第二章机器人系统简介2.1 机器人的运动机构（执行机构）机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。

对机器人的操作手而言，它应该象人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。

移动机构应能将机器人移动到任意位置，并保持预定方位姿势。

为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本移动功能。

在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构2.1.1 机器人的臂结构机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组成。

关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。

在关节的约束下，两连杆间只能有简单的相对运动。

机器人中常用的关节主要有两类：(1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。

(2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。

杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。

以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描述。

我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree of freedom））。

而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。

机器人的自由度是独立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。

（由驱动器能产生主动动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。

通常开链机构仅使用主动自由度）机器人自由度的构成，取决于它应能保证完成与目标作业相适应的动作。

分析可知，为使机器人能任意操纵物体的位姿，至少须6DOF，通常用三个自由度确定手的空间位置（手臂），三个自由度确定手的姿态（手）。

比较而言，人的臂有七个自由度，手有二十个自由度，其中肩3DOF，肘2 DOF，碗2DOF。

这种比6 还多的自由度称为冗余自由度。

人的臂由于有这样的冗余性，在固定手的位置和姿态的情况下，肘的位置不唯一。

因此人的手臂能灵活回避障碍物。

对机器人而言，冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性，但由于存在多解，需要在约束条件下寻优，计算量和控制的难度相对增大。

典型的机器人臂结构有以下几种：(1)直角坐标型(Cartesian/rectanglar/gantry) (3P)由三个线性滑动关节组成。

三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴x,y,z 平行。

工作空间是个立方体(2)圆柱坐标型(cylindrical)(R2P)由一个转动关节和两个滑动关节组成。

两个滑动关节分别对应于圆柱坐标的径向和垂直方向位置，一个旋转关节对应关于圆柱轴线的转角。

工作区域为矩形截面的旋转体。

(3) 球坐标型(spherical) (2RP)两个转动关节和一个滑动关节分别实现手的左右，上下及前后运动。

工作区域是扇形旋转体。

(4)关节坐标型(articulated/anthropomorphic)(3R)用三个转动关节实现手在工作空间的任意定位。

工作区域是一个旋转体，其截面由转动关节转动行程角所确定的一些弧线构成。

(5)平面关节型SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)由两个转动关节和一个滑动关节组成。

两个转动关节控制前后，左右运动；滑动关节实现上下运动。

工作区域是截面为矩形的旋转体这里只给出了几种简单的臂结构。

各类型结构的优缺点简要分析如下：直角坐标型结构：三个关节分别沿着直角坐标的三坐标轴移动，几何运动直观，计算简单，便于控制。

该结构刚度好，可得到较高精度。

但机器人所占运行空间大，滑动关节密封性及操作的灵活性差。

多转动关节型：灵活性最强，可以避开一些障碍物到达操作点。

运行所占空间及占地面积小，关节易于密封。

但是关节角与空间位置的关系复杂且相互关联，因此控制计算量大，控制相对复杂。

圆柱坐标型和球坐标型的优缺点介于上述两类结构之间。

平面关节型：结构简单，特别适合小型零件的插接装配。

注：机器人的腕和手（操作器）的结构略2.1.1 机器人的移动机构对机器人移动机构的基本要求是能承受机器人自身重力及操作过程中存在的力和力矩，并保持平衡和具有一定的刚度；具有较高的机动性。

目前移动机构的主要类型有轮式、履带式、足式及其它（如机器鱼，爬壁机器人等），下面对移动机器人的几种典型机构及特点给出简要介绍。

轮式移动机构：轮式移动机构有移动平稳、机动性高、便于操纵等特点。

但只适合在平坦地面运行，不能上下阶梯、越沟。

轮式移动机构一般具有三轮、四轮式两种，其中驱动轮用以驱动机器人运动，控制移动的速度，有时也用以控制移动方向；转向轮用以控制机器人移动方向；小脚轮和自由轮：用以支撑机器人保持平衡，被动地适应机器人转向运动的要求。

几种轮式移动机构。

三轮机构，四轮移动机构，全转向三轮移动机构，每个轮子都同时用作驱动和转向轮，能随时向任意方向做直线运动，这时三轮的轴线均与运动方向垂直。

它也能作任意孤线运动，只要三轮轴线均通过弧线的曲率中心点，就可以作就地转动，以及完成这些运动的组合。

因此，这类机构又称为全方位移动机构。

履带式移动机构这是类似于履带坦克及拖拉机的移动机构，其特点是能在凹凸不平的地面上行走，稳定性好，能跨越障碍物，爬越较大斜坡或阶梯。

但是履带式移动机构运动方向的操纵，由左右履带的速度差值所控制。

因此，转向时必出现滑动，阻力较大，转向半径及中心准确度较差。

有关各种特效的履带移动机构，可参考有关文献。

步行式移动机构步行式移动机构是指采用了类似人、兽或昆虫用脚迈步移动的机构，有两足、四足、六足、八足等移动机构，它们的特点是只需要离散的着地点，能在平地也能在凹凸不平的地面行走；能越过沟、穴等障碍物；能上、下阶梯，具有较高的机动性。

然而步行控制复杂，尤其是对于双足机器人，步行的稳定性不易控制。

除了模仿人的两足步行机构外，还有模仿兽类的四足步行机构，它有四条腿，通常每条腿有三个自由度。

还有模仿昆虫的六足步行机构，它有六条腿，每条腿通常有三个自由度，共18 个自由度。

这些机构能灵活地前进、后退、向左或向右以不同半径转弯以及调整机器人离地高度及倾斜角度等。

2.2 机器人的驱动机构驱动机构通常包括驱动机、减速及传递机构。

2.2.1 驱动机常用于机器人的驱动机有液压、气压和电动驱动机。

液压驱动机的优点是能产生非常大的力（如在280×105 牛顿／米工作压力下，2 厘米直径液压缸就能产生8000 牛顿力）。

力矩-重量比值较高，能以体积小重量轻的驱动器提供较大的驱动力，刚度大。

缺点是：需液压动力源设备，内部漏油及油温影响驱动特性；管理、维修技术要求高，一次性投资较高等。

目前液压执行机构主要用于大型机器人的驱动气压驱动机的优点是：成本低，可靠性高，维修管理容易，无污染，不会失火。

缺点是：难于准确控制速度和位置，出力小，有噪声，易锈蚀等。

一般用于控制要求不高、出力要求不大的场合。

电动驱动机即指电机，它的优点是：便于控制，能实现快速精确的位置和速度控制，信号处理方便，配线容易，比较清洁。

缺点是：力矩一重量比值较低，为得到低速大力矩，需使用减速器，并因减速器存在齿隙而引起一些控制问题。

常用的电机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机三种。

其中直流伺服电机应用最广，这是由于直流伺服电机的机械特性和控制特性好，调速范围宽，起动力矩大，效率高等。

随着电子技术的发展，近年来出现了采用电子换向技术的直流无刷电机，避免了机械换向可能带来的火花问题。

交流伺服电机的电源提供简单，但控制相对复杂。

步进电机直接用脉冲数字信号控制，控制简单，位置控制准确。

但一般效率较低，长期工作有丢步问题。

一般用于小型普及型机器人。

还有一些特殊的驱动方式，如气囊驱动：英国的“Shadow”计划研制的双足步行机器人的传动结构就是采用的气囊肌肉的方式进行驱动。

它具有重量轻，输出力大，柔顺性好等优点；记忆合金驱动器（SMA）：功率重量比大，驱动电压低，无噪音，无污染等优点；压电驱动器：体积小、精度高、响应快、输出力大，可用于微动机器人。

关节的驱动方式有直接驱动方式和间接驱动方式两种。

直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人手臂的关节轴直接相连；这种方式的优点是驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦、间隙等非线性因素的影响，可以做到控制性能比较好。

然而，在另一方面，为了直接驱动手臂的关节，驱动器的输出力矩必须很大，此外，必须考虑手臂的动力学问题。

间接驱动方式是把驱动器的力通过减速器等传递给关节。

大部分机器人的关节是间接驱动。

这种间接驱动，通常其驱动器的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以必须使用减速器。

2.2.2 减速机构减速机构的目的是把电动机输出的高转速小力矩的运动变换成低转速大力矩的关节旋转运动，或变换成低速驱动力大的关节直线运动。

描述减速机构的基本参数是传动比，又称减速比。

传动比与传动效率定义2.1 传动比i ：输入转速与输出转速之比定义2.2 传动效率η ：输出功率与输入功率之比在忽略传动机构功耗的情况下，输出转速是输入转速的1/ i ，输出力矩是输入力矩的i 倍。

常用的减速机构有两类:旋转减速机构和平移减速机构。

旋转减速机构：一般输入轴由电机带动作高速旋转运动，输出轴作低转速运动。

主要有齿轮减速机构、蜗轮－蜗杆减速机构、行星齿轮减速机构和谐波减速机构等。

齿轮减速机构输入轴与输出轴可以平行（见图2.5(a)）也可以垂直相交（见图2.5(b)），转速比即为输出齿轮的齿数与输入齿轮的齿数之比。

一级齿轮减速比较小，且有齿隙。

为获得大减速比，通常需多级。

蜗轮－蜗杆减速机构用于交错轴间传递运动与力，轴交角通常为90 度。

它有较大的转速比。

有自锁功能（即在外力作用下能自行保持关节位置）。

但其机械效率低(＜60%)，且有齿隙。

行星减速机构由太阳轮S、行星齿轮P、行星轮支架（即转臂）C 和内齿轮A 组成。

太阳轮位于行星减速机构“太阳系”中心，是有外齿的中心轮。

中心轮是指与行星齿轮相啮合，且轴线固定的齿轮。

行星齿轮在转臂的带动下围绕太阳轮做行星运动，行星齿轮既有公转，又有自转。

内齿轮位于行星减速机构的最外侧，是具有内齿的中心轮。

用Z 表示齿数，ω 表示转速，即ZS 表示太阳轮齿数，ZA 表示内齿轮齿数。