伺服控制機器人課件

第二章機器人結(jié)構(gòu)§2.1機器人的組成和分類一、機器人的組成機械部分；傳感器(一個或多個)；控制器；驅(qū)動源。第二章機器人結(jié)構(gòu)§2.1機器人的組成和分類一、機器人的組成1第二章機器人結(jié)構(gòu)二、機器人的分類１、按機器人的控制方式分類２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類３、機器人常見的圖形符號第二章機器人結(jié)構(gòu)二、機器人的分類１、按機器人的控制方式分類2１、按機器人的控制方式分類按照機器人的控制類型和結(jié)構(gòu)坐標系特點分為：(1)非伺服機器人；(2)伺服控制機器人。１、按機器人的控制方式分類按照機器人的控制類型和結(jié)構(gòu)坐標系特3１、按機器人的控制方式分類非伺服機器人

非伺服機器人工作能力比較有限，機器人按照預先編好的程序順序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動。插銷板是用來預先規(guī)定機器人的工作順序，而且往往是可調(diào)的。定序器是一種按照預定的正確順序接通驅(qū)動裝置的能源。驅(qū)動裝置接通能源后，就帶動機器人的手臂、腕部和手部等裝置運動。當他們移動到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時，限位開關(guān)切換工作狀態(tài)，給定序器送去一個工作任務已經(jīng)完成的信號，并始終端制動器動作，切斷驅(qū)動能源，使機器人停止運動。１、按機器人的控制方式分類非伺服機器人非伺服機器人工作能力4１、按機器人的控制方式分類(2)伺服控制機器人伺服控制機器人比非伺服機器人有更強的工作能力。伺服系統(tǒng)的被控量可為機器人手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。通過傳感器取得反饋信號與來自給定裝置的綜合信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，進而帶動手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運動，到達規(guī)定的位置或速度等，這是一個反饋控制系統(tǒng)。１、按機器人的控制方式分類(2)伺服控制機器人伺服控制機器5１、按機器人的控制方式分類伺服控制機器人分為：(1)點位伺服控制；(2)連續(xù)軌跡伺服控制。１、按機器人的控制方式分類伺服控制機器人分為：6１、按機器人的控制方式分類點位伺服控制機器人的受控運動方式為從一個點位目標移向另一個點位目標，只在目標點上完成操作。機器人可以以最快的和最直接的路徑從一個端點移到另一端點。通常，點位伺服控制機器人能用于只有終端位置是重要而對編程點之間的路徑和速度不做主要考慮的場合。點位控制主要用于點焊、搬運機器人。１、按機器人的控制方式分類點位伺服控制機器人的受控運動方式為7１、按機器人的控制方式分類連續(xù)軌跡伺服控制機器人能夠平滑地跟隨某個規(guī)定的路徑，其軌跡往往是某條不在預編程端點停留的曲線路徑。連續(xù)軌跡伺服控制機器人具有良好的控制和運行特性，由于數(shù)據(jù)是依時間采樣的，而不是依預先規(guī)定的空間采樣，因此機器人的運行速度較快、功率較小、負載能力也較小。連續(xù)軌跡伺服控制機器人主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測機器人。１、按機器人的控制方式分類連續(xù)軌跡伺服控制機器人能夠平滑地跟8２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(1)直角坐標機器人；(2)圓柱坐標型機器人；(3)極坐標機器人；(4)多關(guān)節(jié)機器人。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(1)直角坐標機器人；9２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類直角坐標型機器人結(jié)構(gòu)如圖所示，它在x,y,z軸上的運動是獨立的。(1)直角坐標系機器人２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類直角坐標型機器人結(jié)構(gòu)如圖所10２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(2)圓柱坐標機器人圓柱坐標型機器人的結(jié)構(gòu)如右圖所示，R、θ和x為坐標系的三個坐標，其中R、是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果機器人手臂的徑向坐標R保持不變，機器人手臂的運動將形成一個圓柱表面。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(2)圓柱坐標機器人圓柱11２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(3)極坐標型機器人極坐標型機器人又稱為球坐標型機器人，其結(jié)構(gòu)如右圖所示，R，θ和β為坐標系的坐標。其中θ是繞手臂支撐底座垂直的轉(zhuǎn)動角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(3)極坐標型機器人極坐12２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(4)多關(guān)節(jié)機器人如右圖所示，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α和Φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，Φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(4)多關(guān)節(jié)機器人如右圖13右表總結(jié)了不同坐標結(jié)構(gòu)機器人的特點。右表總結(jié)了不同坐標結(jié)構(gòu)機器人的特點。14伺服控制機器人15３、機器人常見的圖形符號３、機器人常見的圖形符號16３、機器人常見的圖形符號３、機器人常見的圖形符號17３、機器人常見的圖形符號３、機器人常見的圖形符號18§2.2機器人的主要技術(shù)參數(shù)１．自由度２．工作空間３．工作速度４．工作載荷５．控制方式６．驅(qū)動方式７．精度、重復精度和分辨率§2.2機器人的主要技術(shù)參數(shù)１．自由度19１．自由度自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內(nèi)。機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個矛盾。工業(yè)機器人一般多為４～６個自由度，７個以上的自由度是冗余自由度，是用來避障礙物的。１．自由度自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器20１．自由度圖2-3所示的機器人，臂部在xO1y面內(nèi)有三個獨立運——升降(L1)、伸縮(L2)、和轉(zhuǎn)動(Φ1)，腕部在xO1y面內(nèi)有一個獨立的運動——轉(zhuǎn)動(Φ2)。機器人手部位置需要一個獨立變量——手部繞自身軸線O3C的旋轉(zhuǎn)Φ3。１．自由度圖2-3所示的機器人，臂部在xO1y面內(nèi)有三個獨立21２．工作空間機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達到的區(qū)域。機器人所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，則其運動圖形不同；而自由度的變化量(即直線運動的距離和回轉(zhuǎn)角度的大小)則決定著運動圖形的大小。２．工作空間機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安裝點所22３．工作速度工作速度是指機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。確定機器人手臂的最大行程后，根據(jù)循環(huán)時間安排每個動作的時間，并確定各動作同時進行或順序進行，就可確定各動作的運動速度。分配動作時間除考慮工藝動作要求外，還要考慮慣性和行程大小、驅(qū)動和控制方式、定位和精度要求。為了提高生產(chǎn)效率，要求縮短整個運動循環(huán)時間。運動循環(huán)包括加速度起動，等速運行和減速制動三個過程。過大的加減速度會導致慣性力加大，影響動作的平穩(wěn)和精度。為了保證定位精度，加減速過程往往占去較長時間。３．工作速度工作速度是指機器人在工作載荷條件下、勻速運動23４．工作載荷機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負載量(包括手部)。用質(zhì)量、力矩、慣性矩來表示。負載大小主要考慮機器人各運動軸上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由運動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。一般低速運行時，承載能力大，為安全考慮，規(guī)定在高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標。目前使用的工業(yè)機器人，其承載能力范圍較大，最大可大9KN。４．工作載荷機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的24５．控制方式機器人用于控制軸的方式，是伺服還是非伺服，伺服控制方式是實現(xiàn)連續(xù)軌跡還是點到點的運動。５．控制方式機器人用于控制軸的方式，是伺服還是非伺服，伺25６．驅(qū)動方式驅(qū)動方式是指關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動力源形式。６．驅(qū)動方式驅(qū)動方式是指關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動力源形式。26７．精度、重復精度和分辨率精度：一個位置相對于其參照系的絕對度量，指機器人手部實際到達位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復精度：在相同的運動位置命令下，機器人連續(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過的距離并不相同，而是在一平均值附近變化，該平均值代表精度，而變化的幅度代表重復精度。７．精度、重復精度和分辨率精度：一個位置相對于其參照系的絕對27７．精度、重復精度和分辨率分辨率：指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺設備的運動精度是指命令設定的運動位置與該設備執(zhí)行此命令后能夠達到的運動位置之間的差距，分辨率則反映了實際需要的運動位置和命令所能夠設定的位置之間的差距。７．精度、重復精度和分辨率分辨率：指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最28７．精度、重復精度和分辨率圖2-4給出了分辨率精度和重復精度的關(guān)系。工業(yè)機器人的精度、重復精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于機器人結(jié)構(gòu)的剛度、運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等因素。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不同回轉(zhuǎn)半徑時其直線分辨率是變化的，因此造成了機器人的精度難以確定。由于精度一般難測定，通常工業(yè)機器人只給出重復精度。７．精度、重復精度和分辨率圖2-4給出了分辨率精度和重復29７．精度、重復精度和分辨率表2-3為不同作業(yè)機器人要求的重復精度。７．精度、重復精度和分辨率表2-3為不同作業(yè)機器人要求的重復30７．精度、重復精度和分辨率圖2-5為一臺持重30Kg,供搬運、檢測、裝配用的圓柱坐標型工業(yè)機器人，這臺機器人的主要技術(shù)指標如下頁：７．精度、重復精度和分辨率圖2-5為一臺持重30Kg,供搬運31自由度：如圖a所示，共有三個基本關(guān)節(jié)1,2,3和兩個選用關(guān)節(jié)4,5；工作范圍：見圖b所示意；關(guān)節(jié)移動范圍及速度：A130002.10r/s

A2500mm600mm/sA3500mm1200mm/sA436002.10r/sA519001.05r/s重復定位誤差+/-0.05mm控制方式：五軸同時可控，點位控制；持重（最大伸長、最高速度下）：30kg驅(qū)動方式：三個基本關(guān)節(jié)由交流伺服電動機驅(qū)動，并采用增量式角位移檢測裝置。７．精度、重復精度和分辨率自由度：如圖a所示，共有三個基本關(guān)節(jié)1,2,3和兩個選用關(guān)節(jié)32§2.3機器人的機械結(jié)構(gòu)與運動一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成1.手部2.手腕3.臂部4.機身

§2.3機器人的機械結(jié)構(gòu)與運動一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成1.33一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成１．手部機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置了操作機構(gòu)，有時也稱為手爪或末端操作器．２．手腕聯(lián)接手部和手臂的部分，主要作用是改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂．３．臂部聯(lián)接機身和手腕的部分，主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機座．４．機身機器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用．對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面基礎(chǔ)上，對移動式機器人，則安裝在移動機構(gòu)上．一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成１．手部34二、機器人機構(gòu)的運動１．手臂的運動垂直移動徑向移動回轉(zhuǎn)運動２．手腕的運動(1)手腕旋轉(zhuǎn)(2)手腕彎曲(3)手腕側(cè)擺二、機器人機構(gòu)的運動１．手臂的運動２．手腕的運動35三、機身和臂部機構(gòu)１．機身結(jié)構(gòu)

機身是直接聯(lián)接、支承和傳動手臂及行走機構(gòu)的部件。它是由臂部運動(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機構(gòu)及有關(guān)的導向裝置、支撐件等組成。由于機器人的運動型式、使用條件、負載能力各不相同，所采用的驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、導向裝置也不同，致使機身結(jié)構(gòu)有很大差異。一般情況下，實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力愈復雜。機身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機構(gòu)，可沿地面或架空軌道運行。三、機身和臂部機構(gòu)１．機身結(jié)構(gòu)機身是直接聯(lián)接、支承和傳動36１．機身結(jié)構(gòu)常用的機身結(jié)構(gòu)：１）升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)２）俯仰型機身結(jié)構(gòu)３）直移型機身結(jié)構(gòu)４）類人機器人機身結(jié)構(gòu)１．機身結(jié)構(gòu)常用的機身結(jié)構(gòu)：37２．臂部結(jié)構(gòu)手臂部件(簡稱臂部)是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。機器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自轉(zhuǎn)等運動有關(guān)的構(gòu)件，如傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、導向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測元件等。此外，還有與腕部或手臂的運動和聯(lián)接支撐等有關(guān)的構(gòu)件、配管配線等。２．臂部結(jié)構(gòu)手臂部件(簡稱臂部)是機器人的主要執(zhí)行部件，38２．臂部結(jié)構(gòu)根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導向裝置的不同可分為：１）伸縮型臂部結(jié)構(gòu)２）轉(zhuǎn)動伸縮型臂部結(jié)構(gòu)３）驅(qū)伸型臂部結(jié)構(gòu)４）其他專用的機械傳動臂部結(jié)構(gòu)２．臂部結(jié)構(gòu)根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導向裝置的39３．機身和臂部的配置形式機身和臂部的配置形式基本上反映了機器人的總體布局。由于機器人的運動要求、工作對象、作業(yè)環(huán)境和場地等因素的不同，出現(xiàn)了各種不同的配置形式。目前常用的有如下幾種形式：（１）橫梁式（２）立柱式（３）機座式（４）驅(qū)伸式３．機身和臂部的配置形式機身和臂部的配置形式基本上反映了40３．機身和臂部的配置形式橫梁式：機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機器人的運動形式大多為移動式。它具有占地面積小，能有效利用空間，直觀等優(yōu)點。橫梁可設計成固定的或行走的，一般橫梁安裝在廠房原有建筑的柱梁或有關(guān)設備上，也可從地面架設。３．機身和臂部的配置形式橫梁式：機身設計成橫梁式，用于懸掛手41３．機身和臂部的配置形式立柱式：立柱式機器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運動型式，是一種常見的配置形式。一般臂部都可在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，具有占地面積小而工作范圍大的特點。立柱可固定安裝在空地上，也可以固定在床身上。立主式結(jié)構(gòu)簡單，服務于某種主機，承擔上、下料或轉(zhuǎn)運等工作。３．機身和臂部的配置形式立柱式：立柱式機器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯42３．機身和臂部的配置形式機座式：機身設計成機座式，這種機器人可以是獨立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可以隨意安放和搬動。也可以具有行走機構(gòu)，如沿地面上的專用軌道移動，以擴大其活動范圍。各種運動形式均可設計成機座式。３．機身和臂部的配置形式機座式：機身設計成機座式，這種機器人43３．機身和臂部的配置形式屈伸式：屈伸式機器人的臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂。屈伸臂與機身間的配置形式關(guān)系到機器人的運動軌跡，可以實現(xiàn)平面運動，也可以作空間運動。（圖見下頁）３．機身和臂部的配置形式屈伸式：屈伸式機器人的臂部由大小臂組44伺服控制機器人45四、手腕結(jié)構(gòu)

手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復雜的姿態(tài)。要確定手部的作業(yè)方向，一般需要三個自由度，這三個回轉(zhuǎn)方向為：１）臂轉(zhuǎn)繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)。２）手轉(zhuǎn)使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)。３）腕擺使手部相對于臂進行擺動。四、手腕結(jié)構(gòu)手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用46手腕結(jié)構(gòu)多為上述三個回轉(zhuǎn)方式的組合，組合的方式可以有多種形式如下圖所示：手腕結(jié)構(gòu)多為上述三個回轉(zhuǎn)方式的組合，組合的方式可以有多種形式47腕部結(jié)構(gòu)的設計要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、避免干涉。機器人多數(shù)將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在小臂上。首先設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去。運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。腕部結(jié)構(gòu)的設計要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、避免干涉。機48柔順手腕在用機器人進行精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件的不一致、工件的定位夾具、機器人的定位精度不能滿足裝配要求時，會導致裝配困難。這就提出了柔順性要求。柔順裝配技術(shù)有兩種：一種是從檢測、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，實現(xiàn)邊校正邊裝配。一種是從機械結(jié)構(gòu)的角度在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的要求。柔順手腕示意圖如下頁柔順手腕在用機器人進行精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件的不一49柔順手腕柔順手腕50五、手部機構(gòu)機器人的手部是是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機器人的手部和仿人機器人的手部。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類。五、手部機構(gòu)機器人的手部是是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，從功能和形51１.夾持類夾持類手部除常用的夾鉗式外，還有脫鉤式和彈簧式。此類手部按其手指夾持工件時的運動方式不同又可分為手指回轉(zhuǎn)型和指面平移型。１.夾持類夾持類手部除常用的夾鉗式外，還有脫鉤式和彈簧式52(1)夾鉗式夾鉗式是工業(yè)機器人最常用的一種手部形式,一般夾鉗式(見圖2-13所示)由以下幾部分組成:1)手指2)傳動機構(gòu)3)驅(qū)動裝置4)支架(1)夾鉗式夾鉗式是工業(yè)機器人最常用的一種手部形式,一般夾鉗53(1)夾鉗式手指:

它是直接與工件5接觸的構(gòu)件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開和閉合來實現(xiàn)的。一般情況下，機器人的手部只有兩個手指，少數(shù)有三個或多個手指。它們的結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。(1)夾鉗式手指:它是直接與工件5接觸的構(gòu)件。手部松開和夾54(1)夾鉗式１）指端的形狀①(1)夾鉗式１）指端的形狀①55(1)夾鉗式２）指面形式根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材料質(zhì)軟硬、表面性質(zhì)等的不同，手指的指面有光滑指面、齒型指面和柔性指面３種形式。３）手指的材料手指材料選用恰當與否，對機器人的使用效果有很大的影響。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。(1)夾鉗式２）指面形式56(1)夾鉗式傳動機構(gòu)：它是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。１）回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部，其手指就是一隊（或幾對）杠桿，再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構(gòu)組成復合式杠桿傳動機構(gòu)，來改變傳力比、傳動比及運動方向等。(1)夾鉗式傳動機構(gòu)：它是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和57(1)夾鉗式回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)(1)夾鉗式回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)58(1)夾鉗式２）平移型傳動機構(gòu)平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體等）。其結(jié)構(gòu)較復雜，不如回轉(zhuǎn)型應用廣泛。平移型傳動機構(gòu)據(jù)其結(jié)構(gòu)，大致可分平面平行移動機構(gòu)和直線往復移動機構(gòu)兩種類型。(1)夾鉗式２）平移型傳動機構(gòu)59(1)夾鉗式平移型傳動機構(gòu)(1)夾鉗式平移型傳動機構(gòu)60(1)夾鉗式驅(qū)動裝置：它是向傳動機構(gòu)提供動力的裝置。按驅(qū)動方式不同有液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動之分。支架：使手部與機器人的腕或臂相聯(lián)接。(1)夾鉗式驅(qū)動裝置：它是向傳動機構(gòu)提供動力的裝置。按驅(qū)動方61(2)鉤拖式手部主要特征是不靠夾緊力來夾持工件，而是利用手指對工件鉤、拖、捧等動作來拖持工件。應用鉤拖方式可降低驅(qū)動力的要求，簡化手部結(jié)構(gòu)，甚至可以省略手部驅(qū)動裝置。它適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)作低速移動的搬運工作，尤其對大型笨重的工件或結(jié)構(gòu)粗大而質(zhì)量較輕且易變形的工件更為有利。(2)鉤拖式手部主要特征是不靠夾緊力來夾持工件，而是利用62(2)鉤拖式手部無驅(qū)動裝置有驅(qū)動裝置(2)鉤拖式手部無驅(qū)動裝置63無驅(qū)動裝置(2)鉤拖式手部工作原理：手部在臂的帶動下向下移動，當手部下降到一定位置時齒條１下端碰到撞塊，臂部繼續(xù)下移，齒條便帶動齒輪２旋轉(zhuǎn)，手指３即進入工件鉤拖部位。手指拖持工件時，銷子４在彈簧力作用下插入齒條缺口，保持手指的鉤拖狀態(tài)并可使手臂攜帶工件離開原始位置。在完成鉤拖任務后，由電磁鐵將銷子向外拔出，手指又呈自由狀態(tài)，可繼續(xù)下個工作循環(huán)程序。無驅(qū)動裝置(2)鉤拖式手部工作原理：手部在臂的帶動下向下移動64(2)鉤拖式手部有驅(qū)動裝置工作原理：依靠機構(gòu)內(nèi)力來平衡工件重力而保持拖持狀態(tài)。驅(qū)動液壓缸５以較小的力驅(qū)動杠桿手指６和７回轉(zhuǎn)，使手指閉合至拖特工件的位置。手指與工件的接觸點均在其回轉(zhuǎn)支點O1、O2的外側(cè)，因此在手指拖持工件后，工件本身的重量不會使手指自行松脫。(2)鉤拖式手部有驅(qū)動裝置工作原理：依靠機構(gòu)內(nèi)力來平衡工件重65(2)鉤拖式手部彈簧式手部靠彈簧力的作用將工件夾緊，手部不需要專用的驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)簡單。它的使用特點是工件進入手指和從手指中取下工件都是強制進行的。由于彈簧力有限，故只適用于夾持輕小工件。(2)鉤拖式手部彈簧式手部靠彈簧力的作用將工件夾緊，手部66２．吸附類(1)氣吸式氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤（一個或幾個）、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點。廣泛應用于非金屬材料（如板材、紙張、玻璃等物體）或不可有剩磁的材料的吸附。氣吸式手部的另一個特點是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預定的位置精度要求不高；但要求工件上與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，被吸工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。氣吸式手部是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸。２．吸附類(1)氣吸式氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸67(1)氣吸式(1)氣吸式68(2)磁吸式磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附工件的，其應用較廣。磁吸式手部與氣吸式手部相同，不會破壞被吸收表面質(zhì)量。磁吸收式手部比氣吸收式手部優(yōu)越的方面是：有較大的單位面積吸力，對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。(2)磁吸式磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的69３.仿人機器人的手部目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有２個手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。因此取料不能適應物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法滿足對復雜形狀、不同材質(zhì)的物體實施夾持和操作。為了提高機器人手部和手腕的操作能力、靈活性和快速反應能力，使機器人能像人手一樣進行各種復雜的作業(yè)，就必須有一個運動靈活、動作多樣的靈巧手，即仿人手。３.仿人機器人的手部目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有２個70３.仿人機器人的手部（１）柔性手（２）多指靈活手３.仿人機器人的手部（１）柔性手71六、行走機構(gòu)行走機構(gòu)是行走機器人的重要執(zhí)行部件,它由驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。它一方面支承機器人的機身、臂部和手部，另一方面還根據(jù)工作任務的要求，帶動機器人實現(xiàn)在更廣闊的空間內(nèi)運動。一般而言，行走機器人的行走機構(gòu)主要有車輪式行走機構(gòu)、履帶式行走機構(gòu)和足式行走機構(gòu)，此外，還有不進式行走機構(gòu)、蠕動式行走機構(gòu)、混合式行走機構(gòu)和蛇行式行走機構(gòu)等，以適合于各種特別的場合。六、行走機構(gòu)行走機構(gòu)是行走機器人的重要執(zhí)行部件,它由驅(qū)動72１.車輪式行走機構(gòu)輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優(yōu)越的。（１）車輪的形式車輪的形狀或結(jié)構(gòu)形式取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。１.車輪式行走機構(gòu)輪式行走機器人是機器人中應用最多的一種73１.車輪式行走機構(gòu)（２）車輪的培植和轉(zhuǎn)向機構(gòu)車輪行走機構(gòu)依據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪以及多輪機構(gòu)。1輪和2輪行走機構(gòu)在實現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問題，實際應用的車輪式行走機構(gòu)多為3輪和4輪。１.車輪式行走機構(gòu)（２）車輪的培植和轉(zhuǎn)向機構(gòu)車輪行走機構(gòu)依74１.車輪式行走機構(gòu)１.車輪式行走機構(gòu)75２.足式行走機構(gòu)

履帶式行走機構(gòu)雖然可在高低不平的地面上運動，但它的適應性不夠，行走時候晃動太大，在軟地面上行駛運動效率低。根據(jù)調(diào)查，在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走。但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如，顯然足式與輪式和履帶式行走方式相比具有獨特的優(yōu)勢。

足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力一，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式和履帶行走工具必須面臨最壞的地形上的幾乎所有點；足式運動方式還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩(wěn)；足式行走在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。２.足式行走機構(gòu)履帶式行走機構(gòu)雖然可在高低不平的地面上運76２.足式行走機構(gòu)（１）足的數(shù)目現(xiàn)有的步行機器人的足數(shù)分別為單足、雙足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的數(shù)目多，適合于重載和慢速運動。雙足和四足具有最好的適應性和靈活性，也最接近人類和動物。下頁圖顯示了單足、雙足、三足、四足和六足行走結(jié)構(gòu)。２.足式行走機構(gòu)（１）足的數(shù)目77伺服控制機器人78２.足式行走機構(gòu)（２）足的配置足的配置指足相對于機體的位置和方位的安排，這個問題對于多于兩足時尤為重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一種配置因容易引起腿間的干涉而實際上很少用到。２.足式行走機構(gòu)（２）足的配置79（２）足的配置幾何構(gòu)型彎曲方向（２）足的配置幾何構(gòu)型80（３）足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定的多足機動態(tài)穩(wěn)定（３）足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定的多足機81（３）足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定的多足機其機身的穩(wěn)定通過足夠數(shù)量的足支撐來保證。在行走過程中，機身重心的垂直投影始終落在支撐足著落地點的垂直投影所形成的凸多邊形內(nèi)。這樣，即使在運動中的某一瞬時將運動“凝固”，機體也不會有傾覆的危險。這類行走機構(gòu)的速度較慢，它的步態(tài)為爬行或步行。（３）足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定的多足機其機身的82（３）足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性動態(tài)穩(wěn)定典型的例子是踩高蹺。高蹺與地面只是單點接觸，兩根高蹺在地面不動時站穩(wěn)是非常困難的，要想原地停留，必須不斷踏步，不能總是保持步行中的某種瞬間姿態(tài)。在動態(tài)穩(wěn)定中，機體重心有時不在支撐圖形中，利用這種重心超出面積外而向前產(chǎn)生傾倒的分力作為行走的動力并不停地調(diào)整平衡點以保證不會跌倒。這類機構(gòu)一般運動速度較快，消耗能量小。其步態(tài)可以是小跑和跳躍。（３）足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性動態(tài)穩(wěn)定典型的例子是踩高83§2.4機器人的驅(qū)動機構(gòu)一、驅(qū)動方式機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式：１．液壓驅(qū)動２．氣動式３．電動式§2.4機器人的驅(qū)動機構(gòu)一、驅(qū)動方式機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式：84１．液壓驅(qū)動優(yōu)點：1)液壓容易達到較高的壓力(常用液壓為2.5~6.3MPa)，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，并可得到較高的位置精度；3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(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，可以提高機械效率，使用壽命長。１．液壓驅(qū)動優(yōu)點：85１．液壓驅(qū)動液壓傳動系統(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)需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。１．液壓驅(qū)動液壓傳動系統(tǒng)的不足：86２．氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點：1)壓縮空氣粘度小，容易達到高速(1m/s)；2)利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設備；3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)；4)氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。２．氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點：87２．氣壓驅(qū)動不足：1)壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，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，要達到準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，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。２．氣壓驅(qū)動不足：88３．電動機驅(qū)動電動機驅(qū)動分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機和步進電動機驅(qū)動。

普通交、直流電動機驅(qū)動需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。

伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機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。３．電動機驅(qū)動電動機驅(qū)動分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流89二、驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式和直線驅(qū)動方式。由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸強度高、摩擦小、可靠性好等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)設計中應盡量多采用。但是在行走機構(gòu)關(guān)節(jié)中，完全采用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動實現(xiàn)關(guān)節(jié)伸縮有如下缺點：1)旋轉(zhuǎn)運動雖然也能轉(zhuǎn)化的到直線運動，但在高速運動時，關(guān)節(jié)伸縮的加速度不能忽視，它可能產(chǎn)生振動。2)為了提高著地點選擇的靈活性，還必須增加直線驅(qū)動系統(tǒng)。二、驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式和直線驅(qū)動方式。由于90二、驅(qū)動機構(gòu)１．直線驅(qū)動機構(gòu)機器人采用的直線驅(qū)動包括直角坐標結(jié)構(gòu)的x、y、z向驅(qū)動，圓柱坐標結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動，以及球坐標結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。直線運動可以直接由氣缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生，也可以采用齒輪齒條、絲杠、螺母等傳動方式把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。二、驅(qū)動機構(gòu)１．直線驅(qū)動機構(gòu)91二、驅(qū)動機構(gòu)２．旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)多數(shù)普通電動機和伺服電動機都能夠直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，但其輸出力矩比所需要的力矩小，轉(zhuǎn)速比所需要的轉(zhuǎn)速高。因此，需要采用各種傳動裝置把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。有時也采用直線液壓缸或直線氣缸作為動力源，這就需要把直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。這種運動的傳遞和轉(zhuǎn)換必須高效率的完成，并且不能有損于機器人系統(tǒng)所需要的特性，特別是定位精度、重復精度和可靠性。運動的傳遞和轉(zhuǎn)換可以選擇齒輪鏈傳動、同步帶傳動和諧波齒輪等傳動方式。二、驅(qū)動機構(gòu)２．旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)多數(shù)普通電動機和伺服電動機都92三、制動器許多機器人的機械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動器，其作用是：在機器人停止工作時，保持機械臂的位置不變；在電源發(fā)生故障時，保護機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，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時起保護作用。缺點是：工作期間不斷花費電力使制動器放松。三、制動器許多機器人的機械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動器，93第二章機器人結(jié)構(gòu)§2.1機器人的組成和分類一、機器人的組成機械部分；傳感器(一個或多個)；控制器；驅(qū)動源。第二章機器人結(jié)構(gòu)§2.1機器人的組成和分類一、機器人的組成94第二章機器人結(jié)構(gòu)二、機器人的分類１、按機器人的控制方式分類２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類３、機器人常見的圖形符號第二章機器人結(jié)構(gòu)二、機器人的分類１、按機器人的控制方式分類95１、按機器人的控制方式分類按照機器人的控制類型和結(jié)構(gòu)坐標系特點分為：(1)非伺服機器人；(2)伺服控制機器人。１、按機器人的控制方式分類按照機器人的控制類型和結(jié)構(gòu)坐標系特96１、按機器人的控制方式分類非伺服機器人

非伺服機器人工作能力比較有限，機器人按照預先編好的程序順序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動。插銷板是用來預先規(guī)定機器人的工作順序，而且往往是可調(diào)的。定序器是一種按照預定的正確順序接通驅(qū)動裝置的能源。驅(qū)動裝置接通能源后，就帶動機器人的手臂、腕部和手部等裝置運動。當他們移動到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時，限位開關(guān)切換工作狀態(tài)，給定序器送去一個工作任務已經(jīng)完成的信號，并始終端制動器動作，切斷驅(qū)動能源，使機器人停止運動。１、按機器人的控制方式分類非伺服機器人非伺服機器人工作能力97１、按機器人的控制方式分類(2)伺服控制機器人伺服控制機器人比非伺服機器人有更強的工作能力。伺服系統(tǒng)的被控量可為機器人手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。通過傳感器取得反饋信號與來自給定裝置的綜合信號，用比較器加以比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，進而帶動手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運動，到達規(guī)定的位置或速度等，這是一個反饋控制系統(tǒng)。１、按機器人的控制方式分類(2)伺服控制機器人伺服控制機器98１、按機器人的控制方式分類伺服控制機器人分為：(1)點位伺服控制；(2)連續(xù)軌跡伺服控制。１、按機器人的控制方式分類伺服控制機器人分為：99１、按機器人的控制方式分類點位伺服控制機器人的受控運動方式為從一個點位目標移向另一個點位目標，只在目標點上完成操作。機器人可以以最快的和最直接的路徑從一個端點移到另一端點。通常，點位伺服控制機器人能用于只有終端位置是重要而對編程點之間的路徑和速度不做主要考慮的場合。點位控制主要用于點焊、搬運機器人。１、按機器人的控制方式分類點位伺服控制機器人的受控運動方式為100１、按機器人的控制方式分類連續(xù)軌跡伺服控制機器人能夠平滑地跟隨某個規(guī)定的路徑，其軌跡往往是某條不在預編程端點停留的曲線路徑。連續(xù)軌跡伺服控制機器人具有良好的控制和運行特性，由于數(shù)據(jù)是依時間采樣的，而不是依預先規(guī)定的空間采樣，因此機器人的運行速度較快、功率較小、負載能力也較小。連續(xù)軌跡伺服控制機器人主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測機器人。１、按機器人的控制方式分類連續(xù)軌跡伺服控制機器人能夠平滑地跟101２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(1)直角坐標機器人；(2)圓柱坐標型機器人；(3)極坐標機器人；(4)多關(guān)節(jié)機器人。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(1)直角坐標機器人；102２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類直角坐標型機器人結(jié)構(gòu)如圖所示，它在x,y,z軸上的運動是獨立的。(1)直角坐標系機器人２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類直角坐標型機器人結(jié)構(gòu)如圖所103２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(2)圓柱坐標機器人圓柱坐標型機器人的結(jié)構(gòu)如右圖所示，R、θ和x為坐標系的三個坐標，其中R、是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果機器人手臂的徑向坐標R保持不變，機器人手臂的運動將形成一個圓柱表面。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(2)圓柱坐標機器人圓柱104２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(3)極坐標型機器人極坐標型機器人又稱為球坐標型機器人，其結(jié)構(gòu)如右圖所示，R，θ和β為坐標系的坐標。其中θ是繞手臂支撐底座垂直的轉(zhuǎn)動角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(3)極坐標型機器人極坐105２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(4)多關(guān)節(jié)機器人如右圖所示，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α和Φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，Φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。２、按機器人結(jié)構(gòu)坐標系特點方式分類(4)多關(guān)節(jié)機器人如右圖106右表總結(jié)了不同坐標結(jié)構(gòu)機器人的特點。右表總結(jié)了不同坐標結(jié)構(gòu)機器人的特點。107伺服控制機器人108３、機器人常見的圖形符號３、機器人常見的圖形符號109３、機器人常見的圖形符號３、機器人常見的圖形符號110３、機器人常見的圖形符號３、機器人常見的圖形符號111§2.2機器人的主要技術(shù)參數(shù)１．自由度２．工作空間３．工作速度４．工作載荷５．控制方式６．驅(qū)動方式７．精度、重復精度和分辨率§2.2機器人的主要技術(shù)參數(shù)１．自由度112１．自由度自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內(nèi)。機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個矛盾。工業(yè)機器人一般多為４～６個自由度，７個以上的自由度是冗余自由度，是用來避障礙物的。１．自由度自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器113１．自由度圖2-3所示的機器人，臂部在xO1y面內(nèi)有三個獨立運——升降(L1)、伸縮(L2)、和轉(zhuǎn)動(Φ1)，腕部在xO1y面內(nèi)有一個獨立的運動——轉(zhuǎn)動(Φ2)。機器人手部位置需要一個獨立變量——手部繞自身軸線O3C的旋轉(zhuǎn)Φ3。１．自由度圖2-3所示的機器人，臂部在xO1y面內(nèi)有三個獨立114２．工作空間機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域，不包括手部本身所能達到的區(qū)域。機器人所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，則其運動圖形不同；而自由度的變化量(即直線運動的距離和回轉(zhuǎn)角度的大小)則決定著運動圖形的大小。２．工作空間機器人的工作空間是指機器人手臂或手部安裝點所115３．工作速度工作速度是指機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。確定機器人手臂的最大行程后，根據(jù)循環(huán)時間安排每個動作的時間，并確定各動作同時進行或順序進行，就可確定各動作的運動速度。分配動作時間除考慮工藝動作要求外，還要考慮慣性和行程大小、驅(qū)動和控制方式、定位和精度要求。為了提高生產(chǎn)效率，要求縮短整個運動循環(huán)時間。運動循環(huán)包括加速度起動，等速運行和減速制動三個過程。過大的加減速度會導致慣性力加大，影響動作的平穩(wěn)和精度。為了保證定位精度，加減速過程往往占去較長時間。３．工作速度工作速度是指機器人在工作載荷條件下、勻速運動116４．工作載荷機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負載量(包括手部)。用質(zhì)量、力矩、慣性矩來表示。負載大小主要考慮機器人各運動軸上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由運動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。一般低速運行時，承載能力大，為安全考慮，規(guī)定在高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標。目前使用的工業(yè)機器人，其承載能力范圍較大，最大可大9KN。４．工作載荷機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的117５．控制方式機器人用于控制軸的方式，是伺服還是非伺服，伺服控制方式是實現(xiàn)連續(xù)軌跡還是點到點的運動。５．控制方式機器人用于控制軸的方式，是伺服還是非伺服，伺118６．驅(qū)動方式驅(qū)動方式是指關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動力源形式。６．驅(qū)動方式驅(qū)動方式是指關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動力源形式。119７．精度、重復精度和分辨率精度：一個位置相對于其參照系的絕對度量，指機器人手部實際到達位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復精度：在相同的運動位置命令下，機器人連續(xù)若干次運動軌跡之間的誤差度量。如果機器人重復執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過的距離并不相同，而是在一平均值附近變化，該平均值代表精度，而變化的幅度代表重復精度。７．精度、重復精度和分辨率精度：一個位置相對于其參照系的絕對120７．精度、重復精度和分辨率分辨率：指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。精度和分辨率不一定相關(guān)。一臺設備的運動精度是指命令設定的運動位置與該設備執(zhí)行此命令后能夠達到的運動位置之間的差距，分辨率則反映了實際需要的運動位置和命令所能夠設定的位置之間的差距。７．精度、重復精度和分辨率分辨率：指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最121７．精度、重復精度和分辨率圖2-4給出了分辨率精度和重復精度的關(guān)系。工業(yè)機器人的精度、重復精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求確定的。機器人本身所能達到的精度取決于機器人結(jié)構(gòu)的剛度、運動速度控制和驅(qū)動方式、定位和緩沖等因素。由于機器人有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，不同回轉(zhuǎn)半徑時其直線分辨率是變化的，因此造成了機器人的精度難以確定。由于精度一般難測定，通常工業(yè)機器人只給出重復精度。７．精度、重復精度和分辨率圖2-4給出了分辨率精度和重復122７．精度、重復精度和分辨率表2-3為不同作業(yè)機器人要求的重復精度。７．精度、重復精度和分辨率表2-3為不同作業(yè)機器人要求的重復123７．精度、重復精度和分辨率圖2-5為一臺持重30Kg,供搬運、檢測、裝配用的圓柱坐標型工業(yè)機器人，這臺機器人的主要技術(shù)指標如下頁：７．精度、重復精度和分辨率圖2-5為一臺持重30Kg,供搬運124自由度：如圖a所示，共有三個基本關(guān)節(jié)1,2,3和兩個選用關(guān)節(jié)4,5；工作范圍：見圖b所示意；關(guān)節(jié)移動范圍及速度：A130002.10r/s

A2500mm600mm/sA3500mm1200mm/sA436002.10r/sA519001.05r/s重復定位誤差+/-0.05mm控制方式：五軸同時可控，點位控制；持重（最大伸長、最高速度下）：30kg驅(qū)動方式：三個基本關(guān)節(jié)由交流伺服電動機驅(qū)動，并采用增量式角位移檢測裝置。７．精度、重復精度和分辨率自由度：如圖a所示，共有三個基本關(guān)節(jié)1,2,3和兩個選用關(guān)節(jié)125§2.3機器人的機械結(jié)構(gòu)與運動一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成1.手部2.手腕3.臂部4.機身

§2.3機器人的機械結(jié)構(gòu)與運動一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成1.126一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成１．手部機器人為了進行作業(yè)，在手腕上配置了操作機構(gòu)，有時也稱為手爪或末端操作器．２．手腕聯(lián)接手部和手臂的部分，主要作用是改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂．３．臂部聯(lián)接機身和手腕的部分，主要作用是改變手部的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機座．４．機身機器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用．對固定式機器人，直接聯(lián)接在地面基礎(chǔ)上，對移動式機器人，則安裝在移動機構(gòu)上．一、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成１．手部127二、機器人機構(gòu)的運動１．手臂的運動垂直移動徑向移動回轉(zhuǎn)運動２．手腕的運動(1)手腕旋轉(zhuǎn)(2)手腕彎曲(3)手腕側(cè)擺二、機器人機構(gòu)的運動１．手臂的運動２．手腕的運動128三、機身和臂部機構(gòu)１．機身結(jié)構(gòu)

機身是直接聯(lián)接、支承和傳動手臂及行走機構(gòu)的部件。它是由臂部運動(升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰)機構(gòu)及有關(guān)的導向裝置、支撐件等組成。由于機器人的運動型式、使用條件、負載能力各不相同，所采用的驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、導向裝置也不同，致使機身結(jié)構(gòu)有很大差異。一般情況下，實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上。臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力愈復雜。機身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機構(gòu)，可沿地面或架空軌道運行。三、機身和臂部機構(gòu)１．機身結(jié)構(gòu)機身是直接聯(lián)接、支承和傳動129１．機身結(jié)構(gòu)常用的機身結(jié)構(gòu)：１）升降回轉(zhuǎn)型機身結(jié)構(gòu)２）俯仰型機身結(jié)構(gòu)３）直移型機身結(jié)構(gòu)４）類人機器人機身結(jié)構(gòu)１．機身結(jié)構(gòu)常用的機身結(jié)構(gòu)：130２．臂部結(jié)構(gòu)手臂部件(簡稱臂部)是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。機器人的臂部主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自轉(zhuǎn)等運動有關(guān)的構(gòu)件，如傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、導向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測元件等。此外，還有與腕部或手臂的運動和聯(lián)接支撐等有關(guān)的構(gòu)件、配管配線等。２．臂部結(jié)構(gòu)手臂部件(簡稱臂部)是機器人的主要執(zhí)行部件，131２．臂部結(jié)構(gòu)根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導向裝置的不同可分為：１）伸縮型臂部結(jié)構(gòu)２）轉(zhuǎn)動伸縮型臂部結(jié)構(gòu)３）驅(qū)伸型臂部結(jié)構(gòu)４）其他專用的機械傳動臂部結(jié)構(gòu)２．臂部結(jié)構(gòu)根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導向裝置的132３．機身和臂部的配置形式機身和臂部的配置形式基本上反映了機器人的總體布局。由于機器人的運動要求、工作對象、作業(yè)環(huán)境和場地等因素的不同，出現(xiàn)了各種不同的配置形式。目前常用的有如下幾種形式：（１）橫梁式（２）立柱式（３）機座式（４）驅(qū)伸式３．機身和臂部的配置形式機身和臂部的配置形式基本上反映了133３．機身和臂部的配置形式橫梁式：機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這類機器人的運動形式大多為移動式。它具有占地面積小，能有效利用空間，直觀等優(yōu)點。橫梁可設計成固定的或行走的，一般橫梁安裝在廠房原有建筑的柱梁或有關(guān)設備上，也可從地面架設。３．機身和臂部的配置形式橫梁式：機身設計成橫梁式，用于懸掛手134３．機身和臂部的配置形式立柱式：立柱式機器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運動型式，是一種常見的配置形式。一般臂部都可在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，具有占地面積小而工作范圍大的特點。立柱可固定安裝在空地上，也可以固定在床身上。立主式結(jié)構(gòu)簡單，服務于某種主機，承擔上、下料或轉(zhuǎn)運等工作。３．機身和臂部的配置形式立柱式：立柱式機器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯135３．機身和臂部的配置形式機座式：機身設計成機座式，這種機器人可以是獨立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可以隨意安放和搬動。也可以具有行走機構(gòu)，如沿地面上的專用軌道移動，以擴大其活動范圍。各種運動形式均可設計成機座式。３．機身和臂部的配置形式機座式：機身設計成機座式，這種機器人136３．機身和臂部的配置形式屈伸式：屈伸式機器人的臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂。屈伸臂與機身間的配置形式關(guān)系到機器人的運動軌跡，可以實現(xiàn)平面運動，也可以作空間運動。（圖見下頁）３．機身和臂部的配置形式屈伸式：屈伸式機器人的臂部由大小臂組137伺服控制機器人138四、手腕結(jié)構(gòu)

手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復雜的姿態(tài)。要確定手部的作業(yè)方向，一般需要三個自由度，這三個回轉(zhuǎn)方向為：１）臂轉(zhuǎn)繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)。２）手轉(zhuǎn)使手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)。３）腕擺使手部相對于臂進行擺動。四、手腕結(jié)構(gòu)手腕是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用139手腕結(jié)構(gòu)多為上述三個回轉(zhuǎn)方式的組合，組合的方式可以有多種形式如下圖所示：手腕結(jié)構(gòu)多為上述三個回轉(zhuǎn)方式的組合，組合的方式可以有多種形式140腕部結(jié)構(gòu)的設計要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、避免干涉。機器人多數(shù)將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在小臂上。首先設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去。運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。腕部結(jié)構(gòu)的設計要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、避免干涉。機141柔順手腕在用機器人進行精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件的不一致、工件的定位夾具、機器人的定位精度不能滿足裝配要求時，會導致裝配困難。這就提出了柔順性要求。柔順裝配技術(shù)有兩種：一種是從檢測、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，實現(xiàn)邊校正邊裝配。一種是從機械結(jié)構(gòu)的角度在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的要求。柔順手腕示意圖如下頁柔順手腕在用機器人進行精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件的不一142柔順手腕柔順手腕143五、手部機構(gòu)機器人的手部是是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機器人的手部和仿人機器人的手部。常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類。五、手部機構(gòu)機器人的手部是是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，從功能和形144１.夾持類夾持類手部除常用的夾鉗式外，還有脫鉤式和彈簧式。此類手部按其手指夾持工件時的運動方式不同又可分為手指回轉(zhuǎn)型和指面平移型。１.夾持類夾持類手部除常用的夾鉗式外，還有脫鉤式和彈簧式145(1)夾鉗式夾鉗式是工業(yè)機器人最常用的一種手部形式,一般夾鉗式(見圖2-13所示)由以下幾部分組成:1)手指2)傳動機構(gòu)3)驅(qū)動裝置4)支架(1)夾鉗式夾鉗式是工業(yè)機器人最常用的一種手部形式,一般夾鉗146(1)夾鉗式手指:

它是直接與工件5接觸的構(gòu)件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開和閉合來實現(xiàn)的。一般情況下，機器人的手部只有兩個手指，少數(shù)有三個或多個手指。它們的結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。(1)夾鉗式手指:它是直接與工件5接觸的構(gòu)件。手部松開和夾147(1)夾鉗式１）指端的形狀①(1)夾鉗式１）指端的形狀①148(1)夾鉗式２）指面形式根據(jù)工件形狀、大小及其被夾持部位材料質(zhì)軟硬、表面性質(zhì)等的不同，手指的指面有光滑指面、齒型指面和柔性指面３種形式。３）手指的材料手指材料選用恰當與否，對機器人的使用效果有很大的影響。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。(1)夾鉗式２）指面形式149(1)夾鉗式傳動機構(gòu)：它是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。１）回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部，其手指就是一隊（或幾對）杠桿，再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構(gòu)組成復合式杠桿傳動機構(gòu)，來改變傳力比、傳動比及運動方向等。(1)夾鉗式傳動機構(gòu)：它是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和150(1)夾鉗式回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)(1)夾鉗式回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)151(1)夾鉗式２）平移型傳動機構(gòu)平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體等）。其結(jié)構(gòu)較復雜，不如回轉(zhuǎn)型應用廣泛。平移型傳動機構(gòu)據(jù)其結(jié)構(gòu)，大致可分平面平行移動機構(gòu)和直線往復移動機構(gòu)兩種類型。(1)夾鉗式２）平移型傳動機構(gòu)152(1)夾鉗式平移型傳動機構(gòu)(1)夾鉗式平移型傳動機構(gòu)153(1)夾鉗式驅(qū)動裝置：它是向傳動機構(gòu)提供動力的裝置。按驅(qū)動方式不同有液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動之分。支架：使手部與機器人的腕或臂相聯(lián)接。(1)夾鉗式驅(qū)動裝置：它是向傳動機構(gòu)提供動力的裝置。按驅(qū)動方154(2)鉤拖式手部主要特征是不靠夾緊力來夾持工件，而是利用手指對工件鉤、拖、捧等動作來拖持工件。應用鉤拖方式可降低驅(qū)動力的要求，簡化手部結(jié)構(gòu)，甚至可以省略手部驅(qū)動裝置。它適用于在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)作低速移動的搬運工作，尤其對大型笨重的工件或結(jié)構(gòu)粗大而質(zhì)量較輕且易變形的工件更為有利。(2)鉤拖式手部主要特征是不靠夾緊力來夾持工件，而是利用155(2)鉤拖式手部無驅(qū)動裝置有驅(qū)動裝置(2)鉤拖式手部無驅(qū)動裝置156無驅(qū)動裝置(2)鉤拖式手部工作原理：手部在臂的帶動下向下移動，當手部下降到一定位置時齒條１下端碰到撞塊，臂部繼續(xù)下移，齒條便帶動齒輪２旋轉(zhuǎn)，手指３即進入工件鉤拖部位。手指拖持工件時，銷子４在彈簧力作用下插入齒條缺口，保持手指的鉤拖狀態(tài)并可使手臂攜帶工件離開原始位置。在完成鉤拖任務后，由電磁鐵將銷子向外拔出，手指又呈自由狀態(tài)，可繼續(xù)下個工作循環(huán)程序。無驅(qū)動裝置(2)鉤拖式手部工作原理：手部在臂的帶動下向下移動157(2)鉤拖式手部有驅(qū)動裝置工作原理：依靠機構(gòu)內(nèi)力來平衡工件重力而保持拖持狀態(tài)。驅(qū)動液壓缸５以較小的力驅(qū)動杠桿手指６和７回轉(zhuǎn)，使手指閉合至拖特工件的位置。手指與工件的接觸點均在其回轉(zhuǎn)支點O1、O2的外側(cè)，因此在手指拖持工件后，工件本身的重量不會使手指自行松脫。(2)鉤拖式手部有驅(qū)動裝置工作原理：依靠機構(gòu)內(nèi)力來平衡工件重158(2)鉤拖式手部彈簧式手部靠彈簧力的作用將工件夾緊，手部不需要專用的驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)簡單。它的使用特點是工件進入手指和從手指中取下工件都是強制進行的。由于彈簧力有限，故只適用于夾持輕小工件。(2)鉤拖式手部彈簧式手部靠彈簧力的作用將工件夾緊，手部159２．吸附類(1)氣吸式氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤（一個或幾個）、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點。廣泛應用于非金屬材料（如板材、紙張、玻璃等物體）或不可有剩磁的材料的吸附。氣吸式手部的另一個特點是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預定的位置精度要求不高；但要求工件上與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，被吸工件材質(zhì)致密，沒有透氣空隙。氣吸式手部是利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸。２．吸附類(1)氣吸式氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸160(1)氣吸式(1)氣吸式161(2)磁吸式磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁力來吸附工件的，其應用較廣。磁吸式手部與氣吸式手部相同，不會破壞被吸收表面質(zhì)量。磁吸收式手部比氣吸收式手部優(yōu)越的方面是：有較大的單位面積吸力，對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。(2)磁吸式磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生的16