机器人学及其智能控制第2章 机器人的运动机构与执行机构
智能机器人的结构与控制原理
智能机器人的结构与控制原理智能机器人，在很多人眼里，只是一个能够执行简单任务的机械设备。
但是，随着科技的不断进步，现代智能机器人已经成为了一个集成了各种先进技术的高科技产品。
下面，本文将介绍智能机器人的结构与控制原理，以帮助读者更好地了解这个神奇的机器人世界。
一、智能机器人的结构智能机器人的结构主要包括三部分：机械结构、电子控制系统和智能算法。
1. 机械结构机械结构是智能机器人最基础、最核心的部分，它是机器人实体的骨架。
机械结构通常由材料、电机、传感器、执行器等组成，不同类型的机器人有不同的结构，比如人形机器人、工业机器人、无人机等等。
机器人的机械结构必须满足以下要求：稳定性、灵活性、精度和耐久性。
机器人要支撑整个系统进行复杂的动作，同时还要保持平衡和稳定性，以避免因失衡而导致的事故发生。
而要实现更加准确的操作，机器人的结构必须具有高精度、高强度和高刚度。
2. 电子控制系统电子控制系统是智能机器人的核心，是控制机器人动作和行为的关键。
电子控制系统主要由中央处理器（CPU）、存储器、各种传感器、电机控制器、输入输出设备、通信模块等组成。
中央处理器是控制机器人运动和操作的大脑，它汇总和解释传感器的消息，然后发送指令给电机和执行器。
电机控制器计算出马达的动力和运转速度，使机器人能够更精细地定位和执行任务。
输入输出设备负责与人类进行人机交互，包括显示屏、操控杆、语音识别器等。
通信模块也非常重要，它可使机器人和其他设备或机器人进行实时交流，以便更好地实现协同任务。
3. 智能算法智能算法是机器人实现高级功能的关键，主要分为三类：计算机视觉、语音识别和自主决策。
计算机视觉主要依赖于机器视觉和数字信号处理技术，让机器人能够识别物体、人脸、动作等，从而实现更智能、更人性化的服务。
语音识别是让机器人理解和反应人类语言的技术，它的核心是将语音信号转化为文字信号，以便机器人能够识别和处理。
自主决策是让机器人具备独立决策和执行任务的能力，这需要机器人具备更加深入的学习和判断能力。
机器人技术与智能控制
机器人技术与智能控制近年来，随着科技的快速发展，机器人技术与智能控制在各个领域中扮演着越来越重要的角色。
机器人技术的发展不仅改变了人们的生产方式，也为人们的生活带来了便利。
本文将从机器人技术的定义、发展历程、应用领域以及智能控制技术等几个方面进行探讨。
一、机器人技术的定义与发展历程机器人技术是一门综合性学科，它涉及到机械工程、电子技术、控制理论等多个学科。
机器人可以根据预设的程序以及传感器的反馈信息，自主地执行各种任务，可以代替人们从事重复性、危险性较高的工作。
从机器人的诞生以来，它经历了几个重要的发展阶段。
最早的机器人可以追溯到20世纪50年代，当时由美国专家研制的“安科电子手臂”被视为第一个真正意义上的机器人。
随着计算机技术的发展，机器人逐渐实现了自动化控制，能够对环境进行感知和响应。
20世纪70年代到80年代，机器人技术得到了广泛应用，特别是在汽车制造业中，机器人的使用大大提高了生产效率。
二、机器人技术的应用领域随着科技的进步和社会的需求，机器人技术的应用领域也越来越广泛。
以下是机器人技术在几个常见领域中的应用：1. 工业制造领域：机器人广泛应用于工厂生产线上，可以完成装配、焊接、喷涂等重复性操作，提高了生产效率和产品质量。
2. 医疗领域：机器人在手术中的应用越来越多，它可以精确控制手术器械，减少手术风险，提高手术成功率。
3. 农业领域：机器人可以用于农田的耕作、种植、喷洒农药等工作，提高农业生产的效率和产量。
4. 物流领域：机器人在仓库中的应用使得货物的搬运更加高效，减少了人力成本，提高了物流效率。
5. 家庭服务领域：智能家居中的智能机器人可以帮助人们清洁、照料、安保等家务工作。
三、智能控制技术在机器人技术中的应用智能控制技术是机器人技术中非常重要的一部分。
它可以使机器人根据环境的变化自主地做出决策，提高机器人的感知能力和响应能力。
传感器技术是智能控制中的关键技术之一。
机器人通过各种传感器获取环境的信息，如图像传感器、声音传感器、力传感器等。
机器人学_第2章_机器人机械结构
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
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腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
30
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
44
1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
45
2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕
机器人课件机器人控制ppt
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
如果给系统加上一个幅值为T的阶跃力矩 干扰,则系统的稳态误差为:
T lim sT(s)keTKm
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
5.1.3机器人示教编程方式
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
5.1 概述
构成机器人控制系统的要素主要有：计算机硬 件系统及控制软件；输入／输出设备；驱动器； 传感器系统。它们之间的关系如图所示：
简化后:
d (s)
Ke
Km JS ( f KmKv)
1 S
(s)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
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机器人学及其智能控制第2章 机器人的运动机构与执行机构
机器人一般有两种运动关节——转动关节和移(直)动 关节。
为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和 速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精 度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机 驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常 通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。
• 直角坐标机器人 • 圆柱坐标型机器人 • 极坐标型机器人 • 多关节机器人 • 并联机器人
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直角坐标型
关节配置
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圆柱坐标型
关节配置
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极坐标型
关节配置
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水平关节型
关节配置
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驱动—传动系统的构成
度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱 动比较困难。
电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机 驱动和步进电机驱动。
直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易 形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐 取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。
步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大， 多用于低精度小功率机器人系统。
机器人学及其智能控制 第二章 机器人的运动机构 与执行机构
机器人的运动机构与执行机构
• 常见运动机构 • 工业机器人常见运动形式 • 移动机器人常见的移动机构 • 机器人执行机构
机器人的运动机构与执行机构
丝杠传动 丝杠传动有滑动式、滚珠式和静压式等。机器人传动用的丝杠具备结 构紧凑、间隙小和传动效率高等特点。 1. 滚珠丝杠 滚珠丝杠的丝杠和螺母之间装了很多钢球，丝杠或螺母运动时钢球不 断循环，运动得以传递。因此，即使丝杠的导程角很小，也能得到90 ％以上的传动效率。
《机器人学》教学大纲
《机器人学》课程教学大纲、课程基本信息二、课程目标（一）总体目标:机器人学是智能制造工程专业培养计划中一门高度交叉、前沿的重要专业必修课程，融合了运动学/动力学分析、机械学、控制理论与工程、计算机技术、人工智能等多学科内容的综合性新技术应用课程.通过该课程的学习，使学生了解并掌握机器人学相关的基本理论和方法，具有现代机器人系统设计、分析、应用等基本能力和以后从事相关科学研究和技术工作的能力。
本课程针对智能制造工程专业的特点，主要介绍机器人数学基础、工业机器人、服务机播人的基本机械结构设计、运动学与动力学分析，以及机器人传感器和控制技术等基础理论和技术基础知识，并以实际工程应用为背景，安排各类机器人实样参观、专题讲座、实验等内容。
通过本课程教学，不但使学生掌握机器人技术的基本理论知识，使学生对各类机器人技术和开发方法有所了解，同时通过课程设计等活动培养其在逻辑思维、科学研究和设计实践上的能力，从而培养学生综合运用机器人技术解决智能制造领域实际工程问题的能力。
（二）课程目标：课程目标1：学习并掌握现代机器人的基本理论及方法，具有应用机器人解决工程问题的创新意识和能力；（支撑毕业要求1）课程目标2：学习并掌握工业机器人、服务机器人的状态检测和控制技术，具有利用先进控制理论和方法进行机器人控制并完成具体工程应用的能力；（支撑毕业要求2）课程目标3：学习并掌握现代机器人的总体设计、技术设计和详细结构设计及控制系统设计等内容,具有根据实际工程问题设计相应机器人解决方案的能力：（支撑毕业要求3）课程目标4：评定方法包括课后作业（15%）、实验（20%）、项目研究（15%）和期末考试（50%）环节,总评成绩以百分计，满分100分，各考核环节所占分值比例和根据具体情况微调。
2.（三）评分标准通过机器人的实验，获得相关实验设计和实验技能的基本训练，具有应用相关实验方法解决实际工程问题的能力。
（支撑毕业要求5）（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系三、教学内容第1章：绪论（3学时）通过本章内容的教学，使学生了解机器人学的起源与发展，讨论机器人学的定义，分析机器人的特点、结构与分类。
智能机器人的运动学与控制
智能机器人的运动学与控制近年来，随着科技的不断发展和创新，智能机器人的应用不断扩大，从工业、医疗到家庭服务等各个领域。
在机器人运动控制领域，运动学与控制技术是关键。
本文将深入探讨智能机器人的运动学与控制，以期更好地了解智能机器人技术模型与运行。
一、智能机器人的运动学智能机器人的运动学是机器人动作学中的一个重要分支，它是描述机器人运动学特性的数学模型。
运动学包括位置、速度、加速度、路径、力等一系列运动参数。
在智能机器人控制中，通过运动学参数，我们可以准确描述机器人位置信息、速度信息与加速度信息，建立起机器人在空间中运动的基本方程组，从而实现对机器人姿态和位置的掌控。
智能机器人的运动学有两种：点运动学和机构运动学。
点运动学强调机械结构中重要构件的位置和路径，其计算方法是基于直线和折线的简单几何运算。
而机构运动学是指对复杂机器人结构进行描述和分析，通过构造机器人的几何模型，而后运用不同的坐标系和不同的参考坐标系解析机器人的绝对位置和运动轨迹。
二、智能机器人的控制模型智能机器人的控制模型是指通过电子计算机来控制机器人的动作的模型。
机器人控制模型的设计是提高机器人控制精度、保障工作安全的重要手段。
智能机器人的控制模型通常包括输入、输出、处理三部分，它们的关系是输入被处理后，将转化为输出，从而控制机器人进行必要的动作。
在智能机器人的控制模型中，最基本的是闭环控制模型，其控制方案采用反馈控制方法，将机器人输出的物理量同期望值进行比较，从而不断调节机器人的控制参数，使输出值不断接近设定值，达到最终目标。
传感器是智能机器人运动控制的核心组件，传感器通过测量运动学参数，输出实时数据后，用于驱动电机实现所期望的控制效果。
三、智能机器人的运动控制机器人控制是为机器人实现预定任务而进行的一种技术手段，其基本目的是通过对输入输出过程的逐步优化，提高机器人的控制性能，从而控制机器人顺利执行所需任务。
在智能机器人的运动控制中，控制技术包括开环控制和闭环控制两种方法。
《机器人第二章》课件
探讨医疗机器人在手术和康复等领域的重要作 用。
家庭服务机器人的应用
介绍家庭服务机器人的应用场景，如智能家居 和老年人护理等。
军事机器人的应用
分析军事机器人在侦察和无人作战等任务中的 应用情况。
未来机器人的发展趋势
1 智能化和自主化
展望机器人未来的发展方向，包括更智能和 自主的特点。
机器人的历史发展概览
回顾机器人的历史，了解其 发展的里程碑和主要进展。
机器人的构成要素
1 硬件和软件
深入了解机器人的硬件组 成和软件系统，以及二者 之间的关系。
2 传感器和执行器
了解机器人的传感器和执 行器，它们对机器人感知 和执行任务的重要性。
3 控制系统和决策系统
探索机器人的控制系统和 决策系统，理解它们如何 使机器人能够做出智能决 策。
2 多模态和交互式
研究机器人未来的多模态感知和交互技术的 发展趋势。
3 协作式和群体化
探索机器人将更多地以协作和群体形式工作 的前景。
4 轻量化和柔性化
展示机器人轻量化和柔性化的趋势，以适应 不同的工作场景。
《机器人第二章》PPT课 件
欢迎来到《机器人第二章》PPT课件。本课程将带您深入了解机器人的定义、 分类和应用领域，以及机器人的构成要素和运动学、动力学、视觉系统、学 习和认知等方面知识。
概述
机器人的定义和分类
了解机器人的准确定义以及 不同类型的分类。
机器人的应用领域
探索机器人在各个领域中的 应用，包括工业、家庭服务、 医疗和军事等。
了解机器人的不同学习类型和学习方法，如监督学习和强化学习等。2Biblioteka 机器人的感知和认知及其模型
探索机器人的感知和认知能力，以及相关的认知模型和理论。
《机器人及控制》课程教学大纲(本科)
机器人及控制(Robot and its Control)课程代码：05410159学分：2学时：32 （其中：课题教学学时：26 实验学时：6上机学时：0 课程实践学时:0 ）先修课程：自动控制原理、现代控制理论、计算机技术、传感器技术、机械工程学适用专业：自动化、测控技术与仪器等专业教材：《关节型机器人》，殷际英等，化学化工出版社，2003年8月第1版一、课程性质与课程目标（-）课程性质工业机器人是一门多学科综合交叉的边缘学科，它涉及机械、电子、运动学、动力学控制理论、传感检测、计算机技术和人机工程，是一门理论与应用相结合的专业方向课程。
机器人是典型的机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合，而是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合，通过本课程的学习，使学生了解工业机器人的机构设计，掌握其运动学与动力学分析以及机器人控制和使用的技术要点和基础理论，综合运用所使学生对机器人有一个全面、深入的认识。
培养学生利用基础理论和专业知识进行机器人相关设计的能力。
（二）课程目标《机器人及控制》介绍工业机器人的运动学，动力学，轨迹规划，传感装置以及工业机器人的驱动与控制。
通过本课程，学生需要掌握工业机器人运动学与动力学分析以及机器人传感技术和驱动控制方法，培养学生利用基础理论和专业知识进行机器人相关设计的能力。
课程目标如下：课程目标1:掌握工业机器人运动学与动力学分析、控制和使用的技术要点和基础理论；课程目标2：对机器人有一个全面、深入的认识，培养学生利用基础理论和专业知识进行机器人相关设计的能力。
本课程支撑专业培养计划中的毕业要求指标点1-4和2-2o1.毕业要求1-4.掌握自动化工程专业基础知识，具有分析和解决复杂自动化工程问题的初步能力。
2.毕业要求2-2.具备对分解后的复杂自动化工程问题进行表达和建模的能力。
二、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章绪论（-）课程内容（1）机器人的概念；（2）机器人的特点；（3）机器人的种类；（4）一般机器人的基本组成结构和控制方式;（5）机器人发展状况。
机器人控制系统知识点
机器人控制系统知识点机器人控制系统是指用于控制和指导机器人行为的技术和系统。
它包括硬件和软件两个方面，掌握机器人控制系统的知识点对于研究和应用机器人技术至关重要。
本文将介绍机器人控制系统的几个核心知识点，包括传感器、执行机构、控制算法等。
一、传感器传感器是机器人控制系统的重要组成部分，用于感知外部环境，并将感知到的信息转化为机器人可以理解和处理的形式。
常见的机器人传感器包括：1. 视觉传感器：用于获取图像信息，如摄像头、激光扫描仪等。
2. 距离传感器：用于测量机器人与周围物体的距离，如超声波传感器、红外传感器等。
3. 接触传感器：用于检测机器人与物体的接触和碰撞，如力传感器、压力传感器等。
4. 惯性传感器：用于测量机器人的姿态和运动状态，如加速度传感器、陀螺仪等。
二、执行机构执行机构是机器人控制系统中负责执行动作的部件，它们根据控制指令来实现机器人的运动和操作。
常见的机器人执行机构包括：1. 电机：用于驱动机器人的关节或轮子运动，如直流电机、步进电机等。
2. 液压或气动执行器：用于实现高功率和精确控制的动作，如液压缸、气动马达等。
3. 线性执行器：用于实现直线运动，如线性电动机、液压缸等。
三、控制算法控制算法是机器人控制系统的核心，它决定了机器人如何根据传感器信息和目标任务来执行动作。
常见的机器人控制算法包括：1. 逆运动学：用于根据目标位置计算机器人关节或末端执行机构的运动参数。
2. 路径规划：用于确定机器人在环境中的最优路径以实现目标任务，如A*算法、Dijkstra算法等。
3. 运动控制：用于控制机器人的运动轨迹和速度，使其按照预定的路径和速度进行运动。
4. 强化学习：用于让机器人通过试错学习来优化控制策略，使其能够自主适应不同的环境和任务。
四、通信与接口机器人控制系统还需要具备与外部设备和系统进行通信的能力，以便实现与其他系统的数据交换和协作。
通信与接口知识点包括：1. 串口通信：用于机器人与计算机、传感器等设备的数据传输，如RS232、RS485等。
机器人学 第2章 机器人运动学4教材
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y
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3.坐标变换
3.1平移变换 （Translation transformation ）： 坐标系 {B}与｛ A｝的方向向量平行，原点不同。
?1 0 0 px ?
T ? ??0
1
0
p
y
? ?,
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0
1
pz
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A p ? T ?B
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? 所谓逆变换就是将被变换的坐标系返回到原来的坐标系。
? 变换矩阵的一般表达形式：
?nx ox ax px ?
T ? ??n y
oy
ay
p
y
? ?
?nz oz az pz ?
? ?
0
0
0
1
? ?
式中 n, o, a 是旋转变换列向量， p 是平移向量，其逆是
?nx n y nz ? p ?n ?
T ?1 ?
2. 姿态描述
姿态描述：刚体的空间表示。
一个刚体在空间有几个自由度？
通常的做法是：定义两个坐标系 ? 空 间固定坐标系和刚体固定坐标系。
常用的姿态描述：
旋转矩阵的姿态描述（笛卡尔坐标系 下），
欧拉（Euler ）角的姿态描述， 利用横滚（R：Roll ）、俯仰（P：
pitch ）、偏转（Y：yaw ）角 （RPY角）的姿态描述等。
r22
r23
? ?
??r31 r32 r33 ??
?nx ox ? x ?
??? A RB ? ?n
o ? ?? ??ny
oy
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y
? ?
机器人控制原理
第二章机器人系统简介2.1 机器人的运动机构（执行机构）机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。
对机器人的操作手而言，它应该象人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。
移动机构应能将机器人移动到任意位置，并保持预定方位姿势。
为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本移动功能。
在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构2.1.1 机器人的臂结构机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组成。
关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。
在关节的约束下，两连杆间只能有简单的相对运动。
机器人中常用的关节主要有两类：(1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。
(2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。
杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。
以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描述。
我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree of freedom））。
而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。
机器人的自由度是独立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。
（由驱动器能产生主动动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。
机器人学及其智能控制
（4）智能型：这类机器人具有感知、适应以及思维和人机通信机能。
2.机器人按照功能可以划分为几种？（1）操作型机器人：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
（2）程控型机器人：按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
（3）示教再现型机器人：通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
（4）数控型机器人：不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
（5）感觉控制型机器人:利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
（6）适应控制型机器人:机器能适应环境的变化，控制其自身的行动。
（7）学习控制型机器人：机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中（8）智能机器人：以人工智能决定其行动的机器人。
二、简答题1.试简述机器人的运动机构。
（1）直线运动机构：丝杆传动，皮带传动与链传动；（2）旋转运动机构：齿轮；（3）减速运动机构：行星齿轮减速器，谐波传动。
2.试简述各种传动齿轮的结构及特点。
3.试简述工业机器人常见的运动形式。
（1）直角坐标型机器人三个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，相当于笛卡尔坐标系的xyz轴，主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测作业。
（2）圆柱坐标型机器人是以θ、z和r为参数构成坐标系手腕参考点的位置可表示为P=f (θ，z，r)）。
（3）球（极）坐标型机器人以θ、φ、r 为坐标，任意点可表示为P=f(θ，φ，r)（4）SCARA机器人有三个旋转关节，其轴线相互平行。
手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ1、φ2和移动关节的位移z决定，即P=f(φ1，φ2，z)（5）关节型机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由两个或三个腕关节进行定向。
4.与轮式移动机构相比，履带式移动机构有什么特点？(1) 支撑面积大，接地比压小。
机器人运动控制与机械结构设计
机器人运动控制与机械结构设计机器人作为一种高科技产品，已经逐渐渗透到人们的日常生活中。
从家庭清洁机器人到汽车工业中的组装机械人，机器人已经成为现代自动化制造中不可或缺的一部分。
机器人的运动控制和机械结构设计是实现机器人自动化的两个关键问题。
本文将重点介绍机器人运动控制和机械结构设计的基本原理和技术。
一、机器人运动控制原理1. 控制系统组成机器人的运动控制系统主要由控制器、执行机构和传感器构成。
控制器是机器人运动控制的大脑，负责处理传感器采集的传感信号，制定运动策略，然后通过信号输出电路向执行机构发出命令。
执行机构是机器人运动控制的执行部分，包括各种电动机和液压缸等动力装置，以及与其相配套的减速器、传动机构、机构臂等。
传感器是机器人控制系统的感觉器官，能够感受并采集机器人运动过程中产生的各种信号，如位置、姿态、力、速度等。
2. 控制方法机器人的运动控制一般采用开环控制和闭环控制两种方法。
（1）开环控制开环控制是指按固定规律发出控制信号，使机器人达到预期的运动目标。
开环控制没有实时反馈机制，运动过程受到外界干扰等因素的影响可能会出现误差，因此适用于精度要求不高的应用场景，如农业、清洁等领域。
（2）闭环控制闭环控制是指通过传感器采集机器人运动过程中的各种信号，再将信号反馈给控制器进行修正，以调整机器人的运动轨迹和参数，从而保证机器人达到精准、稳定的运动目标。
闭环控制适用于精度要求较高的应用场景，如工业自动化、医疗器械等领域。
3. 控制算法常见的机器人控制算法包括PID控制、模糊控制、遗传算法、神经网络控制等。
其中，PID控制是最常用的一种控制算法，它通过比较实际输出值和期望输出值的差异，自动调整控制器输出信号的比例、积分和微分系数，从而实现机器人运动控制的精度和稳定性。
二、机械结构设计原理1. 机械结构分类机器人的机械结构一般可分为手臂结构、移动底盘结构和复合结构。
手臂结构是机器人最常见的结构类型，一般由机械臂、关节、执行机构等部件组成。
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直角坐标型 ( PPP )
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圆柱坐标型 ( RPP )
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极坐标型 ( RRP )
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多关节型 ( RRR )
2017/6/12
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典型操作机
• • • • • 直角坐标机器人 圆柱坐标型机器人 极坐标型机器人 多关节机器人 并联机器人
机器人的运动机构与执行机构
• • 旋转运动机构 齿轮的种类
•
齿轮靠均匀分布在轮边上的齿的直接接触来传递扭矩。通常，齿轮的
角速度比和轴的相对位置都是固定的。因此，轮齿以接触柱面为节面 ，等间隔地分布在圆周上。随轴的相对位置和运动方向的不同，齿轮
有多种类型。
操作机类型
• • • • 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型
机器人学及其智能控制 第二章 机器人的运动机构 与执行机构
机器人的运动机构与执行机构
• • 常见运动机构 工业机器人常见运动形式
•
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移动机器人常见的移动机构
机器人执行机构
机器人的运动机构与执行机构
丝杠传动 丝杠传动有滑动式、滚珠式和静压式等。机器人传动用的丝杠具备结 构紧凑、间隙小和传动效率高等特点。 1. 滚珠丝杠 滚珠丝杠的丝杠和螺母之间装了很多钢球，丝杠或螺母运动时钢球不 断循环，运动得以传递。因此，即使丝杠的导程角很小，也能得到90 ％以上的传动效率。
3．其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、
压电微驱动并联机器人
形状记忆合金驱动机器人手
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驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件 ，以价格高低、技术水平为评价标准。 一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电 动驱动器。 只须点位控制且功率较小者，或有防暴、清洁等特殊 要求者，可采用气动驱动器。 负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液 压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调 速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统。 23
液压控制阀
液压马达 液压摆动马达
液压泵 20
3．气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用 。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速 度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。
气 动 马 达
气 动 摆 动 马 达
气 缸
气 泵
气 动 三 大 件
气 动 控 制 阀
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机器人的运动机构与执行机构
2. 行星轮式丝杠 已经开发了以高载荷和高刚性为目的的行星轮式丝杠。该丝杠多用于 精密机床的高速进给，从高速性和高可靠性来看，也可用在大型机器 人的传动，其原理如图2.2所示。螺母与丝杠轴之间有与丝杠轴啮合 的行星轮，装有7～8套行星轮的系杆可在螺母内自由回转，行星轮的 中部有与丝杠轴啮合的螺纹，其两侧有与内齿轮啮合的齿。将螺母固 定，驱动丝杠轴，行星轮便边自转边相对于内齿轮公转，并使丝杠轴 沿轴向移动。行星轮式丝杠具有承载能力大、刚度高和回转精度高等 优点，由于采用了小螺距，因而丝杠定位精度也高。
机器人一般有两种运动关节——转动关节和移(直)动 关节。
为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和 速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精 度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机 驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常 通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。 16
1—码盘；
2 —测速机； 3 —电机； 4 —联轴器； 5 —传动装置；
6 —转动关节；
7 —杆 8 —电机；
9 —联轴器；
10 —螺旋副； 11 —移动关节； 12 —电位器(或光栅 尺)
伺服电机驱动关节——伺服电机+联轴节+减速器+运动反馈元 件
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1．电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速 度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱 动比较困难。 电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机 驱动和步进电机驱动。 直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易 形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐 取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大， 多用于低精度小功率机器人系统。 18
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直角坐标型
关节配置
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圆柱坐标型
关节配置
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13极坐标型关源自配置2017/6/1214
水平关节型
关节配置
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驱动—传动系统的构成
在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装 置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。
直流伺服电机与驱动放大 器
步进电机
步进电机驱动放大器
交流伺服电机
驱动放大器
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2. 液压驱动器
液压驱动的优点是功率大，可省去减 速装置而直接与被驱动的杆件相连，结 构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具 有较高的精度。但需要增设液压源，易 产生液体泄漏，不适合高、低温场合， 故液压驱动目前多用于特大功率的机器 人系统。