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1、第2章 机器人结构设计基础,2.1 本体基本结构 2.2 手部设计 2.3 腕部设计 2.4 臂部设计 2.5 缓冲与定位 2.6 行走机构,一、机器人本体基本结构组成：,1、传动部件 2、机身及行走机构 3、臂部 4、腕部 5、手部,2.1 机器人本体的基本结构,KUKA公司的工业机器人在工作,2.1 机器人本体的基本结构,二、机器人本体基本结构特点：,1、可以简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系，连杆系末端自由且无支承，这决定了机器人的结构刚度不高，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。,2.1 机器人本体的基本结构,二、机器人本体基本结构特点：,2、开式连杆系中的每根连杆都具有独立的
2、驱动器，属于主动连杆系，连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，运动灵活。,2.1 机器人本体的基本结构,二、机器人本体基本结构特点：,3、连杆驱动扭矩的顺态过程在时域中的变化非常复杂，且和执行器反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。,2.1 机器人本体的基本结构,二、机器人本体基本结构特点：,4、连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其他不稳定现象。,2.1 机器人本体的基本结构,二、机器人本体基本结构特点：,工作负载与自重的比值 静、动态刚度 定位精度、跟踪精度 控制系统
3、的要求、造价 机械系统设计的灵活性 固有频率 避开工作频率 系统的稳定性,2.1 机器人本体的基本结构,2.1 机器人本体的基本结构,1、材料选择的基本要求： 强度高 弹性模量大 重量轻 阻尼大 材料经济性,三、机器人本体材料的选择：,三、机器人本体材料的选择：,1、机器人常用材料： 碳素结构钢和合金结构钢（广泛采用） 铝、铝合金及其他轻合金材料（重量轻） 纤维增强合金（较高的 E/比） 陶瓷 纤维增强复合材料（高阻尼） 粘弹性大阻尼材料,2.1 机器人本体的基本结构,SIWR-型和型水下作业机械手模拟试验装置,2.2 手部设计,2.2 手部设计,新松的装配机器人,2.2 手部设计,2.2.1
4、 钳爪式手部的设计 2.2.2 吸盘式手部的设计 2.2.3 类人机器人的手部 关节式手指,2.2 手部设计,习题：设计一手部结构，用来抓取盘中的苹果。 要求：画出结构，并给出关键尺寸。说明其驱动方式及计算增力比N/P。,机器人的手部是重要的执行机构。从其功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。前者应用较多，也比较成熟，后者正处于深入研究阶段。 工业机器人的手部是用来抓取工件或工具的部件。由于被抓取的工件的形状、尺寸、重量、材质等的不同，手部的结构也是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而专门设计的。各种手部的工作原理不同，结构型式各异。常用的手部按其握持原理的
5、不同可分为两类，即钳爪式和吸附式。,2.2.1 钳爪式手部的设计,2.2 手部设计,2.2.1 钳爪式手部的设计,钳爪式手部的组成 一般的钳爪式手部由以下三部分组成： 手指： 传动机构： 驱动装置： 此外，还有连接和支撑元件，将上述各部分连接成一个整体，以及实现手部与机器人的腕部的连接。,2.2.1 钳爪式手部的设计,一、手指,2.2.1 钳爪式手部的设计,二、传动机构回转型传动机构,2.2.1 钳爪式手部的设计,斜楔杠杆式手部,二、传动机构回转型传动机构,2.2.1 钳爪式手部的设计,滑槽杠杆式手部,二、传动机构回转型传动机构,2.2.1 钳爪式手部的设计,双支点连杆杠杆式手部,二、传动机构
6、回转型传动机构,2.2.1 钳爪式手部的设计,齿条齿轮杠杆式手部,二、传动机构平移型传动机构,2.2.1 钳爪式手部的设计,直线平移型手部,二、传动机构平移型传动机构,2.2.1 钳爪式手部的设计,四连杆机构平移型手部,1-齿条 2-齿轮 3-工件 齿轮齿条移动式手爪,1,3,2,2.2.1 钳爪式手部的设计,二、传动机构其它结构型式,重力式手爪,二、传动机构其它结构型式,拨杆杠杆式钳爪,二、传动机构其它结构型式,内撑式三指钳爪,二、传动机构其它结构型式,三、钳爪式手部的设计要点,2.2.1 钳爪式手部的设计,应具有足够的夹紧力 应具有足够的张开角 应能保证工件的可靠定位 应具有足够的强度和刚
7、度 应适应被抓取对象的要求 应尽量做到结构紧凑、重量轻、效率高 应具有一定的通用性和可互换性,四、钳爪式手部结构举例以及夹紧力的分析计算,2.2.1 钳爪式手部的设计,手部机构的结构型式不同，其特点也各不相同，下面仅举几个结构实例及其夹紧力的计算公式供设计时参考。钳爪式手部机构夹持工件的夹紧力是通过驱动装置(液压、气动或电动)所产生的驱动力经过手部机构的传递而产生的。,四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例,齿轮齿条式手部结构,注：两手指平移 增力比（N/P）小,N=P/2,N,N,P,2.2.1 钳爪式手部的设计,四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例,平行连杆杠杆式手部结构,N=P
8、Lcos(+)/(2lsincos),注：ABDE，DBAE，LBC杆长，lAB杆长； 两手指保持平行；当角较小时，可获得较大的力比。,N,N,P,A,B,C,E,2.2.1 钳爪式手部的设计,四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例,连杆杠杆式手部结构,P,N,N,c,b,N=Pcsin(+)/2bsinsin,注：手指开闭角较小；当取较小的时，可获得较大的增力比（即NP）,2.2.1 钳爪式手部的设计,四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例,斜楔杠杆式手部结构,P,c,b,P,N,N=Pcctg/2,N,2.2.1 钳爪式手部的设计,四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例,滑槽杠
9、杆式手部结构,P,N,N,b,NPc/2b,2.2.1 钳爪式手部的设计,吸附类手部也主要分为两种，即气吸式和磁吸式两种。 气吸式是指用负压吸盘吸附工件，按负压产生的方式不同，可分为挤压式和真空式两种。 磁吸式手部是在手腕部装上电磁铁，通过电磁吸力把工件吸住。,2.2.2 吸附式手部的设计,一、气吸式手部的种类,真空吸盘系统,2.2.2 吸附式手部的设计,一、气吸式手部的种类,1,2,3,4,5,4,2.2.2 吸附式手部的设计,一、气吸式手部的种类,气流负压喷嘴吸盘结构原理图 挤压负压式吸盘,2.2.2 吸附式手部的设计,吸力大小与吸盘的直径大小，吸盘内的真空度(或负压大小)以及吸盘的吸附面
10、积的大小有关。工件被吸附表面的形状和表面不平度也对其有一定的影响，设计时要充分考虑上述各种因素，以保证有足够的吸附力。 应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘状吸头。,二、气吸式手部的设计要素,2.2.2 吸附式手部的设计,三、气吸式手部的吸力计算,2.2.2 吸附式手部的设计,吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或负压的大小)与吸附面积的大小。 真空吸盘吸力F计算公式：,磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生磁力来吸取工件。 磁吸式手部只能对铁磁物体起作用；另外，对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸式手部的使用有一定的
11、局限性。,2.2.2 吸附式手部的设计,四、磁吸式手部的原理与应用,五、磁吸式手部,2.2.2 吸附式手部的设计,电磁铁工作原理,五、磁吸式手部,2.2.2 吸附式手部的设计,盘状磁吸附手部结构,五、磁吸式手部,2.2.2 吸附式手部的设计,几种电磁式吸盘工作示意图,应具有足够的电磁吸引力。 应根据被吸附工件的形状、大小来确定电磁吸盘的形状、大小，吸盘的吸附面应与工件的被吸附表面形状一致。 电磁吸力的计算 a.直流电磁铁的吸力计算： b.交流电磁铁的吸力计算：,2.2.2 吸附式手部的设计,六、磁吸式手部的设计要点及计算,磁盘；2防尘盖；3线圈；4外壳体； 5螺母；6防尘螺母；7，9垫圈； 8
12、螺母；10轴承；11出导线孔,2.2.1 钳爪式手部的设计,带“眼睛”（机器视觉系统）的件箱拆垛手爪；工料定位精度mm，负载能力100kg；物料最大尺寸：1000mm600mm,可2件或3件一起抓取。,带“眼睛”（机器视觉系统）的辅料堆垛手爪;工料识别准确率：100%，工料定位精度1mm，负载能力125kg;物料最大尺寸：600mm500mm,件箱堆垛手爪：负载能力100kg,物料最大尺寸：1000mm600mm,带传感器识别、抓取薄膜的拆包手爪：识别定位精度0.5mm，带抓取、剪断钢质捆扎带机构。,烟包搬运机械手：搬运负载能力300kg,带取夹板辅助功能。,大部分的工业机器人的手部只有两个手
13、指，而且手指上一般没有关节。为了使机器人的手臂能完成各种不同的工作，有更大的适应性和通用性，除了要使臂部具有更大的空间活动范围外，还要在其上安装一个更灵巧的手，即类人手。这种手是由若干带有关节的手指构成。,2.2.3 类人机器人的手部关节式手指,类人机器人的手部,具有多关节的三指手,类人机器人的手部,1,9-适应弹簧 2,3,8-连杆 4食指 5中指 6无名指 7小指 10蜗轮 11驱动杆 贝尔格莱德手,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,在张启先院士的主持下，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始灵巧手的研究与开发。 灵巧手有三个手指，每个手指有3个关节，3个手指共9个自由
14、度，微电机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实时控制系统。,北航研制的BH-3灵巧手,北航研制的BH-4灵巧手,BH-4型灵巧手有四个手指，每个手指有4个关节，4个手指共16个自由度，其关节由齿轮传动，包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对转角，关节轴绝对转角由电位计测量。,四指 每个手指三个自由 度，末端两关节耦合 腱和滑轮传动 直线电机驱动 指端力/力矩传感器 位置传感器 关节力矩传感器,哈尔滨工业大学研制的HIT-1手,哈尔滨工业大学研制的HIT/DLR手,四指 每个手指三个自由 度，基关节两个
15、，上面两个关节通过连杆耦合 齿轮系、谐波齿轮 传动 无刷直流电机驱动 指端力/力矩传感器 位置传感器 关节力矩传感器 传感器处理电路，电机驱动电路实现手指集成化,我校研制的三指灵巧手,三指 手指三自由度 斜齿轮传动 直流电机驱动 位置传感器 指端三维力传感器,美国麻省理工学院Utah/MIT灵巧手,Utah/MIT型灵巧手外形与人手更接近。该手包括3个具有4自由度的手指和一个拇指，其几何尺寸和人手接近。 该手由4个具有4自由度的手指模块组成，每个模块由腱、滑轮传动系统驱动。,Stanford/JPL灵巧手,Stanford/JPL型灵巧手有三个手指，每个手指有3个自由度和4根控制线，整个手由1
16、2个直流伺服电机组成的驱动块驱动。该手的控制实验主要集中在手指尖的抓取。,德国宇航中心研制的DLR手,DLR-II手,DLR-I手,DLR-II手的精确操作,DLR-II手的强力抓取,“海沟号”无人潜水器 “海沟号”无人潜水器在大海中,摘西红柿机器人,2.3 腕部设计,2.3.1 概述 2.3.2 腕部的设计要点 2.3.3 典型的腕部结构,2.3.1 概述,机器人操作臂将末端工具置于其工作的三维空间内的任意点需要三个自由度。为了进行实际操作，它还应该能够将工具置于任意的方位，这还需要一个腕部，它一般还需要有三个自由度，即回转、俯仰和摆动三个自由度。,2.3.1 概述,具有回转、俯仰和摆动三个
17、自由度的手腕,回转,摆动,手腕,俯仰,2.3.1 概述,(a)是一种翻转(Roll)关节，它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴线形式，这种R关节旋转角度大，可达到360以上。 (b)(c)是一种折曲(Bend)关节，关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种B关节因为受到结构上的干涉，转角度小，大大限制了方向角。这和人的手腕差不多. （d）所示为移动关节，也叫T关节,2.3.1 概述,二自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成BR手腕(a),也可以由两个B关节组成BB手腕(b)。但是，不能由两个R关节组成RR手腕，因为两个R关节共轴线，所以退化了一个自由度，实际只构成了单自由度手腕(c).,
18、2.3.1 概述,三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式。此外，B关节和R关节排列的次序不同，也会产生不同的效果，也产生了其它形式的三自由度手腕。为了使手腕结构紧凑，通常把两个B关节安装在一个十字接头上，这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸。,2.3.1 概述,2.3.1 概述,2.3.1 概述,2.3.2 腕部的设计要点,结构应尽量紧凑、重量轻 要适应工作环境的要求 要综合考虑各方面要求，合理布局,2.3.3 典型的腕部结构,一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构,A.具有回转运动的腕部结构,具有回转缸的腕部结构,2.3.3 典型的腕部结构,一、直接驱动的腕部结构
19、A.具有回转运动的腕部结构 B.具有回转和摆动运动的腕部结构,B.具有回转和摆动运动的腕部结构,具有回转与摆动的腕部结构,2.3.3 典型的腕部结构,一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构 B.具有回转和摆动运动的腕部结构 二、具有机械传动的腕部结构 A.具有两个自由度机械传动的腕部结构 a.腕部的俯仰运动；b.手部的回转运动； c.腕部的俯仰运动引起的诱起运动,A.具有两个自由度机械传动的腕部结构,具有两个自由度机械传动的腕部结构原理,2.3.3 典型的腕部结构,一、直接驱动的腕部结构 A.具有回转运动的腕部结构 B.具有回转和摆动运动的腕部结构 二、具有机械传动的腕部结构 A.
20、具有两个自由度机械传动的腕部结构 a.腕部的俯仰运动；b.手部的回转运动； c.腕部的俯仰运动引起的诱起运动 B.具有三个自由度机械传动的腕部结构 a.腕部俯仰运动及其诱起运动；b.腕部回转运动 及其诱起运动；c.手部回转运动,B.具有三个自由度机械传动的腕部结构,具有三个自由度机械传动的腕部机构原理图,1,2,3,B2,T,S,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,19,18,B1,B,2.3.3 典型的腕部结构,一、直接驱动的腕部结构 二、具有机械传动的腕部结构 三、柔顺手腕结构,2.3.3 典型的腕部结构,2.3.3 典型的腕部结构,2.3.3 典型的腕
21、部结构,柔顺手腕结构,2.3 臂部设计,2.3.1 概述 2.3.2 臂部设计要点 2.3.3 臂部的结构形式,2.3.1 概述,臂部是机器人的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置。机器人的臂部一般有23个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降；臂部的总重量较大，受力一般比较复杂，在运动时，直接承受腕部，手部和工件(或工具)的静、动载荷。,2.3.2 臂部设计要点,手臂应具有足够的承载能力和刚性,2.3.2 臂部设计要点,导向性好,2.3.2 臂部设计要点,运动要平稳、定位精度要高，应注意减轻重量和运动惯量,PUMA-262关节型机器人驱动结构,2.3.3 臂部的结构形式,工业
22、机器人的臂部结构一般包括臂部的伸缩、回转、俯仰或升降等运动结构以及与其有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接件和位置检测元件等，此外还有与腕部(或手部)连接的有关构件及配管、线等。,2.3.3 臂部的结构形式,1-升降 2回转 3伸缩 4升降位置检测器 5控制器 6液压源 7回转机构 8机身 9回转位置检测器 10升降缸 圆柱坐标机器人的臂部结构,2,1,3,4,5,6,7,8,9,10,2.3.3 臂部的结构形式,1-回转用齿轮齿条副 2回转齿条缸 3接控制柜 4液压源 5手腕弯曲油缸 6手腕回转用油缸 7俯仰回转轴 8花键轴 9伸缩缸 10伸缩 11回转 12上下弯曲 1
23、3俯仰 14臂回转 15俯仰缸 16机身 极坐标型机器人的臂部结构,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,2.3.3 臂部的结构形式,PUMA-262关节型机器人驱动结构,2.3.3 臂部的结构形式,1臂回转 2回转用油缸 3液压源 4控制柜 5连杆 6臂前后运动 7臂俯仰 8腕摆动 9腕弯曲 10示教手柄 11臂俯仰缸 关节式臂部结构,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,2.3.3 臂部的结构形式,1机座 2示教盒 3控制柜 4水平回转M1 5回转轴 6水平回转M2 7腕回转M3 8腕上下运动M4 水平多关节式臂部结构,1,2,3,4,5,
24、6,7,8,M4,M2,M1,M3,2.3.3 臂部的结构形式,1-肩回转 2肩弯曲 3肘弯曲 4腕回转 5腕弯曲 678手指弯曲 多关节型仿人手臂,1,2,3,4,5,6,7,8,2.3.3 臂部的结构形式,PUMA-262关节型机器人传动原理,2.4 缓冲与定位,2.4.1 概述 2.4.2 工业机器人的运动特性 2.4.3 工业机器人的定位方法 2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,2.4.1 概述,惯性冲击的影响 定位方法的影响 结构刚性的影响 控制及驱动系统的影响,对于在工业生产中应用的工业机器人，一般要求它速度快、运动平稳，重复定位精度高。因此运动平稳性和重复定位精度是衡量机器人性
25、能的重要指标，影响这些指标的主要因素如下：,2.4.2 工业机器人的运动特性,工业机器人的运动特性就是指其运动行程、运动速度和运动加速度随时间变化的规律。分析机器人运动特性的目的在于根据工作条件来选择适当的运动特性。下图是工业机器人常用的几种特性曲线。,2.4.2 工业机器人的运动特性,工业机器人的几种典型运动特性曲线,1,2,3,s,O,T,T,t,t,t,1,2,3,1,v,a,O,2,3,2.4.3 工业机器人的定位方法,在机械加工、装配等的作业中，对机器人的定位精度要求比较高。设计时应根据具体的要求选择适当的定位方法。目前常用的定位方法有：电气开关定位、机械挡块定位和伺服定位。,2.4
26、.4 工业机器人的定位缓冲装置,工业机器人与机械手常用的缓冲装置有弹性缓冲元件、油(气)缸端部缓冲装置、缓冲回路和液压缓冲器等几种结构形式。,2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,按照它们在机器人或(机械手)结构中的设置可以分为内部缓冲和外部缓冲两类。在驱动系统内设置的缓冲环节属于内部缓冲，例如油(气)缸端部节流缓冲环节与缓冲回路均属于此类。弹性缓冲环节和液压缓冲器一般设置在驱动系统之外，故属于外部缓冲。,2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,内部缓冲装置具有结构简单、紧凑等优点，但安装位置受到限制。 外部缓冲具有安装简便、灵活、容易调整等优点，但结构较庞大一些。,2.4.4 工业机器人的定位
27、缓冲装置,1.弹性缓冲元件 水平冲击时缓冲元件吸收的能量为：,2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,2.油(气)缸端部缓冲装置 当活塞运动到距离油(气)缸端盖某一距离时，能在活塞与端盖之间形成一缓冲室，利用节流原理使缓冲室产生临时背压阻力，使运动速度降低至定位处停止，这种避免硬性冲击的装置称为油(气)缸端部缓冲装置。,2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,2.1 油缸端部缓冲装置,2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,2.1 油缸端部缓冲装置,2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,2.2 气缸端部缓冲装置,A,B,C,D,2.4.4 工业机器人的定位缓冲装置,3.缓冲回路,2.4.4 工业机器
28、人的定位缓冲装置,4.液压缓冲器 液压缓冲器也是利用液压节流产生阻力原理制造的，其结构比较简单，缓冲、制动性能可调，是气动机械手常用的一种缓冲方法。,2.5 行走机构,2.5.1 概述 2.5.2 车轮式行走机构 2.5.3 履带式行走机构 2.5.4 步行式行走机构 2.5.5 特种移动机器人,2.5.1 概述,机器人可以分为固定式和行走式两种。对机器人的行走机构，可根据不同的行走环境情况，提出不同的要求，根据机器人的行走环境，将机器人所具有的移动机能分为以下几个方面：地面移动机能、水中移动机能、空中移动机能和地中移动机能等四个方面。,2.5.1 概述,具有地面行走机能的行走机构按其特点可以
29、分为车轮式、履带式和关节式行走机构。它们在行走过程中，前两者与地面连续接触，后者为间断接触。前者的形态为运行车式，后者则为类人或动物的腿脚式。,2.5.2 车轮式行走机构,车轮式行走机构具有移动平稳、能耗小以及容易控制移动速度和方向等优点，因此得到普遍的应用，但这些优点只能在平坦的地面上才能发挥出来。目前取得应用的主要是三轮式和四轮式。,2.5.2 车轮式行走机构,车轮的形式 a）充气球轮 b）半球形轮 c）传统车轮 d）无缘轮,2.5.2 车轮式行走机构,日本火星探测机器人,2.5.2 车轮式行走机构,“机遇号”美国火星探路者机器人,2.5.2 车轮式行走机构,利用陀螺仪的两轮车,2.5.2
30、 车轮式行走机构,日本骑车机器人,2.5.2 车轮式行走机构,一个驱动轮和转向机构来转弯 两个驱动轮转速差和另一个支撑轮来转弯 图242 三个轮的行走和转弯机构,2.5.2 车轮式行走机构,(a)二个驱动轮和二个自位轮 (b)二个驱动轮二个自位轮 (c)一个驱动系统和转向 轮 (d)一个驱动系统和二个转向轮 (e)全部轮都装有转向机构，能减少转弯半径 图243 四个轮的行走和转弯机构,2.5.2 车轮式行走机构,全方位移动机构,2.5.2 车轮式行走机构,2.5.2 车轮式行走机构,这台机器人配备有GPS、6台摄影机，一双强力的机械手臂（最大可举起75kg的物体）。其六个独立轮可以适应各种地形
31、，最大爬坡能力高达45度。,2.5.2 车轮式行走机构,2.5.2 车轮式行走机构,2.5.2 车轮式行走机构,2.5.3 履带式行走机构,德国 排爆机器人,TALON 被称为世界上第一个武装机器人。它基于SWORDS（特殊武器观测勘查探测系统）。他能够让士兵在一千米开外远程开火。这个机器人能装备一系列的武器，包括M16步枪，M82巴雷特步枪和一个40毫米的榴弹发射器。,2.5.3 履带式行走机构,容易上下台阶的履带式机器人,2.5.3 履带式行走机构,履带式机器人的移动作业,2.5.3 履带式行走机构,履带式机器人的移动作业,2.5.3 履带式行走机构,适应地形的履带,2.5.4 步行式行走
32、机构,用类似于动物那样，利用脚部关节机构，用步行方式，实现移动的机械，称作步行机构。步行机器人采用步行机构，其特征是不仅能够在凸凹不平的地上行走、跨越沟壑、上下台阶，因而具有广泛的适应性，但控制上确有相当的难度。 足式行走可以选择最优的支撑点，具有主动隔振能力，运动平稳，运动速度高，能耗较少。,2.5.4 步行式行走机构,1. 足的 数目,2.5.4 步行式行走机构,2.足的配置,a）正向对称分布 b）前后向对称分布,2.5.4 步行式行走机构,2.足的配置,足的相对方位,2.5.4 步行式行走机构,3.足式行走机构的平衡和稳定性 静态稳定的多足机 速度较慢 步态为爬行或步行 动态稳定 速度较
33、快 步态为小跑或跳跃 消耗能量小,2.5.4 步行式行走机构,两足步行机器人五轴步行模型和10刚体17自由度结构模型,腰关节,股关节,膝关节,足尖关节,踝关节,L6,L2,L1,L3,L4,L5,2.5.4 步行式行走机构,四足机器人步行图,2.5.4 步行式行走机构,玩具 小狗,2.5.4 步行式行走机构,四足步行机器人的机构举例,2.5.4 步行式行走机构,美军研制战地机器狗翻山越岭如履平地,2.5.4 步行式行走机构,六足步行机构的静稳定步行图,2.5.4 步行式行走机构,18个自由度的六足步行机器人,2.5.4 步行式行走机构,军用昆虫机器人,美国宇航局研制月球六足机器人,演化过程,一
34、型,二型,三型,四型,原型,下水,越障,早稻田大学,WL-1,WL-3,WABOT_1,WABIAN_RII,早稻田大学,WABIAN-2/LL,高1224.5mm,重50kg,踝关节: 32 膝关节: 12 髋关节: 32 腰 : 2,足底六维力力矩传感器,直流伺服电机驱动和谐波减速器，实时皮带滑轮,自带电池,早稻田大学,WABIAN-2R,早稻田大学,WL-15,奔腾III 850MHz驱动的双腿行走机械装置WL-15来演示一种新的并行连杆行走机制,一条腿由三套双缸机械装置 组成，骨盆的六个缸体汇聚在足部,WL-15可以在两步或两秒内完成90度旋转,早稻田大学,WL-16R III,东京大
35、学,H7,2001推出的具备了人的雏形，这个机器人总58Kg，身高147cm,能够在一定程度上模拟人类的行为方式,30个模拟自由度，其中腿部分为：髋关节3个、膝关节1个、踝关节2个、足趾关节1个,电机采用瑞士MAXON公司生产的，采用谐波减速器驱动,两个PIII750CPU，运行RTLinux操作系统,“2000系列”和“6000系列”的铝合金板材料 ，骨架本身仅重约4kg,日本本田公司,从1986年至1993年先后研制了E系列(Experimental Model)试验样机E0_E6，都属于双足机器人，主要目的是为了对步行机制进行基础性研究，主要综合采用地面反力控制、目标ZMP控制和摆动腿落
36、地位置控制所组成的步行稳定控制技术完成行走。 1993年至1997年进行完全自主型仿人形机器人原型样机的研究，研制了P系列(Prototype Model)的样机P1、P2和P3。,E系列和P系列机器人,日本本田公司,ASIMO,Asimo高120cm，重43kg；,采用I-WALK的智能实时柔性行走技术，预测移动控制功能使机器人能够实时预测下一步运动，并按照预测来移动重心；,平滑地改变调节步幅来改变行走的快慢，能够改变它的行走坡度，拥有动态行走能力。,可以由步行直接到奔跑，并达到时速3公里。,本田的ASIMO类人机器人 机器人P2,日本本田公司,SDR-4xII,64位的RISC处理器，三条
37、64M的内存，搭载Aperios操作系统,机器人本体尺寸为580190270mm，重7kg,跌倒前校正运动姿势,专门的传感器检验关节处是否存在其他物体，能提高其安全性,不依靠外部微机，独立识别对方语意，与之交谈,日本索尼公司,比利时,Lucy,气动肌肉驱动，身高150cm，重30kg，每条腿6个自由度，采用12个气动肌肉控制，总共拥有23个自由度,德国慕尼黑技术大学,Johnnie,足部装有六维力力矩传感器,上身装有陀螺仪和加速度传感器,基于ZMP稳定控制,具有17个自由度，高1.8m，重40kg，每条腿有6个自由度,韩国,HUBO,美国MIT,M2,实现3维空间步态行走,12个自由度（髋关节
38、3，膝关节1，踝关节2）,多种步态运算,采用虚拟模型控制,力控制技术，特别是连续弹性冲击控制,自动学习能力,新加坡国立大学,NUSBIP-II,总28Kg，身高115cm，共有22个自由度 踝关节:32 膝关节: 12 髋关节 : 32 手 : 52,腿部采用直流电机和行星齿轮减速器，手臂采用数字伺服电机,传感器有加速度计，测压元件，陀螺仪，关节编码器,国防科技大学,先行者,国内发展现状,有17个关节，第三代两足步行机器人类人型机器人,机器人下肢、躯体、手臂和头部采用相应的分布式机器人控制系统,原地扭动、平地前进、后退、左右侧行和左右转弯等动作，手臂可以前后摆动，与下肢动作协调配合，同时头部可
39、以左右转动；机器人眼睛可以演示各种眨眼动作,哈尔滨工业大学,HIT-III,2001推出的HIT-III型双足步行机器人,机器人上身和脚掌安装了三维微型加速传感器，足底有两维力矩传感器,采用直流电机经谐波减速器实现关节转动，腿部采用串联结构形式，且关节旋转轴不相交,哈尔滨工业大学,足球机器人,身高0.5米，具有17个自由度,主控计算机；负责实时提供环境信息的视觉系统；运动系统；无线通信系统；电源系统,不带电缆，可以像人一样直立行走、爬楼梯和避让障碍,北京理工大学,BRH-1,身高1.58m，体重76kg，具有32个自由度，每小时能够行走1公里，步幅0.33m,能够感知自身的平衡状态和地面高度变
40、化，并随时进行调节,标志着我国仿人机器人研究已经跨入世界先进行列,北理工和中科院沈阳自动化所,汇童,2005年推出了高1.6m，体重63kg，具有视觉、语音对话、力觉等功能，达到了国际先进水平,在国际上首次实现了模仿太极拳，刀术等人类复杂动作，能实现前进，后退、侧行、转弯、上下台阶及未知地面情况下的稳定行走，,采用直流电机经谐波减速器转动，由同步齿形带实现关节传动，腿部采用串联结构形式，每条腿有6个自由度,2.5.4 步行式行走机构,“蜘蛛” 机器人,2.5.4 步行式行走机构,机 器 人 舞 伴,爬缆索机器人,爬缆索机器人,该机器人系统由机器人本体和机器人小车组成。本体可以沿各种倾斜度的缆索
41、爬升，在高空缆索上自动完成检查、打磨、清洗、去静电、底涂和面涂及一系列的维护工作。地面小车用于安装机器人本体并向机器人本体供应水、涂料，同时监控机器人的高空工作情况。,2.5.5 特种移动机器人,壁面清洗机器人,壁面清洗机器人,大楼清洗机器人是以爬壁机器人为基础开发出来的，它只是爬壁机器人的用途之一。爬壁机器人有负压吸附和磁吸附两种吸附方式，大楼擦窗机器人采用的是负压吸附方式。,2.5.5 特种移动机器人,微型机器人和微操作系统,细小工业管道机器人移动探测系统,“细小工业管道机器人移动探测器集成系统”由上海大学研制，包含：20mm内径的垂直排列工业管道中的机器人机构和控制技术、机器人管内位置检测技术、涡流检测和视频检测应用技术，在此基础上构成管内自动探测机器人系统。该系统可实现20mm管道内裂纹和缺陷的移动探测。,2.5.5 特种移动机器人,