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1、第4章 机器人本体基本结构,机器人的本体结构指其机体结构和机械传动系统，也是机器人的支承基础和执行机构。本章以工业机器人为主要对象，介绍机器人本体主要组成部分的特点和结构形式。,4.1 概 述,机器人本体是机器人的重要部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影响整体性能。4.1.1 机器人本体的基本结构形式一、机器人本体基本结构机器人本体主要包括:(1)传动部件；(2)机身及行走机构；(3)臂部；(4)腕部；(5)手部。,二、机器人本体基本结构的举例（关节型机器人）关节型机器人的主要特点是模仿人类腰部到手臂的基本结构，因
2、此本体结构通常包括机器人的机座结构及腰部关节转动装置、大臂结构及大臂关节转动装置、小臂结构及小臂关节转动装置、手腕结构及手腕关节转动装置和末端执行器。目前，可以像人一样行走的关节型机器人已经取得成功，并正向具有高级智能的方向拓展。,进行机器人本体的运动学、动力学和其他相关分析时，一般将机器人简化成由连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的开端安装有末端执行器。末端执行器是机器人直接参与工作的部分。手部可以是各种夹持器，也可以是各种工具，如焊枪、喷头等。操作时，往往要求手部不仅能到达指定的位置，而且要有正确的姿态。组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类，一
3、类是组成手臂的长连杆，也称臂杆，其产生主运动，是机器人的位置机构；另一类是组成手腕的短连杆，它实际上是一组位于臂杆端部的关节组，是机器人的姿态机构，确定了手部执行器在空间的方向。,机器人本体基本结构的特点主要可归纳为以下四点：(1)一般可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决定了机器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。(2)开式连杆系中的每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵活。(3)连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型
4、，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。(4)连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其他不稳定现象。,综合可见，合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。臂杆质量小：有利于改善机器人操作的动态性能。结构静、动态刚度高：1.有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的跟踪精度;2.可降低对控制系统的要求和系统造价;3.可增加机械系统设计的灵活性。提高机器人结构固有频率:可避开机器人的工作频率，有利于系统的稳定。（通常机器人的低阶固有频
5、率为525Hz，以中等速度运动时，输入信号的脉冲延续时间约在0.051s，振荡频率相当于在120Hz，因而机械系统可能会因此激发振荡。运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量机器人动力学性能好坏的重要指标。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从而提高机器人的使用性能。）,4.1.2 机器人本体材料的选择选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。机器人本体用来支承、连接、固定机器人的各部分，当然也包括机器人的运动部分，这一点与一般机械结构的特性相同。机器人本体所用的材料也是结构材料。但另一方面，机器人本体又不单是固定结构件，所以，机器人运动部分
6、的材料质量应轻。精密机器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度有要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。从材料角度看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧密相关。另外，机器人材料应具备柔软和外表美观等特点。总之，正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。,一、材料选择的基本要求机器人结构的动力学特性是材料选择的出发点。(1)强度高。高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。(2)弹性模量大。
7、构件刚度与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。(3)重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引起的，与构件的质量有关。为了提高构件刚度应选用弹性模量E大且低密度的材料。(4)阻尼大。机器人臂经过运动后，要求能平稳地停下来。可是在终止运动的瞬时构件会产生惯性力和惯性力矩，构件自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，应采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。(5)材料经济性。材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。,二、机器人常用材料简介1碳素结构钢和合金结构钢这类材料强度好，弹性模量E大，抗变形能力强，是应用最广泛的
8、材料。2铝、铝合金及其他轻合金材料这类材料重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故E/之比仍可与钢材相比。3纤维增强合金这种纤维增强金属材料具有非常高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。,4陶瓷陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。5纤维增强复合材料这类材料具有极好的E/比，而且具有大阻尼的优点，但存在老化、蠕变、高温热膨胀以及与金属件连接困难等问题。6粘弹性大阻尼材料增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动态特性的有效方法。目前最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行约束层阻尼处理。,4.2 机身及臂部
9、结构,机器人必须有一个便于安装的基础件机座或行走机构。机座往往与机身做成一体。机身和臂部相连，机身支承臂部，臂部又支承腕部和手部。另外，机身和臂部运动的平稳性也是应重点注意的问题。,4.2.1 机器人机身结构的基本形式和特点机器人机身(或称立柱)是支承臂部及手部的部件。一、机身的典型结构机身结构一般由机器人总体设计确定。比如，圆柱坐标型机器人把回转与升降这两个自由度归属于机身；球坐标型机器人把回转与俯仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人把回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人有时把升降(Z轴)或水平移动(X轴)自由度归属于机身。现介绍回转与升降机身和回转与俯仰机身。,1回转与升降机身(1
10、)回转运动采用摆动油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。因摆动油缸安置在升降活塞杆的上方，故活塞杆的尺寸要加大。(2)回转运动采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。(3)链轮传动机构。链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于360。,图4.1 链条链轮传动实现机身回转的原理图,2回转与俯仰机身 机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油(气)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4.2所示。此外有时也采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连
11、杆机构实现手臂的俯仰运动。,图4.2 回转与俯仰机身,二、机身驱动力(力矩)计算1垂直升降运动驱动力的计算作垂直运动时，除克服摩擦力之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总重力以及升降运动的全部部件惯性力，故其驱动力Pq可按下式计算：,式中：Fm为各支承处的摩擦力(N)；Fg为启动时的总惯性力(N)；W为运动部件的总重力(N)；对于式中的正、负号，上升时为正，下降时为负。,2回转运动驱动力矩的计算回转运动驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩和机身自身运动部件和其支承的手臂、手腕、手部及工件的总惯性力矩，故驱动力矩Mq 可按下式计算：,而,式中：为升速或制动过
12、程中的角速度增量(rad/s)；t为回转运动升速过程或制动过程的时间(s)；J0为全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量(kgm2)。,3升降立柱下降不卡死(不自锁)的条件计算偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的总重量对机身回转轴的静力矩。当手臂悬伸为最大行程时，其偏重力矩为最大。故偏重力矩应按悬伸最大行程且最大抓重时进行计算。根据静力学原理可求出手臂总重量的重心位置距机身立柱轴的距离L，亦称做偏重力臂，如图4.3所示。,图4.3 机器人手臂的偏重力矩,偏重力臂的大小为,偏重力矩为,手臂在总重量W的作用下有一个偏重力矩，而立柱支承导套中有阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响
13、。如果偏重力矩过大，使支承导套与立柱之间的摩擦力过大，出现卡滞现象，此时必须增大升降驱动力，相应的驱动及传动装置的结构庞大。如果依靠自重下降，立柱可能卡死在导套内而不能作下降运动，这就是自锁。故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。根据升降立柱的平衡条件可知,要使升降立柱在导套内下降自由，臂部总重量W必须大于导套与立柱之间的摩擦力Fm1及Fm2，因此升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件为,即,式中：h为导套的长度(m)；f为导套与立柱之间的摩擦系数，f=0.0150.1，一般取较大值；L为偏重力臂(m)。假如立柱升降都是依靠驱动力进行的，则不存在立柱自锁(卡死)条件，升降驱动力计算中摩擦
14、阻力按上式计算。,三、机身设计要注意的问题(1)刚度和强度大，稳定性好。(2)运动灵活，导套不宜过短，避免卡死。(3)驱动方式适宜。(4)结构布置合理。,4.2.2 机器人臂部结构的基本形式和特点机器人的手臂由大臂、小臂(或多臂)所组成。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动形式最为通用。一、臂部的典型机构1臂部伸缩机构行程小时，采用油(气)缸直接驱动；行程较大时，可采用油(气)缸驱动齿条传动的倍增机构或步进电动机及伺服电动机驱动，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动。为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，臂部伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花
15、键等形式的臂杆。常用的导向装置有单导向杆和双导向杆等，可根据手臂的结构、抓重等因素选取。,图4.4所示为采用四根导向柱的臂部伸缩结构。手臂的垂直伸缩运动由油缸3驱动，其特点是行程长，抓重大。工件形状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，可采用四根导向柱。这种结构多用于箱体加工线上。,图4.4 四导向柱式臂部伸缩机构1手部；2夹紧缸；3油缸；4导向柱；5运行架；6行走车轮；7轨道；8支座,2手臂俯仰运动机构通常采用摆臂油(气)缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，如图4.5所示。3手臂回转与升降机构手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360的情况，也有
16、采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。,图4.5 摆动油缸驱动连杆俯仰臂机构1手部；2夹紧缸；3升降缸；4小臂；2、5、7摆动油缸；6大臂；8立柱,二、机器人手臂材料的选择 机器人手臂材料应根据手臂的工作状况来选择。机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。另一方面，机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻，它应是轻型材料。而手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。综
17、合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料制作手臂。,三、臂部设计需注意的问题(1)承载能力足。要考虑抓取物体的重量和运动时的动载荷。(2)刚度高。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，应合理选择手臂的截面形状。常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。(3)导向性能好，动作迅速、灵活、平稳，定位精度高。(4)重量轻、转动惯量小。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少整个手臂对回转轴的转动惯量。(5)合理设计与腕和机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。,4.2.3 机器人的平稳性和臂杆平衡方法机身和臂
18、部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载又较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。为了提高工作平稳性，在设计时应采取有效的缓冲装置吸收能量。一般应注意以下几点：(1)要求机身和臂部运动部件紧凑，质量轻，以减少惯性力。(2)运动部件各部分的质量对转轴或支承的分布情况，即重心的布置。尽量重心与转轴重合。,臂杆作为主要的运动部件需要重点考虑。为了减小驱动力矩和增加运动的平稳性，大、小臂杆一般都需要进行动力平衡。从机械驱动的合理性和安全性角度出发，机器人臂杆的平衡还有助于在动力被突然切断时降低对刹车装置的要求。常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法和采用平衡电动
19、机。,一、质量平衡方法臂杆质量平衡的原理是合理地分布臂杆质量，使臂杆重心尽可能落在支点上，必要时甚至采用在适当位置配置平衡质量(即配重)的方法，使臂杆的重心落在支点上。在关节型机器人的应用中，由于小臂杆质量对驱动扭矩的不利影响更大，因而在小臂杆上使用平衡技术更为普遍；对于大臂臂杆，主要使用弹簧力或其他可控力，如气、液、电力等进行平衡。,图4.6所示为一种在质量平衡技术中最经常使用的平行四边形平衡机构。,图4.6 机器人平行四边形平衡机构,只要满足,就能保证,使平行四边形机构处于平衡状态。这说明该平衡系统在机械臂的任何构形下都是平衡的。,二、弹簧平衡方法弹簧平衡一般可以使用长弹簧。如图4.7所示
20、，在工作位置上弹簧力产生的平衡力矩M0 为,图4.7 弹簧平衡原理,由,得,实际应用时弹簧的刚度很难完全满足要求的条件，此时，可通过适当改变弹簧的长度和刚度加以修正。,三、气动和液压平衡方法气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相似。优点：a.平衡缸中的压力是恒定的，不会随臂杆的位置变化而变化；b.平衡缸的压力很容易得到调节和控制，有利于提高整个机器人的动态性能。缺点:需要动力源和储能器，因而系统比较复杂，结构比较庞大；而且设计时如果采用这种方案，需考虑动力源一旦中断时(如手臂会因自重下滑等)的防范措施，以免发生事故。,4.3 腕部及手部结构,机器人的手部作为末端执行器是完成抓握工件或执行特定
21、作业的重要部件，需要有多种结构。腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。目前，RRR型三自由度手腕应用较普遍。,4.3.1 机器人腕部结构的基本形式和特点腕部是机器人的小臂与末端执行器之间的连接部件，其作用是利用自身的活动度确定手部的空间姿态。从驱动方式看，手腕一般有两种形式:直接驱动是指驱动器安装在手腕运动关节的附近直接驱动关节运动，因而传动路线短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯量大。远程驱动的驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机器人的整体动态性能有好处，但传动设计复
22、杂，传动刚度也降低了。,按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为:滚转是能实现360无障碍旋转的关节运动，通常用R来标记。弯转相对转动角度一般小于360。通常用B来标记。,一、腕部的自由度机器人一般具有六个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度，如图4.9所示。,图4.9 手腕的坐标系和自由度,图4.10 三自由度手腕的6种结合方式示意图。,手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。三自由度手腕能使手部取得空间任意姿态。,二、设计腕部时一般应注意的问
23、题(1)结构紧凑，重量轻。(2)动作灵活、平稳，定位精度高。(3)强度、刚度高。(4)合理设计与臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。,4.3.2 机器人手部结构的基本形式和特点一、机器人手部的特点(1)手部与手腕相连处可拆卸。(2)手部是机器人末端执行器。(3)手部的通用性比较差。(4)手部是一个独立的部件。,二、手部的分类1按用途分1)手爪手爪具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件，握持工件，释放工件。2)工具工具是进行某种作业的专用工具，如喷漆枪、焊具等。,图4.18 平面钳爪夹持圆柱工件 图4.19 专用工具(喷漆枪、焊具),2按夹持原理分,3按手指或吸盘数目分(1)
24、按手指数目可分为二指手爪及多指手爪。(2)按手指关节可分为单关节手指手爪及多关节手指手爪。(3)吸盘式手爪按吸盘数目可分为单吸盘式手爪及多吸盘式手爪。,图4.21 三指手爪 图4.22 柔性手指手爪,4按智能化分(1)普通式手爪。这类手爪不具备传感器。(2)智能化手爪。这类手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器及滑觉传感器等，手爪与传感器集成成为智能化手爪。,三、手爪设计和选用的要求1被抓握的对象物 1)几何参数 2)机械特性2物料馈送器或储存装置3机器人作业顺序4手爪和机器人匹配 1）接口匹配。2)承载能力匹配。5环境条件,4.4 传动及行走机构,机器人是运动的，各个部位都需要能源
25、和动力，传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位，因此设计和选择良好的传动部件是非常重要的。这涉及关节形式的确定、传动方式以及传动部件的定位和消隙等多个方面的内容。,4.4.1 机器人传动机构结构的基本形式和特点,图4.33 转动关节的形式,一、关节1转动关节关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。1）转动关节的形式,2）轴承机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多种形式，球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。,图4.34 基本耐磨球轴承,2移动关节移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨
26、部分组成。导轨部分分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨和磁性悬浮导轨等形式。一般，要求机器人导轨间隙小或能消除间隙；在垂直于运动方向上要求刚度高，摩擦系数小且不随速度变化，并且有高阻尼、小尺寸和小惯量。通常，由于机器人在速度和精度方面的要求很高，故一般采用结构紧凑且价格低廉的滚动导轨。滚动导轨可以按直线导轨的种类、轨道形状和滚动体分为:(1)按滚动体分类球、圆柱滚子和滚针。(2)按轨道分类圆轴式、平面式和滚道式。(3)按滚动体是否循环分类循环式、非循环式。,二、机器人传动机构机器人中常用的传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带传动及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。1齿轮传动机器人中常用的齿轮传动机
27、构是行星齿轮传动机构和谐波传动机构。主要完成速度和力矩的变换与调节。电动机是高转速、小力矩的驱动器，而机器人常要求低转速、大力矩。,1)行星齿轮传动机构行星齿轮传动尺寸小，惯量低；一级传动比大，结构紧凑；载荷分布在若干个行星齿轮上，内齿轮也具有较高的承载能力。,图4.35 行星齿轮传动结构简图,2)谐波传动机构谐波传动在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动，谐波发生器是在椭圆型凸轮的外周嵌入薄壁轴承制成的部件。轴承内圈固定在凸轮上，外圈依靠钢球发生弹性变形，一般与输入轴相连。柔轮是杯状薄壁金属弹性体，杯口外圆切有齿，底部称为柔轮底，用来与输出轴相连。刚轮内圆有很多齿，齿数比柔轮多两个，一般固定
28、在壳体。输入轴为3，如果刚轮1固定，则轴5为输出轴；如果轴5固定，则刚轮1的轴为输出轴。,图4.36所示是谐波传动的结构简图。,谐波传动的优点：尺寸小，惯量低；因为误差均布在多个啮合点上，传动精度高；因为为加预载啮合，传动侧隙非常小；因为为多齿啮合，传动具有高阻尼特性。谐波传动的缺点：柔轮的疲劳问题；扭转刚度低；以2、4、6倍输入轴速度的啮合频率产生振动；谐波传动与行星传动相比具有较小的传动间隙和较轻的重量，但是刚度比行星减速器差。,2丝杠传动 丝杠传动有滑动式、滚珠式和静压式等。机器人传动用的丝杠具备结构紧凑，间隙小和传动效率高等特点。滑动式丝杠螺母机构是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传
29、动平稳，无噪声，并且能自锁。因丝杠的螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩可获得较大的牵引力。但是，丝杠螺母螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动效率低。滚珠丝杠传动效率高，而且传动精度和定位精度均很高，传动时灵敏度和平稳性亦很好。由于磨损小，滚珠丝杆的使用寿命比较长，但成本较高。,图4.38 滚珠丝杠的基本组成1丝杠；2螺母；3滚珠；4导向槽,图4.39 丝杠螺母传动的手臂升降机构1电动机；2蜗杆；3臂架；4丝杠；5蜗轮；6箱体；7花键套,3带传动与链传动带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的带传动和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时还用来驱动平行
30、轴之间的小齿轮。同步带传动同步带传动属于低惯性传动，适合于在电动机和高速比减速器之间使用。同步带上安装滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功能。由于同步带传动惯性小，且有一定的刚度，所以适合于高速运动的轻型滑座。,图4.40 同步带形状,2)滚子链传动滚子链传动属于比较完善的传动机构，由于噪声小，效率高，因此得到了广泛的应用。但是，高速运动时滚子与链轮之间的碰撞会产生较大的噪声和振动，只有在低速时才能得到满意的效果，即滚子链传动适合于低惯性负载的关节传动。链轮齿数少，摩擦力会增加，要得到平稳运动，链轮的齿数应大于17，并尽量采用奇数齿。,4绳传动与钢带传动1)绳传动绳传动广泛应用于机器人的手爪开合传
31、动，适合有限行程的运动传递。优点：钢丝绳强度大，各方向上的柔软性好，尺寸小，预载后有可能消除传动间隙。缺点：不加预载时存在传动间隙；因为绳索的蠕变和索夹的松弛使传动不稳定；多层缠绕后，在内层绳索及支承中损耗能量；效率低；易积尘垢。2)钢带传动 钢带传动的优点是传动比精确，传动件质量小，惯量小，传动参数稳定，柔性好，不需润滑，强度高。,5杆、连杆与凸轮传动重复完成简单动作的搬运机器人中广泛采用杆、连杆与凸轮机构，例如，从某位置抓取物体放在另一位置上的作业。连杆机构的特点是用简单的机构可得到较大的位移，而凸轮机构具有设计灵活，可靠性高和形式多样等特点，外凸轮机构是最常见的机构，它借助于弹簧可得到较
32、好的高速性能；内凸轮驱动时要求有一定的间隙，其高速性能劣于前者；圆柱凸轮用于驱动摆杆，而摆杆在与凸轮回转方向平行的面内摆动。设计凸轮机构时，应选用适应大负载的凸轮曲线(修正梯形和修正正弦曲线等)。,图4.43 凸轮机构,图4.44 连杆机构,6流体传动流体传动分为液压传动和气压传动。液压传动由液压泵、液压马达或液压缸组成，可得到高扭矩-惯性比。气压传动运动精度差，但易达到高速，多数用在完成简易作业的搬运机器人上。,图4.45 油缸和齿轮齿条手臂机构,图4.46 气缸和齿轮齿条增倍手臂机构1运动齿条；2齿轮；3活塞杆,三、传动件的定位和消隙1传动件的定位机器人的重复定位精度要求较高，设计时应根据
33、具体要求选择适当的定位方法。目前常用的定位方法有电气开关定位、机械挡块定位和伺服定位。1)电气开关定位电气开关定位是利用电气开关作行程检测元件。当机械手运行到定位点时，行程开关发出信号，切断动力源或接通制动器，从而使机械手获得定位。液压驱动的机械手运行至定位点时，行程开关发出信号，电控系统使电磁换向阀关闭油路而实现定位。电动机驱动的机械手需要定位时，行程开关发信号，电气系统激励电磁制动器进行制动而定位。使用电气开关定位的机械手，其结构简单，工作可靠，维修方便，但由于受惯性力、油温波动和电控系统误差等因素的影响，其重复定位精度比较低，一般为(35)mm。,2)机械挡块定位机械挡块定位是在行程终点
34、设置机械挡块，当机械手减速运动到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前缓冲较好，定位时驱动压力未撤除，在驱动压力作用下将运动件压在机械挡块上，或驱动压力将活塞压靠在缸盖上就能达到较高的定位精度，最高可达0.02mm。若定位时关闭驱动油路，去掉驱动压力，机械手运动件不能紧靠在机械挡块上，定位精度就会减低，其减低的程度与定位前的缓冲效果和机械手的结构刚性等因素有关。,图4.47 利用机械插销定位的结构1行程节流阀；2定位圆盘；3插销；4定位油缸,3)伺服定位前两种定位方法只适用于两点或多点定位。而在任意点定位时，要使用伺服定位系统。伺服定位系统可以输入指令控制位移的变化，从而获得良好的运动特性。它不仅适
35、用于点位控制，而且也适用于连续轨迹控制。开环伺服定位系统没有行程检测及反馈装置，是一种直接用脉冲频率变化和脉冲数量控制机器人速度和位移的定位方式。这种定位方式抗干扰能力差，定位精度较低。如果需要较高的定位精度(如0.2 mm)，则一定要降低机器人关节轴的平均速度。闭环伺服定位系统具有反馈环节，抗干扰能力强，反应速度快，容易实现任意点定位。,2传动件的消隙传动机构存在间隙，也叫侧隙。就齿轮传动而言，齿轮传动的侧隙是指一对齿轮中一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够获得的最大角位移。传动间隙影响机器人的重复定位精度和平稳性。对机器人控制系统来说，传动间隙导致显著的非线性变化、振动和不稳定。但是，传动间隙
36、是不可避免的，其产生的主要原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙，为适应热膨胀而特意留出的间隙。消除传动间隙的主要途径有：提高制造和装配精度，设计可调整传动间隙的机构，设置弹性补偿元件。,几种常用传动消隙方法：1)消隙齿轮2)柔性齿轮消隙3)对称传动消隙4)偏心机构消隙5)齿廓弹性覆层消隙,4.4.2 机器人行走机构结构的基本形式和特点行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。行走机构按其行走移动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。无固定轨迹式按行走机构的特点可分为步行式、轮式和履带式。在行走过程中
37、，步行式为间断接触，轮式和履带式与地面为连续接触；前者为类人(或动物)的腿脚式，后两者的形态为运行车式。运行车式行走机构用得比较多，多用于野外作业，比较成熟。步行式行走机构正在发展和完善中。,一、固定轨迹可移动机器人该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。这类机器人除了采用这种直线驱动方式外，有时也采用类似起重机梁行走方式等。这种可移动机器人主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，立体化仓库中的材料搬运、材料堆垛和储运及大面积喷涂等。,二、无固定轨迹式行走机器人1对行走机器人的一般要求工厂对机器人行走性能的基本要求是：机器人能够从一台机器旁边移
38、动到另一台机器旁边，或者在一个需要焊接、喷涂或加工的物体周围移动。首先需要机器人能够面对一个物体自行重新定位。同时，行走机器人应能够绕过其运行轨道上的障碍物。计算机视觉系统是提供上述能力的方法之一。运载机器人的行走车辆必须能够支承机器人的重量。当机器人四处行走对物体进行加工的时候，移动车辆还需具有保持稳定的能力。可以采用以下两种方法：一是增加机器人移动车辆的重量和刚性，二是进行实时计算和施加所需要的平衡力。由于前一种方法容易实现，所以它是目前改善机器人行走性能的常用方法。,2典型行走机构具有三组轮子的轮系该机器人的行走机构设计得非常灵活，它不但可以在工厂地面上运动，而且能够沿小路行驶。缺点：稳
39、定性不够，容易倾倒，而且运动稳定性随着负载轮子的相对位置不同而变化；在轮子与地面的接触点从一个滚轮移到另一个滚轮上的时候，还会出现颠簸。,图4.54 具有三组轮子的轮系,2)具有四组轮子的轮系具有四组轮子的轮系其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。它需要四个驱动电动机，控制系统也比较复杂，造价也较高。,3)两足步行式机器人行走机构要始终满足静力学的平衡条件，也就是机器人的重心始终落在接触地面的一脚上。两足步行机器人的动步行有效地利用了惯性力和重力。动步行的典型例子是踩高跷。,图4.55 两足步行式机器人行走机构原理图,4)四足、六足及多足步行式机器人这类步行式机器人是模仿动物行走的机器人。,图4.57 四足缩放式腿步行机器人的平面几何模型 图4.58 六足缩放式腿步行机器人,5)履带式行走机器人可以在有些凹凸的地面上行走；可以跨越障碍物；能爬梯度不太高的台阶。缺点：由于没有自定位轮，没有转向机构，只能靠左右两个履带的速度差实现转弯，所以在横向和前进方向都会产生滑动；转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。,图4.59 装有转向机构的履带式机器人,6)其他行走机器人为了特殊的目的，还研制了各种各样的移动机器人机构。,图4.61 能在壁面上爬行的机器人,
