第7章工業(yè)機器人2

2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院1/68第七章工業(yè)機器人二、工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)一、概述三、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)四、工業(yè)機器人運動及動力學(xué)分析五、工業(yè)機器人機器人軌跡規(guī)劃2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院2/68關(guān)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(gòu)。連桿（Link）：機器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)分開的部分。BaseLink0Joint1Link2Link3Joint3EndofArmLink1Joint22.1相關(guān)術(shù)語2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院3/68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(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度：在相同的位置指令下，機器人連續(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集程度，即重復(fù)度。oo2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院4/68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。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院5/68注意：不同的書上，運動簡圖的符號表示可能不一樣。（a）表示手指（末端執(zhí)行器）；（b）表示垂直、升降運動；（c）表示水平伸縮運動；（d）表示回轉(zhuǎn)運動；（e）表示俯仰運動。機構(gòu)運動簡圖2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院6/681234561234562023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院7/68關(guān)節(jié)名稱TranslationalmotionLinearjoint(L型)

線性關(guān)節(jié)Orthogonaljoint(O型)

正交關(guān)節(jié)RotarymotionRotationaljoint(R型)

銷軸回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)Twistingjoint(T型)

同軸回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)Revolvingjoint(V型) V型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院8/68關(guān)節(jié)配置關(guān)節(jié)符號用字母L,O,R,T,V表示；手腕用冒號:與機體及手臂分開。關(guān)節(jié)配置例:TLR:TR2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院9/68PolarCoordinateBody-and-ArmAssemblyNotation:TRL2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院10/68CylindricalBody-and-ArmAssemblyNotation:TLO2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院11/68CartesianCoordinateBody-and-ArmAssemblyNotation:LOO2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院12/68Jointed-ArmRobotNotation:TRR2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院13/682.2工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)手部(末端執(zhí)行器)驅(qū)動系統(tǒng)傳動機構(gòu)手臂手腕機身（座）2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院14/681.手部(末端執(zhí)行器)手部也叫末端操作器，它直接裝在工業(yè)機器人的手腕上，用于夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的作業(yè)。

1)手部的特點

(1)手部與手腕相連處可拆卸手部與手腕處有可拆卸的機械接口：根據(jù)夾持對象的不同，手部結(jié)構(gòu)會有差異，通常一個機器人配有多個手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。手部可能還有一些電、氣、液的接口：由于手部的驅(qū)動方式不同造成。對這些部件的接口一定要求具有互換性。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院15/68(2)手部是末端操作器可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。(3)手部是一個獨立的部件工業(yè)機器人通常分為三個大的部件：機身、手臂（含手腕）、手部。手部對整個機器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵的作用，它直接關(guān)系著夾持工件時的定位精度、夾持力的大小等。(4)手部的通用性比較差工業(yè)機器人的手部通常是專用裝置：一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院16/68每個手指有三個或四個關(guān)節(jié)。技術(shù)關(guān)鍵是手指之間的協(xié)調(diào)控制。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院17/68末端操作器圖例(2)手部是焊槍2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院18/682)手部的設(shè)計要求

具有足夠的夾持力。

保證適當(dāng)?shù)膴A持精度手指應(yīng)能順應(yīng)被夾持工件的形狀，應(yīng)對被夾持工件形成所要求的約束?？紤]手部自身的大小、形狀、機構(gòu)和運動自由度主要是根據(jù)作業(yè)對象的大小、形狀、位置、姿態(tài)、重量、硬度和表面質(zhì)量等來綜合考慮。智能化手部還應(yīng)配有相應(yīng)的傳感器由于感知手爪和物體之間的接觸狀態(tài)、物體表面狀況和夾持力的大小等，以便根據(jù)實際工況進行調(diào)整等2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院19/683)手部的構(gòu)成

主要由手指、驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)組成。4)手部的分類

(1)按用途分

?手爪：具有一定的通用性。主要功能是抓住工件、握持工件、釋放工件。抓?。涸诮o定的目標(biāo)位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件必須有可靠的定位，保持工件和手爪之間的準(zhǔn)確的相對位置關(guān)系，以保持機器人后續(xù)作業(yè)的準(zhǔn)確性。握住：確保工件在搬運過程中或零件裝配過程中定義了的位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性。釋放：在指定位置結(jié)束手部和工件之間的約束關(guān)系。

?工具：進行作業(yè)的專用工具。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院20/68(2)按夾持方式分

外夾式

手部與被夾件的外表面相接觸。內(nèi)撐式

手部與工件的內(nèi)表面相接觸。內(nèi)外夾持式

手部與工件的內(nèi)、外表面相接觸。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院21/68夾持方式圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院22/68(3)按手爪的運動形式分

回轉(zhuǎn)型

當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。

平動型

手指由平行四桿機構(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。

平移型

當(dāng)手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心的固定不變，不受工件直徑變化的影響。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院23/68回轉(zhuǎn)型圖例壓縮彈簧拉伸彈簧2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院24/68平動型圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院25/68平移型圖例該絲桿的螺紋具有什么特點？此時手部是張開還是合攏？2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院26/68(4)按夾持原理分

手指式：外夾式、內(nèi)撐式、內(nèi)外夾持式。平移式、平動式、旋轉(zhuǎn)式。二指式、多指式。單關(guān)節(jié)式、多關(guān)節(jié)式。吸盤式：負壓吸盤：真空式、噴氣式、擠氣式。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院27/685)典型結(jié)構(gòu)(1)機械式手爪結(jié)構(gòu)氣動驅(qū)動手爪：

氣缸驅(qū)動活塞平移→齒條移動→扇形齒輪擺動→連桿機構(gòu)擺動→手爪平動其它四種機械式手爪機構(gòu)2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院28/68氣動手爪圖例問題：1、分析手部的運動。2、手部作的是什么類型運動？2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院29/68機械手爪圖例重力式手爪齒輪齒條式手爪滑槽式手爪撥桿杠桿式手爪2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院30/68(2)電磁吸盤

電磁吸盤的結(jié)構(gòu)：

主要由磁盤、防塵蓋、線圈、殼體等組成。工作原理：夾持工件：

線圈通電→空氣間隙的存在→線圈產(chǎn)生大的電感和啟動電流→周圍產(chǎn)生磁場(通電導(dǎo)體一定會在周圍產(chǎn)生磁場)→吸附工件

放開工件：

線圈斷電→磁吸力消失→工件落位2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院31/68

適用范圍：適用于用鐵磁材料做成的工件；不適合于由有色金屬和非金屬材料制成的工件。適合于被吸附工件上有剩磁也不影響其工作性能的工件。適合于定位精度要求不高的工件。合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會消失。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院32/68電磁吸盤圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院33/68(3)真空式吸盤

構(gòu)成:

由真空泵、電磁閥、電機和吸盤等構(gòu)成。工作原理：形成真空吸附工件：電機→真空泵→3＃電磁閥左側(cè)→從吸盤5處抽氣釋放工件：電機、泵停轉(zhuǎn)→大氣經(jīng)6?？凇?＃電磁閥左側(cè)→3＃電磁閥右側(cè)→送氣至吸盤5處1Y2Y2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院34/68真空吸盤結(jié)構(gòu)圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院35/686)手部結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例(1)平行指手爪機構(gòu)工作原理：

回轉(zhuǎn)動力源1和6驅(qū)動構(gòu)件2和5順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，通過平行四邊形機構(gòu)帶動手指3和4作平動，夾緊或釋放工件。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院36/68(3)上料吸盤A2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院37/68(4)上料吸盤B2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院38/682.驅(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種形式。每種方式都有直線型和旋轉(zhuǎn)型。直線型電動直線電機液壓活塞液壓缸氣壓伸縮軟管、氣缸旋轉(zhuǎn)型電動直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機液壓旋轉(zhuǎn)馬達氣壓氣壓馬達、渦輪2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院39/68各種主要驅(qū)動方式特點的比較

方式內(nèi)容液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動電氣驅(qū)動交、直流電機伺服電機、步進電機輸出力大小大小控制性能可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精確定位難，阻尼效果差，低速不易控制控制性能較差，慣性大，不易精確定位控制性能好，能精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜體積在輸出力相同條件下體積小較大要有減速裝置，故體積較大較小維修及使用方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求方便方便較復(fù)雜對環(huán)境影響易漏油，易燃排氣有噪聲無無應(yīng)用范圍重型低速驅(qū)動中小型快速驅(qū)動抓取重量大而速度低的中、重型機器人可用于要求嚴(yán)格控制運動軌跡的中小型機器人成本元件成本較高低低較高2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院40/683.傳動機構(gòu)

傳動機構(gòu)用來將原動機發(fā)出的機械能傳遞給關(guān)節(jié)或其他工作部分，以實現(xiàn)機器人各種運動。常用傳動方案如下表所示。常用傳動機構(gòu)有齒輪傳動、螺旋傳動、帶及鏈傳動等。直線電機III變速電機(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))伺服電機(減速機構(gòu))(回轉(zhuǎn)變直線機構(gòu))(直動關(guān)節(jié))II液壓泵或空壓機(液壓或氣動驅(qū)動器)(連桿機構(gòu)、擺桿機構(gòu))I執(zhí)行部件傳動機構(gòu)原動機方案2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院41/681)齒輪傳動諧波減速器

RV減速器：內(nèi)齒輪為帶滾針的圓弧齒，外齒輪采用周擺線齒，內(nèi)外齒輪在整個圓周上始終保持嚙合。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院42/68RV減速器工作原理圖RV減速器特點傳動比范圍大；扭轉(zhuǎn)剛度大；高精度和小間隙回差；傳動效率高；結(jié)構(gòu)緊湊。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院43/682)螺旋傳動

螺旋傳動可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和平移運動的轉(zhuǎn)換。螺旋傳動均勻準(zhǔn)確，主動件上作用較小扭矩，即可在從動件上獲得很大的軸向力。螺桿旋轉(zhuǎn)一周，螺母只移動一個導(dǎo)程。按摩擦性質(zhì)分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋?；瑒勇菪航z杠螺母副滾動螺旋：滾珠絲杠副靜壓螺旋：變滑動、滾動摩擦為流體自身的粘性力摩擦，如使用氣體靜壓螺旋，則摩擦力很小，但承載能力也小。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院44/68滑動螺旋傳動原理圖滾動螺旋傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖滾珠絲杠實物圖2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院45/68靜壓螺旋傳動內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院46/683)帶、鏈傳動

工業(yè)機器人中的帶傳動主要指同步齒形帶傳動，鏈傳動主要指精密套筒滾子鏈傳動。主要用于平行軸之間的傳動。4)其他傳動方式

除上述三種主要傳動形式外，工業(yè)機器人中還有采用液壓傳動、氣壓傳動、連桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院47/684.手臂

手臂用來調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器在空間的位置，或把工件、工具運送到工作范圍內(nèi)的指定位置上。一般具有三個自由度，這些自由度可以是移動副、繞同軸回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)副和繞銷軸擺轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)副。關(guān)節(jié)型機器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是關(guān)節(jié)?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)用來連接手臂與機座、手臂相鄰桿件及手臂與手腕，并實現(xiàn)兩構(gòu)件間的相對回轉(zhuǎn)(或擺動)。它由驅(qū)動器、回轉(zhuǎn)軸和軸承組成。2023/2/4武漢理工大學(xué)機電學(xué)院48/68

驅(qū)動電機和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。這種驅(qū)動方式具有以下特點：

A.機械傳動精度高；

B.振動小，結(jié)構(gòu)剛性好；

C.結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高；

D.電機的重量會增加轉(zhuǎn)動負擔(dān)。

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回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動器裝在同一軸上。SCARA型機器人中