第四章 工業(yè)機(jī)器人課件

1、第四章第四章 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動功能設(shè)計(jì)第三節(jié)第三節(jié) 工業(yè)機(jī)器人傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第四節(jié)第四節(jié) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第五節(jié)第五節(jié) 工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)第六節(jié)第六節(jié) 工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械制造系統(tǒng)中的應(yīng)用4.1 4.1 概述概述 一、工業(yè)機(jī)器人的定義及工作原理一、工業(yè)機(jī)器人的定義及工作原理二、工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類二、工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類三、工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法三、工業(yè)機(jī)器人的主要特性表示方法四、工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)

2、計(jì)方法四、工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方法q 機(jī)器人是二十世紀(jì)出現(xiàn)的新名詞，可以廣義地把機(jī)器人理解為模仿人的機(jī)器。隨著機(jī)器人的發(fā)展，其模仿人的能力逐步在提高。q 工業(yè)機(jī)器人是用于生產(chǎn)的機(jī)器人。本世紀(jì)20年代出現(xiàn)了一種附屬在自動機(jī)、自動線上，代替人傳遞和裝卸工件的機(jī)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(jī)，60年代出現(xiàn)了可以自動控制的實(shí)現(xiàn)多種操作的工業(yè)機(jī)器人。q 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展非常迅速，模仿人的能力越來越強(qiáng)，已經(jīng)開始出現(xiàn)具有學(xué)習(xí)和推理能力的智能機(jī)器人。4.1.1 工業(yè)機(jī)器人及工作原理工業(yè)機(jī)器人及工作原理q 從模仿能力意義上來看，也可以把機(jī)械手、操作機(jī)和工業(yè)機(jī)器人統(tǒng)稱為“工業(yè)機(jī)器人”。q 目前

3、世界各國對機(jī)器人還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。q 我國國家標(biāo)準(zhǔn)GBT1264390將工業(yè)機(jī)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(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。q 將操作機(jī)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(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置” 基本工作原理是通過操作機(jī)上各運(yùn)動構(gòu)件的運(yùn)動，自動地實(shí)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(jī)床在加工過程中，刀具相對工件有位姿變化要求，機(jī)器人的手部在作業(yè)過程中相對機(jī)座也有位姿變化要求； 2)二者都是通過坐標(biāo)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿變化要求。 3)機(jī)床以按直角坐標(biāo)形式運(yùn)動

4、為主，而機(jī)器人以按關(guān)節(jié)形式運(yùn)動為主； 4)機(jī)床對剛度、精度要求很高，其靈活性相對較低；而機(jī)器人對靈活性要求很高，其剛度、精度相對較低。4.1.24.1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成(1)操作機(jī) 操作機(jī)是機(jī)器人的機(jī)械本體，也可稱為主機(jī)通常由末端執(zhí)行器及機(jī)座組成。操作機(jī)具有和人手臂相似的動作功能，其運(yùn)動功能與機(jī)床一樣，一般也是由各個(gè)運(yùn)動單元串聯(lián)組成。(2)驅(qū)動單元 由驅(qū)動裝置(如電動機(jī)、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(jī)各運(yùn)動部件提供動力和運(yùn)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(yùn)動參數(shù)并進(jìn)行反饋。 2 2工業(yè)機(jī)器人的組成工業(yè)機(jī)器人的組成 一

5、般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成：一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空執(zhí)行機(jī)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(jī)械裝置，通常包括機(jī)座、間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機(jī)械裝置，通常包括機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。手臂、手腕和末端執(zhí)行器。 末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器 末端執(zhí)行器（或稱手部）是機(jī)器人直末端執(zhí)行器（或稱手部）是機(jī)器人直接執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。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(jī)械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸夾持器可分為機(jī)

6、械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。附等。 手腕手腕 手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)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)。整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。 手臂手臂 手臂是支承手腕與末端執(zhí)行器的部件。它由動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。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。 機(jī)座機(jī)座 機(jī)座是工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)機(jī)座是工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機(jī)座分為固定式和移動式。的載荷，機(jī)座分為固定式和移動式。 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定要求動作?？煞譃榭?/p>

7、制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定要求動作?？煞譃殚_環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人采用開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級、策略級和執(zhí)行計(jì)算機(jī)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)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)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(biāo)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)行坐標(biāo)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。級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。 驅(qū)動系統(tǒng)

8、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(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置。驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的傳動裝置。 除此之外，機(jī)器人可以配置多種傳感器（如位置、力、除此之外，機(jī)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(yùn)動位置和工作狀觸角、視覺等傳感器），用以檢測其運(yùn)動位置和工作狀態(tài)。態(tài)。4.1.3 4.1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類(1)關(guān)節(jié)型機(jī)器人(圖a) 所謂關(guān)節(jié)就是運(yùn)動副，由于關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動作類似人的關(guān)節(jié)動作，故將其運(yùn)動副稱為關(guān)節(jié)。一般的關(guān)節(jié)指回轉(zhuǎn)運(yùn)動副，但關(guān)節(jié)型機(jī)器人中有時(shí)也包含有移動運(yùn)動副，為了方

9、便，可統(tǒng)稱為關(guān)節(jié)，包括回轉(zhuǎn)運(yùn)動關(guān)節(jié)和直線運(yùn)動關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的特點(diǎn)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(biāo)型機(jī)器人(圖b)又稱極坐標(biāo)型，按球坐標(biāo)形式動作(運(yùn)動)。其特點(diǎn)是靈活性好，工作空間范圍大，但剛度、精度較差。(3)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人(圖c) 按圓柱坐標(biāo)形式動作。其特點(diǎn)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(biāo)型機(jī)器人(圖d) 與機(jī)床相似，按直角坐標(biāo)形式動作。剛度和精度高，但靈活性差，工作空間范圍小。工業(yè)機(jī)器人按用途和作業(yè)類別劃分：焊接機(jī)器人； 具有三個(gè)或三個(gè)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

10、度移動焊接工具的機(jī)器。包括弧焊機(jī)器人、激光焊接機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等。 沖壓機(jī)器人、澆注機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、切削加工機(jī)器人、檢測機(jī)器人、采掘機(jī)器人、水下機(jī)器人等。其它還有按控制方式、機(jī)器人的功能水平等分類方式。 人操作機(jī)械手人操作機(jī)械手 是一種由操作人員直接進(jìn)行操作是一種由操作人員直接進(jìn)行操作的具有幾個(gè)自由度的機(jī)械手。的具有幾個(gè)自由度的機(jī)械手。 固定程序機(jī)器人固定程序機(jī)器人 按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，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(jī)械手。逐步地重復(fù)執(zhí)行給定作業(yè)任務(wù)的機(jī)械手。 可編程序機(jī)器人可編程序機(jī)器人 它與固定程序機(jī)器人基本相同，它與固定

11、程序機(jī)器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。但其工作次序等信息易于修改。 程序控制機(jī)器人程序控制機(jī)器人 它的作業(yè)任務(wù)指令是由計(jì)算機(jī)程它的作業(yè)任務(wù)指令是由計(jì)算機(jī)程序向機(jī)器人提供的，其控制方式與數(shù)控機(jī)床一樣。序向機(jī)器人提供的，其控制方式與數(shù)控機(jī)床一樣。 示教機(jī)器人示教機(jī)器人 這類機(jī)器人能夠按照記憶裝置存儲的這類機(jī)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。復(fù)執(zhí)行。 智能機(jī)器人智能機(jī)器人 采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條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)的工件的變化，并借助其

12、自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。作任務(wù)。 電力驅(qū)動電力驅(qū)動 電力驅(qū)動是目前采用最多的一種。早期多電力驅(qū)動是目前采用最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機(jī)，現(xiàn)采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機(jī)，現(xiàn)在交流伺服電動機(jī)的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。這類驅(qū)動在交流伺服電動機(jī)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(jī)構(gòu)運(yùn)動，也可以通過諧波減速器裝單元可以直接驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅(qū)動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。置減速后驅(qū)動機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的機(jī)器人具有很大的抓取能力，液壓驅(qū)動的機(jī)器人具有很大的抓取能力，可抓取質(zhì)量上百公斤的

13、物體，油壓可達(dá)可抓取質(zhì)量上百公斤的物體，油壓可達(dá)7MPa7MPa，液壓傳動，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)。低溫現(xiàn)場工作，需要配備一套液壓系統(tǒng)。 氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動 氣壓驅(qū)動的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速、氣壓驅(qū)動的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速、價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為氣源壓力一般為0.7 MPa0.7 MPa，因此抓取力小，只能抓取重量，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到幾十公斤的物體。為幾公斤到幾十公斤

14、的物體。4.1.44.1.4工業(yè)機(jī)器人的特性表示方工業(yè)機(jī)器人的特性表示方法法坐標(biāo)系按右手定則確定，如圖所示。絕對坐標(biāo)系機(jī)座坐標(biāo)系機(jī)械接口(與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的機(jī)械界面)坐標(biāo)系關(guān)節(jié)坐標(biāo)系(1)確定基準(zhǔn)狀態(tài) 一般可取機(jī)器人處于機(jī)械原點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)。也可以取機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸線(或大部分關(guān)節(jié)軸線)與機(jī)座直角坐標(biāo)系軸線平行時(shí)的狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)。(2)關(guān)節(jié)坐標(biāo)軸軸線位置的選取(3)關(guān)節(jié)坐標(biāo)方向的選取 采用右手坐標(biāo)系，規(guī)定了X、Z軸的方向，y軸方向就自然確定了。各坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換簡單。4.1.3 4.1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型特征，用它的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式和自由度數(shù)表示

15、。 關(guān)于結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式已在機(jī)器人分類中作了敘述。自由度是表示工業(yè)機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)，以直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)表示。 機(jī)器人的自由度數(shù)相當(dāng)于機(jī)床的軸數(shù)，都表示運(yùn)動的個(gè)數(shù)。例如具有三個(gè)自由度的機(jī)器人稱為三自由度機(jī)器人，從運(yùn)動功能上看，也可以把它稱為三坐標(biāo)機(jī)器人，或三軸機(jī)器人。 工業(yè)機(jī)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(jī)器人的自由度數(shù)與原動件數(shù)目相等。4.1.44.1.4工業(yè)機(jī)器人的特性表示方工業(yè)機(jī)器人的特性表示方法法工作空間指工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)(也可以用機(jī)械接口坐標(biāo)系原點(diǎn))能在空間活動的最大范圍，用它來衡量機(jī)器人工作范圍的大小。機(jī)床的工作空間(加工空間)一

16、般為長方體或圓柱體空間；而機(jī)器人的工作空間形狀復(fù)雜(見圖46)。包括用途、外形尺寸和質(zhì)量、負(fù)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。4.1.54.1.5工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方法工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)方法 由前述工業(yè)機(jī)器人工作原理分析可知，工業(yè)機(jī)器人與機(jī)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(jì)方法學(xué)上看，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法與機(jī)床設(shè)計(jì)方法基本相通，但其具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)技術(shù)又有很大差別。 工業(yè)機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)方法也可以分為分析式設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法。 1總體設(shè)計(jì)(1)基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)： 1)用途，如搬運(yùn)、點(diǎn)焊等等。 2)

17、額定負(fù)載。額定負(fù)載是指在機(jī)器人規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處所能承受負(fù)載的允許值。包括機(jī)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(jī)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(jì)中的自由度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 4)額定速度。指工業(yè)機(jī)器人在額定負(fù)載、勻速運(yùn)動過程中，機(jī)械接口中心的最大速度。由于機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計(jì)，故該階段只能概略估計(jì)。 5)驅(qū)動方式的選擇。 6)性能指標(biāo)。 1總體設(shè)計(jì)(2)總體方案設(shè)計(jì)： 1)運(yùn)動功能方案設(shè)計(jì)。該階段的主要設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)確定機(jī)器人的自由度數(shù)、各關(guān)節(jié)運(yùn)動的性質(zhì)及排列順序、在基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)

18、各關(guān)節(jié)軸的方向。 2)傳動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。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(jī)器人的工作空間、運(yùn)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(jì)。確定在基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)階段尚無法考慮的一些參數(shù)，如單軸速度、單軸負(fù)載、單軸運(yùn)動范圍等。該項(xiàng)工作應(yīng)與第3項(xiàng)設(shè)計(jì)工作交叉進(jìn)行。 5)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。近期設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人基本上都是采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 6)總體方案評價(jià)。2詳細(xì)設(shè)計(jì) 詳細(xì)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括 裝配圖設(shè)計(jì)、零件圖設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3總體評價(jià) 總體設(shè)計(jì)階段所得的設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)將其細(xì)化了，而且總

19、體設(shè)計(jì)階段尚未考慮的細(xì)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(jì)進(jìn)行總體評價(jià)，檢測其是否能滿足所需設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。4.2 4.2 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動功能設(shè)計(jì) 一、工業(yè)機(jī)器人的位姿描述一、工業(yè)機(jī)器人的位姿描述二、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動方程二、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動方程三、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動功能設(shè)計(jì)三、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動功能設(shè)計(jì)四、工業(yè)機(jī)器人的工作空間解釋四、工業(yè)機(jī)器人的工作空間解釋五、工業(yè)機(jī)器人的軌跡解析五、工業(yè)機(jī)器人的軌跡解析4.2.1 工業(yè)機(jī)器人的位姿描述工業(yè)機(jī)器人的位姿描述工業(yè)機(jī)器人的位姿工業(yè)機(jī)器人的位姿指其末端執(zhí)行器在指定坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。（一）作業(yè)功能姿態(tài)描述法（一）作業(yè)功

20、能姿態(tài)描述法所謂用作業(yè)動作功能要求來描述機(jī)器人位姿，就是直接用末端執(zhí)行器和機(jī)座之間的齊次坐標(biāo)變換來描述。（二）運(yùn)動功能姿態(tài)描述法（二）運(yùn)動功能姿態(tài)描述法坐標(biāo)變換：坐標(biāo)變換：坐標(biāo)系采用右手系坐標(biāo)運(yùn)動矩陣：運(yùn)動矩陣：機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動都是坐標(biāo)運(yùn)動，坐標(biāo)運(yùn)動可以用齊次坐標(biāo)變換矩陣表示。機(jī)器人末端執(zhí)行器與機(jī)座之間的相對運(yùn)動可以用運(yùn)動矩陣來表示。三自由度機(jī)器人三自由度機(jī)器人4.2.2 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動方程工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動方程機(jī)器人的位姿可以用運(yùn)動功能矩陣To,m來描述，它可以展開為：To,m= To,1T1,2 To,m= To,1T1,2 Ti-1,iTi-1,iTn-Tn-1,nTn,Tm 1,n

21、Tn,Tm 此式是一個(gè)矩陣表達(dá)的方程式，也稱機(jī)器人的位姿運(yùn)動方程。若機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動量為已知，則可以根據(jù)上式求出末端執(zhí)行器在基座坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。4.2.3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動功能設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動功能設(shè)計(jì)可采用機(jī)器人運(yùn)動功能設(shè)計(jì)可采用分析式設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法。（一）分析式設(shè)計(jì)方法步驟如下：（一）分析式設(shè)計(jì)方法步驟如下：（1）根據(jù)作業(yè)運(yùn)動功能的要求，確定機(jī)器人末端執(zhí)行器應(yīng)達(dá)到的位置和姿態(tài)，即建立作業(yè)功能位姿矩陣；（2）對作業(yè)動作功能進(jìn)行分析，寫出運(yùn)動功能矩陣；（3）給出各關(guān)節(jié)運(yùn)動量，求出機(jī)器人的實(shí)際工作空間及姿態(tài)，也可用作圖法求解；（4）校核所求出的實(shí)際工作空間及

22、姿態(tài)是否滿足步驟（1）的設(shè)計(jì)要求。4.2.3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動功能設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動功能設(shè)計(jì)（二）創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法步驟如下：（二）創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法步驟如下：（1）根據(jù)作業(yè)動作功能要求，建立作業(yè)功能位姿矩陣；（2）分析作業(yè)功能位姿矩陣的特征，設(shè)定相應(yīng)的運(yùn)動功能矩陣；（3）解方程式，即可得到運(yùn)動功能方案。4.2.4 工業(yè)機(jī)器人的工作空間解析工業(yè)機(jī)器人的工作空間解析機(jī)器人的運(yùn)動功能及相關(guān)尺寸參數(shù)確定后，給出各關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍可以通過解位姿運(yùn)動方程式，求出機(jī)器人的實(shí)際工作空間，同時(shí)檢驗(yàn)其姿態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。由各關(guān)節(jié)的運(yùn)動量求機(jī)器人的位置和姿態(tài)，稱為機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)解析機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)解析。機(jī)器人的工作空

23、間，還可以用作圖法（下頁）作圖法（下頁）進(jìn)行解析。作圖法作圖法4.2.5 工業(yè)機(jī)器人的軌跡解析工業(yè)機(jī)器人的軌跡解析當(dāng)作業(yè)動作功能所要求機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動軌跡已知，即作業(yè)功能位置矩陣已知，則運(yùn)動矩陣就確定了。各關(guān)節(jié)運(yùn)動量的計(jì)算是機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)必需的。4.3 4.3 工業(yè)機(jī)器人傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、工業(yè)機(jī)器人的速度和加速度分析一、工業(yè)機(jī)器人的速度和加速度分析二、工業(yè)機(jī)器人的靜力分析二、工業(yè)機(jī)器人的靜力分析三、工業(yè)機(jī)器人的動力分析三、工業(yè)機(jī)器人的動力分析四、工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、驅(qū)動方式選擇五、驅(qū)動方式選擇4.3.1 工業(yè)機(jī)器人的速度和加速

24、度分析工業(yè)機(jī)器人的速度和加速度分析（一）構(gòu)件的速度和加速度分析（一）構(gòu)件的速度和加速度分析機(jī)器人操作機(jī)是由若干構(gòu)件通過其間的關(guān)節(jié)聯(lián)接而成的。末端執(zhí)行器上的參考點(diǎn)P相對于機(jī)座坐標(biāo)系的的速度，可通過相應(yīng)位置變量對時(shí)間的微分而得到。（二）角速度和角加速度分析（二）角速度和角加速度分析在末端執(zhí)行器上所夾持的工件角速度是所有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角速度的矢量和。4.3.2 工業(yè)機(jī)器人的靜力分析工業(yè)機(jī)器人的靜力分析機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其末端執(zhí)行器上將作用有工作阻力（力矩），而機(jī)器人中的各驅(qū)動器則對各運(yùn)動關(guān)節(jié)施加驅(qū)動力矩，驅(qū)使操作機(jī)運(yùn)動。進(jìn)行機(jī)器人操作機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，往往首先進(jìn)行初步的，為操作機(jī)的方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。作用在

25、操作機(jī)上的靜力，是由末端執(zhí)行器開始自上編號桿件向下編號桿件遞推的。4.3.3 工業(yè)機(jī)器人的動力分析工業(yè)機(jī)器人的動力分析與運(yùn)動學(xué)位姿問題類似，動力學(xué)分析也可分正問題和逆問題。正問題和逆問題。正問題正問題用于機(jī)器人的運(yùn)動分析和仿真研究。逆問題逆問題是控制其設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。到目前為止，還沒有一種算法在計(jì)算速度上能達(dá)到實(shí)時(shí)控制的要求，因而這個(gè)領(lǐng)域的研究工作十分活躍。4.3.4 工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)器人操作機(jī)是由若干個(gè)構(gòu)件和關(guān)節(jié)組成的多自由度空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動都是由驅(qū)動器經(jīng)各種機(jī)械傳動裝置減速后驅(qū)動負(fù)載。機(jī)器人中常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)機(jī)器人中常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)有齒輪傳

26、動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動等。4.3.4 工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）諧波齒輪減速裝置（一）諧波齒輪減速裝置（1）工作原理工作原理工作原理通常波發(fā)生器為主動件，柔輪和剛輪為從動件，另一個(gè)為固定件。柔輪產(chǎn)生的彈性變形成為橢圓，使兩個(gè)長端的齒與剛輪的齒嚙合，短軸上的齒脫開，嚙入與嚙出實(shí)現(xiàn)傳動。帶杯形柔輪和橢圓盤波發(fā)生器的諧波齒輪減速器帶杯形柔輪和橢圓盤波發(fā)生器的諧波齒輪減速器（2）傳動比計(jì)算1）波發(fā)生器主動，剛輪固定，柔輪從動時(shí)： RGRRHGHRZZZnni2）波發(fā)生器主動，剛輪固定，柔輪從動時(shí)：RGGGHGHGZZZnni（3）諧

27、波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 帶環(huán)形柔輪的諧波減速傳動帶杯形柔輪的諧波傳動帶杯形柔輪的諧波傳動（二）鋼帶傳動裝置（二）鋼帶傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高，是無間隙傳動，傳動精度高。4.3.5 驅(qū)動方式選擇驅(qū)動方式選擇工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)是帶動操作機(jī)各運(yùn)動副的動力源。常用的驅(qū)動方式：常用的驅(qū)動方式：電動機(jī)驅(qū)動、液壓、氣動（一）電動機(jī)驅(qū)動方式（一）電動機(jī)驅(qū)動方式應(yīng)用類型大致分為應(yīng)用類型大致分為普通交、直流電動機(jī)驅(qū)動、流伺服電動機(jī)驅(qū)動、交流伺服電動機(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動等。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：不需能量轉(zhuǎn)換、控制靈活、使用方便、噪聲較低、起動力矩大等。T=BILr換向器換向器電刷電刷直流電機(jī)驅(qū)動直

28、流電動機(jī)直流電動機(jī)通過通過換向器將直流轉(zhuǎn)換向器將直流轉(zhuǎn)換成電樞繞組中換成電樞繞組中的交流，從而使的交流，從而使電樞產(chǎn)生一個(gè)恒電樞產(chǎn)生一個(gè)恒定方向的電磁轉(zhuǎn)定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。矩。交流電機(jī)驅(qū)動（交流電機(jī)驅(qū)動（AC motor）1. 工作原理工作原理止口止口（二）液壓驅(qū)動方式（二）液壓驅(qū)動方式目前，簡易經(jīng)濟(jì)型、重型機(jī)器人和噴漆機(jī)器人考慮液壓驅(qū)動方式，輕負(fù)荷的搬運(yùn)，上、下料點(diǎn)操作的工業(yè)機(jī)器人考慮氣壓驅(qū)動方式。液液壓壓缸缸液液壓壓馬馬達(dá)達(dá)氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動氣動執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動馬達(dá)。氣動執(zhí)行裝置的種類：氣缸、氣動馬達(dá)。 同步齒型帶（帶齒的皮帶）、同步齒型帶（帶齒的皮帶）、V型帶（三角皮帶）、平型帶、

29、型帶（三角皮帶）、平型帶、鏈、繩索（鋼絲繩）、連桿等機(jī)構(gòu)都是長距離傳遞運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。鏈、繩索（鋼絲繩）、連桿等機(jī)構(gòu)都是長距離傳遞運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。四連桿機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)剛度好、精度高，機(jī)械手等系統(tǒng)上經(jīng)常使用。剛度好、精度高，機(jī)械手等系統(tǒng)上經(jīng)常使用。同步齒型帶同步齒型帶4.4 4.4 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座一、工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座二、工業(yè)機(jī)器人的手腕二、工業(yè)機(jī)器人的手腕三、工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器三、工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器4.4.1 工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、手腕、末端

30、執(zhí)行器和移動裝置組成。工業(yè)機(jī)器人的手臂工業(yè)機(jī)器人的手臂由動力關(guān)節(jié)和連接桿件構(gòu)成，用以支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的位置。（一）設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)要求(1)(1)手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求工作空間要求；合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，減輕自重；減小驅(qū)動裝置的負(fù)荷，提高手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度提高運(yùn)動的精確性和運(yùn)動剛度。4.4.1 工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座（一）設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)要求(2)(2)機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性；機(jī)座承受機(jī)器人全部重量和工

31、作載荷，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力；機(jī)座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運(yùn)動精度影響最大。 4.4.1 工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座（二）典型結(jié)構(gòu)（二）典型結(jié)構(gòu)電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂和機(jī)座結(jié)構(gòu)。PUMA機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)帶諧波減速器的機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)帶諧波減速器的機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)4.4.2 工業(yè)機(jī)器人的手腕工業(yè)機(jī)器人的手腕手腕手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能功能是在手臂和機(jī)座實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，再由手腕來實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。自由度。（一）設(shè)計(jì)要求（一）設(shè)計(jì)要求力

32、求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，為減輕其質(zhì)量和體積；自由度愈多，運(yùn)動范圍愈大，動作靈活性愈高，機(jī)器人對作業(yè)的適應(yīng)能力愈強(qiáng)；提高傳動剛度，盡量減少反轉(zhuǎn)誤差；對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機(jī)械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。4.4.2 工業(yè)機(jī)器人的手腕工業(yè)機(jī)器人的手腕1. 滑槽杠桿式手部滑槽杠桿式手部4.4.2 工業(yè)機(jī)器人的手腕工業(yè)機(jī)器人的手腕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：（二）手腕的結(jié)構(gòu)（二）手

33、腕的結(jié)構(gòu)用擺動液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的手腕結(jié)構(gòu) 4.4.3 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器（一）分類和設(shè)計(jì)要求（一）分類和設(shè)計(jì)要求根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，要求：設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，要求：滿足作業(yè)需要的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度；盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，以減輕手臂的負(fù)荷。 4.4.3 工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器（二）機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)（二）機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械夾持器多為雙指手爪式雙指手爪式。按運(yùn)動方式按運(yùn)動方式可分為

34、平移型和回轉(zhuǎn)型。回轉(zhuǎn)型手爪回轉(zhuǎn)型手爪又分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。按夾持方式按夾持方式可分為外夾式和內(nèi)撐式。按驅(qū)動方式按驅(qū)動方式可以有電動、液壓和氣動?；鄹軛U式回轉(zhuǎn)型夾持器滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器（三）吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)（三）吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），有氣吸式和磁吸式兩種。它們分別是利用吸盤內(nèi)負(fù)壓負(fù)壓產(chǎn)生的吸力或磁力來吸住并移動工作的。（1 1）氣吸式吸盤）氣吸式吸盤 擠壓排氣式吸盤 電流負(fù)壓式吸盤 真空泵排氣式吸盤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

35、吸盤多吸頭板式吸盤多吸頭板式吸盤（2）磁吸式吸盤）磁吸式吸盤 分為電磁吸盤和永磁吸盤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其它手部其它手部:4.5 4.5 工業(yè)機(jī)器人的控制工業(yè)機(jī)器人的控制 一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成二、工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制二、工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制三、工業(yè)機(jī)器人其它控制方式三、工業(yè)機(jī)器人其它控制方式四、機(jī)器人智能技術(shù)四、機(jī)器人智能技術(shù)4.5.1 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成位置控制位置控制是機(jī)器人最基本的控制任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成形式取決于機(jī)器人所要執(zhí)行的任務(wù)及描述任務(wù)的層次。第一控制層次第一控制層次為人工智能級；第二控制層為第二控制層為控制模式級。動力學(xué)方面的困難在于：動力學(xué)方面的困難在于：因?yàn)槟Ｐ蛥?shù)的誤差，建立精確的動力學(xué)模型實(shí)際上是不可能的；即使能夠考慮這些誤差，模型將包含數(shù)以千計(jì)的參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算不可能；控制對模型變換的響應(yīng)。4.5.2 工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制工業(yè)機(jī)器人的位置伺服控制伺服系統(tǒng)的構(gòu)成方法伺服系統(tǒng)的構(gòu)成方法大體分為關(guān)節(jié)伺服和坐標(biāo)伺服。（一）關(guān)節(jié)伺服控制（一）關(guān)節(jié)伺服控制關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)把每