第四章工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院目 錄第一章 機(jī)械制造及裝備設(shè)計(jì)方法第二章 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)第三章 典型部件設(shè)計(jì)第七章 機(jī)械加工生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)第五章 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)第四章 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)第六章 物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院第四章第四章 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)第三節(jié)第三節(jié) 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第四節(jié)第四節(jié) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五節(jié)第五節(jié) 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)工業(yè)

2、機(jī)器人的設(shè)計(jì)第六節(jié)第六節(jié) 工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.1 4.1 概述概述 一、工業(yè)機(jī)器人的定義及工作原理一、工業(yè)機(jī)器人的定義及工作原理二、工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類二、工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類三、工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法三、工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法四、工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方法四、工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方法機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義及工作原理工業(yè)機(jī)器人的定義及工作原理（一）機(jī)器人的定義（一）機(jī)器人的定義 我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1264390將工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人 定義

3、為定義為“是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多 功能、多自由度的操作機(jī) ，能搬運(yùn)材料、工 件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。（二）工業(yè)機(jī)器人的基本工作原理（二）工業(yè)機(jī)器人的基本工作原理 工業(yè)機(jī)器人的基本工作原理：通過操作機(jī)上 各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)手部作業(yè)的 動(dòng)作功能及技術(shù)要求。 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.1.2 工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類（一）工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成（一）工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成 操作機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元、控制裝置 圖圖1 1、2 2（二）工業(yè)機(jī)器人的分類（二）工業(yè)機(jī)器人的分類 按機(jī)械結(jié)構(gòu)類型分類：按機(jī)械結(jié)構(gòu)類型分類：關(guān)節(jié)型機(jī)器人、球坐 標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐

4、標(biāo)型機(jī)器人、直角坐標(biāo) 型機(jī)器人。 圖圖3 3 按用途分類：按用途分類：焊接機(jī)器人、沖壓機(jī)器人、澆 注機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆 機(jī)器人、切削加工機(jī)器人、 檢測機(jī)器人等。 還有按控制方式、機(jī)器人的功能水平等分類方式。 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.1.3 工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法（一）坐標(biāo)系（一）坐標(biāo)系 坐標(biāo)系按右手確定 圖圖4 4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的確定：關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的確定： 圖圖5 5 確定基準(zhǔn)狀態(tài)； 關(guān)節(jié)坐標(biāo)軸軸線位置的選取； 關(guān)節(jié)坐標(biāo)方向的選取。（二）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型（二）機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 用結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式和自由度表示。（三）作業(yè)空間（三）作業(yè)空

5、間 機(jī)器人的工作空間機(jī)器人的工作空間/6/6（四）其他特性（四）其他特性 用途、負(fù)載、速度、控制、分辨率等。 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.1.4 工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方法工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方法（一）工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法（一）工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法 與機(jī)床設(shè)計(jì)方法基本相同，但具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容、 設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)技術(shù)有很大差別。 工業(yè)機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)可分為分析式設(shè)計(jì)和 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。（二）設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟（二）設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟 總體設(shè)計(jì)：總體設(shè)計(jì)：基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)、總體方案設(shè)計(jì) 詳細(xì)設(shè)計(jì)：詳細(xì)設(shè)計(jì)：裝配圖設(shè)計(jì)、零件圖設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 總體評(píng)價(jià)：總體評(píng)價(jià)：檢測其是否能滿足所需設(shè)計(jì)指

6、標(biāo)的要 求機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.2 4.2 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 一、工業(yè)機(jī)器人的位姿描述一、工業(yè)機(jī)器人的位姿描述二、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程二、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程三、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)三、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)四、工業(yè)機(jī)器人的工作空間解釋四、工業(yè)機(jī)器人的工作空間解釋五、工業(yè)機(jī)器人的軌跡五、工業(yè)機(jī)器人的軌跡 解析解析機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.2.1 工業(yè)機(jī)器人的位姿描述工業(yè)機(jī)器人的位姿描述工業(yè)機(jī)器人的位姿是工業(yè)機(jī)器人的位姿是指其末端執(zhí)行器在指定坐標(biāo)系中的 位置和姿態(tài)。（一）作業(yè)功能姿態(tài)描述法（一）作業(yè)功能姿態(tài)描述法 圖圖

7、7 7 所謂用作業(yè)動(dòng)作功能要求來描述機(jī)器人位姿，就 是直接用末端執(zhí)行器和機(jī)座之間的齊次坐標(biāo)變換 來描述。（二）運(yùn)動(dòng)功能姿態(tài)描述法（二）運(yùn)動(dòng)功能姿態(tài)描述法 坐標(biāo)變換：坐標(biāo)變換：坐標(biāo)系采用右手系坐標(biāo) 運(yùn)動(dòng)矩陣：運(yùn)動(dòng)矩陣：機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是坐標(biāo)運(yùn)動(dòng) ，坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)可以用齊次坐標(biāo)變換矩陣 表示。機(jī)器人末端執(zhí)行器與機(jī)座之間 的相對運(yùn)動(dòng)可以用運(yùn)動(dòng)矩陣來表示。 三自由度機(jī)器人三自由度機(jī)器人/8/8機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.2.2 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程機(jī)器人的位姿可以用運(yùn)動(dòng)功能矩陣To,m來描述，它可以展開為：To,m= To,1T1,2 To,m= To,1T1,

8、2 Ti-1,iTi-1,iTn-1,n Tn ,Tm Tn-1,n Tn ,Tm 此式是一個(gè)矩陣表達(dá)的方程式，也稱機(jī)器人的位姿運(yùn)動(dòng)方程。若機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量為已知，則可以根據(jù)上式求出末端執(zhí)行器在基座坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.2.3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)可采用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)可采用分析式設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法。（一）分析式設(shè)計(jì)方法步驟如下：（一）分析式設(shè)計(jì)方法步驟如下： （1）根據(jù)作業(yè)運(yùn)動(dòng)功能的要求，確定機(jī)器人末端 執(zhí)行器應(yīng)達(dá)到的位置和姿態(tài)，即建立作業(yè)功能位 姿矩陣； （2）對作業(yè)動(dòng)作功能進(jìn)行分析，

9、寫出運(yùn)動(dòng)功能矩 陣； （3）給出各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量，求出機(jī)器人的實(shí)際工作 空間及姿態(tài)，也可用作圖法求解； （4）校核所求出的實(shí)際工作空間及姿態(tài)是否滿足 步驟（1）的設(shè)計(jì)要求。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.2.3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)（二）創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法步驟如下：（二）創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法步驟如下： （1）根據(jù)作業(yè)動(dòng)作功能要求，建立作業(yè)功能位姿 矩陣； （2）分析作業(yè)功能位姿矩陣的特征，設(shè)定相應(yīng)的 運(yùn)動(dòng)功能矩陣； （3）解方程式，即可得到運(yùn)動(dòng)功能方案。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.2.4 工業(yè)機(jī)器人的工作空間解析工業(yè)機(jī)器人的工作空間解析機(jī)器人的

10、運(yùn)動(dòng)功能及相關(guān)尺寸參數(shù)確定后，給出各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍可以通過解位姿運(yùn)動(dòng)方程式，求出機(jī)器人的實(shí)際工作空間，同時(shí)檢驗(yàn)其姿態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。由各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量求機(jī)器人的位置和姿態(tài)，稱為機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解析學(xué)解析。機(jī)器人的工作空間，還可以用作圖法作圖法/11/11進(jìn)行解析。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.2.5 工業(yè)機(jī)器人的軌跡解析工業(yè)機(jī)器人的軌跡解析當(dāng)作業(yè)動(dòng)作功能所要求機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡已知，即作業(yè)功能位置矩陣已知，則運(yùn)動(dòng)矩陣就確定了。各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量的計(jì)算是機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)必需的。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院4.3 4.3 工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)

11、機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、工業(yè)機(jī)器人的速度和加速度分析一、工業(yè)機(jī)器人的速度和加速度分析二、工業(yè)機(jī)器人的靜力分析二、工業(yè)機(jī)器人的靜力分析三、工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力分析三、工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力分析四、工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、驅(qū)動(dòng)方式選擇五、驅(qū)動(dòng)方式選擇機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.3.1 工業(yè)機(jī)器人的速度和加速度分析工業(yè)機(jī)器人的速度和加速度分析（一）構(gòu)件的速度和加速度分析（一）構(gòu)件的速度和加速度分析 機(jī)器人操作機(jī)是由若干構(gòu)件通過其間的關(guān) 節(jié)聯(lián)接而成的。末端執(zhí)行器上的參考點(diǎn)P 相對于機(jī)座坐標(biāo)系的的速度，可通過相應(yīng) 位置變量對時(shí)間的微分而得到。（二）較速度和角加速

12、度分析（二）較速度和角加速度分析 在末端執(zhí)行器上所夾持的工件角速度是所 有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角速度的矢量和。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.3.2 工業(yè)機(jī)器人的靜力分析工業(yè)機(jī)器人的靜力分析機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其末端執(zhí)行器上將作用有工作阻力（力矩），而機(jī)器人中的各驅(qū)動(dòng)器則對各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)施加驅(qū)動(dòng)力矩，驅(qū)使操作機(jī)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行機(jī)器人操作機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，往往首先進(jìn)行初步的靜力分析，為操作機(jī)的方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。作用在操作機(jī)上的靜力，是由末端執(zhí)行器開始自上編號(hào)桿件向下編號(hào)桿件遞推的。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.3.3 工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力分析工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)位姿問題類似，動(dòng)力學(xué)

13、分析也可分正問題和逆問題。正問題和逆問題。正問題正問題用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和仿真研究。逆問題逆問題是控制其設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。到目前為止，還沒有一種算法在計(jì)算速度上能達(dá)到實(shí)時(shí)控制的要求，因而這個(gè)領(lǐng)域的研究工作十分活躍。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.3.4 工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)器人操作機(jī)是由若干個(gè)構(gòu)件和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)各種機(jī)械傳動(dòng)裝置減速后驅(qū)動(dòng)負(fù)載。機(jī)器人中常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人中常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行星齒輪傳動(dòng)等。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械

14、工程學(xué)院 4.3.4 工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）諧波齒輪減速裝置（一）諧波齒輪減速裝置 （1）工作原理 圖圖1616 齒發(fā)生器齒發(fā)生器/17/17 （2）傳動(dòng)比計(jì)算 （3）諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng)/18/18 帶環(huán)形柔輪的諧波減速傳動(dòng)（二）鋼帶傳動(dòng)裝置（二）鋼帶傳動(dòng)裝置 結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高，是無間隙傳動(dòng)， 傳動(dòng)精度高。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.3.5 驅(qū)動(dòng)方式選擇驅(qū)動(dòng)方式選擇工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是帶動(dòng)操作機(jī)各運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)力源。常用的驅(qū)動(dòng)方式常用的驅(qū)動(dòng)方式包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓、氣動(dòng)三

15、種。（一）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式（一）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 應(yīng)用類型大致分為應(yīng)用類型大致分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、 流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、 噪聲較低、起動(dòng)力矩大等。（二）液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)方式（二）液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)方式 目前，簡易經(jīng)濟(jì)型、重型機(jī)器人和噴漆機(jī)器人 考慮液壓驅(qū)動(dòng)方式，輕負(fù)荷的搬運(yùn)，上、下料 點(diǎn)操作的工業(yè)機(jī)器人考慮氣壓驅(qū)動(dòng)方式。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院4.4 4.4 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座一、工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座二、工業(yè)機(jī)器人的手腕二、工業(yè)

16、機(jī)器人的手腕三、工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器三、工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.1 工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動(dòng)裝置組成。工業(yè)機(jī)器人的手臂工業(yè)機(jī)器人的手臂由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連接桿件構(gòu)成，用以支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的位置。（一）設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)要求 (1)(1)手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任 務(wù)提出的工作空間要求； 合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料， 減輕自重； 減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng) 速度； 提高運(yùn)動(dòng)的

17、精確性和運(yùn)動(dòng)剛度。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.1 工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座（一）設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)要求 (2)(2)機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作 時(shí)的穩(wěn)定性； 機(jī)座承受機(jī)器人全部重量和工作載荷，應(yīng)保 證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力； 機(jī)座軸系及傳動(dòng)鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行 器的運(yùn)動(dòng)精度影響最大。 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.1 工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座（二）典型結(jié)構(gòu)（二）典型結(jié)構(gòu) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂和 機(jī)座結(jié)構(gòu) 圖圖2525 PUMA機(jī)器人手臂的

18、結(jié)構(gòu) 圖圖2929 帶諧波減速器的機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖圖3131 視頻視頻1010、1111、1212、1313、1414、1515、1616 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.2 工業(yè)機(jī)器人的手腕工業(yè)機(jī)器人的手腕手腕手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能功能是在手臂和機(jī)座實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，再由手腕來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度/32/32。（一）設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)要求 力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，為減輕其質(zhì)量和 體積； 自由度愈多，運(yùn)動(dòng)范圍愈大，動(dòng)作靈活性愈 高，機(jī)器人對作業(yè)的適應(yīng)能力愈強(qiáng)； 提高

19、傳動(dòng)剛度，盡量減少反轉(zhuǎn)誤差； 對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機(jī) 械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.2 工業(yè)機(jī)器人的手腕工業(yè)機(jī)器人的手腕（二）手腕的結(jié)構(gòu)（二）手腕的結(jié)構(gòu) 用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu) 圖圖3333 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.3 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器（一）分類和設(shè)計(jì)要求（一）分類和設(shè)計(jì)要求 根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸 附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。 設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，要求：設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，要求： 滿足作業(yè)需要的足夠的夾

20、持力和所需的夾持位置精 度； 盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，以 減輕手臂的負(fù)荷。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.3 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器（二）機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)（二）機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械夾持器多為雙指手爪式雙指手爪式。 按其手爪的運(yùn)動(dòng)方式按其手爪的運(yùn)動(dòng)方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型。 回轉(zhuǎn)型手爪回轉(zhuǎn)型手爪又分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。 按夾持方式按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式。 按驅(qū)動(dòng)方式按驅(qū)動(dòng)方式可以有電動(dòng)、液壓和氣動(dòng)。 滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器/42/42 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大

21、學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.4.3 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器（三）吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)（三）吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），有氣吸式和 磁吸式兩種。它們分別是利用吸盤內(nèi)負(fù)壓產(chǎn)生 的吸力或磁力來吸住并移動(dòng)工作的。 （1 1）氣吸式吸盤氣吸式吸盤/47/47 擠壓排氣式吸盤 電流負(fù)壓式吸盤 真空泵排氣式吸盤 （2 2）磁吸式吸盤）磁吸式吸盤 分為電磁吸盤和永磁吸盤機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.5 4.5 工業(yè)機(jī)器人的控制工業(yè)機(jī)器人的控制 一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成二、工業(yè)

22、機(jī)器人的位置伺服控制二、工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制三、工業(yè)機(jī)器人其它控制方式三、工業(yè)機(jī)器人其它控制方式四、機(jī)器人智能技術(shù)四、機(jī)器人智能技術(shù)機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.5.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成位置控制位置控制是機(jī)器人最基本的控制任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成形式取決于機(jī)器人所要執(zhí)行的任務(wù)及描述任務(wù)的層次。第一控制層次第一控制層次為人工智能級(jí)第二控制層為第二控制層為控制模式級(jí)。動(dòng)力學(xué)方面的困難在于：動(dòng)力學(xué)方面的困難在于：因?yàn)槟Ｐ蛥?shù)的誤差，建立精確的動(dòng)力學(xué)模型實(shí)際上是不可能的；即使能夠考慮這些誤差，模型將包含數(shù)以千計(jì)的參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算不可能；控制對模

23、型變換的響應(yīng)。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.5.2 工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制伺服系統(tǒng)的構(gòu)成方法伺服系統(tǒng)的構(gòu)成方法大體分為關(guān)節(jié)伺服和坐標(biāo)伺服。（一）關(guān)節(jié)伺服控制（一）關(guān)節(jié)伺服控制 關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)把每一個(gè)關(guān)節(jié)作為單純的單數(shù)入 單輸出系統(tǒng)來處理，所以結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)在工業(yè) 機(jī)器人大部分由這種關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)來控制。（二）作業(yè)坐標(biāo)伺服控制（二）作業(yè)坐標(biāo)伺服控制 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)/54/54 對軟件伺服來說，取樣時(shí)間較短，所以是工業(yè) 機(jī)器人經(jīng)常采用的方法。對系統(tǒng)增益進(jìn)行調(diào)節(jié) 比較簡單。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.5.3 工業(yè)

24、機(jī)器人其它控制方式工業(yè)機(jī)器人其它控制方式（一）工業(yè)機(jī)器人的自適應(yīng)控制（一）工業(yè)機(jī)器人的自適應(yīng)控制 （1）模型參考自適應(yīng)控制 （2）自校正適應(yīng)控制 自校正適應(yīng)控制系統(tǒng)自校正適應(yīng)控制系統(tǒng)/57/57機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.5.3 工業(yè)機(jī)器人其它控制方式工業(yè)機(jī)器人其它控制方式（二）工業(yè)機(jī)器人的力控制（二）工業(yè)機(jī)器人的力控制 剛性臂剛性臂是由n個(gè)剛性桿件組成的機(jī)構(gòu)，這里是 桿件從基座開始串聯(lián)接的開式鏈類型。 位置/力混合控制系統(tǒng)示意圖。 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 4.5.4 機(jī)器人智能技術(shù)機(jī)器人智能技術(shù)從功能上來講，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。即第一代機(jī)器人即第一代機(jī)器人（包括順序控制機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)器人）、第二代機(jī)器人）、第二代機(jī)器人（也稱感覺控制機(jī)器人）以及第三代機(jī)器人第三代機(jī)器人（即智能機(jī)器人）。智能機(jī)器人是指能按照人工智能決定行動(dòng)的機(jī)器人。圖示系統(tǒng)分為五個(gè)子系統(tǒng)：圖示系統(tǒng)分為五個(gè)子系統(tǒng)：照明和光學(xué)系統(tǒng)、