機械原理第十三章工業(yè)機器人機構(gòu)及其設計.ppt

*第十三章 工業(yè)機器人機構(gòu) 及其設計,13-1 概述,13-2 工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術(shù)指標,13-3 機器人操作機的運動分析,13-4 機器人操作機的靜力和動力分析,13-5 工業(yè)機器人操作機機構(gòu)的設計,返回,13-1 概 述,機器人是近40年來發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。,工業(yè)機器人是機器人的一個重要分支，它的特點是可通過編 程完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器人各 自的優(yōu)點，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應性，機器作業(yè)的準確性 和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國民經(jīng)濟各個領域中具 有廣闊的應用前景。,機器人技術(shù)涉及力學、機械學、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、 傳感技術(shù)和計算機等學科領域，是一門跨學科綜合技術(shù)。,而機器 人機構(gòu)學乃是機器人的主要基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機械 原理研究的主要內(nèi)容。,工業(yè)機器人的應用實例：,焊接作業(yè),清洗作業(yè),裝配作業(yè),搬運作業(yè),13-2 工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術(shù)指標,1工業(yè)機器人及操作機,工業(yè)機器人是一種能自動控制并可重新編程予以變動的多功 能機器。,它有多個自由度，可用來搬運物料、零件和握持工具， 以完成各種不同的作業(yè)。,（1）工業(yè)機器人的組成,5自由度焊接機器人,機器人本體部分,執(zhí)行機構(gòu),傳動機構(gòu),控制裝置,2）機器人各部分關(guān)系,3）機器人各部分功能,執(zhí)行機構(gòu) 是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分。通常為 開式空間連桿機構(gòu)。,工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術(shù)指標(2/5),1）工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動-傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng) 及智能系統(tǒng)部分組成。,它由機座、腰部、 大臂、小臂、腕部及手部組成。,則由感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)組成，它分別由傳 感器及軟件來實現(xiàn)。,控制系統(tǒng) 一般由示教操作盤或控制計算機和伺服控制裝置 組成。,前者作用是發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動器之間的運動，同時 要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其它環(huán)境狀況（傳感器信號）、工 藝要求。外部相關(guān)設備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。,而后者是控 制各關(guān)節(jié)驅(qū)動器使各桿能按預定的運動規(guī)律運動。,智能系統(tǒng),（2）機器人操作機,工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機。,即由手臂機構(gòu)和手腕機構(gòu)組成。,傳動有機械式、 電氣式、液壓式、氣動式和復合式等。而驅(qū)動器有步進電機、伺 服電機、液壓馬達和液壓缸等。,驅(qū)動-傳動機構(gòu) 由驅(qū)動器和傳動機構(gòu)組成。,工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術(shù)指標(3/5),第二代為感覺型機器人。如有力覺、觸覺和視覺等，它具有 對某些外界信號進行反饋調(diào)整的能力。目前已進入應用階段。,第三代為智能型機器人。其尚處于實驗研究階段。,2操作機的主要類型,（1）直角坐標型（PPP型),（2）圓柱坐標型（PPR型）,（3）球坐標型（RRP型）,（4）關(guān)節(jié)型 (RRR型）,（3）工業(yè)機器人的發(fā)展過程,可分為以下三代：,第一代為示教/再現(xiàn)型機器人。它主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 組成。當前工業(yè)中應用最多。,工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術(shù)指標(4/5),靈活度是指操作機末端執(zhí)行器在工作（如抓取 物件）時，所能采取的姿態(tài)的多少。,自由度是用來確定手部相對機座的位置和姿態(tài) 的獨立參數(shù)的數(shù)目。它等于操作機獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)數(shù)目。由下式 來計算。,3操作機的主要技術(shù)指標,（1）自由度,自由度是反映操作機的通用性和適應性的一項重要指標。目 前一般通用工業(yè)機器人大多為 5 自由度左右，已能滿足多種作業(yè) 的要求。,（2）工作空間,即操作機的工作范圍。,（3）靈活度,若能從各個方位抓取物體， 則其靈活度最大；若只能從一個方位抓取物體，則其靈活度最小。,工業(yè)機器人操作的分類及主要技術(shù)指標(5/5),即為坐標系 i 相對于坐標系 i-1的變換矩陣，此法稱為D-H法。,13-3 機器人操作機的運動分析,1操作機位置與姿態(tài)的確定,（1）操作機位置和姿態(tài)的描述,構(gòu)件的空間位置和姿態(tài)是用該構(gòu)件的位置列陣rij和姿態(tài)矩陣Rij來描述，,或用該構(gòu)件的位姿矩陣Mij來描述。,（2）兩桿間的位置矩陣,桿i 相對與桿 i-1的位姿矩陣Mi-1,i，,2操作機位置方程建立及求解,M0iM01M02Mi-1,i,即為操作機的運動方程。,操作機的位姿矩陣方程為,（1）操作機位姿方程的建立,（2）操作機位姿方程的求解,機器人操作機末端執(zhí)行器的位姿分析有兩類基本問題：,1）位姿方程的正解,已知各關(guān)節(jié)的運動參數(shù)，求末端執(zhí)行器相對參考坐標系的位置和姿態(tài)。,2）位姿方程的逆解,根據(jù)已給定的滿足工作要求的末端執(zhí)行器相對參考坐標系的位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)的運動參數(shù)。,這是對機器進行控制的關(guān)鍵。因此只有使各關(guān)節(jié)按逆解中求 得的運動，才能使末端執(zhí)行器獲得所需的位置和姿態(tài)。,例1 RRPR型操作機的正解,例2 RRPR型操作機的逆解,機器人操作的運動分析(2/2),13-5 工業(yè)機器人操作機機構(gòu)的設計,工業(yè)機器人操作機是由機座、手臂、手腕及末端執(zhí)行器等組 成的機械裝置。,而從機器人完成作業(yè)的方式來看，操作機個是由 手臂機構(gòu)、手腕機構(gòu)及末端執(zhí)行器等組成的機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)方案及 其運動設計是整個機器人設計的關(guān)鍵。,1操作機手臂機構(gòu)的設計,手臂機構(gòu)一般為23個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、仰俯、升 降或伸縮三種運動形式。,手臂機構(gòu)設計時，先要確定其結(jié)構(gòu)型式和尺寸，還需考慮各 種構(gòu)件的重量對其運動速度、精度及剛度的影響。,2操作機手腕機構(gòu)的設計,手腕機構(gòu)一般為13個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、偏擺或擺 轉(zhuǎn)和仰俯三種運動形式。,手腕機構(gòu)的設計時，要確定其結(jié)構(gòu)型式及機構(gòu)尺寸，并要注 意誘導運動。,為使其機構(gòu)緊湊，要減