機器人的組成結構

第二章機器人的組成結構2 1機器人系統(tǒng)的組成 如圖2 1所示 機器人由機械部分 傳感部分 控制部分三大部分組成 這三大部分可分成驅動系統(tǒng) 機械結構系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 機器人一環(huán)境交互系統(tǒng) 人機交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)要使機器人運行起來 需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置 這就是驅動系統(tǒng) 感受系統(tǒng)它由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成 獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息 智能傳感器的使用提高了機器人的機動性 適應性和智能化的水準 人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的 然而 對于一些特殊的信息 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效 機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng) 機器人與外部設備集成為一個功能單元 如加工制造單元 焊接單元 裝配單元等 人一機交互系統(tǒng)人一機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置 指令給定裝置和信息顯示裝置 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號 支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能 如果機器人不具備信息反饋特征 則為開環(huán)控制系統(tǒng) 具備信息反饋特征 則為閉環(huán)控制系統(tǒng) 根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng) 適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng) 根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制 相關術語及性能指標 關節(jié) Joint 即運動副 允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構 連桿 Link 機器人手臂上被相鄰兩關節(jié)分開的部分 自由度 Degreeoffreedom 或者稱坐標軸數(shù) 是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù) 手指的開 合 以及手指關節(jié)的自由度一般不包括在內 剛度 Stiffness 機身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力 它是用外力和在外力作用方向上的變形量 位移 之比來度量 定位精度 Positioningaccuracy 指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距 重復性 Repeatability 或重復精度 在相同的位置指令下 機器人連續(xù)重復若干次其位置的分散情況 它是衡量一列誤差值的密集程度 即重復度 工作空間 Workingspace 機器人手腕參考點或末端操作器安裝點 不包括末端操作器 所能到達的所有空間區(qū)域 一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域 2 2工業(yè)機器人的機械結構 工業(yè)機器人的機械本體類似于具備上肢機能的機械手 由手部 腕部 臂 機身 有的包括行走機構 組成 2 2 1機械手的操作動作機械手的動作形態(tài)是由三種不同的單動作 旋轉 回轉 伸縮組合而成的 旋轉和回轉是指運動機構產生相對運動 旋轉是轉動部件的軸線和轉動軸同軸 回轉是轉動部件的軸線與轉動軸不同軸 伸縮是指運動機構產生直線運動 2 2 2機械手的坐標形式和自由度 1 根據(jù)單元動作組合方式的不同 機械手的動作形態(tài)一般歸納為以下四種坐標類型 直角坐標型 圖7 2 2 圓柱坐標型 圖7 2 3 極坐標型 圖7 2 4 多關節(jié)型 圖7 2 5 直角坐標型機械手可以在三個互相垂直的方向上作直線伸縮運動 這類機械手各個方向的運動是獨立的 計算和控制比較方便 但占地面積大 限于特定的應用場合 圓柱坐標型機械手有一個圍繞基座軸的旋轉運動和兩個在相互垂直方向上的直線伸縮運動 它適用于采用油壓 或氣壓 驅動機構 在操作對象位于機器人四周的情況下 操作最為方便 極坐標型機械手的動作形態(tài)包括圍繞基座軸的旋轉 一個回轉和一個直線伸縮運動 其特點類似于圓柱型機械手 多關節(jié)型機械手最接近于人臂的構造 它主要由多個回轉或旋轉關節(jié)所組成 一般都采用電機驅動機構 運用不同的關節(jié)連接方式 可以完成各種復雜的操作 由于具有占地面積小 動作范圍大 空間移動速度快而靈活等特點 多關節(jié)型機械手在各種智能機器人中被廣為采用 SCARA機器人關節(jié)式機器人 2 2 3機器人機構運動簡圖 1 PUMA一262機器人機構 圖2 1是PUMA系列一種較小的機器人PUMA一262機器人機構 操作機 的外形直觀圖 它有一個立柱 可以垂直回轉 稱作腰關節(jié) 也稱1軸 有大臂 小臂 它們的回轉軸稱作肩關節(jié) 2軸 和肘關節(jié) 3軸 這3個軸和桿 構成了該機器人的位置機構 又稱主關節(jié)軸組 即由他們的幾何參數(shù) 桿長和偏距 和運動參數(shù) 關節(jié)軸的轉角 決定手腕 參考點 的空間活動范圍 工作空間 手腕具有3個互相垂直的回轉軸 4 5 6軸 它們是姿態(tài)機構 又稱副關節(jié)軸組 即它們的轉角確定著工具 圖中未畫 的空間姿態(tài) PUMA262型機器人具有六個自由度 可以進行復雜空間曲面的弧焊作業(yè) 6個關節(jié)軸由6個獨立的電機驅動 由圖2 2可以看出 電機1通過兩對齒輪傳動帶動立柱回轉 電機2通過聯(lián)軸器 一對圓錐齒輪和一對圓柱齒輪帶動齒輪Z 齒輪Z繞與立柱固聯(lián)的齒輪Z轉動 于是形成了大臂相對于立柱的回轉運動 電機3通過兩個聯(lián)軸器和一對圓錐齒輪 兩對圓柱齒輪 Z固聯(lián)于小臂上 驅動小臂相對于大臂回轉 電機4先通過一對圓柱齒輪 兩個聯(lián)軸器和另一對圓柱齒輪 Z固聯(lián)于手腕的套筒上 驅動手腕相對于小臂回轉 電機5通過聯(lián)軸器 一對圓柱齒輪 一對圓錐齒輪 Z聯(lián)于手腕的球殼上 驅動手腕相對于小臂 亦即相對于手腕的套筒 擺動 電機6通過聯(lián)軸器 兩對圓錐齒輪和一對圓柱齒輪驅動機器人的機械接口 法蘭盤 相對于手腕的球殼回轉 可以看出 6個電機通過一系列的聯(lián)軸器和齒輪副 形成了6條傳動鏈 得到了6個轉動自由度 從而形成了一定的工作空間并使工具各式各樣的運動姿勢這里所使用的聯(lián)軸器 都是具有撓性的螺旋形聯(lián)軸器 如圖2 3 齒輪傳動都具有消隙機構 從而保證了正反轉時的回差在一定的精度范圍內 由于先進的制造技術 雖然使用了一般的多級齒輪傳動 但仍具有很高的運動和定位精度 2 機器人機構運動簡圖 多關節(jié)型機械手 2 2 4工業(yè)機器人手部 手爪 結構 1 滑槽杠桿式手部 2 齒輪齒條式手部 3 滑塊杠桿式手部 4 斜楔杠桿式 5 移動型連桿式手部 6 齒輪齒條式手部 7 內漲斜塊式手部 8 連桿杠桿式手部 手指類型 電磁式吸盤氣吸式吸盤 常見的另兩種手部 其它手部 2 2 5工業(yè)機器人腕部結構 腕部影響手部的姿態(tài) 方位 2 2 6工業(yè)機器人臂部結構臂部確定手部的位置 1 車輪型 2 3移動機器人 兩輪型三輪型四輪型 2 履帶式 救援機器人 3 步行式 4 其它移動方式 軍用昆蟲機器人 爬纜索機器人 水下6000米無纜自治機器人 蛇形機器人 2 4機器人的驅動系統(tǒng)2 4 1關節(jié)直接驅動方式 直接驅動方式是驅動器的輸出軸和機器人手臂的關節(jié)軸直接相連 間接驅動方式是驅動器經過減速器或鋼絲繩 皮帶 平行連桿等裝置后與關節(jié)軸相連 1 關節(jié)間接驅動方式的缺點 大部分機器人的關節(jié)是間接驅動 這種間接驅動 通常其驅動器的輸出力矩大大小于驅動關節(jié)所需要的力矩 所以必須使用減速器 另外 由于手臂通常采用懸臂梁結構 所以多自由度機器人關節(jié)上安裝減速器會使手臂根部關節(jié)驅動器的負荷增大 目前中小型機器人一般采用普通的直流伺服電機 交流伺服電機或步進電機作為機器人的執(zhí)行電機 由于電機速度較高 所以需配以大速比減速裝置 進行間接傳動 但是 間接驅動帶來了機械傳動中不可避免的誤差 引起沖擊振動 影響機器人系統(tǒng)的可靠性 并且增加關節(jié)重量和尺寸 2 關節(jié)直接驅動方式直接驅動機器人也叫作DD機器人 Directdriverobot 簡稱DDR DD機器人一般指驅動電機通過機械接口直接與關節(jié)連接 DD機器人的特點是驅動電機和關節(jié)之間沒有速度和轉矩的轉換 DD機器人與間接驅動機器人相比 有如下優(yōu)點 機械傳動精度高 振動小 結構剛度好 機械傳動損耗小 結構緊湊 可靠性高 電機峰值轉矩大 電氣時間常數(shù)小 短時間內可以產生很大轉矩 響應速度快 調速范圍寬 控制性能較好 日本 美國等工業(yè)發(fā)達國家已經開發(fā)出性能優(yōu)異的DD機器人 美國Adept公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關節(jié)型DD機器人 日本大日機工公司研制成功了五自由度關節(jié)型DD一600V機器人 其性能指標為 最大工作范圍1 2m 可搬重量5kg 最大運動速度8 2m s 重復定位精度0 05mm DD機器人目前主要存在的問題 載荷變化 耦合轉矩及非線性轉矩對驅動及控制影響顯著 使控制系統(tǒng)設計困難和復雜 對位置 速度的傳感元件提出了相當高的要求 需開發(fā)小型實用的DD電機 電機成本高 2 4 2驅動元件 1 液 氣 壓驅動液 氣 壓缸液 氣 壓馬達 2 步進電動機驅動在小的機器人上 有時也用步進電機作為主驅動電機 可以用編碼器或電位器提供精確的位置反饋 所以步進電機也可用于閉環(huán)控制步進電機是通過脈沖電流實現(xiàn)步進的 因此每給一個脈沖轉子便轉動一個步距 在精度要求不高的情況下 沒有必要加入位置反饋 3 直流電動機驅動 直流電動機與步進電動機是工業(yè)機器人中應用最廣泛的兩種電動機 但兩者的動作方式有本質上的區(qū)別 直流電動機是連續(xù)旋轉 運動連續(xù)且平滑 且本身沒有位置控制能力 要實現(xiàn)精確的位置控制 必須加入某種形式的位置反饋 構成閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有時 機器人的運動還有速度要求 所以還要加入速度反饋 一般直流電動機和位置反饋 速度反饋形成一個整體 即通常所說的直流伺服電機 由于采用閉環(huán)伺服控制 所以能實現(xiàn)平滑的控制和產生大的力矩當今大部分機器人都采用直流伺服電機驅動機器人的各個關節(jié) 但它們也有一些缺點 如轉速不能太高近年來 新發(fā)展起來的無刷直 交 流伺服電動機克服了上述缺點 并保留了直流伺服電動機的優(yōu)點 因此無刷電動機逐漸取代了直流伺服電動機 4 無刷直 交 流伺服電動機 原理由圖可見 轉子是由永久磁鐵組成 定子有繞組線圈 可以通過機殼把繞組熱量散發(fā)出去 因此 同功率的無刷電動機體積質量比較直流伺服電動機小得多 或者說同體積電動機 無刷電動機功率遠大于直流電動機 像直流電動機一樣 無刷電動機也需要有繞組電流的換向功能 但不是由機械式換向器實現(xiàn) 由于組接到外部的驅動電路上 驅動電路可以根據(jù)轉子位置信息利用電子開關來改變流向電樞的電流方向 無刷電動機分類 梯形波電動機和正弦波電動機 前者也稱為直流無刷電動機 DCbrushless 后者稱為交流無刷電動機或交流伺服電動機直流無刷電動機 梯形波電機 從無刷電動機原理可以知道 它的繞組數(shù)僅2 3個 2或3相 這數(shù)目遠小于直流有刷伺服電動機定子繞組數(shù)目 因此如何減小無刷電動機工作時轉矩波動 是一個關鍵性問題 通過無刷電動機定子繞組的電流幅值越大 產生的轉矩越大 為減小轉矩波動 限止電流幅值 而呈平頂狀 如圖6 3l所示 由梯形波代替正弦波來驅動電動機 簡化了驅動電路 但為進一步減小轉矩波動 這種電動機的控制系統(tǒng)要有速度負反饋環(huán) 這樣通過速度負反饋的作用使轉速平穩(wěn) 正弦波電動機 交流無刷伺服電動機 顧名思義 它是由正弦波電流驅動的 對三相情況 電流相位差120 而且這三相電流是隨轉子位置不同而不同的 也就是說 轉子的位置檢測需更精確 驅動電路也比梯形波電動機的更復雜 但卻代表著無刷電動機最高水平 因為它能保持恒定轉矩輸出 2 4 3伺服電機的選定和傳動比的確定 1 初選電機首先電機必須能夠提供負載所需要的瞬時轉矩和轉速如果要求電機在峰值下以峰值轉速驅動負載 則電機功率可按下式估算 電機功率 W負載峰值力矩負載峰值轉速傳動裝置的效率 初步估算時取 0 7 O 9 當電機長期連續(xù)地工作在變載荷之下時 比較合理的是按負載均方根功率估算電機功率估算Pm后就可選取電機 使其額定功率P 滿足下式 負載均方根力矩N m負載均方根轉速 rad S 2 發(fā)熱校核 在一定轉速下 負載的均方根力矩是與伺服電機處于連續(xù)工作時的熱定額相對應的 為校核發(fā)熱 要求電機額定轉矩滿足下式 電機的發(fā)熱量主要來自銅耗它在時間T內產生的熱量Qe 3 轉矩過載校核 轉矩過載校核的公式為 電機額定轉矩 4 總傳動比的選擇 電機要克服的負載力矩有兩種典型情況 一種是峰值力矩 它對應于電機最嚴重的工作情況 一般在機器人