第02讲--机器人系统组成结构
机器人系统的组成
机构。
机器人 机械本体 非 运 动 机 械 控制系统 感 知 系 统
运 动 机 械
微 电 脑
机器人的感官——传感系统（感知系统）
机器人的身体内，有许多不同的传感器 在工作，为机器人提供信息输入。 红外线传感器让机器人 “看到”障碍物； 声音传感器让机器人 “听到”各种声音；
机器人的大脑——主控系统（微电脑）
机器人的主控系统（机器 人思考、判断和决策中枢）负 责接收传感器传回来的信息， 经过一定的处理，然后发出控 制命令，指挥机器人的机械部 分执行各种动作。 机器人主控系统的核心是单片机，即集成 在一个单一的芯片内的一台微电脑。
Байду номын сангаас 机器人的身体——机械本体
机器人的机械本体是机器人行动的基础。 原动机 机 械 本 体 传动 执行 为机器人提供动力 将原动机的动力转变为执 行部分所需的运动形式。
完成预定功能
思考：
道路两旁的风向标、弹跳蛙、手表是机器 人吗？
机器人的定义：机器人是一种自动化的
机器，所不同的是这种机器具备一些与人 或生物相似的智能能力，是一种具有高度 灵活性的自动化机器。机器人技术的本质 是感知、决策、行动和交互技术的结合。
只要具备一些与人或生物相似的智能能 力的自动化机器，都属于机器人系统。
机器人系统的组成
机器人能够“弄懂”人的意图并遵照执行， 正是人工智能研究的结果。具体来说，和人 类智能类似， 机器人通过感官——传感系统获得信息， 经过机器人的大脑——主控系统的处理、 判断、决策，再发出指令给机器人的执行
机器人系统的组成
机器人系统的组成机器人系统通常由以下几个组成部分构成：1. 机械结构：包括机器人的物理外形和各个部件的机械结构，如关节、链条、连接器、传感器等。
这些结构决定了机器人的动作范围和运动能力。
2. 电气控制系统：包括电机、驱动器、传感器、计算机等电子设备，用于控制机器人的运动和感知环境。
电气控制系统接收来自计算机的指令，并将其转化为机械动作。
3. 计算机控制系统：包括嵌入式系统、单片机、PLC等，用于控制机器人的运动和执行任务。
计算机控制系统负责运算、决策和监控机器人的各种功能。
4. 感知系统：包括各种传感器，如摄像头、激光雷达、红外传感器等，用于感知机器人周围的环境信息。
感知系统可以获取到环境中的物体位置、距离、光照强度等数据，以辅助机器人的决策和动作。
5. 控制算法：包括路径规划、运动控制、动作规划等算法，用于指导和控制机器人的各项动作。
控制算法可以使机器人对特定任务做出适当的反应和行动。
6. 用户界面：通常是一台显示屏或者计算机界面，与机器人进行通信，可以通过界面对机器人进行控制和监控。
用户界面还可以提供机器人的工作状态、故障报警等信息。
这些组成部分相互配合，共同组成一个完整的机器人系统，实现使用者对机器人的控制和监控，并执行各种任务。
另外还有一些可选的组成部分，可以根据具体的机器人应用需求进行选择和配置：1. 操作系统：机器人可能运行一个特定的操作系统，如Linux 或Windows，用于管理和协调机器人系统的各项功能。
2. 数据存储和通信设备：机器人可能需要具备一定的存储和通信能力，以便存储和传输数据。
例如，机器人可以存储感知到的环境信息和任务执行过程中的数据。
3. 电源系统：机器人通常需要电源来驱动各个部件的工作，可以采用电池、电源适配器等不同形式的供电方式。
4. 人机交互接口：机器人可以配备触摸屏、声音识别、手势识别等人机交互设备，以便用户能够与机器人进行沟通和交互。
需要注意的是，不同类型的机器人系统在组成部分上可能会有所不同。
机器人的组成结构
常用的机身结构： １）升降回转型机身结构 ２）俯仰型机身结构 ３）直移型机身结构 ４）类人机器人机身结构
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：
１）伸缩型臂部结构 ２）转动伸缩型臂部结构 ３）驱伸型臂部结构 ４）其他专用的机械传动臂部结构
３．机身和臂部的配置形式
机身和臂部的配置形式基本上反映了机器 人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作 对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了 各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种 形式：
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1. 滑槽杠杆式手部
2.齿轮齿条式手部
4. 斜 楔 杠 杆 式
3.滑块杠杆式手部
5.移动型连杆式手部
6.齿轮齿条式手部
7.内涨斜块式手部
8.连杆杠杆式手部
手指类型：
吸附式取料手
吸式取料手是目前应用较多的一种执行器，特别是用于搬 运机器人。该类执行器可分气吸和磁吸两类。 1）气吸附取料手
连杆（Link）：机器人手臂上 被相邻两关节分开的部分。
刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。 它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。
自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描述物体 运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由 度一般不包括在内。
• 圆柱坐标型机械手有一 个围绕基座轴的旋转运 动和两个在相互垂直方 向上的直线伸缩运动。 它适用于采用油压(或气 压)驱动机构，在操作对 象位于机器人四周的情 况下，操作最为方便。
机器人系统组成结构
机器人系统组成结构
一、概述
机器人系统是一个复杂的系统，它由传感器、控制器、操作元件和传
动机构等模块组成，能够实现自动化操作和智能化控制，具有动作精准、
处理速度快、操控灵活等优点，对于工业生产、制造、医疗、服务、教育、军事等各个领域都有重要的应用价值。
二、组成部件
1、传感器：机器人系统的传感器是将环境中的信息转化成机械所能
处理的信息的装置，是实现感知能力的基础。
一般的机器人系统，会包括
触觉、视觉和声学等传感器，为机器人实现更全面的感知功能提供了强有
力的支持。
2、控制器：控制器是机器人系统中的智能中枢，它能够接收传感器
发送的信息，并根据程序分析处理，最终指挥机器人的每个元件完成正确
的动作，可以说机器人中的所有控制逻辑全靠控制器来实现。
3、操作元件：机器人系统的操作元件包括夹爪、臂膀、腿部及其他
结构机构，它们是机器人实现外界任务的执行器，通过控制器指挥其完成
正确的动作。
4、传动机构：传动机构由电机、减速机、导轨、传动带、减震器等
组成，不仅可以起到传动作用，还可以给机器人的每个部件提供动能，从
而让机器人能够运动、进行任务操作。
三、应用。
机器人系统组成
➢ 机器人系统通常由机械部分，控制系统，人机操作界面组成。 ➢ 机器人本体通常有四轴、六轴两种机械本体，有些还有七轴本体。 ➢ 控制系统由控制器、控制电机的伺服、用于外部的IO端子组成，集
成在控制柜中。 ➢ 人机操作界面主要就是示教器。
1
机器人系统结构
2
机器人系统结构
各部分名称： ① 底座 ② 转盘 ③ 平衡配重 ④ 连杆臂 ⑤ 手臂 ⑥手
3
机器人轴说明
各轴正负方向
4
各关节电机说明
各轴电机
5
各轴机械零点
6
机器人铭牌
7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
管线包
8
线缆接口
9
示教器
smartPAD 示教器
操作机器人需要通过示教器来操作。
10
机器人四大系统组成部分
机器人四大系统组成部分机器人由驱动系统、机械系统、感知系统和控制系统等组成。
1、驱动系统驱动系统是驱使机械系统运动的机构,一般由驱动装置和传动机构两个部分组成。
它按照控制系统发出的指令信号,借助动力元件使机器人执行动作。
因驱动方式的不同,驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。
驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连,也可以通过传动机构与执行机构相连。
传动机构通常有齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动等几种类型。
2、机械系统机器人的机械系统是机器人赖以完成作业任务的执行机构,即指机器人本体,一般是一台机械手,也称操作器或操作手。
它可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。
其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常为机器人的自由度数根据关节配置形式和运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。
出于拟人化的考虑,机器人本体的有关部位分别被称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。
3、感知系统感知系统又称传感器,相当于人的感觉器官,能实时检测机器人的运动及工作情况,并根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比狡后,调整执行机构,以保证机器人的动作符合预定的要求。
传感器大致可以分为两类:内部传感器和外部传感器。
内部传感器主要用来检测机器人本身的状态,为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息,如各关节的位置、速度、加速度等,并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器,形成闭环控制,主要有位置传感器、速度传感器等;外部传感器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息,使机器人的动作适应外界情况的变化,达到更高层次的自动化,提高机器人的工作精度,常见的有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等。
4、控制系统控制系统是机器人的指挥中枢,负责处理作业指令信息、内外环境信息,并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策,产生相应的控制信号,通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、确定的轨迹运动,完成特定的作业。
机器人篇-第2节机器人的系统组成
机器人的系统组成
机器人由哪些系统组成呢？
图1 搬运机器人图2 扫地机器人
功能：机器人完成工作任务的实体组成：机械手臂、支撑移动机构、末端执行器及其他结构部件感知系统驱动系统执行机构控制系统功能：将能源传送到执行机构组成：驱动器和传动机构两部分功能：对执行机构发出如何动作的命令组成：控制器、处理器和软件等
功能：收集机器人内部状态的信息或与外部通信组成：一般可分为内部和外部两类传感器
例1：该搬运机器人由哪些系统组成呢？
支撑机构手臂手臂腕部电动机电动机控制器线束执行机构
驱动系统
控制系统感知系统
末端执行器（手部）传感器
例2：该扫地机器人由哪些系统组成呢？
面盖、机身末端执行器（刷子、抹布）支撑移动机构
驱动系统
控制系统感知系统
执行机构
扫地机器人的系统组成机械结构系统驱动系统感知系统
控制系统电动机传感器
电动机控制器传感器有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
小结
例1：一种搬运机器
人的系统组成
机器人系统组成例2：一种扫地机器
人的系统组成。
机器人技术基础教学课件第2章
Ti ——输入力矩（N·m）；
To ——输出力矩（N·m）；
i ——输入齿轮角位移；
o ——输出齿轮角位移；
机器人技术基础
第二节 机器人的驱动机构
1．齿轮机构
Ti ,i
啮合齿轮转过的总的圆周距离相等，可以 得到齿轮半径与角位移之间的关系：
Rii Roo
TO ,O
Ri ——输入轴上的齿轮半径（m）； R0 ——输出轴上的齿轮半径（m）。
第一节 工业机器人的结构
（3）连杆杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fpc
2b tan a
连杆杠杆式回转型夹持器 1—杆；2—-连杆；3—-摆动钳爪；4—-调整垫片
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（4）齿轮齿条平行连杆式平移型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp R
Fp c
2b sin
楔块杠杆式回转型夹持器 1—-杠杆；2—弹簧；3—滚子；4—楔块；5—气缸
机器人技术基础
第一节 工业机器人的结构
（2）滑槽杠杆式回转型夹持器
夹紧力FN和驱动力Fp之间关系：
FN
Fp a 2b cos2
a
滑槽杠杆式回转型夹持器 1—支架；2—杆；3—圆柱销；4—-杠杆；
机器人技术基础
1．液压驱动
液压隧道凿岩机器人 机器人技术基础
液压混凝土破碎切割机器人
第二节 机器人的驱动机构
2．气压驱动
优点：
缺点：
（1）容易达到高速（1m/s）；
（1）压缩空气压力低；
（2）对环境无污染，使用安全；
（2）实现精确位置控制难度大；
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五、驱动系统
2驱动系统几个概念
刚性系统：对变化负载响应快、精度高
柔性系统：对变化负载响应慢、精度低
减速齿轮：用来增大工作转矩
如图电机及负载上的力矩及速 度比为：
Tl NTm
1 l m N
42
五、驱动系统
3电动类驱动器
电动驱动器类型和特点
有刷
电驱动
直流伺服电机驱动（包括直线电机） 无刷 交流伺服电机驱动 步进电机伺服驱动 舵机驱动 力矩电机
PUMA机器人工作空间
6
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
思考：人的手臂共有多少个自由度？
共有27个自由度!!
人臂与手的自由度示意图
7
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
其他重要参数：
承载能力:指机器人在工作范围内的任何位姿
上所能承受的最大负载
工作速度:单位时间内所移动的距离或转动的
多关节柔性手结构图
多指灵巧手结构图
11
二、机械系统组成
2 机器人的手腕
单自由度手腕
二自由度手腕 三自由度手腕
单自由度手腕示意图
三自由度手腕示意图 二自由度手腕示意图
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二、机械系统组成
3机器人的手臂
手臂作用是支承腕部和手部，并将披抓取的
工件运送到给定的位置上
机器人手臂机械结构形式
国产单轴陀螺仪模块
进口单轴陀螺仪模块
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四、感知系统
4传感器-检测类传感器
压力传感器 位移传感器 扭矩传感器
超声波测距传感器
电流检测传感器
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五、驱动系统
1驱动器
机器人主要驱动器： （1）电动机：伺服电机、步进电机、直接驱动电机 （2）液压驱动器 （3）气动驱动器 （4）形状记忆合金驱动器 （5）磁滞伸缩驱动器
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二、机械系统组成
4机器人的机身
机身：与臂部相连，支承臂部 分类：
直线移动机身
该类机器人的运动形式大多为 移动式
回转与升降机身
该类机身主要包括回转与升降两 部分
横梁直线移动式机身
回转与升降式机身
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二、机械系统组成
4 机器人的机身
回转与俯仰机身：该类机身主要包括回转与俯仰两部分 类人式多自由度机身：与人体结构类似
(1)轮式行走机构
轮式是机器人最流行的行走运动机构，它具有高效率、机械简单等特点
全方位轮
轮式机器人车轮形式
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二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(2)履带式行走机构
履带式侦查机器人
履带式行走机构的主要特征是将圆环状的无限轨道带绕在多个车轮上， 使车轮不直接与路面接触 thunder3仿生履带机器人
角度。
刚度:机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能
力。
8
二、机械系统组成
1 机器人机械系统组成
机器人机械结构通常由以下部分组成
手臂:连接机身和手腕的部分
手腕:连接手部和手臂的部件 手部:手腕上配置的操作机构，也称末端操作器
机身:机器人的基础部分，起支承作用 行走机构:机器人用来移动的重要装置
9
二、机械系统组成
43
五、驱动系统
3电动机-直流电机的控制
直流 (DC)伺服电机
开环脉冲宽度调速系统的组成：
直流电机调速系统结构（开环）
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五、驱动系统
4电动机-步进电机的控制 结构与工作原理描述 工作原理：
0100 0010 0001
控制方法：
(1)给脉冲,对应一个步距 (2)改变频率,控制速度 (3)改变脉冲顺序,改变转动方向
位置控制阀原理
控制液体流入速度--实现控制活塞速度
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五、驱动系统
7液压驱动
液压驱动器的优点
具有比较大的扭矩和功率,功率/重量比大;
减小执行装置的体积、刚度高;
实现高速、高精度的位置控制、通过流量控制可以实
现无级变速。
液压驱动器的缺点 稳定性较差、有因漏油而发生火灾的危险; 压油源和进油、回油管路等附属设备占空间较大。
光线传感器-激光类：
高精度、抗干扰能力强
普通红激光 传感器 进口激光测距 传感器
M12对射 激光开关
智能车中的激 光传感器
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四、感知系统
2 传感器-光传感器
光传感器-红外：灵敏度高、响应快
普通红外发射接收管
红外对射类
红外反射类
红外热释电
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四、感知系统
2 传感器-光传感器
光传感器-摄像头
分辨率、图像格式、图像压缩方式、视角、输入输出接口 MT9D111 OV7670
第二讲 机器人组成结构
1、机器人组成概述 2、机器人机械系统 3、机器人控制系统 4、机器人感知系统 5、机器人驱动系统
2
一 、机器人组成概述
1 机器人系统组成
机器人系统的三大部分
人机交互系统 控 制 部 分
机械部分 传感部分
传 感 部 分
感 知 系 统
控制系统
驱动系统 机 械 部 分
控制部分
机械系统
1000
步进电机驱动结构图
反应式步进电机结构
45
五、驱动系统
5 电动机-无刷电机的控制
定子 永磁转子 传感器定子 传感器转子
一体式无刷直流电机由电动 机主体和驱动器组成
无刷电机结构示意图
无刷直流电动机自控式运 行：
直流电 源
逆变器
电机本体
输 出
位置检测器 控制信号 控制器
无刷电机内部控制结构
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五、驱动系统
2 机器人手部
两类：工业机器人的手部和仿人机器人的手部。
工业机器人手部：
夹钳式手部 吸附式手部（气吸式、磁吸式）
夹钳式手部示意图 1手指；2、4传动机构；3驱动装置；5工件
吸附式手部示意图 真空吸附式、气流负压气吸式、挤压排气式
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二、机械系统组成
2 机器人手部
仿人机器人的手部
柔性手：能抓取不同外形的物体，物体表面受力均匀 多指灵巧手：由多个手指组成，每一个手指有三个回转关节
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四、感知系统
3传感器-触碰类传感器
触碰类传感器： 非接触式、接触式
接触式：包括微 动开关、行程开关 、挡铁等
非接触式： 主要为接近开关
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四、感知系统
4传感器-检测类传感器 其他传感器
增量式旋转编码器： 电机转速和角度的测量（机械式、电磁式）
主要技术参数：频率、线数
36
四、感知系统
力矩电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出 动力。
48
五、驱动系统
7液压驱动 利用液体的抗挤压力来实现力的传递.
典型液压伺服控制系统
4 d (Vol ) d 2 dx d 2 Q x dt 4 dt 4 d (Vol )
d 2
dx
dx表示期望的位移； dv是期望的速度;
24
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
主从控制：采用主处理器、协处理器两部分共同完
成系统的全部控制任务
摄像头 裁判机
A 队决策机
B 队决策机
机器人主从控制系统框图
机器人足球中的 集 中控制系统
25
三、控制系统
3 机器人控制系统结构
分散控制：将彼此关联不大的系统模块分开处理
典型控制系统
机器人分散控制系统框图
6 电动机-舵机的控制
舵机 一种位置（角度）伺服的驱动器
以FUTABA-S3003为例，输出转角与输出 信号脉宽的关系如下图所示
一47
五、驱动系统
6 电动机-力矩电动机
力矩电动机 （torque motor） 直流力矩电机、交流力矩电机、和无刷直流力矩电机。
4
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
关 节:即运动副，即手臂
各零 件之 间发 生相 对运动 的机构
连
杆:机器人手臂上被
相邻两关节分开的部分
5
一、机器人组成概述
3 机器人部分术语及主要技术参数
自由度 : 亦称坐标
轴数，是指描述物 体运动所需要的独 立坐标数
工作空间：机器人
手腕参考点或末端操 作器安装点所能到达 的所有空间区域
机器人—环境交互系统
3
一、机器人组成概述
2 系统概念 机械系统:由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开 环运动学链系; 驱动系统:使各种机械部件产生运动的装置; 感知系统:获取内部和外部环境中的有用信息，通过这些信息 确定机械部件各部分的运行状态; 控制系统:通过作业指令及反馈信息支配执行机构完成规定动 作的处理单元,包括闭环和开环系统; 机器人环境交互系统:实现机器人与外部环境中的设备相互联 系和协调的系统; 人机交互系统:操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系 的装置;
18
二、机械系统组成
5机器人的行走机构
军用履带机器人
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二、机械系统组成
5机器人的行走机构
（3）足式行走机构
足的数目越多，承载能力越强，运动速度越慢
六足机器人
本田公司的Asimo 双足机器人
单足弹跳机器人
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二、机械系统组成
5机器人的行走机构
(4)轮足混合行走机构
轮足混合型行走机构可提高行走效率
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三、控制系统
4 机器人控制方式
其他控制方式
点位式
轨迹式 力（力矩）控制方式
智能控制方式
铝箔生产中的力矩控制