機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)(updated)

1、組成組成 2.1 機(jī)器人系統(tǒng)的組成 如圖21所示，機(jī)器人由 機(jī)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(qū)動系統(tǒng)、 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、 機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、 人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng) 六個子系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 要使機(jī)器人運(yùn)行起來，需給各個關(guān)節(jié)即每個 運(yùn)動自由度安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 它由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 獲取內(nèi)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(jī)器人的機(jī)動性、適應(yīng)性和智能化的水 準(zhǔn)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(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng) 機(jī)器人一環(huán)境交

2、互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè) 備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)機(jī)器人與外部設(shè)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(jī)交互系統(tǒng) 人一機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī) 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(wù)是根據(jù)機(jī)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(jī)器人的執(zhí) 行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動和功能如果機(jī)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(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智 能控制系統(tǒng)根據(jù)控制運(yùn)動的形式可分為點(diǎn)位控 制和連續(xù)軌跡控制 關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)（Joint）：即運(yùn)

3、動副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相：即運(yùn)動副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相 對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。 連桿連桿（Link）：）：機(jī)器人手臂上機(jī)器人手臂上 被相鄰兩關(guān)節(jié)分開的部分。被相鄰兩關(guān)節(jié)分開的部分。 自由度（自由度（Degree of freedom） ：或者稱坐標(biāo)軸數(shù)，是指描述物：或者稱坐標(biāo)軸數(shù)，是指描述物 體運(yùn)動所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。手指的開、合，以及手指關(guān)節(jié)的自體運(yùn)動所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。手指的開、合，以及手指關(guān)節(jié)的自 由度一般不包括在內(nèi)。由度一般不包括在內(nèi)。 剛度（剛度（Stiffness）：）：機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。 它是用

4、外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來度量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（定位精度（Positioning accuracy）：）：指指 機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所 需要到達(dá)的理想位置之間的差距。需要到達(dá)的理想位置之間的差距。 重復(fù)性（重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度：或重復(fù)精度： 在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重 復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡復(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。量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。 oo 工作空間（

5、工作空間（Working space）：機(jī)器人機(jī)器人 手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不 包括末端操作器）所能到達(dá)的所有空包括末端操作器）所能到達(dá)的所有空 間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身 所能到達(dá)的區(qū)域。所能到達(dá)的區(qū)域。 2.2工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體類似于具備上肢機(jī)能的機(jī)械 手 ，由手部、腕部、臂、機(jī)身(有的包括行走機(jī)構(gòu)) 組成。 2.2.12.2.1機(jī)械手的操作動作機(jī)械手的操作動作 機(jī)械手的動作形態(tài)是由三種不同的單動作旋 轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)、伸縮組合而成的。 旋轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)是指運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相對運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)是 轉(zhuǎn)動部件的軸線和

6、轉(zhuǎn)動軸同軸；回轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)動部件 的軸線與轉(zhuǎn)動軸不同軸。 伸縮是指運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動。 2.2.22.2.2機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度 （1）根據(jù)單元動作組合方式的 不同，機(jī)械手的動作形態(tài)一 般歸納為以下四種坐標(biāo)類型： 直角坐標(biāo)型(圖722)； 圓柱坐標(biāo)型(圖723)； 極坐標(biāo)型(圖724)； 多關(guān)節(jié)型(圖725)。 直角坐標(biāo)型機(jī)械手可以在三 個互相垂直的方向上作直線 伸縮運(yùn)動，這類機(jī)械手各個 方向的運(yùn)動是獨(dú)立的，計(jì)算 和控制比較方便，但占地面 積大，限于特定的應(yīng)用場合 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手有一 個圍繞基座軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動和兩個在相互垂直方 向上的直線伸縮運(yùn)動。 它適用于采用油壓(

7、或氣 壓)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，在操作對 象位于機(jī)器人四周的情 況下，操作最為方便。 極坐標(biāo)型機(jī)械手的動作 形態(tài)包括圍繞基座軸的 旋轉(zhuǎn)，一個回轉(zhuǎn)和一個 直線伸縮運(yùn)動，其特點(diǎn) 類似于圓柱型機(jī)械手。 多關(guān)節(jié)型機(jī)械手最接近于人臂的構(gòu)造。它 主要由多個回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所組成，一般 都采用電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)。運(yùn)用不同的關(guān)節(jié)連 接方式，可以完成各種復(fù)雜的操作。由于 具有占地面積小，動作范圍大，空間移動 速度快而靈活等特點(diǎn)，多關(guān)節(jié)型機(jī)械手在 各種智能機(jī)器人中被廣為采用。 SCARA機(jī)器人 關(guān)節(jié)式機(jī)器人 機(jī)器人機(jī)器人 PUMA一262機(jī)器人機(jī)構(gòu) 圖21是PUMA系列一種較小的機(jī)器人PUMA一 262機(jī)器人機(jī)構(gòu)(操作機(jī))的外形直觀

8、圖。它有一個 立柱，可以垂直回轉(zhuǎn)，稱作腰關(guān)節(jié)，也稱1軸。有 大臂、小臂，它們的回轉(zhuǎn)軸稱作肩關(guān)節(jié)(2軸)和肘 關(guān)節(jié)(3軸)。這3個軸和桿，構(gòu)成了該機(jī)器人的位置 機(jī)構(gòu)(又稱主關(guān)節(jié)軸組)，即由他們的幾何參數(shù) (桿長和偏距)和運(yùn)動參數(shù)(關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)角)決定手腕 (參考點(diǎn))的空間活動范圍(工作空間)。手腕具有3 個互相垂直的回轉(zhuǎn)軸(4、5、6軸)，它們是姿態(tài)機(jī) 構(gòu)(又稱副關(guān)節(jié)軸組)，即它們的轉(zhuǎn)角確定著工具 (圖中未畫)的空間姿態(tài)。 PUMA262型機(jī)器人具有六個自由度，可以進(jìn)行復(fù) 雜空間曲面的弧焊作業(yè) 6個關(guān)節(jié)軸由6個獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動，由圖22可以 看出，電機(jī)1通過兩對齒輪傳動帶動立柱回轉(zhuǎn)；電 機(jī)2通過聯(lián)軸

9、器、一對圓錐齒輪和一對圓柱齒輪帶 動齒輪Z，齒輪Z繞與立柱固聯(lián)的齒輪Z轉(zhuǎn)動，于是 形成了大臂相對于立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動；電機(jī)3通過兩 個聯(lián)軸器和一對圓錐齒輪、兩對圓柱齒輪(Z固聯(lián) 于小臂上)驅(qū)動小臂相對于大臂回轉(zhuǎn)；電機(jī)4先通過 一對圓柱齒輪、兩個聯(lián)軸器和另一對圓柱齒輪( Z 固聯(lián)于手腕的套筒上)驅(qū)動手腕相對于小臂回轉(zhuǎn)； 電機(jī)5通過聯(lián)軸器、一對圓柱齒輪、一對圓錐齒輪 (Z聯(lián)于手腕的球殼上)驅(qū)動手腕相對于小臂(亦即相 對于手腕的套筒)擺動( )；電機(jī)6通過聯(lián)軸器、兩 對圓錐齒輪和一對圓柱齒輪驅(qū)動機(jī)器人的機(jī)械接 口(法蘭盤)相對于手腕的球殼回轉(zhuǎn)() 5 可以看出，6個電機(jī)通過一系 列的聯(lián)軸器和齒輪副，形成

10、了 6條傳動鏈，得到了6個轉(zhuǎn)動自 由度，從而形成了一定的工作 空間并使工具各式各樣的運(yùn)動 姿勢 這里所使用的聯(lián)軸器，都是 具有撓性的螺旋形聯(lián)軸器(如 圖23)；齒輪傳動都具有消 隙機(jī)構(gòu)，從而保證了正反轉(zhuǎn)時(shí) 的回差在一定的精度范圍內(nèi)。 由于先進(jìn)的制造技術(shù)，雖然使 用了一般的多級齒輪傳動，但 仍具有很高的運(yùn)動和定位精度 (2)機(jī)器人機(jī)器人 直角坐標(biāo)式直角坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)式圓柱坐標(biāo)式 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 多關(guān)節(jié)型機(jī)械手 1. 滑槽杠桿式手部滑槽杠桿式手部 2.齒輪齒條式手部齒輪齒條式手部3.滑塊杠桿式手部滑塊杠桿式手部 4. 斜斜 楔楔 杠杠 桿桿 式式 5.移動型連桿式

11、手部移動型連桿式手部 6.齒輪齒條式手部齒輪齒條式手部 7.內(nèi)漲斜塊式手部內(nèi)漲斜塊式手部8.連桿杠桿式手部連桿杠桿式手部 手指類型：手指類型： u電磁式吸盤電磁式吸盤 u氣吸式吸盤氣吸式吸盤 常見的另兩種手部常見的另兩種手部: : 滾滾 動動 軸軸 承承 座座 圈圈 鋼鋼 板板 齒齒 輪輪 多多 孔孔 鋼鋼 板板 雙吸頭吸盤雙吸頭吸盤多吸頭吸盤多吸頭吸盤吸取瓦楞板吸取瓦楞板 雙吸頭吸盤雙吸頭吸盤雙吸頭架式吸盤雙吸頭架式吸盤多吸頭板式吸盤多吸頭板式吸盤 其它手部其它手部: 救救 援援 機(jī)機(jī) 器器 人人 3. 步行式步行式 4.其它移動方式其它移動方式 軍軍 用用 昆昆 蟲蟲 機(jī)機(jī) 器器 人人 爬

12、纜索機(jī)器人爬纜索機(jī)器人 水下水下6000米無纜自治機(jī)器人米無纜自治機(jī)器人 蛇形機(jī)器人蛇形機(jī)器人 2.4機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng) 2.4.1關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式 直接驅(qū)動方式是驅(qū)動器的輸出軸和機(jī)器人手臂的 關(guān)節(jié)軸直接相連間接驅(qū)動方式是驅(qū)動器經(jīng)過減 速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置后與關(guān)節(jié) 軸相連 (1)關(guān)節(jié)間接驅(qū)動方式的缺點(diǎn) 大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動這種間接驅(qū) 動，通常其驅(qū)動器的輸出力矩大大小于驅(qū)動關(guān)節(jié) 所需要的力矩，所以必須使用減速器另外，由 于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以多自由度機(jī)器 人關(guān)節(jié)上安裝減速器會使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動器的 負(fù)荷增大 目前中小型機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī)、 交流伺服電機(jī)或

13、步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電 機(jī)由于電機(jī)速度較高，所以需配以大速比減速裝 置，進(jìn)行間接傳動但是，間接驅(qū)動帶來了機(jī)械傳 動中不可避免的誤差，引起沖擊振動，影響機(jī)器人 系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸 (2)關(guān)節(jié)直接驅(qū)動方式 直接驅(qū)動機(jī)器人也叫作DD機(jī)器人(Direct drive robot)， 簡稱DDRDD機(jī)器人一般指驅(qū)動電機(jī)通過機(jī)械接口 直接與關(guān)節(jié)連接 DD機(jī)器人的特點(diǎn)是驅(qū)動電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒有速度和 轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換 DD機(jī)器人與間接驅(qū)動機(jī)器人相比，有如下優(yōu)點(diǎn)： 機(jī)械傳動精度高振動小，結(jié)構(gòu)剛度好 機(jī)械傳動損耗小結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高 電 機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩大，電氣時(shí)間常數(shù)小，短時(shí)間內(nèi)可以 產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩，響

14、應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬控 制性能較好 日本、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異 的DD機(jī)器人美國Adept公司研制出帶有視覺功 能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機(jī)器人日本大日機(jī) 工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD一600V機(jī)器 人其性能指標(biāo)為：最大工作范圍12 m，可搬 重量5 kg，最大運(yùn)動速度82 ms，重復(fù)定位精 度005 mm DD機(jī)器人目前主要存在的 問題 載荷變化、耦合轉(zhuǎn) 矩及非線性轉(zhuǎn)矩對驅(qū)動及 控制影響顯著，使控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和復(fù) 雜 對位置、速度的傳感元件 提出了相當(dāng)高的要求需 開發(fā)小型實(shí)用的DD電 機(jī) 電機(jī)成本高 2.4.2 驅(qū)動元件 (1) 液(氣)壓驅(qū)動 液(氣)壓缸 液(氣

15、)壓馬達(dá) (2)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動 在小的機(jī)器人上，有時(shí)也用步進(jìn)電機(jī)作為主驅(qū)動 電機(jī)。可以用編碼器或電位器提供精確的位置反 饋，所以步進(jìn)電機(jī)也可用于閉環(huán)控制 步進(jìn)電機(jī)是通過脈沖電流實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的，因此每給 一個脈沖轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動一個步距。在精度要求不高 的情況下，沒有必要加入位置反饋 (3)直流電動機(jī)驅(qū)動 直流電動機(jī)與步進(jìn) 電動機(jī)是工業(yè)機(jī)器 人中應(yīng)用最廣泛的 兩種電動機(jī)，但兩 者的動作方式有本 質(zhì)上的區(qū)別。直流 電動機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)， 運(yùn)動連續(xù)且平滑， 且本身沒有位置控 制能力 要實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，必須加入某種形式的位置反 饋，構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)；有時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動還有速 度要求，所以還要加入速度反饋。一般直

16、流電動機(jī)和 位置反饋、速度反饋形成一個整體，即通常所說的直 流伺服電機(jī)。由于采用閉環(huán)伺服控制，所以能實(shí)現(xiàn)平 滑的控制和產(chǎn)生大的力矩 當(dāng)今大部分機(jī)器人都采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人的 各個關(guān)節(jié),但它們也有一些缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)速不能太高 近年來，新發(fā)展起來的無刷直（交）流伺服電動機(jī)克 服了上述缺點(diǎn)，并保留了直流伺服電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，因 此無刷電動機(jī)逐漸取代了直流伺服電動機(jī) （4）無刷直(交)流伺服電動機(jī) 原理 由圖可見，轉(zhuǎn)子是由永 久磁鐵組成，定子有繞組線圈， 可以通過機(jī)殼把繞組熱量散發(fā)出 去，因此，同功率的無刷電動機(jī) 體積質(zhì)量比較直流伺服電動機(jī)小 得多，或者說同體積電動機(jī)，無 刷電動機(jī)功率遠(yuǎn)大于直流電動機(jī)。

17、 像直流電動機(jī)一樣，無刷電動機(jī) 也需要有繞組電流的換向功能， 但不是由機(jī)械式換向器實(shí)現(xiàn)，由 于組接到外部的驅(qū)動電路上，驅(qū) 動電路可以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息利 用電子開關(guān)來改變流向電樞的電 流方向 無刷電動機(jī)分類: 梯形波電動機(jī)和正弦波電動機(jī)。前 者也稱為直流無刷電動機(jī)(DC brushless) 后者稱為交流無刷電動機(jī)或交流伺服電動機(jī) 直流無刷電動機(jī)(梯形波電機(jī))：從無刷電動機(jī)原理可 以知道，它的繞組數(shù)僅23個(2或3相)，這數(shù)目遠(yuǎn)小 于直流有刷伺服電動機(jī)定子繞組數(shù)目。因此如何減 小無刷電動機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)矩波動，是一個關(guān)鍵性問題。 通過無刷電動機(jī)定子繞組的電流幅值越大，產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)矩越大。為減小轉(zhuǎn)矩波動，

18、限止電流幅值，而呈 平頂狀，如圖63l所示。由梯形波代替正弦波來驅(qū) 動電動機(jī)，簡化了驅(qū)動電路，但為進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)矩 波動，這種電動機(jī)的控制系統(tǒng)要有速度負(fù)反饋環(huán)， 這樣通過速度負(fù)反饋的作用使轉(zhuǎn)速平穩(wěn) 正弦波電動機(jī)(交流無刷伺 服電動機(jī))：顧名思義，它 是由正弦波電流驅(qū)動的。 對三相情況，電流相位差 120。，而且這三相電流是 隨轉(zhuǎn)子位置不同而不同的， 也就是說，轉(zhuǎn)子的位置檢 測需更精確，驅(qū)動電路也 比梯形波電動機(jī)的更復(fù)雜， 但卻代表著無刷電動機(jī)最 高水平，因?yàn)樗鼙３趾?定轉(zhuǎn)矩輸出 2.4.3伺服電機(jī)的選定和傳動比的確定 (1)初選電機(jī) 首先電機(jī)必須能夠提供負(fù)載 所需要的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 如果要求電機(jī)在峰值下以 峰值轉(zhuǎn)速驅(qū)動負(fù)載，則電 機(jī)功率可按下式估算 電機(jī)功率，W 負(fù)載峰值力矩 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速 傳動裝置的效 率，初步估算