机器人工作站

第一篇：机器人工作站

运城学院 设计说明书

机器人工作站

学

院： 运城学院 团队名称：TENGFEI

专

业：机械设计制造及其自动化

团队成员： 任晓圆 张志凯 指导教师： 王新海

设计说明时间：二О一四年九月二十一日～十月三十一日

摘要

机器人工作站是当今世界工业发展潮流的方向与我国工业发展水平相结合的产物，在自动化生产逐渐普及的今天，能够为我国的工业自动化生产做出重大贡献的机器人工作站就出现了，该工作站由工业机器人和自动化流水线两大部分组成，可以实现360度全方位立体式工作。工业机器人通过精确地抓取零件，再通过高精度传感器的配合，将零件在加工台和流水线之间进行转移，克服手工操作的枯燥以及多目的地转移的危险，既降低了人力成本有提高了工作效率。关键词：智能机器人

Abstract Mobile robot workstation is the world's industrial development trend direction with the combination of the level of industrial development in our country, the growing popularity of the automated production today, will be able to make a significant contribution for our country's industrial automation production in mobile robot workstation, the workstation consists of two most industrial robots and automated assembly line, can achieve 360-degree vertical work.Industrial robot by scraping parts accurately, and then by high precision sensor, moving parts between the JiaGongTai and assembly line, to overcome the manual operation of boring and multi-destination transfer risk, is not only reduced labor costs to improve the working efficiency.Keywords: intelligent mobile robot

目录

第一章绪论.......................................................................................................................................1

1.1 智能机器人的行业发展前景...........................................................................................1 1.2 流水线行业的发展前景...................................................................................................1 1.3 本文主要研究的内容.......................................................................................................1 第二章机器人工作站简介...............................................................................................................2

2.1 机器人机械设计的特点...................................................................................................2 2.2 与机器人有关的概念.......................................................................................................2 2.3 方案设计...........................................................................................................................3 2.3.1 机器人设计方案要求...................................................................................................3 2.3.2机器人方案结构设计与分析........................................................................................4 2.4流水线方案设计与介绍....................................................................................................5 第三章有限元分析...........................................................................................................................7 材料属性...........................................................................................................................................8 第四章总结.......................................................................................................................................9 4.1 设计特色...................................................................................................................................9

4.2 总结...................................................................................................................................9 4.3心得体会............................................................................................................................9 参考文献.................................................................................................................................10

1第一章 绪论

1.1 智能机器人的行业发展前景

工业机器人是由传动机构、驱动结构以及夹具等部分组成。工业机器人可以通过底座，大臂、小臂和夹具的配合实现对流水线上的工件的夹取。从而实现工件在流水线和物料箱之间的转移。它可以大大的提高工作效率，提高工作的精确度，降低物料的损耗实现高效工作。随着我国制定机器人在2020年普及到工厂的计划，工业机器人必将迎来一个发展的春天，这将极大的提升我国工业化的水平。

1.2 流水线行业的发展前景

在社会快速发展、竞争激烈的今天，提高生产效率，降低生产工艺成本，最大限度的满足生产要求将直接决定各企业工厂能否紧跟社会脚步，赢得时间，占领市场甚至将决定企业的生死存亡。为此，企业生产自动化无疑扮演着重要的角色，装配流水线自动化作为工业自动化的一部分，能提高生产效率，降低工艺流程成本，最大限度的适应产品变化，提高产品质量，它是现代化生产控制系统中的重要组成部分。

1.3马大测试的发展前景

随着智能手机在全世界范围内的普及，智能手机已经成为了人们日常生活中必不可少的一个组成部分，而手机中的马达质量的好坏也就成为了人们对某一品牌的手机的质量好坏的重要的评价标准，所以对于手机中的马达的检测也就显得十分重要。

1.4 本文主要研究的内容

本文主要以工业机器人、马达测试工站和自动化流水线为对象进行研究，分析其结构，结合其工作原理，设计出新的自动化机器，并采用电器控制，结合实际生产，来完成相应的工作。同时，本文还研究本机器的运动情况及受力情况。以及效率问题等生产时遇到的问题。最重要的是研究其加工流程，以便实现其规定功能，并按实际情况进行分析。

第二章 马达自动化测试工作站简介

2.1 方案功能设计与分析

方案一 采用风车型马达测试箱布局

该方案占地面积小，可以充分利用车间的空间，但是技术要求高、成本高 方案二采用左右对称式马达测试箱布局 该方案占地面积大，可以放置的测试站数量少，不能充分利用工业机器人的高自由度的优点，效率比较低

方案三 采用环形阵列型马达测试箱分布

该方案占地面积小，可以充分利用工业机械手的高自由度的优势，效率高 经过对测试站的分布和工厂车间本身可用空间的分析，以及生产商对于设备成本的要求，我们觉定采用第三种设计方案。该方案可以充分利用工厂的空间，减少占地面积，还可以

2.2 与机器人有关的概念

以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。

1.自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。2.机器人的分类

机器人分类方法有多种。

(1)按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如:机器人在进行点焊时的轨迹控制。

（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。

(2)按机器人的结构分类，可分为四类：

（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。

（b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f(q, r, z),其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。

2（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐标，位置函数为P = f(q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。

（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。

(3)按驱动方式分类：

按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。(4)按用途分类：

可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。

2.3 方案设计

2.3.1 机器人设计方案要求

如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和日常生活中的持物、看护等。能够固定在移动装置（如AGV）上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度6个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动。

手腕回转速度

V腕回 = 40°/s 手臂伸缩速度

V臂伸 = 50 mm/s 手臂回转速度

V臂回 = 40°/s 手臂升降速度

V臂升 = 50 mm/s 立柱水平运动速度

V柱移 = 50 mm/s 手指夹紧油缸的运动速度

V夹 = 50 mm/s 2.3.2 方案功能设计与分析

a 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形

手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1。

本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有四个自由度，其中手臂两个自由度。由于在同样的体积条件下，非关节型机器人比关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用非关节型机器人的结构。

32.3.2机器人方案结构设计与分析

各部件组成和功能描述如下：(1)底座部件：

底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在流水线上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。(2)腰部回转部件：

腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂和小臂的电机。(3)大臂部件：包括大臂和传动部件。

(4)小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小 臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕运动的步进电机(5)手腕部件：包括手腕壳体和传动轴、机械接口等(6)末端执行器： 为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比较大，为0～30mm。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。手爪采用电机驱动，平行开合机构。

手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。设计时应考虑的几个问题 ①应具有足够的握力（即夹紧力）

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。②手指间应有一定的开闭角

两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。③应保证工件的准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带‘V’形面的手指，以便自动定心。④应具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。⑤应考虑被抓取对象的要求

应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的

4形状。

驱动力的计算

1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座 图1 滑槽杠杆式手部受力分析

如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即

∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα

销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得

P1′h=Nb 因

h=a/cosα

所以

P=2b(cosα)N/a 式中

a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。

α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。

22.4流水线方案设计与介绍

对于本课题来说，装配流水线系统是一个较大规模的工业控制系统的改造升级新控制装置需要根据企业装备和工艺现况来构成并尽可能用到旧系统中的元件。对于人机交互方式改造后系统的操作模式应尽量和改造前的相类似，以便于

5操作人员迅速掌握。从企业控制要求中可以看出在新的控制系统中既需要处理模拟量也要处理大量的开关量，系统的可靠性要高，人机交互界面友好，应具备数据的存储和分析汇总能力。

装配流水线是人和机器的有效组合，最充分体现设备的灵活性，它将输送系统、随行夹具和在线专机、检测设备有机的组合，以满足多品种产品的装配要求。（1）装配流水线的传输方式

装配流水线的传输方式有同步传输的（/强制式）也可以是非同步传输（/柔性式），根据配置的选择，实现手工装配或半自动装配。流水线在企业的批量生产中不可或缺。

（2）装配流水线的设计参数 高度1m

宽度0.5m 流水线载重30kg 流水线运行速度 6m/s 线体配置 ：日光灯

电风扇

120v的电源插座

线体控制箱 紧急制动器

（3）流水线结构分析

流水线受力分析

由上图可知流水线上的皮带受到工件箱的向下的压力和两个传动轮给它的牵引力

水平方向的力为F=F1+F2

垂直方向的力为F=G

因此，只有更好的应用和改进装配流水线的工艺流程，充分发挥其自动、连续、高效率等优势，我们企业的生产效率才能提升，才能增强我们企业的产品竞争力，才能更好的造福社会

6第三章 有限元分析

皮带有限元分析

滑杆有限元分析

7材料属性

模型参考 属性

名称: 铸造碳钢 模型类型: 线性弹性同向性 默认失败准则: 最大 von Mises应

力

屈服强度: 2.48168e+008

N/m^2

张力强度: 4.82549e+008

N/m^2

弹性模量: 2e+011 N/m^2 泊松比: 0.32

质量密度: 7800 kg/m^3 抗剪模量: 7.6e+010 N/m^2 热扩张系数: 1.2e-005 /Kelvin

零部件

SolidBody 1(切除-拉伸3)(1204滑杆)

曲线数据:N/A

8第四章 总结

4.1 设计特色

本次设计充分利用了工业机器人的灵活性和自动化流水线的高效性，减少了工作时间，提升了工作效率，降低了工作时的零件损耗率，实现了高精度，高效率，低成本的生产目标，可以为生产商节约大量的人力资源，降低了人力成本，提高利润率。

4.2 总结

本次设计目的是，实现小部分的自动化，减少劳动力，提高工作效率。本产品有着目前从国外新引进的科技，只有科技才能引领生产力的发展。但科技也是约束本产品的关键，本设计有很高的技术要求，能保证生产的精度要求。例如，打印时，利用了工业机器人和自动化流水线可以满足人们的要求。

另外本产品也有很好的生产发展空间，可用于各个大中型需要打印的车间成产线，因此，本产品用途广泛适用于大部分需要自动化生产的地方。例如：食品包装袋生产线，牛奶包装盒，铝纸包装印刷等。

除此之外本产品，不仅打破常规的生产方式，还开创了装配一体化生产，加快生产速度，提高生产效率，带来更多的利益

4.3心得体会

这次的设计对于我们来说既是一个机遇也是一个挑战，我们面临的的最大困难是

9对solidworks软件的使用非常的不熟练，由于刚接触这款软件我们在设计之初遇到了很多的问题，例如，对设计尺寸制定不规范，不会装配齿轮，对于动画的制作了解不深，这些问题使我们在设计开始时花了很长时间用来熟悉软件的基本使用。虽然，我们面临很多的困难，但我们通过查阅，《机械原理》、《机械设计》、《机械设计基础》等书逐步的了解了各种机构的运行原理，材料的使用条件，应力和应变的分析条件等知识，在这个过程中我们既学会了使用软件又巩固了所学的知识，而且还锻炼了自己的自学能力，俗话说师傅领进门修行在个人，一时的投机取巧只能解决面前的困难，要想真正学好一种技术永远要靠自己的勤奋努力，最后，感谢王老师给我们这次机会，可以使我们锻炼自己的能力，为我们打开一扇新的窗口。

参考文献

[1]陈周娟．机械原理．华中科技大学出版社，2014 [2]沈萌红．机械设计．华中科技大学出版社，2012 [3]杨克旺．机械制图．北京：高等教育出版社，2012 [4]杨家军，机械系统创新设计．武汉：华中理工大学出版社，2000 [5]郭友寒，机械设计基础及应用．北京：人民邮电出版社，2013

第二篇：焊接机器人工作站组成（最终版）

焊接机器人工作站是怎样组成？• 焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及• 软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝• 机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感• 器及其控制装置等。• 安川的焊接机器人工作站一般主要有工业机器人、焊接电源、辅助变位机、工装夹具、• 电气控制设备、安全防护栏等 6• 个部分组成。

第三篇：工业机器人柔性焊接工作站的技术方案设计细则。

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文中介绍了机器人柔性焊接工作站的技术方案以及关键部件变位机、智能搬运器、工件定位工装的设计。通过方案设计，解决了变位机定位精度要求高、控制系统与机器人的通讯、智能搬运器的取货动作、工件的快速定位卡紧等技术难题。

随着工业自动化的普及和发展，焊接变位机的应用也逐渐普及，主要是在汽车，电子，机械等领域的焊接,焊接变位机结合焊接机器人组成一个小型流水线可以更好地节约能源和提高生产效率。

1、技术方案

机器人柔性焊接工作站立足于一小型自动化流水线作业，能焊接长度在2.5米以下的各种工件，集自动上料、半自动定位装卡、自动焊接、自动卸货于一体。从而降低工人劳动强度，提高生产效率。为了达到总体设计要求，制定了满足要求的技术方案，该设备主要由工件定位工装、智能搬运器、变位机、构件周转架、码垛架、送料机构、电气及气动系统等构成一小型流水线，见图1。

主要流程：

1）上料机构把原材料输送到工位一； 2）人工辅助装卡定位；

3）变位机把装卡好的工件旋转到工位二； 4）机器人焊接位置1； 5）翻转轴翻转90度； 6）机器人焊接位置2； 7）翻转轴翻转180度； 深圳稻草人自动化培训www.xiexiebang.com

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8）机器人焊接位置3，工件焊接完成； 9）变位机把焊接完的工件旋转到工位一；

10）智能搬运器到工位1取货搬运到码货架。这样一个流程结束，其中，工位一装卡区和工位二焊接区同时进行，大大提高了焊接效率。

2、变位机的设计

变位机是机器人柔性焊接工作站的核心部件，主要由钢结构、旋转轴、翻转轴、导轨、快速卡环等组成，如图2。

各部分的主要功能： 1）钢结构为支撑部件；

2）旋转轴使工位一和工位二的位置互换，达到焊接、卸货和装卡目的；

3）两个翻转轴为工位1或工位2的变位，使得机器人在最有利于焊缝成型的位置焊接和工件装卡；

4）导轨作用是导向智能搬运器横移到变位机上取货； 5）快速卡环主要是焊接不同工件时快速更换工装。

机器人柔性焊接工作站焊接精度主要由变位机的精度确定，由于机器人柔性焊接工作站的焊接精度在0.5mm以内，即变位机直径为3.8米的转盘在旋转180度后的定位精度在0.5mm以内，翻转定位精度也要在0.5mm以内。为达到以上要求，传动采用伺服电机+复式活齿减速器，传动精度达到0.01mm。

3、智能搬运器的设计

智能搬运器主要由升降架，横移架、导向套、横移轮、伸缩叉臂等组成，通过三台电机的运行，实现能同时升降、横移、伸缩动作的功能，从而达到卸货目的，如图3。深圳稻草人自动化培训www.xiexiebang.com

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智能搬运器是机器人柔性焊接工作站实现流水作业的重要部件，主要作用是通过导轨把变位机上焊接完成的工件搬运到码货架，降低工人劳动强度，提高了码垛效率。

4、工件定位工装的设计

工件定位工装主要由工装支座、定位勾、定位架、气缸等组成，工装支座为通用型，根据不同工件更换不同的定位架安装在工装支座上，通过变位机快速卡环将整个工件定位工装与变位机连接；如图4。

为同时实现工件的定位卡紧，巧妙的利用气缸的伸缩动作，通过弹簧、拉钩，实现了工件的定位卡紧两个动作。通过变异，这一机构被广泛应用在其他工件的定位卡紧中。

5、控制系统设计

控制系统揉合了人机界面、伺服闭环驱动、PLC定位模块等主流自动化控制元件，精度得到了保证，操作更便利，维护更简单。深圳稻草人自动化培训www.xiexiebang.com

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6、结束语

本文通过对机器人柔性焊接工作站的方案设计以及重要部件变位机、智能搬运器、工件定位工装的设计分析，在控制系统设计过程中揉合了人机界面、伺服闭环驱动、PLC等主流自动化控制元件；并通过PLC与焊接机器人通讯，使得焊接变位机与焊接机器人无缝联接。解决了以下关键技术：

1）传动采用伺服电机+复式活齿减速器，解决了变位机定位精度的高要求； 2）解决了控制系统与机器人通讯问题； 3）解决了工件的快速定位卡紧；

机器人柔性焊接工作站的设计及投入使用，极大的提高生产效率，与人工焊接比较，效率提高了3倍多，并且大大降低了工人的劳动强度。

第四篇：机器人

机器人

爸爸，我作业写完了，可以玩电脑吗？可以。听完爸爸的这句话，我直奔向电脑，打开电脑。接下来又得要等1分钟左右，真烦人！我想：要是有电脑机器人该多好啊！20年后的我就能发明这种电脑机器人。

它有两根又细又长的天线；方方正正的脑袋；一双由摄象机组成的眼睛；三角形的大嘴巴；左侧的耳朵是一个手机；而右侧的耳朵是一台小巧玲珑、精致、精美的迷你收音机。它的肚子上有一台特制的电脑与键盘。

这种电脑机器人的是：它只要一打开它，屏幕上就会自动显示出桌面；而且耗电量少；可以节约电；它可以防止我们上不良网站、而且，它还可以防止病毒损坏电脑；它可以变得很大很大，也可以变得很小很小，随身带在身上。比如，某一家企业的总经理正在某个地方旅游，玩得正高兴，公司就像半路杀来的程咬金，给这位玩得正高兴的总经理泼了一盆子的冷水，如果这位总经理有电脑机器人的话，就不发愁了。

第五篇：机器人论文范文

机器人技术

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地面移动机器人行走机构

摘要：行走机构是移动机器人的重要组成部分，直接决定了移动机器人的地形适应能力和运动能力。本文着重介绍了地面移动机器人行走机构的发展现状以及最新应用、分析了各行走机构的优缺点，最后对行走机构的发展趋势做出了展望。关键词:移动机器人;行走机构；

Abstract：As an important part of mobile robot, the walking mechanism determines the terrain adaptability and sports ability of the robot.This paper introduces the development status of ground mobile robot as well as the latest application, analyzes on the advantages and disadvantages of the walking mechanism and finally prospects the development trend of the walking mechanism.Keywords: mobile robot;walking mechanism;

一、移动机器人发展概况

自1961年美国Unimation公司研制出世界上第一台往复式工业机器人以来, 其技术的发展就受到各国的重视，被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高技术之一。近些年来，随着计算机技术的不断发展，机器人技术也逐渐趋于成熟。机器人的发展主要分为三个阶段：包括第一代示教/再现(Teaching/Playback)机器人、第二代传感控制(Sensory controlled)机器人以及第三代智能(Intelligent)机器人。

图 1.1

目前绝大多数机器人的灵活性,只是就其能够“反复编程”而言,工作环境相对来说是固定的,所以一般人们称之为操作手(Manipulator)。随着科学技术的不断进步，各式各样的移动机器人逐渐进入到人们的日常生活中，在军事、工业、探险、医疗等领域发挥了重大作用。为了获得更大的独立性,人们要求机器人能

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够在一定范围内安全运动, 增强机器人对环境的适应能力。因此,近年来移动机器人特别是自主式移动机器人成为机器人研究领域的中心之一。

移动机器人按照工作环境来讲主要有地面、水下和空中三种。地面移动机器人是脱离人的直接控制,采用遥控、自主或半自主等方式在地面运动的物体.地面移动机器人的研究最早可追溯到五十年代初,美国Barrett Electronics公司研究开发出世界第一台自动引导车辆系统。由于当时电子领域尚处于晶体管时代,该车功能有限,仅在特定小范围运动,目的是提高运输自动化水平。到了六、七十年代,美国仙童公司研制出集成电路,随后出现集成微处理器,为控制电路小型化奠定了硬件基础。到了八十年代,国外掀起了智能机器人研究热潮,其中具有广阔应用前景和军事价值的移动机器人受到西方各国的普遍关注。时至今日,各种类型的地面移动机器人纷纷研制出来,其应用范围从民用、工业用到军用,涉及人类活动的方方面面。

图 1.2

二、地面移动机器人行走机构分类及特点

地面移动机器人行走机构按照结构形式可以分为轮式、履带式、足式、跳跃式、蠕动爬行式和复合式行走机构。

2.1 轮式行走机构

轮式机器人由于其较高的运动速度，在平坦的环境中具有独特的优越性，因此，国内外学者在轮式机器人方面也进行了大量的研究。轮式行走机构主要分为单轮、双轮和多轮行走机构，其中双轮行走机构又分为自行车式和左右对称布置式。

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单轮滚动机器人的典型代表是美国卡耐基梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover，如图2.1所示。Gyrover是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人。它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理,具有很强的机动性和灵活性。单轮行走机构具有结构紧凑，运动灵活和地形适应能力强等优点，其缺点是不易控制。

图 2.1 自行车机器人是机器人学术界提出的一种全新的智能运输(或交通)工具的概念,由于其车体窄小、可作小半径回转、运动灵活、结构简单,因此可在灾难救援、森林作业中得到广泛应用。但到目前,仍处于理论探讨和初步的实验研究阶段。左右对称布置的两轮移动机器人左右轮分别由一个电机驱动,依靠差速实现转向,转向灵活。两轮行走机构简单，主要缺点是在静止和低速时非常不稳定。美国Segway公司的Dean Kamen发明了世界上第一部可以载人的两轮移动小车，它的出现代表了两轮移动机器人技术在实用方面的一个突破。现在已经应用在多个领域，如图2.2。

图 2.2

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轮式移动机器人中最常见的机构就是三轮及四轮移动机器人。三轮及四轮移动机器人平台现在已经具有比较成熟的技术。当在平整地面上行走时,这种机器人是最合适的选择。其优点是速度快、效率高、运动噪声低；但是越障能力、地形适应能力差、转弯效率低，或转弯半径大。图2.3是不同结构形式轮式机器人性能比较。

图 2.3 2.2 履带式行走机构

履带式行走机构按照履带的结构形式可以分为单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式和自重构式。

单节双履带式以由美国白特尔公司(Battelle)开发的ROCOMP机动平台和北京京金吾高科技公司开发的JW902(第5代)排爆机器人为代表。该行走机构结构较为简单，很难实现复位。国外开发的多为双节双履带式移动机器人，因为此种移动机器人与单节式相比较，越障功能更优。东华大学毛立民教授研制的高度可调的自主变位履带式管道机器人现已申请专利。美国福斯特—米勒公司开发的第4页

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履带式“鹰爪”无人作战平台也是该种机器人的典型代表。多节多履带式以我国自行生产的“灵蜥-B”型排爆机器人和美国Vecan公司日前准备研发新一代战场救援机器人Vecna BEAR为代表。山东科技大学提出的一种可变形履带机器人，主要由1个躯体部分、4个折叠臂、4个履带体所组成，其中每一个履带体都通过一个折叠臂和机器人的躯体相联。哈尔滨工业大学机器人研究所研制的模块化可重构履带式微小型机器人，单个机器人可以独立运行，多个机器人可以重构成链型和环形机器人。

履带式行走机构具有以下优点：

 支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，越野机动性能好。

 转向半径极小，可以实现原地转向。

 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。

 具有良好的自复位和越障能力。又称临场感,它是指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度。

履带式行走机构仍面临许多待解决的问题：

 有些履带式移动机器人的体积和重量太大，应适当缩小机器人的体积，减轻机器人的重量。

 对地面的适应性和稳定性需要得到进一步的提高。 履带式行走机构能源利用率较低，转向较慢。

2.3 足式行走机构

足式行走机构分为两足、四足、六足和多足机器人，其中多足行走机构和六足行走机器人类似，因此本文不在加以赘述。

两足机器人目前首推美国波士顿动力公司为美军研制的最先进人形机器人“阿特拉斯”（图 2.4）。两足行走机构能耗低，能够适应各种地面并且具有较强的越障能力，在恶劣的地形时运动较为灵活，机动性较好。但是其动力学特性非常复杂，具有多变量、强耦合、非线性和变结构等特点。

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图 2.4

四足机器人研究的代表是日本东京工业大学的広濑·福田机器人研究实验室。从80年开始至今已研制出3个系列12款四足机器人。美国的四足机的典型代表是卡耐基梅隆大学的波士顿动力实验室研制的BigDog和LittleDog。山东大学成功研制出国内首台“大狗”机器人，最大负载达到120kg,在负载50kg的前提下可以实现最大速度达1.4m/s,突破了仿生机构、高功率密度液压驱动、环境感知、仿生步态规划、状态感知与动态控制、关键单元与系统测试等关键技术。

四足行走机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，既能以静态步行方式实现慢速行走，又能以动态方式实现高速行走。主要存在的问题是由于控制策略导致有时会由于惯性、脚力失衡等因素导致机器人失稳。

当前研究的六足机器人以美国的ATHLETE(全地形六足地外探测器)机器人和仿生蟹为代表。当在水平表面上时，ATHLETE机器人的车轮可加快行进速度；当遇到复杂的地形时，其灵活的6个爪子可以应付各种地形。

2.4 跳跃式行走机构

跳跃机器人可以越过数倍甚至数十倍自身尺寸的障碍物，具有极强的越障能力及爆发力但是较难控制，运动稳定性较差。目前跳跃式机器人研究机构较少，但已有一些研究成果。圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的斯普利特博士(Dr Barry Spletzer)设计的跳跃机器人,利用一个内燃机推动活塞来跳跃。日本东京工业大学北川实验室研究的小型跳跃机器人,该机器人主要是由两个半球体和一个小气缸组成,靠着球体滚动和气缸跳跃。国内东南大学日前研制出了一种新型具有弹跳功能的翻滚式机器人Tumbot（图2.5）,利用齿轮组中的缺齿

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轮来瞬间释放储存的弹性势能，并且可以利用翻转臂的旋转实现机器人的翻滚运动并可以翻越较小的障碍物，具有一定的平稳性和抗冲击性。

图2.5 Tumbot

2.5 蠕动爬行式行走机构

蠕动爬行式机器人主要以蛇形机器人为主。蛇形机器人具有极强的地形适应能力，能够适应各种复杂地形，但是由于其控制较为复杂，目前尚处于研究阶段。

2.6 复合式行走机构

在某些工况下，无论是轮式、腿式还是履带式都不能完全满足人们在某一方面的需要，因此人们往往将上述的两种或几种机构组合成复合式结构。目前，复合式移动机器人主要有轮履式、轮腿式、轮履腿式等，通过将不同的行走方式加以结合，从而满足机器人设计高性能的要求。复合式行走机构具有出色的地形适应能力、越障能力和稳定的动态性能，除跳跃式复合式行走机构尚处于实验阶段，其余复合式行走机构的研究已经较为成熟，目前已经大量用于军用机器人。

三、结语

行走机构是移动机器人的重要组成部分，直接绝对了移动机器人的地形适应能力和运动能力。随着对移动机器人尤其是特种机器人性能的要求不断提高，移动机器人行走机构必将经历一段快速的发展时期，主要向着两个方面发展。一是复合行走机构的不断改进和创新；一是新型行走机构如全向轮、足式、蠕动爬行式以及跳跃式等行走机构的进一步发展和完善。

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