第02章-机器人的基本结构原理.doc

教案首页课程名称 农业机器人 任课教师 第2章 机器人的根本结构原理 计划学时 3教学目的和要求：1. 弄清机器人的根本构成；2. 了解机器人的主要技术参数；3. 了解机器人的手部、腕部和臂部结构；4. 了解机器人的机身结构；5. 了解机器人的行走机构重点：1. 掌握机器人的根本构成2. 弄清机器人都有哪些主要技术参数3. 机器人的手部、腕部和臂部结构难点：机器人的手部、腕部和臂部结构思考题：1. 机器人由哪些局部组成？2. 机器人的主要技术参数有哪些？3. 机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能否有其它类型的行走机构？第2章 概 论教学主要容：2.1 机器人的根本构成2.2 机器人的主要技术参数2.3 人的手臂作用机能初步分析2.4 机器人的机械结构构成2.5 机器人的手部2.6 机器人的手臂2.7 机器人的机身2.8 机器人的行走机构本章介绍了机器人的根本构成、主要技术参数，人手臂作用机能，在此根底上对机器人的手部、手腕、手部、。机身、行走机构等原理与相关的结构设计进展讨论，使学生对机器人的机构和原理有较为清楚的了解。2.1机器人的根本构成简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不一样，通常情况下，一个机器人系统由三局部、六个子系统组成。这三局部是机械局部、传感局部、控制局部；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等。如图2-1所示。人机交互系统控制系统驱动系统机械系统感知系统机器人环境交互系统控制部分机械部分传感部分图2-1 机器人的根本构成l 机械系统 是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开环运动学链系。连杆类似于人类的小臂、大臂等。关节通常分为转动关节和移动关节，移动关节允许连杆做直线移动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节-连杆结构所构成的机械结构一般有3个主要部件，即手、腕、臂，它们可在规定的围上运动。l 驱动系统 是使各种机械部件产生运动的装置。常规的驱动系统有气动传动、液压传动或电动传动，它们可以直接地与臂、腕或手上的机械连杆或关节连接在一起，也可以使用齿轮、带、链条等机械传动机构间接传动。l 感知系统 由一个或多个传感器组成，用来获取部和外部环境中的有用信息，通过这些信息确定机械部件各局部的运行轨迹、速度、位置和外部环境状态，使机械部件的各局部按预定程序或者工作需要进展动作。传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。l 控制系统 其任务是根据机器人的作业指令程序以与从传感器反应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。假设机器人不具备信息反应特征，那么为开环控制系统；假设具备信息反应特征，那么为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统又可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工控制系统。根据控制运动的形式，控制系统还可分为点位控制和规矩控制。l 机器人-环境交互系统 是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人可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，也可以是多台机器人或设备集成为一个复杂任务的功能单元。l 人机交互系统 是使操作人员参与机器人控制并与机器人进展连续的装置。例如计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板与危险信号报警器等。归纳起来人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。机器人作为一个系统，它由如下部件构成：机械手或移动车 这是机器人的主体局部，由连杆，活动关节以与其它结构部件构成，使机器人达到空间的某一位置。如果没有其它部件，仅机械手本身并不是机器人。相当于人的身体或手臂末端执行器 连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务，机器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。相当于人的手末端执行器安装在机器人上以完成给定环境中的任务，如焊接，喷漆，涂胶以与零件装卸等就是少数几个可能需要机器人来完成的任务。通常，末端执行器的动作由机器人控制器直接控制，或将机器人控制器的信号传至末端执行器自身的控制装置如PLC驱动器 驱动器是机械手的“肌肉。常见的驱动器有伺服电机，步进电机，气缸与液压缸等，也还有一些用于某些特殊场合的新型驱动器，它们将在第6章进展讨论。驱动器受控制器的控制。传感器 传感器用来收集机器人部状态的信息或用来与外部环境进展通信。机器人控制器需要知道每个连杆的位置才能知道机器人的总体构型。人即使在完全黑暗中也会知道胳膊和腿在哪里，这是因为肌腱的中枢神经系统中的神经传感器将信息反应给了人的大脑。大脑利用这些信息来测定肌肉伸缩程度进而确定胳膊和腿的状态。对于机器人，集成在机器人的传感器将每一个关节和连杆的信息发送给控制器，于是控制器就能决定机器人的构型。机器人常配有许多外部传感器，例如视觉系统，触觉传感器，语言合成器等，以使机器人能与外界进展通信。控制器 机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反应信息一起协调机器人的运动。假设要机器人从箱柜里取出一个零件，它的第一个关节角度必须为35°，如果第一关节尚未达到这一角度，控制器就会发出一个信号到驱动器输送电流到电动机，使驱动器运动，然后通过关节上的反应传感器电位器或编码器等测量关节角度的变化，当关节达到预定角度时，停止发送控制信号。对于更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控制器控制。机器人控制器与人的小脑十分相似，虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大，但它却控制着人的运动。处理器 处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并且监视控制器与传感器协调动作。处理器通常就是一台计算机专用。它也需要拥有操作系统，程序和像监视器那样的外部设备等。软件 用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系统，用来操作计算机。第二块是机器人软件，它根据机器人运动方程计算每一个关节的动作，然后将这些信息传送到控制器，这种软件有多种级别，从机器语言到现代机器人使用的高级语言不等。第三块是例行程序集合和应用程序，它们是为了使用机器人外部设备而开发的例如视觉通用程序，或者是为了执行特定任务而开发的。在许多系统中，控制器和处理器放置在同一单元中。虽然这两局部放在同一装置盒甚至集成在同一电路中，但他们有各自的功能。2.2 机器人主要技术参数 由于机器人的结构、用途和用户要求的不同，机器人的技术参数也不同。一般来说，机器人的技术参数主要包括自由度、工作围、工作速度、承载能力、精度、驱动方式、控制方式等。l 自由度 机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部末端操作器的开合自由度。自由度表示了机器人动作灵活的尺度。机器人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性越好；但是自由度越多结构也越复杂。图2-2 三自由度机器人 图2-3 六自由度机器人l 工作围 机器人的工作围是指机器人手臂或手部安装点所能达到的空间区域。因为手部末端操作器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，这里指不安装末端操作器时的工作区域。机器人工作围的形状和大小十分重要，机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能达到的作业死区而无法完成工作任务。机器人所具有的自由度数目机器组合决定其运动图形；而自由度的变化量即直线运动的距离和回转角度的大小那么决定着运动图形的大小。l 工作速度 指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间所移动的距离或转动的角度。产品说明书中一般提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但是在实际应用中仅考虑最大稳定速度是不够的。这是因为运动循环包括加速启动、等速运行和减速制动三个过程。如果最大稳定速度高允许的极限加速度小，那么加减速的时间就会长一些，即有效速度就要低一些。所以，在考虑机器人运动特性时，除了要注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加减速度。l 承载能力 指机器人在工作围的任何位姿上所能承受的最大负载，通常可以用质量、力矩、惯性矩来表示。承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。一般低速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓起的工件质量作为承载能力指标。图2-4 排爆机器人l 定位精度、重复精度和分辨率 定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。如果机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不一样，而是在一平均值附近变化，变化的幅度代表重复精度。分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。定位精度、重复精度和分辨率并不一定相关，它们是根据机器人使用要求设计确定的，取决于机器人的机械精度与电气精度。l 驱动方式 是指机器人的动力源形式，主要有液压驱动、气压驱动和电力驱动等方式。l 控制方式指机器人用于控制轴的方式，目前主要分为伺服控制和非伺服控制。2.3 人的手臂作用机能初步分析人的上肢大体上可以分为大臂、小臂、手部三大局部。大臂通过肩关节与躯干相连接，小臂与手之间通过腕关节相连接。手部由手掌与五个手指构成。从工程学的角度出发，将臂部从肩关节起到手腕关节的活动机能用自由度加以描述，那么每个可看作缸体的局部，在空间都有沿x、y、z轴的三个移动自由度，以与绕x、y、z轴的三个转动自由度。人手共有27个自由度。图2-5 人臂的自由度 图2-6 人手的自由度人的手指通过关节的屈伸，可以进展种种的复杂动作。尤其是大拇指与其他四指不同，它除了有与其他四指一样的屈伸功能外，还具有外转动的机能，以与与其他四个指对向的机能，这种对向动作，大大提高了手的把握机能。从机构学的角度，将日常生活中常见手的握持动作大致可以区分。在考虑机械手的把握机能时，除必须考虑机械手自身的机构和机构外，还必须对对象物与环境等进展分析。作为机械手自身，存在手指的大小、形状、根数、手指接触外表的状态与手指的配置情况问题。同时，还存在一个为充分发挥其作用，全体所具有的自由度数问题。对象物的条件请参见表2-1 ，P13对于有条件约束的机械手，在确定手指所需握力时还应考虑由于惯性与振动的影响而产生的附加力。如果在机械手上再加上感知性传感元件，感知到手指外表是否接触到对象物，抓着对象物时的强弱，以与被加在手上的外力大小，手指的开闭程度等，就成了具有智能的高级机械手。2.4 机器人机械结构组成通常机器人由手部、手腕、手臂。机身和行走机构组成。l 手部 机器人为了进展作业，通常在手腕上配置的操作机构，也称末端操作器。其主要作用是抓取物体，对其进展相关操作。l 手腕 连接手部和手臂的部件，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传到手臂。它有独立的自由度，以使机器人的手能满足复杂的动作要求。l 手臂 连接机身和手腕的局部，主要作用是把被抓取的工件运送到给定的位置，并将各种载荷传递到机座。l 机身它是机器人的根底局部，起支承作用。固定式机器人的机身直接连在地面或者平台上，移动式机器人的机身安装在移动机构上。l 移动机构移动机器人需要移动机构，它能根据工作任务的要求，带动机器人在一定围空间运动。机器人的手部是最重要的执行机构，可分为：工业机器人的手部和仿人机器人的手部。工业机器人的手部2.4.1夹钳式手部它一般由手指和驱动装置、传动机构和承接支架组成，能通过手抓的开闭动作实现对物件的夹持。图2-8夹钳式手部1-手指； 2，4-传动机构3-驱动装置；5-工件1. 手指手指是直接与物件接触的构件。手指的开和闭合实现了松开和加紧物件。通常机器人的手部只有两个手指，也有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。把持机能良好的机械手，除手指具有适当的开闭围、足够的握力与相应的精度外，其手指的形状应顺应被抓取对象物的形状。例如，对象物假设为圆柱形，那么往往采样V形手指，如图2-9a所示；对象物为方形，那么大多采用平面形手指，如图2-9b所示；用于夹持小型或柔性工件的尖指，如图2-9c所示；适用于形状不规那么工件的专用特形指，如图2-9d所示。图2-9 夹钳式手的指端根据工件形状、大小与其被夹持部位材质软硬、外表性质等的不同，主要有光滑指面、齿型指面和柔性指面三种形式。光滑指面 其指面平整光滑，用来夹持已加工外表，防止已加工的光滑外表受损伤。齿型指面 其指面刻有齿纹，可增加与被夹持工件间的摩擦力，以确保夹紧可靠，多用来夹持外表粗糙的毛坯和半成品。柔性指面 其镶衬了橡胶、泡沫、石棉等物，有增加摩擦力、保护工件外表、隔热等作用。一般用来夹持已加工外表、炽热件，也适于夹持薄壁件和脆性工件。2. 传动机构传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的特点可分为回转型和平移型。回转型传动机构 其手部的手指是一对杠杆，再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、涡轮蜗杆或螺杆等机构组成符合杠杆传动机构，以改变传力比、传动比与运动方向等。平移型传动机构 它是通过手指的指面做直线往复运动，或平面移动实现开与闭合动作的。常用于夹持具有平行平面的工件，因其结构比拟复杂，不如回转型应用广泛。二、吸附式手部吸附式手部依靠吸附力取料，根据吸附力不同可分为气吸附和磁吸附两种形式。吸附式手部适应于抓取大平面、易碎、微小的物体。1.气吸式手部 是机器人常用的一种吸持对象的装置，是利用吸盘的压力和大气压之间的压力差而工作的。可分为 真空吸附、气流负压吸附和挤压排气式吸附等。2. 磁吸式手部 利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附对象，与气吸式手部一样，磁吸式手部不会破坏被吸对象的外表质量。2.4.2仿人机器人的手部一、柔性手为了能对不同外形的物体实施抓取，并使物体外表受力比拟均匀，一次研制出了柔性手。二 多指灵巧手多指灵巧手由多个手指组成，每一个手指有三个回转关节，每一个关节自由度都是独立控制的。图2-22为工业大学和德国宇航中基于DLRII灵巧手合作开发的具有多种传感功能的新一代机器人HIT/DLR灵巧手，有4个一样结构的模块化手指、13个自由度，具有位置、温度等多种传感器。2.4.3 机械手驱动力学计算【选讲容】1.夹紧力的计算手指握紧工件时所需要的力称为握力即夹紧力，握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置以与夹持工件的方位有关。图2-23 夹持悬伸工件时的受力分析设夹紧力N 位于手指与工件接触面的对称面，两力大小相等，方向相反。工件重G，重心在C点，由于重力作用线与手指夹持工件时的对称平面不重合，因此，手指附加承受工件的悬伸偏重力矩为GL。设在偏重力矩的作用下，工件对手指的反作用力按三角形分布。为防止工件下移，下指对工件产生的反作用力R1=G，为防止工件转动，上下指对工件产生一力矩2R2H/6=GL。其中R2为手指对工件的反作用力的合力。对O1点取矩：对O2点取矩：二试相加整理得：K3称为方位系数，它与手指和工件的形状以与手指夹持工件时的方位有关。2.驱动力的计算当工件重量，手指指形，工件的形状和夹持的方位确定后，即可查看教材P21表2-2的握力计算公式，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力，振动以与传力机构效率的影响，其实际的驱动力Ps应按下式计算。PsP式中 P驱动力，N；手部的机械效率，一般取0.850.95；K1安全系数，一般取1.22；K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可由下式估计，K2=1+/g被抓取工件运动时的最大加速度；g 重力加速度。握力与驱动力P的关系，取决于传力机构的结构形式与尺寸等。2.5 机器人的手腕机器人手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调节或改变工件的方位，因而具有独立的自由度，以使机器人手部满足复杂的动作要求。手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。1. 单自由度手腕 如图2-27所示，图2-27a是一种翻转Roll关节，它将手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式。这种R关节旋转角度大，可达到360°以上。图2-27b、c是一种折曲Bend关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种B关节因为受到结构上的干预，旋转角度小，大大限制了方向角。图2-27d是一种移动Move关节。2. 二自由度手腕 二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕，如图2-28a所示。也可以由两个B关节组成BB手腕，如图 2-28b但是，不能由两个RR关节组成RR手腕，因为两个R共线，所以退化了一个自由度，实际只构成了一个单自由度手腕。3. 三自由度手腕 它可以由B关节和R关节组成多种形式。图2-29a所示是通常见到的BBR手腕，使手部具有俯仰、偏转和翻转运动，即RPY运动。图2-29b所示是一个B关节和两个R关节组成的BRR手腕，为了不使自由度退化，使手部产生RPY运动，第一个R关节必须进展如下图的偏置。图2-29c所示是三个R关节组成的RR手腕，它可以实现手部的RPY运动。图2-29d所示是BBB手腕，很明显，它已退化为二自由度手腕，只有PY运动，实际上不采用这种手腕。此外，B关节和R关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，透视产生了其他三种形式的三自由手腕。为了使手腕结构紧凑，通常把两个B关节安装在一个十字接头上。设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外，还要求手腕结构简单，紧凑轻巧，防止干预. 传动灵活，多数情况下，要求将腕部结构的驱动局部安排在小臂上，使外形整齐. 也可以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，运动传入手腕部后再分别实现各个动作。下面介绍几个常见的机器人手腕结构。(1)单自由度手腕图 2-30 所示为采用回转油缸的手腕结构。定片 1 与后盖 3，回转缸体 6 和前盖 7 均用螺钉和销子进展连接和定位，动片 2 与手都的夹紧油缸缸体 (或转轴) 4 用键连接。缸体4 与指座 8 因连成一体。当回转油缸的两腔分别通人压力油时，驱动动片连同夹紧油缸缸体 1和指座 8一 同转动，即是手腕的回转运动。此手腕具有结构简单和紧凑等优点。见图 2-30(2)二自由度手腕 图 2-31 所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图。VV 剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动，以实现手腕的左右摆动；LL 剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转，以实现手腕的回转运动。其油路的分布如剖面所示。 图 2-32 所示为 KUKAIR 662/100 型机器人的手腕传动 )条理图。这是一个具有 3 个自由度的手腕结构，关节配置形式为臂转、腕摆、手转结构。其传动链分成两局部：一局部在机器人小臂壳， 3 个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上；另一局部传动链安排在手腕部，图 2-33 所示为手腕局部的装配图。P26 图 2-32其传动路线如下。臂转运动 臂部外套筒与手腕壳体 7 通过端面法兰连接，外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。腕接运动 臂部中间套通过花键与空心轴 4 连接，空心轴另一端通过一对锥齿轮12、13 带动腕摆谐波减速器的波发生器16，波发生器上套有轴承和柔轮 14，谐波减速器的定10 与手腕壳体相连，动轮11通过盖18 和腕摆壳体 19 相固按，当中间套带动空心轴旋转时，腕摆壳体做腕摆运动。手转运动 臂部心轴通过花键与腕部中心轴 2 连接，中心轴的另一捕通过一对锥齿轮 45、46 带动花键轴41，花键轴的另一端通过同步齿形带传动 44、36 带动花键轴 35，再通过一对锥齿轮传动 33、带动谐波减速器的波发生器 25，波发生器上套有轴承和柔轮29，谐波减速器的定轮 31通过底座34与腕摆壳体相连，动轮 24 通过安装架23 与连接手部的 法兰30相固定，当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时，法兰盘作手转运动。2.6 机器人的手臂 手臂是机器人执行机构中重要的部件，它的作用是支承腕部和手部，井将披抓取的工件运送到给定的位置上。机器人的臂部主要包括臂杆以与与其运动有关的构件，包括传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接和位置检测元件等。此外，还有与腕部或手臂的运动和连接支承等有关的构件，其结构形式如图 234 所示。2.6.1 机器人的手臂一般机器人手臂有 3 个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降 (或俯仰)运动。手臂回转和升降运动是通过机座的立柱实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。手臂的 3 个自由度，可以有不同的运动 (自由度)组合，通常可以将其设计成如图 2-34 五种形式。 圆柱坐标型 如图 2-34(a)所示，这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱形。它与直角坐标型比拟，在一样的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动围大。 直角坐标型 如图 2-34(b)所示，直角坐标型机器人，其运动局部由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。球坐标型 如图 2-34(c)所示，又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一球体，它可以作上下俯仰动作并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间围大的特点，但结构轻复杂。关节型 如图 2-34(d)所示，关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与六臂同形成肩关节，大臂与小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动1和使大管作俯仰摆动2，小臂作俯仰摆动3。其特点是工作空间围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物体。平面关节型 如图 2-34(e)所示，采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节那么实现上下运动，具工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状、这种形式又称为SCARA型装配机器人。结合P29-30的图选讲其中一个工作原理。2.6.2 机器人手臂的典型机构1手臂直线和回转运动机构机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。实现手臂往复直线运动的机构形式比拟多，常用的有活塞油汽缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以与连杆机构等。因为活塞油汽缸的体积小、重量轻，在机器人的手臂结构中得到的应用比拟多。2手臂俯仰运动机构机器人手臂的俯仰运动一般采取活塞油汽缸与连杆机构联用来实现。手臂的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，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接。结合P-31-32的图选讲其中一个工作原理。2.7 机器人的机身机器人必须有一个便于安装的根底件机座或行走机构。机座往往与机身作成一体。机身与臂部相连，机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部，机身运动的平稳性是一个重要的问题。下面主要介绍直线移动机身、回转与升降机身、回转与俯仰机身和类人式多自由度机身等。(1)直线移动机身 直线移动机身通常设计成横梁式，用于悬挂手管部仵，这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效地利用空间，直观等优点。横梁可设计成固定型或行走型，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱粱或有关设备上，也可从地面架设。图 2-47 所示形式为双臂对称交叉悬挂式。双管悬挂式结构大多用于为某一机床 (如卧式车床、外圆磨床等)上、下料服务，一个臂用于上料，另一个臂用于下料，这种形式可以减少辅助时间，缩短动作循环周期，有利于提高生产率。双臂在横梁上的配置有双管平行配置、双臂对称交叉配置和双臂一侧交叉配置等。具体配置形式，视工件的类型、工件在机床上的位置和夹紧方式、料道与机床问相对位且与运动形式等不同而各异。 (2)回转与升降机身 回转与升降机身的回转运动采用摆动油缸驱动；升降油缸可以布置在回转油缸上面，也可以布置在回转油缸下面，有的采用链条链轮传动来将直线运动变为链轮的回转运动，也有用双杆活塞汽缸驱动链条链轮回转的方式，这种驱动方式的回转角度可大于 360°。图 2-48所示为气动机器人采用单杆活塞汽缸驱动链条链轮传动机构实现机身的回转运动。 (3)回转与俯仰机身 机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油 (汽)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，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，如图 2-49 所示。此外有时也采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。 (4)类人式多自由度机身荷兰的 Mark Ho 设计的 ARTFORM No. 1 类人式机器人的机身如图 250 所示。它的机身上除装有驱动臂部的运动装置外，还有驱动足部运功的装置和腰部关节。靠足部和腰部的屈伸运动来实现升降，腰部关节实现左右和前后人身轴线方向的回转运动。 (5)机身设计要注意的问题 i刚度和强度大，稳定性好。 ii. 运动灵活，导套不宜过短，防止卡死。 iii. 驱动方式适宜。 iv. 结构布置合理。2.8 机器人的行走机构行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由行走的驱动装置、传动机构、位置信息传感器等组成。它支承机器人机身、臂和手都，并带动机器人在它的环境中无约束地运动。 机器人的行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。工业机群人大多采用固定轨迹式行走机构。对了无固定轨迹式行走方式，按其行走机构的结构特点可分为轮式、履带式和足式。2.8. 1 固定轨迹式行走机构该类机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。除了这种直线驱动方式外，还有类似起重机梁行走方式等，这种可移动机主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓库中材料搬运等。2.8.2 无固定轨迹式行走机构 (1)轮式行走机构迄今为止，轮子一般是移动机器人中最流行的行走运动机构，它可达到很高的效率且用比拟简单的机械就可实现。车轮的形状或结构形式取决于地面性质和车辆的承载能力。在轨道上运行的多采用钢轮，室外路面行驶的采用充气轮胎，室平坦地面上的可采用实心轮胎，图 2-51 所示的是不同地面上采用的不同车轮形式。图 2-51(a)适合于平坦的坚硬路面；图 2-51(b)适 于沙丘地形；图 2-51(c)为车轮的一种变形，称为无缘轮，适合于爬越阶梯和在水田中驶；图 2-51(d)和图 2-51(e)所示的是超轻金属线编织轮和半球形轮。这两种轮为火星外表移动车辆开发而言之，其中超轻金属线编制轮用来减少移动机构的重量，减少飞船升空时的功耗。车轮式行走机构依据车轮的多少分为一轮、二轮、三轮、四轮以与多轮机构。一轮和二轮行走机构在实现上的主要障碍时稳定性问题。实际应用的车轮式行走机构多为三轮和四轮。图2-53 是美国Unimation-Stanford 研究小组设计的一种三轮机器人。该三组轮子呈等边三角形分布在机器人的下部，每组轮子由假设干个滚轮组成，这些轮子能够在驱动电动机的带动下自由的转动，使机器人移动。四轮行走机构的应用最为广泛，四轮机构采用不同的方式实现驱动和转向。图2-55a为两轮独立驱动，前后带有辅助轮的方式，与图2-55b相比，当旋转半径为0时，由于能绕车体中心旋转，因此有利于在狭窄场所改变方向。图2-55b所谓汽车方式，适合高速行走。2履带式行走机构履带式行走机构的主要特征是将圆环状的无限轨道带绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。利用履带可以缓冲路面的状态，因此可以在各种路面上行走，图2-57是INSPECTOR反恐排爆机器人采用的即是履带式机构。图2-57 INSPECTOR 排爆机器人 INSPECTOR侦查机器人履带式行走方式的优点主要有：l 能登上较高的台阶；l 由于履带的突起，路面保持力强，因此适合在荒地上移动；l 能实现原地旋转；l 重心低，稳定性好通过进一步采用适应地形的履带，可产生更有效的利用履带特性的方法。如图2-58波兰学者Fijalkowski利于现代技术，提出了仿龟形的步行橡胶履带车辆，像龟腿似的四条履带在普通路面上行驶，同常规车辆一样可以高速行驶，当地面变软或遇到障碍物时，四条履带可以与地面星型轮一样实现缓慢行驶。3足式行走机构履带式行走机构虽然可以再上下不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时晃动太大，在软地面上行驶运动效率低。面对崎岖的路面，轮式和履带式行走工具必须面临最坏的地形上几乎所有的点，相比之下，足式运动方式那么优越的多。首先，因为足式运动方式的立足点是离散的点，他可以在可能达到的地面上选择最优的支撑点；其次，足式运动方式具有主动隔振能力，尽管上下不平，机身的运动仍然可以相当平稳；再次，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。足式行走机构有一足、两足、三足、四足、六足等，足的数目越多，承载能力越强，但是运动速度越慢，双足和四足具有良好的适应性和灵活性，最接近人类和动物。1. 单足机器人单足机器人的主要问题在于保持平衡。2. 双足机器人为了开发理想模型的双足步行机器人，各国的研究人员根据自己设定的目标进展了各种各样的研究。3.多足机器人4轮足混合行走机构足式行走机器人在粗糙的地形中和提供良好的机动性，轮足混合可提高行走效率。【思考题】：1. 机器人由哪些局部组成？2. 机器人的主要技术参数有哪些？3. 机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能否有其它类型的行走机构？4. 机器人手臂有哪几种形式，各有什么缺点？