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机器人课件


第2章 机器人机构

第1节 概述
一、机器人机构的分类

二、机器人机构的运动

三、机器人工作空间

2.1 概述

四 种 坐 标 机
PPP RPP

器 人

RRP

RRR


2.1 概述

二、机器人机构的运动

1)机器人的运动自由度
① 运动自由度的定义 ② 以自由度分类的机器人 ③ 自由度的分布

2.1 概述

机器人自由度的定义

定义: 定义:用来确定手部相对于机身位置的每个独立 变化的参数,称为机器人的自由度。

2.1 概述

以自由度分类的机器人
任一自由的空间物体,须有六个自由度描述 其在空间的位置和姿态,三个正交移动轴,决 定物体的位置;三个绕坐标轴 的转动,决定物 体的姿态变化。 称六个自由度机器人为满自由度机器人, 少于六个自由度机器人为欠自由度机器人, 多于六个自由度机 器人为冗余自由度机器人。

2.1 概述

自由度的分布
一般机器人的机身和手臂构成前三个关节, 具有三个自由度,可确定手部在空间的位置, 所构成的机构称位置机构; 手腕和手部构成后三个关节,具有三个自 由度,可确定手部在空间的姿态,所构成的机 构称之为姿态机构。 位置机构确定机器人的 空间工作范围, 其运动称为 主运动 。

2.1 概述

PUMA操作机的各个自由度 操作机的各个自由度 1—机座 2—腰部 3—臂部 4—腕部 5—手部 机座 腰部 臂部 腕部 手部

2.1 概述

2)机器人的运动范围
指机器人手腕在空间运动图形及其大 小,运动范围取决于臂部的自由度。

2.1 概述

3)机器人的各种运动形式

①直移型:直线运动 直移型: 伸缩运动 ②回转型:扭角运动 回转型: 摆角运动

L E T R

2.1 概述

三、机器人工作空间

1)定义: )定义:

手腕部坐标系原点PW能在空间活 动的最大活动范围。又称可达空间 ,或总 工作空间,记W(PW) 。

2.1 概述

2)灵活工作空间
灵活工作空间:末端执行器可以任意姿态达到

的工作空间,记作WP(P)。 Ⅰ类灵活工作空间以全方位到达, Ⅱ类灵活工作空间只能以有限个方位到达。
次灵活工作空间:总工作空间去掉灵活工作空

间的部分,WS(P)。

2.1 概述

3)奇异形位

W(P)总工作空间的边界点所对应的机器人 的位置和姿态,及机器人工作空间内部使机械 产生干涉的位置和姿态。

2.1 概述

4)两个基本问题
正问题 : ① 正问题:给出某一结构形式和结构参数的操
作机以及关节变量的变化范围,求工作空间, 称工作空间分析。

逆问题 : ② 逆问题: 给出某一限定的工作空间,求操作
机的结构形式,参数和关节变量的变化范围, 称工作空间的综合 。

2.1 概述

5)确定工作空间的方法
(1)解析法 (2)图解法 用数学模型计算工作空间的边界 国标规定了工作空间的几何作图法

① 结构限制分析 ② 画出工作空间的主剖面(xoz剖面) ③ 画出工作空间的俯视剖面(xoy剖面)

第2 节

机身和臂部机构

一、机身和臂部的作用 二、机身和臂部机构设计的特点 三、机身结构 四、臂部结构

2.2 机身和臂部结构

一、机身和臂部的作用
1)机身定义:机身是连接、支承手臂及行走机构的部件

作用:臂部的驱动装置或传动装置安装在机身上。 类型:机身有固定式和行走式两种。

2)手臂定义:手臂部件是连接机身和手腕的部件。

作用:支承腕部和手部,带动手及腕在空间运动。 特点:结构类型多、受力复杂。

2.2 机身和臂部结构

二、机身和臂部机构设计的特点
1)刚度 :为了得到较高的精度,机器人机身和手臂的 机械结构刚度比强度更重要。刚度可分为结构刚度、 支承刚度、伺服刚度等。 ①根据受力情况,合理选择截面形状与尺寸; ②提高支承刚度和接触刚度; ③合理布置作用力的位置和方向;

2.2 机身和臂部结构

2)精度 :机器人的精度可分为绝对精度和重复 定位精度。机器人终端执行器(手部)的精度与 臂和机身的位置精度密切相关。影响机器人精度 的因素有: ① 刚度 ② 制造和装配精度 ③ 手腕部在手臂上的连接和定位方式 ④ 运动部件的导向精度

2.2 机身和臂部结构

3)平稳性 :机身和臂部的运动多、质量较大、当负 荷大且高速运行时,由于运动状态变化,将产生冲击 和振动。应采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。 ① 运动部件力求结构紧凑、重量轻; ② 减少重心布置不当而造成的偏心附加力矩; 4)其他:对特殊要求的要有相应措施,如防爆、防尘、 其他: 防水、防真空、防辐射、防腐蚀等。

2.2 机身和臂部结构

三、机身和臂的配置形式及结构
机身是支承手、臂且带其运动的部件,由于机器 人的运动形式、使用条件 、负荷能力各不相同,所采 用的驱动装置,传动机构、导向装置亦不同,使机器 人机身有很大差异,结构十分复杂。 分类: 分类

1)横梁式 2)立柱式 3)屈伸式 4)类人型;
垂直平面屈伸 水平平面屈伸(SCARA) 空间屈伸

2.2 机身和臂部结构

四、臂部结构
臂部主要包括臂杆,以及自身屈伸、伸缩、 自转等运动有关的传动、驱动、导向定位、支录、 位置检测元件等,主要结构有: ⑴ 伸缩型 ⑵ 伸缩与旋转型 ⑶ 屈伸型 ⑷ 弹性手臂 ⑸ 柔性手臂

第3节 手腕部机构
一、基本概念

二、手部机构 手部机构

三、腕部机构

2.3 手腕部结构

一、基本概念 一、基本概念
(1)手部:是最重要的执行机械,工业机器人 手部: 手部可分为: 1.夹持类 2.吸附类 (2)腕部: 1.完成手部的俯仰,摆动和旋转; 2.智能机器人腕部具有力、力矩传感器。

2.3 手腕部结构

二、手部机构

1)夹钳式手部的组成

手指 传动机构 驱动装置

2.3 手腕部结构

2)设计要点

① 开闭范围; ② 夹紧力; ③ 定位精度; ④ 结构紧凑,重量轻,效率高; 结构紧凑,重量轻, ⑤ 通用性和可换性;

2.3 手腕部结构

3)手指
⑴ 手指形状 ①V型手指 ②平面型手指 ⑵ 指面形状 ① 光滑 ② 齿形 ⑶ 手指材料 ③柔性 ③尖、薄、长型手指 ④特型手指

4)传动机构 传动机构
⑴ 设计要点 ①传力比; ②传动比; ③动作范围; ⑵ 回转型 ①斜楔杠杆式 ②滑槽杠杆式 ⑶ 平移型 ①平面平行移动机构 ②直线往复移动机构

2.3 手腕部结构

④传动效率; ⑤精度;

③连杆杠杆式 ④齿轮、齿条杠杆式

2.3 手腕部结构

5)其他结构形式的手部
⑴ 钩托式 ⑵ 弹簧式 ⑶ 气吸式 ⑷ 磁吸式 ⑸ 挠性

2.3 手腕部结构

6)类人机器人手部——关节式手指 )类人机器人手部——关节式手指

贝 尔 格 莱 德 手 指

2.3 手腕部结构

三、 腕部、关节部结构
1)关节的作用和分类
⑴作用:关节将机器人的各构件连接起来,机器 作用: 人各构件间的相对运动,通过驱动、传动装置在各关 节上实现的。主要有运动传递和力 传递。 ⑵分类:旋转型关节和直线移动型关节 分类 腕关节在机器人中很重要,以下主要讨论腕关节。

2.3 手腕部结构

2) 关节设计要点
⑴力求结构紧凑,重量轻:关节的结构、重量、 力求结构紧凑,重量轻:
动力载荷直接影响机器人的结构、重量和性能。 尤其是腕 关节, ①处于手臂的末端 ②有2-3个自由度和驱动装置 ③需较大的力矩和尽量轻的重量

⑵综合考虑,合理布局: 综合考虑,合理布局:
需要考虑强度、刚度、制造、装配、精度和、控制可靠性。

⑶须考虑腕部的工作条件
如高低温、腐蚀性、防暴、防尘、防渗。

2.3 手腕部结构

3)关节部结构
⑴单自由度手腕 ⑵二自由度手腕 ⑶三自由度手腕

2.3 手腕部结构

⑴单自由度手腕

SCARA机器人

2.3 手腕部结构

⑵二自由度手腕
①Pitch-Roll 球形二自由度手腕

?r = (?A – ?B )/2 ?p = (?A + ?B )/2

2.3 手腕部结构

②汇交式两自由度手腕

2.3 手腕部结构

③偏置式两自由度手腕

2.3 手腕部结构

⑶ 三自由度手腕
①垂直相交三自由度手腕

2.3 手腕部结构

②汇交型三自由度手腕

2.3 手腕部结构

③球形汇交型三自由度手腕

2.3 手腕部结构

④偏交型三自由度手腕

2.3 手腕部结构

⑤回形偏交型三自由度手腕

第4节 行走部机构
一、 基本概念

二、运行车式行走机构

2.4 行走部结构

一、基本概念
机器人可分为固定型和行走型 两种。工 业机器人一般为固定式,而目前在开发研制 的海洋水下机器人,原子能工业、空间机器 人、军用机器人,都将是可移动的。

2.4 行走部结构 焊接 喷漆 上下料

固定式——工业机器人

机器人

移动式

海洋水下机器人 核工业原子能反应唯用机器人 空间机器人 军用机器人 医疗福利机器人 服务机器人 移动式搬运机器人

2.4 行走部结构

轮式移动(包括履带式)机器人 可移动机器人 步行移动(多足)机器人 推进器或喷射式移动机器人

行走部机构包括

驱动装置 传动装置 位置检测 传感器

2.4 行走部结构

二、 运行车式行走机构

(1)车轮式行走机构 (2)履带式行走机构 (3)步行式行走机构

2.4 行走部结构

(1)车轮式行走机构
1)车轮式动作稳定,自动操纵简单,在FMS或自 ) 动仓库中作搬运小车用得 较多,适合室内平地 行走。 2)车轮式行走机构有3轮,4轮,或6轮等 ) 3)车轮式行走机构采用的转向机构: ) ①采用自位轮和主动轮差动转向将会有角度误差。 ②采用驱动转向轮,静止状态阻力大。

2.4 行走部结构

(2)履带式行走机构
履带式行走机构适合于野外作业,军用 机器人,及各种勘探及探险,适应各种地形, 爬坡可达45°,可以爬楼梯。

2.4 行走部结构

(3)步行式行走机构 1)概述 2)四脚和多脚步行机构 3)脚-车混合行走机构 4)两脚步行式行走机构

2.4 行走部结构

1)概述
(1)步行式行走机构的优点 ① 可在高低不平的地段上行走。 。 ② 脚的主动性可保持平衡,不随地面晃动。 ③ 在柔软的地面上运动、效率不显著降低。

2.4 行走部结构

(2)动步行与静步行
①静步行:机器人重心始终落在支持于地面的几只 脚所圈成的多边形面积内。 ②动步行:有时重心落在支撑面积外,利用重力和 惯性力,作为步行的动力,步行速度快、耗能少。

(3)脚数与关节自由度数
步行机器人的脚数从两脚到七脚,静步行 须四脚以上,各脚的自由度数不少于3个。

2.4 行走部结构

2)四脚和多脚步行机构
⑴对于四脚以上的步行机构,若脚摆动机构的 速度为V,则脚落地时间与离地时间比ρ为:
ρ=
1? β

β

k ?3 β= k

k ?3 1? k = 3 ρ= k ?3 k ?3 k

β:为脚占定因数 k:为机器人脚数

故四脚的最大行走速度(静步行) V max 而六脚的最大行走速度则为

K ?3 V =V ? = 3 3
V ? β = V 1? β

V max =

2.4 行走部结构

⑵四脚步行机器人步态

2 3

1 4 3

2 4

1

2 3 4

1

2 3

1 4

2.4 行走部结构

3)两脚步行式行走机构
1)优点: 优点: ①有最好的适应性,与人类相似的优越性。 ②人类幻想的高级智能机器人的行走机构。 2)控制: 控制: 无论是静步行或动步行,控制都困难,犹如倒摆 ①测出各物理量,控制机构连杆的相对角 ②利用脚尖在地面上的反作用力测重心的位置 3)静、动步行

2.4 行走部结构

八自由度两脚步行机器人步行特征

2.4 行走部结构

八自由度两脚步行机器人步行特征

第5节 机器人关节的驱动、传动机构

一、 机器人的驱动机构 二、机器人的传动机构

2.5 驱动传动机构

一、机器人的驱动机构
驱动装置是使机器人各部件动作的动力源, 目前常见的有: (1)液压驱动 (2)气压驱动 (3)电机驱动 (4)其他驱动方式

2.5 驱动传动机构

(1)液压驱动
1)液压驱动:是高压油作为工作介质,推动直线或旋转的 )液压驱动: 油缸进行工作的, 在一个液压驱动系统中其主要的部件如下: ①直线液压缸:在高压油的作用下,可作直线往复运动, 直线液压缸 ②摆动缸:在高压油的作用下可产生一定角度的摆动。 摆动缸: ③电液伺服阀:可精确地控制油路的开关、并可控制供油 电液伺服阀: 量的大小,以便对液压缸进行精确的控制,并可以根据位置传 感器和速度传感器反馈的信号进行闭环控制。 2) 应用: 应用: 目前在负荷较大的搬运机器人和喷涂机器人应用较多。

2.5 驱动传动机构

(2)气压驱动
在所有的驱动方式中,气压驱动是最简单的, 在工业中应用很广,其组成与液压驱动相似。 可以用机械的档次实现点到点的控制,并能达 到较高的精度, 虽然达到高精度的伺服控制较难, 但目前已经用微处理机直接控制的气动马达,定位 精度在1mm。 在机器人中主要用于各种气动手爪,以及小型 机器人的驱动。

2.5 驱动传动机构

(3)电机驱动
电动驱动在机器人中的应用可以分成三种: 直流电机组成伺服控制系统; 交流(或)无刷直流电机组成伺服控制系统; 步进电机驱动的开环数字控制系统。

2.5 驱动传动机构

(4)其他驱动方式

①气囊式人工肌肉 ②形状记忆合金(SMA)驱动器 ③压电晶体驱动器

2.5 驱动传动机构

(5)驱动方式的选择
机器人驱动器要求启动力矩大、调速范围宽、惯量小 ①选择驱动方式:负荷为2000N以下采用电动驱动方式 小功率点位控制采用气动驱动方式 大功率大力矩采用液压驱动方式 ②选择驱动器容量:额定速度时的额定功率 关节加减速时加速功率 最不利形位时的负载力矩

2.5 驱动传动机构

二、机器人的传动机构
1)常用传动机构类型和特点
(1) 齿轮类传动:主要有齿轮、蜗轮蜗杆、齿轮齿条

优点:响应快、扭矩大、刚性好 缺点:传动有间隙、故回差大,精度低 应用:腰、腕关节
(2) 链索类传动:主要有链条、齿形带、钢带 优点:无间隙、刚度与张紧装置有关,力矩较大 缺点:速比小,齿形带和钢带适用于小负载 应用:腕关节

2) 滚珠丝杠螺母副
在数控机床和机器人中应用较为广泛。

2.5 驱动传动机构

使丝杠与螺母之间由滑动摩擦度为滚动摩擦的一种螺旋转动

(1)结构组成:
滚珠丝杠螺母副可分为内循环和外循环两种。为消除回 差,螺母分成两段,采用双螺母预紧消除间隙的方式,以 垫片、锁紧螺母、齿差调整两段螺母的相对位置。

(2)特点:
摩擦系数小且动静摩擦系数差小,效率高且逆传动效率 也高,灵敏度高、传动平移、磨损小、寿命长。

2.5 驱动传动机构

3)谐波齿轮减速器 (1) 原理和结构
三大基本构件:刚轮、柔轮、波发生器 刚轮固定时减速比:

zb i = ? z g ? zb
刚轮固定时减速比:
i1 = zg z g ? zb

Zb :柔轮齿数

Zg :刚轮齿数

2.5 驱动传动机构

(2) 特点:

优点:传动比大,单级可为50~300,两级可达
20000。传动平稳,承载力高。多齿啮合磨 损小,传动效率可达0.85,传动精度高。 回差小,一般可小于 3 ′~1′ ,实现无回 差传动。

缺点:杯式柔轮刚度较低。

2.5 驱动传动机构

4) RV摆线针轮传动 RV摆线针轮传动

(1) 工作原理 :由一级行星轮系再串联一级摆线轮 减速器组合而成。 (2) 特点 :除了谐波传动优点外,最显著的特点是 刚性好。

补充资料一:机器人的规格及主要性能指标
1、有关负荷方面的性能指标: 有关负荷方面的性能指标: (1) 额定负荷:在正常运行条件下施加到手腕部的 最大负荷的容许值,包括末端执行 器、附件和惯性力。 (2)限定负荷:机器人机构部分不发生破坏或不出 故障时手腕外所能承受的最大负荷。 (3)最大推力和最大扭矩:指单轴的最大推力或最 大扭矩

补充资料一: 补充资料一:机器人 规格及主要技术指标

2、有关运动方面的性能指标

(1) 自由度 (2) 单轴最大工作范围和工作速度 (3) 合成速度:表现为手腕中心的线速度

补充资料一: 补充资料一:机器人 规格及主要技术指标

3、有关几何空间方面的性能指标
(1)工作空间 (2)灵活度:表示机器人在工作空间各点抓取物 体的灵活程度。用末杆位姿图最能 直观而准确地表示这一特点。

补充资料一: 补充资料一:机器人 规格及主要技术指标

4、有关精度方面的性能指标
(1)位姿精度 (2)距离精度 (3)轨迹精度 前三项统称定位精度 (4)位置重复精度

补充资料一: 补充资料一:机器人 规格及主要技术指标

5、有关动力源和控制方面的性能指标
(1)驱动方式: (2)控制方式:开环、闭环、点位、连续轨迹 (3)计算机容量 (4)插补方式 (5)编程方式 (6)分辨率:指操作机各轴可有效反应的最小 距离或角度。

补充资料二:并联机器人
1、 并联机器人的定义 2、 并联机器人的特点 3、 并联机器人的应用 4、 并联机器人的发展趋势

补充资料二: 补充资料二:并联机器人

1、并联机器人的定义
1978年,澳大利亚著名教授Hunt提出了可应用6自由 度的Stewart平台机构作为机器人机构。Stewart平台机构是 一种典型的并联机构,1965年由Stewart提出,是作为飞行 模拟器用于训练飞行员的。 并联机器人从结构上看,是用6根支杆将上下平台连接 而形成。这6根支杆可以独立自由的伸缩,它分别用球铰和 虎克铰与上下平台连接,从而有6个独立的运动,即有6个 自由度,可在三维空间做任意的移动和任意的转动。

补充资料二: 补充资料二:并联机器人

末端执行器

机座

Stewart 机构

补充资料二: 补充资料二:并联机器人

2、并联机器人的特点
1)并联式结构比串联式相比,刚度大多了,而且结构稳定。 2)由于刚度大,在相同条件下,并联式的承载能力很高。 3)串联式末端件的误差是各个关节误差的累积和放大,因而 误差大而精度低。而并联式则没有累积误差误差小而精度高。 4)串联式机器人的驱动电机都放在臂上。系统惯性大;而并 联式机器人的驱动电机置于机座上,减小 了运动负荷。 5)串联机构正解容易,反解困难;而并联机构正解困难,反 解容易。 串联式与并联式形成了鲜明的对比。 由此可见,串联式与并联式形成了鲜明的对比。他们的关 串联式与并联式形成了鲜明的对比 系是“对偶”关系。 系是“对偶”关系。

补充资料二: 补充资料二:并联机器人

3、并联机器人的应用
因为并联机器人与串联机器人是互补的关系,因而 并联机器人的应用范围也十分的广阔。 1)工业上,可用于汽车总装线上安装车轮 2)可用于飞船对接器的对接结构 3)可用于困难的地下工程 4)可作为6自由度数控加工中心 5)可作为微动机构或微型机构

补充资料二: 补充资料二:并联机器人

4、并联机器人的发展趋势
并联机器人是一类全新结构的机器人,并联机器人机构 问题属于空间多自由度多环机构学理论的新分支。 由于空间并联机构较为复杂和具有很大的特殊性,所以 研究并联机器人具有特殊重要的意义。 并联机器人将主要用于多机器人协调、特殊要求或危险 环境的多足步行机、新一代的灵巧的多关节多指手爪。


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