第2章 机器人的机构与分类
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工业机器人 第二章自由度
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fi 15
i1
则有
g
M 6(n g 1) fi 6(8 9 1) 15 3 i1
对于只有一个运动平台与几个分支连接 的多环机构，还可以通过直接观察法来 计算自由度，运动平台在无约束的情况 下有六个自由度，通过观察可以知道每 一分支对运动平台的约束数，则机构的 自由度为6减去所有的约束数。
2 机器人机构分析
机器人的机械结构是用关节将一些杆件（也 称为连杆）连接起来，一般使用二元关节， 即一个关节只与两个连杆相连接。
当各连杆组成一开式机构链时，所获得的机 器人机构称为串联机器人。如PUMA系列机 器人。
当各连杆组成一闭式机构链时，所获得的机 器人机构称为并联机器人。通常，并联机器 人的闭合回路多于一个。如Stewart平台式并 联机器人就有六个分支。
5）球面关节：用字母S表示 ，允许两连 杆之间有三个独立的相对转动。这种 关节具有三个自由度；
6）平面关节：用字母E表示 ，允许两连杆之 间有三个相对运动，即两个沿平面的移动 和一个垂直于该平面的转动。这种关节具 有三个自由度；
7）虎克铰：用字母T表示 ，允许两连杆之 间有二个相对转动。这种关节具有二个 自由度；
重复约束：机构中某些分支对运动平台 的某个自由度产生了重复限制（重复约 束），应在机构自由度中加上重复约束 的次数。
2.1 机器人机构
2.1.1 关节 在机器人机构中，两相邻的连杆之间 有一个公共的轴线，两杆之间允许沿 该轴线相对移动或绕该轴线相对转动， 构成一个运动副，也称为关节。关节 的种类有：
1）转动关节：通常用字母R表示，它允 许两相邻连杆绕关节轴线作相对转动， 转角为θ，这种关节具有一个自由度;
节的约束为 ui （ 即该关节限制的自由度
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对于只有一个运动平台与几个分支连接 的多环机构，还可以通过直接观察法来 计算自由度，运动平台在无约束的情况 下有六个自由度，通过观察可以知道每 一分支对运动平台的约束数，则机构的 自由度为6减去所有的约束数。
2 机器人机构分析
机器人的机械结构是用关节将一些杆件（也 称为连杆）连接起来，一般使用二元关节， 即一个关节只与两个连杆相连接。
当各连杆组成一开式机构链时，所获得的机 器人机构称为串联机器人。如PUMA系列机 器人。
当各连杆组成一闭式机构链时，所获得的机 器人机构称为并联机器人。通常，并联机器 人的闭合回路多于一个。如Stewart平台式并 联机器人就有六个分支。
5）球面关节：用字母S表示 ，允许两连 杆之间有三个独立的相对转动。这种 关节具有三个自由度；
6）平面关节：用字母E表示 ，允许两连杆之 间有三个相对运动，即两个沿平面的移动 和一个垂直于该平面的转动。这种关节具 有三个自由度；
7）虎克铰：用字母T表示 ，允许两连杆之 间有二个相对转动。这种关节具有二个 自由度；
重复约束：机构中某些分支对运动平台 的某个自由度产生了重复限制（重复约 束），应在机构自由度中加上重复约束 的次数。
2.1 机器人机构
2.1.1 关节 在机器人机构中，两相邻的连杆之间 有一个公共的轴线，两杆之间允许沿 该轴线相对移动或绕该轴线相对转动， 构成一个运动副，也称为关节。关节 的种类有：
1）转动关节：通常用字母R表示，它允 许两相邻连杆绕关节轴线作相对转动， 转角为θ，这种关节具有一个自由度;
节的约束为 ui （ 即该关节限制的自由度
机器人学_第2章_机器人机械结构
• 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
– 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
29
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
– 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
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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。
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1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
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2）. 单回转腕部 结构示例
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3）双回转油缸驱动手腕
工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构
2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而 回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
4．类人机器人型机身结构 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。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和 手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件 ，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。
第二章_机器人的机械结构分析
关节型搬运机器人
关节型焊接机器人
第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
5、平面关节型 (Selective Compliance Assembly Robot Arm ，简称SCARA) 仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。运动灵活 性更好，速度快，定位精度高，铅垂平面刚性好，适于装 配作业。
SCARA型装配机器人
有较大的作业空间，结构紧凑较复杂，定位精度较低。
极坐标型机器人模型
2018/11/2
Unimate
机器人
第二章
机ห้องสมุดไป่ตู้人的机械结构
机器人的构型
4、关节坐标型 (3R) 对作业的适应性好，工作空间大，工作灵活，结构紧凑， 通用性强，但坐标计算和控制较复杂，难以达到高精度。
2018/11/2
关节型机器人模型
2、圆柱坐标型 (R2P)
结构简单紧凑，运动直观，其运动耦合性较弱，控制也较 简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大，但转动 惯量较大，定位精度相对较低。
圆柱坐标型机器人模型
2018/11/2
Verstran 机器人
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第二章
机器人的机械结构
机器人的构型
3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)
• 电动式
电源方便，响应快，驱动力较大，可以采用多种灵活的控制方案。
2018/11/2
第二章
机器人的机械结构
二、机器人的分类
1.按机器人的控制方式分类 （1）非伺服机器人 非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器 人的运动。 （2）伺服控制机器人 通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信 号比较后，得到误差信号，经放大后用以激发机器人 的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动， 到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。
机器人技术第二章
图2-3所示的机器人， 臂部在xO1y面内有三 个独立运——升降(L1)、 伸缩(L2)、和转动(Φ1)， 腕部在xO1y面内有一 个独立的运动——转 动(Φ2)。机器人手部 位置需要一个独立变 量——手部绕自身轴 线O3C的旋转Φ3。
机器人自由度的选择
• 一般自由度的选择：机器人自由度都是根 据机器人的用途来设计的，在三维空间中 描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6 个自由度。工业机器人的自由度是根据其 用途而设计的，可能小于6个自由度，也可 能大于6个自由度。
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 的差异程度 。 或 在相同的位置指令
下 ， 机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。 分散情况 。 它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。 集程度，即重复度。
o
o
机器人的分辨率和精度
• 分辨率：机器人的分辨率由系统设计参数 决定，并受到位置检测反馈元件的影响。 可分为编程分辨率和控制分辨率，编程分 辨率是指程序中可以设定的最小移动单位， 又称基准分辨率；控制分辨率是指位置反 馈回路能检测到的最小位移量。当它们相 等时，系统性能达到最佳。
1、驱动系统 、 概念： 概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置 作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力 驱动系统可以是液压传动、 气动传 动、电动传动, 或者把它们结合起来应 用的综合系统; 可以是直接驱动或者是 通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等 机械传动机构进行间接驱动。
表2-3为不同作业机器人要求的重复 精度。
工作空间（ ）：机器人 工作空间（Working space）：机器人 ）： 手腕参考点或末端操作器安装点（ 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器） 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域， 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。 所能到达的区域。
第2章机器人机械系统2概要
大臂 机身
基座
小臂
腕部
连接手部
第二页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与升降机身
回转运动在 下，升降运 动在上
（a）单杆活塞气缸
（b）双杆活塞气缸
链条链轮传动实现机身回转的原理图
第三页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
回转与俯仰机身
第四页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机身设计时要注意下列问题
第十五页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
ABB的IRB4400
ABB的IRB 4600
采用优化设计，开链结构
第十六页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
机器人机械结构设计的发展方向
采用有限元、模态分析和仿真设计等现代设计方法； 采用新的高强度轻质材料，进一步提高机器人结构的负载/自重比， 使机器人机构进一步紧凑，速度和范围指标进一步提高；
动部分的质量；②使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；③采取“配重” 的方法来减小和消除偏重力矩。
➢ 运动要平稳、定位精度要高。影响因素：①惯性冲击的
影响；②定位方法的影响；③结构刚性的影响；④控制及驱动 系统的影响等。
第七页，编辑于星期二：二十三点 二十三分。
平衡机器人手臂的重力矩优点如下：
如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。
Euler腕关节的特色在于给定第四轴和第五轴一定角度后(J4，J5)，可将安装腕关节上 之手指向任意方向，再给定第六轴角度可调整手的姿态，如Fig- 所示。
第二十二页，编辑于星期二：二十三点 二十三 分。
經由特殊設定，可進一步將Owc_s 與Owc 點重合（Fig-8）。如此，Fig-8 便形成理
臂部的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位 置上。 在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷， 尤其高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲 击，影响定位的准确性。
机械原理：第二章机构的结构分析
斜齿轮机构
两个齿轮的齿廓为斜线，实现直线的 运动传递，同时具有较好的承载能力 和传动平稳性。
02
CHAPTER
机构的运动分析
机构运动简图
总结词
机构运动简图是表示机构运动关系的图形，通过图形化方式展示机构的组成和运 动传递路径。
详细描述
机构运动简图是一种抽象的图形表示，它忽略了机构的实际尺寸和形状，只关注 机构中各构件之间的相对运动关系。通过绘制机构运动简图，可以清晰地了解机 构的组成、运动传递路径以及各构件之间的相对位置和运动方向。
常见的受力分析方法
详细描述：常见的受力分析方法包括解析法、图解法和 有限元法等，每种方法都有其适用范围和优缺点，应根 据具体情况选择合适的方法。
机构的平衡分析
总结词
理解机构平衡的概念是进行平衡 分析的前提。
详细描述
机构平衡是指机构在静止或匀速 运动状态下，各作用力相互抵消 ，机构不会发生运动状态的改变 。
轮系
定轴轮系
各齿轮的转动轴线固定，齿轮的 运动由一个主动轮通过各齿轮的
啮合传递到另一个从动轮。
行星轮系
其中一个齿轮的转动轴线绕着另 一固定轴线转动，行星轮既可绕 自身轴线自转，又可绕固定轴线
公转。
混合轮系
由定轴轮系和行星轮系组合而成， 既有定轴轮系的自转运动，又有
行星轮系的公转和自转运动。
凸轮机构
机构运动分析的方法
总结词
机构运动分析的方法主要包括解析法和图解法两种。
详细描述
解析法是通过建立数学模型，运用数学工具进行求解的方法。这种方法精度高，适用于对机构进行精确的运动学 和动力学分析。图解法是通过作图和测量来分析机构运动的方法，这种方法直观易懂，适用于初步了解机构的运 动关系。
机器人技术基础复习要点
机器人技术基础复习要点第一章：绪论1.机器人分类：按开发内容与应用分为工业机器人，操纵型机器人，智能机器人；按发展程度分为第一代，第二代和第三代机器人；按性能指标分为超大型，大型。
中型。
小型和超小型机器人；按结构形式分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，球坐标型机器人和关节坐标型机器人；按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制；按驱动方式分为气力驱动式，液力驱动式和电力驱动式。
按机座可动分类分为固定式和移动式。
2.机器人的组成：驱动系统，机械系统，感知系统，控制系统，机器人-环境交互系统，人机交互系统。
3.机器人的技术参数：自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目；精度：主要依存于机械误差，控制算法误差与分辨率系统误差；重复定位精度；是关于精度的统计数据；工作范围：指的是机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有店的集合；最大工作速度：不同厂家定义不同，通常在技术参数中加以说明；承载能力：指的是机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
第二章：机器人本体结构1.机器人本体基本结构：传动部件，机身及行走机构，臂部，腕部，手部。
2.机器人本体材料的选择：强度高，弹性模量大，质量轻，阻尼大，经济性好。
3.机身设计要注意的问题：刚度和强度大；动灵活，导套不宜过短，避免卡死；驱动方式适宜；结构布置合理。
4.臂部的基本形式：机器人的手臂由大臂，小臂所组成，手臂的驱动方式主要有液压驱动，气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动驱动最为通用；臂部的典型机构有臂部伸缩机构，手臂俯仰运动机构，手臂回转与升降机构。
5.臂部设计需要的注意的问题：足够的承载能力；刚度高；导向性能好，运动迅速，灵活，平稳，定位精度高；重量轻，转动惯性小；合理设计与腕部和机身的连接部位。
6.机器人的平稳性和臂杆平衡方法：机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载游较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。
这将仅影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运转。
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四种坐标型机器人的机构简图如图２⁃８ 所示。
图２⁃ ８
典型机器人机构简图
机器人的主要 技术参数
机器人的主要技术参数
设计机器人， 首先要确定机器人的主要技术参数， 然后由机器人的技术参数 来选择机器人的机械结构、坐标形式和传动装置等。 1.自由度 自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度表示机器人动 作灵活的尺度， 一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示， 手部的动 作不包括在内。
机器人的组成和分类
5） 六自由度并联机构。六自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类， 从完全并联的角度出发， 这类机构必须具有６ 条运动链。但现有的并联机构中， 也有拥有３ 条运动链的六自由度并联机构， 如３⁃PRPS 和３⁃URS 等机构， 还有 在３ 个分支的每个分支上附加１ 个五杆机构做驱动机构的六自由度并联机构等。
制机器人的运动。插销板是用来预先规定机器人的工作顺序， 而且往往是可调的。
定序器是一种定序开关或步进装置， 它能够按照预定的正确顺序接通驱动装置的 能源。驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和手部等装置运动。当
它们移动到由限位开关所规定的位置时， 限位开关切换工作状态， 给定序器送去
一个工作任务已完成的信号， 并使终端制动器动作， 切断驱动能源， 使机器人 停止运动。
机器人技术及其应用
Theory and Application of Robotics
主编 张宪民
第二章
机器人的机构分类 与设计
目录
Contents 机器人的组成和分类 机器人的主要技术参数 机器人设计和选用准则 机器人的机械结构 机器人的驱动机构 小结
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
机器人的组成和分类
图２⁃６ 是典型的六自由度Ｓｔｅｗａｒｔ 并联机构。从结构上看， 它由６
根支杆将上下两平台连接而成， ６ 根支杆都可以独立的自由伸缩， 分别用球铰和 虎克铰与上下平台连接， 这样上下平台就可以进行６ 个独立运动。
图２⁃ ６六自由度Ｓｔｅｗａｒｔ并联机构
机器人的组成和分类
与传统串联机构相比， 并联机构的零部件数目较串联机构大幅减少， 主要由 滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电动机等通用组件组成， 这些通用组件由专门厂家生产， 因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机 构低很多， 容易组装和模块化。 并联机构的主要特点如下： 采用并联闭环结构， 机构具有较大的承载能力。 动态性能优越， 适合高速、高加速场合。
β 为坐标系的三个坐标。其中θ 是绕手臂支承底座垂直轴的转动角， β 是手臂在铅 垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。
机器人的组成和分类
（４） 多关节坐标型机器人 多关节坐标型机器人的结构如图２⁃１ｄ 所示， 它是以其各相邻运动构件之 间的相对角位移作为坐标系的。θ、α 和ϕ 为坐标系的三个坐标， 其中θ是绕底座铅
机器人的组成 和分类
机器人的组成和分类
2.1.1 机器人概述
机器人一般都由四个主要部分组成： ①机械系统； ②传感系统； ③驱动系 统； ④控制系统。 机械系统包括传动机构和由连杆集合形成的开环或闭环运动链两部分。连杆 类似于人类的大臂、小臂等， 关节通常为移动关节和转动关节。移动关节允许连 杆做直线移动，转动关节允许构件之间产生旋转运动。由关节⁃连杆所构成的机械 结构一般有三个主要部件: 臂、腕和手， 它们可根据要求在相应的方向运动， 这 些运动就是机器人在“做工”。
并联机构各个关节的误差可以相互抵消、相互弥补， 运动精度高。
运动空间相对较小。
机器人的组成和分类
（３） 混联机器人 混联机器人把串联机器人和并联机器人结合起来， 集合了串联机器人和并联
机器人的优点， 既有串联机器人工作空间大、运动灵活的特点， 又有并联机器人
刚度大、承载能力强的特点。 具有至少一个并联机构和一个或多个串联机构按照一定的方式组合在一起的 机构称为混合机构。含有混合机构的机器人称为混联机器人。混联机器人通常有 以下三种形式：第一种是并联机构通过其他机构串联而成； 第二种是并联机构直 接串联在一起； 第三种是在并联机构的支链中采用不同的结构。
机器人的组成和分类
图２⁃７ 所示为混联机器人， 其通过一个移动关节把并联机构和串联机构结
合在一起， 通过前面的串联机构来拓展它的工作空间， 此时机器人的末端就是一 个并联机构， 它具有较大刚度和高承载能力。从而有效地规避了并联机构工作空
间小和串联机构刚度小、承载能力低的缺点， 可以完成较大范围内的物体快速抓
机器人的组成和分类
使各种机械构件产生运动的装置为驱动器， 驱动方式可以是气动的、液压的 或电动的。驱动器可以直接与臂、腕或手上的连杆或关节连接在一起， 也可以通
过齿轮等传动系统与运动构件相连。
传感系统的作用是将机器人运动学、动力学、外部环境等信息传递给机器人 的控制器， 控制器通过这些信息确定机械系统各部分的运行轨迹、速度、加速度 和外部环境， 使机械系统的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。
机器人的组成和分类
图２⁃ ２
３Ｒ⁃２Ｐ 型二自由度并联机器人
机器人的组成和分类
２） 三自由度并联机构。三自由度并联机构种类较多， 一般有以下形式： 平 面三自由度并联机构， 如３⁃RPR机构、３⁃PRR机构； 球面三自由度并联机构， 如３⁃RPS机构（Ｓ 表示球副）、３⁃RRR 球面机构、３⁃UPS⁃１⁃S 球面机构（U
取等任务。
图２⁃ ７
混联机器人
机器人的组成和分类
混联机器人可以在大范围工作空间中高速、高效率地完成大型物体的抓取和 搬运工作， 因此在物流、装配生产线上应用广泛， 如码垛机器人。在物料分拣上， 由于其精度高的特点， 可以高精度、高响应地实现物料的高速分拣， 大大提高了 效率和准确度。
机器人的组成和分类
机器人的组成和分类
点位伺服控制机器人的受控运动方式为由一个点位目标移向另一个点位目标， 只在目标点上完成操作。机器人可以以最快的和最直接的路径从一个目标点移到 另一个目标点。通常， 点位伺服控制机器人能用于只有终端位置是重要的而对目 标点之间的路径和速度不做主要考虑的场合。点位控制主要用于点焊、搬运机器 人。 连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的路径， 其轨迹往往是某 条不在预编程端点停留的曲线路径。连续轨迹伺服控制机器人具有良好的控制和 运行特性。由于数据是依时间采样， 而不是依预先规定的空间点采样的， 因此机
图２⁃ ４
四自由度并联机器人
机器人的组成和分类
4） 五自由度并联机构。现有的五自由度并联机构结构复杂， ４⁃ＵＰＳ⁃Ｕ ＰＵ 型五自由度并联机器人如图２⁃５ 所示。定平台通过４个结构完全相同的驱
动分支ＵＰＳ 以及另一个驱动分支ＵＰＵ 与动平台相连接。
图２⁃５ ４⁃ＵＰＳ⁃ＵＰＵ型五自由度并联机器人
机器人的组成和分类
2.1.2 机器人的分类
机器人有多种分类方法， 本节分别按机器人的控制方式、结构坐标系特点、
机器人组成结构进行分类。
1.按机器人的控制方式分类 按照控制方式可把机器人分为非伺服控制机器人和伺服控制机器人两种。
机器人的组成和分类
（１） 非伺服控制机器人 非伺服控制机器人工作能力比较有限， 机器人按 照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的组成和分类
3.按机器人组成结构分类
（１） 串联机器人 串联机器人是一个开式运动链机构， 它是由一系列的连杆通过转动关节或移 动关节串联而成的， 即机械结构使用串联机构实现的机器人称为串联机器人。按 构件之间运动副的不同， 串联机器人可分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器 人、极坐标型机器人和多关节坐标型机器人。 串联机器人因其结构简单、易操作、灵活性强、工作空间大等特点而得到了广 泛的应用。串联机器人的不足之处是运动链较长， 系统的刚度和运动精度相对较
低。另外，由于串联机器人需在各关节上设置驱动装置， 各动臂的运动惯量相对
较大， 因而， 也不宜实现高速或超高速操作。
机器人的组成和分类
（２） 并联机器人 并联机器人是一种闭环机构， 包含有运动平台（末端执行器） 和固定平台
（机架）， 运动平台通过至少两个独立的运动链与固定平台相连接， 机构具有两
个或两个以上的自由度， 且以并联方式驱动。 并联机器人机构按照自由度划分， 有二自由度、三自由度、四自由度、五自 由度和六自由度并联机构。其中２～５ 个自由度机构被称为少自由度并联机构。 １） 二自由度并联机构。二自由度并联机构中， ５⁃R、３⁃R⁃２⁃P （R 表示 转动副， P 表示移动副） 是最典型的两种结构形式。图2-2为一个2自由度并联机 构。
垂轴的转角， ϕ 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， α 是第二臂相对于第一
臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置， 所能到达区域的 形状取决于两个臂的长度比例。
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的主要技术参数
图２⁃９ 所示的机器人， 臂部在ＸＯ１Ｙ面内有三个独立运动———升降（Ｌ１）、 伸缩（Ｌ２） 和转动（ϕ１）， 腕部在ＸＯ１Ｚ 面内有一个独立运动———转动（ϕ２）。 机器人手部轴线在ＸＯ１Ｙ 面内， 确定手部位置需一个独立变量———手部绕自身轴线 （Ｏ３Ｃ） 的旋转ϕ３。
图２⁃ ９
4.机器人常见的图形符号
机器人的结构与传统的机械相比， 所用的零件和材料以及装配方法等， 与现 有的各种机械完全相同。机器人常用的关节有移动副、旋转运动副， 常用的图形 符号见表２⁃２。
图２⁃ ８
典型机器人机构简图
机器人的主要 技术参数
机器人的主要技术参数
设计机器人， 首先要确定机器人的主要技术参数， 然后由机器人的技术参数 来选择机器人的机械结构、坐标形式和传动装置等。 1.自由度 自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度表示机器人动 作灵活的尺度， 一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示， 手部的动 作不包括在内。
机器人的组成和分类
5） 六自由度并联机构。六自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类， 从完全并联的角度出发， 这类机构必须具有６ 条运动链。但现有的并联机构中， 也有拥有３ 条运动链的六自由度并联机构， 如３⁃PRPS 和３⁃URS 等机构， 还有 在３ 个分支的每个分支上附加１ 个五杆机构做驱动机构的六自由度并联机构等。
制机器人的运动。插销板是用来预先规定机器人的工作顺序， 而且往往是可调的。
定序器是一种定序开关或步进装置， 它能够按照预定的正确顺序接通驱动装置的 能源。驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和手部等装置运动。当
它们移动到由限位开关所规定的位置时， 限位开关切换工作状态， 给定序器送去
一个工作任务已完成的信号， 并使终端制动器动作， 切断驱动能源， 使机器人 停止运动。
机器人技术及其应用
Theory and Application of Robotics
主编 张宪民
第二章
机器人的机构分类 与设计
目录
Contents 机器人的组成和分类 机器人的主要技术参数 机器人设计和选用准则 机器人的机械结构 机器人的驱动机构 小结
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
机器人的组成和分类
图２⁃６ 是典型的六自由度Ｓｔｅｗａｒｔ 并联机构。从结构上看， 它由６
根支杆将上下两平台连接而成， ６ 根支杆都可以独立的自由伸缩， 分别用球铰和 虎克铰与上下平台连接， 这样上下平台就可以进行６ 个独立运动。
图２⁃ ６六自由度Ｓｔｅｗａｒｔ并联机构
机器人的组成和分类
与传统串联机构相比， 并联机构的零部件数目较串联机构大幅减少， 主要由 滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电动机等通用组件组成， 这些通用组件由专门厂家生产， 因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机 构低很多， 容易组装和模块化。 并联机构的主要特点如下： 采用并联闭环结构， 机构具有较大的承载能力。 动态性能优越， 适合高速、高加速场合。
β 为坐标系的三个坐标。其中θ 是绕手臂支承底座垂直轴的转动角， β 是手臂在铅 垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。
机器人的组成和分类
（４） 多关节坐标型机器人 多关节坐标型机器人的结构如图２⁃１ｄ 所示， 它是以其各相邻运动构件之 间的相对角位移作为坐标系的。θ、α 和ϕ 为坐标系的三个坐标， 其中θ是绕底座铅
机器人的组成 和分类
机器人的组成和分类
2.1.1 机器人概述
机器人一般都由四个主要部分组成： ①机械系统； ②传感系统； ③驱动系 统； ④控制系统。 机械系统包括传动机构和由连杆集合形成的开环或闭环运动链两部分。连杆 类似于人类的大臂、小臂等， 关节通常为移动关节和转动关节。移动关节允许连 杆做直线移动，转动关节允许构件之间产生旋转运动。由关节⁃连杆所构成的机械 结构一般有三个主要部件: 臂、腕和手， 它们可根据要求在相应的方向运动， 这 些运动就是机器人在“做工”。
并联机构各个关节的误差可以相互抵消、相互弥补， 运动精度高。
运动空间相对较小。
机器人的组成和分类
（３） 混联机器人 混联机器人把串联机器人和并联机器人结合起来， 集合了串联机器人和并联
机器人的优点， 既有串联机器人工作空间大、运动灵活的特点， 又有并联机器人
刚度大、承载能力强的特点。 具有至少一个并联机构和一个或多个串联机构按照一定的方式组合在一起的 机构称为混合机构。含有混合机构的机器人称为混联机器人。混联机器人通常有 以下三种形式：第一种是并联机构通过其他机构串联而成； 第二种是并联机构直 接串联在一起； 第三种是在并联机构的支链中采用不同的结构。
机器人的组成和分类
图２⁃７ 所示为混联机器人， 其通过一个移动关节把并联机构和串联机构结
合在一起， 通过前面的串联机构来拓展它的工作空间， 此时机器人的末端就是一 个并联机构， 它具有较大刚度和高承载能力。从而有效地规避了并联机构工作空
间小和串联机构刚度小、承载能力低的缺点， 可以完成较大范围内的物体快速抓
机器人的组成和分类
使各种机械构件产生运动的装置为驱动器， 驱动方式可以是气动的、液压的 或电动的。驱动器可以直接与臂、腕或手上的连杆或关节连接在一起， 也可以通
过齿轮等传动系统与运动构件相连。
传感系统的作用是将机器人运动学、动力学、外部环境等信息传递给机器人 的控制器， 控制器通过这些信息确定机械系统各部分的运行轨迹、速度、加速度 和外部环境， 使机械系统的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。
机器人的组成和分类
图２⁃ ２
３Ｒ⁃２Ｐ 型二自由度并联机器人
机器人的组成和分类
２） 三自由度并联机构。三自由度并联机构种类较多， 一般有以下形式： 平 面三自由度并联机构， 如３⁃RPR机构、３⁃PRR机构； 球面三自由度并联机构， 如３⁃RPS机构（Ｓ 表示球副）、３⁃RRR 球面机构、３⁃UPS⁃１⁃S 球面机构（U
取等任务。
图２⁃ ７
混联机器人
机器人的组成和分类
混联机器人可以在大范围工作空间中高速、高效率地完成大型物体的抓取和 搬运工作， 因此在物流、装配生产线上应用广泛， 如码垛机器人。在物料分拣上， 由于其精度高的特点， 可以高精度、高响应地实现物料的高速分拣， 大大提高了 效率和准确度。
机器人的组成和分类
机器人的组成和分类
点位伺服控制机器人的受控运动方式为由一个点位目标移向另一个点位目标， 只在目标点上完成操作。机器人可以以最快的和最直接的路径从一个目标点移到 另一个目标点。通常， 点位伺服控制机器人能用于只有终端位置是重要的而对目 标点之间的路径和速度不做主要考虑的场合。点位控制主要用于点焊、搬运机器 人。 连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的路径， 其轨迹往往是某 条不在预编程端点停留的曲线路径。连续轨迹伺服控制机器人具有良好的控制和 运行特性。由于数据是依时间采样， 而不是依预先规定的空间点采样的， 因此机
图２⁃ ４
四自由度并联机器人
机器人的组成和分类
4） 五自由度并联机构。现有的五自由度并联机构结构复杂， ４⁃ＵＰＳ⁃Ｕ ＰＵ 型五自由度并联机器人如图２⁃５ 所示。定平台通过４个结构完全相同的驱
动分支ＵＰＳ 以及另一个驱动分支ＵＰＵ 与动平台相连接。
图２⁃５ ４⁃ＵＰＳ⁃ＵＰＵ型五自由度并联机器人
机器人的组成和分类
2.1.2 机器人的分类
机器人有多种分类方法， 本节分别按机器人的控制方式、结构坐标系特点、
机器人组成结构进行分类。
1.按机器人的控制方式分类 按照控制方式可把机器人分为非伺服控制机器人和伺服控制机器人两种。
机器人的组成和分类
（１） 非伺服控制机器人 非伺服控制机器人工作能力比较有限， 机器人按 照预先编好的程序顺序进行工作， 使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的组成和分类
3.按机器人组成结构分类
（１） 串联机器人 串联机器人是一个开式运动链机构， 它是由一系列的连杆通过转动关节或移 动关节串联而成的， 即机械结构使用串联机构实现的机器人称为串联机器人。按 构件之间运动副的不同， 串联机器人可分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器 人、极坐标型机器人和多关节坐标型机器人。 串联机器人因其结构简单、易操作、灵活性强、工作空间大等特点而得到了广 泛的应用。串联机器人的不足之处是运动链较长， 系统的刚度和运动精度相对较
低。另外，由于串联机器人需在各关节上设置驱动装置， 各动臂的运动惯量相对
较大， 因而， 也不宜实现高速或超高速操作。
机器人的组成和分类
（２） 并联机器人 并联机器人是一种闭环机构， 包含有运动平台（末端执行器） 和固定平台
（机架）， 运动平台通过至少两个独立的运动链与固定平台相连接， 机构具有两
个或两个以上的自由度， 且以并联方式驱动。 并联机器人机构按照自由度划分， 有二自由度、三自由度、四自由度、五自 由度和六自由度并联机构。其中２～５ 个自由度机构被称为少自由度并联机构。 １） 二自由度并联机构。二自由度并联机构中， ５⁃R、３⁃R⁃２⁃P （R 表示 转动副， P 表示移动副） 是最典型的两种结构形式。图2-2为一个2自由度并联机 构。
垂轴的转角， ϕ 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， α 是第二臂相对于第一
臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置， 所能到达区域的 形状取决于两个臂的长度比例。
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的组成和分类
表２⁃１ 总结了不同坐标结构机器人的特点。
机器人的主要技术参数
图２⁃９ 所示的机器人， 臂部在ＸＯ１Ｙ面内有三个独立运动———升降（Ｌ１）、 伸缩（Ｌ２） 和转动（ϕ１）， 腕部在ＸＯ１Ｚ 面内有一个独立运动———转动（ϕ２）。 机器人手部轴线在ＸＯ１Ｙ 面内， 确定手部位置需一个独立变量———手部绕自身轴线 （Ｏ３Ｃ） 的旋转ϕ３。
图２⁃ ９
4.机器人常见的图形符号
机器人的结构与传统的机械相比， 所用的零件和材料以及装配方法等， 与现 有的各种机械完全相同。机器人常用的关节有移动副、旋转运动副， 常用的图形 符号见表２⁃２。