第四章 机器人的机构与肢体

03 机器人的传动机构
3.2 机器人的齿轮传动
齿轮传动可对马达或发机旋转的速度和旋转的方向进行变 换，还能将旋转运动变换为位移运动。
(a) 传 递 (d) 立 体 换 向 (c) 平 面 换 向
(b) 变 速
齿归 轮纳 传起 动来 的， 形 式 有 ：
(e) 旋转变位移
03 机器人的传动机构
3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构
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）
n s(r p 1) ni
大部分齿轮都是定轴齿轮，其轴线是固定的。 轴线固定的齿轮传动原理很简单，在一对互相啮合的齿轮 中，有一个齿轮作为主动轮，动力从它那里输入，另一个 齿轮作为从动轮，动力从它输出。
(c) 惰轮
也有的齿轮仅作为中转 站，一边与主动轮啮合， 另一边与从动轮啮合， 动力从它那里通过，这 种齿轮叫惰轮。
(b) 从 动 轮
机器人技术概论
Introduction to Robotic Technology
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
动机 机械 构腿 原的 理凸 轮 传
图中是机器昆虫的机械腿及其运动示意图，其中，齿轮接 受从直流电动机传递过来的动力，与齿轮固定在同一轴上 的凸轮周而复始地上下和前后推动机械腿运动，从而驱使 机器昆虫向前爬行。
04 机器人的移动机构
4.1 关于移动（迁徙）机构
移动（迁徙），是自治移动式机器人的生命特征之一。 自治移动式机器人，自然需要移动机构（迁徙机构）。移 动机构（迁徙机构），是机器人的腿或足。 机器人有各种各样的移动机构，或者说，机器人有各种各 样的机械腿，大致可以分为两类： 旋转型移动机构：主要特征是旋转滚动运动，如：轮式 移动机构，履带式移动机构，旋翼式推进机构等。 仿生型移动机构：主要特征是往复交替运动，如：双足 机器人的腿和足，机器蜻蜓的翅膀，机器鱼的鳍等。 本节只介绍机器人的旋转式移动（迁徙）机构，有关机器 人仿生的移动（迁徙）机构，留待下节介绍。
(a) 主 动 轮
然而，有一类齿轮，它们的轴线安装在一个可以转动的支 架上，即，其轴线是不固定的。
03 机器人的传动机构
3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构
然而，有一类齿轮，它们的轴线安装在一个可以转动的支 架上，是不固定的。 这种齿轮，即可以自转（绕自己 的轴线转动），又可以公转（绕 其它的齿轮转动），因而，被称 为：行星齿轮。 行星齿轮系统的原理较为复杂， 功能和用途较为特殊。
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。
03 机器人的传动机构
3.4 带（Belt）链（Chain）传动机构
链条（Daisy Chain）传动机构 链条传动是我们熟悉的，自行车和摩托车的动力传动，就 主要采用链条传动形式。
许多机器人也采用了链条或履带式传动。
03 机器人的传动机构
3.5 连杆与凸轮传动机构
由连杆和凸轮组成的传动机构，可以把电动机的连续的旋 转运动，转换为间歇往复运动，实现不等速运动（减速比 可变化）的功能等。 连杆、曲柄和凸轮 等形成的复杂传动 机构，能将电动机 的动力转变为机器 人肢体的动作。
)
03 机器人的传动机构
3.2 机器人的齿轮传动
齿机 轮器 传人 动动 是力 (8)：蜗杆传动 (9)：直齿锥齿轮传动 最传 (传动：变速 90 (传动：变速 换向) (10) 90 ：曲线齿锥齿轮传动 换向) (11) ：斜齿锥齿轮传动 常动 ( 传动：变速 90 换向 ) (5)：齿轮齿条传动 (传动：变速 90换向) 见 的 (传动：旋转变位移 ) (7)：螺旋齿轮传动 (6)：双曲面齿轮传动 的形 ，式 (传动 ：变速 (传动 90 ：变速 换向) 90换向) 最很 典多 型， 的其 。中 ，
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 个为位臵（Position）（位移自由度），3 个 为朝向（Orientation）（旋转自由度）。 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。
n s(r p 1) ni
i 1
p
3(7 6 1) 6 6
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）。
行星齿轮减速器
03 机器人的传动机构
3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构
一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示： 行星齿轮减速器可以有多种 动力传送方式： 动力从内齿轮输入，从行星架 输出，太阳轮锁死； 动力从内齿轮输入，从太阳轮 输出，行星架锁死； 两股动力分别从太阳轮和内齿 轮输入合成，从行星架输出； 两股动力分别从行星架和太阳 轮输入合成，从内齿轮输出；
03 机器人的传动机构
3.2 机器人的齿轮传动
机器人动力传动的形式很多，其中，齿轮传动是最常见的， 最典型的。
： 运传内 动动啮 模：合 式变齿 速轮 传 换动 向 变 换 (4)
(
(2)：斜齿圆柱齿轮传动 (3)：人字齿圆柱齿轮传动 (1)：直齿圆柱齿轮传动 (传动：变速 换向)换向) (传动：变速 换向 ) (传动：变速
行星齿轮减速器，是行星齿轮的 一种特殊用途，其中，包含一个 太阳轮和3-4个行星轮。
行星齿轮示意图
03 机器人的传动机构
3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构
一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示： 行星齿轮减速器可以有多种 动力传送方式： 动力从太阳轮输入，从内齿轮 输出，行星架锁死； 动力从太阳轮输入，从行星架 输出，内齿轮锁死； 动力从行星架输入，从太阳轮 输出，内齿轮锁死； 动力从行星架输入，从内齿轮 输出，太阳轮锁死；
行星齿轮减速器
03 机器人的传动机构
优点： 传送距离大，可实现无级 3.4 带（Belt）链（Chain）传动机构 变速，简单，低廉。
三角带与无级变速 三角带（V Belt），指剖面为 V 字形（准确地说是梯形） 传送带，常常用于传送电机的连续的旋转运动。
纤维编织层
聚酯丝缆 (1) V 形带传送系统
铰 链 ， 有 多 种 形 式 ：
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：
n s(r p 1) ni
i 1
p
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 n i： 各关节的相对自由度
n s(r p 1) ni
i 1
p
3(5 5 1) 5 2
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）
铰 链 ， 有 多 种 形 式 ：
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。
01 机器人基本构件与自由度
1.2来自百度文库铰链：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。
01 机器人基本构件与自由度
1.2 铰链：机器人的关节
连杆，需要与铰链连合在一起。 供它 （ 铰 物为 刚 链 理连 体 ， 上杆 ） 是 的之 连 一 约间 合 种 束的 在 。相 一 能 对起将 运的两 动机个 ，构连 提，杆
(2)：旋转铰链
(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
(2) 三角带
(3) V 形槽传送轮
03 机器人的传动机构
3.4 带（Belt）链（Chain）传动机构
同步带传动机构 同 步 带 （ Synchronous Belt 或 Timing Belt），是一种带有齿条的 传送带，传送距离大，传动比固定， 工作稳定。
(2) 同 步 带 (3) 同 步 带 轮 (1) 同步带传送系统
行星齿轮减速器
03 机器人的传动机构
3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构
一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示： 行星齿轮减速器可以有多种 动力传送方式： 两股动力分别从行星架和内齿 轮输入合成，从太阳轮输出； 动力从太阳轮输入，分两路从 内齿轮和行星架输出； 动力从行星架输入，分两路从 太阳轮和内齿轮输出； 动力内齿轮输入，分两路从太 阳轮和行星架输出。
07 机器人的手部机构
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。
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。
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)
供它 （ 铰 物为 刚 链 理连 体 ， 上杆 ） 是 的之 连 一 约 间 合 种 (1)：球形铰链（万向节） (3个旋转自由度) (5)：圆柱铰链 束的 在 (6)：螺旋铰链 。相 一 能 (2个平移自由度：1个旋转和1个平移) (1个自由度：1个平移) 对起将 运的两 (4)：平移铰链 动 机 个 (3)：平面铰链 (3个自由度：1个旋转和 2个平移 (1个平移自由度 ) ) ，构连 提，杆
行星齿轮减速器
03 机器人的传动机构
3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构
一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示： 行星齿轮系的主要特点在于： 体积小，承载能力大，工作平 稳； 施加的力分布多个行星轮上， 承受力矩大于同样大小的直齿 传动机构；
传动比可以很大。 因此，行星齿轮系可用于构造大传动 比的变速器，即行星齿轮变速器。
i 1
p
3(4 4 1) 4 1
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）
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。 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。