多冗余度机械臂机构设计及仿生运动研究---优秀毕业论文参考文献可复制黏贴

工学硕士学位论文
多冗余度机械臂机构设计及仿生运动研究
赵凯
哈尔滨工业大学
2007年7月
国内图书分类号：TP242.6
国外图书分类号：681.5
工学硕士学位论文
多冗余度机械臂机构设计及仿生运动研究
硕士研究生：赵凯
导师：吴伟国 教授
申请学位：工学硕士
学科、专业：机械设计及理论
所在单位：机电工程学院
答辩日期：2007年7月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index:TP242.6
U.D.C: 681.5
Dissertation for the Master Degree in Engineering
Mechanism Design of Manipulator with Multiple Redundant Degrees of Freedom and Its Bionic Motion
Research
Candidate：Zhao Kai
Supervisor：Prof. Wu Weiguo
Academic Degree Applied for：Master of Engineering
Speciality：Mechanical Design and Its Theory Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Defence：July, 2007
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
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I 摘 要
多冗余机械臂能够克服传统非冗余度机器人操作臂的灵活性差、环境适应性不高的缺点，有利于提高操作灵活度、回避障碍能力，有着很好的可操作性，其研究在诸如空间漂浮物包围抓取与回收等的空间技术、复杂环境等方面具有实用价值，因此本文基于一种改进型无奇异全方位关节机构研究多自由度机械臂及其仿生运动理论具有重要的理论意义与应用价值。

本文在分析PYR 型系列全方位关节运动原理基础上进行了改进的全方位关节单元机构设计和多冗余自由度蛇形机械臂设计。

基于钢索和导向轮驱动的PY 型及PYR 型关节实现了轻量化小型化设计，采用滑块机构解决了俯仰和偏摆运动耦合问题。

设计的多自由度机械臂具有模块化组合式特点，既可作为进行包围抓取与移动操作的机械臂，也可作为地面上蛇形移动的机器人。

在对已取得的PYR 型关节运动学研究基础上，本文还针对包围抓取、蠕动式爬行、蛇形移动等作业进行了多冗余度机械臂运动规划及仿生运动研究。

运用几何分析法对机械臂进行了包围抓取并移动物体的运动规划，给出了包围抓取模型和满足包围抓取的条件；根据蠕动爬行、蛇形移动的仿生运动原理，结合所设计的全方位关节机构及运动学理论，对所设计的5节11自由度、8节17自由度机械臂分别进行了仿生蠕动爬行及蛇形运动规划。

采用蛇形曲线拟合方法，推导出蛇形曲线方程，给出了参数的选取对蛇形曲线形状影响，得出了关节角度输入函数；在理论分析基础上，利用Matlab 进行了机械臂运动规划程序设计。

在上述机构设计与理论研究基础上，利用机构设计与动力分析软件ADAMS 进行了基于PY 型全方位关节的多冗余度机械臂3-D 虚拟样机设计，并成功地进行了包围抓取与移动物体、蠕动爬行以及蛇形蜿蜒运动仿真，仿真结果验证了理论分析的正确性，同时仿真得到的各关节驱动力矩数据、曲线为实际样机的设计与研制提供了有效的数据依据。

关键词 机械臂；冗余度；轨迹规划；仿生机理；全方位关节
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II Abstract
Multiple-redundant D.O.F manipulator can not only conquer the defect of the traditional non-redundant robot, but also has many other merits, such as greater dexterity, obstacle avoidance in highly constrained spaces, robustness. The research has practical value in the grasp and recall technology of spatial floater and complicated environment. So the manipulator with multi-D.O.F based on a new kind of non-singularity all-orientation joint mechanism and bionic motion theory has important significance and applied value.
At the foundation of the analysis of the work principle of the PY type and PYR type series joints, the paper designed the improved all-orientation joint unit mechanism and the snake-manipulator with multiple redundant freedom. The PY and PYR joint based on tightwire and guide-wheel drive realize light and miniaturization design. The application of slide-block solves the problem of the motion coupling of pitch and yaw. The manipulator has the characteristic of modularization and combination, it can not only be used as manipulator to grasp and move object, but also be used as snake-robot.
At the foundation of mechanism design and the research of kinematics of PYR type joint, the paper implements the motion planning of grasp, creep locomotion and snake locomotion and the related bionic research. The paper applies the geometry analysis algorithm to plan the motion of grasp and move object, and presents the grasp model and the conditions that are needed for grasp operation. According to the bionic locomotion principle of the creep locomotion and snake locomotion, combining the design all-orientation joint mechanism and kinematics theory, the paper implements the motion planning of creep locomotion and snake locomotion with the manipulator of 5 joints 11 freedom and 8 joints 17 freedom respectively. The paper applies snake curve imitation method, deduces the snake curve equation, presents the impact of the choice of parameter on the configuration of the snake curve, and obtains the input function of the angle of joints. Based on theory analysis, the paper presents the program of the motion planning of the manipulator in the software Matlab, and examples used in simulation analysis are presented.
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III At the foundation of mechanism design and the theory study, the paper implements 3D virtual phototyping design of the multiple redundant manipulator with PY all-orientation joints in the software ADAMS. The paper presents the grasp and move object operation simulation, creep locomotion simulation, snake sidewinding simulation and obstacle avoidance and turn simulation, which verify the truth of theory analysis. Meantime, the drive torque data and curve obtained in the simulation can supply valid data for the design and manufacture of the practical phototyping.
Keywords manipulator ，redundant degree of freedoms ，motion planning ，bionic mechanism, all-orientation joint
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IV 目 录
摘 要...................................................................................................................I Abstract................................................................................................................II 目 录. (IV)
第1章 绪 论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 课题来源、目的及意义 (1)
1.3 目前国内外研究现状 (2)
1.3.1 机器人进展 (2)
1.3.2 机械臂研究现状 (2)
1.3.3 冗余度机械臂研究现状 (3)
1.3.4 冗余度机械臂机构及运动学研究现状 (4)
1.3.5 蛇形机器人研究现状 (6)
1.4 分析与总结 (7)
1.5 本课题的主要研究内容 (7)
第2章 基于PYR 型关节的改进设计 (8)
2.1 引言 (8)
2.2 改进的PY-PYR 型全方位无奇异关节设计 (8)
2.2.1 PYR 型关节机构原理简介 (8)
2.2.2 改进的PYR 型全方位无奇异关节原理 (9)
2.2.3 改进的PY 及PYR 型全方位关节组成及特点 (10)
2.3 改进的PYR 型关节运动学分析 (12)
2.3.1 改进的PYR 型关节运动学正解 (12)
2.3.2 改进的PYR 型关节逆解及速度Jacobian 矩阵 (13)
2.4 5关节11自由度机械臂设计 (15)
2.5 本章小结 (15)
第3章 多冗余度机械臂运动规划研究 (16)
3.1 引言 (16)
3.2 无奇异多冗余度机械臂包围抓取运动研究 (16)
3.2.1 包围抓取模型 (16)
3.2.2 包围抓取的封闭性 (17)
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V 3.2.3 包围抓取规划 (17)
3.3 无奇异多冗余度机械臂仿生蠕动爬行运动研究 (19)
3.4 本章小结 (24)
第4章 多冗余度机械臂蛇形仿生运动的研究 (25)
4.1 引言 (25)
4.2 蛇形曲线Serpenoid 的拟合 (25)
4.3 蛇形平面蜿蜒运动研究 (28)
4.3.1 平面蜿蜒运动 (28)
4.3.2 转向运动 (30)
4.4 本章小结 (31)
第5章 多冗余度机械臂虚拟样机及仿生运动仿真 (32)
5.1 引言 (32)
5.2 无奇异全方位关节仿真模型建立 (32)
5.3 包围抓取运动仿真 (33)
5.4 蠕动爬行运动仿真 (34)
5.5 蛇形仿生运动仿真 (36)
5.5.1 平面蜿蜒运动仿真 (36)
5.5.2 右转运动仿真 (38)
5.6 本章小结 (39)
结 论 (40)
参考文献 (41)
致 谢 (44)
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第1章 绪 论
1.1 引言
机器人技术集自动化、精密机械、传感器、电子、计算机等技术于一体, 是典型的机电一体化产品。

冗余度机器人[1]，是指自由度数多于完成任务所需的最少自由度数的机器人。

为了增加机器人的灵活性,人们在六自由度机器人的基础上增加关节自由度,使关节空间的维数多于任务空间的维数,增加 的自由度称为冗余自由度，更多的自由度可以改善运动学和动力学特性，冗余度机器人以其本身几何结构所具有的高度灵活性, 得到了广泛研究和迅速发展，已成为机器人技术的一个重要发展方向。

冗余自由度机器人末端的某一特定位姿对应的机器人关节位形有无限多个，利用该冗余特性,可以完成诸多的灵活操作,如避开机器人的内部奇异位形、躲避操作空间障碍、克服关节角限制、实现运动学优化控制等。

1.2 课题来源、目的及意义
本课题是自拟题目。

课题中研究的机械臂关节采用哈尔滨工业大学吴伟国教授研制PYR 型全方位关节[2,3]原理，改进的PYR 型关节与原来的关节一样具有全方位无奇异特性，关节运动范围增大，改善了工作空间，增加了几何灵活性，避免内部奇异构形，为多冗余度机械臂研究提供依据。

多冗余机械臂能够克服传统非冗余度机器人操作臂的灵活性差、环境适应性不高的缺点，有利于提高操作灵活度、回避障碍能力，有着很好的可操作性，其研究在诸如空间漂浮物包围抓取与回收等的空间技术、复杂环境等方面具有实用价值，因此本文基于一种改进型无奇异全方位关节机构研究多自由度机械臂及其仿生运动理论具有重要的理论意义与应用价值。

多冗余自由度机械臂在汽车制造工业和航空航天领域应用越来越广泛，在国防和现代化建设中作用越来越重要。

机械臂的模块化、小型化、轻型化、组合式设计越来越重要，其意义在于：通用性、互换性便于维护，可以根据需要任意组合，从而带来使用灵活性、维护便利性。

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- - 21.3 目前国内外研究现状
1.3.1 机器人进展
机器人学是一门迅速发展的前沿学科，其特点是综合、交叉，涉及的领域广泛。

机器人是典型的机电一体化装置，它综合了精密机械、微电子与计算机、自动控制、传感器、信息处理、人工智能等多学科的最新研究成果。

世界经济发展和各行各业自动化程度的提高，推动着机器人技术迅速向前发展，出现了各种各样的机器人产品。

随着机器人性能提高，机器人的应用领域也在不断扩大，现已应用于制造业、林业、农业、医疗、核工业、太空的开发等。

机器人技术的研究与应用水平，反映了一个国家的经济实力和科学技术发展水平。

机器人[4]一词最早是由1920年捷克剧作家卡雷尔·凯培克(Karel Capek)在他的幻想情节剧《罗萨姆的万能机器人》，第一次提出了机器人这个名词。

目前，机器人已经历了三代：第一代是示教/再现可编程机器人，第二代是有感觉能自适应的机器人，第三代是智能机器人。

1954年美国人乔治·德沃尔设计了第一台可编程的机器人，1962年美国万能自动化公司第一台机器人Unimate 在美国通用汽车公司(GM)投入使用，标志着第一代机器人诞生。

20世纪60年代末70我国从50年代开始研究固定动作机械手，60年代研究数控机械手，70年代末开始研究机器人，经过了七五、八五科技发展计划和863高技术规划，我国机器人技术在广大学者努力下取得了很多成果。

国际电气电子工程师协会的科学家对未来科技发展方向进行预测，把生物技术、巨型计算机技术、纳米技术和机器人技术列为4个重点发展方向。

机器人技术是各国必争的前沿技术。

美国将机器人技术列为警惕技术，主攻的是军用机器人技术；欧洲主攻的是服务和医疗机器人技术；日本主要研究的是类人和娱乐机器人[5]。

日本将机器人技术列为未来产业发展的一个重要方向，希望在机器人产业上占得先机。

我国也十分重视机器人技术的发展，全国有多个机器人技术研究的中心。

1.3.2 机械臂研究现状
迄今为止,国内外已研制了多种冗余度机器人系统,应用范围越来越广泛,
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一些已实现商品化[6]。

东京大学1979年研制UJIBOT7-DOF 机器人操作手；日本MITI 机械工程实验室1987年研制了7-DOF 直接驱动型机器人操作手；1992年日本Machinery Laboratory ，Jakasago Research & Development Center 进行多指仿人手臂真实作业的研究，系统由主从手臂及传感控制系统组成。

日本早稻田大学，研制了用于研究被动阻抗控制的7-DOF MIA ARM 。

美国Robotics Research 公司于1987年设计了用于空间研究的K/B-2017双臂一体机器人[7]，K/B-2017是17-DOF 机器人系统，有两个7-DOF 臂和一个3自由度躯干组成；美国CED 、Sarcos 研究公司、贝尔实验室和能源部等联合开发了具有手的仿人臂，并推出了新型灵巧遥控操作系统DTS ，其中的灵巧臂(DA)是10自由度手臂。

美国航空航天实验室研制了32-DOF 的超冗余度机器人。

国内南开大学计算机系研制了机器人双臂协调系统,构成了具有冗余度的双臂协调系统；中国科学院机器人开放实验室正在研制多机器人协调操作系统,其中1台机器人安装在具有视觉的可移动小车上,构成了更为复杂的多冗余度机器人系统；北京航空航天大学研制成功了1台7-DOF 机器人操作臂系统；东南大学研制了1台视觉伺服双臂冗余度机器人系统。

1.3.3 冗余度机械臂研究现状
冗余自由度机器人在保证末端运动规律的同时，利用零空间的自运动产生不同位形，从而使机器人能够利用冗余的自由度回避障碍，以克服奇异位形，提高灵活性以及获得较好的动力性能。

冗余度机器人由于其自身的优点，越来越受人们重视，已经有不少学者对在这一方面进行了广泛研究，取得了令人瞩目成果。

研究的主要内容有：如何利用冗余机器人多余的自由度改善机器人的运动学和动力学特性，如增加灵活性，回避障碍，克服奇异，优化主运动任务下辅助操作指标，优化关节速度、加速度、力矩、能量等。

文献[8]对这些成果进行了综述，简要介绍了冗余度机器人的冗余自由度、运动学逆解，冗余度在各方面应用等。

文献[9]采用速度比来衡量冗余度机器人的灵活性。

在局部优化方面，采用拉格朗日乘子法导出了最小关节力矩的最小二乘法，这种方法只需求解一次广义逆，改善了计算稳定性，但要完全避免不稳定现象是不可能的。

为解决局部优化方法的缺陷，广大学者采用了全局优化方法，目前采用的方法有：变分法、最优控制法，应用全局
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优化方法对多冗余度机器人的最小关节力矩进行了规划，同时优化了关节速度和加速度。

1999年哈尔滨工业大学吴伟国教授研制出在国内处于领先水平基于改进的PYRⅡ型关节，并利用其制作七自由度仿人手臂[10]，如图1-1
所示。

图1-1改进型PYR 全方位关节Ⅱ七自由度仿人手臂
Fig.1-1 Apery arm of 7-freedom constituted by Improved PYR all-orientation joint Ⅱ
1.3.4 冗余度机械臂机构及运动学研究现状
1.冗余度机械臂的结构设计分析
在冗余度机械臂的研究中对于其机构的设计分析是一个重要方面。

它涉及到奇异性和机构设计的研究。

早期的奇异构形的研究主要以Jacobian 矩阵为基础。

60年代中期发展起来的拓扑理论，使我们能够用统一、明确的方法研究冗余度机器人奇异性复杂的拓扑特征。

C.W.Wampler 等将冗余度机器人的奇异性划分为可避免奇异与不可避免奇异两类[11]。

对冗余度机器人机构设计的研究，主要是为了优化运动学和提高灵活性。

较早的有J.M.Hollerbach 研究了7-DOF 操作手的优化运学问题，提出4个运动学原则以设计关节位置，避免操作手的内部奇异[12]。

国内沈阳自动化所研究了7-DOF 机器人图谱问题，用位置空间和奇异空间同时评价机构选型，并绘制了立体图。

吴瑞珉通过分析平面3R 操作机及七自由度拟人手臂的结构奇异提出避免奇异的冗余度操作机的设计准则[13]。

2.机械臂关节机构设计
国内外机器人学者对多冗余自由度机器臂的研究取得了一定成就，冗余度机器人和柔性机器人[14~17]也取得了研究成果。

多冗余度机械臂研究深受
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国内外机器人学者关注，其关节单元一般具有1个到3个自由度。

2自由度关节是机械臂设计最常采用的关节，多自由度机械臂关节形式大概有RPR 型、PYR 型、PY 型3种常见形式。

P 表示俯(pitch)、Y 表示侧摆(yaw)、R 表示滚动(roll)。

RPR 型关节，当RR 自由度回转轴线共线或相对线性相关时,存在奇异或近奇异状态而减小工作空间,同时对关节运动控制要求严格,但机构设计相对容易,也较成熟；PYR 型关节存在侧摆奇异外,关节内均无奇异问题, 但机构设计实现较复杂；PY 型关节构型适用于钢绳牵引驱动,可把驱动元件全部放在基座内,但整机刚性差。

研究表明,利用冗余度柔性机器人的冗余特性可以改善柔性机器人的运动学和动力学性能[18]。

3.冗余度机械臂的运动学及避障的分析
冗余度机器人多余的自由度可用来改善机器人的运动及动力学特性，如增加灵活性、躲避障碍、回避奇异、优化主运动任务下的辅助操作指标、优化关节速度、加速度、力矩、能量等。

也就是说，对于冗余的机器人其运动学逆解并不是唯一的，可以通过需要制定相应的需求获得期望的运动状态。

Liegiois 提出的基于雅可比矩阵的梯度投影法是求解逆运动学问题的最有效方法。

另外还有基于SVD 分解的加权最小二乘法[19]、位姿分离法和解析法等。

Deepak Tolani 提到，对运动学逆解的分类，分为解析方法和数值方法
[20]，并且提出了一种解析与数值综合的方法在求解逆运动学问题时，获得了比单独数值方法更小的计算量，并且消除了基于雅可比方法的近奇异位形时无法求解的问题。

冗余度机器人的避障控制可分为高层路径规划和在线控制。

高层路径规划[21,22]采用积分形式的性能指标，具有能保证全局最优性、计算稳定性好等优点，但全局优化方法需要多次对整个运动过程进行大量计算，不便于实时控制。

在线避障控制是一种局部优化方法，具有计算效率高，便于实时控制等优点。

但该方法只要求机器人提供当前信息，缺乏全局最优性，还存在计算稳定性差及非保守性等缺陷。

对于在线避障控制，许多学者都提出了自己的方法，许多算法是基于伪逆矩阵法[23~25]。

目前对冗余度机器人运动规划的研究大致应在以下3个方面：(1)基于运动学正解的自律分散控制算法。

所谓“自律”,是指机械手各运动关节按指定规律自行运动。

所谓“分散”,是指把任务分散到各个关节上,不使某一个关节转动角度过大,且使位形改变比较容易；(2)虚拟杆法。

即将整个关节型机械手系统按一定规律分为一定数量的子模块,并把机械手末端位置分布给子模块, 依此求出子模块中各关节角则完成其运动学逆解；(3)基于脊线
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的运动学规划算法。

超冗余度机器人在完成作业任务过程中, 如果忽略其几何外形, 则类似一条运动的空间曲线。

学者们将该曲线称为脊线(backbone curve)，超冗余度机器人运动学研究就抽象为对应脊线的研究,脊线参数化以及构造的脊线如何映射到驱动空间等问题有待进一步研究。

1.3.5 蛇形机器人研究现状
蛇形机器人的研究取得大量成果[26]。

美国航空航天局研究了多关节蛇形机器人，如图1-2所示。

NASA 采用研制了模块组成一个蛇形机器人单元
[27]。

德国国家实验室研制一台柔性蛇形机器人GMD [28,29]，如图1-3所示。

图1-2 NASA 研制的蛇形机器人[30] 图1-3蛇形机器人GMD
[30] Fig.1-2 Snake-like robot developed by NASA [30] Fig.1-3 Snake-like robot GMD [30]
国内沈阳自动化所和上海交通大学对蛇形机器人进行了大量研究，取得了很多成果。

黄恒等建立了蛇形机器人平面运动学方程，并对机器人系统奇异性进行了讨论，进行了蛇形机器人运动策略研究[31]。

上海交通大学1999年研制了我国第一台微小型仿蛇机器人样机，如图1-4所示。

图1-4 上海交大研制的蛇形机器人[32]
Fig.1-4 Snake-like robot developed by SJTU
[32]
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中科院沈阳自动化研究所[33~38]研究对蛇形机器人大量研究，叶长龙对蛇形移动转弯和侧移运动进行了研究，给出了转弯运动角度规划方法，进行了蛇形蜿蜒运动，转弯运动研究。

陈丽等人对蛇形移动的行波运动进行了研究，推导了形状控制的关节角度输入函数，对运动学和动力学进行深入研究。

1.4 分析与总结
机器人从20世纪50年代诞生到现在，为人类做出了巨大贡献。

随着工作环境和工作任务复杂化，要求机器人具有更高的灵活性、适应性、稳定性、精确性。

国内外学者进行了大量的研究，利用机器人冗余的自由度改善了运动学和动力学特性，对机械臂的运动学特性进行局部的和全局的优化，提出了很多有效的方法，这些方法为进一步研究提供了强大的理论基础。

1.5 本课题的主要研究内容
1.基于PY (PYR)型全方位关节的无奇异多自由度机械臂设计：在分析PY(PYR)型系列关节原理基础上，设计出了改进的PY 型及PYR 型关节机构；改进的PY 型及PYR 型关节驱动采用钢索+导向轮机构，实现了轻型化设计要求，采用滑块机构解决俯仰和偏摆运动耦合问题；利用PY 型及PYR 型关节进行模块化组合，组合成5关节11自由度机械臂。

2.多冗余度机械臂的运动规划研究：运用几何分析法对机械臂进行运动规划，实现包围抓取并移动物体操作；利用机械臂进行蠕动爬行运动规划研究，对蠕动过程进行了阐述，实现了蠕动爬行运动。

3.多冗余度机械臂蛇形运动仿生机理研究：包括蛇形曲线拟合方法，论述了参数的选取对蛇形曲线形状影响，得出关节角输入函数，为验证理论研究的正确性，本文还基于改进的PY(PYR)关节组合设计了8关节17自由度机械臂3-D 虚拟样机，并利用该机械臂进行了蛇形蜿蜒运动和转弯运动仿真。

4.以理论研究为基础，进行了多冗余度机械臂包围抓取/移动、仿生蠕动爬行、仿生蛇形移动等运动规划；在ADAMS 软件下进行了仿真，验证了各种运动形式运动学理论的正确性，为实际样机的设计和研制提供有效的数据依据。

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第2章 基于PYR 型关节的改进设计
2.1 引言
机器人关节机构是机器人操作臂的重要组成部分，机器人学者们根据机构原理设计、研制了多种类型关节机构，如齿轮式、连杆式等等，并在工业机器人中应用。

机器人臂模块化、组合式设计变得越来越重要，这种通用性和互换性方便于维护，可以根据需要任意组合。

本章首先设计了PY 型及PYR 型全方位、无奇异关节，阐述了关节的工作原理及关节特点，对PYR 型关节进行了运动学分析，并且应用两种类型关节设进行模块化组合，设计了5关节11自由度机械臂。

2.2 改进的PY(PYR)型全方位无奇异关节设计
2.2.1 PYR 型关节机构原理简介
在机器人关节机构设计上，设计者总是期望关节机构具有大运动范围和关节驱动电机全部放在机座内以减轻臂重，提高机械臂的负载能力。

关节机构类型很多，其中基于万向节传动原理的pitch-yaw-roll机构是目前设计研究柔性手腕和柔性臂的重要关节机构形式。

在基于万向节传动原理的pitch-yaw-roll 机构研究方面，哈尔滨工业大学吴伟国教授多年来进行大量深入研究[2,3,10]，首次提出采用双环解耦法解决了pitch(俯仰，记为P)和yaw(偏摆，记为Y)运动干涉问题，设计研制出了PYR Ⅰ、Ⅱ型系列关节，并应用其作为多自由度机械臂关节和仿人机器人肩关节和腕关节，实现了关节的全方位运动。

PYR Ⅰ型关节采用双节齿轮组成的变型万向节机构，为解决运动干涉问题，在座筒外加上双环解耦轴承，同时用圆锥大齿轮驱动俯仰和偏摆运动，两个大齿轮分别位于俯仰、偏摆的垂直固定平面内分别与双环解耦轴承双环相联接，如图2-1所示。

PYR Ⅱ型关节主要原理是基于普通直齿轮传动构成的万向节传动，将PYR Ⅰ型关节内置直齿轮拓扑到双环解耦轴承的外部，进一步小型化，并提出了刚度保证器，使关节整体刚度提高，可以用其作为机械臂的肩关节和仿人机器人。