机器人机构设计及实例解析

机器人技术是集机械、电子、控制及计算机等多个学科的综合技术。机器人作为“制造业皇冠顶端的明珠”，是一个国家高端制造业水平的标志。随着我国科技水平的迅速发展，机器人的应用越来越广泛，工业生产、日常生活、教育娱乐、海洋探测、航空航天、医疗等领域均能看到机器人的身影。
机器人机构是机器人的重要组成部分，涉及传感机构、控制机构、传动机构和执行机构几大部分，不同机构的组合可以实现机器人的不同功能。近年来，随着机器人技术的快速发展，机器人机构的复杂程度也不断提升，出现了很多新型的驱动方式以及不同形式的执行机构。本书通过理论讲解与实例解析相结合的方式，详细介绍了机器人机构设计的过程和要点。
第1章概论，主要对机器人的概念、发展历史、分类、技术参数和发展趋势进行概要介绍；
第2章机器人机构总体设计，主要从系统分析、技术设计和仿真分析等进行宏观分析；
第3章机器人驱动机构，主要从电机驱动、液压驱动、气动驱动、新型驱动方式等驱动方式进行阐述分析；
第4章机器人传动机构，介绍了机器人传动的基本概念、齿轮传动、丝杠传动、带传动和链传动、绳传动与钢带传动、连杆传动和凸轮传动，分析了传动机构的定位与消隙方法，并对典型传动结构设计进行了实例解析；
第5章机器人机身与臂部机构，介绍了机器人机身与臂部的定义、机身与臂部机构设计的关键问题、机身与臂部结构基本形式与特点、机器人平稳性与臂杆平衡方法，并利用多个设计实例进行了设计实践；
第6章机器人腕部机构，从腕部自由度与分类、腕部典型结构、柔顺手腕机构设计、机器人末端执行器快换装置等方面进行了具体阐述，并通过实例对机器人腕部机构设计过程进行了解析；
第7章机器人手部机构，从机器人手部分类、夹钳式手部机构、气吸式手部机构、磁吸式手部机构、其他手部机构等方面进行了具体阐述，并通过实例对机器人手部机构设计过程进行了解析；
第8章机器人移动机构，从机器人移动机构的分类、第七轴移动机构、车轮式移动机构、履带式移动机构、腿足式移动机构、复合移动机构和典型移动机构设计实例等方面进行了重点讲述；
第9章机器人机构设计实例，精选了3个实例，对机器人机构设计方法做了综合解析。
本书内容清晰，系统性强，可以为从事机器人设计与研发的科研人员、技术人员提供帮助，也可供高校相关专业的师生学习参考。
本书由哈尔滨理工大学姜金刚、王开瑞、赵燕江、吴殿昊编著。特别感谢第9章设计案例的提供者华南理工大学周恩德。研究生姚亮、郭亚峰、曾阳、谭棋匀、孙洋、刘天麒、左晖、郭宇航、胡孝农、刘思楠、李风潇、张新然、李猛等参与了本书的文稿处理工作，在此表示衷心的感谢！
虽然笔者已经在机器人领域从事研究工作十余年，但受经验和水平所限，书中难免存在不足之处，恳请读者批评指正！

编著者

姜金刚，博士，哈尔滨理工大学，副教授，博导，哈尔滨理工大学博士生导师、校青年拔尖创新人才、校青年五四奖章获得者、黑龙江省青年创新人才计划入选者、省博士后青年英才计划入选者、省技术创新方法研究会理事、创新方法研究会教育专委会常务委员、国家自然科学基金同行评议专家。在研科研项目5项、完成科研项目12项,发表论文48篇(其中被SCI收录12篇、EI收录34篇)，编写教材2部、授权专利89项、其中发明专利10项。目前在读研究生8名，毕业硕士5名。指导的硕士研究生9人次获得国家奖学金，5人次获得黑龙江省三好学生称号。作为指导教师指导学生获得各类科技竞赛一等奖9项、二等奖13项、三等奖6项，省级一等奖1项、二等奖3项。主要研究领域为口腔修复机器人、教育机器人、仿生机器人、高压静电纺丝和TRIZ的相关理论和应用。任2017年机械工程进展杂志客座主编，国家自然科学基金同行评议专家，IEEE Transactions on Industrial Electronics, International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, Robotica, Journal of Intelligent and Fuzzy Systems, Industrial Robot： An International Journal, Computers in Biology and Medicine, Journal of Medical Systems, Chinese Journal of Mechanical Engineering, Materials and Design, Journal of Intelligent Manufacturing等SCI检索和机器人自动化学报, Recent Patents on Mechanical Engineering, Journal of Automation and Control Engineering等EI检索国际期刊审稿人。

本书通过理论讲解与实例解析相结合的方式，详细介绍了机器人机构设计的过程和要点。主要内容包括：机器人机构总体设计、机器人驱动机构、机器人传动机构、机器人机身与臂部机构、机器人腕部机构、机器人手部机构、机器人移动机构。各类机构都有典型实例解析，最后一章详细讲解了机器人机构设计的综合实例。
本书内容清晰，系统性强，可以为从事机器人设计与研发的科研人员、技术人员提供帮助，也可供高校相关专业的师生学习参考。

第1章概论1
1.1机器人的概念1
1.2机器人的发展历史3
1.2.1古代机器人3
1.2.2近代机器人4
1.2.3现代机器人8
1.3机器人的分类11
1.3.1以应用领域进行分类11
1.3.2以运动方式进行分类16
1.3.3以使用空间进行分类20
1.3.4以编程和控制方式进行分类24
1.3.5以机械结构进行分类25
1.4机器人技术发展趋势26
参考文献27

第2章机器人机构总体设计29
2.1系统分析29
2.1.1机器人系统的功能29
2.1.2机器人系统的组成29
2.1.3机器人系统的分类31
2.2技术设计31
2.2.1基本参数确定31
2.2.2行走方式选择33
2.2.3传感器系统布局37
2.2.4机械结构设计39
2.3仿真分析41
2.3.1运动学计算41
2.3.2动力学计算45
2.3.3运动空间分析48
参考文献50

第3章机器人驱动机构51
3.1电机驱动51
3.1.1直流电机驱动方式53
3.1.2伺服电机驱动方式55
3.1.3步进电机驱动方式57
3.1.4直线电机驱动方式58
3.2液压驱动60
3.2.1直线液压驱动装置61
3.2.2回转液压驱动装置62
3.2.3机器人中液压驱动装置的使用66
3.2.4液压阀69
3.3气动驱动72
3.3.1直线气动驱动装置73
3.3.2回转气动驱动装置75
3.3.3机器人中气动驱动装置的使用76
3.4新型驱动方式78
3.4.1磁致伸缩驱动78
3.4.2形状记忆合金驱动80
3.4.3超声波驱动83
3.4.4人工肌肉驱动84
3.4.5静电驱动84
3.4.6压电驱动85
3.4.7光驱动85
3.4.8聚合物驱动85
3.4.9响应水凝胶软体机器人90
3.4.10其他机器人驱动方式91
参考文献91

第4章机器人传动机构98
4.1机器人传动的基本概念98
4.1.1机器人的传动机构98
4.1.2机器人中的机械传动98
4.2齿轮传动99
4.2.1齿轮的种类99
4.2.2各种齿轮结构及特点100
4.2.3齿轮传动机构的速比105
4.2.4轮系传动105
4.3丝杠传动116
4.3.1普通丝杠传动116
4.3.2滚珠丝杠传动117
4.3.3行星轮式丝杠118
4.4带传动和链传动118
4.4.1带传动118
4.4.2链传动121
4.5绳传动与钢带传动124
4.5.1绳传动124
4.5.2钢带传动126
4.6连杆传动126
4.6.1连杄机构及其传动特点127
4.6.2平面四杆机构的类型和应用127
4.6.3平面四杆机构的基础知识130
4.7凸轮传动132
4.7.1凸轮的基本结构132
4.7.2凸轮的分类及特点132
4.8传动机构的定位与消隙135
4.8.1传动件的定位135
4.8.2传动件的消隙136
4.9应用实例143
4.9.1仿生螃蟹机器人的传动设计143
4.9.2自适应机械手的传动设计145
4.9.3履带机器人的传动设计148
参考文献148

第5章机器人机身与臂部机构151
5.1机器人机身与臂部定义151
5.2机身与臂部机构设计的关键问题151
5.2.1刚度因素151
5.2.2精度因素152
5.2.3平稳性因素152
5.2.4其他因素153
5.3机身结构基本形式与特点153
5.3.1圆柱坐标式机器人154
5.3.2球面坐标式机器人154
5.3.3关节坐标式机器人154
5.3.4直角坐标式机器人154
5.4臂部结构基本形式与特点155
5.4.1臂部典型机构155
5.4.2机器人臂部材料选择159
5.5机器人平稳性与臂杆平衡方法160
5.5.1配重平衡160
5.5.2弹簧力平衡161
5.5.3气缸平衡机构162
5.5.4机械臂重力平衡机构实例162
5.6典型臂部机构设计实例163
5.6.1采摘机械臂的结构设计163
5.6.21P2R前列腺活检机器人机械臂结构设计164
5.6.3六自由度植牙手术机器人机械臂结构设计169
5.6.4一种凿岩机器人机械臂结构设计170
5.6.5助老助残轮椅用绳传动机械臂结构设计171
5.6.6仿生机械臂结构设计172
5.6.7移栽机机械臂结构设计173
参考文献174

第6章机器人腕部机构175
6.1腕部的概念175
6.2腕部自由度与分类176
6.2.1腕部的自由度176
6.2.2腕部的分类177
6.3腕部典型结构182
6.3.1单自由度手腕182
6.3.2二自由度手腕182
6.3.3三自由度手腕184
6.4柔顺手腕机构设计185
6.4.1主动柔顺手腕185
6.4.2被动柔顺手腕186
6.5机器人末端执行器快换装置187
6.5.1机器人末端执行器快换装置的概念187
6.5.2机器人末端执行器快换系统的组成及工作原理187
6.5.3自动更换装置关键技术研究189
6.5.4机器人末端执行器快换装置设计实例191
6.6典型腕部机构设计实例194
6.6.1喷涂机器人手腕结构194
6.6.2热锻操作工业机器人手腕结构194
6.6.3时代工业机器人TIR6手腕结构195
6.6.4时代工业机器人TIR20手腕结构196
6.6.5KUKA KR30-3机器人手腕结构197
6.6.6FANUC ARC Mate100iC机器人手腕结构198
6.6.7Trallfa-4000型机器人的传动机构198
6.6.8单齿球面齿轮传动的柔顺手腕199
6.6.9全方位关节并联机构199
参考文献200

第7章机器人手部机构201
7.1机器人手部概述201
7.2机器人手部分类201
7.2.1按用途分类202
7.2.2按夹持原理分类202
7.3夹钳式手部机构205
7.3.1夹钳式手部组成205
7.3.2手指结构形式206
7.3.3夹钳式手部的传动机构208
7.3.4夹钳式手部机构驱动方式210
7.3.5夹钳式手部机构实例210
7.4气吸式手部机构211
7.4.1真空吸附式211
7.4.2气流负压气吸式212
7.4.3挤压排气负压气吸式212
7.5磁吸式手部机构212
7.6其他手部机构213
7.6.1挠性手部机构213
7.6.2类人手部机构214
7.6.3无驱动装置的手指类手部机构形式215
7.7典型手部机构设计实例217
7.7.1气动类人仿生机械手设计实例217
7.7.2电磁驱动机械手机构设计实例220
参考文献228

第8章机器人移动机构229
8.1机器人移动机构的概念229
8.2机器人移动机构的分类229
8.3第七轴移动机构229
8.3.1第七轴移动机构介绍229
8.3.2第七轴机构的特点230
8.3.3第七轴的形式与应用230
8.4车轮式移动机构230
8.4.1单轮移动机构230
8.4.2双轮移动机构236
8.4.3多轮移动机构237
8.5履带式移动机构242
8.6腿足式移动机构246
8.6.1两足机器人移动机构246
8.6.2四足机器人移动机构247
8.6.3六足机器人移动机构249
8.7复合移动机构251
8.7.1跳跃式机器人移动机构251
8.7.2软体移动机构251
8.8典型移动机构设计案例252
8.8.1轮式移动机器人案例252
8.8.2履带式机器人案例253
8.8.3双足步行机器人案例254
参考文献255

第9章机器人机构设计实例259
9.1八自由度喷涂机器人机械系统的设计259
9.1.1总体方案设计259
9.1.2机械结构设计263
9.1.3机械传动设计268
9.1.4驱动传动装置选型270
9.2八自由度喷涂机器人结构分析273
9.2.1机器人结构的强度、刚度与定位精度的关系274
9.2.2机器人结构的静力学特性分析275
9.2.3关键部件结构的模态分析282
9.3基于虚拟样机的机器人运动学与动力学仿真285
9.3.1机器人结构运动学分析285
9.3.2机器人结构的动力学分析290
9.3.3六自由度喷涂机器人结构的运动仿真分析293

参考文献300