机器人机构
机器人机构设计与优化
机器人机构设计与优化一、引言随着科技的飞速发展，机器人已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
机器人的广泛应用涵盖了各个领域，包括工业生产、医疗护理、农业种植等。
机器人的工作效率和准确性对于提高生产力和人类生活质量具有重要意义。
而机器人的机构设计与优化是实现高效工作的关键。
二、机器人机构设计的原则机器人机构设计的目标是根据特定的任务需求，设计出适合的机械结构。
在机构设计时需要考虑以下原则：1. 功能性：机器人的机构必须能够完成其预定的工作任务。
设计师需要根据任务需求确定机器人所需要的动作范围、工作速度和负载能力等参数。
例如，在工业生产领域中，机器人需要能够快速准确地操作和搬运物体。
2. 稳定性：机器人工作时应保持良好的稳定性以避免不必要的震动和摆动。
稳定性可以通过合理选择机械结构和电子控制系统来实现。
例如，在机器人的关节处使用稳定的轴承可以提高机器人的稳定性。
3. 灵活性：机器人需要具备较高的灵活性以应对不同的工作环境和任务需求。
机器人的机构设计应尽量简化，以便于自由度的变换。
例如，在农业领域中，机器人需要具备适应不同地形和作业需求的能力。
4. 可靠性：机器人的机构应该能够在长期的工作中保持稳定可靠的性能。
设计时应考虑机械结构的强度和使用材料的耐久性。
例如，在医疗护理领域中，机器人的机构需要具备适应各种碰撞和压力的能力。
5. 经济性：机器人的机构设计还应考虑成本和效益的平衡。
设计师需要在提高机器人性能的同时，考虑到成本控制。
例如，在工业生产中，要尽可能减少机器人的制造成本以提高经济效益。
三、机器人机构设计的方法机器人机构设计的方法主要包括传统设计方法和优化设计方法。
1. 传统设计方法：传统的机器人机构设计方法是基于经验和直觉进行的。
设计师根据自己的知识和经验，选择合适的机械结构和参数。
这种方法适用于简单的机构设计，但在复杂问题上存在一定局限性。
2. 优化设计方法：优化设计方法是利用数学模型和计算机仿真来实现机器人机构设计的最佳化。
机器人行走机构分类
机器人行走机构分类一、简介机器人行走机构是指用于实现机器人行走功能的机械结构。
机器人的行走机构种类繁多，根据不同的应用需求和环境条件，可以选择合适的行走机构来满足机器人的运动要求。
本文将对常见的机器人行走机构进行分类介绍。
二、轮式行走机构轮式行走机构是最常见的机器人行走机构之一，其特点是结构简单、易于控制和稳定性较高。
轮式行走机构通常由两个或多个轮子组成，通过电机驱动轮子旋转，从而实现机器人的行走。
轮式行走机构适用于平坦的地面，并且能够快速移动。
三、履带式行走机构履带式行走机构采用履带来实现机器人的行走，其特点是具有较好的通过性和抓地力。
履带式行走机构通常由一条或多条履带组成，通过电机驱动履带的运动，从而实现机器人的行走。
履带式行走机构适用于复杂的地形和恶劣的环境条件，能够克服一些障碍物。
四、足式行走机构足式行走机构模仿了生物的步态，通过仿生设计实现机器人的行走。
足式行走机构通常由多个关节和连接件组成，通过电机驱动关节的运动，从而实现机器人的行走。
足式行走机构具有较好的灵活性和适应性，能够适应不同的地形和环境条件。
五、腿式行走机构腿式行走机构是一种特殊的行走机构，其特点是具有较好的稳定性和适应性。
腿式行走机构通常由多个腿部组成，通过电机驱动腿部的运动，从而实现机器人的行走。
腿式行走机构适用于复杂的地形和狭窄的空间，能够克服一些障碍物。
六、轮腿混合式行走机构轮腿混合式行走机构是将轮式行走机构和腿式行走机构结合起来的一种行走机构。
轮腿混合式行走机构通常由轮子和腿部组成，通过电机驱动轮子和腿部的运动，从而实现机器人的行走。
轮腿混合式行走机构综合了轮式行走机构和腿式行走机构的优点，能够在不同的地形和环境条件下灵活行走。
七、其他行走机构除了上述介绍的常见行走机构外，还有一些其他特殊的行走机构，如链式行走机构、球形行走机构等。
这些行走机构通常被应用于特定的领域和特殊的环境条件，具有一些特殊的优势。
八、总结机器人行走机构是机器人的重要组成部分，不同的行走机构适用于不同的应用场景。
移动机器人的机构与分类分析
移动机器人的机构与分类分析一、移动机器人的机构一般而言，移动机器人的移动机构主要有轮式移动机构、履带式移动机构及足式移动机构，此外还有步进式移动机构、蠕动式移动机构、蛇行式移动机构和混合式移动机构，以适应不同的工作环境和场合。
一般室内移动机器人通常采用轮式移动机构，室外移动机器人为了适应野外环境的需要，多采用履带式移动机构。
一些仿生机器人，通常模仿某种生物运动方式而采用相应的移动机构，如机器蛇采用蛇行式移动机构，机器鱼则采用尾鳍推进式移动机构。
其中轮式的效率最高，但适应性能力相对较差；而足式的移动适应能力最强，但其效率最低。
1 轮式移动机构轮式移动机器人是移动机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用轮式移动方式是相当优越的。
轮式移动机构根据车轮的多少有1轮、2轮、3轮、4轮及多轮机构。
1轮及2轮移动机构在实现上的障碍主要是稳定性问题，实际应用的轮式移动机构多采用3轮和4轮。
3轮移动机构一般是一个前轮，两个后轮。
其中，两个后轮独立动，前轮是万向轮，只起支撑作用，靠后轮的转速差实现转向。
4轮移动机构应用最为广泛，4轮机构可采用不同的方式实现驱动和转向，既可以使用后轮分散驱动，也可以用连杆机构实现4轮同步转向，这种方式比起仅有前轮转向的车辆可实现更小的转弯半径。
2 足式移动机构履带式移动机构虽在高低不平的地面上可以运动，但是它的适应性不够好，行走时晃动较大，在软地面上行驶时效率低。
根据调查，地球上近一半的地面不适合传统的轮式或履带式车辆行走，但是一般的多足动物却能在这些地方行动自如，显然，足式移动机构在这样的环境下有独特的优势。
足式移动机构对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带式移动机构必须面临最坏地形上的。
机器人机构设计的一般流程
机器人机构设计的一般流程Designing a robot mechanism typically involves several key steps. First, the designers must clearly define the purpose and function of the robot. This includes understanding the specific tasks the robot will perform, the environment it will operate in, and any safety requirements that must be met. The purpose of the robot is crucial as it dictates the design parameters and constraints that the engineers must work within.机器人机构设计通常涉及几个关键步骤。
首先，设计师必须明确定义机器人的目的和功能。
这包括了解机器人将执行的具体任务、其将操作的环境以及必须满足的任何安全要求。
机器人的目的至关重要，因为它决定了工程师必须在其中工作的设计参数和约束。
Once the purpose of the robot is established, the next step is to consider the overall architecture of the robot mechanism. This involves conceptualizing the basic structure of the robot, including the number and types of joints, the range of motion required, and any specific features or tools that must be integrated. Thearchitecture phase is crucial as it sets the foundation for the more detailed design work that follows.确定机器人的目的之后，下一步是考虑机器人机构的整体架构。
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：
36
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。
第6讲 机器人机构简介
J
1 H
② 并联机器人机构 I. 速度分析
li fi X fi x, y, z,, , i 1,2,,6
li
fi x
x
fi y
y
fi z
z
fi
fi
fi
速度逆解：
q GX J 1 X
Gi
fi x
fi y
fi z
fi
fi
fi
速度逆解：
X J q
II. 加速度分析
li fi X fi x, y, z,, , i 1,2,,6
c1 s1 0 0t11 t12 0 t14 c2 s2 0 l1 l2
00s1
c1 0 0
0
1 0
0 10
t0021
t22 0 0
0
1 0
t24 0 1
s002
c2 0 0
0
1 0
0
0 1
➢ 求解方程组可以得到θ1的解：多解
⑵ 左乘矩阵[T]2-1：
T
1
2
T
11T E0
T E
示：3个质心（或任一点）位置坐标，
3个角度(αβγ)，后者称作欧拉角。
z-x-z 顺规的欧拉角可静态地定义：
• α— x-轴与交点线的夹角，
• β— z-轴与Z-轴的夹角， • γ—交点线与X-轴的夹角。
cos sin 0
R
z
sin
0
cos
0
0 1
1 0 0
R
0 x 0
cos sin
1) 位姿分析 ✓ 求解机构的输入构件与输出构件之间的位姿关系。 ① 串联机器人机构
➢ 末端执行器坐标系xEOEyE相对于参考坐 标系x0O0y0的位姿矩阵用[T]E0表示。
机器人机构分析
例2.2
计算图示并联机构的自由度
由图可知，该机构总的
构件数n=8，关节数g=9,
其中关节1－3为转动副，
关节4－6为移动副，关
节7－9为球面副，所以
f
i 1
9
i
15
则有
M 6(n g 1) fi 6(8 9 1) 15 3
i 1
g
对于只有一个运动平台与几个分支连接
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;
2) 移动关节：用字母P表示，它允许两 相邻连杆沿关节轴线作相对移动，移动 距离为d，这种关节具有一个自由度；
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；
以上各类关节中，串联机器人中常
用转动关节R和移动关节P两种单自
由度关节，并联机器人中常用球面
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。
并联机器人的机构设计
零件旳设计与选型1 定平台旳设计定平台又称基座, 在构造中属于固定旳, 具体旳参数见图一, 厚度20cm。
定平台旳等效圆半径为210mm。
材料选用铸铁, 锻造加工, 开口处磨削加工保证精度。
最后进行打孔旳工艺。
图一定平台设计图2 驱动杆旳设计具体参数为长* 厚* 宽: 880mm*10mm*20mm。
孔旳参数为φ10*10mm。
材料用铝合金, 设计为杆式, 质量小, 经济, 同步也满足载荷条件。
图二驱动杆旳设计图3 从动杆旳设计具体参数为长* 宽* 高: 620*20*10mm。
孔参数为φ10*10mm。
材料选用铝合金。
图三从动杆旳设计图4 动平台旳设计参数如下图, 考虑到重量因素, 采用铝合金, 切削加工。
动平台旳等效圆半径为50mm, 分布角为21.5°。
图四动平台旳设计图5 链接销旳设计45号钢, 为积极杆和定平台旳连接销: φ9*66mm。
6 球铰链旳选型目前, 大多数旳Delta机构旳积极杆与从动杆旳链接方式为球铰链旳链接。
球型连接铰链是用于自动控制中旳执行器与调节机构旳连接附件。
它采用了球型轴承构造具有控制灵活、精确、扭转角度大旳长处, 由于该铰链安装、调节以便、安全可靠。
因此, 它广泛地应用在电力、石油化工、冶金、矿山、轻纺等工业旳自动控制系统中。
球铰链由于选用了球型轴承构造, 能灵活旳承受来自各异面旳压力。
本文选用球铰链设计, 是重要由于球铰链旳可控性, 以及构造简朴, 易于装配。
且有较好旳可维护性。
本文选用了伯纳德旳SD 系列球铰链, 相对运动角为60°。
7 垫圈旳选型此处我们选用原则件。
GB/T 97.1 10‐140HV , 10.5*1.6mm。
8 电机旳选型本设计旳Delta 机器人, 重要面向工业中轻载旳场合, 例如封装饼干等。
因此, 如下做电动机旳选型解决。
由于需要对角度旳精确控制, 因此决定选用伺服电机。
交流伺服电机有如下特点: 启动转矩大, 运营范畴广, 无自转现象, 正常运转旳伺服电动机, 只要失去控制电压, 电机立即停止运转, 这也是Delta 机构需要旳。
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臂末端B点的位置
S2
=
xB yB
=
l1 l1
cosθ1 + l2 cos(θ1 + θ2 ) sinθ1 + l2 sin(θ1 + θ2 )
臂末端处B点固连的末端执行器姿态角
ϕ = θ1 + θ2
2）正向运动学速度问题
对时间求导，可得操作器臂端B点的直角坐标速度的求解式：
传统的工业机器人一般是由机座、腰部（或肩部）、大臂、小 臂、腕部和手部以串联方式联接而成的开式链机器人机构，也称 为串联式机器人。
并联式机器人是由单开链或复合开式链用并联形式联接于动、 静二个平台之间的一类并联机构所组成。
第二节 串联式机器人
由构件和运动副串联组成的开链 称为单开链（简记为SOC）。
（4）关节型
基本关节臂部全部由转动副组成。 其臂部由大臂和小臂两部分组成。从 形态上看小臂相对于大臂作屈伸运动， 故又称为屈伸型操作器。
优点：操作器本身所占空间最 小，而工作空间范围最大，还便于 设计成具有避障功能，可避开障碍 物到达所需空间进行操作。
缺点：运动直观性差，表现在 运动非线性耦合性强，因此其解耦 性差，驱动控制复杂。
x
2 B
+
y
2 B
= [l1
cosθ1
+
l2
cos(θ1
+ θ 2 )]2
+ [l1
sin θ1
+
l2
sin(θ1
+ θ 2 )]2
= l12
+
l
2 2
+
2l1l2
cosθ 2
cosθ 2
=
x
2 B
+
y
2 B
− l12
2l1l2
−
l
2 2
求解步骤为：
① 求出cosθ2值
② 计算sinθ2值 sin θ 2 = ± 1 − cos2 θ 2
（1）正向运动学
1）正向运动学位置问题
yB
S1 = S1*
S2 = SSS11**
) )
x y
=
l1
cosθ1 sin θ 2
θ2
A
s2
A
s1 s 1
1
θ1
B
s 2 2
θ2
1
B
S2*
=
((SS22**
) )
x y
=
l2
cos(θ1 + θ2 ) sin(θ1 + θ2 )
缺点：机器人操作器所占据的空 间大、相应的机器人工作空间范围小。
（2）圆柱坐标型
基本关节由两个独立移动关节： 沿x方向伸缩及沿z方向升降。另外还 有一个转动关节，绕Z轴的水平转动。 故该机型又称回转型。
优点：其运动有二个移动， 故直观性强，且占据空间较小， 结构紧凑，工作范围大。
缺点：其结构限制了升降范 围，因此不能提升离地点较低位 置的工件。
③ 由sinθ2及cosθ2值，可求得θ2值
θ2
=
arctan
sin θ 2 cosθ 2
④ 求θ1值
θ1 = β ± α
α = arccos xB2 + yB2 + l12 − l22
2l1 xB2 + yB2
β = arctan yB
xB
2）反向运动学速度问题
θ1 θ2
+
θ2
)
∂θ1
∂θ
2
[ ] J称为操作器的雅可比矩阵。 θ1 θ2 T 为角速度（关节速度）矩阵。
通过对时间再求导一次可求得操作器臂端B点的加速度。
（2）反向运动学
已知工作所要求的串联机器人操作器末端执行器的位置，速 度及加速度，要求解操作器各运动副关节的运动参数。
1）反向运动学位置问题
由开式运动链所组成的机构称 为开式链机构，简称开链机构。通 常串联式机器人是由单个开式链简 称单开链（SOC）所组成。
a) 单开链
单开链分平面单开链和空间单开链
b) 树状开链
一、单开链机器人机构的结构分析 （一）串联式机器人的组成
串联式机器人的组成：机身、臂部、腕部、手部等
日本安川六自由度关节型机器人
= θ1
∂y
∂θ2
θ2
J
θ1
θ2
∂x ∂x
J
= ∂θ1 ∂θ2
∂y ∂y
−l1 sinθ1 − l2 sin(θ1 +θ2 )
l1
cosθ1
+
l2
cos(θ1
+
θ2
)
−l2 sin(θ1 +θ2 )
l2
cos(θ1
（5）其它复合坐标型
可根据工作需要将上述各坐标型有目的的适当组合组成所 谓复合坐标型，以满足特殊工作的需要。
二、单开链串联式机器人机构的运动学 （一）单开链串联式机器人机构运动学研究的主要问题
（1）运动学的正解、反解 ； （2）机器人的工作空间 ； （3）机器人解的存在性 ； （4）机器人多重解
（二）平面二构件关节型串联机器人操作器
（3）球坐标型
基本关节由二个独立转动关节， 绕Z轴的水平转动，绕y轴的俯仰摆 动。另外还有一个移动关节：沿X 轴的伸缩运动。故该机型又称为俯 仰型。
优点：在占有相同空间情况 下比圆柱型机器人操作器具有更 大的工作空间，使其工作范围扩 大了。能将臂摆向地面，拾取地 面的工件。
缺点：结构较复杂、运动直 观性差、臂末端的位置误差将随 臂的伸长而被放大。
=
J
−1
x B
y
B
是否有解的关键是判断雅可比矩阵的逆阵是否存在。若存在， 说明该位置能够按所给定的臂的末端速度要求以正常的机器人关节 速度到达该目标点。若雅可比矩阵的逆阵不存在，则表明在该位置 机器人无法以某一关节速度达到给定的臂的末端速度要求。这即属 于机器人的奇异位置。
∂x
= S 2
= xyBB
−l1θ1 sinθ1 − l2 (θ1 + θ2 ) sin(θ1 + θ= 2 ) l1θ1 cosθ1 + l2 (θ1 + θ2 ) cos(θ1 + θ2 )
∂θ1
∂y
∂θ1
∂x
∂θ
2
机械原理与设计
第八章 机器人机构
第八章 机器人机构
第一节 机器人机构特点 第二节 串联式机器人 第三节 并联式机器人
第一节 机器人机构特点
随着机器人机构学的发展工业机器人的种类越来越广泛，从 机器人机构学大的角度范围来分，可分为串联式机器人、并联式机 器人以及串联并联混合式的混联机器人的三大类。
日本三菱五自由度关节型机器人
（二）串联式机器人操作器的自由度
串联式机器人操作器的自由度数目F等于操作器中各运动部件 自由度的总和 。
即：F = ∑ fi
腕部
a）
b）
（三）串联式机器人操作器的结构分类
（1）直角坐标型
基本关节（臂部关节）全部由移 动副组成，故又称为直移型。
优点：机器人结构简单，运动形 式为三个平移、直观性强，便于实现 高精度。