·294· 智能系统学报 第8卷 性，能够兼容具有标准接口的外部模块组件 一系列的规格和数量，这些模块组成了一个模块库 基于以上原则，从功能上把机器人大致划分为 如图4(a)所示.通过对模块按照一定的规则进行排 基座类、关节类、连杆类和末端执行器类四大类部 列和组合，可以得到一系列的机器人构型，并可以用 件，构建出基本的机器人模块库.关节模块提供运动 树的形式表示[o].以三自由度机械臂为例，在不考 自由度，集成了完备且相对独立的机械传动、控制、 虑单种关节的数量限制，且不考虑与末端执行器连 传感等系统，而连杆模块起到连接的作用如图2所 接的种类时，可以组成的构型如图4(b)所示，总共 示，关节模块设计成简单的圆柱形轮廓，而连杆模块 有85种构型，其中边上的数字表示可能的连接种类 则主要分为平行连杆、垂直连杆和直连连杆，它们所 的数量. 代表的连接关系如图3所示. 基座 BB.. 模块 RR 转 动 R R 节 R, 平 模块库 移 一0大 L,, (a)转动关节 (b)平移关节 末端 执行器 GG (a)模块库 R (c)垂直连杆1 (d)垂直连杆2 3 R 3/4 4/2 3/ ©©©©©©©© (b)三自由度构型 图4机器人模块库和构型 (e)直连连杆 ()平行连杆(g)末端执行器 Fig.4 Module library and configurations 图2机器人模块及其坐标系 Fig.2 Modules and their coordinate systems 2.2关节模块的设计 这里主要介绍一个典型模块即转动关节模块的 4 设计.转动关节整体方案如图5(a)所示，采用微型 节 直流无刷伺服电机-行星减速器-谐波减速器的传 动方式.为保证机器人在掉电时能保持当前位姿，关 关节 关节i 关节 关节 节具有电磁安全制动器.关节设有软件限位、传感器 限位及机械限位三重限位机制，保护关节不超过最 (a)垂直1(b)垂直2(c)直连(d)平行 大运动范围.关节的传感系统主要包含编码器、电位 图3连杆的连接关系 计及霍尔传感器等.关节的输入及输出机械接口均 Fig.3 Connections of the links 采用止口定位，由螺钉紧固. 模块通过系列化设计，每一种模块可能会存在性，能够兼容具有标准接口的外部模块组件． 基于以上原则，从功能上把机器人大致划分为 基座类、关节类、连杆类和末端执行器类四大类部 件，构建出基本的机器人模块库．关节模块提供运动 自由度，集成了完备且相对独立的机械传动、控制、 传感等系统，而连杆模块起到连接的作用．如图 ２ 所 示，关节模块设计成简单的圆柱形轮廓，而连杆模块 则主要分为平行连杆、垂直连杆和直连连杆，它们所 代表的连接关系如图 ３ 所示． （ａ）转动关节 （ｂ）平移关节 （ｃ）垂直连杆 １ （ｄ）垂直连杆 ２ （ｅ）直连连杆 （ｆ）平行连杆 （ｇ）末端执行器 图 ２ 机器人模块及其坐标系 Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｕｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍｓ （ａ） 垂直 １ （ｂ） 垂直 ２ （ｃ） 直连 （ｄ） 平行 图 ３ 连杆的连接关系 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｎｋｓ 模块通过系列化设计，每一种模块可能会存在 一系列的规格和数量，这些模块组成了一个模块库， 如图 ４（ａ）所示．通过对模块按照一定的规则进行排 列和组合，可以得到一系列的机器人构型，并可以用 树的形式表示［１０⁃１２］ ．以三自由度机械臂为例，在不考 虑单种关节的数量限制，且不考虑与末端执行器连 接的种类时，可以组成的构型如图 ４（ ｂ）所示，总共 有 ８５ 种构型，其中边上的数字表示可能的连接种类 的数量． （ａ）模块库 （ｂ） 三自由度构型 图 ４ 机器人模块库和构型 Ｆｉｇ．４ Ｍｏｄｕｌｅ ｌｉｂｒａｒｙ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ ２．２ 关节模块的设计 这里主要介绍一个典型模块即转动关节模块的 设计．转动关节整体方案如图 ５（ ａ）所示，采用微型 直流无刷伺服电机－行星减速器－谐波减速器的传 动方式．为保证机器人在掉电时能保持当前位姿，关 节具有电磁安全制动器．关节设有软件限位、传感器 限位及机械限位三重限位机制，保护关节不超过最 大运动范围．关节的传感系统主要包含编码器、电位 计及霍尔传感器等．关节的输入及输出机械接口均 采用止口定位，由螺钉紧固． ·２９４· 智 能 系 统 学 报 第 ８ 卷