工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用課件：工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)2.1工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身與臂部結(jié)構(gòu)2.2工業(yè)機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)2.3工業(yè)機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)2.4工業(yè)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)思考題

【重點(diǎn)掌握】

★工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和各部分功能

★工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及路線

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身分為移動(dòng)式和固定式兩種。在制造業(yè)中，固定式機(jī)器人應(yīng)用極為廣泛，但隨著核能工業(yè)、宇宙空間探索等方向的需要，移動(dòng)式機(jī)器人和自主機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多。

2.1工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身與臂部結(jié)構(gòu)

2.1.1常見(jiàn)機(jī)身結(jié)構(gòu)類型常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種類型：升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)、俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)、直移型機(jī)身結(jié)構(gòu)和仿生機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)。

如圖2-1(a)所示，升降回轉(zhuǎn)類型機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，并且實(shí)現(xiàn)精度高。臂部的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)液壓、氣動(dòng)、機(jī)械、電氣等形式均可以實(shí)現(xiàn)。如圖2-1(b)所示，機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可采用回轉(zhuǎn)軸由液壓缸、氣動(dòng)缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。機(jī)身的升降運(yùn)動(dòng)可以采用液壓缸、氣動(dòng)缸或電機(jī)帶動(dòng)絲桿螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該類型機(jī)器人的工作范圍一般為圓柱形區(qū)域，主要用于搬運(yùn)、碼垛等工作。

圖2-1升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)

俯仰型機(jī)器人的機(jī)身主要由實(shí)現(xiàn)手臂左右回轉(zhuǎn)和上下俯仰運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)組成，手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)通過(guò)使用液壓、氣動(dòng)執(zhí)行元件或電機(jī)帶動(dòng)齒輪減速部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2-2為俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)的示例，由液壓元件驅(qū)動(dòng)手臂繞固定鉸點(diǎn)回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的俯仰運(yùn)動(dòng)。該類型機(jī)器人工作區(qū)域?yàn)榍蛐颓妗?/p>

圖2-2俯仰型機(jī)身結(jié)構(gòu)

直移型機(jī)器人多為懸掛式的，其機(jī)身(如圖2-3所示)實(shí)際上就是懸掛手臂的橫梁，運(yùn)動(dòng)的軌跡通常為直線坐標(biāo)形式。機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要具有2或3個(gè)自由度，手臂能沿設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡平移，結(jié)構(gòu)上通常使用電機(jī)帶動(dòng)絲桿螺母在導(dǎo)軌上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也可以使用液壓氣動(dòng)等形式。該類型機(jī)器人工作區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體區(qū)域。

圖2-3直移型機(jī)身結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在越來(lái)越多種類的仿生機(jī)器人出現(xiàn)在人們的視野中。圖2-4所示為仿生機(jī)器人(也稱類人機(jī)器人)。仿生機(jī)器人的機(jī)身上除裝有驅(qū)動(dòng)臂部的運(yùn)動(dòng)裝置外，還應(yīng)裝有驅(qū)動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)和腰部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的裝置。該類型機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要的驅(qū)動(dòng)形式多樣，并且包含的自由度數(shù)較多，控制方法復(fù)雜。當(dāng)執(zhí)行端在工作時(shí)，通常需要用到多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)合動(dòng)作來(lái)完成。該類型機(jī)器人的工作區(qū)域可以幾乎是任意的。

圖2-4仿生機(jī)器人

2.1.2常見(jiàn)的臂部結(jié)構(gòu)類型

臂部結(jié)構(gòu)是機(jī)器人能夠完成要求動(dòng)作的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的作用是連接機(jī)器人腕部與機(jī)身部分，并帶動(dòng)執(zhí)行器末端在空間運(yùn)動(dòng)。一般機(jī)器人手臂具有多個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降等動(dòng)作。在工作過(guò)程中，機(jī)器人手臂要承受自身、手腕及末端執(zhí)行器以及工件的重量，所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性、承載能力和定位精度都直接影響工作時(shí)的性能。

根據(jù)臂部的結(jié)構(gòu)形式，可以分為單臂式、雙臂式、懸掛式，如圖2-5所示。

圖2-5手臂的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)手臂的運(yùn)動(dòng)形式，又可以將手臂分為平移型和旋轉(zhuǎn)型，如圖2-6所示。

平移型手臂能夠?qū)崿F(xiàn)伸縮、升降等直線運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)手臂平移往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式有很多，如液壓缸、氣動(dòng)缸、絲桿螺母機(jī)構(gòu)等，如圖2-6(a)所示。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪齒條傳動(dòng)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)。圖2-6(b)所示為連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

圖2-6機(jī)器人手臂機(jī)構(gòu)

2.1.3工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身與臂部的配置形式

1.橫梁式

機(jī)身設(shè)計(jì)成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式大多為移動(dòng)式。它具有占地面積小、能有效地利用空間、直觀等優(yōu)點(diǎn)。橫梁可設(shè)計(jì)成固定的或行走的，一般橫梁安裝在廠房原有建筑的柱梁或有關(guān)設(shè)備上，也可從地面上架設(shè)。

圖2-7顯示了臂部與橫梁的配置形式。機(jī)器人只有一個(gè)鉛垂配置的懸掛手臂，臂部除做伸縮運(yùn)動(dòng)外，還可以沿橫梁移動(dòng)，完成物料的搬運(yùn)或工件加工。有的橫梁裝有滾輪，可沿軌道行走。

圖2-7橫梁式

2.立柱式

立柱式機(jī)器人手臂和機(jī)身之間多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運(yùn)動(dòng)形式。一般臂部都可在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，具有占地面積小、工作范圍大的特點(diǎn)。立柱式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多用于承擔(dān)上、下料或轉(zhuǎn)運(yùn)等工作。臂部的配置形式如圖2-8所示。圖中為一臺(tái)立柱式搬運(yùn)機(jī)器人，以平行四邊形鉸接的四連桿機(jī)構(gòu)作為臂部，以此實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，提升時(shí)工件始終保持鉛垂?fàn)顟B(tài)；臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，可將零件搬運(yùn)到指定位置。

圖2-8立柱式

3.機(jī)座式

機(jī)座式機(jī)身配置，這種機(jī)器人可以是獨(dú)立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可隨意安放和搬動(dòng)，也可以具有行走機(jī)構(gòu)。如圖2-9所示，該六自由度機(jī)械手固定在機(jī)座上完成工件搬運(yùn)工作，也可以給機(jī)器人增加行走機(jī)構(gòu)以擴(kuò)大其活動(dòng)范圍。

圖2-9機(jī)座式

4.屈伸式

屈伸式機(jī)器人的臂部由大小臂組成，大小臂間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱為屈伸臂。屈伸臂與機(jī)身間的配置形式關(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，也可以做空間運(yùn)動(dòng)。圖2-10(a)所示為平面屈伸式機(jī)器人，其大小臂是在垂直于機(jī)床軸線的平面上運(yùn)動(dòng)的，借助腕部旋轉(zhuǎn)90°，把垂直放置的工件送到機(jī)床兩頂尖之間。

圖2-10(b)所示為空間屈伸式機(jī)器人，小臂相對(duì)大臂運(yùn)動(dòng)的平面與大臂相對(duì)機(jī)身運(yùn)動(dòng)的平面互相垂直，手臂夾持中心的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間曲線。它能將垂直放置的圓柱工件送到機(jī)床兩頂尖之間，而不需要腕部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。腕部只做小距離的橫移，即可將工件送進(jìn)機(jī)床夾頭內(nèi)。該機(jī)構(gòu)占地面積小，能有效地利用空間，可繞過(guò)障礙進(jìn)入目的地，較好地顯示了屈伸式機(jī)器人的優(yōu)越性。

圖2-10屈伸式機(jī)器人

2.2工業(yè)機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)

機(jī)器人手腕是連接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是調(diào)節(jié)或改變工件的方位。因此，它具有獨(dú)立的自由度，以滿足機(jī)器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)。機(jī)器人一般需要六個(gè)自由度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置并處于期望的姿態(tài)。

為了使手部能處于空間任意方向，一般需要三個(gè)自由度，即翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)。通常把手腕的翻轉(zhuǎn)叫作Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫作Pitch，用P表示；把手腕的偏轉(zhuǎn)叫作Yaw，用Y表示。手腕結(jié)構(gòu)多為上述三個(gè)回轉(zhuǎn)方式的組合，組合的方式可以有多種形式。圖2-11所示為典型的三自由度手腕。

圖2-11典型的三自由度手腕

2.2.1根據(jù)自由度對(duì)手腕分類

手腕按照自由度數(shù)目來(lái)分，可以分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。

1.單自由度手腕

圖2-12(a)所示為R關(guān)節(jié)，它使手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸線形式，其旋轉(zhuǎn)角度大。圖2-12(b)所示為B關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線與前、后兩個(gè)連接件的軸線相垂直。圖2-12(c)所示為T關(guān)節(jié)，可使手爪橫向移動(dòng)。

圖2-12單自由度手腕

2.二自由度手腕

二自由度手腕可以是由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成的BR手腕(如圖2-13(a)所示)，也可以是由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成的BB手腕(如圖2-13(b)所示)。但是不能由兩個(gè)RR關(guān)節(jié)組成RR手腕(如圖2-13(c)所示)，因?yàn)閮蓚€(gè)R關(guān)節(jié)共軸線，會(huì)減少一個(gè)自由度，實(shí)際只構(gòu)成單自由度手腕。二自由度手腕中最常用的是BR手腕。

圖2-13二自由度手腕

3.三自由度手腕

三自由度手腕可以是由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成的多種形式的手腕，但實(shí)際應(yīng)用中，常用的有BBR、RRR、BRR、RBR類型手腕。圖2-14(a)所示為BBR型手腕，該結(jié)構(gòu)使手部具有俯仰、翻轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)；圖2-14(b)所示為RRR型手腕，該手腕應(yīng)該對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行偏置，避免出現(xiàn)同方向自由度重疊；圖2-14(c)所示為BRR型手腕；圖2-14(d)所示為RBR型手腕，該結(jié)構(gòu)在第一個(gè)關(guān)節(jié)處進(jìn)行了偏置

圖2-14三自由手腕

2.2.2柔順手腕結(jié)構(gòu)

柔順手腕應(yīng)用在精密裝配作業(yè)中，是順應(yīng)現(xiàn)代機(jī)器人裝配作業(yè)產(chǎn)生的一項(xiàng)技術(shù)，它主要應(yīng)用于孔軸零件的裝配作業(yè)中。當(dāng)被裝配件之間的配合精度要求高時(shí)，工件的定位夾具、機(jī)器人手爪的定位精度無(wú)法滿足裝配要求時(shí)，柔順手腕可主動(dòng)或被動(dòng)地調(diào)整裝配體之間的相對(duì)位姿，補(bǔ)償裝配誤差，以順利完成裝配作業(yè)。

柔性順序裝配技術(shù)有兩種：一種是從檢測(cè)和控制的角度對(duì)裝配零件之間的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整。如在手爪上配有視覺(jué)傳感器、力傳感器等，這種形式可稱為主動(dòng)柔順裝配。另一種是在手腕部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，以滿足柔順裝配的需要，這種柔性裝配技術(shù)稱為被動(dòng)柔順裝配。

圖2-15所示是具有移動(dòng)和擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順手腕。水平浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上進(jìn)行浮動(dòng)；擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由上下球面和彈簧構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的擺動(dòng)。在裝配作業(yè)中，如果遇到夾具定位不準(zhǔn)或機(jī)器人手爪定位不準(zhǔn)時(shí)，可自行調(diào)整。動(dòng)作過(guò)程如圖2-16所示，在向孔中插入工件時(shí)，由于機(jī)械部分定位不準(zhǔn)確，使工件中心軸線與孔中心軸線沒(méi)有重合，在插入孔時(shí)會(huì)使工件局部卡住。此時(shí)，通過(guò)柔性手腕結(jié)構(gòu)，手爪在阻力的作用下發(fā)生了一個(gè)微小的調(diào)整，使工件順利安裝。

圖2-15移動(dòng)擺動(dòng)柔順手爪圖2-16柔順手腕動(dòng)作過(guò)程

圖2-17所示為板彈簧柔順手腕，采用板彈簧作為柔性元件，在基座上通過(guò)板彈簧1、2連接框架，框架另外兩個(gè)側(cè)面上通過(guò)板彈簧3、4連接平板和軸，裝配時(shí)通過(guò)4塊板彈簧的變形實(shí)現(xiàn)柔性裝配。

圖2-17板彈簧柔順手腕

PUMA262機(jī)器人的手腕采用的是RRR結(jié)構(gòu)形式。安川HP20工業(yè)機(jī)器人的手腕采用的是RBR結(jié)構(gòu)形式，如圖2-18所示。

圖2-18安川HP20工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)形式．

2.3工業(yè)機(jī)器人的手部結(jié)構(gòu)

2.3.1夾鉗式手部夾鉗式手部是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種手部形式，此類手指夾持工件進(jìn)行搬運(yùn)或加工的運(yùn)動(dòng)。夾鉗式手部由手指、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及連接與支承元件組成，能通過(guò)手爪的開(kāi)閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾持。一般情況下，機(jī)器人的手部只有兩個(gè)手指，少數(shù)有三個(gè)或多個(gè)手指。它們的結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。夾鉗式手部結(jié)構(gòu)如圖2-19所示。圖2-19夾鉗式手部結(jié)構(gòu)

當(dāng)機(jī)器人手部夾緊工件時(shí)，手指直接與工件接觸。機(jī)器人的手部一般有兩個(gè)手指或多個(gè)手指，其機(jī)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。根據(jù)被夾持工件的特點(diǎn)，通常將指端形狀分為V形手指和平面手指。圖2-20所示的三種V形指的形狀，用于夾持圓柱面工件。當(dāng)需要夾緊一些特殊形狀工件時(shí)，需要采用特殊形式的指端結(jié)構(gòu)。如圖2-21所示，其中(a)圖所示為平面指端，可以?shī)A緊小型平面零件；(b)圖所示的尖指端可以?shī)A緊小型或柔性工件；(c)圖所示的特殊形狀指端可以?shī)A持工件的邊緣。

圖2-21夾鉗式手部指端

指面的形狀通常設(shè)計(jì)成為光滑指面、齒形指面和柔性指面等。光滑指面用來(lái)夾持已加工表面，避免已加工表面受損傷。齒形指面表面被滾壓上齒紋，當(dāng)夾持工件時(shí)可以提高夾持力，確保工件夾緊，一般用來(lái)夾持毛坯零件。柔性指面內(nèi)鑲橡膠、泡沫等柔性物體，既可以增大摩擦力，又能夠保護(hù)工件已加工的表面質(zhì)量。

2.3.2吸附式手部

吸附式手部由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，是利用吸盤內(nèi)的壓力和大氣壓之間的壓力差而工作的。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、使用方便可靠、對(duì)工件表面沒(méi)有損失、吸附力分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于非金屬材料或不可有剩磁的材料吸附，但要求物體表面較平整光滑，無(wú)孔無(wú)凹槽等工件。

1.真空吸附取料手

如圖2-22所示，在取料時(shí)，蝶形橡膠吸盤與物體表面接觸，橡膠吸盤在邊緣既起到密封作用，又起到緩沖作用，然后真空抽氣，吸盤內(nèi)又形成真空，吸取物料；放料時(shí)，管路接通大氣，失去真空，物體放下。為避免在取料、放料時(shí)產(chǎn)生撞擊，有的還在支撐桿上配置有彈簧緩沖。圖2-23所示為微小零件取料手，它適用于抓取微小工件。真空吸附取料工作可靠，吸附力大，但需要有真空系統(tǒng)，成本較高。

圖2-22真空吸附取料手圖2-23微小零件取料手

2.氣流負(fù)壓吸附取料手

如圖2-24所示，氣流負(fù)壓吸附取料手是利用流體力學(xué)的原理，當(dāng)需要取物時(shí)，壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴5，在出口處的氣壓低于吸盤腔內(nèi)的氣壓，于是腔內(nèi)的氣體被高速氣流帶走而形成負(fù)壓，工件在負(fù)壓下被吸附到橡膠吸盤上；當(dāng)需要釋放時(shí)，切斷壓縮空氣即可。這種取料手需要壓縮空氣才能工作。

圖2-24氣流負(fù)壓吸附取料手

圖2-25為氣流負(fù)壓吸附氣動(dòng)回路圖，當(dāng)電磁閥在斷電情況下，真空發(fā)生器中沒(méi)有氣流，氣爪內(nèi)不形成真空，不具有吸附能力；當(dāng)電磁閥得電后，真空發(fā)生器中有氣流通過(guò)，使氣爪處氣壓降低，能夠抓取一定重量的工件。

圖2-25氣流負(fù)壓吸附氣動(dòng)回路圖

3.擠壓排氣取料手

擠壓排氣取料手如圖2-26所示。其工作原理為：取料時(shí)，吸盤壓緊物體，橡膠吸盤變形，擠出腔內(nèi)多余的空氣，取料手上升時(shí)，靠橡膠吸盤的恢復(fù)力形成負(fù)壓，將物體吸住；釋放時(shí)，壓下拉桿3，使吸盤腔與大氣相連通而失去負(fù)壓。該取料手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但吸附力小，吸附狀態(tài)不易長(zhǎng)期保持。

圖2-26擠壓排氣取料手1—橡膠吸盤；2—彈簧；3—拉桿

4.磁吸附取料手

磁吸附取料手是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的電磁吸力取料，因此只能對(duì)鐵磁物體起作用；另外，對(duì)某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸附取料手的使用有一定的局限性。磁吸附取料手工作原理如圖2-27所示。當(dāng)線圈1通電后，在鐵芯2周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線穿過(guò)鐵芯，空氣隙和銜鐵3被磁化形成回路，銜鐵受到電磁吸力F的作用被牢牢吸??；當(dāng)斷電時(shí)，銜鐵在工件的重力作用下與鐵芯分離。

圖2-27磁吸附取料手1—線圈；2—鐵芯；3—銜鐵

2.3.3專用操作器及轉(zhuǎn)換器

機(jī)器人是一種通用性很強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備，可根據(jù)作業(yè)要求完成各種動(dòng)作，再配上各種專用的末端操作器后，就能完成各種動(dòng)作。例如，在通用機(jī)器人上安裝焊槍就成為一臺(tái)焊接機(jī)器人，安裝擰螺母機(jī)則成為一臺(tái)裝配機(jī)器人。目前，由專用電動(dòng)、氣動(dòng)工具改型而成的許多操作器(如圖2-28所示)，有擰螺母機(jī)、焊槍、電磨頭、電銑頭、拋光頭、激光切割機(jī)等，所形成的一整套系列供用戶選用，使機(jī)器人能勝任各種工作。

圖2-28各種專用末端操作器和電磁吸盤式換接器1—?dú)饴方涌冢?—定位銷；3—電接頭；4—電磁吸盤

機(jī)器人在作業(yè)時(shí)能自動(dòng)更換不同的末端操作器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成：換接器插座和換接器插頭，分別裝在機(jī)器腕部和末端操作器上，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)末端操作器的快速自動(dòng)更換，如圖2-29所示。

圖2-29電磁吸盤式換接器

2.3.4仿生靈巧手部

1.柔性手

為了能對(duì)不同外形的物體實(shí)施抓取，并使物體表面受力比較均勻，因此研制出了柔性手。多關(guān)節(jié)柔性手腕中每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成；驅(qū)動(dòng)源可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓、氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)；柔性手腕可抓取凹凸不平的物體并使物體受力較為均勻。圖2-30所示為多關(guān)節(jié)柔性手指，傳動(dòng)部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成，每個(gè)手指由兩根鋼絲繩牽引，分別控制手指的握緊和放松。

圖2-30多關(guān)節(jié)柔性手指

2.多指靈巧手

多指靈巧手是模仿人類手指設(shè)計(jì)，它可以具有多個(gè)手指，每個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)的自由度都是獨(dú)立控制的。因此，該類型手指能夠完成各種復(fù)雜動(dòng)作，如擰螺釘、搬運(yùn)不規(guī)則物體。如果在手部配置觸覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，將會(huì)使機(jī)器靈巧手的功能更加接近人類手指。

圖2-31所示為加拿大ROBOTIQ公司研發(fā)的仿生多指靈巧手，該手部能夠模仿人手動(dòng)作，手部由多個(gè)手指組成，每一個(gè)手指有3個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)自由度都是獨(dú)立控制的。該仿生多指靈巧手各種復(fù)雜動(dòng)作都能模仿，可以抓取不同形狀和尺寸的工件，靈活性強(qiáng)。

圖2-31仿生多指靈巧手

2.4工業(yè)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機(jī)器人的機(jī)身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

2.4.1車輪式行走機(jī)器人

車輪式行走機(jī)器人是機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種，在相對(duì)平坦的地面上，用車輪移動(dòng)方式行走是相當(dāng)優(yōu)越的。

1.車輪的形式

車輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運(yùn)行的多采用實(shí)心鋼輪，室外路面行駛的采用充氣輪胎，室內(nèi)平坦地面上的可采用實(shí)心輪胎。

圖2-32所示為不同地面上采用的不同車輪形式。圖2-32(a)所示適合于沙丘地形；圖2-32(b)所示是為在火星表面移動(dòng)而開(kāi)發(fā)的；圖2-32(c)所示適合于平坦的堅(jiān)硬路面；圖2-32(d)所示為車輪的一種變形，稱為無(wú)緣輪，用來(lái)爬越階梯，以及在水田中行駛。

圖2-32車輪的不同形式

2.車輪的配置和行走機(jī)構(gòu)

車輪式行走機(jī)構(gòu)依據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪以及多輪機(jī)構(gòu)。1輪和2輪行走機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用的車輪式行走機(jī)構(gòu)多為3輪和4輪。

3輪行走機(jī)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，代表性的車輪配置方式是一個(gè)前輪，兩個(gè)后輪。圖2-33(a)所示為兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前輪僅起支撐作用，靠后輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；圖2-33(b)所示則采用后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向的方式；圖2-33(c)所示利用兩后輪差動(dòng)減速器驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向的方式。

圖2-33三輪機(jī)構(gòu)的原理圖

圖2-34所示的三組輪是由美國(guó)Unimation

stanford行走機(jī)器人課題研究小組設(shè)計(jì)研制的。它采用了三組輪子，呈等邊三角形分布在機(jī)器人的下部。為了改進(jìn)該機(jī)器人的穩(wěn)定性，Unimation

stanford研究小組重新設(shè)計(jì)了一種三組輪。改進(jìn)后的特點(diǎn)是使用長(zhǎng)度不同的兩種滾輪：長(zhǎng)滾輪呈錐形，固定在短滾輪的凹槽里。這樣可大大減小滾輪之間的間隙，減小了輪子的厚度，提高了機(jī)器人的穩(wěn)定性。此外，滾輪上還附加了軟橡皮，具有足夠的變形能力，可使?jié)L輪的接觸點(diǎn)在相互替換時(shí)不發(fā)生顛簸。

圖2-34三組輪行走機(jī)構(gòu)

四輪車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本上與三輪車相同，行走機(jī)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛。圖2-35(a)所示為兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前后帶有輔助輪的方式，當(dāng)旋轉(zhuǎn)半徑為0時(shí)，由于能繞車體中心旋轉(zhuǎn)，因此有利于在狹窄場(chǎng)所改變方向。圖2-35(b)所示是所謂汽車方式，適合于高速行走，但用于低速的運(yùn)輸搬運(yùn)時(shí)，費(fèi)用不合算，所以小型機(jī)器人不大采用此種方式。

圖2-35四輪車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)

3.越障輪式機(jī)構(gòu)

普通車輪行走機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇不平地面適應(yīng)性很差，為了提高輪式車輛的地面適應(yīng)能力，研究了越障輪式機(jī)構(gòu)。另外，還有依據(jù)使用目的，使用六輪驅(qū)動(dòng)車和車輪直徑不同的輪胎車，也有的提出利用具有柔性機(jī)構(gòu)車輛的方案。

圖2-36所示為四輪防爆機(jī)器人，該輪系由于采用了4組輪子，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性有很大提高。但是，要保證4組輪子同時(shí)和地面接觸，必須使用特殊的輪系懸掛系統(tǒng)。同時(shí)，它需要4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜，造價(jià)也較高。

圖2-36四輪防爆機(jī)器人

圖2-37所示為一個(gè)可以上下臺(tái)階的車輪式機(jī)構(gòu)的爬樓機(jī)器人。其車輪的大小取決于臺(tái)階的尺寸。在平坦的地面上，爬樓機(jī)器人依靠車輪回轉(zhuǎn)行走，當(dāng)最前方輔助輪碰到臺(tái)階后，輔助輪支架方向?qū)④嚀纹鸩⒂绍囕嗱?qū)動(dòng)爬上樓梯，當(dāng)后方的車輪上到第二個(gè)臺(tái)階后，輔助輪又重復(fù)支撐，直至登完臺(tái)階。

圖2-37爬樓機(jī)器人

圖2-38所示為一個(gè)可以在不平地面移動(dòng)的多節(jié)車輪式機(jī)構(gòu)的火星探測(cè)車，它可在火星表面進(jìn)行移動(dòng)，用于火星考察。1、2兩節(jié)間由三軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)相連，2、3兩節(jié)間由三軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連。這種機(jī)構(gòu)構(gòu)成可以爬越溝坎。

圖2-38火星探測(cè)車

2.4.2履帶式行走機(jī)構(gòu)

車輪式行走機(jī)構(gòu)只有在平坦堅(jiān)硬的地面上行駛才有理想的運(yùn)動(dòng)特性。如果地面凹凸程度和車輪直徑相當(dāng)，或地面很軟，則它的運(yùn)動(dòng)阻力增大。履帶式行走機(jī)構(gòu)適合于在未加工的天然路面行走，它是車輪式行走機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。圖2-39所示為履帶式防爆機(jī)器人。

圖2-39履帶式防爆機(jī)器人

履帶式行走機(jī)構(gòu)與車輪式行走機(jī)構(gòu)相比，有如下特點(diǎn)：

(1)其支承面積大，接地比壓小，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，適合于在松軟或泥濘場(chǎng)地進(jìn)行作業(yè)。

(2)其越野機(jī)動(dòng)性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于車輪式行走機(jī)構(gòu)。

(3)其履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。

(4)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量輕，運(yùn)動(dòng)慣性大，減振功能差，零件易損壞。

為提高履帶式行走機(jī)構(gòu)的地面適應(yīng)能力、越障能力和行走機(jī)動(dòng)性能，開(kāi)發(fā)了一些新穎獨(dú)特的機(jī)構(gòu)形式。如圖2-40所示為多地形履帶機(jī)器人，采用六條履帶的方式，該設(shè)計(jì)大大提升了履帶的機(jī)動(dòng)性能，通過(guò)對(duì)履帶的控制，可以實(shí)現(xiàn)越障、爬樓等功能。

圖2-40多地形履帶機(jī)器人

圖2-41所示為一種四履帶式全地形機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)外形，它兩側(cè)各由兩條形狀可變的履帶組成，分別由兩個(gè)主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)履帶速度相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退行走；當(dāng)履帶速度不同時(shí)，整個(gè)機(jī)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主臂桿繞履帶架上的軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以改變機(jī)器人的高度，從而實(shí)現(xiàn)履帶的不同構(gòu)形，以適應(yīng)不同的行走環(huán)境。圖2-42為四履帶式爬樓機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上、下臺(tái)階。

圖2-41四履帶式全地形機(jī)器人圖2-42四履帶式爬樓機(jī)器人

2.4.3全方位移動(dòng)車

過(guò)去的車輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上是2自由度的，因此不可能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)任意的定位和定向。機(jī)器人的定位，用四輪構(gòu)成的車可通過(guò)控制各輪的轉(zhuǎn)向角來(lái)實(shí)現(xiàn)。自由度多、能簡(jiǎn)單設(shè)定機(jī)器人所需位置及方向的移動(dòng)車稱為全方位移動(dòng)車。圖2-43所示是一種四輪均可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖，行走電機(jī)M1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)蝸桿蝸輪副5和錐齒輪副2帶動(dòng)車輪1轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)向電機(jī)M2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)另一對(duì)蝸桿蝸輪副6、齒輪副9帶動(dòng)車輪支架10適當(dāng)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)各車輪采取不同的偏轉(zhuǎn)組合，并配以相應(yīng)的車輪速度后，便能夠?qū)崿F(xiàn)不同的移動(dòng)方式。

圖2-43一種四輪驅(qū)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2.4.4足式行走機(jī)器人

根據(jù)調(diào)査，地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的車輪式或履帶式車輛行走。但是一般多足動(dòng)物卻能在這些地方行動(dòng)自如，顯然足式與車輪式和履帶式行走方式相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。足式行走對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式運(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支承點(diǎn)，而車輪式和履帶式行走工具