工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知-課件

1.掌握機器人的結(jié)構(gòu)運動簡圖。2.掌握機器人的自由度、坐標系和工作空間。3.掌握關(guān)節(jié)機器人機身、臂部、腕部及手部等結(jié)構(gòu)特點及功能。4.了解減速器的作用、工作原理及類型。1.能夠根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)組成確定其自由度。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知知識目標:能力目標:2.能夠根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)識別機器人的運動。3.能夠根據(jù)工作需求正確選擇機器人。1.掌握機器人的結(jié)構(gòu)運動簡圖。2.掌握機器人的自由度、坐標系和工作空間。3.掌握關(guān)節(jié)機器人機身、臂部、腕部及手部等結(jié)構(gòu)特點及功能。4.了解減速器的作用、工作原理及類型。1.能夠根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)組成確定其自由度。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知知識目標:能力目標:2.能夠根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)識別機器人的運動。3.能夠根據(jù)工作需求正確選擇機器人。

工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)是機器人的主要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù),也是現(xiàn)代

機械原理研究的主要內(nèi)容。機器人一般由驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、控制

系統(tǒng)三個基本系統(tǒng),以及一些復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)組成。通常用自由度、工

作空間、額定負載、定位精度、重復(fù)精度和最大工作速度等技術(shù)指標來描述機器人的性能。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知了解工業(yè)機器人系統(tǒng)的基本組成、技術(shù)參數(shù)及運動控制,能夠熟練進行機

器人坐標系和運動軸的選擇,并能夠使用示教器熟練操作機器人,實現(xiàn)單

軸運動、線性運動與重定位運動。

一、機器人結(jié)構(gòu)運動簡圖任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知機器人結(jié)構(gòu)運動簡圖是指用結(jié)構(gòu)與運動符號表示機器人手臂、手腕和手指等結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)間的運動形式的簡易圖形,見表1-2-1。利用機器人結(jié)構(gòu)運動簡圖,能夠更好地分析和記錄機器人的各種運動和運動組合,可簡單、清晰地表明機器人的運動狀態(tài),有利于對機器人設(shè)計方案進行比較和選擇。

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知二、工業(yè)機器人的運動自由度1.自由度的概念描述物體相對于坐標系進行獨立運動的數(shù)目稱為自由度。物體在

三維空間有6個自由度,如圖1-2-1所示。圖1-2-1剛體在三維空間有6個自由度

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知2.工業(yè)機器人的自由度機器人的自由度是指描述機器人本體(不含末端執(zhí)行器)相對于基

坐標系(機器人坐標系)進行獨立運動的數(shù)目。機器人的自由度表

示機器人動作靈活的尺度,一般以軸的直線運動、擺動或旋轉(zhuǎn)運

動的數(shù)目來表示。

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知在機器人機構(gòu)中,兩相鄰連桿之間有一個公共的軸線,兩桿之間沿

該軸線做相對移動或繞該軸線做相對轉(zhuǎn)動,構(gòu)成一個運動副,也稱

為關(guān)節(jié)。機器人關(guān)節(jié)的種類決定了機器人的運動自由度,移動關(guān)

節(jié)、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、球面關(guān)節(jié)和虎克鉸關(guān)節(jié)是機器人機構(gòu)中經(jīng)常使用的關(guān)節(jié)類型。

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-2所示為工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)類型及其自由度的表示方法。移動關(guān)節(jié)——用字母P表示,它允許兩相鄰連桿沿關(guān)節(jié)軸線做相對

移動,這種關(guān)節(jié)具有1個自由度,如圖1-2-2a所示。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)——用字母R表示,它允許兩相鄰連桿繞關(guān)節(jié)軸線做相對

轉(zhuǎn)動,這種關(guān)節(jié)具有1個自由度,如圖1-2-2b所示。球面關(guān)節(jié)——用字母S表示,它允許兩連桿之間有3個獨立的相對

轉(zhuǎn)動,這種關(guān)節(jié)具有3個自由度,如圖1-2-2c所示?；⒖算q關(guān)節(jié)——用字母T表示,它允許兩連桿之間有2個相對轉(zhuǎn)動,

這種關(guān)節(jié)具有2個自由度,如圖1-2-2d所示。

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-2工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)類型及其自由度的表示方法a)移動關(guān)節(jié)b)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)c)球面關(guān)節(jié)d)虎克鉸關(guān)節(jié)

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(1)直角坐標機器人的自由度如圖1-2-3所示,直角坐標系機器人臂部有3個自由度。其移動關(guān)節(jié)各軸線相互垂直,使臂部可沿X、Y、Z軸方向移動,構(gòu)成直角坐標機器人的3個自由度。這種形式的機器人主要特點是結(jié)構(gòu)剛度大,關(guān)節(jié)運動相互獨立,操作靈活性差。圖1-2-3直角坐標機器人及其自由度任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(2)柱面坐標機器人的自由度如圖1-2-4所示,五軸柱面坐標機器人有5個

自由度。其臂部可沿自身軸線伸縮移動,可繞機身垂直軸線回轉(zhuǎn),以及沿

機身軸線上下移動,構(gòu)成3個自由度;另外,臂部、腕部和末端執(zhí)行器三者

之間采用2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接,構(gòu)成2個自由度。圖1-2-4柱面坐標機器人及其自由度任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(3)球面(極)坐標機器人的自由度如圖1-2-5所示,球面(極)坐標機器人有

5個自由度。其臂部可沿自身軸線伸縮移動、可繞機身垂直軸線回轉(zhuǎn),并

可在垂直平面內(nèi)上下擺動,構(gòu)成3個自由度;另外,臂部、腕部和末端執(zhí)行

器三者之間采用2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接,構(gòu)成2個自由度。這類機器人的靈活

性好,工作空間大。圖1-2-5球面(極)坐標機器人及其自由度任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(4)關(guān)節(jié)機器人關(guān)節(jié)機器人的自由度與其軸數(shù)和關(guān)節(jié)形式有關(guān),現(xiàn)以常

見的SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人和六軸多關(guān)節(jié)機器人為例進行說明。1)SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人。SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人有4個自

由度,如圖1-2-6所示。SCARA型多平面關(guān)節(jié)機器人的大臂與機身的關(guān)節(jié)

、大小臂間的關(guān)節(jié)都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),有2個自由度;小臂與腕部的關(guān)節(jié)為移

動關(guān)節(jié),有1個自由度;腕部和末端執(zhí)行器的關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),有1個自由

度,實現(xiàn)末端執(zhí)行器繞垂直軸線的旋轉(zhuǎn)。這種機器人適用于平面定位,在

垂直方向進行裝配作業(yè)。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-6SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人及其自由度任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知2)六軸關(guān)節(jié)機器人。六軸關(guān)節(jié)機器人有6個自由度,如圖1-2-7所示。六軸關(guān)節(jié)機器人的機身與底座的腰關(guān)節(jié)、大臂與機身處的肩關(guān)節(jié)、大小臂

間的肘關(guān)節(jié),以及小臂、腕部和手部三者之間的3個腕關(guān)節(jié),都是轉(zhuǎn)動關(guān)

節(jié),因此該機器人有6個自由度。這種機器人動作靈活,結(jié)構(gòu)緊湊。圖1-2-7六軸關(guān)節(jié)機器人及其自由度任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(5)并聯(lián)機器人的自由度并聯(lián)機器人是由閉環(huán)機構(gòu)組成的并聯(lián)方式驅(qū)

動的機器人。如圖1-2-8所示,由Gough-Stewart并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)成的機器人是

典型的并聯(lián)機器人。與開鏈式工業(yè)機器人的自由度不同,并聯(lián)機器人的

自由度不能通過結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)自由度的個數(shù)來得出,而是通過公式計算得到,

即

式中

F——機器人自由度數(shù);

l——機構(gòu)連桿數(shù);任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知

n——結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)總數(shù);

fi——第i個關(guān)節(jié)的自由度數(shù)。圖1-2-8Gough-Stewart并聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機器人a)Gough-Stewart并聯(lián)機構(gòu)b)并聯(lián)機器人任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知并聯(lián)機器人具有無累積誤差、精度高、剛度大、承載能力強、速度高

、動態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間較小等特點。根據(jù)這些特點,并聯(lián)

機器人在需要高剛度、高精度或者大負載而不需要很大空間的場合得

到了廣泛應(yīng)用。三、工業(yè)機器人的坐標系工業(yè)機器人的運動實質(zhì)是根據(jù)不同作業(yè)內(nèi)容和軌跡的要求,在各種坐標系下的運動。工業(yè)機器人的坐標系主要包括基坐標系、關(guān)節(jié)坐標系、工件坐標系及工具坐標系,如圖1-2-9所示。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-9工業(yè)機器人的坐標系

任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知1.基坐標系基坐標系是機器人其他坐標系的參照基礎(chǔ),是機器人示教與編程

時經(jīng)常使用的坐標系之一,它的位置沒有硬性的規(guī)定,一般定義在

機器人安裝面與第一轉(zhuǎn)動軸的交點處。2.關(guān)節(jié)坐標系關(guān)節(jié)坐標系的原點位置在機器人關(guān)節(jié)中心點處,用于確定該關(guān)節(jié)

處每個軸相對該關(guān)節(jié)坐標系原點位置的絕對角度。3.工件坐標系工件坐標系是用戶自定義的坐標系,用戶坐標系也可以定義為工件坐標系?？筛鶕?jù)需要定義多個工件坐標系,當配備多個工作臺

時,選擇工件坐標系操作更為簡單。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知4.工具坐標系工具坐標系是原點位于機器人末端的工具中心點(ToolCenter

Point,TCP)處的坐標系,原點及方向都是隨著末端位置與角度不斷

變化的。該坐標系實際是將基坐標系通過旋轉(zhuǎn)及位移變化而來的

。因為工具坐標系的移動以工具的有效方向為基準,與機器人的

位置、姿勢有關(guān),所以不改變工具姿勢,進行相對于工件的平行移

動最為適宜。四、工業(yè)機器人的工作空間1.工作空間的概念及舉例(1)工作空間機器人正常運行時,末端執(zhí)行器工具中心點(TCP)的空間活

動范圍稱為工作空間。這一空間又稱可達空間或總工作空間,記作W(p)。(2)靈活工作空間在總工作空間內(nèi),末端執(zhí)行器以任意姿態(tài)達到的點所

構(gòu)成的工作空間,稱為靈活工作空間,記作Wp(p)。(3)次工作空間次工作空間是指總工作空間中去掉靈活工作空間所余

下的部分,記作Ws(p)。根據(jù)定義有任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知W(p)=Wp(p)+Ws(p)(4)奇異形位奇異形位是指總工作空間W(p)邊界面上的點所對應(yīng)的機

器人的位置和姿態(tài)。靈活工作空間內(nèi)點的靈活程度受操作機結(jié)構(gòu)的影響,通常分作兩類:Ⅰ類——末端執(zhí)行器可以全方位達到的點所構(gòu)成的靈活空間,表示為Wp1

(p)。Ⅱ類——只能有限個方位達到的點所構(gòu)成的靈活空間,表示為Wp2(p)。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(5)舉例圖1-2-10所示為3R操作機工作空間示意。3R操作機由L1、L2和

H三桿組成,且L1>L2+H。取手心點P為末端執(zhí)行器的參考點,令l1、l2分別為L1、L2桿的長度,h為手心點P到關(guān)節(jié)點O3的長度(即H桿的長度)則有:1)圓C1半徑:R1=l1+l2+h(圖1-2-10中的極限位置1);圓C4半徑:R4=l1-

l2-h(圖1-

2-10中的極限位置3)。圓C1和圓C4分別是該操作機的總工作空間的邊界,

它們之間的環(huán)形面積即W(p)。2)圓C2半徑:R2=l1+l2-h(圖1-2-10中的極限位置2);圓C3半徑:R3=l1-

l2+h(如

圖1-2-10所示中的極限位置4)。圓C2和圓C3分別是該操作機靈活工作空

間的邊界,它們之間的環(huán)形面積即Wp(p)。圖1-2-103R操作機工作空間示意任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知結(jié)論:1)Wp(p)中的任意點為全方位可達點。2)在C1和C4圓上的任意點,只可實現(xiàn)沿該圓的切線方向的運動。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知3)末桿H越長,即h越大,C1越大,C4越小,總工作空間越大;但相應(yīng)靈活工作

空間則由于C2的增大和C3的減小而減小。4)工作空間同時受關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角限制。2.工作空間的兩個基本問題(1)正問題給出某一結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作機以及關(guān)節(jié)變量的變

化范圍,求工作空間的方式稱為工作空間的正問題。(2)逆問題給出某一限定的工作空間,求操作機的結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)和關(guān)

節(jié)變量的變化范圍的方式,稱為工作空間的逆問題。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-11NB4L型關(guān)節(jié)機器人的外形尺寸與動作范圍任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知3.圖解法確定工作空間圖解法求工作空間邊界,得到的往往是工作空間的各類剖面(或截線),如圖1-

2-11所示。它直觀性強,便于和計算機結(jié)合,以顯示操作機的構(gòu)形特征。

用圖解法獲得的工作空間不僅與機器人各連桿的尺寸有關(guān),還與機器人

的總體結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖解法確定工作空間的邊界時,需要將關(guān)節(jié)分為兩組,即前三關(guān)節(jié)和后三關(guān)

節(jié)(有時為兩關(guān)節(jié)或單關(guān)節(jié))。前三關(guān)節(jié)稱為位置結(jié)構(gòu),主要確定工作空間

的大小;后三關(guān)節(jié)稱為定向結(jié)構(gòu),主要決定手部姿勢。首先分別求出兩組關(guān)節(jié)所形成的腕點空間和參考點在腕坐標系中的工作空間,再進行包絡(luò)整合。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知五、關(guān)節(jié)機器人關(guān)節(jié)機器人,也稱關(guān)節(jié)手臂機器人或關(guān)節(jié)機械手臂,是當今工

業(yè)領(lǐng)域中最常見的工業(yè)機器人形態(tài)之一。類似于人類的手

臂,關(guān)節(jié)機器人可以代替很多不適合人力完成、對身體健康

有害的復(fù)雜工作。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知1.關(guān)節(jié)機器人的特點1)有很高的自由度,適合于幾乎任何軌跡或角度的工作。2)可以自由編程,完成全自動化的工作。3)提高了生產(chǎn)率,降低了可控制的錯誤率。4)代替很多不適合人力完成、對身體健康有害的復(fù)雜工作。5)價格高,初期投資成本高。6)生產(chǎn)前期的工作量大。2.關(guān)節(jié)機器人的分類(1)多關(guān)節(jié)機器人五軸關(guān)節(jié)機器人和六軸關(guān)節(jié)機器人是常用的多關(guān)節(jié)機器人,這類機器人擁有5個或6個旋轉(zhuǎn)軸,類似于人類的手臂。圖1-2-12

所示為ABBIRB1520六軸關(guān)節(jié)機器人,其應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、噴漆

、表面處理、測試、測量、弧焊、點焊、包裝、裝配、機加工、固定

、特種裝配操作、鍛造、鑄造等。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(2)SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人及類SCARA機器人傳統(tǒng)的SCARA型

平面多關(guān)節(jié)機器人有3個互相平行的旋轉(zhuǎn)軸和1個線性軸,如圖1-2-13所

示,其應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、焊接、噴漆、包裝、固定、涂層、粘結(jié)

、封裝、特種搬運操作、裝配等。圖1-2-12ABBIRB1520六軸關(guān)節(jié)機器人任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-13SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知類SCARA機器人為SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人的變型,如圖1-2-14所示,也有3個平行的旋轉(zhuǎn)軸和1個線性軸,不同點在于類SCARA機器人的線性軸為第二軸,而SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人的線性軸為第四軸。目前國內(nèi)新起的類SCARA機器人在市場上開始大量使用,主要用于沖壓

行業(yè),如圖1-2-15所示,彌補了SCARA型平面多關(guān)節(jié)機器人作業(yè)空間小的

缺點。圖1-2-14類SCARA機器人任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知正文圖1-2-15類SCARA機器人的應(yīng)用任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-16四軸碼垛機器人(3)四軸碼垛機器人四軸碼垛機器人有4個旋轉(zhuǎn)軸,具有機械抓手的定位鎖緊裝置,如圖1-2-16所示,其應(yīng)用領(lǐng)域有裝貨、卸貨、包裝、特種搬運

操作、托盤運輸?shù)?。任?wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知3.關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)及功能六軸關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)如圖1-2-17所示,J1、J2、J3為定位關(guān)節(jié),機器

人手腕的位置主要由這3個關(guān)節(jié)決定,稱為位置機構(gòu);J4、J5、J6為定

向關(guān)節(jié),主要用于改變手腕姿態(tài),稱為姿態(tài)機構(gòu)。圖解關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)之前,還需要了解一下關(guān)節(jié)機器人的正方向。如圖1

-2-17所示,J2、J3、J5關(guān)節(jié)以“抬起/后仰”為正,“降下/前傾”為負;J1、

J4、J6關(guān)節(jié)滿足“右手定則”,即拇指沿關(guān)節(jié)軸線指向機器人末端,則其他四指方向為關(guān)節(jié)正方向。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知正文關(guān)節(jié)機器人的機械結(jié)構(gòu)由四大部分構(gòu)成,即機身、臂部(小臂和大臂)、腕

部和手部,如圖1-2-18所示。其中機身又稱立柱,是支撐臂部的部件。關(guān)

節(jié)機器人的機身和手臂的配置形式為基座式機身,屈伸式手臂。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-17六軸關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-18關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知的驅(qū)動裝置或傳動裝置安裝在機身上,具有升降、回轉(zhuǎn)及俯仰3個自由度

。關(guān)節(jié)機器人主體結(jié)構(gòu)的3個自由度均為回轉(zhuǎn)運動,構(gòu)成機器人的回轉(zhuǎn)運

動、俯仰運動和偏轉(zhuǎn)運動。通常僅把回轉(zhuǎn)運動歸結(jié)為關(guān)節(jié)機器人的機

身運動。(2)臂部的結(jié)構(gòu)及功能臂部是連接機身和腕部的部件,支撐腕部和手部,

帶動其在空間運動,結(jié)構(gòu)類型多、受力復(fù)雜。臂部由動力型關(guān)節(jié)、大臂和小臂組成。關(guān)節(jié)機器人以臂部各相鄰部件

的相對角位移為運動坐標。臂部動作靈活,所占空間小,工作范圍大,能在

狹窄空間內(nèi)繞過障礙物。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(1)機身的結(jié)構(gòu)及功能機身是連接、支撐手臂及行走機構(gòu)的部件,臂部(3)腕部的結(jié)構(gòu)及功能腕部是臂部和手部的連接件,起支撐手部和改變

手部姿態(tài)的作用。關(guān)節(jié)機器人的腕部結(jié)構(gòu)有三種,如圖1-2-19所示。在這

三種腕部結(jié)構(gòu)中,以RBR型結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛,它適用于各種工作場合,其他兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍相對較窄,如3R型結(jié)構(gòu)主要用在噴涂行業(yè)等。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知1)腕部的自由度。為了使手部能處于空間任意方向,要求腕部能實現(xiàn)繞

空間X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)運動,如圖1-2-20所示,這便是腕部運動的3個

自由度,即偏轉(zhuǎn)Y(Yaw)、俯仰P(Pitch)和翻轉(zhuǎn)R(Roll)。并不是所有的腕部

都必須具備3個自由度,而是根據(jù)實際使用的工作性能要求來確定,如圖1-

2-21a所示為腕部的翻轉(zhuǎn),圖1-2-21b所示為腕部的俯仰,圖1-2-21c所示為腕

部的偏轉(zhuǎn)。圖1-2-19關(guān)節(jié)機器人的腕部結(jié)構(gòu)a)3R型結(jié)構(gòu)b)RBR型結(jié)構(gòu)c)BBR型結(jié)構(gòu)任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-20腕部坐標系任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-21腕部運動a)手腕的翻轉(zhuǎn)b)手腕的俯仰c)手腕的偏轉(zhuǎn)4.腕部的分類(1)按自由度分類按自由度來分,腕部可分為單自由度腕部、二自由度

腕部和三自由度腕部。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知1)單自由度腕部。腕部在空間可以具有3個自由度,也可以具備以下單一

功能:①單一的翻轉(zhuǎn)功能。腕部的關(guān)節(jié)軸線與臂部的縱軸線共線,回轉(zhuǎn)角度不

受結(jié)構(gòu)限制,可以回轉(zhuǎn)360°以上。該運動用翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(R關(guān)節(jié))實現(xiàn),如圖1-

2-22a所示。②單一的俯仰功能。腕部關(guān)節(jié)軸線與臂部及手部的軸線相互垂直,回轉(zhuǎn)

角度受結(jié)構(gòu)限制,通常小于360°。該運動用彎曲關(guān)節(jié)(B關(guān)節(jié))實現(xiàn),如圖1-

2-22b所示。③單一的偏轉(zhuǎn)功能。腕部關(guān)節(jié)軸線與臂部及手部的軸線在另一個方向上相互垂直,回轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制,通常小于360°。該運動用彎曲關(guān)節(jié)(B關(guān)節(jié))實現(xiàn),如圖1-2-22c所示。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-22單自由度手腕a)翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(翻轉(zhuǎn))b)彎曲關(guān)節(jié)(俯仰)c)彎曲關(guān)節(jié)(偏轉(zhuǎn))任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知2)二自由度手腕?？梢杂梢粋€R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié),如圖

1-2-23a所示;或由兩個B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié),如圖1-2-23b所示。但是,不能由兩個R關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕,因為兩個R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的,實際上只

起到單自由度的作用,如圖1-2-23c所示。圖1-2-23二自由度手腕a)BR關(guān)節(jié)b)BB關(guān)節(jié)c)R關(guān)節(jié)3)三自由度手腕。由R關(guān)節(jié)和B關(guān)節(jié)的組合構(gòu)成的三自由度手腕可以有

多種形式,實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)功能,如圖1-2-24所示。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-24三自由度手腕a)RRR手腕b)RBR手腕c)BBR手腕正文(2)按腕部的驅(qū)動方式分類按腕部的驅(qū)動方式來分,腕部可分為直接驅(qū)

動腕部和遠距離傳動腕部。1)直接驅(qū)動腕部。驅(qū)動源直接裝在腕部上,如圖1-2-25所示。決定這種直接驅(qū)動腕部性能的關(guān)鍵在于能否設(shè)計和加工出尺寸小、重量輕而驅(qū)動

扭矩大、驅(qū)動性能好的驅(qū)動電動機或液壓電動機。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-25液壓直接驅(qū)動腕部任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知2)遠距離傳動腕部。有時為了保證具有足夠大的驅(qū)動力,驅(qū)動裝置又不

能做得足夠小,同時也為了減輕腕部的重量,常用遠距離的驅(qū)動方式,可以

實現(xiàn)3個自由度的運動,如圖1-2-26所示。圖1-2-26遠距離傳動腕部任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知5.手部的結(jié)構(gòu)及功能工業(yè)機器人的手部也稱末端執(zhí)行器,由驅(qū)動機構(gòu)、傳動機構(gòu)和手

指三部分組成,是一個獨立的部件,具有通用性,可用于多種類型的

機器人(如直角坐標機器人、柱面坐標機器人、球面(極)坐標機器

人、關(guān)節(jié)機器人等)。工業(yè)機器人的手部可直接安裝在工業(yè)機器

人的腕部上用于夾持工件或使工具按照規(guī)定的程序完成指定的工

作,其對整個機器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵的作用,直接關(guān)系著

夾持工件時的定位精度、夾持力的大小等。另外,工業(yè)機器人的

手部通常采用專用裝置,一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、質(zhì)量等方面相近的工件。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知工業(yè)機器人的手部按照手部的用途和結(jié)構(gòu)不同,可分為機械式夾

持器、吸附式執(zhí)行器和專用工具(如焊槍、噴嘴、電磨頭等)三類。(1)機械式夾持器機械式夾持器按照夾取東西的方式不同,分為內(nèi)撐式

夾持器(圖1-2-27)和外夾式夾持器兩種(圖1-2-28),二者夾持部位不同,手爪

動作的方向相反。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-27內(nèi)撐式夾持器1—電磁鐵2—拉桿3—夾爪任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知圖1-2-28外夾式夾持器1—扇形齒輪2—齒條3—活塞4—氣缸5—夾爪任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知①真空吸盤吸附。②氣流負壓氣吸附。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(2)吸附式執(zhí)行器吸附式末端執(zhí)行器依據(jù)吸力不同可分為氣吸附執(zhí)行

器和磁吸附執(zhí)行器。1)氣吸附執(zhí)行器。氣吸附執(zhí)行器主要是利用吸盤內(nèi)壓力和大氣壓之間的壓力差工作的,其吸附形式依據(jù)壓力差分為真空吸盤吸附、氣流負壓氣

吸附、擠壓排氣負壓氣吸附等,工作原理如圖1-2-29所示。③擠壓排氣負壓氣吸附。圖1-2-29氣吸附的工作原理a)真空吸盤吸附b)氣流負壓氣吸附c)擠壓排氣負壓氣吸附1、8、13—橡膠吸盤2—固定環(huán)3—墊片4—支撐桿5—基板6—螺母7—噴嘴

套9—心套10—透氣螺釘11—支撐架12—噴嘴14—彈簧15—拉桿任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知吸盤的種類繁多,一般分為普通型吸盤和特殊型吸盤兩種。普通型吸盤

包括平面吸盤、超平吸盤、橢圓吸盤、波紋管形吸盤和圓形吸盤;特殊

型吸盤是為了滿足在特殊應(yīng)用場合而設(shè)計使用的,通常可分為專用型吸

盤和異形吸盤,并且特殊型吸盤的結(jié)構(gòu)形狀因吸附對象的不同而不同。

吸盤的結(jié)構(gòu)對吸附能力的大小有很大影響,但材料也對吸附能力有較大

影響,目前吸盤的常用材料多為丁腈橡膠(NBR)、天然橡膠(NR)和半透

明硅膠(SIT5)等。不同結(jié)構(gòu)和材料的吸盤被廣泛應(yīng)用于汽車覆蓋件、玻

璃板件、金屬板材的切割及上下料等場合,適合抓取表面相對光滑、平

整、堅硬及微小材料,具有高效、無污染、定位精度高等優(yōu)點。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知電磁吸盤、永磁吸盤、電永磁吸盤等,其工作原理如圖1-2-30所示。①電磁吸盤是在內(nèi)部激磁線圈通直流電后產(chǎn)生磁力而吸附導(dǎo)磁性工件

的。②永磁吸盤是利用磁力線通路的連續(xù)性及磁場疊加性工作的。一般永

磁吸盤(多用釹鐵硼為內(nèi)核)的磁路為多個磁系,通過磁系之間的相互運動

來控制工作磁極面上的磁場強度,進而實現(xiàn)工件的吸附和釋放動作。③電永磁吸附是利用永磁磁鐵產(chǎn)生磁力,利用勵磁線圈對吸力大小進行

控制,起到“開、關(guān)”作用的。電永磁吸盤結(jié)合永磁吸盤和電磁吸盤的

優(yōu)點,應(yīng)用十分廣泛。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知2)磁吸附執(zhí)行器。磁吸附是利用磁力吸取工件的。常見的磁力吸盤分為正文圖1-2-30磁吸附的工作原理a)永磁吸附b)電磁吸附1—非導(dǎo)磁體2—永磁鐵3—磁軛4—工件5—工件6—激磁線圈7—直流電源任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知盤;按吸力大小分普通磁吸盤和強力磁吸盤等。由上述可知,磁吸附只能

吸附對磁產(chǎn)生感應(yīng)的物體,故對于要求不能有剩磁的工件無法使用,且磁

力受溫度影響較大,所以在高溫下工作也不能選擇磁吸附,故磁吸附執(zhí)行

器在使用過程中有一定局限性,常適合要求抓取精度不高且在常溫下工

作的工件。圖1-2-31專用工具1—氣路接口2—定位銷3—電接頭4—電磁吸盤任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知電磁吸盤的分類方式多種多樣,依據(jù)形狀可分為矩形磁吸盤、圓形磁吸(3)專用工具機器人是一種通用性很強的自動化設(shè)備,可根據(jù)作業(yè)要求

完成各種動作,再配上各種專用的末端執(zhí)行器后,就能完成各種動作。例如,在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人,安裝擰螺母機則

成為一臺裝配機器人。目前有許多由專用電動、氣動工具改型而成的

專用工具,如圖1-2-31所示,如擰螺母專用工具、焊槍、電磨頭、電銑頭

、拋光頭、激光切割機等,形成一整套系列供用戶選用,使機器人能勝任

各種工作。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知六、減速器在工業(yè)機器人中,減速器是連接機器人動力源和執(zhí)行機構(gòu)的中間裝置,是保證工業(yè)機器人到達目標位置的精確度的核心部件。通過合理地選用減速器,可精確地將機器人動力源轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機器人各部位所需要的速度。與通用減速器相比,應(yīng)用于機器人關(guān)節(jié)處的減速器應(yīng)當具有傳動鏈短、體積小、功率大、重量輕和易于控制等特點。圖1-2-32機器人關(guān)節(jié)傳動單元任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知機器人采用齒輪傳動、鏈條(帶)傳動、直線運動單元等,機器人關(guān)節(jié)傳動單元如圖1-2-32所示。正文圖1-2-33諧波減速器結(jié)構(gòu)任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知正文常由三個基本構(gòu)件組成,包括一個有內(nèi)齒的剛輪、一個工作時可產(chǎn)生徑

向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內(nèi)部的呈橢圓形且外圈

帶有柔性滾動軸承的波發(fā)生器,如圖1-2-33所示。在這三個基本構(gòu)件中可

任意固定一個,其余一個為主動件,另一個為從動件(如剛輪固定不變,波

發(fā)生器為主動件,柔輪為從動件)。當波發(fā)生器裝入柔輪后,迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形,其長

軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合,而短軸兩端附近的齒則與剛輪完

全脫開,橢圓周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當波發(fā)

生器沿某一方向連續(xù)轉(zhuǎn)動時,柔輪的變形不斷改變,其與剛輪的嚙合狀態(tài)

也不斷改變,嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入……周而復(fù)始地進行。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知(1)諧波減速器同行星齒輪傳動一樣,諧波齒輪傳動(簡稱諧波傳動)通正文由于柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù),因此可實現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)

生器相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。(2)RV減速器與諧波傳動相比,RV傳動具有較高的疲勞強度和剛度,以

及較長的壽命,而且回差精度穩(wěn)定,不像諧波傳動那樣隨著使用時間的增

長而運動精度顯著降低,故高精度機器人傳動多采用RV減速器,而且其有

逐漸取代諧波減速器的趨勢。圖1-2-34所示為RV減速器的結(jié)構(gòu)示意,主

要由太陽輪(中心輪)、行星輪、轉(zhuǎn)臂(曲柄軸)、轉(zhuǎn)臂軸承、擺線輪(RV

齒輪)、針齒、剛性盤與輸出盤等零部件組成。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知正文圖1-2-34RV減速器的結(jié)構(gòu)示意任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知正文輪行星減速機構(gòu)兩部分組成的,是一個封閉差動輪系。執(zhí)行電動機的旋

轉(zhuǎn)運動由齒輪軸或太陽輪傳遞給兩個漸開線行星輪,進行第一級減速;行

星輪的旋轉(zhuǎn)通過曲柄軸帶動相距180°的擺線輪,從而生成擺線輪的公轉(zhuǎn)

。同時,由于擺線輪在公轉(zhuǎn)過程中會受到固定于針齒殼上針齒的作用力

而形成與擺線輪公轉(zhuǎn)方向相反的力矩,進而造成擺線輪的自轉(zhuǎn)運動,完成

第二級減速。運動的輸出通過兩個曲柄軸使擺線輪與剛性盤構(gòu)成平行

四邊形的等角速度輸出機構(gòu),將擺線輪的轉(zhuǎn)動等速傳遞給剛性盤及輸出

盤。任務(wù)二工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的認知RV傳動裝置是由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機構(gòu)和第二級擺線針

一、任務(wù)準備實施本任務(wù)教學(xué)所使用的實訓(xùn)設(shè)備及工具材