2.4 机器人机身及行走机构

小型行走机构设计与制作构念

小型行走机构设计与制作构念小型行走机构设计与制作构念小型行走机构的设计和制作是一个充满挑战和创新的过程。

下面介绍一些小型行走机构设计与制作的构念，帮助读者更好地理解这一过程。

1. 结构设计小型行走机构的结构设计需要考虑哪些因素？首先是尺寸大小。

行走机构需要根据不同使用环境和需求制定尺寸，例如室内、室外、平地或者起伏的地形，不同尺寸大小可以更好地适应不同的环境。

另外，结构设计需要考虑机器人的重量和负载，以及运动速度和精准度等因素。

2. 动力控制小型行走机构的动力控制包括电池、马达、电机驱动和控制器等方面。

机器人的独立动力来源使得其在运动时更加灵活，但是需要用较小的电池来保持电量，因此需要设计节能和高效的动力控制系统。

控制器的设计需要考虑行走机构的速度和方向控制，以及保证机器人的平衡和稳定性。

3. 传感器控制小型行走机构的传感器控制需要考虑哪些方面？传感器包括距离传感器、红外线传感器、声音探测器等多种类型，可以让机器人更好地感知外部环境。

传感器可以帮助机器人识别不同的场景和障碍物，实现自动避障和导航等功能。

传感器的设计需要在机器人尺寸、功耗、数据处理、算法等多方面进行综合考虑。

4. 底盘设计小型行走机构的底盘设计包括机身结构、轮子和履带等部分。

底盘设计需要考虑机器人的稳定性、平衡和压强分布等因素。

轮子和履带的设计也需要根据不同场景和需求进行优化，例如行走机构需要通过狭窄的通道，需要使用较小的轮子或运用履带技术等。

5. 可编程设计小型行走机构的可编程设计可以实现多种不同的功能和应用。

机器人可以通过编程实现自主导航、舞蹈表演、避障探路、安保巡检等多种实用功能。

可编程设计需要使用不同编程语言，例如Python、C++和Java等，可根据需求选择不同的开发工具和编程语言。

总之，小型行走机构的设计与制作需要在多方面进行综合考虑，例如结构设计、动力控制、传感器控制、底盘设计和可编程设计等。

这一过程需要设计师团队间密切合作和深入探讨，以实现行走机构的最佳性能和最佳结果。

机器人参考答案

0.1简述工业机器人的立义，说明机器人的主要特征。

答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装程，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。

1. 机器人的动作结构具有类似于人或英他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。

2. 机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。

3. 机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。

4. 机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。

0. 2工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链：2. 工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统：3. 工业机器人是用于工业中务种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。

4. 机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

0.5简述下面几个术语的含义：自有度、重复左位精度、工作范围、工作速度、承载能力。

答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。

重复立位精度是关于精度的统汁数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位苣的范用，可以用各次不同位程平均值的偏差来表示。

工作范用是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。

工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳左速度，也可以泄义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。

承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

0.6什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特怎作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。

3.1何谓轨迹规划？简述轨迹规划的方法并说明其特点。

答：机器人的轨迹泛指工业机器人在运动过程中的运动轨迹，即运动点位移，速度和加速度。

轨迹的生成一般是先给左轨迹上的若干个点，将其经运动学反解映射到关节空间，对关节空间中的相应点建立运动方程，然后按这些运动方程对关节进行插值，从而实现作业空间的运动要求，这一过程通常称为轨迹规划。

工业机器人第四章-工业机器人结构设计

优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一工业机器人总体设计
模块化结构设计模块化工业机器人由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。模块化工业机器人的特点经济性灵活性存在的问题刚度比较差整体重量偏重模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。

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。

机械创新设计课程设计--仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计 ppt课件

*腿部设计：
腿部结构是机器人身体里主要的部分，根据仿生学的知识，人腿部结构大致为：髋关节，和膝关节，还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构实现其直线行走和爬楼梯功能的。两组腿交替的变换使机身能向前运动，他们每组都支撑机体的重量，并在负重的状态下使机体的前行，所以适应的刚性和承载能力是非常重要的，所以对承载能力有着限制。
课题：
仿人二足步行机器人爬楼梯行走机构设计
设计说明书：
*设计任务 *机械系统运动方案设计的构想 *执行系统机构设计 *机器人创新点 *主要参考资料 *设计心得
设计任务
*设计背景：
国外在二足机器人方面研究已经有100多年历史，成果较多，但大多都结构复杂，造价昂贵，远远超出人们的经济承受能力。国内的研究相对较晚，虽然也诞生了很多专利，但由于收到体积、重量、稳定性级安全问题还没有产品真正投入实，机构之间连接性好，制作精度容易保证； 2.机器人稳定性好，四杆机构能循环运动容易现实直线行走； 3.生产成本低，产品绿色环保。
执行系统机构设计：
*双足机器人步行运动过程分析：
双足机器人的步态规划就是规划机器人的行走步态，水平地面的基本行走步态有前向步行、侧向步行和转向步行。转向步行包含了前向步行和侧向步行，是最复杂的步行。图中以左腿首先作为支撑腿，右腿作为摆动腿为例分解，若右腿首先作为支撑腿，左腿作为摆动腿只需将图中左右调换即可。
*设计目的：
本设计主要是利用机械原理相关知识合理设计机械腿的相关尺寸及机构来实现爬楼梯的功能。
机械系统运动方案设计的构想：
*具体方案：
双足机器人步行运动过程中，两只脚交替的与地面，发生间歇性的相互作用，即交替的出现左脚单支撑，双脚支撑和右脚单支撑的状态，周期性的不断前进。机器人设计过程中，腿部采用了四杆机构。腿部结构是机器人身体里主要的部分，根据仿生学的知识，人腿部结构大致为：髋关节，和膝关节，还有踝关节和脚。本文采用曲柄摇杆机构实现其直线行走和爬楼梯功能的。两组腿交替的变换使机身能向前运动，他们每组都支撑机体的重量，并在负重的状态下使机体的前行。

机器人技术基础(课后习题答案)

0.1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特征。

答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。

1.机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。

2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。

3.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。

4.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。

0.2工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。

4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

0.5简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。

答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。

重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。

工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。

工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。

承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

0.6什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。

0.7题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L1=2L2，关节的转角范围是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm）。

1.1 点矢量v 为]00.3000.2000.10[T ，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0 写出变换后点矢量v 的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rot 及平移算子Trans 。

2机器人的组成结构

2.1机械手的操作动作
? 机械手的动作形态是由三种不同的单动作 ——旋转、回转、伸缩组合而成的。
? 旋转和回转是指运动机构产生相对运动。旋转是转动部件的轴线和转动轴同轴；回转是转动部件的轴线与转动轴不同轴。
? 伸缩是指运动机构产生直线运动。
2.2机械手的坐标形式和自由度
（1）根据单元动作组合方式的不同，机械手的动作形态一般归纳为以下四种坐标类型： ①直角坐标型 (图7．2—2)； ②圆柱坐标型 (图7．2—3)； ③极坐标型 (图7．2—4)；④ 多关节型 (图7．2—5)。
腰部基座
控制柜
6
相关术语及性能指标
关节（Joint ）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。
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。
２．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。机器人的臂部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。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件、配管配线等。
? 极坐标型机械手的动作形态包括围绕基座轴的旋转，一个回转和一个直线伸缩运动，其特点类似于圆柱型机械手。
? 多关节型机械手最接近于人臂的构造。它主要由多个回转或旋转关节所组成，一般都采用电机驱动机构。运用不同的关节连接方式，可以完成各种复杂的操作。由于具有占地面积小，动作范围大，空间移动速度快而灵活等特点，多关节型机械手在各种智能机器人中被广为采用。