第四章工業(yè)機器人設計

1、機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院機械制造裝備設計機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院目 錄第一章 機械制造及裝備設計方法第二章 金屬切削機床設計第三章 典型部件設計第七章 機械加工生產線總體設計第五章 機床夾具設計第四章 工業(yè)機器人設計第六章 物流系統(tǒng)設計機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院第四章第四章 工業(yè)機器人設計工業(yè)機器人設計第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 工業(yè)機器人運動功能設計工業(yè)機器人運動功能設計第三節(jié)第三節(jié) 工業(yè)機器人傳動系統(tǒng)設計工業(yè)機器人傳動系統(tǒng)設計 第四節(jié)第四節(jié) 工業(yè)機器人的機械機構系統(tǒng)設計工業(yè)機器人的機械機構系統(tǒng)設計第五節(jié)第五節(jié) 工業(yè)機器人的設計工業(yè)

2、機器人的設計第六節(jié)第六節(jié) 工業(yè)機器人在機械制造系統(tǒng)中的應用工業(yè)機器人在機械制造系統(tǒng)中的應用機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.1 4.1 概述概述 一、工業(yè)機器人的定義及工作原理一、工業(yè)機器人的定義及工作原理二、工業(yè)機器人的構成及分類二、工業(yè)機器人的構成及分類三、工業(yè)機器人的主要特性表示方法三、工業(yè)機器人的主要特性表示方法四、工業(yè)機器人的基本設計方法四、工業(yè)機器人的基本設計方法機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.1.1 工業(yè)機器人的定義及工作原理工業(yè)機器人的定義及工作原理（一）機器人的定義（一）機器人的定義 我國國家標準GB/T1264390將工業(yè)機器人工業(yè)機器人 定義

3、為定義為“是一種能自動控制、可重復編程、多 功能、多自由度的操作機 ，能搬運材料、工 件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。（二）工業(yè)機器人的基本工作原理（二）工業(yè)機器人的基本工作原理 工業(yè)機器人的基本工作原理：通過操作機上 各運動構件的運動，自動的實現(xiàn)手部作業(yè)的 動作功能及技術要求。 機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.1.2 工業(yè)機器人的構成及分類工業(yè)機器人的構成及分類（一）工業(yè)機器人的構成（一）工業(yè)機器人的構成 操作機、驅動單元、控制裝置 圖圖1 1、2 2（二）工業(yè)機器人的分類（二）工業(yè)機器人的分類 按機械結構類型分類：按機械結構類型分類：關節(jié)型機器人、球坐 標型機器人、圓柱坐

4、標型機器人、直角坐標 型機器人。 圖圖3 3 按用途分類：按用途分類：焊接機器人、沖壓機器人、澆 注機器人、搬運機器人、裝配機器人、噴漆 機器人、切削加工機器人、 檢測機器人等。 還有按控制方式、機器人的功能水平等分類方式。 機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.1.3 工業(yè)機器人的主要特性表示方法工業(yè)機器人的主要特性表示方法（一）坐標系（一）坐標系 坐標系按右手確定 圖圖4 4 關節(jié)坐標系的確定：關節(jié)坐標系的確定： 圖圖5 5 確定基準狀態(tài)； 關節(jié)坐標軸軸線位置的選?。?關節(jié)坐標方向的選取。（二）機械結構類型（二）機械結構類型 用結構坐標形式和自由度表示。（三）作業(yè)空間（三）作業(yè)空

5、間 機器人的工作空間機器人的工作空間/6/6（四）其他特性（四）其他特性 用途、負載、速度、控制、分辨率等。 機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.1.4 工業(yè)機器人的基本設計方法工業(yè)機器人的基本設計方法（一）工業(yè)機器人的設計方法（一）工業(yè)機器人的設計方法 與機床設計方法基本相同，但具體的設計內容、 設計要求和設計技術有很大差別。 工業(yè)機器人總體方案的設計可分為分析式設計和 創(chuàng)成式設計。（二）設計內容與步驟（二）設計內容與步驟 總體設計：總體設計：基本技術參數(shù)設計、總體方案設計 詳細設計：詳細設計：裝配圖設計、零件圖設計、控制系統(tǒng) 設計 總體評價：總體評價：檢測其是否能滿足所需設計指

6、標的要 求機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.2 4.2 工業(yè)機器人運動功能設計工業(yè)機器人運動功能設計 一、工業(yè)機器人的位姿描述一、工業(yè)機器人的位姿描述二、工業(yè)機器人運動方程二、工業(yè)機器人運動方程三、工業(yè)機器人的運動功能設計三、工業(yè)機器人的運動功能設計四、工業(yè)機器人的工作空間解釋四、工業(yè)機器人的工作空間解釋五、工業(yè)機器人的軌跡五、工業(yè)機器人的軌跡 解析解析機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.2.1 工業(yè)機器人的位姿描述工業(yè)機器人的位姿描述工業(yè)機器人的位姿是工業(yè)機器人的位姿是指其末端執(zhí)行器在指定坐標系中的 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)動作功能要求來描述機器人位姿，就 是直接用末端執(zhí)行器和機座之間的齊次坐標變換 來描述。（二）運動功能姿態(tài)描述法（二）運動功能姿態(tài)描述法 坐標變換：坐標變換：坐標系采用右手系坐標 運動矩陣：運動矩陣：機器人各個關節(jié)的運動都是坐標運動 ，坐標運動可以用齊次坐標變換矩陣 表示。機器人末端執(zhí)行器與機座之間 的相對運動可以用運動矩陣來表示。 三自由度機器人三自由度機器人/8/8機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.2.2 工業(yè)機器人的運動方程工業(yè)機器人的運動方程機器人的位姿可以用運動功能矩陣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 此式是一個矩陣表達的方程式，也稱機器人的位姿運動方程。若機器人各個關節(jié)運動量為已知，則可以根據(jù)上式求出末端執(zhí)行器在基座坐標系中的位置和姿態(tài)。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.2.3 工業(yè)機器人的運動功能設計工業(yè)機器人的運動功能設計機器人運動功能設計可采用機器人運動功能設計可采用分析式設計方法和創(chuàng)成式設計方法。（一）分析式設計方法步驟如下：（一）分析式設計方法步驟如下： （1）根據(jù)作業(yè)運動功能的要求，確定機器人末端 執(zhí)行器應達到的位置和姿態(tài)，即建立作業(yè)功能位 姿矩陣； （2）對作業(yè)動作功能進行分析，

9、寫出運動功能矩 陣； （3）給出各關節(jié)運動量，求出機器人的實際工作 空間及姿態(tài)，也可用作圖法求解； （4）校核所求出的實際工作空間及姿態(tài)是否滿足 步驟（1）的設計要求。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.2.3 工業(yè)機器人的運動功能設計工業(yè)機器人的運動功能設計（二）創(chuàng)成式設計方法步驟如下：（二）創(chuàng)成式設計方法步驟如下： （1）根據(jù)作業(yè)動作功能要求，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，設定相應的 運動功能矩陣； （3）解方程式，即可得到運動功能方案。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.2.4 工業(yè)機器人的工作空間解析工業(yè)機器人的工作空間解析機器人的

10、運動功能及相關尺寸參數(shù)確定后，給出各關節(jié)的運動范圍可以通過解位姿運動方程式，求出機器人的實際工作空間，同時檢驗其姿態(tài)是否滿足設計要求。由各關節(jié)的運動量求機器人的位置和姿態(tài)，稱為機器人的正運動機器人的正運動學解析學解析。機器人的工作空間，還可以用作圖法作圖法/11/11進行解析。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.2.5 工業(yè)機器人的軌跡解析工業(yè)機器人的軌跡解析當作業(yè)動作功能所要求機器人末端執(zhí)行器的運動軌跡已知，即作業(yè)功能位置矩陣已知，則運動矩陣就確定了。各關節(jié)運動量的計算是機器人控制程序設計必需的。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院4.3 4.3 工業(yè)機器人傳動系統(tǒng)設計工業(yè)

11、機器人傳動系統(tǒng)設計 一、工業(yè)機器人的速度和加速度分析一、工業(yè)機器人的速度和加速度分析二、工業(yè)機器人的靜力分析二、工業(yè)機器人的靜力分析三、工業(yè)機器人的動力分析三、工業(yè)機器人的動力分析四、工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)設計四、工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)設計五、驅動方式選擇五、驅動方式選擇機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.3.1 工業(yè)機器人的速度和加速度分析工業(yè)機器人的速度和加速度分析（一）構件的速度和加速度分析（一）構件的速度和加速度分析 機器人操作機是由若干構件通過其間的關 節(jié)聯(lián)接而成的。末端執(zhí)行器上的參考點P 相對于機座坐標系的的速度，可通過相應 位置變量對時間的微分而得到。（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 有回轉關節(jié)的角速度的矢量和。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.3.2 工業(yè)機器人的靜力分析工業(yè)機器人的靜力分析機器人進行作業(yè)時，其末端執(zhí)行器上將作用有工作阻力（力矩），而機器人中的各驅動器則對各運動關節(jié)施加驅動力矩，驅使操作機運動。進行機器人操作機設計時，往往首先進行初步的靜力分析，為操作機的方案和結構設計提供依據(jù)。作用在操作機上的靜力，是由末端執(zhí)行器開始自上編號桿件向下編號桿件遞推的。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.3.3 工業(yè)機器人的動力分析工業(yè)機器人的動力分析與運動學位姿問題類似，動力學

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器人的運動分析和仿真研究。逆問題逆問題是控制其設計的基本依據(jù)。到目前為止，還沒有一種算法在計算速度上能達到實時控制的要求，因而這個領域的研究工作十分活躍。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.3.4 工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)設計工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)設計機器人操作機機器人操作機是由若干個構件和關節(jié)組成的多自由度空間機構，其運動都是由驅動器經各種機械傳動裝置減速后驅動負載。機器人中常用的機械傳動機構機器人中常用的機械傳動機構有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動等。機械制造裝備設計大連理工大學 機械

14、工程學院 4.3.4 工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)設計工業(yè)機器人的傳動系統(tǒng)設計（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）傳動比計算 （3）諧波減速器在機器人中的應用 帶杯形柔輪的諧波傳動帶杯形柔輪的諧波傳動/18/18 帶環(huán)形柔輪的諧波減速傳動（二）鋼帶傳動裝置（二）鋼帶傳動裝置 結構簡單、傳動效率高，是無間隙傳動， 傳動精度高。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.3.5 驅動方式選擇驅動方式選擇工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是帶動操作機各運動副的動力源。常用的驅動方式常用的驅動方式包括電動機驅動、液壓、氣動三

15、種。（一）電動機驅動方式（一）電動機驅動方式 應用類型大致分為應用類型大致分為普通交、直流電動機驅動、 流伺服電動機驅動、交流伺服電動機驅動、步 進電動機驅動等。 優(yōu)點優(yōu)點：不需能量轉換、控制靈活、使用方便、 噪聲較低、起動力矩大等。（二）液壓和氣壓驅動方式（二）液壓和氣壓驅動方式 目前，簡易經濟型、重型機器人和噴漆機器人 考慮液壓驅動方式，輕負荷的搬運，上、下料 點操作的工業(yè)機器人考慮氣壓驅動方式。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院4.4 4.4 工業(yè)機器人的機械結構系統(tǒng)設計工業(yè)機器人的機械結構系統(tǒng)設計 一、工業(yè)機器人的手臂和機座一、工業(yè)機器人的手臂和機座二、工業(yè)機器人的手腕二、工業(yè)

16、機器人的手腕三、工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器三、工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.4.1 工業(yè)機器人的手臂和機座工業(yè)機器人的手臂和機座工業(yè)機器人機械結構系統(tǒng)工業(yè)機器人機械結構系統(tǒng)由機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。工業(yè)機器人的手臂工業(yè)機器人的手臂由動力關節(jié)和連接桿件構成，用以支承和調整手腕和末端執(zhí)行器的位置。（一）設計要求（一）設計要求 (1)(1)手臂結構設計要求手臂結構設計要求 手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任 務提出的工作空間要求； 合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質材料， 減輕自重； 減小驅動裝置的負荷，提高手臂運動的響應 速度； 提高運動的

17、精確性和運動剛度。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.4.1 工業(yè)機器人的手臂和機座工業(yè)機器人的手臂和機座（一）設計要求（一）設計要求 (2)(2)機座結構設計要求機座結構設計要求 要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作 時的穩(wěn)定性； 機座承受機器人全部重量和工作載荷，應保 證足夠的強度、剛度和承載能力； 機座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行 器的運動精度影響最大。 機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.4.1 工業(yè)機器人的手臂和機座工業(yè)機器人的手臂和機座（二）典型結構（二）典型結構 電動機驅動機械傳動圓柱坐標型機器人手臂和 機座結構 圖圖2525 PUMA機器人手臂的

18、結構 圖圖2929 帶諧波減速器的機器人手臂關節(jié)結構 圖圖3131 視頻視頻1010、1111、1212、1313、1414、1515、1616 機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.4.2 工業(yè)機器人的手腕工業(yè)機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座實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標的基礎上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)坐標，即實現(xiàn)三個旋轉自由度三個旋轉自由度/32/32。（一）設計要求（一）設計要求 力求手腕部件的結構緊湊，為減輕其質量和 體積； 自由度愈多，運動范圍愈大，動作靈活性愈 高，機器人對作業(yè)的適應能力愈強； 提高

19、傳動剛度，盡量減少反轉誤差； 對手腕回轉各關節(jié)軸上要設置限位開關和機 械擋塊，以防止關節(jié)超限造成事故。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.4.2 工業(yè)機器人的手腕工業(yè)機器人的手腕（二）手腕的結構（二）手腕的結構 用擺動液壓缸驅動實現(xiàn) 回轉運動的手腕結構 圖圖3333 機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.4.3 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（一）分類和設計要求（一）分類和設計要求 根據(jù)用途和結構的不同可以分為根據(jù)用途和結構的不同可以分為機械式夾持器、吸 附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。 設計末端執(zhí)行器時，要求：設計末端執(zhí)行器時，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)行器結構簡單、緊湊，質量輕，以 減輕手臂的負荷。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.4.3 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（二）機械式夾持器的結構與設計（二）機械式夾持器的結構與設計 工業(yè)機器人中應用的機械夾持器多為雙指手爪式雙指手爪式。 按其手爪的運動方式按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉型。 回轉型手爪回轉型手爪又分為單支點回轉型和雙支點回轉型。 按夾持方式按夾持方式可分為外夾式和內撐式。 按驅動方式按驅動方式可以有電動、液壓和氣動。 滑槽杠桿式回轉型夾持器滑槽杠桿式回轉型夾持器/42/42 機械制造裝備設計大連理工大

21、學 機械工程學院 4.4.3 工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器（三）吸附式末端執(zhí)行器的結構與設計（三）吸附式末端執(zhí)行器的結構與設計 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負壓產生 的吸力或磁力來吸住并移動工作的。 （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械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.5 4.5 工業(yè)機器人的控制工業(yè)機器人的控制 一、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的構成一、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的構成二、工業(yè)

22、機器人的位置伺服控制二、工業(yè)機器人的位置伺服控制三、工業(yè)機器人其它控制方式三、工業(yè)機器人其它控制方式四、機器人智能技術四、機器人智能技術機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.5.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的構成工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的構成位置控制位置控制是機器人最基本的控制任務。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的構成形式取決于機器人所要執(zhí)行的任務及描述任務的層次。第一控制層次第一控制層次為人工智能級第二控制層為第二控制層為控制模式級。動力學方面的困難在于：動力學方面的困難在于：因為模型參數(shù)的誤差，建立精確的動力學模型實際上是不可能的；即使能夠考慮這些誤差，模型將包含數(shù)以千計的參數(shù)，實時計算不可能；控制對模

23、型變換的響應。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.5.2 工業(yè)機器人的位置伺服控制工業(yè)機器人的位置伺服控制伺服系統(tǒng)的構成方法伺服系統(tǒng)的構成方法大體分為關節(jié)伺服和坐標伺服。（一）關節(jié)伺服控制（一）關節(jié)伺服控制 關節(jié)伺服系統(tǒng)把每一個關節(jié)作為單純的單數(shù)入 單輸出系統(tǒng)來處理，所以結構簡單，現(xiàn)在工業(yè) 機器人大部分由這種關節(jié)伺服系統(tǒng)來控制。（二）作業(yè)坐標伺服控制（二）作業(yè)坐標伺服控制 模型參考自適應控制系統(tǒng)模型參考自適應控制系統(tǒng)/54/54 對軟件伺服來說，取樣時間較短，所以是工業(yè) 機器人經常采用的方法。對系統(tǒng)增益進行調節(jié) 比較簡單。機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.5.3 工業(yè)

24、機器人其它控制方式工業(yè)機器人其它控制方式（一）工業(yè)機器人的自適應控制（一）工業(yè)機器人的自適應控制 （1）模型參考自適應控制 （2）自校正適應控制 自校正適應控制系統(tǒng)自校正適應控制系統(tǒng)/57/57機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.5.3 工業(yè)機器人其它控制方式工業(yè)機器人其它控制方式（二）工業(yè)機器人的力控制（二）工業(yè)機器人的力控制 剛性臂剛性臂是由n個剛性桿件組成的機構，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。 機械制造裝備設計大連理工大學 機械工程學院 4.5.4 機器人智能技術機器人智能技術從功能上來講，機器人的發(fā)展已經經歷了三代。即第一代機器人即第一代機器人（包括順序控制機器人、示教再現(xiàn)機器人和數(shù)控機器人）、第二代機器人）、第二代機器人（也稱感覺控制機器人）以及第三代機器人第三代機器人（即智能機器人）。智能機器人是指能按照人工智能決定行動的機器人。圖示系統(tǒng)分為五個子系統(tǒng)：圖示系統(tǒng)分為五個子系統(tǒng)：照明和光學系統(tǒng)、