机器人机构设计及实例解析

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