2.4 机器人机身及行走机构

花键轴与花键孔：
1．回转与升降机身(3)： ．回转与升降机身 ：
齿条活塞缸—升降缸机构： 齿条活塞缸 升降缸机构： 升降缸机构
构成：
主要由升降缸体、齿条缸、齿轮套筒、固定立柱和升降回 转台等部分构成。
工作原理：
回转运动：
齿条缸的齿条活塞杆直线运动→齿轮套筒6回转运动→齿轮 套筒6 和升降缸体2及升降回转台1固联→升降回转台1 回转
构成：
主要由直线运动液压缸、摆动液压缸、花键导向轴、机身 本体等部分构成。
工作原理：
回转运动：
摆动液压缸进油→摆动缸动片7摆动→带动摆动缸套5摆动 由于花键轴3只起导向作用而不回转，摆动缸定片与花键轴 之间通过平键和螺钉固定连接，保证定片的位置确定。
升降运动：
活塞1下腔进油→活塞推动机身沿花键轴上升 活塞1上腔进油→活塞推动机身沿花键轴下降
回转与俯仰机身图例： 回转与俯仰机身图例：
三、机器人行走机构
1．行走机构的构成： ．行走机构的构成：
机器人行走机构通常由驱动装置、传 动装置、位置检测装置、传感器、电 缆和管路等构成。
2．行走机构的分类： ．行走机构的分类：
按运行轨迹分： 按运行轨迹分：
分为固定轨迹式和无固定轨迹式两种。固 定轨迹式主要用于工业机器人
对负载有一定的限制。
图2.59所示的三组轮是由美国Unimationstanford 行走 机器人课题研究小组设计研制的。 它采用了三组轮子, 呈等边 三角形分布在机器人的下部。
图 2.59 三组轮
四轮行走机器人：
图 2.60 四轮车的驱动机构和运动
图2.62所示为四轮防爆机器人, 该轮系由于采用了四组轮 子, 运动稳定性有很大提高。但是,要保证四组轮子同时和地 面接触, 必须使用特殊的轮系悬挂系统。它需要四个驱动电机, 控制系统也比较复杂, 造价也较高。
工作原理：
回转运动：
通过液压缸活塞的移动→带动链条的移动→链轮 的转动→机身的转动
升降运动：
活塞的上下移动→带动机身的上下升降
链轮—液压缸机构图例：
每个液压缸 只有一个油 口。
问题： 要使立柱作大于360°的旋转，对活塞 的行程有什么要求？
1．回转与升降机身(2)： ．回转与升降机身 ：
直线运动液压缸—摆动液压缸机构： 直线运动液压缸 摆动液压缸机构： 摆动液压缸机构
4．车轮式行走机器人： ．车轮式行走机器人：
分类： 分类：
车轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六 轮之分。它们或有驱动轮和自位轮，或有 驱动轮和转向机构，用来转弯。
适用范围： 适用范围：
最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬 楼梯。
图 2.57 利用陀螺仪的二轮车
三轮行走机器人图例：
三轮行走机器人结构及驱动：
3．各种坐标类型机身运动方案设计（3）： ．各种坐标类型机身运动方案设计（ ）：
关节坐标式机器人： 关节坐标式机器人： 这种类型的机器人 主体结构的三个自 由度均为回转运动， 构成机器人的回转 运动、俯仰运动和 偏转运动。通常仅 把回转运动归结为 机身。
3．各种坐标类型机身运动方案设计（4）： ．各种坐标类型机身运动方案设计（ ）：
直角坐标式机器人： 直角坐标式机器人： 这种类型的机器人 主体结构具有三个 自由度且都是直线 运动。通常把升降 运动或水平移动的 自由度归为机身部 分。
二、机身典型结构
1．回转与升降运动机身(1)： ．回转与升降运动机身 ：
链轮—液压缸机构： 链轮 液压缸机构： 液压缸机构
构成：
主要由链轮机构、液压缸机构、机身本体部 分构成。且升降机构位于转动机构的上方。
机器人机身及行走机构
主讲 郝建豹
引言：
机器人机械结构由三大部分构成： 机身、手臂（含手腕）、手部。其 中机身又称立柱，是支承臂部的部 件。同时，大多数工业机器人必须 有一个便于安装的基础部件，这就 是机器人的基座，基座往往与机身 做成一体。有些机器人需要行走， 机身下面还会安装有行走机构。
一、机身的自由度和运动
排爆机器人
图 2.63 三角轮系的机构图
图 2.64 全方位移动车的移动方式 (a) 全方位方式； (b) 转弯方式; (c) 旋转方式; (d) 制动方式
5．履带式行走机器人： ．履带式行走机器人：
特点： 特点：
可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障 碍物，能爬梯度不太高的台阶。 没有自位轮，依靠左右两个履带的速度差转 弯，会产生滑动，转弯阻力大，且不能准确 地确定回转半径。
两足步行机器人图例：
控制特点： 控制特点：
使机器人的重心 经常在接地的脚 掌上，一边不断 取得准静态平衡， 一边稳定的步行。
结构特点： 结构特点：
为了能变换方向 和上下台阶，一 定要具备多自由 度。
图 2.65 两足步行式行走机构原理图
两足步行机器人图例：
主要构成： 主要构成：
1—框架 3—小腿 5—肩 7—手 2—大腿 4—脚 6—肘 8—液压缸
1．机身的自由度： ．机身的自由度：
机身往往具有升降、回转及俯仰三个 自由度。
2．机身的运动： ．机身的运动：
由上面三个自由度可以组合成机身 五种运动形式。分别是：
回转运动； 升降运动； 回转—升降运动； 升降运动； 回转—俯仰运动； 俯仰运动； 回转—升降运动—俯仰运动。 俯仰运动。
3．各种坐标类型机身运动方案设计（1）： ．各种坐标类型机身运动方案设计（ ）： 圆柱坐标式机器人： 圆柱坐标式机器人 ：
直线运动液压缸—摆动液压缸机构图例： 直线运动液压缸 摆动液压缸机构图例： 摆动液压缸机构图例
油口
问题：
1、摆动液压缸的动片与缸的 1 什么部件相连？机械臂将与摆 动液压缸的什么部件相连？ 2、为什么采用长度较短的花 键套导向？ 油口 3、机身升降运动的行程和回 转运动角度取决于什么？ 4、画出零件2的结构图。
7．其它行走机器人： ．其它行走机器人：
爬壁机器人： 爬壁机器人： 车轮和脚混合式机器人： 车轮和脚混合式机器人：
其它行走机器人图例： 其它行走机器人图例：
4.其它移动方式 其它移动方式
军 用 昆 虫 机 器 人
爬缆索机器人
水下6000米无缆自治机器人 米无缆自治机器人 水下
蛇形机器人
Class is over. ByeBye-bye!
履带式行走机器人图例（ ）： 履带式行走机器人图例（1）：
履带式行走机器人图例（ ）： 履带式行走机器人图例（2）：
救 援 机 器 人
德国排爆机器人
6．脚踏行走机器人： ．脚踏行走机器人：
脚踏行走机器人即步行机器人，典型特 征是不仅能在平地上，而且能在凹凸不 平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶， 具有广泛的适应性。主要设计难点是机 器人跨步时自动转移重心而保持平衡的 问题。
这种类型的机器人 主体结构通常具有 三个自由度：一个 回转运动（腰转） 及两个直线移动 （升降运动及手臂 伸缩运动）。腰转 运动及升降运动通 常由机身来实现。
3．各种坐标类型机身运动方案设计（2）： ．各种坐标类型机身运动方案设计（ ）：
球面坐标式机器人：
这种类型的机器人主 体结构通常具有三个 自由度：绕垂直轴线 的回转运动（回转运 动）、绕水平轴线的 回转运动（俯仰运动） 及手臂的伸缩运动。 通常把回转及俯仰运 动归属于机身。
升降运动：
升降缸体2、齿轮套筒6、回转台1整个一起升降运动
齿条活塞缸—升降缸机构图例： 齿条活塞缸 升降缸机构图例： 升降缸机构图例
2．回转与俯仰机身： ．回转与俯仰机身：
机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞 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 臂用铰链连接好，缸体采用尾部耳环或 中部销轴等方法与立柱连接。
图 2.66 汉库科技公司的双足机器人
步行式
四足机器人图例（1）：
特点： 特点：
四足机器人在静 止状态下是稳定 的，具有很高的 实用性。 四足机器人步行 时，一只脚抬起， 三只脚支撑自重， 这时有必要移动 身体，让重心落 在三只脚接地点 组成的三角形内。
四足机器人图例（2）：
四足机器人图例（3）：
构成： 构成：三个车轮、转向叉、驱动装置等。 驱动方案：
电机5驱动轮1：通过V1、V2的不同速度控制小车的 移动方向，同时，转向叉3自动地转向正确的方向。 此时轮2受到地面的摩擦而滚动。 电机6驱动轮2：由电机6驱动，小车的方向由专用电 机7驱动转向叉实现。此时轮1自由滚动。
缺陷： 缺陷：施加在角落的力容易产生使机器人翻倒，
按行走机构的特点分： 按行走机构的特点分：
对于无固定轨迹机器人，可分为轮式、履 带式和步行式等。前两者与地面连续接触ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 后者与地面为间断接触。
3．固定轨道式机器人运动的实现： ．固定轨道式机器人运动的实现：
机器人机身底座，安装在一个可移动 的拖板上，依靠丝杆螺母副的运动将 来自电机的旋转运动转化为直线运动。