8第四章 机器人本体基本结构(1)

机器人常用材料简介 1）碳素结构钢和合金结构钢——这类材料强度好，特 别是合金结构钢，其强度增大了4～5倍，弹性模量E大，抗 变形能力强，是应用最广泛的材料。适合制造传动件、连 接件、连杆体支承件骨架等。 2）铝、铝合金及其他轻合金材料——这类材料的共同 特点是重量轻，弹性模量E并不大，但是材料密度小，故 E/之比仍可与钢材相比。适合制造连杆体等。 3）纤维增强合金——这类合金如硼纤维增强铝合金、 石墨纤维增强镁合金等。这种纤维增强金属材料具有非常 高的E/比，而且没有无机复合材料的缺点，但价格昂贵。 适合制造连杆体等


机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电动机驱动齿轮和蜗轮蜗杆传动。 机身的升降运动可以采用：直线液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的连杆式升降台；电动机驱动丝 杠螺母传动。 俯仰运动大多采用摆式直线液压（气）驱动，液压（气） 驱动齿条齿轮或四连杆机构传动；也有电动机驱动齿轮 和蜗轮蜗杆传动。 直移型机器人多为悬挂式的，其机身实际上就是悬挂手 臂的横梁。为使手臂能沿横梁平移，除了要有驱动和传 动机构外，导轨是一个重要的构件。

4.1 概述

机器人本体是机器人的重要组成部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的 运动和动作完成特定的任务。机器人本体各部分的基本结构、材料的选择将直接影 响整体性能。

4.1.1 机器人本体的基本结构形式 机器人本体基本结构组成


机器人本体主要包括:
1) 传动部件； 2) 机身及行走机构； 3) 臂部； （见六伺服机械手臂视频） 4) 腕部；



机身回转运动可采用：回转轴液压（气）缸直接驱动； 直线液压（气）缸驱动的传动链（齿轮齿条、链条链 轮）；电（b)双杆活塞气缸驱动链条链轮传 传动机构） 动机构 图4－1 链条链轮传动实现机身回转的原理图（P104）
直移型机器人 的机身实际上 就是悬挂手臂 的横梁。为使 手臂能沿横梁 平移，除了要 有驱动和传动 机构外，导轨 是一个重要的 构件。
6）粘弹性大阻尼材料——增大机器人连杆件的阻尼是改善机器人动 态特性的有效方法。目前有许多方法用来增加结构件材料的阻尼，其 中最适合机器人采用的一种方法是用粘弹性大阻尼材料对原构件进行 约束层阻尼处理。适合制造连杆体等
“材料是制造业的基础，决定着整个国家的强富与贫穷。强国梦，材料不可或 缺。”2013年3月23日，中国“材料之父”、两院资深院士师昌绪在中国科技馆 作了题为《材料与社会》的报告，探讨中国梦实现之路。

机器人手臂的俯仰运动 一般采用活塞油（气） 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， 缸体采用尾部耳环或中 部销轴等方式与立柱连 接，如图所示。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。 图4－2 回转与俯仰机身（具体介绍见P105）

表示机器人运动机构的简化的图形符号
4.1.2
机器人本体材料的选择（见P102）
机器人本体所用的材料也是结构材料。但另一方面，机 器人本体又不单是固定结构件，机器人臂是运动的，机器人 整体也是运动的，所以，运动部分的材料质量应轻。精密机 器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度有要 求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，即要考虑振动问题。 从材料角度看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两 方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材 料的抗振性紧密相关。另外，家用和服务机器人的外观与传 统机械大有不同，故将会出现比传统工业材料更富有美感的 机器人本体材料。

机器人本体基本结构的特点：
1) 机器人本体是末端无约束的开式连杆系，这决定了机 器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。 2) 每根连杆都具有独立的驱动器，属于主动连杆系，连 杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运 动灵活。 3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化非常复杂， 且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因 而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。 4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿 的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其他不稳定 现象。
4.2 机身及臂部结构 4.2.1 机身和臂部的作用
机身是直接连接、支承和传动臂部及底座（或行走机构） 的部件，是臂部连接、支承和传动手腕的部件。有些情况 下，实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置和一 部分传动件安装在机身上。 实现手腕多个回转运动的驱动 装置和一部分传动件安装在臂部，臂部和手腕的运动愈多， 机身和臂部的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的， 也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可 沿地面或架空轨道运行。机身和臂部是长连杆，其关节运 动主要决定了手部的位置。
机身回转运动可 采用：回转轴液 压（气）缸直接 驱动；直线液压 （气）缸驱动的 传动链（齿轮齿 条、链条链轮）； 电动机驱动齿轮 传动。
补充：工业机器人前三个关节（腰、肩、肘 关节）的构造及其传动配置
关节是操作机各杆件间的结合部分，有转动和移动两种类 型。工业机器人前三关节通常称作腰关节、肩关节和肘关节， 它们构成了操作机的位置机构。后面关节构成了操作机的姿 态机构，称作腕部。下面分别讨论这些关节的构造和传动配 置。
（见行走类机器人视频1，行走类机器人视频2，行步类机器人视频3）

5) 手部。
消防机器人
室外保安机器人
德国排爆机器人
防暴机器人
管内机器人
大型喷浆机器人
隧道凿岩机器人

关节型机器人本体基本结构 关节型机器人的主要特点是模 仿人类腰部到手臂的基本结构。 本体结构通常包括机座、机身 （腰部+立柱）、大臂、小臂、 手腕和末端执行器(手爪)，以人 体构造形象命名。部分之间的划 分一般以关节为界，把从机座开 始的前一个关节划入对应的构件。 分析问题时，机器人简化成由 连杆、关节和末端执行器首尾相 接，通过关节相连而构成的一个 开式连杆系。连杆系的开端安装 有末端执行器。
，
综合以上特点可见，合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负 载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的 固有频率和改善系统的动态性能。 结构静、动态刚度高有利于提高手臂端点的定位精度和对编程轨迹的跟 踪精度。刚度高还可降低对控制系统的要求和系统造价。机器人具有较好的 刚度还可以增加机械系统设计的灵活性，刚度高的结构允许传感器放在离执 行器较远的位置上，减少了设计方面的限制。
1 —大臂； 2 —关节1电机； 3 —小臂定位板； 4 —小臂； 5 —气动阀； 6 —立柱； 7 —直齿轮； 8 —中间齿轮； 9 —机座； 10 —主齿轮； 11 —管形连接轴； 12 —手腕

机身驱动力(力矩)计算（略）

机身设计要求（参见P107） 1) 机身承受机器人全部重力和工作载荷，应有足够的强度、刚度。 合理选择截面形状和尺寸。封闭的空心截面在两个互相垂直的方向 上抗弯刚度较大，抗扭刚度较实心和开口截面大。空心内部还可以布 置驱动装置、传动机构及管线等，使整体结构紧凑，外形整齐。 提高接触刚度，要保证配合表面的加工精度和表面粗糙度。 采用滚动导轨或滚动轴承时，应考虑施加预紧力，提高接触刚度。 合理布置作用力的位置和方向，设法使各作用力的变形相抵消。 因为变形会使末端执行器的位置精度下降。
4）陶瓷——陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，不易加工成具 有长孔的连杆，与金属零件连接的接合部需特殊设计。 5）纤维增强复合材料——这类材料具有极好的E/比，但存在老化、 蠕变、高温热膨胀以及与金属件连接困难等问题。这类材料不但重量 轻，刚度大，而且还具有十分突出的大阻尼的优点。在高速机器人上 应用复合材料的实例越来越多。适合制造连杆体等
一、腰关节
腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩， 且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的 RV 减速器 减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。
4 3 1
2 腰关节
1 —电机 ；2 —齿轮；3 —立柱；4 —结合螺栓
腰关节的构造主要是两种类型：使用交叉滚子或四点接 触式轴承的同轴式平行轴式。前者结构紧凑，腰关节高度 尺寸小(使用特制轴承的缘故)，但后面关节的各种电缆走线 比较困难，大多是在固定的中间柱体外面留有较大的环形 空间，使电缆以盘旋的形式松松地套在中间柱体上，当腰 支架等机体转动时，电缆犹如盘旋弹簧般收紧或放松。对 于平行轴式腰关节，电缆则可方便地通过中空轴，联接于 支座的固定接线板上。
提高机器人结构固有频率的目的在于避开机器人的工作频率。通常机器 人的低阶固有频率为5～25Hz，以中等速度运动时，输入信号的脉冲频率相当 于在1～20Hz，可能会激发振荡。提高机械系统的固有频率有利于系统的稳定。 运动速度变化时振荡的振幅和衰减时间是衡量机器人动力学性能好坏的重要 指标。动态刚度高可以减小定位时的超调量，缩短达到稳定状态的时间，从 而提高机器人的使用性能。
1 —大臂； 2 —关节1电机； 3 —小臂定位板； 4 —小臂； 5 —气动阀； 6 —立柱； 7 —直齿轮； 8 —中间齿轮； 9 —机座； 10 —主齿轮； 11 —管形连接轴； 12 —手腕
4.2.2

机身结构的基本形式和特点
机身的典型结构 机身结构一般由机器人总体设计确定。常用的机身结构有： 升降回转型机身结构——圆柱坐标型机器人把臂部的回转与升降这两 个自由度归属于机身； 。

组成机器人的连杆和关节按功能 可以分成两类，一类是组成手臂 的长连杆，也称臂杆，其产生主 运动，是机器人的位置机构；另 一类是组成手腕的短连杆，它实 际上是一组位于臂杆端部的关节 组，是机器人的姿态机构。
末端执行器(手部)是机器人直 接参与工作的部分。手部可以是 各种夹持器，也可以是各种工具， 如焊枪、喷头等。
第8次
4 机器人本体基本结构
机器人的本体结构指其机体结构和机械传动系统，即 机器人的机械部分,也称主机或机械本体。它是机器人的支 承基础和执行机构。本章以工业机器人为主要对象介绍机 器人本体主要组成部分的特点和结构形式。



4.1 概述 本体的基本结构形式、 材料的选择 4.2 机身及臂部结构 4.3 腕部及手部结构 4.4 传动及行走机构

俯仰型机身结构——球坐标型机器人把臂部回转与俯仰这两个自由度 归属于机身；

回转型机身结构——关节坐标型机器人把臂部回转自由度归属于机身；

直移型机身结构——直角坐标型机器人有时把臂部升降或水平移动自 由度归属于机身。
类人机器人机身结构。类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外，还应装有驱动腿部运 动的装置和腰部关节。腰部关节实现左右和前后 的俯仰和人身轴线方向的回转运动。 机身运动多采用液压（气）缸和电动机为动力源。 液压（气）驱动适合中等载荷以上机器人；电动 机驱动适合轻载机器人。
二、肩关节和肘关节
对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高 刚性的RV减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。 肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或 同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。
三、直动关节
直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采 用滚动丝杠和导柱(轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速 移动结构。
正确选用结构件材料不仅可降低机器人的成本价格，更重要的是 可适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化要求。基本要求：
1) 强度高。高强度材料不仅能满足机器人臂的强度条件，而且可望 减少臂杆的截面尺寸，减轻重量。 2) 弹性模量大。构件刚度与材料的弹性模量E、G有关。弹性模量越 大，刚度越大。不同材料弹性模量的差异比较大，而同一种材料的改 性对弹性模量却没有太多改变。
3) 重量轻。机器人手臂构件中产生的变形很大程度上是由惯性力引 起的，与构件的质量有关。也就是说，为了提高构件刚度选用弹性模 量E大而密度也大的材料是不合理的。
4) 阻尼大。选择机器人的材料时不仅要求刚度大，重量轻，而且希 望材料的阻尼尽可能大。从提高定位精度和传动平稳性来考虑，希望 能采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收振动能量。 5) 材料经济性。