机器人的机构与肢体PPT

机器人技术概论
Introduction to Robotic Technology
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第四章 机器人的机构与肢体
(Robotic Mechanism and Body)
01 机器人的基本构件 02 机器人的自由度 03 机器人的传动机构 04 机器人的移动机构 05 机器人的腿部机构 06 机器人的臂部机构 07 机器人的手部机构
供它（铰
铰
物为刚链
链
理连体，
，
上 的 约 束 。
杆 之 间 的 相 对 运 动 ，
） 连 合 在 一 起 的 机 构
是 一 种 能 将 两 个 连
(1)：球形铰链（万向节） (5)：((圆32个个柱旋平铰转移链自自由由(6度度)：：) (螺11个个旋自旋铰由转链度和：1个1个平平移移) )
(3)：平面铰链
p
n s(r p 1) ni i 1 3(5 5 1) 5 2 13
02 机器人的自由度
2.3 自由度计算实例
计算实例 3：三维空间中的机械臂（其中有 7 个连杆（刚 体），5 个单自由度铰链）
整个机械系统的自由度（DoF）：n=？ 运动空间的自由度：s=6 连杆（刚体）的数量：r=7 铰链（关节）的数量：p=6 各关节的相对自由度：ni=1 （i=1,2,3,4,5,6）
机器人的动力，一般需要经过传动系统（传动机构），才 能到达并驱动需要动力的末端执行机构（末端效应器）， 同时，机器人运动的速度，运动的方向，也需要传动系统 （传动机构）的协调和控制。
以减速机构为例：减速机构是最常见和最普通的传动机构， 一个每分钟8000转的直流电机，由于速度和转矩的限制， 一般不能直接驱动轮式机器人的末端执行机构（包括轮 子），需要减速机构，对电机的旋转速度进行变换。
机器人系统的自由度（DoF），一般由其关节的数量和自 由度决定。
具有驱动力的铰链或关节，被称为主动关节，相应的自由 度被称为主动自由度；而不具有驱动力的铰链或关节，则 被称为被动关节，相应的自由度也被称为被动自由度。
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01 机器人基本构件与自由度
2.1 关于自由度概念
连杆，需要与铰链连合在一起。
(2)：旋转铰链 (1个旋转自由度)
p
n s(r p 1) ni i 1 3(7 6 1) 6 6
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03 机器人的传动机构
3.1 关于机器人动力的传送
机器人的动力源，包括电动马达，液动或气动系统，一般 不 能 直 接 地 驱 动 末 端 执 行 机 构 （ 或 称 末 端 效 应 器 ： EndEffector，相当于机器人的肢体，如：机械手或机械臂末端 的夹持器，机械腿和机械足，轮足和履带，等等）。
(4)：平移铰链
(3个自由度：1个旋转和 2个(平1个移平) 移自由度)
有 多 种 形 式 ：
提，杆
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02 机器人的自由度
2.2 自由度的计算方法
计算自由度（DoF）的方法很多，Grubler-Kutzbach 准则 （Criterion）是其中之一：
p
n s(r p 1) ni i 1
p
n s(r p 1) ni i 1 3(4 4 1) 4 1 12
02 机器人的自由度
2.3 自由度计算实例
计算实例 2：二维空间中的五连杆机构（其中有 5 个单自 由度铰链）
整个机械系统的自由度（DoF）：n=？ 运动空间的自由度：s=3 连杆（刚体）的数量：r=5 铰链（关节）的数量：p=5 各关节的相对自由度：ni=1 （i=1,2,3,4,5）
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机器人的肌体是无机的，其中，最重要的 是动作器官，包括：机械腿，机械臂，和 机械手。
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01 机器人的基本构件
在机器人机构中，最基本的构件有两种： 连杆（Link）：相当于人或动物的骨骼 铰链（Joint）：相当于人或动物的关节
1.1 连杆：机器人的骨骼
连杆，或称“连接件”，一般为刚性物体，其中，理论上， 任意两点没有相对的运动。 连杆，可以有各种各样的形状，可以由各种各样的材料构 成，然而，都可以抽象为一条线段。
有 多 种 形 式 ：
，构连
提，杆
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01 机器人基本构件与自由度
1.2 铰链：机器人的关节
铰链，主要有两种基本的形式： （所有的铰链都是这两种基本形式的组合）
旋转铰链：最常见的铰链 形式，约束两个连杆相对 旋转的运动。
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01 机器人基本构件与自由度
1.2 铰链：机器人的关节
铰链，主要有两种基本的形式： （所有的铰链都是这两种基本形式的组合）
平移铰链：约束两个连杆 相对位移的运动。
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02 机器人的自由度
2.1 关于自由度概念
自由度（Degree of Freedom， DoF），是表示一个机械系统 运动灵活性的尺度，意味着独 立的运动的数量。
自由度的概念，其意义在于： 描述机械系统运动的灵活性或 灵活程度，同时，建立起机械 系统设计的一个重要原理：多 自由度机构可以由单自由度机 构的串联形成。
其中： n： 整个机械系统的自由度（DoF） s： 运动空间的自由度
（2维：s=3；3维：s=6） r： 连杆（刚体）的数量 p： 铰链（关节）的数量 ni： 各关节的相对自由度
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02 机器人的自由度
2.3 自由度计算实例
计算实例 1：二维空间中的四连杆机构（其中有 4 个单自 由度铰链）
整个机械系统的自由度（DoF）：n=？ 运动空间的自由度：s=3 连杆（刚体）的数量：r=4 铰链（关节）的数量：p=4 各关节的相对自由度：ni=1 （i=1,2,3,4）
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01 机器人基本构件与自由度
1.2 铰链：机器人的关节
连杆，需要与源自文库链连合在一起。
(2)：旋转铰链
供它（铰
铰
物为刚链
链
理连体，
，
上 的 约 束 。
杆 之 间 的 相 对 运
） 连 合 在 一 起 的
是 一 种 能 将 两
动机个
(1)：球形铰链 （万向节）
(5)：圆柱铰链
(3)：平面铰链
(6)：螺旋铰链 (4)：平移铰链
例如：一个多自由度的机械臂，通常是 由多个单自由度机构串联形成。
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02 机器人的自由度
2.1 关于自由度概念
严格地，一个机构的自由度（DoF），被定义为：完整描 述其姿态（Pose）和构型（Configuration）所需要的独立 的坐标数量。 因此，一个在笛卡尔三维空间中运动的刚体，有 6 个自由 度，其中，3 个为位置（Position）（位移自由度），3 个 为朝向（Orientation）（旋转自由度）。