機器人第二章3

1、第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 機身和臂部機構機身和臂部機構第三節(jié)第三節(jié) 手腕部機構手腕部機構第四節(jié)第四節(jié) 行走部機構行走部機構第五節(jié)第五節(jié) 機器人關節(jié)的驅動、傳動機構機器人關節(jié)的驅動、傳動機構第六節(jié)第六節(jié) 機器人的各種性能指標機器人的各種性能指標第七節(jié)第七節(jié) 并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人1 機器人機構的分類2 機器人機構的運動3 機器人工作空間 直角坐標型直角坐標型 圓柱坐標型圓柱坐標型 球坐標型球坐標型 關節(jié)型關節(jié)型圖1 四種坐標機器人 沿著三個互相垂直的軸線移動來改變手部的空間位置。其前三關節(jié)為移動關節(jié)（PPP）運動形式如圖：1）直角坐標型機器人 該類操作機是通過兩個移動和一個轉動（RPP）

2、來實現(xiàn)手部的空間位置的變化，運動形式如圖所示：2）圓柱坐標型機器人 該類操作機用兩個轉動和一個移動（RRP）來改變手部的空間位置，運動形式如圖所示：3）球坐標型機器人 這類操作機是模擬人的上臂而構成的。它的前三個關節(jié)都是轉動關節(jié)（RRR），運動形式如圖所示：4）關節(jié)型機器人 1）機器人的運動自由度 運動自由度的定義 以自由度分類的機器人 自由度的分布定義：定義：用來確定手部相對于機身位置的每個獨立變化的參數(shù)，稱為機器人的自由度機器人的自由度。 任一自由的空間物體，須有六個自由度描述其在空間的位置和姿態(tài)，三個正交移動軸，決定物體的位置；三個繞坐標軸 的轉動，決定物體的姿態(tài)變化。 稱六個自由度機器

3、人為滿自由度機器人滿自由度機器人，少于六個自由度機器人為欠自由度機器人欠自由度機器人， 多于六個自由度機 器人為冗余自由度機器人冗余自由度機器人。 一般機器人的機身和手臂構成前三個關節(jié)，具有三個自由度，可確定手部在空間的位置，所構成的機構稱位置機構位置機構； 手腕和手部構成后三個關節(jié)，具有三個自由度，可確定手部在空間的姿態(tài)，所構成的機構稱之為姿態(tài)機構姿態(tài)機構。 位置機構確定機器人的 空間工作范圍， 其運動稱為 主運動主運動 。 圖圖2-3 PUMA操作機的各個自由度操作機的各個自由度 1機座機座 2腰部腰部 3臂部臂部 4腕部腕部 5手部手部2）機器人的運動范圍指機器人手腕在空間運動圖形及其大

4、小，運動范圍取決于臂部的自由度。 （1）直移型：）直移型：直線運動L 伸縮運動E （2）回轉型：）回轉型：扭角運動T 擺角運動R1）定義：）定義： 手腕部坐標系原點PW能在空間活動的最大活動范圍。又稱可達空間 ，或總工作空間，記W(PW) 。 直角坐標機器人的直角坐標機器人的工作空間工作空間示意圖示意圖 圓柱坐標機器人的圓柱坐標機器人的工作空間示意圖工作空間示意圖 球坐標機器人的球坐標機器人的工作空間示意圖工作空間示意圖 PUMA機器人機器人工作空間示意圖工作空間示意圖 靈活工作空間靈活工作空間：末端執(zhí)行器可以任意姿態(tài)達到 的工作空間，記作WP(P)。 類靈活工作空間以全方位到達， 類靈活工作

5、空間只能以有限個方位到達。次靈活工作空間次靈活工作空間：總工作空間去掉靈活工作空 間的部分，WS(P)。 W(P)總工作空間的邊界點所對應的機器人的位置和姿態(tài)，及機器人工作空間內部使機械產(chǎn)生干涉的位置和姿態(tài)。 1）正問題：正問題：給出某一結構形式和結構參數(shù)的操作機以及關節(jié)變量的變化范圍，求工作空間，稱工作空間分析。 2）逆問題：逆問題：給出某一限定的工作空間，求操作機的結構形式，參數(shù)和關節(jié)變量的變化范圍，稱工作空間的綜合 。（1）解析法解析法 用數(shù)學模型計算工作空間的邊界（2）圖解法圖解法 國標規(guī)定了工作空間的幾何作圖法 結構限制分析 畫出工作空間的主剖面（xoz剖面） 畫出工作空間的俯視剖面

6、（xoy剖面）1、機身和臂部的作用2、機身和臂部機構設計的特點3、機身結構4、臂部結構1）機身定義機身定義：機身是連接、支承手臂及行走機構的部件 作用作用：臂部的驅動裝置或傳動裝置安裝在機身上。 類型類型：機身有固定式和行走式兩種。2）手臂定義手臂定義：手臂部件是連接機身和手腕的部件。 作用作用：支承腕部和手部，帶動手及腕在空間運動。 特點特點：結構類型多、受力復雜。1）剛度）剛度 ：為了得到較高的精度，機器人機身和手臂的機械結構剛度比強度更重要。剛度可分為結構剛度、支承剛度、伺服剛度等。 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀與尺寸； 提高支承剛度和接觸剛度； 合理布置作用力的位置和方向； 2）精度

7、）精度 ：機器人的精度可分為絕對精度和重復定位精度。機器人終端執(zhí)行器（手部）的精度與臂和機身的位置精度密切相關。影響機器人精度的因素有： 剛度 制造和裝配精度 手腕部在手臂上的連接和定位方式 運動部件的導向精度3）平穩(wěn)性）平穩(wěn)性 ：機身和臂部的運動多、質量較大、當負荷大且高速運行時，由于運動狀態(tài)變化，將產(chǎn)生沖擊和振動。應采取有效的緩沖裝置以吸收沖擊能量。 運動部件力求結構緊湊、重量輕； 減少重心布置不當而造成的偏心附加力矩；4）其他：）其他：對特殊要求的要有相應措施，如防爆、防塵、防水、防真空、防輻射、防腐蝕等。 機身是支承手、臂且?guī)溥\動的部件，由于機器人的運動形式、使用條件 、負荷能力各不

8、相同，所采用的驅動裝置，傳動機構、導向裝置亦不同，使機器人機身有很大差異，結構十分復雜。 分類分類: 1)橫梁式橫梁式 2)立柱式立柱式 3)屈伸式屈伸式 4)類人型類人型;垂直平面屈伸垂直平面屈伸水平平面屈伸水平平面屈伸（SCARA）空間屈伸空間屈伸基座與立柱結構圖基座與立柱結構圖 PUMA-262型機器人 臂部主要包括臂桿，以及自身屈伸、伸縮、自轉等運動有關的傳動、驅動、導向定位、支錄、位置檢測元件等，主要結構有： 伸縮型伸縮型 伸縮與旋轉型伸縮與旋轉型 屈伸型屈伸型 彈性手臂彈性手臂 柔性手臂柔性手臂手臂的結構形式(a)、 (b) 單臂式; (c) 雙臂式； (d) 懸掛式 雙臂機器人的

9、手臂結構 手臂俯仰驅動缸安置示意圖 鉸接活塞缸實現(xiàn)手臂俯仰運動結構示意圖 1、 概述概述2、手部手部機構機構3、腕部機構、腕部機構 （1）手部：手部：是最重要的執(zhí)行機械，工業(yè)機器人 手部可分為： 1.夾持類 2.吸附類 （2）腕部腕部： 1.完成手部的俯仰，擺動和旋轉； 2.智能機器人腕部具有力、力矩傳感器。1）夾鉗式手部的組成 手指手指 傳動機構傳動機構 驅動裝置驅動裝置夾鉗式手部的組成 斜楔杠桿式手部 雙支點連桿杠桿式手部 齒條齒輪杠桿式手部 直線平移型手部 四連桿機構平移型手部結構 真空吸附取料手 開閉范圍開閉范圍； 夾緊力夾緊力； 定位精度定位精度； 結構緊湊，重量輕，效率高結構緊湊，

10、重量輕，效率高； 通用性和可換性通用性和可換性；氣動換接器與專用末端操作器庫 專用末端操作器庫 多工位末端操作器換接裝置(a) 棱錐型； (b) 棱柱型 手指形狀手指形狀V型手指 尖、薄、長型手指 平面型手指 特型手指 指面形狀指面形狀 光滑柔性 齒形 手指材料手指材料 設計要點設計要點 傳力比； 傳動效率； 傳動比； 精度； 動作范圍； 回轉型回轉型 斜楔杠桿式 連桿杠桿式 滑槽杠桿式 齒輪、齒條杠桿式 平移型平移型 平面平行移動機構 直線往復移動機構 鉤托式鉤托式 彈簧式彈簧式 氣吸式氣吸式 磁吸式磁吸式 撓性撓性貝貝 爾爾 格格 萊萊 德德 手手 指指這這是是一一個個典典型型的的類類人人

11、手手指指 1）關節(jié)的作用和分類 作用：作用：關節(jié)將機器人的各構件連接起來，機器人各構件間的相對運動，通過驅動、傳動裝置在各關節(jié)上實現(xiàn)的。主要有運動傳遞和力 傳遞。 分類分類：旋轉型關節(jié)和直線移動型關節(jié)腕關節(jié)在機器人中很重要，以下主要討論腕關節(jié)。 力求結構緊湊，重量輕：力求結構緊湊，重量輕：關節(jié)的結構、重量、動力載荷直接影響機器人的結構、重量和性能。 尤其是腕關節(jié)， 處于手臂的末端 有2-3個自由度和驅動裝置 需較大的力矩和盡量輕的重量 綜合考慮，合理布局：綜合考慮，合理布局： 需要考慮強度、剛度、制造、裝配、精度和、控制可靠性。 須考慮腕部的工作條件須考慮腕部的工作條件 如高低溫、腐蝕性、防暴

12、、防塵、防滲。單自由度手腕二自由度手腕三自由度手腕單自由度手腕SCARA機器人機器人二自由度手腕 r = (A B )/2 p = (A + B )/2Pitch-Roll 球形二自由度手腕匯交式兩自由度手腕偏置式兩自由度手腕 三自由度手腕垂直相交三自由度手腕匯交型三自由度手腕球形匯交型三自由度手腕偏交型三自由度手腕回形偏交型三自由度手腕PT-600型弧焊機器人手腕結構圖 KUKA IR-662/100型機器人手腕裝配圖 1 概述2運行車式行走機構 機器人可分為固定型固定型和行走型行走型 兩種。工業(yè)機器人一般為固定式，而目前在開發(fā)研制的海洋水下機器人，原子能工業(yè)、空間機器人、軍用機器人，都將是

13、可移動的。海洋水下機器人核工業(yè)原子能反應唯用機器人空間機器人軍用機器人醫(yī)療福利機器人服務機器人移動式搬運機器人移動式固定式工業(yè)機器人焊接噴漆上下料機器人輪式移動（包括履帶式）機器人步行移動（多足）機器人推進器或噴射式移動機器人可移動機器人驅動裝置傳動裝置位置檢測傳感器 行走部機構包括（1）車輪式行走機構（2）履帶式行走機構（3）步行式行走機構1）車輪式動作穩(wěn)定，自動操縱簡單，在FMS或自動倉庫中作搬運小車用得 較多，適合室內平地行走。2）車輪式行走機構有3輪，4輪，或6輪等3）車輪式行走機構采用的轉向機構：采用自位輪和主動輪差動轉向將會有角度誤差。采用驅動轉向輪，靜止狀態(tài)阻力大。三輪車型移動機

14、器人機構 三組輪 四輪車的驅動機構和運動 三角輪系的機構圖 全方位移動車的移動方式(a) 全方位方式； (b) 轉彎方式; (c) 旋轉方式; (d) 制動方式 履帶式行走機構適合于野外作業(yè)，軍用機器人，及各種勘探及探險，適應各種地形，爬坡可達45，可以爬樓梯。適應地形的履帶 1）概述2）四腳和多腳步行機構3）腳-車混合行走機構4）兩腳步行式行走機構 可在高低不平的地段上行走。 腳的主動性可保持平衡，不隨地面晃動。 在柔軟的地面上運動、效率不顯著降低?；鹦翘綔y用小漫游車 靜步行：機器人重心始終落在支持于地面的幾只腳所圈成的多邊形面積內。動步行：有時重心落在支撐面積外，利用重力和慣性力，作為步行

15、的動力，步行速度快、耗能少。 步行機器人的腳數(shù)從兩腳到七腳，靜步行須四腳以上，各腳的自由度數(shù)不少于3個。 對于四腳以上的步行機構，若腳擺動機構的速度為V，則腳落地時間與離地時間比為： ：為腳占定因數(shù) k：為機器人腳數(shù)故四腳的最大行走速度（靜步行）而六腳的最大行走速度則為 1kk333331kkkkk333maxVKVVVVV1max四腳步行機器人步態(tài)2 13 42 13 42 13 42 13 41）優(yōu)點：）優(yōu)點：有最好的適應性，與人類相似的優(yōu)越性。人類幻想的高級智能機器人的行走機構。2）控制：）控制： 無論是靜步行或動步行，控制都困難，猶如倒擺測出各物理量，控制機構連桿的相對角利用腳尖在地面

16、上的反作用力測重心的位置3）靜、動步行）靜、動步行八自由度兩腳步行機器人步行特征八自由度兩腳步行機器人步行特征1、 機器人的驅動機構機器人的驅動機構2、機器人的傳動機構、機器人的傳動機構 驅動裝置是使機器人各部件動作的動力源，目前常見的有： （1）液壓驅動 （2）氣壓驅動 （3）電機驅動 （4）其他驅動方式 1）液壓驅動：液壓驅動：是高壓油作為工作介質，推動直線或旋轉的油缸進行工作的, 在一個液壓驅動系統(tǒng)中其主要的部件如下： 直線液壓缸直線液壓缸：在高壓油的作用下，可作直線往復運動， 擺動缸：擺動缸：在高壓油的作用下可產(chǎn)生一定角度的擺動。 電液伺服閥：電液伺服閥：可精確地控制油路的開關、并可控

17、制供油量的大小，以便對液壓缸進行精確的控制，并可以根據(jù)位置傳感器和速度傳感器反饋的信號進行閉環(huán)控制。 2) 應用：應用： 目前在負荷較大的搬運機器人和噴涂機器人應用較多。 在所有的驅動方式中，氣壓驅動是最簡單的，在工業(yè)中應用很廣，其組成與液壓驅動相似。 可以用機械的檔次實現(xiàn)點到點的控制，并能達到較高的精度, 雖然達到高精度的伺服控制較難，但目前已經(jīng)用微處理機直接控制的氣動馬達，定位精度在1mm。 在機器人中主要用于各種氣動手爪，以及小型機器人的驅動。電動驅動在機器人中的應用可以分成三種： 直流電機組成伺服控制系統(tǒng)； 交流（或）無刷直流電機組成伺服控制系統(tǒng)；步進電機驅動的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。 （4

18、）其他驅動方式氣囊式人工肌肉磁致伸縮驅動形狀記憶合金（SMA）驅動器壓電晶體驅動器新型的驅動方式新型的驅動方式1. 1. 磁致伸縮驅動磁致伸縮驅動鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變, , 其長度和體其長度和體積都要發(fā)生微小的變化積都要發(fā)生微小的變化, , 這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。2020世紀世紀6060年年代發(fā)現(xiàn)某些稀土元素在低溫時磁伸率達代發(fā)現(xiàn)某些稀土元素在低溫時磁伸率達300030001010- 6- 610 10 0000001010-6-6, ,人們開始關注研究有適用價值的大磁致伸縮材料。人們開始關注研究有適用價值的大磁致伸

19、縮材料。 研究發(fā)現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn),TbFe,TbFe2 2( (鋱鐵鋱鐵) )、SmFeSmFe2 2( (釤鐵釤鐵) )、DyFeDyFe2 2( (鏑鐵鏑鐵) )、 HoFeHoFe2 2( (鈥鐵鈥鐵) )、TbDyFeTbDyFe2 2( (鋱鏑鐵鋱鏑鐵) )等稀土鐵系化合物不僅磁致等稀土鐵系化合物不僅磁致伸縮值高伸縮值高, , 而且居里點高于室溫而且居里點高于室溫, , 室溫磁致伸縮值為室溫磁致伸縮值為100010001010- -6 6250025001010-6-6, , 是傳統(tǒng)磁致伸縮材料如鐵、鎳等的是傳統(tǒng)磁致伸縮材料如鐵、鎳等的1010100100倍。倍。 這類材料被稱為稀土超磁致

20、伸縮材料這類材料被稱為稀土超磁致伸縮材料(Rear Earth Gia(Rear Earth Giant MagnetoStrictive Materials, 縮寫為縮寫為RE-GMSM)。 這一現(xiàn)象已用于制造具有微英寸量級位移能力的直線電機。這一現(xiàn)象已用于制造具有微英寸量級位移能力的直線電機。 為使這種驅動器工作為使這種驅動器工作, , 要將被磁性線圈覆蓋的磁致伸縮小棒的要將被磁性線圈覆蓋的磁致伸縮小棒的兩端固定在兩個架子上。當磁場改變時兩端固定在兩個架子上。當磁場改變時, , 會導致小棒收縮或伸會導致小棒收縮或伸展展, , 這樣其中一個架子就會相對于另一個架子產(chǎn)生運動。這樣其中一個架子就

21、會相對于另一個架子產(chǎn)生運動。 一一個與此類似的概念是用壓電晶體來制造具有毫微英寸量級位移個與此類似的概念是用壓電晶體來制造具有毫微英寸量級位移的直線電機。的直線電機。 美國波士頓大學已經(jīng)研制出了一臺使用壓電微電機驅動的美國波士頓大學已經(jīng)研制出了一臺使用壓電微電機驅動的機器人機器人“機器螞蟻機器螞蟻”。 “機器螞蟻機器螞蟻”的每條腿是長的每條腿是長1 mm或不到或不到1 mm的硅桿，的硅桿， 通過不帶傳動裝置的壓電微電機來驅動通過不帶傳動裝置的壓電微電機來驅動各條腿運動。各條腿運動。 這種這種“機器螞蟻機器螞蟻”可用在實驗室中收集放射性可用在實驗室中收集放射性的塵埃以及從活著的病人體中收取患病的

22、細胞。的塵埃以及從活著的病人體中收取患病的細胞。 2. 2. 形狀記憶金屬形狀記憶金屬有一種特殊的形狀記憶合金叫做有一種特殊的形狀記憶合金叫做Biometal(Biometal(生物金屬生物金屬), ), 它它是一種專利合金是一種專利合金, , 在達到特定溫度時縮短大約在達到特定溫度時縮短大約4%4%。 通過改變通過改變合金的成分可以設計合金的轉變溫度合金的成分可以設計合金的轉變溫度, , 但標準樣品都將溫度設但標準樣品都將溫度設在在9090左右。左右。 在這個溫度附近在這個溫度附近, , 合金的晶格結構會從馬氏體合金的晶格結構會從馬氏體狀態(tài)變化到奧氏體狀態(tài)狀態(tài)變化到奧氏體狀態(tài), ,并因此變短

23、。然而并因此變短。然而, ,與許多其他形狀記與許多其他形狀記憶合金不同的是憶合金不同的是, ,它變冷時能再次回到馬氏體狀態(tài)。如果線材它變冷時能再次回到馬氏體狀態(tài)。如果線材上負載低的話上負載低的話, ,上述過程能夠持續(xù)變化數(shù)十萬個循環(huán)。實現(xiàn)這上述過程能夠持續(xù)變化數(shù)十萬個循環(huán)。實現(xiàn)這種轉變的常用熱源來自于當電流通過金屬時種轉變的常用熱源來自于當電流通過金屬時,金屬因自身的電金屬因自身的電阻而產(chǎn)生的熱量。結果是阻而產(chǎn)生的熱量。結果是, ,來自電池或者其他電源的電流輕易來自電池或者其他電源的電流輕易就能使生物金屬線縮短。這種線的主要缺點在于它的總應變僅就能使生物金屬線縮短。這種線的主要缺點在于它的總應

24、變僅發(fā)生在一個很小的溫度范圍內發(fā)生在一個很小的溫度范圍內, ,因此除了在開關情況下以外因此除了在開關情況下以外, , 要精確控制它的拉力很困難要精確控制它的拉力很困難, ,同時也很難控制位移。同時也很難控制位移。 （5）驅動方式的選擇 機器人驅動器要求啟動力矩大、調速范圍寬、慣量小 選擇驅動方式：負荷為2000N以下采用電動驅動方式 小功率點位控制采用氣動驅動方式 大功率大力矩采用液壓驅動方式選擇驅動器容量：額定速度時的額定功率 關節(jié)加減速時加速功率 最不利形位時的負載力矩 1）常用傳動機構類型和特點(1) 齒輪類傳動：主要有齒輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條 優(yōu)點：響應快、扭矩大、剛性好缺點：傳動有間

25、隙、故回差大，精度低 應用：腰、腕關節(jié)(2) 鏈索類傳動：主要有鏈條、齒形帶、鋼帶優(yōu)點：無間隙、剛度與張緊裝置有關，力矩較大缺點：速比小，齒形帶和鋼帶適用于小負載應用：腕關節(jié) 使絲杠與螺母之間由滑動摩擦度為滾動摩擦的一種螺旋轉動在數(shù)控機床和機器人中應用較為廣泛。(1)結構組成： 滾珠絲杠螺母副可分為內循環(huán)和外循環(huán)兩種。為消除回差，螺母分成兩段，采用雙螺母預緊消除間隙的方式，以墊片、鎖緊螺母、齒差調整兩段螺母的相對位置。(2)特點：摩擦系數(shù)小且動靜摩擦系數(shù)差小，效率高且逆?zhèn)鲃有室哺?，靈敏度高、傳動平移、磨損小、壽命長。滾球絲杠副 (1) 原理和結構三大基本構件：剛輪、柔輪、波發(fā)生器剛輪固定時減

26、速比： 剛輪固定時減速比：Zb ：柔輪齒數(shù) Zg ：剛輪齒數(shù)bgbzzzibggzzzi113優(yōu)點：傳動比大，單級可為50300，兩級可達 20000。傳動平穩(wěn)，承載力高。多齒嚙合磨 損小，傳動效率可達0.85，傳動精度高。 回差小，一般可小于 ，實現(xiàn)無回 差傳動。缺點：杯式柔輪剛度較低。諧波齒輪傳動 (1)工作原理：由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線輪減速器組合而成。(2)特點：除了諧波傳動優(yōu)點外，最顯著的特點是剛性好。工業(yè)機器人常用傳動方式的比較與分析工業(yè)機器人常用傳動方式的比較與分析 PUMA 562機器人的傳動示意圖 1.有關負荷方面的性能指標：有關負荷方面的性能指標：(1) 額定負荷：在正常運行條件下施加到手腕部的 最大負荷的容許值，包括末端執(zhí)行 器、附件和慣性力。(2)限定負荷：機器人機構部分不發(fā)生破壞或不出 故障時手腕外所能承受的最大負荷。(3)最大推力和最大扭矩：指單軸的最大推力或最 大扭矩(1) 自由度(2) 單軸最大工作范圍和工作速度(3) 合成速度：表現(xiàn)為手腕中心的線速度(1)工作空間(2)靈活度：表示機器人在工作空間各點抓取物 體的靈活程度。用末桿位姿圖最能 直觀而準確地表示這一特點。(1)位姿精度(2)距離精度(3)軌跡精度 前三項統(tǒng)稱定位精度(4)位置重復精度(1)