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1、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,1,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：,?,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
2、动。,3,各种坐标类型机身运动方案设计（,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：,?
3、,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：,?,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,1,回转与升降运动机身,(1),：,?,链轮,液压缸,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
4、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,回转与升降机身,(2),：,?,直线运动液压缸,摆动液压缸,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
5、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,：,?,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
6、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：,?,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。,回转与俯仰机身图例：,三、机器人行走机构,1,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：,?,
7、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：,?,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,
8、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：,三个车轮、转向叉、驱动装置等。,?,驱动方案,：,?,电机,5,驱动轮,1,：,通过,V,1,、,V,2,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：,施加在角落的力容易产生使机器人翻倒，,对负载有一定的限制。,图,2.59,所示的三组轮是由美国,Unimation,stanford,行走,机器人课题研究小组设计研
9、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
10、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,援,机,器,人,德国排爆机器人,6,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：,?,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，,一边稳定的步行。,?,结构特点：,?,为了能变换方向,和上下台阶，
11、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：,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：,?,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：,?,爬壁机器人：,?,车轮和脚混合式机器人：,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!,
