机器人的机构与肢体课件.ppt

1、机器人技术概论机器人技术概论Introduction to Robotic Technology101 机器人的基本构件机器人的基本构件02 机器人的自由度机器人的自由度03 机器人的传动机构机器人的传动机构04 机器人的移动机构机器人的移动机构05 机器人的腿部机构机器人的腿部机构06 机器人的臂部机构机器人的臂部机构07 机器人的手部机构机器人的手部机构第四章第四章 机器人的机构与肢体机器人的机构与肢体(Robotic Mechanism and Body)2机器人的肌体是无机的机器人的肌体是无机的，其中，最重要的其中，最重要的是动作器官，包括：机械腿，机械臂，和是动作器官，包括：机械腿，

2、机械臂，和机械手。机械手。301 机器人的基本构件1.1 连杆连杆：机器人的骨骼：机器人的骨骼在机器人机构中，最基本的构件有两种：连杆（Link）：相当于人或动物的骨骼铰链（Joint）：相当于人或动物的关节连杆，或称“连接件”，一般为刚性物体，其中，理论上，任意两点没有相对的运动。连杆，可以有各种各样的形状，可以由各种各样的材料构成，然而，都可以抽象为一条线段。401 机器人基本构件与自由度连杆，需要与铰链连合在一起。铰链，是一种能将两个连杆（刚体）连合在一起的机构，它为连杆之间的相对运动，提供物理上的约束。1.2 铰链铰链：机器人的关节：机器人的关节(2)：旋转铰链铰链，有多种形式：(4)

3、：平移铰链(1)：球形铰链（万向节）(3)：平面铰链(5)：圆柱铰链(6)：螺旋铰链501 机器人基本构件与自由度铰链，主要有两种基本的形式：（所有的铰链都是这两种基本形式的组合）1.2 铰链铰链：机器人的关节：机器人的关节旋转铰链：最常见的铰链形式，约束两个连杆相对旋转的运动。601 机器人基本构件与自由度铰链，主要有两种基本的形式：（所有的铰链都是这两种基本形式的组合）1.2 铰链铰链：机器人的关节：机器人的关节平移铰链：约束两个连杆相对位移的运动。702 机器人的自由度2.1 关于自由度概念关于自由度概念自由度（Degree of Freedom，DoF），是表示一个机械系统运动灵活性的

4、尺度，意味着独立的运动的数量。自由度的概念，其意义在于：描述机械系统运动的灵活性或灵活程度，同时，建立起机械系统设计的一个重要原理：多自由度机构可以由单自由度机构的串联形成。例如：一个多自由度的机械臂，通常是由多个单自由度机构串联形成。8严格地，一个机构的自由度（DoF），被定义为：完整描述其姿态（Pose）和构型（Configuration）所需要的独立的坐标数量。因此，一个在笛卡尔三维空间中运动的刚体，有 6 个自由度，其中，3 个为位置（Position）（位移自由度），3 个为朝向（Orientation）（旋转自由度）。机器人系统的自由度（DoF），一般由其关节的数量和自由度决定。具

5、有驱动力的铰链或关节，被称为主动关节，相应的自由度被称为主动自由度；而不具有驱动力的铰链或关节，则被称为被动关节，相应的自由度也被称为被动自由度。02 机器人的自由度2.1 关于自由度概念关于自由度概念901 机器人基本构件与自由度连杆，需要与铰链连合在一起。铰链，是一种能将两个连杆（刚体）连合在一起的机构，它为连杆之间的相对运动，提供物理上的约束。2.1 关于自由度概念关于自由度概念(2)：旋转铰链(1个旋转自由度)铰链，有多种形式：(4)：平移铰链(1个平移自由度)(1)：球形铰链（万向节）(3个旋转自由度)(3)：平面铰链(3个自由度：1个旋转和 2个平移)(5)：圆柱铰链(2个平移自由

6、度：1个旋转和1个平移)(6)：螺旋铰链(1个自由度：1个平移)102.2 自由度的计算方法自由度的计算方法计算自由度（DoF）的方法很多，Grubler-Kutzbach 准则（Criterion）是其中之一：其中：n：整个机械系统的自由度（DoF）s：运动空间的自由度（2维：s=3；3维：s=6）r：连杆（刚体）的数量p：铰链（关节）的数量ni：各关节的相对自由度1(1)piins rpn02 机器人的自由度112.3 自由度计算实例自由度计算实例计算实例 1：二维空间中的四连杆机构（其中有 4 个单自由度铰链）整个机械系统的自由度（DoF）：n=？运动空间的自由度：s=3连杆（刚体）的数

7、量：r=4铰链（关节）的数量：p=4各关节的相对自由度：ni=1（i=1,2,3,4）1(1)3(44 1)41piins rpn02 机器人的自由度12计算实例 2：二维空间中的五连杆机构（其中有 5 个单自由度铰链）整个机械系统的自由度（DoF）：n=？运动空间的自由度：s=3连杆（刚体）的数量：r=5铰链（关节）的数量：p=5各关节的相对自由度：ni=1（i=1,2,3,4,5）1(1)3(55 1)52piins rpn 2.3 自由度计算实例自由度计算实例02 机器人的自由度13计算实例 3：三维空间中的机械臂（其中有 7 个连杆（刚体），5 个单自由度铰链）整个机械系统的自由度（D

8、oF）：n=？运动空间的自由度：s=6连杆（刚体）的数量：r=7铰链（关节）的数量：p=6各关节的相对自由度：ni=1（i=1,2,3,4,5,6）1(1)3(76 1)66piins rpn2.3 自由度计算实例自由度计算实例02 机器人的自由度1403 机器人的传动机构3.1 关于机器人动力的传送关于机器人动力的传送机器人的动力源，包括电动马达，液动或气动系统，一般不能直接地驱动末端执行机构（或称末端效应器：End-Effector，相当于机器人的肢体，如：机械手或机械臂末端的夹持器，机械腿和机械足，轮足和履带，等等）。以减速机构为例：减速机构是最常见和最普通的传动机构，一个每分钟8000

9、转的直流电机，由于速度和转矩的限制，一般不能直接驱动轮式机器人的末端执行机构（包括轮子），需要减速机构，对电机的旋转速度进行变换。机器人的动力，一般需要经过传动系统（传动机构），才能到达并驱动需要动力的末端执行机构（末端效应器），同时，机器人运动的速度，运动的方向，也需要传动系统（传动机构）的协调和控制。15机器人动力传动的形式很多，其中，齿轮传动是最常见的，最典型的。03 机器人的传动机构3.2 机器人的齿轮传动机器人的齿轮传动(1)：直齿圆柱齿轮传动(传动：变速 换向)(2)：斜齿圆柱齿轮传动(传动：变速 换向)(3)：人字齿圆柱齿轮传动(传动：变速 换向)(4)：内啮合齿轮传动(传动：变

10、速 换向 变换运动模式)16机器人动力传动的形式很多，其中，齿轮传动是最常见的，最典型的。03 机器人的传动机构3.2 机器人的齿轮传动机器人的齿轮传动(5)：齿轮齿条传动(传动：旋转变位移)(6)：双曲面齿轮传动(传动：变速 90换向)(7)：螺旋齿轮传动(传动：变速 90换向)(8)：蜗杆传动(传动：变速 90换向)(9)：直齿锥齿轮传动(传动：变速 90换向)(10)：斜齿锥齿轮传动(传动：变速 90换向)(11)：曲线齿锥齿轮传动(传动：变速 90换向)1703 机器人的传动机构3.2 机器人的齿轮传动机器人的齿轮传动齿轮传动可对马达或发机旋转的速度和旋转的方向进行变换，还能将旋转运动

11、变换为位移运动。(a)传递(b)变速(c)平面换向(e)旋转变位移(d)立体换向归纳起来，齿轮传动的形式有：1803 机器人的传动机构3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构大部分齿轮都是定轴齿轮，其轴线是固定的。轴线固定的齿轮传动原理很简单，在一对互相啮合的齿轮中，有一个齿轮作为主动轮，动力从它那里输入，另一个齿轮作为从动轮，动力从它输出。也有的齿轮仅作为中转站，一边与主动轮啮合，另一边与从动轮啮合，动力从它那里通过，这种齿轮叫惰轮。然而，有一类齿轮，它们的轴线安装在一个可以转动的支架上，即，其轴线是不固定的。(a)主动轮(b)从动轮(c)惰轮1903 机

12、器人的传动机构然而，有一类齿轮，它们的轴线安装在一个可以转动的支架上，是不固定的。行星齿轮示意图这种齿轮，即可以自转（绕自己的轴线转动），又可以公转（绕其它的齿轮转动），因而，被称为：行星齿轮。行星齿轮系统的原理较为复杂，功能和用途较为特殊。行星齿轮减速器，是行星齿轮的一种特殊用途，其中，包含一个太阳轮和3-4个行星轮。3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构2003 机器人的传动机构一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示：行星齿轮减速器可以有多种动力传送方式：行星齿轮减速器动力从太阳轮输入，从内齿轮输出，行星架锁死；动力从太阳轮输入，从行星架输出，内齿轮

13、锁死；动力从行星架输入，从太阳轮输出，内齿轮锁死；动力从行星架输入，从内齿轮输出，太阳轮锁死；3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构2103 机器人的传动机构一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示：动力从内齿轮输入，从行星架输出，太阳轮锁死；动力从内齿轮输入，从太阳轮输出，行星架锁死；两股动力分别从太阳轮和内齿轮输入合成，从行星架输出；两股动力分别从行星架和太阳轮输入合成，从内齿轮输出；行星齿轮减速器行星齿轮减速器可以有多种动力传送方式：3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构2203 机器人的传动机构一个具有 4 个

14、行星齿轮的减速器如图所示：两股动力分别从行星架和内齿轮输入合成，从太阳轮输出；动力从太阳轮输入，分两路从内齿轮和行星架输出；动力从行星架输入，分两路从太阳轮和内齿轮输出；动力内齿轮输入，分两路从太阳轮和行星架输出。行星齿轮减速器行星齿轮减速器可以有多种动力传送方式：3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构2303 机器人的传动机构一个具有 4 个行星齿轮的减速器如图所示：体积小，承载能力大，工作平稳；施加的力分布多个行星轮上，承受力矩大于同样大小的直齿传动机构；传动比可以很大。行星齿轮减速器行星齿轮系的主要特点在于：3.3 行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构

15、行星齿轮系：一种特殊的齿轮传动机构因此，行星齿轮系可用于构造大传动比的变速器，即行星齿轮变速器。24三角带与无级变速03 机器人的传动机构3.4 带（带（Belt）链（）链（Chain）传动机构）传动机构三角带（V Belt），指剖面为 V 字形（准确地说是梯形）传送带，常常用于传送电机的连续的旋转运动。(2)三角带纤维编织层聚酯丝缆(3)V 形槽传送轮(1)V 形带传送系统优点：传送距离大，可实现无级变速，简单，低廉。25(1)同步带传送系统同步带传动机构03 机器人的传动机构3.4 带（带（Belt）链（）链（Chain）传动机构）传动机构同步带（Synchronous Belt 或 Ti

16、ming Belt），是一种带有齿条的传送带，传送距离大，传动比固定，工作稳定。(2)同步带(3)同步带轮26链条（Daisy Chain）传动机构03 机器人的传动机构3.4 带（带（Belt）链（）链（Chain）传动机构）传动机构许多机器人也采用了链条或履带式传动。链条传动是我们熟悉的，自行车和摩托车的动力传动，就主要采用链条传动形式。2703 机器人的传动机构由连杆和凸轮组成的传动机构，可以把电动机的连续的旋转运动，转换为间歇往复运动，实现不等速运动（减速比可变化）的功能等。3.5 连杆与凸轮传动机构连杆与凸轮传动机构连杆、曲柄和凸轮等形成的复杂传动机构，能将电动机的动力转变为机器人肢

17、体的动作。机械腿的凸轮传动机构原理图中是机器昆虫的机械腿及其运动示意图，其中，齿轮接受从直流电动机传递过来的动力，与齿轮固定在同一轴上的凸轮周而复始地上下和前后推动机械腿运动，从而驱使机器昆虫向前爬行。2804 机器人的移动机构自治移动式机器人，自然需要移动机构（迁徙机构）。移动机构（迁徙机构），是机器人的腿或足。4.1 关于移动（迁徙）机构关于移动（迁徙）机构机器人有各种各样的移动机构，或者说，机器人有各种各样的机械腿，大致可以分为两类：旋转型移动机构：主要特征是旋转滚动运动，如：轮式移动机构，履带式移动机构，旋翼式推进机构等。移动（迁徙），是自治移动式机器人的生命特征之一。本节只介绍机器人

18、的旋转式移动（迁徙）机构，有关机器人仿生的移动（迁徙）机构，留待下节介绍。仿生型移动机构：主要特征是往复交替运动，如：双足机器人的腿和足，机器蜻蜓的翅膀，机器鱼的鳍等。2904 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）采用轮式移动（迁徙）机构的机器人，种类很多，其中，4 轮（4-Wheeled）和 3 轮（3-Wheeled）的移动（迁徙）机构是最普通的。像汽车一样，依靠轮子移动（迁徙），是最简单，最易于实现，并且，效率最高的移动方式。六轮机器人：6-Wheeled Robot两轮机器人：2-Wheeled Robot独轮机器人：Single-Wheeled R

19、obot然而，在采用轮式移动（迁徙）机构的机器人中，真正值得我们一提的是：其中，两轮机器人和独轮机器人，被称为自平衡机器人（Self-Balancing Robot）：3004 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）六轮机器人，其移动（迁徙）机构自然具有 6 个轮子，可以在崎岖的环境中行走，因此，常常被月球车和火星车采用，如：美国的探测火星的旅居者。六轮机器人（6-Wheeled Robot）3104 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）SHRIMP 是一款新颖的 6 轮机器人，研究的目的主要为围绕火星探测任务。六轮机器人（

20、6-Wheeled Robot）SHRIMP 的前方有一个导向轮，身体两侧各有两个轮子，尾部有一个尾轮。SHRIMP 具有极高的机动性，可以在乱石堆里行走，还能上下楼梯。3204 机器人的移动机构33关于自平衡机器人：机器人系统中特殊的和重要的一类。自平衡机器人的研究水平，已经成为反应一个国家机器人学和机器人技术发展水平的重要标志。其中，最典型的是两轮机器人和独轮机器人：04 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）34关于自平衡机器人：控制技术可用于导弹制导，火箭发射，航天飞机自动驾驶，卫星姿态控制，以及工业过程等。04 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移

21、动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）3504 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）两轮机器人，是一种自平衡机器人。自平衡机器人的研究水平，已经成为反应一个国家机器人学和机器人技术水平的重要标志。在实验机器人学的意义下，自平衡机器人属科学研究型机器人，是新型的和智能的科学实验仪器。自平衡机器人可用于机器人学、机构学、运动控制的理论与方法，以及人工智能的科学研究和科学实验。自平衡机器人先进的控制技术可用于导弹制导，火箭发射，航天飞机自动驾驶，同步卫星姿态控制，以及数控机床和工业过程控制等。3604 机器人的移动机构4.2

22、 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）两轮机器人，自然只有两个轮子。像两轮自行车一样，两轮机器人本质上是不稳定的和不平衡的系统。两轮机器人的两个轮子，各由一个电机驱动，其姿态（和d/dt）一般 由 惯 性 测 量 单 元（I n e r t i a Measurement Unit，IMU）测量。控制器可由嵌入式工控机或 DSP 器件担任，根据机器人姿态状况和运动需求，计算出控制量。3704 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）1 9 8 6 年，日 本 电

23、气 通 信 大 学 Kazuo Yamafuji 教授，构思了一种只有两个轮子的自平衡机械。这种自平衡机械像一般的自行车一样有两个轮子，然而，这两个轮子是平行的或并排的，因而，取名“平行自行车”的。平行自行车被认为是两轮自平衡机器人的起源。之后，自平衡机器人便成为机器人家族中的一员。3804 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）美国麻省阿默斯特大学及 MIT 研制的 uBot2000年之后，美国和日本等机器人技术先进的国家，对两轮自平衡机器人系统开展了深入研究，并且，先后研制出了本国具有代表性的两轮自平衡机器人。3

24、904 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）2000年之后，美国和日本等机器人技术先进的国家，对两轮自平衡机器人系统开展了深入研究，并且，先后研制出了本国具有代表性的两轮自平衡机器人。日本伙伴机器人中的小号手，具有人工唇和人工肺，会吹奏乐器。4004 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）2000年之后，美国和日本等机器人技术先进的国家，对两轮自平衡机器人系统开展了深入研究，并且，先后研制出了本国具有代表性的两轮自平衡机器人。瑞士的 Jo

25、e 被人为是目前机动性和鲁棒性最好的两轮机器人系统。4104 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）2000年之后，美国和日本等机器人技术先进的国家，对两轮自平衡机器人系统开展了深入研究，并且，先后研制出了本国具有代表性的两轮自平衡机器人。欧盟基于两轮自平衡机器人技术，研制了两轮自平衡垃圾车Bustbot，可自行穿梭于城市街道收集垃圾。4204 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）NASA的研究工作使人们看到了自平衡机器人潜在的实际工程应

26、用价值。4304 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）原人2号原人3号原人1号北京工业大学电子信息与控制工程学院“人工智能与机器人研究所”自行研制的两轮自平衡机器人。4404 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）美国 Segway 公司的两轮自平衡载人系统自平衡机器人系统的实际应用4504 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）两轮机器人（2-Wheeled Robot）德国 Transporter 公

27、司的两轮载人拍摄系统Handsfree Transporter 用于电视等的拍摄或转播4604 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）独轮机器人（Single-Wheeled Robot）研究表明，独轮机器人是自平衡机器人中难度最大和最具有挑战性的系统。最早的有关独轮机器人的研究报道可以追溯到上世纪80年代初：1980年，日本的Ozaka等人基于人走钢丝的原理设计了一种独轮机械，依靠机器臂左右移动的质量块维持平衡。1987年，美国斯坦福大学基于陀螺原理，采用水平旋转轮作侧平衡机构，运用 LQR 实现了纵向平衡控制。4704 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式

28、移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）独轮机器人（Single-Wheeled Robot）1990年，美国MIT采用斯坦福模型研制了独轮机器人，实现自平衡，但不能行走。日本千叶大学基于斯坦福模型设计了具有双陀螺侧平衡机构的独轮机器人。4804 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）独轮机器人（Single-Wheeled Robot）1995年，日本电气 通 信 大 学 大Yamafuji和Sheng等人构思了一种模仿人骑独轮车的机器。其中设计了仿人的大腿、小腿、脚，试图完全采用人的方式控制独轮机器人平衡。4904 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁

29、徙）机器人的轮式移动（迁徙）独轮机器人（Single-Wheeled Robot）2007年，美国加州大学利用惯性飞轮构造侧平衡机构，研制成功第一个原理系统 Unibot。2008年，日本村田制作所基于加州大学模型，制作了村田少女。5004 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）独轮机器人（Single-Wheeled Robot）村田少女的研制成功，在国际上产生了极大的影响，我国中央电视台在新闻节目中进行了即时地报道。5104 机器人的移动机构4.2 机器人的轮式移动（迁徙）机器人的轮式移动（迁徙）独轮机器人（Single-Wheeled Robot）北京工

30、业大学电子信息与控制工程学院“人工智能与机器人研究所”自行研制的独轮自平衡机器人。5204 机器人的移动机构4.3 机器人的履带式移动（迁徙）机器人的履带式移动（迁徙）为了适应等为复杂的道路或环境，许多机器人，像坦克和履带式拖拉机一样，采用了履带式移动（迁徙）机构。一个极富创意的履带式概念机器足，整个系统就是一个履带式传动机构，作为机器人的移动机构，可以在雪地等复杂环境中工作。5304 机器人的移动机构4.3 机器人的履带式移动（迁徙）机器人的履带式移动（迁徙）为了适应较为复杂的道路或环境，许多机器人，像坦克和履带式拖拉机一样，采用了履带式移动（迁徙）机构。Talon machines：美军的

31、机器工兵，排爆机器人，据说美军在伊拉克布置了2500个 Talon机器人。5404 机器人的移动机构4.3 机器人的履带式移动（迁徙）机器人的履带式移动（迁徙）为了适应较为复杂的道路或环境，许多机器人，像坦克和履带式拖拉机一样，采用了履带式移动（迁徙）机构。美军的机器战士5504 机器人的移动机构4.4 飞行机器人的移动（迁徙）飞行机器人的移动（迁徙）目前的飞行机器人主要采用旋翼推进机构。右图是美军设计的机器鹰，能做各种特技飞行，执行特殊的侦察任务，然而，与图真正的鹰相比，其飞行技能还差得很远。鹰与机器鹰有不同的翅膀飞行机器人，是在空中移动（迁徙）的机器人。翅膀是鸟的迁移器官。飞行机器人也有翅

32、膀，然而，这种翅膀一般不能象鸟的翅膀那样扑腾。5604 机器人的移动机构4.4 飞行机器人的移动（迁徙）飞行机器人的移动（迁徙）美国的飞行机器人（Flying Robot），UAV（Unmanned Aerial Vehicle），频繁地在阿富汗战争中执行任务。UAV 采用的推进方式仍然是旋翼飞行机构。5705 机器人的腿部机构5.1 关于仿生移动机构：关于仿生移动机构：机械腿机械腿正如上一节我们已经介绍过的，自治移动式机器人的腿，大致可以分为两类：旋转型移动（迁徙）机构是高效的，然而，难以适应特殊的和复杂的环境。旋转型移动机构：主要特征是旋转滚动运动，如：轮式移动机构，履带式移动机构，旋翼式

33、推进机构等。放生型移动机构：主要特征是往复交替运动，如：双足机器人的腿和足，机器蜻蜓的翅膀，机器鱼的鳍等。为了使自治移动时机器人更像人或动物一样移动（迁徙），像人和动物一样能够适应特殊的和复杂的环境，人们开始研究和设计各种仿生型移动（迁徙）机构。5805 机器人的腿部机构5.2 人形机器人的腿人形机器人的腿人形机器人，模仿人的外貌，形态，构造（生理结构），运动方式（包括人直立行走的方式），行为方式（包括智能行为）。为了像人那样直立行走，机器人就需要有两条像人一样的腿。日本 Honda Motor Co.经过长达 15 年的时间，于 2000 年，研制成功了人形机器人 ASIMO。ASIMO 有

34、一双类似人的腿，是世界上第一个能能像人一样轻松优雅地行走的机器人。5905 机器人的腿部机构5.2 人形机器人的腿人形机器人的腿ASIMO 这样的人形机器人，又称：双足机器人（Biped Robot）。研究双足机器人，目的之一在于：阐明人类直立行走的机理。人形机器人腿的自由度因此，人形机器人的腿部机构，实际上，就是模仿人类双腿生理结构的放生系统。人形机器人的腿部机构，一般由单自由度的多个旋转铰链和多个连杆机构形成。人形机器人的腿部机构的自由度，主要模拟人类双腿的 3 个重要关节，即：1）髋关节，2）膝关节，3）踝关节；分单腿 6 自由度和 7 自由度两种形式。6005 机器人的腿部机构5.2

35、人形机器人的腿人形机器人的腿单腿 7 自由度的形式：髋关节：3 自由度（DoF，包括：纵摇轴，横摇轴，偏转轴，3 个旋转运动）膝关节：2 自由度（DoF，包括：纵摇轴，偏转轴，2 个自由度）踝关节：2 自由度（DoF，包括：纵摇轴，横摇轴，2 个自由度）人形机器人腿的自由度人形机器人单腿 7 自由度的仿生机械腿结构示意图髋关节膝关节踝关节偏转纵摇横摇正前方向6105 机器人的腿部机构5.2 人形机器人的腿人形机器人的腿人形机器人腿部关节，一般采用旋转电机驱动。人形机器人腿的驱动方式最简单的方式：电机固定于关节上部构件，电机轴固定于关节下部构件。可选方式之一：电机固定于上部构件，通过减速器，同步

36、带，带动下部构建。仿生的腿驱动方式6205 机器人的腿部机构5.2 人形机器人的腿人形机器人的腿人形机器人的脚掌机构与腿部机构是一体的。人形机器人的脚掌机构脚掌的作用是，使踝关节能够围绕着地点产生转矩，这对于人形机器人直立行走有重要意义。人形机器人需要与地面保持良好的接触状态，以得到足够的摩擦力，从而，由地面获得向前行进的反作用力。一块板两块板带脚趾(1)：简单，易于实现。(2)：夹层为减震器，使行走更为平稳。(3)：可以增加脚底的抓地力，提高控制的维数。脚掌可安装力传感器，为行走控制提供信息。6305 机器人的腿部机构5.3 机器狗的腿机器狗的腿其中一些研究人员发起成立了波士顿动力公司（Bo

37、ston Dynamics）。美国麻省理工学院（MIT）有一个腿机器人实验室（MIT Leg Laboratory），专门研究仿生的机械腿。6405 机器人的腿部机构5.3 机器狗的腿机器狗的腿美国武器合约商波士顿动力公司（Boston Dynamics）研制了一种运输机器人“大狗”（BigDog）BigDog 高约 1 米，重 75kg，最大负载 340 磅，时速可达120 km。BigDog 有维持机身平衡的回转仪，内力传感器等，可探测或感知地势变化。靠本身的立体视觉系统或远程遥控器确认路径。BigDog 有四只强有力的腿，每条腿有三个关节，其中一个是弹性关节。这些关节由一个机载计算机处理

38、器控制。采用汽油发动机驱动。6505 机器人的腿部机构5.3 机器狗的腿机器狗的腿现代版的木牛流马：美国的大狗（BIG DOG），一个运输机器人。6605 机器人的腿部机构5.4 机器昆虫的腿机器昆虫的腿肌肉和电动机是完全不同的两种动力源，因此，机器人的迁移器官与自然生命的迁移器官存在很大的差异。与依赖旋转型移动（迁徙）机构的机器人（机器生命）相比，人和动物的迁徙器官更适应复杂的自然或地理环境。越来越多的机器人（机器生命）模仿动物的迁徙运动。具有六条腿的机器昆虫，已经成为机器生命家族中的重要成员。机电化6705 机器人的腿部机构5.4 机器昆虫的腿机器昆虫的腿LAURON III 是一个机器昆

39、虫，有 6 条机械腿。各条腿各 3 个自由度（？），各只足安装有一个 3 轴力觉传感器，能在崎岖的环境中行走。LAURON III：一个机器昆虫（Robotic Insect）6806 机器人的臂部机构6.1 关于机器人的臂（关于机器人的臂（Arm）：机械臂）：机械臂机械臂（Robotic Arm），是机器人系统中类似人类胳膊的机构，是机器人学较早研究的系统，已经广泛应用于工厂的自动生产线。6906 机器人的臂部机构6.1 关于机器人的臂（关于机器人的臂（Arm）：机械臂）：机械臂实际上，所谓“工业机器人”，就是一个固定于基座上的机械臂，是一个自动的操作机构。随着机器人学和机器人技术的发展，机

40、械臂不再仅仅或只是固定于基座上。机械臂开始成为自主移动式机器人重要的组成部分。7006 机器人的臂部机构6.1 关于机器人的臂（关于机器人的臂（Arm）：机械臂）：机械臂ASIMO 有一双灵巧的机械臂7106 机器人的臂部机构6.2 臂部机构的自由度臂部机构的自由度在 3D 空间中的无约束物体，可以作平行于 X 轴，Y 轴，Z 轴的平移运动，同时，还可以围绕 X 轴，Y 轴，Z 轴的旋转运动，因此，具有 6 个自由度（DoF）：3 个与位置相关的自由度，3 个与姿态相关的自由度。因此，为了能够任意地操作物体的位置和姿态，机器人的臂部机构，必须至少具备 6 个自由度（DoF）。人的臂部，有 7

41、个自由度：肩关节 3 个，肘关节 2，腕关节 2 个。多于 6 个的自由度，被称为：“冗余自由度”（Redundant Degree of Freedom）。实际上，机械臂的自由度应依据其作业任务的需求。例如，仅限于 2D 空间的作业，或许 3 个自由度就够了。7206 机器人的臂部机构6.3 臂部机构的构成臂部机构的构成不计夹持器，图中的机械臂，共有 8 个自由度，其中，7 个旋转自由度，1 个平移自由度。机械臂的关节也可以选用多自由度的铰链，如球形关节。然而，多自由度的铰链一般只能是被动关节，如：球形关节一般只有 3 个被动自由度。为了真正实现带驱动的 3 个旋转自由度，一般需要 3 个单

42、自由度主动关节的串联。机器人的臂部机构，一般由单自由度的多个旋转铰链和多个连杆连合形成。平移扭转旋转7306 机器人的臂部机构6.4 臂部机构的动作形态臂部机构的动作形态关节的构成方式，以及自由度的实现方法，对机械臂的操作性和空间可达性等性能指标，影响极大。机械臂运动的目的是，使机械手或末端执行机构（End-Effector）抵达预定的空间坐标。相同自由度的机械臂，可以不同的串联方式；不同的串联方式，将导致不同的功能或结果。考虑旋转（转轴垂直于连杆长度方向），扭转（转轴平行于连杆长度方向），平移三种铰链的组合，构造一个 3 自由度的机械臂，其串联方式多达 27 种。然而，根据机械臂的动作形态，

43、这 27 种形式中，具有代表性的关节构成，一共有 4 种。7406 机器人的臂部机构6.4 臂部机构的动作形态臂部机构的动作形态具有代表性的机械臂关节构成：(c)(a)扭转(b)竖直位移(c)水平位移(a)(b)圆柱坐标型机械臂（Cylindrical Coordinates Robot）7506 机器人的臂部机构6.4 臂部机构的动作形态臂部机构的动作形态具有代表性的机械臂关节构成：直角坐标型机械臂（Cartesian Coordinates Robot）(a)(c)(b)(a)(c)(b)(a)(b)(c)均为平移关节7606 机器人的臂部机构6.4 臂部机构的动作形态臂部机构的动作形态具

44、有代表性的机械臂关节构成：极坐标型机械臂（Polar Coordinates Robot）(a)(c)(b)(a)扭转(b)旋转(c)平移77(a)扭转(c)旋转(b)旋转06 机器人的臂部机构6.4 臂部机构的动作形态臂部机构的动作形态具有代表性的机械臂关节构成：关节坐标型机械臂（Articulate Robot）7807 机器人的手部机构7.1 关于机器人的手（关于机器人的手（Hand）：机械手）：机械手机械手（Robotic Hand），是机器人系统中类似人类手的机构，是一种典型的仿生机构。人类的双手是极为灵巧的，机械的操作系统一般很难达到人类手的灵活性，正因为如此，模仿人类的手以使机器

45、人具有类似人类的操作能力的梦想，便成为一种动力和挑战，推动着机器手的科学研究。自然地，机械手与机械臂是联系在一起的。实际上，机械手是机械臂的“末端执行器”。“末端执行器”（End Effector），是机械臂末端直接作用于对象的操作器（Manipulator）。然而，大多数末端执行器只能面向简单的和单一的操作任务，一般不具有人手灵巧的和通用（万能）的操作功能。7907 机器人的手部机构7.2 工业型末端执行器工业型末端执行器末端执行器的种类很多，工业型末端执行器是一大类，如：焊枪，喷枪，电磁吸盘，真空吸盘，等等。其中，吸盘具有了类似动物手或肢体的功能特征。8007 机器人的手部机构7.3 夹持

46、器：原始的机械手夹持器：原始的机械手夹持器（Gripper），也是一种末端执行器。但夹持器更接近于手，因为，它的作用就是像手那样抓握物体。夹持器就是原始的机械手。机器人的夹持器，有些像钳子，就是一种夹具，可以夹取被操作的对象。为了夹取被操作的对象，夹持器需要完成开合的动作。夹持器可以有不同设计，不同结构，不同驱动，不同的原理。8107 机器人的手部机构7.4 机器人的灵巧手机器人的灵巧手夹持器只有两个手指。为了更接近人类的手，机械手由两个手指的夹持器，发展出 3 个手指的机械手，直至 5 个手指的机械灵巧手。8207 机器人的手部机构7.4 机器人的灵巧手机器人的灵巧手夹持器只有两个手指。为了

47、更接近人类的手，机械手由两个手指的夹持器，发展出 3 个手指的机械手，直至 5 个手指的机械灵巧手。8307 机器人的手部机构7.4 机器人的灵巧手机器人的灵巧手欧洲的科学家，成功地把一只机械手与一个从手腕截肢的人联系起来，使他能通过意念控制机械手，并且，产生对机械手的感觉。科学家说，这是第一次，一个断肢的人，能通过意念控制一个与自己的神经系统联系在一起的生物机电手，从而，实现复杂的手部运动。84思考与练习思考与练习1 在机器人机构中，最基本的构件有两种：一是 ，相当于人或动物的 ；二是 ，相当于人和动物的 。3 右图有 6 种铰链，每一种铰链各有几个自由度？几个平移自由度？几个旋转自由度？2

48、 铰链有哪两种基本的形式？其各自的作用是什么？85思考与练习思考与练习4 什么是自由度？一个在笛卡尔3维空间中运动的刚体，有几个自由度？几个位置自由度？几个旋转自由度？5 2维空间中的刚体有几个自由度？几个位置自由度？几个旋转自由度？1维空间呢？7 右图是二维空间中的五连杆机构，计算它的自由度。6 什么叫主动关节？什么叫被动关节？什么叫主动自由度？什么叫被动自由度？86思考与练习思考与练习8 移动机构（迁徙机构），是机器人的腿或足。机器人有各种各样的移动机构，大致可以分为两类。哪两类？9 机器人主要有两类移动机构，一类是旋转型移动机构，其主要的运动方式是 运动；另一类是放生型移动机构，其主要运

49、动方式是 运动。12 为什么两轮机器人和独轮机器人被称为平衡机器人（Balancing Robot）或自平衡机器人（Self-Balancing Robot）？13 自平衡机器人具有什么样的研究意义或研究价值？10 对于机器人系统（Robotic System）而言，旋转型移动机构有什么优点？有什么缺点？11 对于机器人系统（Robotic System）而言，仿生型移动机构有什么优点？有什么缺点？87思考与练习思考与练习14 人形机器人腿部机构的自由度，主要模拟人类双腿的 3 个重要关节，即：1），2），3）。15 图中的人形机器人，每一条腿有多少自由度？其中，髋关节有几个自由度，膝关节有几个自由度，踝关节有几个自由度？人形机器人的仿生机械腿结构示意图髋关节膝关节踝关节16 机械臂的自由度应该怎样确定？二维空间中的机械臂至少需要多少个自由度？三维空间的呢？88思考与练习思考与练习17图中是四种最具有代表性的和典型的机械臂，说出它们的名字和所具有的自由度。(a)扭转(b)竖直位移(c)水平位移(a)(c)(b)(a)扭转(b)旋转(c)平移(a)扭转(c)旋转(b)旋转89机器生命的机体是无机的，然而，其机器生命的机体是无机的，然而，其活性与自然生命是相同的或相似的。活性与自然生命是相同的或相似的。90