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1、机器人技术概论机器人技术概论Introduction to Robotic Technology101 机器人的基本构件机器人的基本构件02 机器人的自由度机器人的自由度03 机器人的传动机构机器人的传动机构04 机器人的移动机构机器人的移动机构05 机器人的腿部机构机器人的腿部机构06 机器人的臂部机构机器人的臂部机构07 机器人的手部机构机器人的手部机构第四章第四章 机器人的机构与肢体机器人的机构与肢体(Robotic Mechanism and Body)2机机器器人人的的肌肌体体是是无无机机的的，其其中中，最最重重要要的的是是动动作作器器官官，包包括括：机机械械腿腿，机机械械臂臂，和和
2、机械手。机械手。301 机器人的基本构件1.1 连杆连杆：机器人的骨骼：机器人的骨骼在机器人机构中，最基本的构件有两种：连杆（Link）：相当于人或动物的骨骼铰链（Joint）：相当于人或动物的关节连杆，或称“连接件”，一般为刚性物体，其中，理论上，任意两点没有相对的运动。连杆，可以有各种各样的形状，可以由各种各样的材料构成，然而，都可以抽象为一条线段。401 机器人基本构件与自由度连杆，需要与铰链连合在一起。铰链，是一种能将两个连杆（刚体）连合在一起的机构，它为连杆之间的相对运动，提供物理上的约束。1.2 铰链铰链：机器人的关节：机器人的关节(2)：旋转铰链铰链，有多种形式：(4)：平移铰链
3、(1)：球形铰链（万向节）(3)：平面铰链(5)：圆柱铰链(6)：螺旋铰链501 机器人基本构件与自由度铰链，主要有两种基本的形式：（所有的铰链都是这两种基本形式的组合）1.2 铰链铰链：机器人的关节：机器人的关节旋转铰链：最常见的铰链形式，约束两个连杆相对旋转的运动。601 机器人基本构件与自由度铰链，主要有两种基本的形式：（所有的铰链都是这两种基本形式的组合）1.2 铰链铰链：机器人的关节：机器人的关节平移铰链：约束两个连杆相对位移的运动。702 机器人的自由度2.1 关于自由度概念关于自由度概念自由度（Degree of Freedom，DoF），是表示一个机械系统运动灵活性的尺度，意味
4、着独立的运动的数量。自由度的概念，其意义在于：描述机械系统运动的灵活性或灵活程度，同时，建立起机械系统设计的一个重要原理：多自由度机构可以由单自由度机构的串联形成。例如：一个多自由度的机械臂，通常是由多个单自由度机构串联形成。8严格地，一个机构的自由度（DoF），被定义为：完整描述其姿态（Pose）和构型（Configuration）所需要的独立的坐标数量。因此，一个在笛卡尔三维空间中运动的刚体，有 6 个自由度，其中，3 个为位置（Position）（位移自由度），3 个为朝向（Orientation）（旋转自由度）。机器人系统的自由度（DoF），一般由其关节的数量和自由度决定。具有驱动力的
5、铰链或关节，被称为主动关节，相应的自由度被称为主动自由度；而不具有驱动力的铰链或关节，则被称为被动关节，相应的自由度也被称为被动自由度。02 机器人的自由度2.1 关于自由度概念关于自由度概念901 机器人基本构件与自由度连杆，需要与铰链连合在一起。铰链，是一种能将两个连杆（刚体）连合在一起的机构，它为连杆之间的相对运动，提供物理上的约束。2.1 关于自由度概念关于自由度概念(2)：旋转铰链(1个旋转自由度)铰链，有多种形式：(4)：平移铰链(1个平移自由度)(1)：球形铰链（万向节）(3个旋转自由度)(3)：平面铰链(3个自由度：1个旋转和 2个平移)(5)：圆柱铰链(2个平移自由度：1个旋
6、转和1个平移)(6)：螺旋铰链(1个自由度：1个平移)102.2 自由度的计算方法自由度的计算方法计算自由度（DoF）的方法很多，Grubler-Kutzbach 准则（Criterion）是其中之一：其中：n：整个机械系统的自由度（DoF）s：运动空间的自由度（2维：s=3；3维：s=6）r：连杆（刚体）的数量p：铰链（关节）的数量ni：各关节的相对自由度02 机器人的自由度112.3 自由度计算实例自由度计算实例计算实例 1：二维空间中的四连杆机构（其中有 4 个单自由度铰链）整个机械系统的自由度（DoF）：n=？运动空间的自由度：s=3连杆（刚体）的数量：r=4铰链（关节）的数量：p=4
7、各关节的相对自由度：ni=1（i=1,2,3,4）02 机器人的自由度12计算实例 2：二维空间中的五连杆机构（其中有 5 个单自由度铰链）整个机械系统的自由度（DoF）：n=？运动空间的自由度：s=3连杆（刚体）的数量：r=5铰链（关节）的数量：p=5各关节的相对自由度：ni=1（i=1,2,3,4,5）2.3 自由度计算实例自由度计算实例02 机器人的自由度13计算实例 3：三维空间中的机械臂（其中有 7 个连杆（刚体），5 个单自由度铰链）整个机械系统的自由度（DoF）：n=？运动空间的自由度：s=6连杆（刚体）的数量：r=7铰链（关节）的数量：p=6各关节的相对自由度：ni=1（i=1
8、,2,3,4,5,6）2.3 自由度计算实例自由度计算实例02 机器人的自由度1403 机器人的传动机构3.1 关于机器人动力的传送关于机器人动力的传送机器人的动力源，包括电动马达，液动或气动系统，一般不能直接地驱动末端执行机构（或称末端效应器：End-Effector，相当于机器人的肢体，如：机械手或机械臂末端的夹持器，机械腿和机械足，轮足和履带，等等）。以减速机构为例：减速机构是最常见和最普通的传动机构，一个每分钟8000转的直流电机，由于速度和转矩的限制，一般不能直接驱动轮式机器人的末端执行机构（包括轮子），需要减速机构，对电机的旋转速度进行变换。机器人的动力，一般需要经过传动系统（传动
9、机构），才能到达并驱动需要动力的末端执行机构（末端效应器），同时，机器人运动的速度，运动的方向，也需要传动系统（传动机构）的协调和控制。15机器人动力传动的形式很多，其中，齿轮传动是最常见的，最典型的。03 机器人的传动机构3.2 机器人的齿轮传动机器人的齿轮传动(1)：直齿圆柱齿轮传动(传动：变速 换向)(2)：斜齿圆柱齿轮传动(传动：变速 换向)(3)：人字齿圆柱齿轮传动(传动：变速 换向)(4)：内啮合齿轮传动(传动：变速 换向 变换运动模式)16机器人动力传动的形式很多，其中，齿轮传动是最常见的，最典型的。03 机器人的传动机构3.2 机器人的齿轮传动机器人的齿轮传动(5)：齿轮齿条传
10、动(传动：旋转变位移)(6)：双曲面齿轮传动(传动：变速 90换向)(7)：螺旋齿轮传动(传动：变速 90换向)(8)：蜗杆传动(传动：变速 90换向)(9)：直齿锥齿轮传动(传动：变速 90换向)(10)：斜齿锥齿轮传动(传动：变速 90换向)(11)：曲线齿锥齿轮传动(传动：变速 90换向)1703 机器人的传动机构3.2 机器人的齿轮传动机器人的齿轮传动齿轮传动可对马达或发机旋转的速度和旋转的方向进行变换，还能将旋转运动变换为位移运动。(a)传递(b)变速(c)平面换向(e)旋转变位移(d)立体换向归纳起来，齿轮传动的形式有：1803 机器人的传动机构3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传
11、动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构大部分齿轮都是定轴齿轮，其轴线是固定的。轴线固定的齿轮传动原理很简单，在一对互相啮合的齿轮中，有一个齿轮作为主动轮，动力从它那里输入，另一个齿轮作为从动轮，动力从它输出。也有的齿轮仅作为中转站，一边与主动轮啮合，另一边与从动轮啮合，动力从它那里通过，这种齿轮叫惰轮。然而，有一类齿轮，它们的轴线安装在一个可以转动的支架上，即，其轴线是不固定的。(a)主动轮(b)从动轮(c)惰轮1903 机器人的传动机构然而，有一类齿轮，它们的轴线安装在一个可以转动的支架上，是不固定的。行星齿轮示意图这种齿轮，即可以自转（绕自己的轴线转动），又可以公转（绕其它的齿轮转动），
12、因而，被称为：行星齿轮。行星齿轮系统的原理较为复杂，功能和用途较为特殊。行星齿轮减速器，是行星齿轮的一种特殊用途，其中，包含一个太阳轮和3-4个行星轮。3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构2003 机器人的传动机构一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示：行星齿轮减速器可以有多种动力传送方式：行星齿轮减速器动力从太阳轮输入，从内齿轮输出，行星架锁死；动力从太阳轮输入，从行星架输出，内齿轮锁死；动力从行星架输入，从太阳轮输出，内齿轮锁死；动力从行星架输入，从内齿轮输出，太阳轮锁死；3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构
13、2103 机器人的传动机构一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示：动力从内齿轮输入，从行星架输出，太阳轮锁死；动力从内齿轮输入，从太阳轮输出，行星架锁死；两股动力分别从太阳轮和内齿轮输入合成，从行星架输出；两股动力分别从行星架和太阳轮输入合成，从内齿轮输出；行星齿轮减速器行星齿轮减速器可以有多种动力传送方式：3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构2203 机器人的传动机构一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示：两股动力分别从行星架和内齿轮输入合成，从太阳轮输出；动力从太阳轮输入，分两路从内齿轮和行星架输出；动力从行星架输入，分两路从太阳轮和内齿轮输出；
14、动力内齿轮输入，分两路从太阳轮和行星架输出。行星齿轮减速器行星齿轮减速器可以有多种动力传送方式：3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构2303 机器人的传动机构一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示：体积小，承载能力大，工作平稳；施加的力分布多个行星轮上，承受力矩大于同样大小的直齿传动机构；传动比可以很大。行星齿轮减速器行星齿轮系的主要特点在于：3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构因此，行星齿轮系可用于构造大传动比的变速器，即行星齿轮变速器。24三角带与无级变速03 机器人的传动机构3.4 带（带（Belt）链（）
15、链（Chain）传动机构）传动机构三角带（V Belt），指剖面为 V 字形（准确地说是梯形）传送带，常常用于传送电机的连续的旋转运动。(2)三角带纤维编织层聚酯丝缆(3)V 形槽传送轮(1)V 形带传送系统优点：传送距离大，可实现无级变速，简单，低廉。25(1)同步带传送系统同步带传动机构03 机器人的传动机构3.4 带（带（Belt）链（）链（Chain）传动机构）传动机构同 步 带（Synchronous Belt 或 Timing Belt），是一种带有齿条的传送带，传送距离大，传动比固定，工作稳定。(2)同步带(3)同步带轮26链条（Daisy Chain）传动机构03 机器人的传动
16、机构3.4 带（带（Belt）链（）链（Chain）传动机构）传动机构许多机器人也采用了链条或履带式传动。链条传动是我们熟悉的，自行车和摩托车的动力传动，就主要采用链条传动形式。2703 机器人的传动机构由连杆和凸轮组成的传动机构，可以把电动机的连续的旋转运动，转换为间歇往复运动，实现不等速运动（减速比可变化）的功能等。3.5 连杆与凸轮传动机构连杆与凸轮传动机构连杆、曲柄和凸轮等形成的复杂传动机构，能将电动机的动力转变为机器人肢体的动作。机械腿的凸轮传动机构原理图中是机器昆虫的机械腿及其运动示意图，其中，齿轮接受从直流电动机传递过来的动力，与齿轮固定在同一轴上的凸轮周而复始地上下和前后推动机械腿运动，从而驱使机器昆虫向前爬行。2804 机器人的移动机构自治移动式机器人，自然需要移动机构（迁徙机构）。移动机构（迁徙机构），是机器人的腿或足。4.1 关于移动（迁徙）机构关于移动（迁徙）机构机器人有各种各样的移动机构，或者说，机器人有各种各样的机械腿，大致可以分为两类：旋转型移动机构：主要特征是旋转滚动运动，如：轮式移动机构，履带式移动机构，旋翼式推进机构等。移动（迁徙），是自治移动式机器
