機器人的組成結構udaed

第二章機器人的組成結構

2.1機器人系統(tǒng)的組成如圖2—1所示，機器人由機械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成·這三大部分可分成驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)．

驅動系統(tǒng)要使機器人運行起來，需給各個關節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)．感受系統(tǒng)它由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,獲取內部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息．智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準．人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效．機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)

機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)．機器人與外部設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

人一機交互系統(tǒng)

人一機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置：指令給定裝置和信息顯示裝置．控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構去完成規(guī)定的運動和功能．如果機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)．根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)．根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制

相關術語及性能指標關節(jié)（Joint）：即運動副，允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構。連桿（Link）：機器人手臂上被相鄰兩關節(jié)分開的部分。自由度（Degreeoffreedom）：或者稱坐標軸數(shù)，是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。手指的開、合，以及手指關節(jié)的自由度一般不包括在內。剛度（Stiffness）：機身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來度量。定位精度（Positioningaccuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。重復性（Repeatability）或重復精度：在相同的位置指令下，機器人連續(xù)重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。oo工作空間（Workingspace）：機器人手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能到達的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。2.2工業(yè)機器人的機械結構

工業(yè)機器人的機械本體類似于具備上肢機能的機械手，由手部、腕部、臂、機身(有的包括行走機構)組成。

2.2.1機械手的操作動作機械手的動作形態(tài)是由三種不同的單動作——旋轉、回轉、伸縮組合而成的。旋轉和回轉是指運動機構產生相對運動。旋轉是轉動部件的軸線和轉動軸同軸；回轉是轉動部件的軸線與轉動軸不同軸。伸縮是指運動機構產生直線運動。

機機械手的坐標標形式和自由由度（1）根據(jù)單單元動作組合合方式的不同同，機械手的的動作形態(tài)一一般歸納為以以下四種坐標標類型：①直直角坐標型(圖7．2——2)；②圓圓柱坐標型(圖7．2——3)；③極極坐標型(圖圖7．2—4)；④多關關節(jié)型(圖7．2—5)。直角坐標型機機械手可以在三個互互相垂直的方方向上作直線線伸縮運動，，這類機械手手各個方向的的運動是獨立立的，計算和和控制比較方方便，但占地地面積大，限限于特定的應應用場合圓柱坐標型機機械手有一個圍繞基基座軸的旋轉轉運動和兩個個在相互垂直直方向上的直直線伸縮運動動。它適用于于采用油壓(或氣壓)驅驅動機構，在在操作對象位位于機器人四四周的情況下下，操作最為為方便。極坐標標型機機械手手的動作作形態(tài)態(tài)包括括圍繞繞基座座軸的的旋轉轉，一一個回回轉和和一個個直線線伸縮縮運動動，其其特點點類似似于圓圓柱型型機械械手。。多關節(jié)節(jié)型機機械手手最接近近于人人臂的的構造造。它它主要要由多多個回回轉或或旋轉轉關節(jié)節(jié)所組組成，，一般般都采采用電電機驅驅動機機構。。運用用不同同的關關節(jié)連連接方方式，，可以以完成成各種種復雜雜的操操作。。由于于具有有占地地面積積小，，動作作范圍圍大，，空間間移動動速度度快而而靈活活等特特點，，多關關節(jié)型型機械械手在在各種種智能能機器器人中中被廣廣為采采用。。SCARA機器人人關關節(jié)式式機器器人機器人人機構運運動簡簡圖(1)PUMA一262機機器人人機構構圖2——1是是PUMA系列一一種較較小的的機器器人PUMA一262機機器人人機構構(操操作機機)的的外形形直觀觀圖。。它有有一個個立柱柱，可可以垂垂直回回轉，，稱作作腰關關節(jié)，，也稱稱1軸軸。有有大臂臂、小小臂，，它們們的回回轉軸軸稱作作肩關關節(jié)(2軸軸)和和肘關關節(jié)(3軸軸)。。這3個軸軸和桿桿，構構成了了該機機器人人的位位置機機構(又稱稱主關關節(jié)軸軸組)，即即由他他們的的幾何何參數(shù)數(shù)(桿長長和偏偏距)和運運動參參數(shù)(關節(jié)節(jié)軸的的轉角角)決決定手手腕(參考考點)的空空間活活動范范圍(工作作空間間)。。手腕腕具有有3個個互相相垂直直的回回轉軸軸(4、5、6軸)，它它們是是姿態(tài)態(tài)機構構(又又稱副副關節(jié)節(jié)軸組組)，，即它它們的的轉角角確定定著工工具(圖中中未畫畫)的的空間間姿態(tài)態(tài)。PUMA262型機器器人具具有六六個自自由度度，可可以進進行復復雜空空間曲曲面的的弧焊焊作業(yè)業(yè)6個關關節(jié)軸軸由6個獨獨立的的電機機驅動動，由由圖2—2可以以看出出，電電機1通過過兩對對齒輪輪傳動動帶動動立柱柱回轉轉；電電機2通過過聯(lián)軸軸器、、一對對圓錐錐齒輪輪和一一對圓圓柱齒齒輪帶帶動齒齒輪Z，齒輪Z繞與立立柱固固聯(lián)的的齒輪輪Z轉動，，于是是形成成了大大臂相相對于于立柱柱的回回轉運運動；；電機機3通通過兩兩個聯(lián)聯(lián)軸器器和一一對圓圓錐齒齒輪、、兩對對圓柱柱齒輪輪(Z固聯(lián)于于小臂臂上)驅動動小臂臂相對對于大大臂回回轉；；電機機4先先通過過一對對圓柱柱齒輪輪、兩兩個聯(lián)聯(lián)軸器器和另另一對對圓柱柱齒輪輪(Z固聯(lián)于于手腕腕的套套筒上上)驅驅動手手腕相相對于于小臂臂回轉轉；電電機5通過過聯(lián)軸軸器、、一對對圓柱柱齒輪輪、一一對圓圓錐齒齒輪(Z聯(lián)于手手腕的的球殼殼上)驅動動手腕腕相對對于小小臂(亦即即相對對于手手腕的的套筒筒)擺擺動()；；電機機6通通過聯(lián)聯(lián)軸器器、兩兩對圓圓錐齒齒輪和和一對對圓柱柱齒輪輪驅動動機器器人的的機械械接口口(法法蘭盤盤)相相對于于手腕腕的球球殼回回轉()可以看看出，，6個個電機機通過過一系系列的的聯(lián)軸軸器和和齒輪輪副，，形成成了6條傳傳動鏈鏈，得得到了了6個個轉動動自由由度，，從而而形成成了一一定的的工作作空間間并使使工具具各式式各樣樣的運運動姿姿勢這里所所使用用的聯(lián)聯(lián)軸器器，都都是具具有撓撓性的的螺旋旋形聯(lián)聯(lián)軸器器(如如圖2—3)；；齒輪輪傳動動都具具有消消隙機機構，，從而而保證證了正正反轉轉時的的回差差在一一定的的精度度范圍圍內。。由于于先進進的制制造技技術，，雖然然使用用了一一般的的多級級齒輪輪傳動動，但但仍具具有很很高的的運動動和定定位精精度(2)機器人人機構運運動簡簡圖直角坐標式圓柱坐標式123456123456多關節(jié)節(jié)型機機械手手工業(yè)機機器人人手部部(手爪)結構1.滑槽杠杠桿式式手部部2.齒輪齒條式手部3.滑塊杠桿式手部4.斜楔杠桿式5.移動型連桿式手部6.齒輪齒條式手部7.內漲斜塊式手部8.連桿杠桿式手部手指類類型：：電磁式吸吸盤氣吸式式吸盤盤常見的的另兩兩種手手部:滾動軸承座圈鋼板齒輪多孔鋼板雙吸頭吸盤多吸頭吸盤吸取瓦楞板雙吸頭吸盤雙吸頭架式吸盤多吸頭板式吸盤其它手手部:工業(yè)機機器人人腕部部結構構腕部影影響手手部的的姿態(tài)態(tài)（方方位））工業(yè)機機器人人臂部部結構構臂部確確定手手部的的位置置1.車輪型型2.3移移動機機器人人兩輪型型三輪型型四輪型型2.履帶式式救援機器人3.步行式式4.其它移移動方方式軍用昆蟲機器人爬纜索機器人水下6000米無纜自治機器人蛇形機器人2.4機器器人的的驅動動系統(tǒng)統(tǒng)2.4.1關節(jié)節(jié)直接接驅動動方式式直接驅驅動方方式是是驅動動器的的輸出出軸和和機器器人手手臂的的關節(jié)節(jié)軸直直接相相連．間接驅驅動方方式是是驅動動器經經過減減速器器或鋼鋼絲繩繩、皮皮帶、、平行行連桿桿等裝裝置后后與關關節(jié)軸軸相連連(1)關節(jié)節(jié)間接接驅動動方式式的缺缺點．．大大部分分機器器人的的關節(jié)節(jié)是間間接驅驅動．．這種種間接接驅動動，通通常其其驅動動器的的輸出出力矩矩大大大小于于驅動動關節(jié)節(jié)所需需要的的力矩矩，所所以必必須使使用減減速器器．另另外，，由于于手臂臂通常常采用用懸臂臂梁結結構，，所以以多自自由度度機器器人關關節(jié)上上安裝裝減速速器會會使手手臂根根部關關節(jié)驅驅動器器的負負荷增增大目前中中小型型機器器人一一般采采用普普通的的直流流伺服服電機機、交交流伺伺服電電機或或步進進電機機作為為機器器人的的執(zhí)行行電機機．由由于電電機速速度較較高，，所以以需配配以大大速比比減速速裝置置，進進行間間接傳傳動．．但是是，間間接驅驅動帶帶來了了機械械傳動動中不不可避避免的的誤差差，引引起沖沖擊振振動，，影響響機器器人系系統(tǒng)的的可靠靠性，，并且且增加加關節(jié)節(jié)重量量和尺尺寸(2)關節(jié)節(jié)直接接驅動動方式式直接驅動機機器人也叫叫作DD機器人(Directdriverobot)，簡稱DDR．DD機器人一般般指驅動電電機通過機機械接口直直接與關節(jié)節(jié)連接．DD機器人的特特點是驅動動電機和關關節(jié)之間沒沒有速度和和轉矩的轉轉換DD機器人與間間接驅動機機器人相比比，有如下下優(yōu)點：①①機械傳動動精度高．．②振動小小，結構剛剛度好．③③機械傳動動損耗?。芙Y構緊緊湊，可靠靠性高．⑤⑤電機峰峰值轉矩大大，電氣時時間常數(shù)小小，短時間間內可以產產生很大轉轉矩，響應應速度快，，調速范圍圍寬．⑥控控制性能較較好．日本、美國國等工業(yè)發(fā)發(fā)達國家已已經開發(fā)出出性能優(yōu)異異的DD機器人．美美國Adept公司研制出出帶有視覺覺功能的四四自由度平平面關節(jié)型型DD機器人．日日本大日機機工公司研研制成功了了五自由度度關節(jié)型DD一600V機器人．其其性能指標標為：最大大工作范圍圍1．2m，可搬重量5kg，最大運動速速度8．2m／s，重復定位精精度0．05mmDD機器人目前前主要存在在的問題①①載荷變變化、耦合合轉矩及非非線性轉矩矩對驅動及及控制影響響顯著，使使控制系統(tǒng)統(tǒng)設計困難難和復雜雜．．②對位置置、速度的的傳感元件件提出了相相當高的要要求③需開發(fā)小型型實用的DD電機．④④電機成本本高2.4.2驅動動元件(1)液液(氣)壓驅動液(氣)壓壓缸液(氣)壓壓馬達(2)步進進電動機驅驅動在小的機器器人上，有有時也用步步進電機作作為主驅動動電機。可可以用編碼碼器或電位位器提供精精確的位置置反饋，所所以步進電電機也可用用于閉環(huán)控控制步進電機是是通過脈沖沖電流實現(xiàn)現(xiàn)步進的，，因此每給給一個脈沖沖轉子便轉轉動一個步步距。在精度要要求不高的的情況下，，沒有必要要加入位置置反饋(3)直流流電動機驅驅動直流電動機機與步進電電動機是工工業(yè)機器人人中應用最最廣泛的兩兩種電動機機，但兩者者的動作方方式有本質質上的區(qū)別別。直流電電動機是連連續(xù)旋轉，，運動連續(xù)續(xù)且平滑，，且本身沒沒有位置控控制能力要實現(xiàn)精確確的位置控控制，必須須加入某種種形式的位位置反饋，，構成閉環(huán)環(huán)伺服系統(tǒng)統(tǒng)；有時，，機器人的的運動還有有速度要求求，所以還還要加入速速度反饋。。一般直流電電動機和位位置反饋、、速度反饋饋形成一個個整體，即即通常所說說的直流伺伺服電機。由于采用用閉環(huán)伺服服控制，所所以能實現(xiàn)現(xiàn)平滑的控控制和產生生大的力矩矩當今大部分分機器人都都采用直流流伺服電機機驅動機器器人的各個個關節(jié),但但它們也有有一些缺點點，如轉速不能太太高近年來，新新發(fā)展起來來的無刷直直（交）流流伺服電動動機克服了了上述缺點點，并保留留了直流伺伺服電動機機的優(yōu)點，，因此無刷刷電動機逐逐漸取代了了直流伺服服電動機（4）無刷刷直(交)流伺服電電動機原理由圖可見，，轉子是由由永久磁鐵鐵組成，定定子有繞組組線圈，可可以通過機機殼把繞組組熱量散發(fā)發(fā)出去，因因此，同功功率的無刷刷電動機體體積質量比比較直流伺伺服電動機機小得多，，或者說同同體積電動動機，無刷刷電動機功功率遠大于于直流電動動機。像直直流電動機機一樣，無無刷電動機機也需要有有繞組電流流的換向功功能，但不不是由機械械式換向器器實現(xiàn)，由由于組接到到外部的驅驅動電路上上，驅動電電路可以根根據(jù)轉子位位置信息利利用電子開開關來改變變流向電樞樞的電流方方向無刷電動機機分類:梯形波電動動機和正弦弦波電動機機。前者也也稱為直流流無刷電動動機(DCbrushless)后者稱為交交流無刷電電動機或交交流伺服電電動機直流無刷電電動機(梯梯形波電機機)：從無無刷電動機機原理可以以知道，它它的繞組數(shù)數(shù)僅2～3個(2或或3相)，，這數(shù)目遠遠小于直流流有刷伺服服電動機定定子繞組數(shù)數(shù)目。因此此如何減小小無刷電動動機工作時時轉矩波動動，是一個個關鍵性問問題。通過過無刷電動動機定子繞繞組的電流流幅值越大大，產生的的轉矩越大大。為減小小轉矩波動動，限止電電流幅值，，而呈平頂頂狀，如圖圖6—3l所示。由梯梯形波代替替正弦波來來驅動電動動機，簡化化了驅動電電路，但為為進一步減減小轉矩波波動，這種種電動機的的控制系統(tǒng)統(tǒng)要有速度度負反饋環(huán)環(huán)，這樣通通過速度負負反饋的作作用使轉速速平穩(wěn)正弦波電動動機(交流流無刷伺服服電動機)：顧名思思義，它是是由正弦波波電流驅動動的。對三三相情況，，電流相位位差120。，而且且這三相電電流是隨轉轉子位置不不同而不同同的，也就就是說，轉轉子的位置置檢測需更更精確，驅驅動電路也也比梯形波波電動機的的更復雜，，但卻代表表著無刷電電動機最高高水平，因因為它能保保持恒定轉轉矩輸出2.4.3伺服電機機的選定和和傳動比的的確定(1)初選選電機首先電機必必須能夠提提供負載所所需要的瞬瞬時轉矩和和轉速如果要求電電機在峰值下以峰峰值轉速驅驅動負載，則電機功功率可按下下式估算電機功率，，W負載峰值力力矩負載峰值轉轉速傳動裝置的的效率，初初步估算時時取=0．7～～O．9當電機長期期連續(xù)地工工作在變載載荷之下時時，比較合合理的是按負載均方方根功率估算電機功功率估算Pm后就可選取取電機，使使其額定功功率P，滿足下式負載均方根根力矩N·m負載均方