? § 4-6机身及行走机构设计
工业机器人机械结构有三大部分：机身、手臂 (包括手腕 )、手部。机身，又称为立柱。机器人必须有一个便于安装的基础件，这就是工业机器人的机座，机座往往与机身做成一体。假如工业机器人是移动式的，
那么还有一个行走机构。图 4-61表示了包括手部、手腕、手臂、机身、行走机构在内的一个工业机器人系统。
一、机身设计
机身是支承臂部的部件。一般实现升降、回转和仰俯等运动，常有 l至 3个自由度。机身设计时要注意下列问题：
(1)要有足够的刚度和稳定性；
(2)运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，
避免发生卡死现象，一般要有导向装置；
(3)结构布置要合理。
1.回转与升降机身
(1)回转运动采用摆动泊缸驱动，升降泊缸在下，
回转油缸在上。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方，
故活塞杆的尺寸要加大。
(2)回转运动采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，
升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。
(3)链轮传动机构
链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于 360。图 4-62所示为气动机器人采用活塞气缸和链条链轮传动机构，以实现机身的回转运动（见Ｋ向视图）。此外，也有用双杆活塞气缸驱动链轮回转的方式，如图 (b)所示。
通常机身具有回转、升降、回转与升降、
回转与俯仰、回转与升降以及俯仰共５种运动采取哪一种自由度形式由工业机器人的总体设计来定。比如，圆柱坐标式机器人把回转与升降２个自由度归属于机身；球坐标式机器人把回转与俯仰 2个自由度归属于机身；关节坐标式机器人把回转自由度归属于机身，直角坐标式机器人有时把升降 (Z轴 )，有时把水平移动 (X
轴 )一个自由度归属于机身。现介绍回转与升降机身、回转与俯仰机身设计中的一些问题。
2.回转与俯仰机身
机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞油 (气 )缸与连杆机构来实现的。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用饺链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，图 4-63所示。
此外还有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。
3.机身驱动力 (力矩 )计算
(1)垂直升降运动驱动力的计算。作垂直运动时，
除克服摩擦力 Fm之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等总重力以及升降运动的全部部仲惯性 1力，故其驱动力 Pq可按下式计算：
Pq=Fm+Fg土 W (4-18)
式中,Fm－各支承处的摩擦力（ N）；
Fg－启动时总惯性力（ N）；
W－运动部件的总重力（ N)；
土－上升时为正，下降时为负。
(2)回转运动驱动力矩的计算。回转运动驱动力矩只包括两项；回转部件的摩擦总力矩；身自身运动部件和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力矩，故驱动力矩归，可按下式算：
Ｍ q=Mm+Mg (4-19)
式中,Mm－总摩擦阻力矩 (N·m)；
Ｍ g－各回转运动部件总惯性力矩 (N·m)。
而
Ｍ g=J0
式中,－在升速或制动过程中角速度增量（ 1/s)；
－回转运动升速过程或制动过程的时间 (s)；
J0－全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量 (kg·mZ)，如果零件外廓尺寸不大，重心到回转轴线距离又远时，一般可按质点计算它对回转轴线的转动惯量。
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(3)升降立柱下降不卡死（不自锁）的条件计算。偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的总重量对机身立柱轴的静力矩。当手臂悬伸为最大行程时，其偏重力矩为最大。故偏重力矩应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算。
各零部件的重量可根据其结构形状、材料密度进行粗略计算，由于大多数零件采用对称形状的结构，其中心位置就在几何截面的几何中心上，故根据静力学原理可求出手臂总重量的重心位置距机身立柱轴的距离 L，亦称作偏重力臂，如图 4－ 64所示，其大小为式中,Gi－零部件及工件的重量 (N)；
Ｌ i－零部件及工件等的重心分别到机身立柱轴的距离 (m)。
则偏重力矩为
Ｍ＝ W*L (4-22)
式中：Ｗ－零部件及工件等的总重量（ N）。
手臂在总重量 l87的作用下,有一偏重力矩，而立柱支承导套产生阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响。如果偏重力矩过大，因为支承导套与立柱之间摩擦力过大，有“卡住”，现象，升降驱动力必须增大，相应驱动及传动装置结构就庞大。如果依靠自重而下降，那么可能立柱被卡死在导套内而不能作下降运动，这就是自锁。故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。根据升降立柱的平衡条件可知
二、行走机构设计
1.概述机器人可分成固定式和行走式两种。一般的工业机器人大多为固定式的。但随着海洋科学、原子能工业及宇窗空间事业的发展,移动机器人、自动行走机器人的应用也越来越多了。行走机构是行走机器人的重要执行部件,它由行走的驱动装置、传动机构、
位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身飞臂和手部,另一方面还根据工作任务的要求,带动机器人实现在广阔的空间内运动。
行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。无固定轨迹行走方式,按其行走机构的结构特点可分为轮式、履带式和步行式。它们在行走过程中，
前两者与地面为连续接触，后者为间断接触。前两者的形态为运行车式，后者则为类人（或动物）的腿脚式。运行车式行走机构用得比较多，多用于野外作业，
比较成熟。步行式行走机构正在发展和完善中。
2.固定轨道可移动机器人
该机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。除了这种直线驱动方式外，还有类似起重机梁行走方式等。这种可移动机器人主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，
立体化仓库中材料搬运，材料堆垛和储运，大面积喷涂等。
(3).无轨行走机器人
无轨行走机器人必须具备功能完备的外部传感器，
能对环境进行了解和判断，能对环境中发生的事件进行监视和反应，机器人具备自我规划能力，包括任务分解，任务排序，信息资源管理，以及几何规划等。
(1)KAMR0机器人。 KAMR0机器人是 Karkrube大学开发的自治式行走机器人，如图 4-65所示。该机器人用在柔性制造单元中进行工件搬运和装配作业，如图 4-66所示。 KAMRC机器人从材料储存系统中挑选所需的零件并把它搬运到装配站；零件准备好以后，两个机器人手臂在传感器系统监控下把零件装配成成品件；手部具有装配工作不可少的力和力矩传感器，以便测量装配过程中零件之间的碰撞和力；由视觉系统监视装配过程，即超声波传感器探测可能存在的障碍物，并避开障碍物寻找安全路径。
(2)MF3-E型机器人。德国为核事故处理队配备了一种机器人运载车，它是以一种固定式履带车 MF2为基础研制成功的新式底盘结构运载车。该车底盘的几何形状和尺寸是可变的，主要在室内使用，也可在野外工作。它有如下优点：
①小车适应各种地形，如山坡或峡谷中行驶,② 可以爬越坡度达,每层台阶高 24.5Cm的楼梯，而底盘构件没有任何倾斜；③由楼梯的平台面向下行驶时，
不会从楼梯上掉下来。
45
法国原子能委员会核防护与安全研究所也研制类似的履带行走机器人，进行核操作、核监督。 R0MAIN遥控行走机器人用来运送辐射性危险品，运载能力为 5kg，有 6个自由度，遥控操作可在
200m内进行，也可在水下 20m深的地方进行作业。我国北京强度环境研究所也研制了遥控排爆机器人 —— 啄术鸟 I型，
抓重为 10kg，有 3个自由度，最大爬坡为,自重为 112kg，臂上装有摄像机和拾音器，有 100m多芯电缆供电及信号输送。
30
(3)无缆水下机器人。我国“探索者”号无缆水下机器人在西沙群岛附近海域成功地潜到水下 1000m深处，整体功能和主要技术指标均达到国际 90年代先进的同类水下机器人水平。该机器人推进器行走，最大前进速度为 4节，续航能力为 6小时，主要从事水下工程、海洋石油及矿产资源开发、海洋科学考察及打捞救生等作业。
(4)其它。行走机器人的应用越来越多。日本推出了在医院里帮助护士减轻负担作为护士助手的服务机器人，家庭室内和庭院服务机器人。日本 Nagoya大学制作出不需电缆的管道微型移动器人，它可以由管道外的电磁线圈磁场来控制其运动，用于小尺寸管道检测和生物医学领域。还有的微型机器人在小管道内进行双向运动，是用振动其腿的办法来实现移动。
4.步行机器人
步行机器人是非常活跃的一个研究领域。轮式行走机器人在平地上行驶比较方便，履带式行走机器人可以在泥泞道路上和沙漠中行驶。而与人类腿十分相似的步行机器人具有它们无可比拟的优点，比如能上下楼梯、跨越沟渠和障碍、能上陡坡、立地转身等等。步行机器人可以根据足的多少来分类：
(1)二足步行机器人。图 4-67为哈尔滨工业大学所研制的二足步行机器人。该机器人二足共具有 10个自由度，由腰部、大腿、小腿和脚掌组成，愤部有前向、侧向关节各一对，膝部有前向关节一对，跺部有前向关节和侧向关节各一对。平行于 y轴的前向关节用来实现重心在前进方向上的运动。平行于 X轴的侧向关节用来实现重心的侧向运动。各关节由直流电机通过谐波减速器驱动，电机输出转矩为 41N·cm，
减速比 1,160，各电机轴配有测速机及光电码盘，用来检测各关节的角速度和角度。
(2)四足、六足及多足步行机器人。这类步行机器人是模仿动物行走的机器人。四足步行机器人除了关节式外，还有缩放式腿步行机构。
图 4-68所示为四足缩放式腿步行机器人在平地上行走的初始姿态，通常使机体与支撑面平行。
四足对称姿态比二足步行容易保持运动中的稳定,控制也容易些，运动过程是一腿抬起,三腿支撑机体向前移动。图 4-69所示：为六足缩放式腿步行机构原理，每腿有三个转动关节（ θ、
θ,θ）。行走时，三腿为一组，足端以相同位移移动，二组相差一定时间间隔进行移动，可以实现 xy平面内任意方向行走和原地转动。
工业机器人机械结构有三大部分：机身、手臂 (包括手腕 )、手部。机身，又称为立柱。机器人必须有一个便于安装的基础件，这就是工业机器人的机座，机座往往与机身做成一体。假如工业机器人是移动式的，
那么还有一个行走机构。图 4-61表示了包括手部、手腕、手臂、机身、行走机构在内的一个工业机器人系统。
一、机身设计
机身是支承臂部的部件。一般实现升降、回转和仰俯等运动，常有 l至 3个自由度。机身设计时要注意下列问题：
(1)要有足够的刚度和稳定性；
(2)运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，
避免发生卡死现象，一般要有导向装置；
(3)结构布置要合理。
1.回转与升降机身
(1)回转运动采用摆动泊缸驱动，升降泊缸在下，
回转油缸在上。因摆动缸安置在升降活塞杆的上方，
故活塞杆的尺寸要加大。
(2)回转运动采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，
升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。
(3)链轮传动机构
链条链轮传动是将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于 360。图 4-62所示为气动机器人采用活塞气缸和链条链轮传动机构，以实现机身的回转运动（见Ｋ向视图）。此外，也有用双杆活塞气缸驱动链轮回转的方式，如图 (b)所示。
通常机身具有回转、升降、回转与升降、
回转与俯仰、回转与升降以及俯仰共５种运动采取哪一种自由度形式由工业机器人的总体设计来定。比如，圆柱坐标式机器人把回转与升降２个自由度归属于机身；球坐标式机器人把回转与俯仰 2个自由度归属于机身；关节坐标式机器人把回转自由度归属于机身，直角坐标式机器人有时把升降 (Z轴 )，有时把水平移动 (X
轴 )一个自由度归属于机身。现介绍回转与升降机身、回转与俯仰机身设计中的一些问题。
2.回转与俯仰机身
机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞油 (气 )缸与连杆机构来实现的。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用饺链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，图 4-63所示。
此外还有采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。
3.机身驱动力 (力矩 )计算
(1)垂直升降运动驱动力的计算。作垂直运动时，
除克服摩擦力 Fm之外，还要克服机身自身运动部件的重力和其承受的手臂、手腕、手部、工件等总重力以及升降运动的全部部仲惯性 1力，故其驱动力 Pq可按下式计算：
Pq=Fm+Fg土 W (4-18)
式中,Fm－各支承处的摩擦力（ N）；
Fg－启动时总惯性力（ N）；
W－运动部件的总重力（ N)；
土－上升时为正，下降时为负。
(2)回转运动驱动力矩的计算。回转运动驱动力矩只包括两项；回转部件的摩擦总力矩；身自身运动部件和其携带的手臂、手腕、手部、工件等总惯性力矩，故驱动力矩归，可按下式算：
Ｍ q=Mm+Mg (4-19)
式中,Mm－总摩擦阻力矩 (N·m)；
Ｍ g－各回转运动部件总惯性力矩 (N·m)。
而
Ｍ g=J0
式中,－在升速或制动过程中角速度增量（ 1/s)；
－回转运动升速过程或制动过程的时间 (s)；
J0－全部回转零部件对机身回转轴的转动惯量 (kg·mZ)，如果零件外廓尺寸不大，重心到回转轴线距离又远时，一般可按质点计算它对回转轴线的转动惯量。
t /?
t?
(3)升降立柱下降不卡死（不自锁）的条件计算。偏重力矩是指臂部全部零部件与工件的总重量对机身立柱轴的静力矩。当手臂悬伸为最大行程时，其偏重力矩为最大。故偏重力矩应按悬伸最大行程、最大抓重时进行计算。
各零部件的重量可根据其结构形状、材料密度进行粗略计算，由于大多数零件采用对称形状的结构，其中心位置就在几何截面的几何中心上，故根据静力学原理可求出手臂总重量的重心位置距机身立柱轴的距离 L，亦称作偏重力臂，如图 4－ 64所示，其大小为式中,Gi－零部件及工件的重量 (N)；
Ｌ i－零部件及工件等的重心分别到机身立柱轴的距离 (m)。
则偏重力矩为
Ｍ＝ W*L (4-22)
式中：Ｗ－零部件及工件等的总重量（ N）。
手臂在总重量 l87的作用下,有一偏重力矩，而立柱支承导套产生阻止手臂倾斜的力矩，显然偏重力矩对升降运动的灵活性有很大影响。如果偏重力矩过大，因为支承导套与立柱之间摩擦力过大，有“卡住”，现象，升降驱动力必须增大，相应驱动及传动装置结构就庞大。如果依靠自重而下降，那么可能立柱被卡死在导套内而不能作下降运动，这就是自锁。故必须根据偏重力矩的大小决定立柱导套的长短。根据升降立柱的平衡条件可知
二、行走机构设计
1.概述机器人可分成固定式和行走式两种。一般的工业机器人大多为固定式的。但随着海洋科学、原子能工业及宇窗空间事业的发展,移动机器人、自动行走机器人的应用也越来越多了。行走机构是行走机器人的重要执行部件,它由行走的驱动装置、传动机构、
位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身飞臂和手部,另一方面还根据工作任务的要求,带动机器人实现在广阔的空间内运动。
行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人。无固定轨迹行走方式,按其行走机构的结构特点可分为轮式、履带式和步行式。它们在行走过程中，
前两者与地面为连续接触，后者为间断接触。前两者的形态为运行车式，后者则为类人（或动物）的腿脚式。运行车式行走机构用得比较多，多用于野外作业，
比较成熟。步行式行走机构正在发展和完善中。
2.固定轨道可移动机器人
该机器人机身底座安装在一个可移动的拖板座上，靠丝杠螺母驱动，整个机器人沿丝杠纵向移动。除了这种直线驱动方式外，还有类似起重机梁行走方式等。这种可移动机器人主要用在作业区域大的场合，比如大型设备装配，
立体化仓库中材料搬运，材料堆垛和储运，大面积喷涂等。
(3).无轨行走机器人
无轨行走机器人必须具备功能完备的外部传感器，
能对环境进行了解和判断，能对环境中发生的事件进行监视和反应，机器人具备自我规划能力，包括任务分解，任务排序，信息资源管理，以及几何规划等。
(1)KAMR0机器人。 KAMR0机器人是 Karkrube大学开发的自治式行走机器人，如图 4-65所示。该机器人用在柔性制造单元中进行工件搬运和装配作业，如图 4-66所示。 KAMRC机器人从材料储存系统中挑选所需的零件并把它搬运到装配站；零件准备好以后，两个机器人手臂在传感器系统监控下把零件装配成成品件；手部具有装配工作不可少的力和力矩传感器，以便测量装配过程中零件之间的碰撞和力；由视觉系统监视装配过程，即超声波传感器探测可能存在的障碍物，并避开障碍物寻找安全路径。
(2)MF3-E型机器人。德国为核事故处理队配备了一种机器人运载车，它是以一种固定式履带车 MF2为基础研制成功的新式底盘结构运载车。该车底盘的几何形状和尺寸是可变的，主要在室内使用，也可在野外工作。它有如下优点：
①小车适应各种地形，如山坡或峡谷中行驶,② 可以爬越坡度达,每层台阶高 24.5Cm的楼梯，而底盘构件没有任何倾斜；③由楼梯的平台面向下行驶时，
不会从楼梯上掉下来。
45
法国原子能委员会核防护与安全研究所也研制类似的履带行走机器人，进行核操作、核监督。 R0MAIN遥控行走机器人用来运送辐射性危险品，运载能力为 5kg，有 6个自由度，遥控操作可在
200m内进行，也可在水下 20m深的地方进行作业。我国北京强度环境研究所也研制了遥控排爆机器人 —— 啄术鸟 I型，
抓重为 10kg，有 3个自由度，最大爬坡为,自重为 112kg，臂上装有摄像机和拾音器，有 100m多芯电缆供电及信号输送。
30
(3)无缆水下机器人。我国“探索者”号无缆水下机器人在西沙群岛附近海域成功地潜到水下 1000m深处，整体功能和主要技术指标均达到国际 90年代先进的同类水下机器人水平。该机器人推进器行走，最大前进速度为 4节，续航能力为 6小时，主要从事水下工程、海洋石油及矿产资源开发、海洋科学考察及打捞救生等作业。
(4)其它。行走机器人的应用越来越多。日本推出了在医院里帮助护士减轻负担作为护士助手的服务机器人，家庭室内和庭院服务机器人。日本 Nagoya大学制作出不需电缆的管道微型移动器人，它可以由管道外的电磁线圈磁场来控制其运动，用于小尺寸管道检测和生物医学领域。还有的微型机器人在小管道内进行双向运动，是用振动其腿的办法来实现移动。
4.步行机器人
步行机器人是非常活跃的一个研究领域。轮式行走机器人在平地上行驶比较方便，履带式行走机器人可以在泥泞道路上和沙漠中行驶。而与人类腿十分相似的步行机器人具有它们无可比拟的优点，比如能上下楼梯、跨越沟渠和障碍、能上陡坡、立地转身等等。步行机器人可以根据足的多少来分类：
(1)二足步行机器人。图 4-67为哈尔滨工业大学所研制的二足步行机器人。该机器人二足共具有 10个自由度，由腰部、大腿、小腿和脚掌组成，愤部有前向、侧向关节各一对，膝部有前向关节一对，跺部有前向关节和侧向关节各一对。平行于 y轴的前向关节用来实现重心在前进方向上的运动。平行于 X轴的侧向关节用来实现重心的侧向运动。各关节由直流电机通过谐波减速器驱动，电机输出转矩为 41N·cm，
减速比 1,160，各电机轴配有测速机及光电码盘，用来检测各关节的角速度和角度。
(2)四足、六足及多足步行机器人。这类步行机器人是模仿动物行走的机器人。四足步行机器人除了关节式外，还有缩放式腿步行机构。
图 4-68所示为四足缩放式腿步行机器人在平地上行走的初始姿态，通常使机体与支撑面平行。
四足对称姿态比二足步行容易保持运动中的稳定,控制也容易些，运动过程是一腿抬起,三腿支撑机体向前移动。图 4-69所示：为六足缩放式腿步行机构原理，每腿有三个转动关节（ θ、
θ,θ）。行走时，三腿为一组，足端以相同位移移动，二组相差一定时间间隔进行移动，可以实现 xy平面内任意方向行走和原地转动。
