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1、工业机器人应用技术模块三机器人的机械结构机器人的机身结构1机器人的臂部与腕部的机构2机器人的手部机构3机器人的传动机构4机器人的传动机构4本模块主要讲述机器人的机械结构。本模块介绍了机器人的升降回转型、俯仰型、直移型、类人机器人型机身机构；讲解了机器人的臂部的组成，讲述了机器人腕部机构的转动方式、自由度、驱动方式，介绍了机器人手部机构的特点与夹持方式，讲述了机器人传动机构、行走机构的特点，讲述了车轮式、履带式和足式3种机构。单元提要学习完本模块的内容后，学生应能够了解机器人机身不同结构的组成原理，手部、腕部、臂部、传动和行走机构各部分的组成与种类；能熟练地分析各机械结构系统的特点与工作原理；掌
2、握各个机械结构的典型机构；能用上述所学分析实用机器人的各个机械结构的组成、原理、故障的可能原因。学习要求学习单元一机器人的机身结构机器人的机身结构 1.升降回转型机身结构的特点升降回转型机身结构的特点(1)升降油缸在下，回转油缸在上，回转运动采用摆动油缸驱动，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)回转油缸在下，升降油缸在上，回转运动采用摆动油缸驱动，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。一、机器人的机身结构(3)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。图图3-1 3-1 链条链轮传动机构链条链轮传动机构一、机器人的机身结构 2.
3、升降回转型机身结构的工作原理升降回转型机身结构的工作原理图3-2所示设计的机身包括两个运动，即机身的回转和升降。机身回转机构置于升降缸之上。图图3-2 3-2 升降回转型机身结构升降回转型机身结构1 1回转缸；回转缸； 2 2活塞；活塞； 3 3花键轴；花键轴； 4 4花键轴套；花键轴套； 5 5升降缸升降缸一、机器人的机身结构一、机器人的机身结构俯仰型机身结构由实现手臂左右回转和上下俯仰的部件组成，它用手臂的俯仰运动部件代替手臂的升降运动部件。俯仰运动大多采用摆式直线缸驱动。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，缸体
4、采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，如图3-3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。二、附身型机身结构图图3-3 3-3 俯仰型机身结构俯仰型机身结构三、直移型机身结构四、类人机器人型机身结构类人机器人型机身结构上除了装有驱动臂部的运动装置外，还应该有驱动腿部运动的装置和腰部关节。类人机器人型机身靠腿部的屈伸运动来实现升降，腰部关节实现左右和前后的俯仰与人身轴线方向的回转运动。学习单元二机器人的臂部与腕部机构机器人的臂部与腕部机构一般来讲，为了让机器人的手爪或末端操作器可以达到任务要求，手臂至少能够完成垂直移动、径向移动和回转运动3个运动。一、机器人臂
5、部的组成 1. 手臂的运动手臂的运动1 1）垂直运动）垂直运动2 2）径向运动）径向运动一、机器人臂部的组成3 3）回转运动）回转运动一、机器人臂部的组成 2. 手臂的组成手臂的组成机器人的手臂主要包括臂杆及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件(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、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，臂部结构可分为伸缩型臂部结构、转动伸缩型臂部结构、屈伸型臂部结构及其他专用的机械传动臂部结构。伸缩型臂部结构可由液（气）压缸驱动或直线电动机驱动；转动伸缩型臂部结构除了臂部做
6、伸缩运动，还绕自身轴线运动，以便使手部旋转。一、机器人臂部的组成二、机器人臂部的配置机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，横梁式配置通常分为单臂悬挂式和双臂悬挂式两种，如图3-4所示。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、动作简单直观等优点。 1. 横梁式配置横梁式配置图图3-4 3-4 横梁式配置横梁式配置二、机器人臂部的配置二、机器人臂部的配置立柱式配置的臂部多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动形式，是一种常见的配置形式。立柱式配置通常分为单臂式和双臂式两种。一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小、工作范围大的特点。 2. 立柱式配置立柱式配置图图3-5 3-
7、5 立柱式配置立柱式配置二、机器人臂部的配置二、机器人臂部的配置机座式配置的臂部可以是独立的、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，机座式配置通常分为单臂回转式、双臂回转式和多臂回转式。 3. 基座式配置基座式配置图图3-6 3-6 基座式配置基座式配置二、机器人臂部的配置屈伸式配置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(平面屈伸式和立体屈伸式)关系到机器人的运动轨迹，平面屈伸式可以实现平面运动，立式屈伸式可以实现空间运动，如图3-7所示。 4. 屈伸式配置屈伸
8、式配置二、机器人臂部的配置图图3-7 3-7 屈伸式配置屈伸式配置三、机器人的臂部机构三、机器人的臂部机构手臂的垂直伸缩运动由油缸驱动，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，可用4根导向柱，这种结构多用于箱体加工线上。图图3-8 3-8 四导向柱式臂部伸缩机构四导向柱式臂部伸缩机构1 1油缸；油缸； 2 2夹紧缸；夹紧缸； 3 3手部；手部； 4 4导向柱；导向柱； 5 5运行架；运行架； 6 6行走车轮；行走车轮； 7 7轨道；轨道； 8 8支座支座通常采用摆动油（气）缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，如图3-9所示。 2. 臂部俯仰结构臂部俯仰结构图图
9、3-9 3-9 摆动气缸驱动连杆俯仰臂部机构摆动气缸驱动连杆俯仰臂部机构1 1手部；手部； 2 2夹紧缸；夹紧缸； 3 3升降缸；升降缸； 4 4小臂；小臂； 5 5、8 8摆动气缸；摆动气缸； 6 6大臂；大臂； 7 7立柱立柱三、机器人的臂部机构 3.臂部回转与升降机构臂部回转与升降机构臂部回转和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，也有用升降缸与气动马达锥齿轮传动的机构。三、机器人的臂部机构工业机器人腕部是手臂和手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。机器人一般具有6个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态，腕部上的自由度主要用于
10、实现所期望的姿态。四、机器人的腕部机构 1. 腕部的作用腕部的作用四、机器人的腕部机构为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间3个坐标轴X、Y、Z的转动，即具有翻转、俯仰和偏转3个自由度，如图3-10所示。通常把腕部的回转称为Roll，用R表示；把腕部的俯仰称为Pitch，用P表示；把腕部的偏转称为Yaw，用Y表示。 2. 腕部的自由度腕部的自由度图图3-10 3-10 工业机器人腕部的自由度工业机器人腕部的自由度1 1）单自由度手腕）单自由度手腕图3-11（a）所示为R关节，它使手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式，其旋转角度大，可达360以上；图3-11（b）、图3-11（c）
11、所示为B关节，关节轴线与前、后两个连接件的轴线相垂直。B关节因为受到结构上的干涉，旋转角度小，方向角大大受限。图3-11（d）所示为T关节。图图3-11 3-11 单自由度手腕单自由度手腕四、机器人的腕部机构2 2）二自由度手腕）二自由度手腕二自由度手腕可以是由一个R关节和一个B关节组成的BR手腕见图3-12（a），也可以是由两个B关节组成的BB手腕见图3-12（b）。但是不能由两个RR关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线，所以会减小一个自由度，实际只构成单自由度手腕见图3-12（c）。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。四、机器人的腕部机构图图3-12 3-12 二自由度手腕二自由度手腕四、
12、机器人的腕部机构3 3）三自由度手腕）三自由度手腕三自由度手腕可以是由B关节和R关节组成的多种形式的手腕，但在实际应用中，常用的有BBR、RRR、BRR和RBR4种，如图3-13所示。图图3-13 3-13 三自由度手腕三自由度手腕四、机器人的腕部机构PUMA262机器人的手腕采用的是RRR结构形式，安川HP20机器人的手腕采用的是RBR结构形式，如图3-14所示。图图3-14 3-14 安川安川HP20HP20工业机器人腕部结构形式工业机器人腕部结构形式四、机器人的腕部机构学习单元三机器人的手部机构机器人的手部机构工业机器人的手部是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。对于整个工
13、业机器人来说，手部是完成作业好坏、作业柔性优劣的关键部件之一。工业机器人的手部可以像人手那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。一、机械手抓一、机械手抓 1. 手抓的驱动手抓的驱动机械手爪的作用是抓住工件、握持工件和释放工件。手指的开合通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动，气动手爪目前得到广泛的应用，主要由于气动手爪具有结构简单、成本低、容易维修，且开合迅速、质量轻等优点，其缺点在于空气介质存在可压缩性，使爪钳位置控制比较复杂。液压驱动手爪成本要高些。电动手爪的优点在于手指开合电动机的控制与机器人控制共用一个系
14、统，但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小，相比而言开合时间要稍长。一、机械手抓图3-15所示为气压驱动的手爪，气缸4中的压缩空气推动活塞5使齿条1做往复运动，经扇形齿轮2带动平行四边形机构，使爪钳3平行地快速开合。图图3-15 3-15 气压驱动的手爪气压驱动的手爪1 1齿条；齿条； 2 2扇形齿轮；扇形齿轮； 3 3爪钳；爪钳；4 4气缸；气缸； 5 5活塞活塞一、机械手抓 2. 手抓的传动机构手抓的传动机构驱动机构的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力。对于传动机构有运动要求和夹紧力要求。图3-15及图3-16所示的手爪传动机构可保持爪钳平行运动，夹持宽度变化大。对夹紧力要求是，爪钳开合
15、度不同时夹紧力能保持不变。一、机械手抓图图3-16 3-16 手爪传动机构的类型手爪传动机构的类型一、机械手抓爪钳是与工件直接接触的部分。它们的形状和材料对夹紧力有很大的影响。夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，夹持工件越安全。图3-17所示为V形爪钳图示，有4条折线与工件相接触，形成夹紧力封闭的夹持状态。 3. 爪钳爪钳图图3-17 V3-17 V形爪钳图示形爪钳图示二、磁力吸盘磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘是在手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。图图3-18 3-18 电磁吸盘的结构电磁吸盘的结构1 1外壳体；外壳体； 2 2线圈；线圈； 3 3防尘盖；防尘盖； 4
16、4磁盘磁盘二、磁力吸盘三、真空式吸盘真空负压吸盘采用真空泵能保证吸盘内持续产生负压。其吸盘吸力取决于吸盘与工件表面的接触面积和吸盘内、外压力差，另外与工件表面状态也有十分密切的关系，它影响负压的泄漏。 1. 真空负压吸盘真空负压吸盘图图3-19 3-19 真空负压吸盘真空负压吸盘1 1电动机；电动机； 2 2真空泵；真空泵； 3 3吸盘；吸盘； 4 4、5 5电磁阀；电磁阀； 6 6通大气通大气三、真空式吸盘压缩空气进入喷嘴后，由于伯努利效应，橡胶皮碗内产生负压。在工厂一般都有空压机或空压站，空压机气源比较容易解决，不用专门为机器人配置真空泵，因此气流负压吸盘在工厂里使用较多。 2. 气流负压
17、吸盘气流负压吸盘图图3-20 3-20 气流负压吸盘的工作原理气流负压吸盘的工作原理三、真空式吸盘当吸盘压向工件表面时，将吸盘内空气挤出；当吸盘与工件去除压力时，吸盘恢复弹性变形，使吸盘内腔形成负压，将工件牢牢吸住，机械手即可进行工件搬运；到达目标位置后，可用碰撞力或电磁力使压盖动作，空气进入吸盘腔内，释放工件。这种挤气负压吸盘不需要真空泵也不需要压缩空气气源，经济方便，但是可靠性比真空负压吸盘和气流负压吸盘差。 3.挤气负压吸盘挤气负压吸盘图图3-21 3-21 挤气负压吸盘的结构挤气负压吸盘的结构1 1吸盘架；吸盘架； 2 2吸盘；吸盘； 3 3工工件；件； 4 4密封垫；密封垫； 5 5
18、压盖压盖学习单元四机器人的传动机构机器人的传动机构 1. 移动关节导轨移动关节导轨在运动过程中，移动关节导轨可以起到保证位置精度和导向的作用。移动关节导轨有普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨5种。前两种导轨具有结构简单、成本低的优点，但是它必须留有间隙，以便润滑，而机器人载荷的大小和方向变化很快，间隙的存在又将会引起坐标位置的变化和有效载荷的变化；另外，这种导轨的摩擦系数又随着速度的变化而变化，在低速时容易产生爬行现象等。第三种导轨能产生预载荷，能完全消除间隙，具有高刚度、低摩擦、高阻尼等优点，但是它需要单独的液压系统和回收润滑油的机构。第四种导轨的缺点是刚度
19、和阻尼较低。一、直线传动机构一、直线传动机构目前，第五种导轨在工业机器人中应用最为广泛，图3-22所示为包容式滚动导轨的结构，其由支承座支承，可以方便地与任何平面相连，此时套筒必须是开式的，嵌在滑枕中，既增强了刚度，也方便与其他元件进行连接。图图3-22 3-22 包容式滚动导轨的结构包容式滚动导轨的结构一、直线传动机构在齿轮齿条装置中（见图3-23），如果齿条固定不动，那么当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换成拖板的直线运动。拖板是由导杆或导轨支承的。该装置的回差较大。 2. 齿轮齿条装置齿轮齿条装置图图3-23 3-23 齿轮齿条装置齿轮齿条装置1
20、1拖板；拖板； 2 2导向杆；导向杆； 3 3齿轮；齿轮； 4 4齿条齿条在工业机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力，摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速运动时的爬行现象；在装配时施加一定的预紧力，可消除回差。 3.滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母一、直线传动机构一、直线传动机构图3-24所示滚珠丝杠螺母副里的滚珠经过研磨的导槽循环往复传递运动与动力。滚珠丝杠的传动效率可以达到90%。图图3-24 3-24 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 4.液（气）压缸液（气）压缸一、直线传动机构二、
21、旋转传动机构二、旋转传动机构齿轮副不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。如图3-25所示，一个齿轮装在输入轴上，另一个齿轮装在输出轴上，可以得到齿轮的齿数与其转速成反比式（3-1），输出力矩与输入力矩之比等于输出齿数与输入齿数之比式（3-2）。(3-1)(3-2) 1. 齿轮副齿轮副图图3-25 3-25 齿轮传动副齿轮传动副二、旋转传动机构在工业机器人中，同步带传动主要用来传递平行轴间的运动。同步传送带和带轮的接触面都制成相应的齿形，靠啮合传递功率，其传动原理如图3-26所示。齿的节距用包络带轮时的圆节距t表示。图图3-26 3-26 同步带的传动原理同步带的传动原理 2.
22、同步带传动装置同步带传动装置二、旋转传动机构同步带的计算公式为式中，n1为主动轮转速，r/min；n2为被动轮转速，r/min；z1为主动轮齿数；z2为被动轮齿数。同步带传动的优点为：传动时无滑动，传动比较准确且平稳；速比范围大；初始拉力小；轴与轴承不易过载。但是，这种传动机构的制造及安装要求严格，对带的材料要求也较高，因而成本较高。同步带传动适合于电动机与高减速比减速器之间的传动。二、旋转传动机构谐波齿轮传动由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮3个主要零件组成。 3. 谐波齿轮谐波齿轮图图3-27 3-27 谐波齿轮传动谐波齿轮传动1 1输入轴；输入轴； 2 2柔性外齿圈；柔性外齿圈； 3 3刚
23、性内齿圈；刚性内齿圈； 4 4谐波谐波发生器；发生器；5 5柔性齿轮；柔性齿轮； 6 6刚性齿轮；刚性齿轮； 7 7输出轴输出轴谐波齿轮传动比的计算公式为式中，z1为柔性齿轮的齿数；z2为刚性齿轮的齿数。假设刚性齿轮有100个齿，柔性齿轮比它少两个齿，则当谐波发生器转50圈时，柔性齿轮转1圈，这样只占用很小的空间就可以得到150的减速比。通常将谐波发生器装在输入轴上，把柔性齿轮装在输出轴上，以获得较大的齿轮减速比。二、旋转传动机构工作时，刚性齿轮6固定安装，各齿均匀分布于圆周上，具有柔性外齿圈2的柔性齿轮5沿刚性内齿圈3转动。柔性齿轮比刚性齿轮少两个齿，所以柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反向转过
24、两个齿的相应转角。谐波发生器4具有椭圆形轮廓，装在其上的滚珠用于支承柔性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转，使之发生塑性变形。转动时，柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合。只有这样，柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度。通常刚性齿轮固定，谐波发生器作为输入端，柔性齿轮与输出轴相连。二、旋转传动机构二、旋转传动机构摆线针轮传动是在针摆传动基础上发展起来的一种新型传动方式，20世纪80年代日本研制出了用于机器人关节的摆线针轮传动减速器，如图3-28所示。 4.摆线针轮传动减速器摆线针轮传动减速器图图3-28 3-28 摆线针轮传动减速器摆线针轮传动减速器1 1针齿壳；针齿壳； 2
25、2输出轴；输出轴； 3 3针齿；针齿； 4 4摆线轮；摆线轮； 5 5曲曲柄轴；柄轴； 6 6渐开线行星轮；渐开线行星轮； 7 7渐开线中心轮渐开线中心轮二、旋转传动机构它由渐开线圆柱齿轮行星减速机构和摆线针轮行星减速机构两部分组成。渐开线行星轮6与曲柄轴5连成一体，作为摆线针轮传动的输入部分。如果渐开线中心轮7顺时针旋转，那么渐开线行星齿轮在公转的同时还逆时针自转，并通过曲柄轴带动摆线轮做平面运动。此时，摆线轮因受与之啮合的针轮的约束，在其轴线绕针轮轴线公转的同时，还将反方向自转，即顺时针转动。同时，它通过曲柄轴推动行星架输出机构顺时针转动。学习单元五机器人的行走机构机器人的行走机构一、机器
26、人行走机构的特点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，步行式为间断接触，轮式和履带式与地面为连续接触；步行式为类人（动物）的腿脚式，轮式和履带式的形态为运行车式。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。 1.固定轨迹式可移动机器人固定轨迹式可移动机器人一、机器人行走机构的特点固定轨迹式可移动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直线驱动方式外，也可以采用类似起重
27、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，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。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动到另一台机器旁边，或在一个需要焊接、喷涂或加工的物体周围移动。这样，就不用再把工件送到机器人旁边。这种行走性能也使机器人能更加灵活地从事更多的工作。在一项任务不忙时，它还能够进行另一项任务，就好像真正的工人一样。要使机器人能够在被加工物体周围移动或从一个工作地点移动到另一个工作地点，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迹上的障碍物。计算机视觉系统是提供上述能力的方法之
28、一。 2.无固定轨迹式行走机器人无固定轨迹式行走机器人一、机器人行走机构的特点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时，移动车辆还需具有保持稳定的能力。这就意味着机器人本身既要平衡可能出现的不稳定力或力矩，又要有足够的强度和刚度，以承受可能施加于其上的力和力矩。为了满足这些要求，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，因而它是目前改善机器人行走性能的常用方法。一、机器人行走机构的特点车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。在轨道上运行的车轮大多是实心钢轮，在室外路
29、面行驶的车轮大多是充气轮胎，在室内平坦地面行驶的车轮大多是实心轮胎。二、车轮式行走机构 1.车轮的形式车轮的形式二、车轮式行走机构图3-29（a）所示的充气球轮适合于沙丘地形；图3-29（b）所示的半球形轮是为火星表面而开发的；图3-29（c）所示的传统车轮适合于平坦的坚硬路面；图3-29（d）所示为车轮的一种变形，称为无缘轮，用来爬越阶梯，及在水田中行驶。图图3-29 3-29 车轮的不同形式车轮的不同形式二、车轮式行走机构“玉兔”月球车车轮是镂空金属带轮，镂空是为了减少扬尘。因为在月面环境影响下，“玉兔”行驶时很容易打滑，月壤细粒会大量扬起飘浮，进而对巡视器等敏感部件产生影响，引起机械结构
30、卡死、密封机构失效、光学系统灵敏度下降等故障。为应付“月尘”困扰，“玉兔”的轮子的辐条采用钛合金，筛网用金属丝编制，在保持高强度和抓地力的同时，减轻了轮子的重量，轮子是镂空的，同时还能起到减少扬尘的作用。轮子上还有二十几个抓地爪露在外面。图图3-30 3-30 “玉兔玉兔”月球车车轮月球车车轮二、车轮式行走机构图图3-31 3-31 三轮行走机构三轮行走机构三轮行走机构具有一定的稳定性，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图3-31所示。图3-31（a）所示为两后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，靠后轮的转速差实现转向；图3-31（b）所示为采用轮驱动，前轮转向的方式；图3-31（c）所示
31、为利用两后轮差动减速器驱动，前轮转向的方式。 2.车轮的配置和转向机构车轮的配置和转向机构1 1）三轮行走机构）三轮行走机构二、车轮式行走机构2 2）轮组三轮行走机构）轮组三轮行走机构三组轮子呈等边三角形分布在机器人的下部，每组轮子由若干个滚轮组成。这些轮子能够在驱动电动机的带动下自由地转动，使机器人移动。驱动电动机控制系统既可以同时驱动三组轮子，也可以分别驱动其中两组轮子。这样，机器人就能够在任何方向上移动。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。这种行走机构存在的问题是稳定性不够，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
32、面的接触点从一个滚轮移到另一个滚轮上时，还会出现颠簸。图图3-32 3-32 具有三组轮子具有三组轮子的轮组三轮行走机构的轮组三轮行走机构二、车轮式行走机构为了改进该机器人的稳定性，重新设计的三轮机器人是使用长度不同的两种滚轮，长滚轮呈锥形，固定在短滚轮的凹槽里，这样可大大减小滚轮之间的间隙，减小了轮子的厚度，提高了机器人的稳定性。此外，滚轮上还附加了软橡皮，具有足够的变形能力，可使滚轮的接触点在相互替换时不发生颠簸。二、车轮式行走机构3 3）四轮行走机构）四轮行走机构四轮机构可采用不同的方式实现驱动和转向。（a）所示为后轮分散驱动；（b）所示为四轮同步转向机构，当前轮转向时，通过四连杆机构使
33、后轮得到相应的偏转，这种转向机械相比仅有前轮转向的车辆可实现更小的转向回转半径。二、车轮式行走机构二、车轮式行走机构四轮行走机械的运动稳定性有很大提高。但是，要保证4个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4个驱动电动机，控制系统也比较复杂，造价也较高。图3-34所示为轮位可变型四轮行走机构，机器人可以根据需要让4个车轮呈横向、纵向或同心方向行走，可以增加机器人的运动灵活性。图图3-34 3-34 轮位可变型四轮行走机构轮位可变型四轮行走机构 3.越障轮式机构越障轮式机构1)1)三小轮式车轮机构三小轮式车轮机构当小车轮自转时，用于正常行走；当、车轮公转时，用于上台阶，是支臂撑起
34、的负载。图图3-35 3-35 三小轮式车轮机构三小轮式车轮机构二、车轮式行走机构二、车轮式行走机构如图3-36（a）所示，a小轮和c小轮旋转前进（行走），使车轮接触台阶停住；如图3-36（b）所示，a、b和c小轮绕着它们的中心旋转（公转），b小轮接触到了高一级台阶；如图3-36（c）所示，b小轮和a小轮旋转前进（行走）；如图3-36（d）所示，车轮又一次接触台阶停住。如此往复，便可以一级一级台阶地向上爬。图图3-36 3-36 三小轮式车轮机构上、下台阶时的工作示意图三小轮式车轮机构上、下台阶时的工作示意图二、车轮式行走机构图3-37所示为三轮或四轮装置三小轮式车轮机械上台阶时的示意图，在同
35、一个时刻，总是有轮子在行走，有轮子在公转。图图3-37 3-37 三轮或四轮装置三小轮式车轮机构上台阶时的示意图三轮或四轮装置三小轮式车轮机构上台阶时的示意图二、车轮式行走机构多节车轮式机构是由多个车轮用轴关节或伸缩关节连在一起形成的轮式行走机构。这种多轮式行走机构非常适合在崎岖不平的道路上行驶，对攀爬台阶也非常有效。图图3-37 3-37 三轮或四轮装置三小轮式车轮机构上台阶时的示意图三轮或四轮装置三小轮式车轮机构上台阶时的示意图2)2)多节车轮式机构多节车轮式机构二、车轮式行走机构图图3-39 3-39 多节车轮式行走机构上台阶的工作过程示意图多节车轮式行走机构上台阶的工作过程示意图二、车
36、轮式行走机构摇臂车轮式机构的行走机构更有利于在未知的地况下行走，图3-40所示的“玉兔”月球车是由6个独立的摇臂作为每个车轮的支撑，每个车轮可以独立驱动、独立旋转、独立伸缩。“玉兔”月球车可以凭借6个轮子实现前进、后退、原地转向、行进间转向、20爬坡、20cm越障等。六轮摇臂车轮式行走机构，可使它们同时适应不同高度，保持6个轮子同时着地，使“玉兔”月球车成为一个真正的“爬行高手”。3)3)摇臂车轮式机构摇臂车轮式机构二、车轮式行走机构图图3-40 3-40 “玉兔玉兔”月球车月球车 1.履带式行走机构的组成与形状履带式行走机构的组成与形状1)1)履带式行走机构的组成履带式行走机构的组成履带式行
37、走机构由履带、驱动链轮、支承轮、托带轮和张紧轮(导向轮)组成，如图3-41所示。三、履带式行走机构图图3-41 3-41 履带式行走机构履带式行走机构2)2)履带式行走机构的形状履带式行走机构的形状图3-42（a）所示为一字形履带式行走机构，驱动轮及张紧轮兼做支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性，此时驱动轮和导向轮只略微高于地面。图3-42（b）所示为倒梯形履带式行走机构，不做支承轮的驱动轮与张紧轮装得高于地面，链条引入引出时角度达50，其好处是适合于穿越障碍，另外因为减少了泥土夹入引起的磨损和失效，可以延长驱动轮和张紧轮的寿命。三、履带式行走机构图图3-42 3-42 履带式行走机构的形状
38、履带式行走机构的形状 2.履带式行走机构的特点履带式行走机构的特点三、履带式行走机构1)履带式行走机构的优点(1)支承面积大，接地比压小，适合在松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小。(2)越野机动性好，可以在凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构。(3)履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，可发挥较大的牵引力。 3.履带式行走机构的变形履带式行走机构的变形1)1)形状可变履带式行走机构形状可变履带式行走机构随着主臂杆和曲柄的摇摆，整个履带可以随意变成各种类型的三角形形态，即其履带形状可以为适应台阶而改变，这样会比普通履带机构的
39、动作更为自如，从而使机器人的机体能够任意上下楼梯(见图3-44)和越过障碍物。三、履带式行走机构图图3-43 3-43 形状可变履带式行走机构形状可变履带式行走机构1 1履带；履带； 2 2行星轮；行星轮； 3 3曲柄；曲柄； 4 4主臂杆；主臂杆； 5 5导向轮；导向轮；6 6履带架；履带架； 7 7驱动轮；驱动轮； 8 8机体机体; 9; 9摄像机摄像机三、履带式行走机构2)履带式行走机构的缺点（1）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。（2）转弯阻力大，不能准确地确定回转半径。(3)结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，
40、零件易损坏。三、履带式行走机构图图3-44 3-44 形状可变履带式行走机构上下楼梯形状可变履带式行走机构上下楼梯2)2)位置可变履带式行走机构位置可变履带式行走机构三、履带式行走机构图图3-45 3-45 位置可变履带式行走机构位置可变履带式行走机构随着主臂杆和曲柄的摇摆，4个履带可以随意变成朝前和朝后的多种位置组合形态，从而使机器人的机体能够上下楼梯，甚至跨越横沟，如图3-46所示。三、履带式行走机构图图3-46 3-46 位置可变履带式行走机构的上下楼梯和跨越横沟位置可变履带式行走机构的上下楼梯和跨越横沟三、履带式行走机构图图3-47 3-47 位置可变履带式行走机构的实例位置可变履带式
41、行走机构的实例3)3)装有转向机构的履带式行走机构装有转向机构的履带式行走机构图3-48所示为装有转向机构的履带式行走机构。它可以转向，可以上下台阶。三、履带式行走机构图图3-48 3-48 装有转向机构的履带式行走机构装有转向机构的履带式行走机构双重履带式可转向行走机构的主体前后装有转向器，并装有使转向器绕图中的AA轴旋转的提起机构，这使得该行走机构上下台阶非常顺利，能得到用折叠方式向高处伸臂，在斜面上保持主体水平等各种各样的姿势。三、履带式行走机构图图3-49 3-49 双重履带式可转向行走机构双重履带式可转向行走机构四、足式行走机构 1.足式行走的特点足式行走的特点1)1)足式行走的优点
42、足式行走的优点足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力，足式行走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，而轮式和履带式行走工具必须面临最差的地形上的几乎所有点；足式行走机构有很大的适应性，尤其在有障碍物的通道（如管道、台阶或楼梯）或很难接近的工作场地更有优越性。足式行走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。四、足式行走机构四、足式行走机构2)2)足的数目足的数目图图3-50 3-50 单足、双足、三足、四足和六足行走机构单足、双足、三足、四足和六足行走机构四、足式行走机构 2.足的配置足的配置足
43、的配置是指足相对于机体的位置和方位的安排，这个问题对于两足及两足以上的机器人尤为重要。就两足而言，足的配置或是一左一右，或是一前一后。后一种配置因容易引起腿间的干涉，故在实际中很少用到。四、足式行走机构四、足式行走机构1)1)足的主平面的安排足的主平面的安排在假设足的配置为对称的前提下，四足或多于四足的配置可能有两种，如图3-51所示。图3-51（a）所示为正向对称分布，即腿的主平面与行走方向垂直；图3-51（b）所示为前后向对称分布，即腿的主平面与行走方向一致。图图3-48 3-48 装有转向机构的履带式行走机构装有转向机构的履带式行走机构四、足式行走机构2)2)足的几何构形足的几何构形图3
44、-52所示为足在主平面内的几何构形，包括哺乳动物形、爬行动物形、昆虫形。图图3-52 3-52 足在主平面内的几何构形足在主平面内的几何构形四、足式行走机构3)3)足的相对方向足的相对方向图3-53所示为足的相对弯曲方向，包括内侧相对弯曲、外侧相对弯曲、同侧弯曲。不同的安排对稳定性有不同的影响。图图3-53 3-53 足的相对弯曲方向足的相对弯曲方向四、足式行走机构 3.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1)1)静态稳定的多足机构静态稳定的多足机构机器人机身的稳定通过足够数量的足支承来保证。在行走过程中，机身重心的垂直投影始终落在支承足落地点垂直投影所形成的凸多边形内。这样，
45、即使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。四足机器人在静止状态是稳定的。在步行时，当一只脚抬起，另三只脚支承自重时，必须移动身体，让重心落在三只脚接地点所组成的三角形内。六足、八足步行机器人由于行走时可保证至少有三足同时支承机体，在行走时更容易得到稳定的重心。在设计阶段，静平衡机器人的物理特性和行走方式都经过认真协调，因此在行走时不会发生严重偏离平衡位置的现象。为了保持静平衡，机器人需要仔细考虑足的配置。保证至少同时有三个足着地来保持平衡，也可以采用大的机器足，使机器人重心能通过足的着地面，易于控制平衡。四、足式行走机构2)2)
46、动态稳定的多足机构动态稳定的多足机构四、足式行走机构双足行走和单足行走有效地利用了惯性力和重力，利用重力使身体向前倾倒来向前运动。这就要求机器人控制器必须不断地将机器人的平衡状态反馈回来，通过不停地改变加速度或重心的位置来满足平衡或定位的要求。四、足式行走机构四、足式行走机构 4.典型的足式行走机构典型的足式行走机构1)1)两足步行式机器人两足步行式机器人足式行走机构有两足、三足、四足、六足、八足等形式，其中两足步行式机器人具有最好的适应性，也最接近人类，故也称为类人双足行走机器人。类人双足行走机构是多自由度的控制系统，是现代控制理论很好的应用对象。这种机构除结构简单外，在保证静、动行走性能及
47、稳定性和高速运动等方面都是最困难的。四、足式行走机构在行走过程中，行走机构始终满足静力学的静平衡条件，即机器人的重心始终落在接触地面的一只脚上。图图3-54 3-54 两足步行式机器人行走机构原理图两足步行式机器人行走机构原理图2)2)四足、六足步行式机器人四足、六足步行式机器人四足、六足步行式机器人是模仿动物行走的机器人。四足步行式机器人除了关节式外，还有缩放式步行机构。图3-55所示为四足缩放式步行机器人的平面几何模型，其机体与支承面保持平行。四足对称姿态比两足步行容易保持运动过程中的稳定，控制也容易些，其运动过程是一只腿抬起，三腿支承机体向前移动。图图3-55 3-55 四足缩放式步行四足缩放式步行机器人的平面几何模型机器人的平面几何模型四、足式行走机构四、足式行走机构图3-56所示为六足缩放式步行机构的原理，六足缩放式步行机构的每条腿有三个转动关节。行走时，三条腿为一组，足端以相同位移移动，两组相差一定时间间隔进行移动，可以实现XY平面内任意方向的行走和原地转动。图图3-56 3-56 六足缩放式步行机构的原理图六足缩放式步行机构的原理图谢谢观看！谢谢观看！
