盘挤压排气吸盘挤压排气吸盘真空气吸盘真空气吸盘422 2）磁吸附取料手）磁吸附取料手43专用操作器及换接器专用操作器及换
17、接器44 人手是最灵巧的夹持器，如果模拟人手结构，就能制造人手是最灵巧的夹持器，如果模拟人手结构，就能制造出结构最优的夹持器。但由于人手自由度较多（出结构最优的夹持器。但由于人手自由度较多（2020个），个），驱动和控制都十分复杂，迄今为止，只是制造出了一些原驱动和控制都十分复杂，迄今为止，只是制造出了一些原理样机，离工业应用还有一定的差距。理样机，离工业应用还有一定的差距。 仿生多指灵巧手仿生多指灵巧手UTACHMIT 多指多指手手 三指三指手手 双拇指双拇指手手 45最小的三指最小的三指手手 BHII 三指手三指手 四指灵巧四指灵巧手手 灵巧的双灵巧的双手手 DLR多指手多指手哈工大多指手
18、哈工大多指手46 手指关节的设计手指关节的设计手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：1) 腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。MIT手、手、JPL手和手和DLR-I手都是这种方式。手都是这种方式。2) 齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间齿轮传动，特点是传动比
19、可靠，但是摩擦较大，有回程间隙，占用空间大。隙，占用空间大。3) 连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能较好连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能较好的实现多种运动规律和运动轨迹的要求。但是设计复杂，不的实现多种运动规律和运动轨迹的要求。但是设计复杂，不能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如Belgrade手，手，NASA手等。手等。4）欠驱动手指关节）欠驱动手指关节5 、移动机器人、移动机器人救救援援机机器器人人3）步行式）步行式（足式行走）（足式行走）履带式行走机构履带式行走机构虽然可在高低不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时
20、候晃动太大，在软地面上行驶运动效率低。根据调查，在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走。但是一般多足动物却能在这些地方行动自如，显然足式与轮式和履带式行走方式相比具有独特的优势。足式行走足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力一，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。（）足的数目（）足的数目现有的步行机器人的足数分别为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足
21、的数目多，适合于重载和慢速运动。双足和四足具有最好的适应性和灵活性，也最接近人类和动物。下页图下页图显示了单足、双足、三足、四足和六足行走结构。（）足的配置（）足的配置足的配置指足相对于机体的位置和方位的安排，这个问题对于多于两足时尤为重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一种配置因容易引起腿间的干涉而实际上很少用到。几何构型几何构型弯曲方向弯曲方向（）足式行走机构的平衡和稳定性（）足式行走机构的平衡和稳定性静态稳定的多足机静态稳定的多足机其机身的稳定通过足够数量的足支撑来保证。在行走过程中，机身重心的垂直投影始终落在支撑足着落地点的垂直投影所形成的凸多边形内。这样，即使
22、在运动中的某一瞬时将运动“凝固”，机体也不会有倾覆的危险。这类行走机构的速度较慢，它的步态为爬行或步行。动态稳定动态稳定典型的例子是踩高跷。高跷与地面只是单点接触，两根高跷在地面不动时站稳是非常困难的，要想原地停留，必须不断踏步，不能总是保持步行中的某种瞬间姿态。在动态稳定中，机体重心有时不在支撑图形中，利用这种重心超出面积外而向前产生倾倒的分力作为行走的动力并不停地调整平衡点以保证不会跌倒。这类机构一般运动速度较快，消耗能量小。其步态可以是小跑和跳跃。4）其它移动方式）其它移动方式军军用用昆昆虫虫机机器器人人爬缆索机器人爬缆索机器人水下水下6000米无缆自治机器人米无缆自治机器人蛇形机器人蛇
23、形机器人三、机器人的驱动系统3.1关节直接驱动方式 直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连间接驱动方式是驱动器经过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等装置后与关节轴相连 (1)关节间接驱动方式的缺点 大部分机器人的关节是间接驱动这种间接驱动，通常其驱动器的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以必须使用减速器另外，由于手臂通常采用悬臂梁结构，所以多自由度机器人关节上安装减速器会使手臂根部关节驱动器的负荷增大 目前中小型机器人一般采用普通的直流伺服电机、交流伺服电机或步进电机作为机器人的执行电机由于电机速度较高，所以需配以大速比减速装置，进行间接传动但是，间接驱动带来了机械传动中
24、不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸 (2)关节直接驱动方式 直接驱动机器人也叫作DD机器人(Direct drive robot)，简称DDRDD机器人一般指驱动电机通过机械接口直接与关节连接 DD机器人的特点是驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换 DD机器人与间接驱动机器人相比，有如下优点：机械传动精度高振动小，结构刚度好机械传动损耗小结构紧凑，可靠性高 电机峰值转矩大，电气时间常数小，短时间内可以产生很大转矩，响应速度快，调速范围宽控制性能较好 日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的DD机器人美国Adept公司研制出带有视觉功能的四自由度平
25、面关节型DD机器人日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD一600V机器人其性能指标为：最大工作范围12 m，可搬重量5 kg，最大运动速度82 ms，重复定位精度005 mm DD机器人目前主要存在的问题 载荷变化、耦合转矩及非线性转矩对驱动及控制影响显著，使控制系统设计困难和复 杂对位置、速度的传感元件提出了相当高的要求需开发小型实用的DD电机 电机成本高 3.2 驱动元件 (1) 液(气)压驱动 液(气)压缸 液(气)压马达 (2)步进电动机驱动 在小的机器人上，有时也用步进电机作为主驱动电机。可以用编码器或电位器提供精确的位置反馈，所以步进电机也可用于闭环控制 步进电机是通过脉冲电
26、流实现步进的，因此每给一个脉冲转子便转动一个步距。在精度要求不高的情况下，没有必要加入位置反馈 (3)直流电动机驱动 直流电动机与步进电动机是工业机器人中应用最广泛的两种电动机，但两者的动作方式有本质上的区别。直流电动机是连续旋转，运动连续且平滑，且本身没有位置控制能力 要实现精确的位置控制，必须加入某种形式的位置反馈，构成闭环伺服系统；有时，机器人的运动还有速度要求，所以还要加入速度反馈。一般直流电动机和位置反馈、速度反馈形成一个整体，即通常所说的直流伺服电机。由于采用闭环伺服控制，所以能实现平滑的控制和产生大的力矩 当今大部分机器人都采用直流伺服电机驱动机器人的各个关节,但它们也有一些缺点
27、，如转速不能太高 近年来，新发展起来的无刷直（交）流伺服电动机克服了上述缺点，并保留了直流伺服电动机的优点，因此无刷电动机逐渐取代了直流伺服电动机 （4）无刷直(交)流伺服电动机 原理 由图可见，转子是由永久磁铁组成，定子有绕组线圈，可以通过机壳把绕组热量散发出去，因此，同功率的无刷电动机体积质量比较直流伺服电动机小得多，或者说同体积电动机，无刷电动机功率远大于直流电动机。像直流电动机一样，无刷电动机也需要有绕组电流的换向功能，但不是由机械式换向器实现，由于组接到外部的驱动电路上，驱动电路可以根据转子位置信息利用电子开关来改变流向电枢的电流方向（5）制动器）制动器许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。制动器通常是按照失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。缺点是：工作期间不断花费电力使制动器放松。
