工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

1、工業(yè)機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)機(jī)器人的組成機(jī)器人的組成機(jī)器人的組成部分機(jī)器人的組成部分機(jī)械部分傳感部分控制部分機(jī)器人的組成系統(tǒng)機(jī)器人的組成系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)感受系統(tǒng)機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)組成人機(jī)交互系統(tǒng)控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)概念：概念：要使機(jī)器人運(yùn)行起來, 需給各個關(guān)節(jié)即每個運(yùn)動自由度安置傳動裝置1、驅(qū)動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)作用：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力 驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、 氣動傳動、電動傳動, 或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng); 可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒

2、輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動。機(jī)身部分機(jī)身部分手臂部分手臂部分末端操作器末端操作器關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)3、感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內(nèi)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(jī)器人的機(jī)動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。1、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。2、工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)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。也可以是多臺機(jī)器人、多臺機(jī)床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。4、機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)5、人機(jī)交互系統(tǒng) 人機(jī)

3、交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置。 該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。6、控制系統(tǒng) 是根據(jù)程序和反饋信息控制機(jī)器人動作的中心。分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。 機(jī)器人的基本工作原理是示教再現(xiàn)；示教也稱導(dǎo)引，即由用機(jī)器人的基本工作原理是示教再現(xiàn)；示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過戶導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動參數(shù)工藝程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動參數(shù)工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行

4、全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個啟動命令，機(jī)器人將精確地按示教動作，后，只需給機(jī)器人一個啟動命令，機(jī)器人將精確地按示教動作，一步步完成全部操作；一步步完成全部操作； 冗余自由度機(jī)器人 利用冗余自由度可以增利用冗余自由度可以增加機(jī)器人的靈活性、躲避障加機(jī)器人的靈活性、躲避障礙物和改善動力性能。人礙物和改善動力性能。人的手臂的手臂(大臂、小臂、大臂、小臂、 手腕手腕)共有七個自由度共有七個自由度, 所以工所以工作起來很靈巧作起來很靈巧,手部可回手部可回避障礙而從不同方向到達(dá)避障礙而從不同方向到達(dá)同一個目的點(diǎn)。同一個目的點(diǎn)。 定位精度（定位精度（Positioning accuracy）

5、：）：指指機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。重復(fù)性（重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度）或重復(fù)精度：在相同的位置指令在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。集程度，即重復(fù)度。oo3工作范圍工作范圍:工作空間（工作空間（Working space）：）：機(jī)器人機(jī)器人手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不包括末端操作器）所能到達(dá)的所有空包括末端操作

6、器）所能到達(dá)的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。所能到達(dá)的區(qū)域。4工作速度：工作速度： 指機(jī)器人各個方向的移動速度或轉(zhuǎn)動速度。這些速度可以相同，可以不同不同。5承載能力：承載能力： 表表1.3 PUMA 562機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù) 圖 1.17 PUMA 562工業(yè)機(jī)器人 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝置置( (一般為減速器一般為減速器) )，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運(yùn)動。，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運(yùn)動。 機(jī)

7、器人一般有兩種運(yùn)動關(guān)節(jié)機(jī)器人一般有兩種運(yùn)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移( (直直) )動動關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)。 為了進(jìn)行位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和為了進(jìn)行位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對于伺服電機(jī)度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對于伺服電機(jī)驅(qū)動，檢測元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)動，則常驅(qū)動，檢測元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。 驅(qū)動驅(qū)動傳動系統(tǒng)的構(gòu)成傳動系統(tǒng)

8、的構(gòu)成1 1電動驅(qū)動器電動驅(qū)動器 電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。動比較困難。 電動驅(qū)動器又可分為直流電動驅(qū)動器又可分為直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服電機(jī)伺服電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。 直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成

9、為機(jī)器人的主要驅(qū)動器。取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動器。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。驅(qū)動器的類型和特點(diǎn)驅(qū)動器的類型和特點(diǎn)2. 液壓驅(qū)動器液壓驅(qū)動器 液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)

10、動泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。 3氣動驅(qū)動器氣動驅(qū)動器 氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1)液壓容易達(dá)到較高的壓力(常用液壓為2.56.3MPa)，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較

11、高的位置精度；3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動控制；4)液壓系統(tǒng)采用油作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動液壓傳動系統(tǒng)的不足：液壓傳動系統(tǒng)的不足：1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高；3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會引起故障。氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)：特點(diǎn)：1)壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速(1m/s)；2)利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動力設(shè)備

12、；3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；4)氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動不足：不足：1)壓縮空氣常用壓力為0.40.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大；2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難；3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。電動機(jī)驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動分為普通交流電動機(jī)驅(qū)動，交、直流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重

13、型機(jī)器人。伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)輸出力矩相對小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。交、直流伺服電動機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機(jī)則主要用于開換控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。 如何選取驅(qū)動器如何選取驅(qū)動器 驅(qū)動器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格驅(qū)動器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為100 kg以以下的下的, ,可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動驅(qū)動

14、器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場合，可采用氣動驅(qū)動器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅(qū)動器?？刹捎靡簤候?qū)動器。 對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。制動器制動器許多機(jī)器人的機(jī)械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動器，其作用是：在機(jī)器人停止工作時，保持機(jī)械臂的位置不變；在電源發(fā)生故障時，保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。制動器通常是按照失效抱閘方式工作的，即要放松制動器就必須接通電源，否則，

15、各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運(yùn)動。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時起保護(hù)作用。缺點(diǎn)是：工作期間不斷花費(fèi)電力使制動器放松。機(jī)器人手部分類功能形態(tài)工業(yè)機(jī)器人手部仿人機(jī)器人手部握持原理夾鉗式吸附式手指傳動機(jī)構(gòu)V型指平面指尖指特形指回轉(zhuǎn)型平移型平面平移直線往復(fù)磁吸氣吸真空吸負(fù)壓吸擠壓吸機(jī)械手的坐標(biāo)形式機(jī)械手的坐標(biāo)形式1. 直角坐標(biāo)笛卡兒坐標(biāo)臺架型直角坐標(biāo)笛卡兒坐標(biāo)臺架型(3P)優(yōu)點(diǎn)：很容易通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，容易達(dá)到高精度。缺點(diǎn)：妨礙工作, 且占地面積大, 運(yùn)動速度低, 密封性不好。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間示意圖 2. 圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型(R2P) 優(yōu)點(diǎn)：且計(jì)算簡單; 直線部分可采用液壓驅(qū)動,可輸出較大的動力;

16、 能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部。 缺點(diǎn)：它的手臂可以到達(dá)的空間受到限制, 不能到達(dá)近立柱或近地面的空間; 直線驅(qū)動部分難以密封、防塵; 后臂工作時, 手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。3. 球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型(2RP) 特點(diǎn)：中心支架附近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封, 覆蓋工作空間較大。 但該坐標(biāo)復(fù)雜, 難于控制, 且直線驅(qū)動裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問題。4. 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型關(guān)節(jié)坐標(biāo)型/擬人型擬人型(3R)關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的, 類似于人的手臂,工業(yè)機(jī)器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜。關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人5. 平面關(guān)節(jié)型平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè),

17、最顯著的特點(diǎn)是它們在x-y平面上的運(yùn)動具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強(qiáng)的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機(jī)器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作空間 小結(jié)小結(jié)工業(yè)機(jī)器人的幾種坐標(biāo)形式關(guān)節(jié)坐標(biāo)型平面關(guān)節(jié)型注意：注意：不同的書上，運(yùn)動簡圖的符號表示可能不一樣。不同的書上，運(yùn)動簡圖的符號表示可能不一樣。（a）表示手指（末端執(zhí)行器）；）表示手指（末端執(zhí)行器）；（b）表示垂直、升降運(yùn)動；）表示垂直、升降運(yùn)動；（c）表示水平伸縮運(yùn)動；）表示水平伸縮運(yùn)動；（d）表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動；）表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動；（e）表示俯仰運(yùn)動。）表示俯仰運(yùn)動。附：工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)附：工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)式直角坐

18、標(biāo)式圓柱坐標(biāo)式圓柱坐標(biāo)式球坐標(biāo)式球坐標(biāo)式123456123456關(guān)節(jié)坐標(biāo)式關(guān)節(jié)坐標(biāo)式（a）直接驅(qū)動型）直接驅(qū)動型（b）平行連桿型）平行連桿型（c）偏置型）偏置型（d）平面型）平面型機(jī)器人手部特點(diǎn)與分類手部特點(diǎn)：與手腕相連可拆卸，電、氣、液接口，根據(jù)對象不同可以方便拆卸更換；末端執(zhí)行器，手，爪，工具；通用性差，專用裝置，某類工件某項(xiàng)作業(yè)任務(wù)；獨(dú)立部件，機(jī)身、手臂和手部，完成作業(yè)好壞以及柔性作業(yè)好壞的關(guān)鍵部件；機(jī)器人的手部是是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機(jī)器人的工業(yè)機(jī)器人的手部手部和仿人機(jī)器人的手部仿人機(jī)器人的手部。常用的手部按其握持原理可以分為夾夾持類持類和吸附類吸附類兩大類

19、。（一）夾鉗式手部 常用形式，由手指（手爪）、驅(qū)動裝置、傳動機(jī)構(gòu)和承接支架組成，通過手爪開閉動作實(shí)現(xiàn)夾持；手指 直接與物件接觸，張開與閉合實(shí)現(xiàn)了對物件的松開和夾緊； 適當(dāng)?shù)拈_閉范圍，足夠握力，相應(yīng)精度； 通常兩個手指，或三個，結(jié)構(gòu)形式取決于被夾持工件的形狀和特性；V形指：圓柱形，平面指：方形工件；尖指：小型或柔性工件；專用：形狀不規(guī)則工件；手指面 根據(jù)工件形狀、大小、及被夾持部位材質(zhì)軟硬、表面性質(zhì)不同，有光滑值面、齒形指面和柔性指面； 光滑指面：指面平整光滑，已加工表面受損 齒形指面：指面有齒紋，毛坯或半成品，增加摩擦力，確保夾緊可靠； 柔性指面：指面鑲襯橡膠、泡沫、石棉等，夾持已加工表面、熾熱件，或薄壁件或脆性工件，增加摩擦，保護(hù)工件表面，隔熱等；（二）吸附式手部 依靠吸附力取料，分氣吸附和磁吸附兩種，適用于爪取大平面、易碎、微小物體； 氣吸式手部是常用的一種吸持式裝置，利用吸盤內(nèi)壓力和大氣壓力差工作，由吸盤、吸盤架及進(jìn)排