与通常的工业机器人手部相比，它的手指多于两个，常见的是三指或五指，而且手指上一般有关节，它的运动更为灵巧，具有更大的柔性。工件在手指内的定位精度直接影响到工业机器人系统的精度，因此在设计时应当着重考虑。......
2023-06-26
机器人的行走机构设计
【摘要】：运载机器人的行走车辆必须能够支持机器人的质量。图6-121三角轮系的机构图4）两足步行式机器人车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上行驶才有理想的运动特性。足式步行机构有两足、三足、四足、六足、八足等形式，其中两足步行机器人具有最好的适应性，也最接近人类，故也称为类人双足行走机器人。如图6-122所示，两足步行机器人行走机构是一空间连杆机构。两足步行机器人的动步行有效地利用了惯性力和重力。
机器人可分成固定式和行走式两种，一般工业机器人为固定式的。但是，随着海洋科学、原子能科学及宇宙空间事业的发展，可以预见，具有智能的可移动机器人、能够自行的柔性机器人肯定是今后机器人的发展方向。例如，美国研制的“火星探索者”轮式机器人已成功用于火星探测。
行走部分是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支撑机器人的机身、臂部和手部；另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。
1.对行走机器人的一般要求
工厂对机器人行走性能的基本要求是：机器人能够从一台机器旁边移动到另一台机器旁边，或者在一个需要焊接、喷涂或加工的物体周围移动。这样，就能使机器人在被加工工件的面前进行加工，而不再把工件送到机器人面前。这种行走性能也使机器人能更加灵活地从事更多的工作。在一项任务不忙的时候，它还能够去干另一项为它安排的工作，就好像真正的工人一样。
要使机器人能够在被加工物体周围移动或者从一个工作地点移动到另一个工作地点，首先需要机器人能够面对一个物体自行重新定位。同时，行走机器人应能够绕过其运行轨道上的障碍物。计算机视觉系统是提供上述能力的方法之一。
运载机器人的行走车辆必须能够支持机器人的质量。当机器人四处行走对物体进行加工的时候，移动车辆还需具有保持稳定的能力。这就意味着机器人本身既要平衡可能出现的不稳定力或力矩，又要有足够的强度和刚度，以承受可能施加于其上的力和力矩。为了满足这些要求，可以采用以下两种方法：一是增加机器人移动车辆的质量和刚性，二是进行实时计算和施加所需要的平衡力。由于前一种方法容易实现，所以它是目前改善机器人行走性能的常用方法。
机器人的移动要求在各个方面都具有很大的灵活性。如果像汽车那样采用四个轮子，其中两个作为导向轮，必然限制它移动的灵活性。所以，人们正在致力于研究适合于机器人使用的高机动性的轮系和悬挂系统。
图6-120 具有三组轮子的轮系
2.常用的行走机构
机器人的行走方式主要有三种：足式行走、履带式行走和轮式行走。轮式行走机构由滚动摩擦代替滑动摩擦，主要特点是效率高，适合在平坦的路面上移动，定位准确，而且质量较轻、制作简单。在各类机器人竞赛中，场地通常比较固定，路面状况良好，而且又对参赛机器人质量上有限制，所以轮式机器人可以发挥出它高效率的特点，在机器人竞赛中使用得最多。
1）由三组轮子组成的轮系
由三组轮子组成的轮系是由美国Unimation-stanford行走机器人课题研究小组设计研制的。它采用了三组轮子，呈等边三角形分布在机器人的下部，如图6-120所示。
在该轮系中，每组轮子由若干个滚轮组成。这些轮子能够在驱动电动机的带动下自由地转动，使机器人移动。驱动电动机控制系统既可以同时驱动所有三组轮子，也可以分别驱动其中两组轮子，这样，机器人就能够在任何方向上移动。该机器人行走部分设计得非常灵活，它不但可以在工厂地面上运动，而且能够沿小路行驶。存在的问题是机器人的稳定性不够，容易倾倒，而且运动稳定性随着负载轮子的相对位置不同而变化。在轮子与地面的接触点从一个滚轮移到另一个滚轮上的时候，还会出现颠簸。
为了改进该机器人的稳定性，Unimation-stanford研究小组重新设计了一种三轮机器人，改进设计的特点是使用长度不同的两种滚轮。长滚轮呈锥形，固定在短滚轮的凹槽里，这样可大大减小滚轮之间的间隙，减小轮子的厚度，提高机器人的稳定性。此外，滚轮上还附加了软胶皮，具有足够的变形能力，可使滚轮的接触点在相互替换时不发生颠簸。
2）具有四组轮子的轮系
具有四组轮子的轮系由于采用了四组轮子，运动稳定性有很大提高。但是，要保证四组轮子同时和地面接触，必须使用特殊的轮系悬挂系统。它需要四个驱动电动机，控制系统也比较复杂，造价也较高。
3）三角轮系统
三角轮系统是日本东京大学研制的一种机器人轮系，它所装备的机器人用于核电厂的自动检测和维修。该机器人除了采用三角轮系外，还具有一个传感器系统和一个计算机控制系统。该轮系使机器人不但能在地面上运动，而且还能爬楼梯，如图6-121所示。
图6-121 三角轮系的机构图
4）两足步行式机器人
车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上行驶才有理想的运动特性。如果地面凸凹程度和车轮直径相当或地面很软，则它的运动阻力将大增。足式步行机构有很大的适应性，尤其在有障碍物的通道（如管道、台阶或楼梯）上或很难接近的工作场地更有优越性。足式步行机构有两足、三足、四足、六足、八足等形式，其中两足步行机器人具有最好的适应性，也最接近人类，故也称为类人双足行走机器人。
类人双足行走机构是多自由度的控制系统，是现代控制理论很好的应用对象。这种机构除结构简单外，在静动行走性能、稳定性和高速运动方面，都是最困难的。如图6-122所示，两足步行机器人行走机构是一空间连杆机构。在行走过程中，行走机构始终满足静力学的静平衡条件，也就是机器人的重心始终落在支持地面的一脚上，如图6-123所示，这种行走方式是静步行。
两足步行机器人的动步行有效地利用了惯性力和重力。人的步行就是动步行，动步行的典型例子是踩高跷。高跷与地面只是单点接触，两根高跷在地面不动时站稳是非常困难的，要想原地停留，必须不断踏步，不能总是保持步行中的某种瞬间姿态。
图6-122 两足步行式行走机构原理图
图6-123 两足步行式行走机构的静步行
日本早稻田大学加藤研究室开发、日立公司制造的双足机器人的基本结构，它有效地采用了现代机械技术和计算机技术，人工配置了多种行走模式，这些模式储存在计算机的存储器内，以使机器人能像人一样以各种步态行走。
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