第四章工業(yè)機器人新

第四章工業(yè)機器人新第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第四章工業(yè)機器人的設(shè)計(一)機器人的定義機器人是二十世紀出現(xiàn)的新名詞，可以廣義地把機器人理解為模仿人的機器。隨著機器人的發(fā)展，其模仿人的能力逐步在提高。工業(yè)機器人是用于生產(chǎn)的機器人。本世紀20年代出現(xiàn)了一種附屬在自動機、自動線上，代替人傳遞和裝卸工件的機械手。40年代出現(xiàn)了由作業(yè)者直接控制的半自動化操作機，60年代出現(xiàn)了可以自動控制的實現(xiàn)多種操作的工業(yè)機器人。工業(yè)機器人發(fā)展非常迅速，模仿人的能力越來越強，已經(jīng)開始出現(xiàn)具有學(xué)習(xí)和推理能力的智能機器人。4.1.1工業(yè)機器人及工作原理第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四從模仿能力意義上來看，也可以把機械手、操作機和工業(yè)機器人統(tǒng)稱為“工業(yè)機器人”。目前世界各國對機器人還沒有一個統(tǒng)一的定義。我國國家標準GB／T12643—90將工業(yè)機器人定義為“是一種能自動控制、可重復(fù)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)”。將操作機定義為“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四(二)工業(yè)機器人的基本工作原理基本工作原理是通過操作機上各運動構(gòu)件的運動，自動地實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術(shù)要求。1)二者的末端執(zhí)行器都有位姿變化要求，如機床在加工過程中，刀具相對工件有位姿變化要求，機器人的手部在作業(yè)過程中相對機座也有位姿變化要求；2)二者都是通過坐標運動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿變化要求。3)機床以按直角坐標形式運動為主，而機器人以按關(guān)節(jié)形式運動為主；4)機床對剛度、精度要求很高，其靈活性相對較低；而機器人對靈活性要求很高，其剛度、精度相對較低。第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成(1)操作機操作機是機器人的機械本體，也可稱為主機通常由末端執(zhí)行器及機座組成。操作機具有和人手臂相似的動作功能，其運動功能與機床一樣，一般也是由各個運動單元串聯(lián)組成。(2)驅(qū)動單元由驅(qū)動裝置(如電動機、液壓或氣壓裝置)、減速器和內(nèi)部檢測元件等組成，為操作機各運動部件提供動力和運動。(3)控制裝置由檢測和控制兩部分組成，用來控制驅(qū)動單元，檢測其運動參數(shù)并進行反饋。第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2．工業(yè)機器人的組成一般由執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成：⑴執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機械裝置，通常包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。①末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器（或稱手部）是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。夾持器可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。②手腕手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。③手臂手臂是支承手腕與末端執(zhí)行器的部件。它由動力關(guān)節(jié)和連桿組成，用來改變末端執(zhí)行器的空間位置。④機座機座是工業(yè)機器人的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機座分為固定式和移動式。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四⑵控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機器人按規(guī)定要求動作。可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機器人采用計算機控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級、策略級和執(zhí)行級三級：決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將作業(yè)任務(wù)分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。⑶驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。除此之外，機器人可以配置多種傳感器（如位置、力、觸角、視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀態(tài)。第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.1.3工業(yè)機器人的分類1.按機械結(jié)構(gòu)類型分類(1)關(guān)節(jié)型機器人(圖a)

所謂關(guān)節(jié)就是運動副，由于關(guān)節(jié)型機器人的動作類似人的關(guān)節(jié)動作，故將其運動副稱為關(guān)節(jié)。一般的關(guān)節(jié)指回轉(zhuǎn)運動副，但關(guān)節(jié)型機器人中有時也包含有移動運動副，為了方便，可統(tǒng)稱為關(guān)節(jié)，包括回轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)和直線運動關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機器人的特點是靈活性好，工作空間范圍大(同樣占地面積情況下)，但剛度和精度較低。(2)球坐標型機器人(圖b)又稱極坐標型，按球坐標形式動作(運動)。其特點是靈活性好，工作空間范圍大，但剛度、精度較差。(3)圓柱坐標型機器人(圖c)按圓柱坐標形式動作。其特點是靈活性較好，工作空間范圍較大，剛度、精度較好。(4)直角坐標型機器人(圖d)與機床相似，按直角坐標形式動作。剛度和精度高，但靈活性差，工作空間范圍小。第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2.按用途分類工業(yè)機器人按用途和作業(yè)類別劃分：焊接機器人；具有三個或三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預(yù)定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具的機器。包括弧焊機器人、激光焊接機器人、點焊機器人等。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、采掘機器人、水下機器人等。其它還有按控制方式、機器人的功能水平等分類方式。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四3.按信息輸入方式分①人操作機械手是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。②固定程序機器人按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定作業(yè)任務(wù)的機械手。③可編程序機器人它與固定程序機器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。④程序控制機器人它的作業(yè)任務(wù)指令是由計算機程序向機器人提供的，其控制方式與數(shù)控機床一樣。⑤示教機器人這類機器人能夠按照記憶裝置存儲的信息來復(fù)現(xiàn)由人示教的動作，其示教動作可自動地重復(fù)執(zhí)行。⑥智能機器人采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.按驅(qū)動方式分①電力驅(qū)動電力驅(qū)動是目前采用最多的一種。早期多采用步進電動機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機，現(xiàn)在交流伺服電動機的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。這類驅(qū)動單元可以直接驅(qū)動機構(gòu)運動，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅(qū)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。②液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的機器人具有很大的抓取能力，可抓取質(zhì)量上百公斤的物體，油壓可達7MPa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或低溫現(xiàn)場工作，需要配備一套液壓系統(tǒng)。③氣動驅(qū)動氣壓驅(qū)動的機器人結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速、價格低廉，由于空氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為0.7MPa，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到幾十公斤的物體。第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.1.4工業(yè)機器人的特性表示方法(一)坐標系坐標系按右手定則確定，如圖所示。絕對坐標系機座坐標系機械接口(與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的機械界面)坐標系關(guān)節(jié)坐標系第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四(一)坐標系(1)確定基準狀態(tài)一般可取機器人處于機械原點時的狀態(tài)作為基準狀態(tài)。也可以取機器人各關(guān)節(jié)軸線(或大部分關(guān)節(jié)軸線)與機座直角坐標系軸線平行時的狀態(tài)作為基準狀態(tài)。(2)關(guān)節(jié)坐標軸軸線位置的選取(3)關(guān)節(jié)坐標方向的選取采用右手坐標系，規(guī)定了X、Z軸的方向，y軸方向就自然確定了。各坐標系間的坐標變換簡單。第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.1.3工業(yè)機器人的分類(二)機械結(jié)構(gòu)類型機器人的機械結(jié)構(gòu)類型特征，用它的結(jié)構(gòu)坐標形式和自由度數(shù)表示。關(guān)于結(jié)構(gòu)坐標形式已在機器人分類中作了敘述。自由度是表示工業(yè)機器人動作靈活程度的參數(shù)，以直線運動和回轉(zhuǎn)運動的獨立運動數(shù)表示。機器人的自由度數(shù)相當(dāng)于機床的軸數(shù)，都表示運動的個數(shù)。例如具有三個自由度的機器人稱為三自由度機器人，從運動功能上看，也可以把它稱為三坐標機器人，或三軸機器人。工業(yè)機器人的自由度越多，靈活性越好，但結(jié)構(gòu)和控制越復(fù)雜。機器人的自由度數(shù)與原動件數(shù)目相等。第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.1.4工業(yè)機器人的特性表示方法(三)工作空間工作空間指工業(yè)機器人正常運行時，手腕參考點(也可以用機械接口坐標系原點)能在空間活動的最大范圍，用它來衡量機器人工作范圍的大小。機床的工作空間(加工空間)一般為長方體或圓柱體空間；而機器人的工作空間形狀復(fù)雜(見圖4—6)。(四)其它特性包括用途、外形尺寸和質(zhì)量、負載、速度、驅(qū)動方式和動力源、控制、編程方法、性能、分辨率及環(huán)境條件等。第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.1.5工業(yè)機器人的基本設(shè)計方法(一)工業(yè)機器人的設(shè)計方法由前述工業(yè)機器人工作原理分析可知，工業(yè)機器人與機床在基本功能和基本工作原理上有相似之處，但其特征及要求不同。從設(shè)計方法學(xué)上看，工業(yè)機器人的設(shè)計方法與機床設(shè)計方法基本相通，但其具體的設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計要求及設(shè)計技術(shù)又有很大差別。工業(yè)機器人總體方案的設(shè)計方法也可以分為分析式設(shè)計方法和創(chuàng)成式設(shè)計方法。第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四(二)設(shè)計內(nèi)容與步驟1．總體設(shè)計——(1)基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計：1)用途，如搬運、點焊等等。2)額定負載。額定負載是指在機器人規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處所能承受負載的允許值。包括機器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量、抓取工件的質(zhì)量及慣性力(矩)，外界的作用力(矩)來確定。3)按作業(yè)要求確定工作空間，要考慮作業(yè)對象對機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)要求，以便為后續(xù)方案設(shè)計中的自由度設(shè)計提供依據(jù)。4)額定速度。指工業(yè)機器人在額定負載、勻速運動過程中，機械接口中心的最大速度。由于機器人的總體結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計，故該階段只能概略估計。5)驅(qū)動方式的選擇。6)性能指標。第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四1．總體設(shè)計——(2)總體方案設(shè)計：1)運動功能方案設(shè)計。該階段的主要設(shè)計任務(wù)是設(shè)計確定機器人的自由度數(shù)、各關(guān)節(jié)運動的性質(zhì)及排列順序、在基準狀態(tài)時各關(guān)節(jié)軸的方向。2)傳動系統(tǒng)方案設(shè)計。根據(jù)動力及速度參數(shù)、驅(qū)動方式等選擇傳動方式和傳動元件。3)結(jié)構(gòu)布局方案。根據(jù)機器人的工作空間、運動功能方案及傳動方案，確定關(guān)節(jié)的形式、各構(gòu)件的概略形狀和尺寸。4)參數(shù)設(shè)計。確定在基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計階段尚無法考慮的一些參數(shù)，如單軸速度、單軸負載、單軸運動范圍等。該項工作應(yīng)與第3項設(shè)計工作交叉進行。5)控制系統(tǒng)方案設(shè)計。近期設(shè)計的工業(yè)機器人基本上都是采用計算機控制系統(tǒng)。6)總體方案評價。第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2．詳細設(shè)計詳細設(shè)計內(nèi)容包括裝配圖設(shè)計、零件圖設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。3．總體評價總體設(shè)計階段所得的設(shè)計結(jié)果是各構(gòu)件及關(guān)節(jié)的概略形狀及尺寸，通過詳細設(shè)計將其細化了，而且總體設(shè)計階段尚未考慮的細節(jié)也具體化了，因此各部分尺寸會有一些變化，需要對設(shè)計進行總體評價，檢測其是否能滿足所需設(shè)計指標的要求。第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四4.2工業(yè)機器人傳動功能設(shè)計

一．工業(yè)機器人位資的描述（位置和姿態(tài)）（一）作業(yè)功能姿態(tài)的描述方法：用末端執(zhí)行器和機床坐標系之間的齊次坐標變換來實現(xiàn)（202頁圖4-7）

1、末端執(zhí)行件：可以在XM—YM—ZM坐標系中實現(xiàn)，坐標系OM,原點OM也可以在X0—Y0—Z0坐標系中表示，坐標系O0,原點O02、

末端執(zhí)行器相對于機床坐標系OM的位姿[X0Y0Z01]T=[0Tm][0001]TX—Y—Z和X0—Y0—Z0間平移變換第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四注意：原點OM在坐標系OM中的坐標：Xm=Ym=Zm=0【0Tm】：末端執(zhí)行器位姿變化的矩陣，即O0與OM坐標系間的齊次變換矩陣

【0Rm】：旋轉(zhuǎn)變換矩陣

【0Pm】：平移變換矩陣第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

<二>機器人運動姿態(tài)描述法

1、0坐標系經(jīng)平移變換到O1點，然后旋轉(zhuǎn)【0，0，R】與X1—Y1—Z1重合第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

2、運動矩陣約定：關(guān)節(jié)的運動量分別用i（回轉(zhuǎn)量），Zi（直線運動量）表示。

Oi與Oi+1坐標間的平移變換坐標量用[aibici]T

表示，旋轉(zhuǎn)變換量分別用繞Xi、Yi、Zi軸旋轉(zhuǎn)的角度i、i、i表示

[iTi+1]表示Oi與Oi+1坐標間的齊次變換矩陣。

[Ti]表示第i關(guān)節(jié)的運動，

Ti,i+k表示第Oi+k

坐標系相對Oi

坐標系的相對運動矩陣注：O0與Oi

坐標系的位置矢量關(guān)系[X0Y0Z01]T=[0T1][T1][X1Y1Z11]T=[T0,1][X1Y1Z11]T

圖4-8推出齊次變換矩陣（上邊）式中：

第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2=90°，z3為關(guān)節(jié)3沿Z3

軸方向的直線運動量。第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第33頁，共53頁，2023年，2月20日，