《智能机器人技术基础》教学课件—02智能机器人技术.pptx

智能机器人技术基础第2章智能机器人技术双足机器人 一个双足机器人系统通常由如下几个模块组成：一个双足机器人系统通常由如下几个模块组成： （1 1）机器人）机器人控制控制模块，包括各类控制模块的原理与组成；模块，包括各类控制模块的原理与组成； （2 2）机器人）机器人运动运动系统，包括电机与舵机的原理与控制方法；系统，包括电机与舵机的原理与控制方法； （3 3）机器人）机器人动作动作系统，包括机器人各部件的协调控制；系统，包括机器人各部件的协调控制； （4 4）机器人）机器人视觉视觉系统，包括典型的超声波、影像传感器的原理与识别算法；系统，包括典型的超声波、影像传感器的原理与识别算法； （5 5）机器人）机器人情感表现情感表现系统，包括人与机器人的交互原理；系统，包括人与机器人的交互原理； （6 6）机器人）机器人网络协作网络协作系统，包括机器人之间的数据与信息的传递方法系统，包括机器人之间的数据与信息的传递方法智能机器人系统 一个理想化的、完善的智能机器人系统与普通机器人一样，通常由五个部分组成：一个理想化的、完善的智能机器人系统与普通机器人一样，通常由五个部分组成：机械本体、感知系统、驱动装置、控制系统和通信系统。

机械本体、感知系统、驱动装置、控制系统和通信系统图图 2-1 双足机器人系统双足机器人系统机器人机械结构2.1机器人机械结构2.1.1 行走机构2.1.2 传动机构2.1.3 臂部和手腕2.1.4 手抓2.1.5 机身2.1.1 行走机构1.机器人行走机构的特点（1）固定轨迹可移动机器人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2）无固定轨迹式行走机器人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，或者在一个需要焊接、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面前这种行走性能也使机器人能更加灵活地从事更多的工作2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（1）车轮的形式a）充气球轮b）半球形轮c）传统车轮d）无缘轮图 2-2 不同车轮形式2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（1）车轮的形式图 2-3 “玉兔”月球车车轮2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（2）车轮的配置和转向机构a）两后轮独立驱动b）前轮驱动和转向c）后轮差动，前轮转向图 2-4 三轮行走机构2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（2）车轮的配置和转向机构图 2-5 三组轮子的轮组三轮行走机构2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（2）车轮的配置和转向机构a）后轮分散驱动b）四轮同步转向机构图 2-6 四轮行走机构2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（2）车轮的配置和转向机构a）四轮横向排列b）四轮纵向排列c）四轮同心排列图2-7轮位可变型四轮行走机构2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（3）越障轮式机构图 2-8 三小轮式车轮机构三小轮式车轮机构图2-8是三小轮式车轮机构示意图。

当小车轮自转时，用于正常行走；当、车轮公转时，用于上台阶，是支臂撑起负载的时候2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（3）越障轮式机构a）接触b）公转c）行走d）接触图 2-9 三小轮式车轮机构上台阶2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（3）越障轮式机构图 2-10 三轮或四轮装置的三小轮式车轮机构上台阶图2-10是三轮或四轮装置上台阶时的示意图，在同一个时刻，总是有轮子在行走，有轮子在公转2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（3）越障轮式机构图 2-11 多节车轮式行走机构组成原理图2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（3）越障轮式机构图 2-12 多节车轮式行走机构上台阶过程多节车轮式结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结构这种多轮式行走机构非常适合于行驶在崎岖不平的道路上，对于攀爬台阶，也非常有效2.1.1 行走机构2.车轮式行走机构（3）越障轮式机构图 2-13 “玉兔”月球车由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结构，可使它们同时适应不同高度，保持6个轮子同时着地，是一个真正的“爬行高手”。

2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（1）履带行走机构的构成图 2-14 履带行走机构2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（1）履带行走机构的构成a）一字形b）倒梯形图 2-15 履带行走机构的形状优点支承面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小；越野机动性好，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，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（2）履带行走机构的特点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结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（3）履带行走机构的变形1一驱动轮2履带架3导向轮4主臂杆5一曲柄6行星轮7履带8摄像机9机体图 2-16 形状可变履带行走机构2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（3）履带行走机构的变形图 2-17 形状可变履带行走机构的上下楼梯随着主臂杄和曲柄的摇摆，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动作更为自如，从而使机器人的机体能够任意进行上下楼梯和越过障碍物的行走，如图2-17所示。

2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（3）履带行走机构的变形图 2-18 位置可变履带行走机构a）上下楼梯b）跨越横沟图 2-19 位置可变履带行走机构的上下楼梯和跨越橫沟2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（3）履带行走机构的变形图 2-20 位置可变履带行走机构的其他实例2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（4）装有转向机构的履带行走机构图 2-21 装有转向机构的履带式机器人如图2-21所示为装有转向机构的履带式机器人，它可以转向，可以上下台阶2.1.1 行走机构3.履带式行走机构（4）装有转向机构的履带行走机构图 2-22 双重履带式可转向行走机构机器人2.1.1 行走机构4.足式行走机构（1）足式行走特点a）单足跳跃机器人b）双足机器人c）三足机器人d）四足机器人e）六足机器图 2-23 足式行走机构足式行走的优点是足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力足式运动方式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2.1.1 行走机构4.足式行走机构（2）足的配置a）正向对称分布b）前后向对称分布图 2-24 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。

图2-24a是正向对称分布，即腿的主平面与行走方向垂直；图2-24b为前后向对称分布，即腿平曲和行走方向一致2.1.1 行走机构4.足式行走机构（2）足的配置a）哺乳动物形b）爬行动物形c）昆虫形图 2-25 足的几何构形2.1.1 行走机构4.足式行走机构（2）足的配置a）内侧相对弯曲b）外侧相对弯曲c）同侧弯曲图 2-26 足的相对方位静态稳定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落在支承足着落地点垂直投影所形成的凸多边形内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动态稳定在动态稳定中，机体重心有时不在支承图形中，利用这种重心超出面积外而向前产生倾倒的分力作为行走的动力并不停地调整平衡点以保证不会跌倒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，消耗能量小其步态可以是小跑和跳跃2.1.1 行走机构4.足式行走机构（3）足式行走机构的平衡和稳定性2.1.1 行走机构4.足式行走机构（4）典型的足式行走机构图 2-27 两足步行式机器人行走机构原理图2.1.1 行走机构4.足式行走机构（4）典型的足式行走机构图 2-28 四足缩放式腿步行机器人的平面几何模型如图2-28所示为四足缩放式步行机器人在平地上行走的初始姿态，通常使机体与支承面平行。

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2.1.1 行走机构4.足式行走机构（4）典型的足式行走机构图 2-29 六足缩放式步行机构如图2-29所示为六足缩放式步行机构原理，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X平面内任意方向的行走和原地转动Q1Q2Q3Q4间隙小或能消除间隙在垂直于运动方向上的刚度高摩擦系数低，但不随速度变化 移动关节导轨的目的是在运动过程中保证位置精度和导向2.1.2 传动机构1.移动关节导轨及转动关节轴承（1）移动关节导轨高阻尼移动关节导轨和其辅助元件尺寸小、惯量低2.1.2 传动机构1.移动关节导轨及转动关节轴承（1）移动关节导轨a）开式套筒b)开式套筒的刚度特性图 2-30 滚动导轨2.1.2 传动机构1.移动关节导轨及转动关节轴承（1）移动关节导轨1轨道2、4固定轴双滚动体3移动件5垂直立柱6移动体7三个滚动体8滚动体图 2-31 固定轴滚动体的滚动导轨2.1.2 传动机构1.移动关节导轨及转动关节轴承（2）转动关节轴承a）普通深沟球轴承b）角接触球轴承c）四点接触球轴承图 2-32 基本耐磨球轴承 球轴承是机器人和机械手结构中最常用的轴承。

它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2.1.2 传动机构1.移动关节导轨及转动关节轴承（2）转动关节轴承图 2-33 机器人专用轴承的结构尺寸和重量 采用四点接触式设计以及高精度加工工艺的机器人专用轴承已经问世，这种轴承比同等轴径的常规中系列四点接触球轴承轻25倍 机器人专用轴承的结构尺寸和重量如图2-33所示，适合于d76.23556mm的轴径，重量只有0.072.79kg2.1.2 传动机构2.传动件的定位及消隙（1）传动件的定位 电气开关定位 电气开关定位是利用电气开关（有触点或无触点）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，从而使机械到得定位 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，行程开关发出信号，电气系统激励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，重复定位精度比较低为35mm2.1.2 传动机构2.传动件的定位及消隙（1）传动件的定位 机械挡块定位1行程节流阀2定位圆盘3插销4定位液压缸图 2-34 利用插销定位的结构2.1.2 传动机构2.传动件的定位及消隙（1）传动件的定位 伺服定位系统图 2-35 齿轮齿条反馈式电-液闭环伺服定位系统方框图2.1.2 传动机构2.传动件的定位及消隙（2）传动件的消隙a)弹簧消隙b）螺钉消隙1、2薄齿轮3螺钉图 2-36 消隙齿轮2.1.2 传动机构2.传动件的定位及消隙（2）传动件的消隙a)钟罩状柔性齿轮b）径向柔性齿轮图 2-37 柔性齿轮消隙2.1.2 传动机构2.传动件的定位及消隙（2）传动件的消隙图 2-38 双谐波传动消隙方法图 2-39 偏心消隙机构2.1.2 传动机构3.谐波传动图 2-40 行星齿轮传动机结构简。