机器人机械结构及其设计
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机器人的机械结构设计与控制
机器人的机械结构设计与控制近年来，随着计算机技术的迅猛发展，机器人技术也得到了快速发展。
机器人在工业、服务等领域已经广泛应用。
机器人的机械结构设计及控制是机器人技术中至关重要的一环。
一、机器人的机械结构设计机器人的机械结构设计是机器人技术中的重要环节。
机器人机械结构设计分为传动系统、运动系统、载荷系统和外壳。
1. 传动系统：传动系统是机器人最主要的系统之一。
传动系统的选择直接影响机械臂的运动能力和稳定性。
传动系统的种类有很多，如传统的连杆式、拉杆式，以及新型的线性电机、气动驱动等。
传统的连杆式结构相对来说比较简单，易于制造和维护。
而线性电机和气动系统的优点是结构紧凑，能够实现高速运动，但也有一定的使用限制。
2. 运动系统：机器人的运动系统主要有关节轴和直轴两种构造形式。
关节轴机器人是将扭转类型的电机安装在机械臂的关节处，通过传动系统来实现机械臂的运动。
关节轴机器人具备高精度的重复性和灵活性，可以完成复杂的任务。
直轴机器人相对于关节轴机器人来说，结构更加紧凑，更适合于一些空间较小的场合。
3. 载荷系统：载荷系统是机器人主要的功能之一。
机器人的载荷系统一般通过机械臂来实现。
机器人的载荷能力是机器人的设计参数之一，可以根据用户的需求和结构的限制来进行设计。
高强度和轻量化是机器人的常见设计要求。
4. 外壳：机器人的外壳主要是用来保护机器人的内部设备和提供美观性。
对于一些特殊的场合，还需要增加机器人的防护能力。
外壳的结构要求轻量化、美观、寿命长。
二、机器人的控制机器人的控制是机器人技术中的重要一环。
机器人控制分为硬件控制和软件控制两个部分。
1. 硬件控制：机器人的硬件控制包括机器人的主控板、电机、传感器等。
主控板是核心控制单元，它通过与其他硬件设备的连接，实现机器人的控制。
电机是机器人的动力来源，不同种类的电机适用于不同的机器人。
传感器是机器人信息采集的必要设备，主要用于确定机器人的位置、动作和环境。
2. 软件控制：机器人的软件控制主要包括机器人动作控制程序和视觉识别程序两个部分。
机器人机械臂的结构设计和优化
机器人机械臂的结构设计和优化机器人机械臂是现代工业领域的重要组成部分，其作业效率和质量直接关系到生产线的稳定性和产品的品质。
机器人机械臂的结构设计和优化，对提高生产效率、降低成本和保障工人生命安全具有重要意义。
本文将结合实际案例，从机器人机械臂的结构、控制、传感器等方面，探讨机械臂结构设计和优化的技术原则和实践方法。
一、机械臂结构设计的原则和方法机器人机械臂的结构设计，需要考虑机械臂的操作范围、受力情况、负载能力、稳定性、精度等因素。
其中，机械臂的负载能力和稳定性是构成机械臂的力学结构和材料选择的关键因素。
因此，机械臂结构设计的基本原则是：合理设计力学结构，充分发挥材料的性能，从而确保机械臂的稳定性和负载能力。
机械臂的结构设计需要从以下几个方面考虑：1、力学结构设计力学结构设计的目的是为了充分利用材料的性能，并且保证机械臂在负载条件下不会失效或出现安全隐患。
力学结构设计需要考虑机械臂的材料和工作条件，并根据受力情况设计力学结构。
例如，对于需要承受大负载的机械臂，可以采用拱形结构或三角形结构，保证机械臂在负载条件下的稳定性和负载能力。
2、材料选择机械臂的材料选择需要根据机械臂的负载条件、工作环境、运动速度、精度等因素考虑。
一般来说，强度高、刚度大、疲劳寿命长、热膨胀系数小的材料比较适合机械臂的结构设计。
目前，机械臂的常用材料包括铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维等。
3、齿轮传动设计机械臂的齿轮传动设计是机械臂的重要部分，其作用是传递机械臂的动力和转矩。
齿轮传动设计需要根据机械臂的负载条件、工作环境、运动速度、精度等因素考虑。
齿轮传动的失效和噪音是机械臂长期使用中需要特别注意的问题，需要通过优化设计和选材来解决。
二、机械臂控制和传感器技术机械臂控制技术是机械臂工作的关键。
传统的机械臂控制方式主要是开环控制，即通过预设的运动轨迹实现机械臂的动作。
现代机械臂一般采用闭环控制方式，即通过传感器检测机械臂的位置、速度和力矩等参数，实现机械臂的精确控制。
工业机器人机械结构模块化设计
工业机器人机械结构模块化设计工业机器人的机械结构模块化设计是指将其机械结构分为若干个模块，每个模块具有独立的功能和特点，并能够相互组装和拆卸，以适应不同的工作环境和任务要求。
其目的是提高机器人的灵活性、可扩展性和可维修性，同时降低设计和制造成本。
模块化设计一般包括机器人的基座、臂架、关节、手爪等部分。
基座是机器人的底座或平台，用于支撑机器人的其他部件。
臂架是机器人的运动部分，可以通过关节连接进行伸缩和旋转，实现机器人的多自由度运动。
关节是连接臂架和基座的枢纽部件，允许机器人进行多轴关节运动。
手爪是机器人的末端执行器，用于捕捉或操纵物体。
在实际设计中，可以根据不同的工作需求和任务特点将机器人的机械结构划分为几个模块。
每个模块都具有独立的结构和功能，可以进行自主设计和制造。
同时，这些模块之间应具有一定的标准接口和连接方式，以方便组装和更换。
模块化设计的一个重要优势是可以根据具体任务的需要对机器人的结构进行快速定制和扩展。
例如，如果一些任务需要机器人具有更大的工作范围和精度，可以通过增加臂架或关节的数量来实现。
如果需要机器人具有更强的抓取能力，可以根据任务需求更换不同类型的手爪。
另一个优势是模块化设计可以简化机器人的维修和维护工作。
由于机器人的各个模块相对独立，当一些模块发生故障或需要维修时，只需要更换或修复该模块，而不会影响其他部分的正常运行。
这大大减少了维修时间和成本。
此外，模块化设计还可以降低机器人的制造成本。
由于机器人的各个模块可以根据不同的需求进行重新组合和配置，可以实现多样化、灵活化的生产。
这样可以有效降低生产线的设备投资和维护成本。
同时，模块化设计还有利于机器人的标准化生产和批量生产，提高了生产效率和产品质量。
总之，工业机器人的机械结构模块化设计可以提高机器人的灵活性、可扩展性和可维修性，降低设计和制造成本。
它是实现机器人个性化定制和智能制造的重要手段，对于推动工业4.0的发展具有重要意义。
机器人学_第2章_机器人机械结构
• 电机M3→两级同步带传动B3、B3′→减速器R3→肘关节摆动 n3
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
29
腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
30
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
44
1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
45
2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕
– 肩关节的摆动：
• 电机M2→同步带传动B2→减速器R2→肩关节摆动n2
29
腕部俯仰
关节型机器人传动 系统图：
肘关节摆动
肩关节的摆动
腕部的旋转
30
腕部旋转局部图例：
电机M5→减速器R5→链轮 副 C5→锥齿轮副G5→旋转运动n5
上料道与下料道分 别设在机床的两侧， 双臂能同时动作， 两臂同步沿横梁移 动，缩短辅助时间
b.双臂交叉配置，
两臂轴线交于机床 的中心，两臂交错 伸缩进行上下料， 并同时沿横梁移动
c.双臂交叉配置，
悬伸梁式，横梁长 度较a,b短，双臂位 于横梁的同一侧
5
(2).双臂悬挂式（b）
双臂回转型，双 臂交叉且绕同轴 回转，分别负责 上下料（主要是 盘状零件），只 需一个动力源， 结构紧凑，动作 范围大
第2章 机器人的机械结构
2.1 机身和臂部 2.2 腕部和手部结构 2.3 传动部件设计
1
2.1 机身和臂部
• 一.机身和臂部的作用
• 机身是直接连接支承传动手臂和行走机 构的部件，机身可以是固定的，也可以 是行走式的
• 手臂部件用来支承腕部（关节）和手部 （包括工件和工具），并带动它们在空 间运动
• 远距离传动手腕：
–有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装 置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕 的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现 三个自由度的运动。
44
1）液压直接驱动BBR手腕图例：
回转 R
俯仰 B
偏转 B
45
2）. 单回转腕部 结构示例
46
3）双回转油缸驱动手腕
六自由度机器人结构设计
六自由度机器人结构设计六自由度机器人是一种具有六个独立自由度的机器人系统，允许其在六个不同的方向上进行平移和旋转运动。
这种机器人系统被广泛应用于工业自动化、医疗、航天航空等领域。
在设计六自由度机器人结构时，需要考虑机器人的运动灵活性、精度和稳定性等因素。
本文将探讨六自由度机器人的结构设计。
1.机械结构设计六自由度机器人的机械结构设计是其最基本的设计要素之一、一般而言，六自由度机器人由底座、连接杆、关节和末端执行器等部分组成。
在设计机械结构时，需要考虑机器人的工作空间要求、重量和刚度等因素。
一种常见的结构设计是将机器人分为两个连杆外部结构和四个内部关节连杆结构，以实现较高的精度和稳定性。
2.关节传动系统设计关节传动系统是六自由度机器人结构中的核心组成部分。
六自由度机器人通常使用直流电动机或步进电动机作为驱动器。
在选择驱动器时，需要考虑其扭矩、精度和响应速度等因素。
同时，传动系统也需要选择合适的减速器、链条或齿轮传动等机械传动装置来实现关节的运动。
3.传感器系统设计传感器系统是六自由度机器人结构中的关键部分，用于实现机器人对外部环境和自身状态的感知。
常用的传感器包括编码器、力/力矩传感器、视觉传感器等。
编码器可用于测量关节的位置和速度，力/力矩传感器用于感知机器人对外部环境的力或力矩作用，视觉传感器用于感知机器人周围的物体和环境。
传感器系统设计需要考虑传感器的精度、可靠性和与其他系统的配合等因素。
4.控制系统设计控制系统设计是六自由度机器人的关键环节，用于实现机器人的运动控制和路径规划。
控制系统通常采用计算机或嵌入式系统来实现。
在控制系统设计时，需要考虑机器人的动力学和运动学模型，以及相应的控制算法和控制器设计。
常见的控制算法包括PID控制算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。
5.安全系统设计安全系统设计是六自由度机器人结构设计的重要组成部分，用于保证机器人的运行安全。
安全系统设计包括安全门、急停按钮、碰撞检测装置等。
工业机器人设计与实例详解
工业机器人设计与实例详解工业机器人是一种具有高度自动化和智能化的机器设备。
它广泛应用于各种制造领域，如汽车制造、电子制造、医疗器械制造等。
本文将详细介绍工业机器人的设计与实例。
一、工业机器人的设计1.结构设计工业机器人的结构设计包括机械结构、传动系统、控制系统和电气系统等。
机械结构应具有足够的刚度和精度，使机器人能够承受重载和高速度。
传动系统应具有高精度和高效率，以确保机器人的高速度和精度。
控制系统应具有高性能和高稳定性，以确保机器人的高精度和高速度。
电气系统应具有高可靠性和高效率，以确保机器人的稳定性和运行效率。
2.运动学设计工业机器人的运动学设计是机器人设计中非常重要的一个方面。
它涉及机器人的轨迹规划、运动学正逆问题、末端执行器设计和动力学分析等。
运动学设计应满足机器人的高速度和高精度要求。
3.控制算法设计工业机器人的控制算法设计关键是机器人的路径规划和控制系统的设计。
路径规划应采用高效的算法，以实现机器人的高速度和高精度。
控制系统的设计应具有高性能和高稳定性，以确保机器人的高速度和高精度。
二、工业机器人的实例1.汽车制造在汽车制造中，工业机器人被广泛应用于车身焊接、喷漆、车体检测和零件加工等领域。
通过使用工业机器人，可以实现车身的高精度和高效率生产，提高汽车制造的质量和效率。
2.电子制造在电子制造中，工业机器人被广泛应用于半导体生产和电子零件组装等领域。
通过使用工业机器人，可以实现电子产品的高精度和高效率生产，提高电子制造的质量和效率。
3.医疗器械制造在医疗器械制造中，工业机器人被广泛应用于手术器械生产和医疗器械组装等领域。
通过使用工业机器人，可以实现医疗器械的高精度和高效率生产，提高医疗器械制造的质量和效率。
综上所述，工业机器人的设计与实例是机器人技术中的重要方面。
要设计出高精度、高效率、高性能和高稳定性的工业机器人，需要考虑机器人的结构设计、运动学设计和控制算法设计等方面。
同时，工业机器人在汽车制造、电子制造和医疗器械制造等领域中的广泛应用，为制造业的高质量和高效率生产提供了有力的保障。
工业机器人第四章-工业机器人结构设计
优点
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
机械毕业设计1107轮式机器人结构设计
机械毕业设计1107轮式机器人结构设计
1. 引言
本文档旨在讨论机械毕业设计中的1107轮式机器人结构设计问题。
通过对机器人的结构设计，旨在实现机器人的稳定性、灵活性和可靠性。
2. 机器人结构设计要求
2.1 稳定性
设计目标是确保机器人在移动或承载负载时保持稳定，避免不必要的震动或倾斜。
2.2 灵活性
机器人应具备一定的灵活性，以适应不同的工作环境和任务需求。
2.3 可靠性
机器人的结构设计应考虑到长时间使用的可靠性，以减少故障和维修需求。
3. 结构设计方案
根据上述要求，提出以下结构设计方案：
3.1 轮式机器人底盘
采用四个轮子的底盘设计，以提供稳定性和平衡性。
每个轮子
应具备独立悬挂系统，以适应不平坦的地面。
3.2 主体结构
主体结构应采用轻量化材料，既要保证强度，又要减少机器人
的整体重量。
同时，考虑到灵活性，可以设计可拆卸的连接部件，
以便于维护和更换。
3.3 机械臂
机械臂应具备良好的运动范围和稳定性，以适应机器人的工作
任务。
采用多关节设计，以实现更灵活的操作。
4. 结论
通过以上结构设计方案，可以实现1107轮式机器人的稳定性、灵活性和可靠性。
在实践中，应结合具体需求和实际情况对结构进
行进一步的优化和调整，以达到最佳设计效果。
参考文献
[1] 参考文献1
[2] 参考文献2。
机器人机械结构设计的说明书
机器人机械结构设计的说明书一、引言机器人是指由人工智能和机械工程相结合而形成的一种自动化机械设备。
机器人机械结构设计对机器人性能的稳定性和可靠性起着重要作用。
本说明书将详细介绍机器人机械结构设计的要点和流程。
二、设计目标机器人机械结构设计的目标是确保机器人能够完成指定的任务并具备良好的运动性能。
在设计过程中，需考虑以下方面的要求：1. 机械强度：机器人的机械结构需要具备足够的刚度和强度，以应对各种工作环境和负载条件。
2. 运动灵活性：机械结构应具备良好的自由度和灵活性，以实现多样化的运动和动作。
3. 可靠性：机械结构需要经受长时间的使用和重复运动，故应设计稳定可靠，避免出现故障和损坏。
4. 结构简洁：机械结构设计应尽可能简洁，减少材料成本和零部件数量，并提高制造和维修的便利性。
三、设计流程1. 机器人任务分析在进行机器人机械结构设计之前，首先需进行机器人任务分析，明确机器人的工作环境、工作负荷和运动要求等。
根据具体任务，确定机器人的结构类型，如平行机械臂、串联机械臂等。
2. 结构设计参数确定根据机器人任务和结构类型，确定机械结构的设计参数，包括机械臂长度、关节角度范围、机械连接方式等。
同时考虑机器人的负载要求和精度要求，确保机械结构可以满足工作需求。
3. 结构分析与优化利用计算机辅助设计软件进行机械结构分析和优化，验证结构在给定负载下的强度和刚度。
根据分析结果，对结构进行调整和优化，以满足机器人工作的要求，并确保机械结构的可靠性和稳定性。
4. 零部件设计依据结构参数和分析结果，设计机械结构的各个零部件，包括齿轮、链条、联轴器等。
考虑材料选择、制造工艺以及装配方式，确保零部件的质量和可靠性。
5. 制造与装配根据设计的零部件图纸，进行零部件的制造。
通过合理的装配顺序和工艺，将各个零部件装配成完整的机械结构，注意装配过程中的对位和校准，以确保机械结构的准确性和稳定性。
6. 测试与验证对已装配好的机械结构进行动态测试，验证机器人的运动性能、精度和稳定性。
农业采摘机器人机械臂结构设计与分析
通过对测试数据的分析和评估，可以总结出机械臂的优劣势以及需要改进的 方向。例如，如果机械臂的抓取精度较高但移动速度较慢，可能需要优化其传动 系统以提高移动速度；如果机械臂的移动速度较快但抓取精度较低，可能需要改 进其末端执行器设计以提高抓取精度。
四、结论
农业采摘机器人机械臂结构设计与分析是提高采摘效率和精度的关键。本次 演示通过对机械臂结构、运动原理、性能测试等方面的详细阐述，强调了农业采 摘机器人机械臂的重要性和应用前景。为了进一步优化机械臂性能，未来的研究 应以下几个方面：1）改进传动系统设计以提高移动速度和抓取精度；2）研发更 高效的末端执行器以提高采摘效率；3）
结合机器视觉和技术实现对不同形状、大小、颜色的果实自动识别和抓取； 4）完善机械臂的自我保护和故障诊断功能以提高其可靠性和耐用性。通过对这 些方向的深入研究，有望为农业采摘机器人的进一步发展提供有力支持。
参考内容
随着科技的飞速发展，农业采摘机器人已成为现代农业的重要组成部分。本 次演示将聚焦于农业采摘机器人的核心部件——机械臂，探讨其结构设计的关键 因素，以及未来的发展趋势和挑战。
3、机械臂结构设计的未来发展 趋势和挑战
未来，机械臂结构设计将朝着轻质、高强度、多功能、人性化和环保等方向 发展。在材料选用上，将更多地采用高性能轻质材料，如碳纤维复合材料和铝合 金等；在结构设计上，将更加注重人体工学和空间利用率的提高；在功能上，将 更多地引入多种传感器和执行器，提高机械臂的感知能力和动作精度；在人性化 设计上，将更加注重用户体验和操作便捷性；在环保方面，将更多地采用节能环 保材料和方法，降低机械臂的生整体结构需根据采摘对象和作业环境进行设计。一般而言，机械臂 应具备大范围的运动能力，以覆盖广阔的采摘区域。同时，为了方便操作和维护， 机械臂结构应简洁、易于拆卸。
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一、腰关节
腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩， 且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的RV减速器 减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。
22
腰关节〔电机上置) 1 —电机；2 — RV减速器，3 —支架，6 —交叉滚子轴承；5 —电缆 23
腰关节 (电机下置) 1—谐波减速器；2 —电机；3 —四点接触球轴承
16
RV摆线针轮传动 RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆 线针轮减速器组合而成的。 二、主要特点 与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比 大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特 点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大2—6倍，但重量却增 加了1—3倍。 该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节(腰关节)， 这时自重是坐落在底座上的，充分发挥了高刚度作用，可以 大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运 动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。
2、两自由度手腕 两自由度手腕关节有两种常见的配置形式，即汇交
式和偏置式。
34
1 — 法兰；2 —锥齿轮轴；3 —锥齿轮； 8，4 —弹簧；5，7 —链轮； 6，9—轴承；10一转壳
汇交式两自由度手流
1 —法兰；2 —转壳；3、6 —锥齿轮轴；
4 —小臂；5、7 —链轮，8 —链；
9、10 —弹簧
3
1—码盘； 2 —测速机； 3 —电机； 4 —联轴器； 5 —传动装置； 6 —转动关节； 7 —杆
8 —电机； 9 —联轴器； 10 —螺旋副； 11 —移动关节； 12 —电位器
(或光栅尺)
4
2.2.2 驱动器的类型和特点
1．电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速
度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱 动比较困难。
38
39
40
必须指出，若操作机为6自由度，当手腕为偏置式时，运动学 反解得不出解析的显式，且动力学参数也是强耦合的。设计 时必须给予充分注意。
41
但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不 易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。
8
3．其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、
9
➢ 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件， 以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负 荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位 控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机 器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。 ➢ 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调 速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统。
28
29
同轴减速传动结构
30
同轴减速传动结构
1—腰支座； 2、7 — RV减速器； 3、6 —驱动电机； 4 —大臂； 5 —曲柄； 8 —轴承。
31
三、直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采
用滚动丝杠和导柱(轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速 移动结构。
32
四、手腕关节 1、单自由度手腕
偏置式两自由度手腕
35
两自由度手腕的另两种结构。图1属汇交型，将谐波减速器 置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带 动谐波使末杆获得沿x、y轴两自由度运动。图2为偏置型， 则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳 中直接带动腕完成角转动。
1 —扁平谐波； 2 —杯式谐波； 3 —齿形带轮； 4 —锥齿轮；5 —腕壳
24
4 3 1
2 腰关节
1 —电机 ；2 —齿轮；3 —立柱；4 —结合螺栓
25
➢ 由上面的图例可以看出，腰关节的构造主要是两种类型： 使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式平行轴式。前者 结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制抽承的缘故)，但后 面关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱 体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地 套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋 弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便 地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。
图1 谐波前置汇交手腕
1—谐波减速9；2 —马达； 3 —铭轮； 4 —腕壳
图2 电机前置偏置手腕
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➢ 诱导运动 把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运 动。在进行机器人运动学计算时，轮 手腕传动示意图
37
3、三自由度手腕 三自由度手腕的结构形式繁多。三自由度手腕是在两自由 度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度 而形成的。 三自由度手腕是“万向”型手腕，可以完成两自由度手腕 很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采 用了三自由度手腕。
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二、谐波传动的主要特点 (1) 传动比大，单级为50—300，双级可达2x106。 (2)传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。
在相同的工作条件下，体积可减小20一50％。 (3)齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好 时，对i =100的传动，效率可达0.85。 (4)传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度 可比普通齿轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿 轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。 (5)回差小。精密谐波传动的回差一般可小于3’，甚至可以实 现无回差传动。 (6)可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。 (7)谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。
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2.2.3 机器人的常用传动机构
➢ 机器人传动机构的基本要求： (1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻； (2) 传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的
固有频率，降低整机的低频振动； (3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位
置控制精度； (4) 寿命长、价格低。
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滚动螺旋传动 滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的 滚珠。使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋 传动，滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚 珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分 成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置， 从而消除间隙和施加预紧力，使得在有额定抽间负荷时也能使 回差为零。其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。
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二、肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高
刚性的RV减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。 肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或
同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。
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1 —大臂； 2 —关节1电机； 3 —小臂定位板； 4 —小臂； 5 —气动阀； 6 —立柱； 7 —直齿轮； 8 —中间齿轮； 9 —机座； 10 —主齿轮； 11 —管形连接轴； 12 —手腕
1一齿轮；2一返回装置； 3一键； 4一滚珠； 5一丝杠；6一螺母； 7—支座
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滚动螺旋特点： (1)摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90％以上。 (2)动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。 (3)磨损小、寿命长。 (4)可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。
滚动螺旋传动不能自锁，必须 有防止逆转的制动或自锁机构才 能安全地用于有自重下降的场合。 最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。通 常，螺母两端必须密封，丝杠的 外露部分必须用“风箱”套或钢 带卷套加以密封。
2.2.1 驱动—传动系统的构成
在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装 置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。
机器人一般有两种运动关节——转动关节和移(直)动 关节。
为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和 速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精 度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机 驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常 通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。
2. 液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速
装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧 凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高 的精度。但需要增设液压源，易产生液体 泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动 目前多用于特大功率的机器人系统。
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3．气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。
电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机 驱动和步进电机驱动。
直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易 形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐 取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。
步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大， 多用于低精度小功率机器人系统。
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➢ 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中 最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传 动。
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谐波传动工作原理 谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机
械运动的传递。谐波传动通常由三个基本构件(俗称三大 件)组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径 向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭 圆形、外圈带有滚动轴承的波发生器。柔轮的外齿数少于 刚轮的内齿数。在波发生器转动时，相应于长轴方向的柔 轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全 脱开内齿。当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将 依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向 位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波 传动。
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3、结 构 设计
包 括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计， 关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接 口设计等。
4、动 特 性 分析
估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析， 确定其结构固有频率和响应特性。
腰关节既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾翻力矩， 且具有较高的运动精度和刚度。多采用高刚性的RV减速器 减速，也可采用谐波传动、摆线针轮或蜗杆减速器。
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腰关节〔电机上置) 1 —电机；2 — RV减速器，3 —支架，6 —交叉滚子轴承；5 —电缆 23
腰关节 (电机下置) 1—谐波减速器；2 —电机；3 —四点接触球轴承
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RV摆线针轮传动 RV摆线针轮传动装置，是由一级行星轮系再串联一级摆 线针轮减速器组合而成的。 二、主要特点 与谐波传动相比，RV摆线针轮传动除了具有相同的速比 大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特 点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大2—6倍，但重量却增 加了1—3倍。 该减速器特别适用于操作机上的第一级旋转关节(腰关节)， 这时自重是坐落在底座上的，充分发挥了高刚度作用，可以 大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运 动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。
2、两自由度手腕 两自由度手腕关节有两种常见的配置形式，即汇交
式和偏置式。
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1 — 法兰；2 —锥齿轮轴；3 —锥齿轮； 8，4 —弹簧；5，7 —链轮； 6，9—轴承；10一转壳
汇交式两自由度手流
1 —法兰；2 —转壳；3、6 —锥齿轮轴；
4 —小臂；5、7 —链轮，8 —链；
9、10 —弹簧
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1—码盘； 2 —测速机； 3 —电机； 4 —联轴器； 5 —传动装置； 6 —转动关节； 7 —杆
8 —电机； 9 —联轴器； 10 —螺旋副； 11 —移动关节； 12 —电位器
(或光栅尺)
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2.2.2 驱动器的类型和特点
1．电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速
度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱 动比较困难。
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必须指出，若操作机为6自由度，当手腕为偏置式时，运动学 反解得不出解析的显式，且动力学参数也是强耦合的。设计 时必须给予充分注意。
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但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不 易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。
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3．其它驱动器 作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金、
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➢ 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件， 以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负 荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位 控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机 器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。 ➢ 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调 速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统。
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同轴减速传动结构
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同轴减速传动结构
1—腰支座； 2、7 — RV减速器； 3、6 —驱动电机； 4 —大臂； 5 —曲柄； 8 —轴承。
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三、直动关节 直动关节可有两种类型；电机驱动和液压驱动。前者多采
用滚动丝杠和导柱(轨)式；后者可采用油缸驱动齿轮的倍速 移动结构。
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四、手腕关节 1、单自由度手腕
偏置式两自由度手腕
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两自由度手腕的另两种结构。图1属汇交型，将谐波减速器 置于臂部，驱动器通过齿形带带动谐波，或经锥齿轮再带 动谐波使末杆获得沿x、y轴两自由度运动。图2为偏置型， 则是将驱动电机和谐波减速器连成一体，放于偏置的腕壳 中直接带动腕完成角转动。
1 —扁平谐波； 2 —杯式谐波； 3 —齿形带轮； 4 —锥齿轮；5 —腕壳
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2 腰关节
1 —电机 ；2 —齿轮；3 —立柱；4 —结合螺栓
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➢ 由上面的图例可以看出，腰关节的构造主要是两种类型： 使用交叉滚子或四点接触式轴承的同轴式平行轴式。前者 结构紧凑，腰关节高度尺寸小(使用特制抽承的缘故)，但后 面关节的各种电缆走线比较困难，大多是在固定的中间柱 体外面留有较大的环形空间，使电缆以盘旋的形式松松地 套在中间柱体上，当腰支架等机体转动时，电缆犹如盘旋 弹簧般收紧或放松。对于平行轴式腰关节，电缆则可方便 地通过中空轴，联接于支座的固定接线板上。
图1 谐波前置汇交手腕
1—谐波减速9；2 —马达； 3 —铭轮； 4 —腕壳
图2 电机前置偏置手腕
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➢ 诱导运动 把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运 动。在进行机器人运动学计算时，轮 手腕传动示意图
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3、三自由度手腕 三自由度手腕的结构形式繁多。三自由度手腕是在两自由 度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度 而形成的。 三自由度手腕是“万向”型手腕，可以完成两自由度手腕 很多无法完成的作业。近年来，大多数关节型机器人都采 用了三自由度手腕。
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二、谐波传动的主要特点 (1) 传动比大，单级为50—300，双级可达2x106。 (2)传动平稳，承载能力高，传递单位扭矩的体积和重量小。
在相同的工作条件下，体积可减小20一50％。 (3)齿面磨损小而均匀，传动效率高。当结构合理，润滑良好 时，对i =100的传动，效率可达0.85。 (4)传动精度高。在制造精度相同的情况下，谐波传动的精度 可比普通齿轮传动高一级。若齿面经过很好的研磨，则谐波齿 轮传动的传动精度要比普通齿轮传动高4倍。 (5)回差小。精密谐波传动的回差一般可小于3’，甚至可以实 现无回差传动。 (6)可以通过密封壁传递运动。这是其他传动机构难实现的。 (7)谐波传动不能获得中间输出，并且杯式柔轮刚度较低。
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2.2.3 机器人的常用传动机构
➢ 机器人传动机构的基本要求： (1) 结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻； (2) 传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的
固有频率，降低整机的低频振动； (3) 回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位
置控制精度； (4) 寿命长、价格低。
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滚动螺旋传动 滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的 滚珠。使丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋 传动，滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚 珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分 成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置， 从而消除间隙和施加预紧力，使得在有额定抽间负荷时也能使 回差为零。其中用的最多的是双螺母式，而齿差式最为可靠。
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二、肩关节和肘关节 对于开式连杆结构，肩关节位于腰部的支座上，多采用高
刚性的RV减速器减速，也可采用谐波传动或摆线针轮。 肘关节位于大臂与小臂的联接处。其结构形式有偏置式或
同轴式配置，多采用谐波传动、摆线针轮、齿轮传动等。
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1 —大臂； 2 —关节1电机； 3 —小臂定位板； 4 —小臂； 5 —气动阀； 6 —立柱； 7 —直齿轮； 8 —中间齿轮； 9 —机座； 10 —主齿轮； 11 —管形连接轴； 12 —手腕
1一齿轮；2一返回装置； 3一键； 4一滚珠； 5一丝杠；6一螺母； 7—支座
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滚动螺旋特点： (1)摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90％以上。 (2)动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。 (3)磨损小、寿命长。 (4)可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。
滚动螺旋传动不能自锁，必须 有防止逆转的制动或自锁机构才 能安全地用于有自重下降的场合。 最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。通 常，螺母两端必须密封，丝杠的 外露部分必须用“风箱”套或钢 带卷套加以密封。
2.2.1 驱动—传动系统的构成
在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装 置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。
机器人一般有两种运动关节——转动关节和移(直)动 关节。
为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和 速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精 度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机 驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常 通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。
2. 液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速
装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧 凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高 的精度。但需要增设液压源，易产生液体 泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动 目前多用于特大功率的机器人系统。
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3．气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。
电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流(AC)伺服电机 驱动和步进电机驱动。
直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易 形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐 取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。
步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大， 多用于低精度小功率机器人系统。
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➢ 机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中 最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传 动。
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谐波传动工作原理 谐波传动是利用一个构件的可控制的弹性变形来实现机
械运动的传递。谐波传动通常由三个基本构件(俗称三大 件)组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径 向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭 圆形、外圈带有滚动轴承的波发生器。柔轮的外齿数少于 刚轮的内齿数。在波发生器转动时，相应于长轴方向的柔 轮外齿正好完全啮入刚轮的内齿；在短轴方向，则外齿全 脱开内齿。当刚轮固定，波发生器转动时，柔轮的外齿将 依次啮入和啮出刚轮的内齿，柔轮齿圈上的任一点的径向 位移将呈近似于余弦波形的变化，所以这种传动称作谐波 传动。
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3、结 构 设计
包 括机器人驱动系统、传动系统的配置及结构设计， 关节及杆件的结构设计，平衡机构的设计，走线及电器接 口设计等。
4、动 特 性 分析
估算惯性参数，建立系统动力学模型进行仿真分析， 确定其结构固有频率和响应特性。