机器人机构学基础教学课件第4章-机器人机构.pptx

第4章 机器人机构本章目录本章目录2022/7/121.机器人机构的基本组成2.机器人机构的简单分类3.串联机器人机构4.并/混联机器人机构5.移动机器人机构6.机器人的自由度7.驱动、传动机构8.与机器人机构相关的性能描述9.本章小结本章目录本章目录2022/7/131.机器人机构的基本组成2.机器人机构的简单分类3.串联机器人机构4.并/混联机器人机构5.移动机器人机构6.机器人的自由度7.驱动、传动机构8.与机器人机构相关的性能描述9.本章小结机构2022/7/1构件构件运动副运动副转动副运动副移动副螺旋副圆柱副虎克铰平面副球面副机构2022/7/15机构2022/7/16(a)转动副：轴承(b)移动副：导轨(c)圆柱副：圆柱导轨(d)虎克铰(e)球铰：球轴承运动链2022/7/17 (a) 开链 (b) 闭链 (c) 混链(a) 串联机器人 (b) 并联机器人 (c) 混联机器人机构2022/7/18 (a) 切比雪夫直线机构 (b) 椭圆仪机构 (c) 仿图仪机构 (d) 凸轮机构(e) 齿轮机构 (f) 摩擦轮机构 (g) 棘轮机构 (h) 槽轮机构 (i) 螺旋机构机构2022/7/19平面机构机构球面机构空间机构相对运动刚性机构机构弹性机构柔性机构变形程度机构的表示2022/7/110(a) 平面3R机械手 (b) 4自由度串联机械手(a) Omni Wrist III (b) 3-RPS并联机器人机构的表示2022/7/111(a) 自行车车闸 (b) 机构示意图 (c) 结构表达 (d) 图表达Stewart平台的拓扑结构图表示本章目录本章目录2022/7/1121.机器人机构的基本组成2.机器人机构的简单分类3.串联机器人机构4.并/混联机器人机构5.移动机器人机构6.机器人的自由度7.驱动、传动机构8.与机器人机构相关的性能描述9.本章小结机器人机构的分类2022/7/113(a) SCARA机器人 (b) Delta机器人 (c) Z3主轴头 (d) Tricept机器人基于Bennett机构单元的展开机构本章目录本章目录2022/7/1141.机器人机构的基本组成2.机器人机构的简单分类3.串联机器人机构4.并/混联机器人机构5.移动机器人机构6.机器人的自由度7.驱动、传动机构8.与机器人机构相关的性能描述9.本章小结串联机器人机构2022/7/115l串联机器人的典型组成手臂（Arm）机器人机构的主要部分，其作用是支撑腕部和末端执行器，并确定腕部中心点P在空间中的位置坐标。

通常具有3个自由度，个别有4个自由度手臂手腕末端执行器P手腕（Wrist）连接手臂和末端执行器的部件，其作用主要是改变和调整末端执行器在空间中的方位，即姿态一般具有3个旋转自由度，个别有2个自由度末端执行器/末端工具（EndEffector）机器人作业工具，根据任务选装手臂机构2022/7/116l直角坐标式（Cartesian coordinate type，PPP链）由3个相互垂直的移动副构成；每个关节独立分布在直角坐标的3个坐标轴上；结构简单、控制简单、精度较高手臂机构2022/7/117l圆柱坐标式（Cylindricalcoordinatetype，RPP或CP链）将直角坐标机器人中某一个移动副用转动副代替；该机构运动范围较大手臂机构2022/7/118l球面坐标式（Polarcoordinatetype，RRP或UP链）前两个铰链为相互汇交的转动副而第三个为移动副；该机构运动范围较大手臂机构2022/7/119l关节式（Articulatedtype，RRR或UR链）所有3个铰链均为转动副；这种结构对作业的适应性较高，而且更接近拟人臂；具体还可分为垂直关节式和水平关节式两种子类型。

SCARA机器人手臂机构2022/7/120l柔性手臂运动通过结构的连续变形来实现，其运动自由度呈现连续分布；灵感源于自然生物系统，如蛇、象鼻、章鱼等，蛇形臂；典型的连续体机器人机构通常由骨架、弹性柱和驱动柔索等组成；刚性骨架机构和柔性骨架机构两种手腕机构2022/7/121l2自由度球面手腕机构（Pitch-Roll机构）由3个直齿锥齿轮组成差动轮系；2个驱动电机M1、M2同向等速旋转，则俯仰轴1独立转动；2个驱动电机M1、M2反向等速旋转，则横滚轴2独立转动；2个驱动电机不等速，则1、2轴同时转动电机M1电机M2手臂连杆俯仰轴1翻滚轴2差动轮系手腕机构2022/7/122l3自由度球面手腕机构3个相互正交轴交于一点；三个远端驱动器输入1， 2， 3；1直接驱动1轴（偏航），2通过一对锥齿轮带动2轴（俯仰）；2和 3通过锥齿轮系共同决定3轴（横滚）角度；优点：尺寸紧凑，俯仰角度大；缺点：机构复杂，俯仰和横滚轴联动123注：为了清晰，1和3两轴处于共线的特殊位置手臂和手腕的作用2022/7/123手臂手腕l手臂确定腕部法兰的姿态（Orientation），用于定向（Pointing）或称调姿。

P确定腕部中心点P在空间中的位置（Position）坐标，用于定位（Positioning）l手腕l定位和定向综合起来，可确定腕部法兰的位姿（Pose），也就是末端工具的位姿l定位和定向解耦，且三个定向驱动轴交于一点，有利于解算和控制手爪机构2022/7/124l手爪（Hand）仅具有简单开合功能的手爪安装在腕部法兰，用于执行抓取作业的末端执行器l夹持器（Gripper）手爪机构2022/7/125l多指灵巧手（Multi-fingerDexterousHand）利用连杆机构和弹簧模拟手指关节的联动，被动适应被抓持物，减少驱动器仿生手，每根手指相当于一个串联机械臂l欠驱动手（UnderActuatedHand）Stanford/JPL手Utah/MIT手DLR手BH-3手SHADOW手2022/7/126本章目录本章目录2022/7/1271.机器人机构的基本组成2.机器人机构的简单分类3.串联机器人机构4.并/混联机器人机构5.移动机器人机构6.机器人的自由度7.驱动、传动机构8.与机器人机构相关的性能描述9.本章小结并联机器人的概念2022/7/128l并联机器人一种多闭环机构（multi-closed-loopmechanisms）；由一动平台（movingplatform）、定平台（baseplatform）和连接两平台的多个支链（limb，分支/腿）组成；支链数不少于2；支链数一般与动平台的自由度数相同，每个支链由一个驱动器驱动（驱动器数等于自由度数）；常用运动副：旋转副（R）、移动副（P）、虎克铰（U）及球副（S）。

l并联机器人三要素动平台、定平台、支链动平台SRRRRS支链基座并联机器人的概念2022/7/129l命名约定支链数-支链运动副符号（从基座到动平台）；3-RPS表示右下图并联机构，没有指定主动副；3-RPS表示P为主动副；各支链不同，则分别表示；例：2-RRRR&1-RRPR共3个支链，2个支链由4个转动副组成，1个支链由转动、移动副组成3-RRS并联机器人动平台3-RPS并联机器人动平台2-RRRR&1-RRPR并联机器人动平台经典并联机器人机构及应用2022/7/130lGough-Stewart机器人（简称Stewart平台）6个支链，每个支链为UPS或SPS链；动平台有6个自由度（满自由度=6）；动平台为六边形，称为Hexapod机器人；动平台为三角形，称为Tripod机器人；高负载、高动态响应、与柔性铰链结合高精度Hexapod机器人Tripod机器人精密运动平台l应用案例飞行模拟器经典并联机器人机构及应用2022/7/131lTricept机器人3个支链，每个支链包含1个R副和1个平行四边形机构；动平台有3个平移自由度（少自由度 0 机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件欠驱动灵巧手欠驱动灵巧手原动件数原动件数 F 主题3：变自由度机构在运动或工作过程中，自由度的数目或类型发生变化。

n 折展机构（自由度0 n 0 ）结构结构机构机构结构结构折纸工程（折纸工程（Origami）航天可展航天可展机构机构变形机器人变形机器人相关学术研究主题3：变自由度机构在运动或工作过程中，自由度的数目或类型发生变化n多模式机构（自由度 l m n ）平行四边形机构平行四边形机构/反平行四边形机构反平行四边形机构2-DOF 球面平移运动球面平移运动1-DOF 自旋运动自旋运动雷恩（雷恩（Wren）平台）平台自由度数不变，但性质变化自由度数发生变化能够在免重新装配情况下，实现运动模式之间的切换相关学术研究本章目录本章目录2022/7/1691.机器人机构的基本组成2.机器人机构的简单分类3.串联机器人机构4.并/混联机器人机构5.移动机器人机构6.机器人的自由度7.驱动、传动机构8.与机器人机构相关的性能描述9.本章小结机器人驱动器类型2022/7/170电气驱动液压驱动气压驱动气缸气动马达电机驱动器液压缸液压马达液压阀液压泵站气压阀气泵高精度价格适中系统简洁功率/质量比中等功率/质量比高成本高系统复杂泄漏成本低清洁噪声大精度低机器人传动机构2022/7/171l需求驱动器后置，减轻运动构件质量大转矩输出复合驱动l设计要求结构紧凑，力矩/质量比大回差小传动刚度大寿命长不改变机器人自由度和构型长直线位移机器人传动机构2022/7/172l驱动器后置传动方案连杆机构优点高刚度小回差大负载长寿命缺点非线性传动占用空间大机器人传动机构2022/7/173l驱动器后置传动方案同步带优点高精度小质量结构紧凑缺点弹性回差负载小寿命较短机器人传动机构2022/7/174l驱动器后置传动方案丝（柔索）传动优点小质量结构紧凑柔性缺点弹性回差精度低负载小需反复预紧机器人传动机构2022/7/175l驱动器后置传动方案长传动轴+齿轮优点结构紧凑大负载高刚度高精度缺点成本高装配难机器人传动机构2022/7/176l大转矩输出方案RV减速器机器人传动机构2022/7/177l大转矩输出方案RV减速器优点高刚度高精度大负载大传动比缺点成本高加工难用途腰部传动肩部传动大臂传动机器人传动机构2022/7/178l大转矩输出方案谐波减速器优点精度好负载较大大传动比结构紧凑缺点成本较高弹性回差用途小臂传动腕部传动机器人传动机构2022/7/179l大转矩输出方案行星齿轮减速器优点高刚度高精度大负载系列化大传动比缺点尺寸稍大用途适用于无特殊要求场合行星减速器内部输入输出同轴输入输出轴垂直带减速器的电机机器人传动机构2022/7/180l复合驱动行星齿轮传动谐波减速器锥齿轮带传动输入1带传动输入2输出法兰自转输出法兰俯仰机器人传动机构2022/7/181l长距离直线传动滚珠丝杠+直线导轨同步带+直线导轨机器人传动机构总结-12022/7/182序号序号类别类别原理简图原理简图特点特点轴间轴间距距应用场合应用场合1 1齿轮传动齿轮传动响响应应快快，扭扭矩矩大大，刚刚性性好好，可可实实现现旋旋转转方方向向的的改改变变和和复合传动复合传动不大不大腰、腕关节腰、腕关节2 2谐波传动谐波传动大大速速比比，同同轴轴线线，响响应应快快，体体积积小小，重重量量轻轻，回回差差小小，转矩大转矩大零零所有关节所有关节3 3摆线针轮摆线针轮行星传动行星传动（RVRV）大大速速比比，同同轴轴线线，响响应应快快，刚刚度度好好，体体积积小小，回回差差小小，转矩大转矩大零零大负载关节大负载关节4 4蜗轮传动蜗轮传动大大速速比比，交交错错轴轴，体体积积小小，回回差差小小，响响应应小小，刚刚度度好好，转矩大效率低，发热大转矩大效率低，发热大交错交错不大不大腰腰关关节节，手手爪爪机构机构5 5链传动链传动速速比比小小，扭扭矩矩大大，刚刚度度与与张紧装置有关张紧装置有关大大腕腕关关节节（驱驱动动器后置）器后置）机器人传动机构总结-22022/7/183序号序号类别类别原理简图原理简图特点特点轴间轴间距距应用场合应用场合6 6同步带同步带传动传动速速比比小。