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繫統分析29

2.1.1機器人繫統的功能29

2.1.2機器人繫統的組成29

2.1.3機器人繫統的分類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傳感器繫統布局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回轉液壓驅動裝置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回轉氣動驅動裝置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輪繫傳動105

4.3絲杠傳動116

4.3.1普通絲杠傳動116

4.3.2滾珠絲杠傳動117

4.3.3行星輪式絲杠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連杆傳動126

4.6.1連杄機構及其傳動特點127

4.6.2平面四杆機構的類型和應用127

4.6.3平面四杆機構的基礎知識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機器人平穩性與臂杆平衡方法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采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繫統的組成及工作原理187

6.5.3自動更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全方位關節並聯機構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復合移動機構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繫統的設計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繫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

機器人技術是集機械、電子、控制及計算機等多個學科的綜合技術。機器人作為“制造業皇冠的明珠”，是一個國家高端制造業水平的標志。隨著我國科技水平的迅速發展，機器人的應用越來越廣泛，工業生產、日常生活、教育娛樂、海洋探測、航空航天、醫療等領域均能看到機器人的身影。

機器人機構是機器人的重要組成部分，涉及傳感機構、控制機構、傳動機構和執行機構幾大部分，不同機構的組合可以實現機器人的不同功能。近年來，隨著機器人技術的快速發展，機器人機構的復雜程度也不斷提升，出現了很多新型的驅動方式以及不同形式的執行機構。本書通過理論講解與實例解析相結合的方式，詳細介紹了機器人機構設計的過程和要點。

第1章概論，主要對機器人的概念、發展歷史、分類、技術參數和發展趨勢進行概要介紹；

第2章機器人機構總體設計，主要從繫統分析、技術設計和仿真分析等進行宏觀分析；

第3章機器人驅動機構，主要從電機驅動、液壓驅動、氣動驅動、新型驅動方式等驅動方式進行闡述分析；

第4章機器人傳動機構，介紹了機器人傳動的基本概念、齒輪傳動、絲杠傳動、帶傳動和鏈傳動、繩傳動與鋼帶傳動、連杆傳動和凸輪傳動，分析了傳動機構的定位與消隙方法，並對典型傳動結構設計進行了實例解析；

第5章機器人機身與臂部機構，介紹了機器人機身與臂部的定義、機身與臂部機構設計的關鍵問題、機身與臂部結構基本形式與特點、機器人平穩性與臂杆平衡方法，並利用多個設計實例進行了設計實踐；

第6章機器人腕部機構，從腕部自由度與分類、腕部典型結構、柔順手腕機構設計、機器人末端執行器快換裝置等方面進行了具體闡述，並通過實例對機器人腕部機構設計過程進行了解析；

第7章機器人手部機構，從機器人手部分類、夾鉗式手部機構、氣吸式手部機構、磁吸式手部機構、其他手部機構等方面進行了具體闡述，並通過實例對機器人手部機構設計過程進行了解析；

第8章機器人移動機構，從機器人移動機構的分類、第七軸移動機構、車輪式移動機構、履帶式移動機構、腿足式移動機構、復合移動機構和典型移動機構設計實例等方面進行了重點講述；

第9章機器人機構設計實例，精選了3個實例，對機器人機構設計方法做了綜合解析。

本書內容清晰，繫統性強，可以為從事機器人設計與研發的科研人員、技術人員提供幫助，也可供高校相關專業的師生學習參考。

本書由哈爾濱理工大學姜金剛、王開瑞、趙燕江、吳殿昊編著。特別感謝第9章設計案例的提供者華南理工大學周恩德。研究生姚亮、郭亞峰、曾陽、譚棋勻、孫洋、劉天麒、左暉、郭宇航、胡孝農、劉思楠、李風瀟、張新然、李猛等參與了本書的文稿處理工作，在此表示衷心的感謝！

雖然筆者已經在機器人領域從事研究工作十餘年，但受經驗和水平所限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正！



編著者