2.2　机械结构系统

机器人的机械结构系统由机械构件和传动机构组成。

2.2.1　机械构件

机械构件由机身、手臂、末端执行器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若基座具备移动机构，则构成移动机器人；若基座不具备移动及腰转机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是焊枪、喷漆枪等作业工具。

移动机器人的移动机构形式主要有车轮式移动机构、履带式移动机构、腿足式移动机构。此外，还有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动机构和蛇行式移动机构等，适合于各种特别的场合。

（1）车轮式移动机构

车轮式移动机构可按车轮数来分类。

①两轮车　人们把非常简单、便宜的自行车或油轮摩托车用在机器人上的试验很早就进行了。但是人们很容易地就认识到油轮车的速度、倾斜等物理量精度不高，而进行机器人化，所需简单、便宜、可靠性高的传感器也很难获得。此外，两轮车制动时以及低速行走时也极不稳定。图2-2是装备有陀螺仪的油轮车。人们在驾驶两轮车时，依靠手的操作和重心的移动才能稳定地行驶，这种陀螺两轮车，把与车体倾斜成比例的力矩作用在轴系上，利用陀螺效应使车体稳定。

②三轮车　三轮移动机构是车轮型机器人的基本移动机构，其原理如图2-3所示。

图2-3（a）是后轮用两轮独立驱动，前轮用小脚轮构成的辅助轮组合而成。这种机构的特点是机构组成简单，而且旋转半径可从0到无限大，任意设定。但是它的旋转中心是在连接两驱动轴的连线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。

图2-3（b）中的前轮由操舵机构和驱动机构合并而成。与图2-2（a）相比，操舵和驱动的驱动器都集中在前轮部分，所以机构复杂，其旋转半径可以从0到无限大连续变化。

图2-3（c）是为避免图2-2（b）机构的缺点，通过差动齿轮进行驱动的方式。近来不再用差动齿轮，而采用左右轮分别独立驱动的方法。

③四轮车　四轮车的驱动机构和运动，基本上与三轮车相同。图2-4（a）是两轮独立驱动，前后带有辅助轮的方式。与图2-3（a）相比，当旋转半径为0时，由于能绕车体中心旋转，因此有利于在狭窄场所改变方向。图2-4（b）是汽车方式，适合于高速行走，稳定性好。

根据使用目的，还有使用六轮驱动车和车轮直径不同的轮胎车，也有的提出利用具有柔性机构车辆的方案。图2-5是火星探测用的小漫游车的例子，它的轮子可以根据地形上下调整高度，提高其稳定性，适合在火星表面运行。

④全方位移动车　前面的车轮式移动机构基本是二自由度的，因此不可能简单地实现车体任意的定位和定向。机器人的定位，用四轮构成的车可通过控制各轮的转向角来实现。全方位移动机构能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向移动。有些全方位车轮机构除具备全方位移动能力外，还可以像普通车辆那样改变机体方位。由于这种机构的灵活操控性能，特别适合于窄小空间（通道）中的移动作业。

图2-6是一种全轮偏转式全方位移动机构的传动原理图。行走电机M1从运转时，通过蜗杆蜗轮副5和锥齿轮副2带动车轮1转动。当转向电机M2运转时。通过另一对蜗杆蜗轮副6、齿轮副9带动车轮支架10适当偏转。当各车轮采取不同的偏转组合，并配以相应的车轮速度后，便能够实现如图2-7所示的不同移动方式。

应用更为广泛的全方位四轮移动机构采用一种称为麦卡纳姆轮（Mecanum weels）的新型车轮。图2-8（a）所示为麦卡纳姆车轮的外形，这种车轮由两部分组成，即主动的轮毂和沿轮毂外缘按一定方向均匀分布着的多个被动辊子。当车轮旋转时，轮芯相对于地面的速度v是轮毂速度vh与辊子滚动速度vr的合成，v与vh有一个偏离角θ，如图2-8（b）所示。由于每个车轮均有这个特点，经适当组合后就可以实现车体的全方位移动和原地转向运动，见图2-9。

（2）履带式移动机构

履带式机构称为无限轨道方式，其最大特征是将圆环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。利用履带可以缓冲路面状态，因此可以在各种路面条件下行走。

履带式移动机构与轮式移动机构相比，有如下特点。

①支承面积大，接地比压小。适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好。

②越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构。

③履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。

④结构复杂，重量大，运动惯性大，减振性能差，零件易损坏。

常见的履带传动机构有拖拉机、坦克等，这里介绍几种特殊的履带结构。

①卡特彼勒（Caterpillar）高架链轮履带机构　高架链轮履带机构是美国卡特彼勒公司开发的一种非等边三角形构形的履带机构，将驱动轮高置，并采用半刚性悬挂或弹件悬挂装置，如图2-10所示。

与传统的履带行走机构相比，高架链轮弹性悬挂行走机构具有以下特点。

a.将驱动轮高置，不仅隔离了外部传来的载荷，使所有载荷都由悬挂的摆动机构和枢轴吸收而不直接传给驱动链轮。驱动链轮只承受扭转载荷，而且使其远离地面环境，减少由于杂物带入而引起的链轮齿与链节间的磨损。

b.弹性悬挂行走机构能够保持更多的履带接触地面，使载荷均布。因此，同样机重情况下可以选用尺寸较小的零件。

c.弹性悬挂行走机构具有承载能力大，行走平稳，噪声小，离地间隙大和附着性好等优点，使机器在不牺牲稳定性的前提下，具有更高的机动灵活性，减少了由于履带打滑而导致的功率损失。

d.行走机构各零部件检修容易。

②形状可变履带机构　形状可变履带机构指履带的构形可以根据需要进行变化的机构。图2-11是一种形状可变履带的外形。它由两条形状可变的履带组成，分别由两个主电机驱动。当两履带速度相同时，实现前进或后退移动；当两履带速度不同时，整个机器实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的移动环境。

③位置可变履带机构　位置可变履带机构指履带相对于机体的位置可以发生改变的履带机构。这种位置的改变可以是一个自由度的，也可以是两个自由度的。图2-12所示为一种二自由度的变位履带移动机构。各履带能够绕机体的水平轴线和垂直轴线偏转，从而改变移动机构的整体构形。这种变位履带移动机构集履带机构与全方位轮式机构的优点于一身，当履带沿一个自由度变位时，用于爬越阶梯和跨越沟渠；当沿另一个自由度变位时，可实现车轮的全方位行走方式。

（3）腿足式移动机构

履带式移动机构虽可以在高低不平的地面上运动，但是它的适应性不强，行走时晃动较大，在软地面上行驶时效率低。根据调查，地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走。但是一般的多足动物却能在这些地方行动自如，显然足式移动机构在这样的环境下有独特的优势。

①足式移动机构对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带式移动机构必须面临最坏的地形上的几乎所有的点。

②足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳。

③足式行走机构在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。

现有的足式移动机器人的足数分别为单足、双足、三足和四足、六足、八足甚至更多。足的数目多，适合于重载和慢速运动。实际应用中，因双足和四足具有最好的适应性和灵活性，也最接近人类和动物，所以用得最多。图2-13是日本开发的仿人机器人ASI-MO，图2-14所示为机器狗。

（4）其他形式的移动机构

为了特殊的目的，人们还研发了各种各样的移动机构，例如壁面上吸附式移动机构，蛇形机构等。图2-15所示是能在壁面上爬行的机器人，其中图2-15（a）是用吸盘交互地吸附在壁面上来移动，图2-15（b）所示的滚子是磁铁，壁面一定是磁性材料才行。图2-16所示是蛇形机器人。

2.2.2　传动机构

传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人常用的传动机构有丝杠传动机构、齿轮传动机构、螺旋传动机构、皮带及链传动、连杆及凸轮传动等。

（1）丝杠传动

机器人传动用的丝杠具备结构紧凑、间隙小和传动效率高等特点。

①滚珠丝杠　滚珠丝杠的丝杠和螺母之间装了很多钢球，丝杠或螺母运动时钢球不断循环，运动得以传递。因此，即使丝杠的导程角很小，也能得到90％以上的传动效率。

滚珠丝杠可以把直线运动转换成回转运动，也可以把回转运动转换成直线运动。滚珠丝杠按钢球的循环方式分为钢球管外循环方式、靠螺母内部S状槽实现钢球循环的内循环方式和靠螺母上部导引板实现钢球循环的导引板方式，如图2-17所示。

由丝杠转数和导程得到的直线进给速度

v=60ln　　（2-1）

式（2-1）中，v为直线运动速度，m/s；l为丝杠的导程，m；n为丝杠的转速，r/min。

驱动力矩由式（2-2）和式（2-3）给出

式（2-2）中，Ta为回转运动变换到直线运动（正运动）时的驱动力矩，N·m；η1为正运动时的传动效率（0.9～0.95）。

式（2-3）中，Tb为直线运动变换到回转运动（逆运动）时的驱动力矩，N·m；η2为逆运动时的传动效率（0.9～0.95）；Fb为轴向载荷，N；l为丝杠的导程，m。

②行星轮式丝杠　目前已经开发了以高载荷和高刚性为目的的行星轮式丝杠。该丝杠多用于精密机床的高速进给，从高速性和高可靠性来看，也可用在大型机器人的传动，其原理如图2-18所示。螺母与丝杠轴之间有与丝杠轴啮合的行星轮，装有7～8套行星轮的系杆可在螺母内自由回转，行星轮的中部有与丝杠轴啮合的螺纹，其两侧有与内齿轮啮合的齿。将螺母固定，驱动丝杠轴，行星轮便边自转边相对于内齿轮公转，并使丝杠轴沿轴向移动。行星轮式丝杠具有承载能力大、刚度高和回转精度高等优点，由于采用了小螺距，因而丝杠定位精度也高。

（2）皮带传动与链传动

皮带和链传动用于传递平行轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的皮带和链传动分别通过皮带轮或链轮传递回转运动，有时还用来驱动平行轴之间的小齿轮。

①齿形带传动　如图2-19所示，齿形带的传动面上有与带轮啮合的梯形齿。齿形带传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用做动力传动外还适用于定位。齿形带采用氯丁橡胶做基材，并在中间加入玻璃纤维等伸缩刚性大的材料，齿面上覆盖耐磨性好的尼龙布。用于传递轻载荷的齿形带是用聚氨基甲酸酯（简称聚酯）制造的。齿的节距用包络带轮的圆节距p来表示，表示方法有模数法和英寸法。各种节距的齿形带有不同规格的宽度和长度。设主动轮和被动轮的转数为na和nb，齿数为za和zb，齿形带传动的传动比为

设圆节距为p，齿形带的平均速度为：v=zapna=zbpnb

齿形带的传动功率为：P=Fv

式中，P为传动功率，W；F为紧边张力，N；v为皮带速度，m/s。

齿形带传动属于低惯性传动，适合于马达和高速比减速器之间使用。皮带上面安上滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功能。因为它惯性小，且有一定的刚度，所以适合于高速运动的轻型滑座

②滚子链传动　滚子链传动属于比较完善的传动机构，由于噪声小，效率高，因此得到了广泛的应用。但是，高速运动时滚子与链轮之间的碰撞，产生较大的噪声和振动，只有在低速时才能得到满意的效果，即适合于低惯性载荷的关节传动。链轮齿数少，摩擦力会增加，要得到平稳运动，链轮的齿数应大于17，并尽量采用奇数个齿。

（3）齿轮传动机构

①齿轮的种类　齿轮靠均匀分布在轮边上的齿的直接接触来传递扭矩。通常，齿轮的角速度比和轴的相对位置都是固定的。因此，轮齿以接触柱面为节面，等间隔地分布在圆周上。随轴的相对位置和运动方向的不同，齿轮有多种类型，其中主要的类型如图2-20所示。

②各种齿轮的结构及特点

a.直齿圆柱齿轮　直齿圆柱齿轮是最常用的齿轮之一。通常，齿轮两齿啮合处的齿面之间存在间隙，称为齿隙（见图2-21）。为弥补齿轮制造误差和齿轮运动中温升引起的热膨胀的影响，要求齿轮传动有适当的齿隙，但频繁正反转的齿轮齿隙应限制在最小范围之内。齿隙可通过减小齿厚或拉大中心距来调整。无齿隙的齿轮啮合叫无齿隙啮合。

b.斜齿轮　如图2-22所示，斜齿轮的齿带有扭曲。它与直齿轮相比具有强度高、重叠系数大和噪声小等优点。斜齿轮传动时会产生轴向力，所以应采用止推轴承或成对地布置斜齿轮，见图2-23。

c.伞齿轮　伞齿轮用于传递相交轴之间的运动，以两轴相交点为顶点的两圆锥面为啮合面，见图2-24。齿向与节圆锥直母线一致的称直齿伞齿轮，齿向在节圆锥切平面内呈曲线的称弧齿伞齿轮。直齿伞齿轮用于节圆圆周速度低于5m/s的场合，弧齿伞齿轮用于节圆圆周速度大于5m/s或转速高于1000r/min的场合，还用在要求低速平滑回转的场合。

d.蜗轮蜗杆　蜗轮蜗杆传动装置由蜗杆和与蜗杆相啮合的蜗轮组成。蜗轮蜗杆能以大减速比传递垂直轴之间的运动。鼓形蜗轮用在大负荷和大重叠系数的场合。蜗轮蜗杆传动与其他齿轮传动相比具有噪声小、回转轻便和传动比大等优点，缺点是其齿隙比直齿轮和斜齿轮大，齿面之间摩擦大，因而传动效率低。

基于上述各种齿轮的特点，齿轮传动可分为如图2-25所示的类型。根据主动轴和被动轴之间的相对位置和转向可选用相应的类型。

③齿轮传动机构的速比

a.最优速比　输出力矩有限的原动机要在短时间内加速负载，要求其齿轮传动机构的速比为最优。原动机驱动惯性载荷，设其惯性矩分别为JN和JL，则最优速比Ua由式（2-4）表示：

b.传动级数及速比的分配　要求大速比时应采用多级传动。传动级数和速比的分配是根据齿轮的种类、结构和速比关系来确定的。通常的传动级数和速比关系如图2-26所示。

④行星齿轮减速器　行星齿轮减速器大体上分为S-C-P、3S（3K）、2S-C（2K-H）三类，结构如图2-27所示。

a.S-C-P（K-H-V）式行星齿轮减速器　S-C-P由齿轮、行星齿轮和行星齿轮支架组成。行星齿轮的中心和内齿轮中心之间有一定偏距，仅部分齿参加啮合。曲柄轴与输入轴相连，行星齿轮绕内齿轮，边公转边自转。行星齿轮公转一周时，行星齿轮反向自转的转数取决于行星齿轮和内齿轮之间的齿数差。

行星齿轮为输出轴时传动比为

式中，Zs为内齿轮（太阳齿轮）的齿数，Zp为行星齿轮的齿数。

b.3S式行星齿轮减速器　3S式减速器的行星齿轮与两个内齿轮同时啮合，还绕太阳齿轮（外齿轮）公转。两个内齿轮中，固定一个时另一个齿轮可以转动，并可与输出轴相连接。这种减速器的传动比取决于两个内齿轮的齿数差。

c.2S-C式行星齿轮减速器　2S-C式由两个太阳齿轮（外齿轮和内齿轮）、行星齿轮和支架组成。内齿轮和外齿轮之间夹着2～4个相同的行星齿轮，行星齿轮同时与外齿轮和内齿轮啮合。支架与各行星齿轮的中心相连接，行星齿轮公转时迫使支架绕中心轮轴回转。

上述行星齿轮机构中，若内齿轮Zs和行星齿轮的齿数Zp之差为1，可得到最大减速比i=1/Zp，但容易产生齿顶的相互干涉，这个问题可由下述方法解决：利用圆弧齿形或钢球；齿数差设计成2；行星齿轮采用可以弹性变形的薄椭圆状（谐波传动）。

（4）谐波传动机构

如图2-28所示，谐波传动机构由谐波发生器（图中1）、柔轮（图中2）和刚轮（图中3）三个基本部分组成。

①谐波发生器　谐波发生器是在椭圆型凸轮的外周嵌入薄壁轴承制成的部件。轴承内圈固定在凸轮上，外圈靠钢球发生弹性变形，一般与输入轴相连。

②柔轮　柔轮是杯状薄壁金属弹性体，杯口外圆切有齿，底部称柔轮底，用来与输出轴相连。

③刚轮　刚轮内圆有很多齿，齿数比柔轮多两个，一般固定在壳体。谐波发生器通常采用凸轮或偏心安装的轴承构成。刚轮为刚性齿轮，柔轮为能产生弹性变形的齿轮。当谐波发生器连续旋转时，产生的机械力使柔轮变形的过程形成了一条基本对称的和谐曲线。发生器波数表示发生器转一周时，柔轮某一点变形的循环次数。其工作原理是：当谐波发生器在柔轮内旋转时，迫使柔轮发生变形，同时进入或退出刚轮的齿间。在发生器的短轴方向，刚轮与柔轮的齿间处于啮入或啮出的过程，伴随着发生器的连续转动，齿间的啮合状态依次发生变化，即啮入-啮合-啮出-脱开-啮入的变化过程。这种错齿运动把输入运动变为输出的减速运动。

谐波传动速比的计算与行星传动速比计算一样。如果刚轮固定，谐波发生器ω1为输入，柔轮ω2为输出，则速比如果柔轮静止，谐波发生器为ω1为输入，刚轮ω3为输出，则速比。其中，zr为柔轮齿数；zg为刚轮齿数。

柔轮与刚轮的轮齿周节相等，齿数不等，一般取双波发生器的齿数差为2，三波发生器齿数差为3。双波发生器在柔轮变形时所产生的应力小，容易获得较大的传动比。三波发生器在柔轮变形所需要的径向力大，传动时偏心变小，适用于精密分度。通常推荐谐波传动最小齿数在齿数差为2时，zmin=150，齿数差为3时，zmin=225。

谐波传动的特点是结构简单、体积小、重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大，且具有高阻尼特性，但柔轮易疲劳、扭转刚度低，且易产生振动。

此外，也有采用液压静压波发生器和电磁波发生器的谐波传动机构，图2-29为采用液压静压波发生器的谐波传动示意图。凸轮1和柔轮2之间不直接接触，在凸轮1上的小孔3与柔轮内表面有大约0.1mm的间隙。高压油从小孔3喷出，使柔轮产生变形波，从而产生减速驱动谐波传动，因为油具有很好的冷却作用，能提高传动速度。此外还有利用电磁波原理波发生器的谐波传动机构。

谐波传动机构在机器人中已得到广泛应用。美国送到月球上的机器人,前苏联送上月球的移动式机器人“登月者”，德国大众汽车公司研制的Rohren、Gerot R30型机器人和法国雷诺公司研制的Vertical 80型等机器人都采用了谐波传动机构。

（5）连杆与凸轮传动

重复完成简单动作的搬运机器人（固定程序机器人）中广泛采用杆、连杆与凸轮机构。例如，从某位置抓取物体放在另一位置上的作业。连杆机构的特点是用简单的机构可得到较大的位移，而凸轮机构具有设计灵活、可靠性高和形式多样等特点。外凸轮机构是最常见的机构，它借助于弹簧可得到较好的高速性能。内凸轮驱动时要求有一定的间隙，其高速性能劣于前者。圆柱凸轮用于驱动摆杆，而摆杆在与凸轮回转方向平行的面内摆动。如图2-30、图2-31所示。