機器人結(jié)構(gòu)ppt課件

1、第二章 機器人基本結(jié)構(gòu)邵長星機器人基本構(gòu)成 不同類型機器人機械、電氣、控制結(jié)構(gòu)不同； 機器人系統(tǒng)通常三大部分：機械部分、傳感部分和控制部分；六個子系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、機器人環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成；機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)又稱操作機或執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)，由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運動部件組成，通常包括機座、立柱、腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪等，構(gòu)成多自由度機械系統(tǒng)。 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)由機身、手臂和末端執(zhí)行器組成，機身可具有行走機構(gòu)，手臂一般有上臂、下臂和手腕組成，末端執(zhí)行器直接裝在手腕上，可以是兩手指或多手指手爪，可以是噴漆槍、焊槍等

2、作業(yè)工具。驅(qū)動系統(tǒng) 感知系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)主要指驅(qū)動機械系統(tǒng)的機械裝置，根據(jù)驅(qū)動源不同可分為電動、液壓、氣動三種或三者結(jié)合一起的綜合系統(tǒng)；驅(qū)動系統(tǒng)可以直接與機械系統(tǒng)相連，或通過皮帶、鏈條、齒輪等機械傳動機構(gòu)間接相連； 感知系統(tǒng)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)信息，確定機械部件各部分的運行軌跡、形狀、位置和速度等信息，使機械部件各部分按預定程序和工作需要進行動作。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化水平。人類感知系統(tǒng)對外部信息獲取比較靈巧，但一些特殊信息傳感器感知更有效?？刂葡到y(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人

3、的執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定的運動和功能。若不具備信息反饋特種，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)，人工智能控制系統(tǒng)；根據(jù)控制運動形式分為點位控制和軌跡控制。交互系統(tǒng) 機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機器人可以與外部設(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；也可以是多臺機器人、多臺機床、設(shè)備、零件存儲裝置等集成為一個可執(zhí)行復雜任務(wù)的功能單元。 人機交互系統(tǒng)是操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置，如計算機終端、指令控制臺、信息顯示板及危險信號報警器等。主要有兩類：指令給定裝

4、置和信息顯示裝置。機器人主要技術(shù)參數(shù) 機器人的技術(shù)參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇、設(shè)計、應(yīng)用機器人所必須考慮的問題。主要技術(shù)參數(shù)有：自由度、分辨率、精度、重復定位精度、工作范圍、承載能力及最大速度等。自由度機器人自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，一般不包括手部末端操作器的開合自由度，表示了機器人動作靈活的尺度。一般描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度；機器人自由度是根據(jù)用途設(shè)計的，可多用六個自由度，也可小于六個自由度。三自由度機器人：底座水平轉(zhuǎn)動，上臂彎曲，肘彎曲；自由度多通用性好，但結(jié)構(gòu)復雜，矛盾。工業(yè)機器人自由度選擇與生產(chǎn)要求有關(guān)：批量生產(chǎn)要求

5、速度快、可靠性高，自由度可以少些；更換產(chǎn)品，增加柔性，自由度可多。工業(yè)機器人自由度一般46個，7個以上為冗余自由度，主要增加避障。分辨率 分辨率由系統(tǒng)設(shè)計檢測參數(shù)決定，受位置反饋檢測單元性能影響。 分為編程分辨率和控制分辨率，統(tǒng)稱系統(tǒng)分辨率； 編程分辨率指程序中可以設(shè)定的最小距離單位，又稱基準分辨率。如電動機旋轉(zhuǎn)0.1度，指尖移動直線距離0.01mm。 控制分辨率是位置反饋回路能檢測到的最小位移量。如1000線增量式碼盤，0.36度。精度 機器人精度主要依賴于機械誤差、控制算法誤差和分辨率系統(tǒng)誤差。 機械誤差主要產(chǎn)生于傳動誤差、關(guān)節(jié)間隙、連桿機構(gòu)撓性。傳動誤差由齒輪間隙、螺距誤差等引起；關(guān)節(jié)間

6、隙由關(guān)節(jié)處的軸承間隙、諧波齒隙等引起；撓性隨機器人位形、負載變化而變化。 控制算法誤差指算法能否得到精確描述的直接解和運算字長造成的BIT誤差小）； 分辨率系統(tǒng)誤差可取1/2基準分辨率；機器人精度可以認為1/2基準分辨率和機械誤差的綜合；若機械綜合誤差達到1/2分辨率，則精度等于分辨率。重復定位精度 重復定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 任何一臺機器人在同一環(huán)境、同一條件、同一動作、同一指令下，每一次動作位置不可能完全一致，重復定位精度是指各次不同位置距離平均位置的最大偏差， 重復定位精度0.2： 不同速度、不同方位反復試驗次數(shù)越多重復定位精度評價越準確；工作范圍 指手臂安裝點或手腕中心所能達到

7、的空間區(qū)域，末端操作器形狀尺寸多樣，不考慮； 機器人工作范圍的形狀和大小非常重要，作業(yè)死區(qū)，和自由度數(shù)目和組合有關(guān)；工作速度 承載能力 工作速度是指機器人在工作載荷條件下，勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度。 一般給出主要運動自由度的最大穩(wěn)定速度，實際還要考慮最大加速度變化率和最大減速度變化率，效率速度，動作平穩(wěn)和精度。 承載能力指機器人在工作范圍內(nèi)任何位置上所能承受的最大負載，一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示。還和運行速度和加速度大小方向有關(guān)，一般規(guī)定高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標。人手臂機能初步分析 人上肢分大臂、小臂、手部，6個自由度，

8、手21個自由度； 考慮被夾持物的大小、外形、姿態(tài)、分量、軟硬、外力及放置環(huán)境；工業(yè)機器人本體結(jié)構(gòu)本體結(jié)構(gòu)指機體結(jié)構(gòu)和機械傳動系統(tǒng)，是機器人的支持基礎(chǔ)和執(zhí)行機構(gòu)；結(jié)構(gòu)形式多樣，通常由手部、手腕、手臂、機身、行走機構(gòu)組成；手部：手抓或末端操作器，配在手腕上，抓取物體；手腕：改變手部空間方向并將作業(yè)載荷傳到手臂，獨立自由度；手臂：將被抓取工件傳送到給定位置，并將載荷傳遞到機座；機身：支撐作用，基礎(chǔ)部分；移動機構(gòu)：移動機器人，一定空間范圍內(nèi)運動，臂桿質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)靜，動態(tài)剛度高，固有頻率避開機器人工作頻率；機器人本體材料 從結(jié)構(gòu)動力學特性出發(fā)選擇材料要求： 強度高，減少臂桿截面積，減輕質(zhì)量； 彈性模量大

9、，變形小，剛度大； 重量輕，減小慣性力，選高彈性模量、低密度材料； 阻尼大，運動后平穩(wěn)停下，加大阻尼，吸收殘余振動能量； 經(jīng)濟性；機器人本體常用材料 碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，強度大，彈性模量大，抗變形能力強，應(yīng)用最廣； 鋁、鋁合金及其他輕合金，彈性模量不大，但密度小，比值可與鋼相比； 纖維增強合金，石墨纖維增強鎂合金，彈性模量/密度非常大，昂貴； 陶瓷，品質(zhì)良好，易碎，日本，小型高精度機器人使用； 纖維增強復合材料，比值大，阻尼大疊層復合材料），老化、蠕變、高溫膨脹等問題，高速機器人應(yīng)用； 粘彈性大阻尼材料，對構(gòu)件進行約束阻尼處理，減小振動；機器人手部手部特點：與手腕相連可拆卸，電、氣、液接口

10、，根據(jù)對象不同可以方便拆卸更換；末端執(zhí)行器，手，爪，工具；通用性差，專用裝置，某類工件某項作業(yè)任務(wù)；獨立部件，機身、手臂和手部，完成作業(yè)好壞以及柔性作業(yè)好壞的關(guān)鍵部件；手部是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，功能和形態(tài)上分為工業(yè)機器人手部和仿人機器人手部；手部主要是用來握持工件或工具進行操作，由于握持對象的形狀、尺寸、分量、材質(zhì)的不同，其工作原理和形態(tài)結(jié)構(gòu)也不同，按握持原理可分為夾鉗式和吸附式兩類。機器人手部分類功能形態(tài)工業(yè)機器人手部仿人機器人手部握持原理夾鉗式吸附式手指傳動機構(gòu)V型指型指平面指尖指特形指回轉(zhuǎn)型平移型平面平移直線往復磁吸氣吸真空吸負壓吸擠壓吸夾鉗式手部 常用形式，由手指手爪）、驅(qū)動裝置、傳動機

11、構(gòu)和承接支架組成，通過手爪開閉動作實現(xiàn)夾持；手指 直接與物件接觸，張開與閉合實現(xiàn)了對物件的松開和夾緊； 適當?shù)拈_閉范圍，足夠握力，相應(yīng)精度； 通常兩個手指，或三個，結(jié)構(gòu)形式取決于被夾持工件的形狀和特性； V形指：圓柱形， 平面指：方形工件； 尖指：小型或柔性工件； 公用：形狀不規(guī)則工件；手指面 根據(jù)工件形狀、大小、及被夾持部位材質(zhì)軟硬、表面性質(zhì)不同，有光滑值面、齒形指面和柔性指面； 光滑指面：指面平整光滑，已加工表面受損 齒形指面：指面有齒紋，毛坯或半成品，增加摩擦力，確保夾緊可靠； 柔性指面：指面鑲襯橡膠、泡沫、石棉等，夾持已加工表面、熾熱件，或薄壁件或脆性工件，增加摩擦，保護工件表面，隔熱

12、等；夾鉗式傳動機構(gòu) 以向手指傳遞運動和動力，實現(xiàn)夾緊和松開動作，回轉(zhuǎn)型和平移型兩類； 夾鉗式手部多用回轉(zhuǎn)型，手指是一對或幾對杠桿，同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿組成復合式杠桿傳動機構(gòu)，以改變傳力比及運動方向； 斜楔式回轉(zhuǎn)型手部：斜楔向上，向下：回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu) 滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型：杠桿一端裝V形指，一端開長滑槽，驅(qū)動桿上下），圓柱銷； 雙支點連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型手部：驅(qū)動桿與連桿由鉸銷鉸接；齒輪杠桿式回轉(zhuǎn)型手部，驅(qū)動桿末端有雙面齒條，與串形齒輪嚙合，扇齒輪與手指固連；平移型傳動機構(gòu) 平移型夾鉗式手部是通過手指的指面做直線往復運動，或平面移動實現(xiàn)開張與閉合動作，常用來夾持具有平行平面的工件如箱

13、體），結(jié)構(gòu)較復雜，應(yīng)用不如回轉(zhuǎn)型廣泛； 根據(jù)結(jié)構(gòu)分為平面平行移動機構(gòu)和直線往復移動機構(gòu)：驅(qū)動器和驅(qū)動元件帶動平行四邊形鉸鏈機構(gòu)以實現(xiàn)手指平移；直線往復移動；平移型傳動機構(gòu) a,b齒輪條傳動，c連桿斜滑槽傳動； 斜楔平移，連桿杠桿平移，螺旋斜楔平移，吸附式手部 依靠吸附力取料，分氣吸附和磁吸附兩種，適用于爪取大平面、易碎、微小物體； 氣吸式手部是常用的一種吸持式裝置，利用吸盤內(nèi)壓力和大氣壓力差工作，由吸盤、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便；應(yīng)用于非金屬材料板材、紙張、玻璃等或不可有剩磁的材料吸附；要求物體表面平整光滑，無透氣空隙； 形成壓力差方式：真空吸附、氣流負壓吸附、擠壓吸

14、附；真空吸附式手部 真空泵產(chǎn)生真空，真空度高，吸力大，工作可靠，成本高； 橡膠盤，靠近物體表面，抽真空，吸附；接通大氣，放下； 背部球鉸接；氣流負壓氣吸式手部 壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴，腔內(nèi)氣體被高速氣流帶走形成負壓，完成取物；切斷壓縮空氣即可釋放； 壓縮空氣取來方便，成本低；擠壓排氣式手部 取料時吸盤壓緊物體，吸盤變形，擠出多余氣體，手部上升靠吸盤恢復力形成負壓將物體吸??；壓下推桿連同大氣釋放； 結(jié)構(gòu)簡單，吸附力小，防止漏氣，不宜長期保持；磁吸式手部 依靠永磁體或電磁鐵的磁力吸附，單位面積吸力大，對工件表面粗糙度、通孔、溝槽無特殊要求，但只對鐵磁物體起作用，被吸工件存在剩磁，鐵屑； 原理：銜鐵，

15、隔磁材料，磁力線形成回路，氣隙；仿人機器人手部 對不同形狀、不同材質(zhì)的物體實施夾持和操作，物體表面受力均勻，提高操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，仿人手； 柔性手：多關(guān)節(jié)串聯(lián)，鋼絲繩牽引，凹凸不平的物體受力均勻； 多指靈活手：多手指組成，每個手指三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)獨立控制； 多關(guān)節(jié)柔性手，哈工大和德國宇航中心HIT/DLR四指靈巧手，仿人機器人手部機械手驅(qū)動力計算 握力計算：手指握緊工件時握力夾緊力），與工件重量、重心位置及夾持工件的方位有關(guān)；假定大小相等，方向相反；3331N2LGK GHK方位系數(shù)，手指和工件形狀及方位有關(guān)握力計算公式表驅(qū)動力計算 根據(jù)上表查握力計算N，計算驅(qū)動力P； 考

16、慮工件傳送過程中慣性力，振動，傳力機構(gòu)效率，實際驅(qū)動力Ps計算公式： P，計算而得驅(qū)動力，傳力機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式和尺寸有關(guān)，單位N；手部機械效率，0.850.95；K1安全系數(shù)，1.22；K2工況系數(shù)，K2=1+a/g，運動最大加速度，重力加速度；12sK KPP滑槽杠桿型驅(qū)動力P計算 銷軸力平衡： 手指力矩平衡120 xFPP1202cosyPFPP1,/cosPhNb ha22cosbPNaP一定時，角增大則握力N增加，但過大拉桿行程過大，滑槽尺寸增加，一般取=3040；結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，手指開閉角度大，但增力比N/P??；連桿杠桿型驅(qū)動力P計算 拉桿力平衡： 手指力矩平衡12sinPP111,

17、2tanPhNb PPbPNc P一定時，握力N與角正切成反比，角小時可獲得較大握力， =0手指閉合到最小位置即自鎖位置，再向下移則會松開；真空吸盤吸力計算 與吸盤內(nèi)真空度、吸盤面積有關(guān)，被吸工件表面質(zhì)量； P吸盤力，kgf,1kgf=9.8N； H吸盤真空度，mmHg,1mmHg=133.3Pa； D吸盤直徑，cm； n吸盤數(shù)量； K1啟動狀態(tài)安全系數(shù)，1.2-2； K2工況系數(shù)，1-3；工件間油膜存在相互吸力大時，運動過程慣性力大時取較大值； K3方位系數(shù)，垂直吸附時1/f,摩擦因數(shù)，金屬材料f=0.5-0.8；水平吸附時K3=1.1；21234760n DhPK K K電磁鐵吸盤吸力計算

18、 電磁鐵形狀、尺寸、匝數(shù)，調(diào)整電壓大小可以調(diào)整吸力； F直流電磁鐵吸力，J/cm； B空氣氣隙磁感應(yīng)強度，Wb/cm2； S氣隙截面面積，鐵芯柱橫截面積，cm2； 氣隙較大時修正系數(shù)，3-5； 氣隙長度，cm； 交流電磁鐵吸力有波動，最大吸力一半；21250001BFS21,50001mcpmBFSB磁感應(yīng)強度最大值手腕結(jié)構(gòu) 手部處于空間任意方向，手腕三個自由度， 單自由度手腕，R關(guān)節(jié)，B關(guān)節(jié) 二自由度手腕，BR，BB，RR， 三自由度手腕，BBR，BRR，RRR，BBB， R-roll翻轉(zhuǎn)，B-bend彎曲；手腕結(jié)構(gòu)手腕的傳動機構(gòu) 利用手腕的活動度確定手部的空間姿態(tài)，若手腕在空間可以取任意方

19、向，則與之相連的手部可以取任意姿態(tài)，達到完全靈活； 手腕除要求必須的啟動和傳送過程中的輸出力矩，還要結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，輕巧，靈敏。 手腕的驅(qū)動一般有遠程驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種，直接驅(qū)動是指驅(qū)動器安裝在手腕運動關(guān)節(jié)附件直接驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，傳動線路短，傳動剛度好，但腕部尺寸和質(zhì)量大，慣性大；遠程驅(qū)動指驅(qū)動器安裝在大臂、基座或小臂遠端，通過連桿、鏈條和同軸套筒等機構(gòu)把運動傳遞到腕關(guān)節(jié)處，結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對機器人整體動態(tài)性能有好處，但傳動設(shè)計復雜，傳動剛度低；單自由度手腕 回轉(zhuǎn)油缸結(jié)構(gòu)，壓力油，動片帶動指座轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，靈敏，響應(yīng)快，精度高，一般回轉(zhuǎn)角270，回轉(zhuǎn)油缸二自由度手腕 雙回轉(zhuǎn)油缸

20、驅(qū)動腕部：兩個軸線互相垂直的回轉(zhuǎn)油缸，V-V腕部擺動回轉(zhuǎn)油缸，動片6帶動擺動回轉(zhuǎn)油缸5使整個腕部繞軸3擺動；L-L腕部回轉(zhuǎn)油缸，回轉(zhuǎn)軸7帶動回轉(zhuǎn)中心軸2實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)；二自由度手腕 齒輪傳動二自由度手腕：腕部回轉(zhuǎn)有軸S帶動齒輪1，2，3，4傳遞，繞C軸回轉(zhuǎn)；擺動由B軸通過齒輪5，6傳遞，繞A軸擺動；三自由度手腕 臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)；3個電機輸出通過心軸、中間套筒、外套筒傳遞；外套帶動殼7臂轉(zhuǎn)，中間套筒帶動空心軸4腕擺，臂部心軸帶動腕部心軸2手轉(zhuǎn)；三個回轉(zhuǎn)不相互獨立，有互相耦合；三自由度RRR型手腕 RRR型手腕遠距離傳動實現(xiàn)容易，三個傳動軸套在同一個軸線上，外軸套驅(qū)動整個手腕轉(zhuǎn)動，中間套筒驅(qū)動斜置

21、關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)，中心軸驅(qū)動第三個滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶動手部回轉(zhuǎn)。制造簡單，潤滑好，效率高，使用普遍。腕部設(shè)計注意 手腕是機器人較為復雜結(jié)構(gòu)，傳動相互耦合，增加設(shè)計難度； 輸出一定力矩，啟動過程，傳送過程； 結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，使操作動態(tài)特性好； 動作靈活，平穩(wěn)，定位精度高； 強度、剛度高； 合理布局驅(qū)動器和傳感裝置；機器人手臂 支撐腕部和手部，并將抓取工件傳送到指定位置； 主要包括臂桿、傳動機構(gòu)、驅(qū)動器、導向定位裝置、位置檢測、連接支撐機構(gòu)等； 3個自由度：手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動；回轉(zhuǎn)、升降通過機座的立柱實現(xiàn)，立柱橫向移動即手臂橫向移動； 不同運動組合；手臂機械結(jié)構(gòu)形式圓柱坐標型：一個轉(zhuǎn)動，兩個移動

22、，工作空間圓柱，比直角坐標范圍大，體積??；直角坐標型：三個相互垂直直線移動，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積大，靈活性差；球坐標型：兩個轉(zhuǎn)動，一個移動，回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮；結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，抓取地面上工件，結(jié)構(gòu)復雜；關(guān)節(jié)型：回轉(zhuǎn)坐標型，三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，立柱回轉(zhuǎn)、大臂俯仰，小臂擺；范圍大，靈活性強，抓取靠近機座的物體；平面關(guān)節(jié)型：前后、左右兩個回轉(zhuǎn)，一個上下移動；水平方向有柔順性，垂直方向剛度大，用在裝配行業(yè)；手臂機械結(jié)構(gòu)手臂機械結(jié)構(gòu)手臂直線和回轉(zhuǎn)機構(gòu)手臂俯仰運動機構(gòu)手臂驅(qū)動力計算 垂直升降運動驅(qū)動力計算 回轉(zhuǎn)驅(qū)動力計算WqmgbmgbPFFFWFFF摩擦力，慣性力， 油汽缸阻力，總重力qmgmgMMMMM摩擦力矩，慣