機器人機構設計及實例解析

姜金剛
博士，哈爾濱理工大學，副教授，博導，哈爾濱理工大學博士生導師、校青年拔尖創新人才、校青年五四獎章獲得者、
黑龍江省青年創新人才計劃入選者、省博士後青年英才計劃入選者、省技術創新方法研究會理事、
創新方法研究會教育專委會常務委員、國家自然科學基金同行評議專家。
在研科研項目5項、完成科研項目12項,發表論文48篇(其中被SCI收錄12篇、EI收錄34篇)，編寫教材2部、授權專利89項、
其中發明專利10項。目前在讀研究生8名，畢業碩士5名。
指導的碩士研究生9人次獲得國家獎學金，5人次獲得黑龍江省三好學生稱號。
作為指導教師指導學生獲得各類科技競賽一等獎9項、二等獎13項、三等獎6項，省級一等獎1項、二等獎3項。
主要研究領域為口腔修復機器人、教育機器人、仿生機器人、高壓靜電紡絲和TRIZ的相關理論和應用。
任2017年機械工程進展雜誌客座主編，國家自然科學基金同行評議專家，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檢索和機器人自動化學報, Recent Patents on Mechanical Engineering,

第1章概論1
1.1機器人的概念1
1.2機器人的發展歷史3
1.2.1古代機器人3
1.2.2近代機器人4
1.2.3現代機器人8
1.3機器人的分類11
1.3.1以應用領域進行分類11
1.3.2以運動方式進行分類16
1.3.3以使用空間進行分類20
1.3.4以編程和控制方式進行分類24
1.3.5以機械結構進行分類25
1.4機器人技術發展趨勢26
參考文獻27

第2章機器人機構總體設計29
2.1系統分析29
2.1.1機器人系統的功能29
2.1.2機器人系統的組成29
2.1.3機器人系統的分類31
2.2技術設計31
2.2.1基本參數確定31
2.2.2行走方式選擇33
2.2.3傳感器系統佈局37
2.2.4機械結構設計39
2.3仿真分析41
2.3.1運動學計算41
2.3.2動力學計算45
2.3.3運動空間分析48
參考文獻50

第3章機器人驅動機構51
3.1電機驅動51
3.1.1直流電機驅動方式53
3.1.2伺服電機驅動方式55
3.1.3步進電機驅動方式57
3.1.4直線電機驅動方式58
3.2液壓驅動60
3.2.1直線液壓驅動裝置61
3.2.2迴轉液壓驅動裝置62
3.2.3機器人中液壓驅動裝置的使用66
3.2.4液壓閥69
3.3氣動驅動72
3.3.1直線氣動驅動裝置73
3.3.2迴轉氣動驅動裝置75
3.3.3機器人中氣動驅動裝置的使用76
3.4新型驅動方式78
3.4.1磁致伸縮驅動78
3.4.2形狀記憶合金驅動80
3.4.3超聲波驅動83
3.4.4人工肌肉驅動84
3.4.5靜電驅動84
3.4.6壓電驅動85
3.4.7光驅動85
3.4.8聚合物驅動85
3.4.9響應水凝膠軟體機器人90
3.4.10其他機器人驅動方式91
參考文獻91

第4章機器人傳動機構98
4.1機器人傳動的基本概念98
4.1.1機器人的傳動機構98
4.1.2機器人中的機械傳動98
4.2齒輪傳動99
4.2.1齒輪的種類99
4.2.2各種齒輪結構及特點100
4.2.3齒輪傳動機構的速比105
4.2.4輪系傳動105
4.3絲槓傳動116
4.3.1普通絲槓傳動116
4.3.2滾珠絲槓傳動117
4.3.3行星輪式絲槓118
4.4帶傳動和鏈傳動118
4.4.1帶傳動118
4.4.2鏈傳動121
4.5繩傳動與鋼帶傳動124
4.5.1繩傳動124
4.5.2鋼帶傳動126
4.6連桿傳動126
4.6.1連杄機構及其傳動特點127
4.6.2平面四桿機構的類型和應用127
4.6.3平面四桿機構的基礎知識130
4.7凸輪傳動132
4.7.1凸輪的基本結構132
4.7.2凸輪的分類及特點132
4.8傳動機構的定位與消隙135
4.8.1傳動件的定位135
4.8.2傳動件的消隙136
4.9應用實例143
4.9.1仿生螃蟹機器人的傳動設計143
4.9.2自適應機械手的傳動設計145
4.9.3履帶機器人的傳動設計148
參考文獻148

第5章機器人機身與臂部機構151
5.1機器人機身與臂部定義151
5.2機身與臂部機構設計的關鍵問題151
5.2.1剛度因素151
5.2.2精度因素152
5.2.3平穩性因素152
5.2.4其他因素153
5.3機身結構基本形式與特點153
5.3.1圓柱坐標式機器人154
5.3.2球面坐標式機器人154
5.3.3關節坐標式機器人154
5.3.4直角坐標式機器人154
5.4臂部結構基本形式與特點155
5.4.1臂部典型機構155
5.4.2機器人臂部材料選擇159
5.5機器人平穩性與臂桿平衡方法160
5.5.1配重平衡160
5.5.2彈簧力平衡161
5.5.3氣缸平衡機構162
5.5.4機械臂重力平衡機構實例162
5.6典型臂部機構設計實例163
5.6.1採摘機械臂的結構設計163
5.6.21P2R前列腺活檢機器人機械臂結構設計164
5.6.3六自由度植牙手術機器人機械臂結構設計169
5.6.4一種鑿岩機器人機械臂結構設計170
5.6.5助老助殘輪椅用繩傳動機械臂結構設計171
5.6.6仿生機械臂結構設計172
5.6.7移栽機機械臂結構設計173
參考文獻174

第6章機器人腕部機構175
6.1腕部的概念175
6.2腕部自由度與分類176
6.2.1腕部的自由度176
6.2.2腕部的分類177
6.3腕部典型結構182
6.3.1單自由度手腕182
6.3.2二自由度手腕182
6.3.3三自由度手腕184
6.4柔順手腕機構設計185
6.4.1主動柔順手腕185
6.4.2被動柔順手腕186
6.5機器人末端執行器快換裝置187
6.5.1機器人末端執行器快換裝置的概念187
6.5.2機器人末端執行器快換系統的組成及工作原理187
6.5.3自動 換裝置關鍵技術研究189
6.5.4機器人末端執行器快換裝置設計實例191
6.6典型腕部機構設計實例194
6.6.1噴塗機器人手腕結構194
6.6.2熱鍛操作工業機器人手腕結構194
6.6.3時代工業機器人TIR6手腕結構195
6.6.4時代工業機器人TIR20手腕結構196
6.6.5KUKA KR30-3機器人手腕結構197
6.6.6FANUC ARC Mate100iC機器人手腕結構198
6.6.7Trallfa-4000型機器人的傳動機構198
6.6.8單齒球面齒輪傳動的柔順手腕199
6.6.9 關節並聯機構199
參考文獻200

第7章機器人手部機構201
7.1機器人手部概述201
7.2機器人手部分類201
7.2.1按用途分類202
7.2.2按夾持原理分類202
7.3夾鉗式手部機構205
7.3.1夾鉗式手部組成205
7.3.2手指結構形式206
7.3.3夾鉗式手部的傳動機構208
7.3.4夾鉗式手部機構驅動方式210
7.3.5夾鉗式手部機構實例210
7.4氣吸式手部機構211
7.4.1真空吸附式211
7.4.2氣流負壓氣吸式212
7.4.3擠壓排氣負壓氣吸式212
7.5磁吸式手部機構212
7.6其他手部機構213
7.6.1撓性手部機構213
7.6.2類人手部機構214
7.6.3無驅動裝置的手指類手部機構形式215
7.7典型手部機構設計實例217
7.7.1氣動類人仿生機械手設計實例217
7.7.2電磁驅動機械手機構設計實例220
參考文獻228

第8章機器人移動機構229
8.1機器人移動機構的概念229
8.2機器人移動機構的分類229
8.3第七軸移動機構229
8.3.1第七軸移動機構介紹229
8.3.2第七軸機構的特點230
8.3.3第七軸的形式與應用230
8.4車輪式移動機構230
8.4.1單輪移動機構230
8.4.2雙輪移動機構236
8.4.3多輪移動機構237
8.5履帶式移動機構242
8.6腿足式移動機構246
8.6.1兩足機器人移動機構246
8.6.2四足機器人移動機構247
8.6.3六足機器人移動機構249
8.7複合移動機構251
8.7.1跳躍式機器人移動機構251
8.7.2軟體移動機構251
8.8典型移動機構設計案例252
8.8.1輪式移動機器人案例252
8.8.2履帶式機器人案例253
8.8.3雙足步行機器人案例254
參考文獻255

第9章機器人機構設計實例259
9.1八自由度噴塗機器人機械系統的設計259
9.1.1總體方案設計259
9.1.2機械結構設計263
9.1.3機械傳動設計268
9.1.4驅動傳動裝置選型270
9.2八自由度噴塗機器人結構分析273
9.2.1機器人結構的強度、剛度與定位精度的關係274
9.2.2機器人結構的靜力學特性分析275
9.2.3關鍵部件結構的模態分析282
9.3基於虛擬樣機的機器人運動學與動力學仿真285
9.3.1機器人結構運動學分析285
9.3.2機器人結構的動力學分析290
9.3.3六自由度噴塗機器人結構的運動仿真分析293
參考文獻300