第十三章工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)

1、* *第十三章第十三章 工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu) 及其設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)13-1 概述概述13-2 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)13-3 機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析13-4 機(jī)器人操作機(jī)的靜力和動(dòng)力分析機(jī)器人操作機(jī)的靜力和動(dòng)力分析13-5 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)13-1 概概 述述 機(jī)器人是近40年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。 工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)器作業(yè)的準(zhǔn)確性和在各

2、種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。 機(jī)器人技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。 而機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)乃是機(jī)器人的主要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機(jī)械原理研究的主要內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例：l焊接作業(yè)l清洗作業(yè)l裝配作業(yè)l搬運(yùn)作業(yè)13-2 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)1工業(yè)機(jī)器人及操作機(jī) 工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制并可重新編程予以變動(dòng)的多功能機(jī)器。 它有多個(gè)自由度，可用來(lái)搬運(yùn)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(jī)器人的組成5自由度焊接機(jī)器人機(jī)器人

3、本體部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)控制裝置2）機(jī)器人各部分關(guān)系3）機(jī)器人各部分功能 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 是機(jī)器人賴(lài)以完成各種作業(yè)的主體部分。通常為開(kāi)式空間連桿機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作系統(tǒng)控制系統(tǒng)位行檢測(cè)智能系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)(2/5) 1）工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng) 及智能系統(tǒng)部分組成。 它由機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 控制系統(tǒng) 一般由示教操作盤(pán)或控制計(jì)算機(jī)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(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng)，

4、同時(shí)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(hào)）、工藝要求。外部相關(guān)設(shè)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(dòng)器使各桿能按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。智能系統(tǒng)（2）機(jī)器人操作機(jī)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分稱(chēng)為操作機(jī)。即由手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)組成。 傳動(dòng)有機(jī)械式、電氣式、液壓式、氣動(dòng)式和復(fù)合式等。而驅(qū)動(dòng)器有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)和液壓缸等。 驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)(3/5) 第二代為感覺(jué)型機(jī)器人。如有力覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)等，它具有對(duì)某些外界信號(hào)進(jìn)行反饋調(diào)整的能力。目前已進(jìn)入應(yīng)用階段。第三代為智能型

5、機(jī)器人。其尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。2操作機(jī)的主要類(lèi)型（1）直角坐標(biāo)型（PPP型)（2）圓柱坐標(biāo)型（PPR型）（3）球坐標(biāo)型（RRP型）（4）關(guān)節(jié)型 (RRR型）（3）工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程 可分為以下三代： 第一代為示教/再現(xiàn)型機(jī)器人。它主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多。工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)(4/5) 靈活度是指操作機(jī)末端執(zhí)行器在工作（如抓取物件）時(shí)，所能采取的姿態(tài)的多少。 自由度是用來(lái)確定手部相對(duì)機(jī)座的位置和姿態(tài)的獨(dú)立參數(shù)的數(shù)目。它等于操作機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目。由下式來(lái)計(jì)算。3操作機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)（1）自由度pfpinFiiiii

6、51516 自由度是反映操作機(jī)的通用性和適應(yīng)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前一般通用工業(yè)機(jī)器人大多為 5 自由度左右，已能滿(mǎn)足多種作業(yè)的要求。（2）工作空間即操作機(jī)的工作范圍。（3）靈活度 若能從各個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最大；若只能從一個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最小。工業(yè)機(jī)器人操作的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)工業(yè)機(jī)器人操作的分類(lèi)及主要技術(shù)指標(biāo)(5/5) 即為坐標(biāo)系 i 相對(duì)于坐標(biāo)系i-1的變換矩陣，此法稱(chēng)為D-H法。13-3 機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析1操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定（1）操作機(jī)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(lái)描述，或用該構(gòu)件的位姿

7、矩陣Mij來(lái)描述。（2）兩桿間的位置矩陣 桿i 相對(duì)與桿 i-1的位姿矩陣Mi-1,i，2操作機(jī)位置方程建立及求解M0iM01M02Mi-1,i即為操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。操作機(jī)的位姿矩陣方程為（1）操作機(jī)位姿方程的建立（2）操作機(jī)位姿方程的求解機(jī)器人操作機(jī)末端執(zhí)行器的位姿分析有兩類(lèi)基本問(wèn)題：1）位姿方程的正解 已知各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，求末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。2）位姿方程的逆解 根據(jù)已給定的滿(mǎn)足工作要求的末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 這是對(duì)機(jī)器進(jìn)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(yùn)動(dòng)，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(jī)的

8、正解例2 RRPR型操作機(jī)的逆解機(jī)器人操作的運(yùn)動(dòng)分析機(jī)器人操作的運(yùn)動(dòng)分析(2/2)13-5 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)是由機(jī)座、手臂、手腕及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)械裝置。 而從機(jī)器人完成作業(yè)的方式來(lái)看，操作機(jī)個(gè)是由手臂機(jī)構(gòu)、手腕機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)方案及其運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手臂機(jī)構(gòu)一般為23個(gè)自由度，要求可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、仰俯、升降或伸縮三種運(yùn)動(dòng)形式。 手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)其運(yùn)動(dòng)速度、精度及剛度的影響。2操作機(jī)手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手腕機(jī)構(gòu)一般為13個(gè)自由度，要求可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、偏擺或擺轉(zhuǎn)和仰俯三種運(yùn)動(dòng)形式。 手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要確定其結(jié)構(gòu)型式及機(jī)構(gòu)尺寸，并要注意誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。 為使其機(jī)構(gòu)緊湊，