機械原理 工業(yè)機器人機構(gòu)

1、 概概 述述 機器人是近40年來發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。 工業(yè)機器人是機器人的一個重要分支，它的特點是可通過編程完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器人各自的優(yōu)點，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機器作業(yè)的準確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。 機器人技術(shù)涉及力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機等學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 而機器人機構(gòu)學(xué)乃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。工業(yè)機器人的應(yīng)用實例：l焊接作業(yè)l清洗作業(yè)l裝配作業(yè)l搬運作業(yè)操作機 用于完成各種作業(yè)任務(wù)的機械主體，主

2、要包含機械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元機械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元以及內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器等部分。 是完成機器人控制功能的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，是決定機器人功能和水平的關(guān)鍵部分功能和水平的關(guān)鍵部分。 控制器 是完成機器人控制功能的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，是決定機器人功能和水平的關(guān)鍵部分功能和水平的關(guān)鍵部分。 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 關(guān)節(jié)型機器人操作機基本構(gòu)造 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)。它主要由種作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)。它主要由機械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元及內(nèi)部

3、傳感器機械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元及內(nèi)部傳感器等部分組成等部分組成。 伺服電機伺服電機 減速器減速器 腕關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié) 小臂小臂 肘關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié) 手腕手腕 大臂大臂 連接法蘭連接法蘭 皮帶傳動皮帶傳動 腰部腰部 肩關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié) 腰關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié) 基座基座 機器人操作機的每個關(guān)節(jié)均機器人操作機的每個關(guān)節(jié)均采用采用 1 個交流伺服馬達驅(qū)動個交流伺服馬達驅(qū)動 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 機器人操作機最后一個軸的機械接口通常為一連接法蘭，機器人操作機最后一個軸的機械接口通常為一連接法蘭，可接裝不同的機械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等?？山友b不同的機械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等。 吸盤 焊槍 夾緊爪 法蘭法

4、蘭（Flange），又叫法蘭凸緣盤或突緣。法蘭是軸與軸之間相互連接的零件，用于管端之間的連接；也有用在設(shè)備進出口上的法蘭，用于兩個設(shè)備之間的連接伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置?？墒箍刂扑俣?，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服”詞源于希臘語“奴隸”的意思。人們想把“伺服機構(gòu)”當個得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系統(tǒng)。伺服”詞源于希臘語“奴隸”的意思。人

5、們想把“伺服機構(gòu)”當個得心應(yīng)手的馴服工具，服從控制信號的要求而動作。在訊號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；訊號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當訊號消失，轉(zhuǎn)子能即時自行停轉(zhuǎn)。由于它的“伺服”性能，因此而得名伺服系統(tǒng)?？刂坪唵危豢刂坪唵?；剛性最大（龍門式）；剛性最大（龍門式）；容易達到高精度；容易達到高精度；操作范圍??；操作范圍??；占地面積大；占地面積大；運動速度低；運動速度低；密封性差；密封性差；直角坐標型直角坐標型2.1.1 操作機 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 中心支架附近的工作范圍大；中心支架附近的工作范圍大；工作空間大；工作空間大；坐標系復(fù)雜，難以控制；坐標系復(fù)雜，難以控制；存在工作死區(qū)；存在工作死區(qū)

6、；密封性較差；密封性較差；球坐標式球坐標式2.1.1 操作機 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 工作范圍可以擴大；工作范圍可以擴大；計算簡單；計算簡單；動力輸出較大；動力輸出較大；手臂可達空間受到限制；手臂可達空間受到限制；直線驅(qū)動部分難以密封；直線驅(qū)動部分難以密封；安全性差；安全性差；平面多關(guān)節(jié)型平面多關(guān)節(jié)型2.1.1 操作機 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 動作靈活；動作靈活；工作空間大；工作空間大；易密封；易密封；工作條件要求低；工作條件要求低；適合用電機驅(qū)動；適合用電機驅(qū)動；計算量大；計算量大；輸出動力不大；輸出動力不大；垂直多關(guān)節(jié)型垂直多關(guān)節(jié)型2.1.1 操作機 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組

7、成 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 (1) 機械臂 關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的機械臂是由關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)連在一起的許多機械連桿機械連桿的集合體 。實質(zhì)上實質(zhì)上是一個擬人手臂的空間開鏈式機構(gòu)，一端固定在基座上，另一端可自由運動，由關(guān)節(jié) - 連桿結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的機械臂大體可分為 基座基座 、 腰部腰部 、 臂部（大臂和小臂）和手腕臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。 機械部分機械部分1 手部手部2 手腕手腕（次軸）（次軸）3 臂部臂部（主軸）（主軸）5 基座基座末端執(zhí)行器聯(lián)接聯(lián)接手部手部和和手臂手臂的部分，的部分，主要改變手部的空間方主要改變手部的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂手

8、臂聯(lián)接機身和手聯(lián)接機身和手腕的部分，腕的部分，改改變手部的空間變手部的空間位置位置，并將各，并將各種載荷傳遞到種載荷傳遞到機座機座起到支起到支承作用承作用4 腰部腰部腰部是機器人手臂的腰部是機器人手臂的支承部分支承部分 ?；?腰部腰部 大臂大臂 小臂小臂 手腕手腕 1、手臂的運動、手臂的運動垂直移動垂直移動徑向移動徑向移動回轉(zhuǎn)運動回轉(zhuǎn)運動機器人手臂的機器人手臂的上下運動上下運動手臂的伸手臂的伸縮運動縮運動機器人繞鉛機器人繞鉛垂軸的轉(zhuǎn)動垂軸的轉(zhuǎn)動2、手腕的運動、手腕的運動手腕旋轉(zhuǎn)手腕旋轉(zhuǎn) 手腕彎曲手腕彎曲手腕側(cè)擺手腕側(cè)擺手腕繞小手腕繞小臂軸線的臂軸線的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動手腕的上手腕的上下擺動下擺動手

9、腕的水平手腕的水平擺動擺動2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 (2) 驅(qū)動裝置 驅(qū)使工業(yè)機器人機械臂運動的機構(gòu)。它按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人產(chǎn)生動作，相當于人的肌肉、筋絡(luò)。 機器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動電氣驅(qū)動三種基本類型。 目前，除個別運動精度不高、重負載或有防爆要求的機器人采用液壓、氣壓驅(qū)動外，工業(yè)機器人大多采用工業(yè)機器人大多采用電氣驅(qū)動，而其中屬交流伺服電機應(yīng)用最廣，且驅(qū)動器電氣驅(qū)動，而其中屬交流伺服電機應(yīng)用最廣，且驅(qū)動器布置大都采用一個關(guān)節(jié)一個驅(qū)動器。布置大都采用一個關(guān)節(jié)一個驅(qū)動器。 優(yōu)點優(yōu)點:(1) 可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)

10、矩?？梢垣@得較大的推力或轉(zhuǎn)矩。(2) 液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小, 工作平穩(wěn)可靠工作平穩(wěn)可靠, 并可得到較高的位置精度。并可得到較高的位置精度。 (3) 液壓傳動中液壓傳動中, 力、力、 速度和方向比較容易實速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制?，F(xiàn)自動控制。 (4) 液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì),具有防銹性和自具有防銹性和自潤滑性能潤滑性能, 可以提高機械效率可以提高機械效率, 使用壽命長。使用壽命長。 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動存在的不足存在的不足: (1) 油液的粘度隨溫度變化而變化油液的粘度隨溫度變化而變化, 這將影這將影響工作性能。高溫容易引起燃燒、爆炸等危險。響

11、工作性能。高溫容易引起燃燒、爆炸等危險。 (2) 液體的泄漏難于克服液體的泄漏難于克服,要求液壓元件有較要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量高的精度和質(zhì)量, 故造價較高。故造價較高。 (3) 需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng),尤其是電液伺服系尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置,否則會引起故障。否則會引起故障。 液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機構(gòu)，能構(gòu)成伺服機構(gòu)，常用于大型機器人常用于大型機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動。關(guān)節(jié)的驅(qū)動。 氣動機械手氣動機械手氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動與液壓驅(qū)動相比與液壓驅(qū)動相比, 氣壓驅(qū)動的特點是氣壓驅(qū)動的特點是: (1) 壓

12、縮空氣粘度小壓縮空氣粘度小, 容易達到高速容易達到高速(1 ms)。 (2) 利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣, 不必添加動力設(shè)備。不必添加動力設(shè)備。(3) 空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染,使用安全使用安全,可可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。直接應(yīng)用于高溫作業(yè)。 (4) 氣動元件工作壓力低氣動元件工作壓力低, 故制造要求也故制造要求也比液壓元件低。比液壓元件低。氣壓驅(qū)動的不足氣壓驅(qū)動的不足: (1) 壓縮空氣常用壓力為壓縮空氣常用壓力為0.40.6 MPa, 若若要獲得較大的壓力要獲得較大的壓力,其結(jié)構(gòu)就要相對增大。其結(jié)構(gòu)就要相對增大。 (2) 空氣壓縮性大空氣壓縮

13、性大,工作平穩(wěn)性差工作平穩(wěn)性差, 速度控制速度控制困難困難,要達到準確的位置控制很困難。要達到準確的位置控制很困難。 (3) 壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題題,處理不當會使鋼類零件生銹處理不當會使鋼類零件生銹, 導(dǎo)致機器人失靈導(dǎo)致機器人失靈.此外此外,排氣還會造成噪聲污染。排氣還會造成噪聲污染。 電動機驅(qū)動電動機驅(qū)動1 1）普通交流電動機驅(qū)動）普通交流電動機驅(qū)動2 2）交、直流伺服電動機驅(qū)動）交、直流伺服電動機驅(qū)動3 3）步進電動機驅(qū)動）步進電動機驅(qū)動輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出力矩相對小，控制性能好，可

14、實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人用于開環(huán)控制，一般用于對速度和位置要求不高要求不高的場合電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電機性能也逐漸提高。所以總的看來，機性能也逐漸提高。所以總的看來，目前機器目前機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動逐漸為電動式所代替人關(guān)節(jié)驅(qū)動逐漸為電動式所代替。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 (3) 傳動單元 減速器主要有兩類： RV 減速器 和 諧波減速器 。 一般將 RV 減減速器放置在基座、腰部速器放置在基座、腰部臂、腕部或手部等輕負載的位置 ( 主要用于 20kg 以下的機器關(guān)節(jié) ) 。 此外，機器人還采用齒輪傳動、鏈條（帶）傳動、

15、直線運動單元等。目前工業(yè)機器人廣泛采用的機械傳動單元是減速器，應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機器人上的 諧 RV 波 減 減 速 速 器 器 皮 帶 傳 動 機器人關(guān)節(jié)傳動單元 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.2 控制器 機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分 ，其基本功能有： 示教功能示教功能 、 記憶功能、位置伺服功能、坐標設(shè)定功記憶功能、位置伺服功能、坐標設(shè)定功 。 依據(jù)控制系統(tǒng)的開放程度，機器人控制器分 3 類：封閉封閉型、開放型型、開放型和混合型混合型。目前基本上都是封閉型系統(tǒng)封閉型系統(tǒng)（如日系機器人）或混合型系統(tǒng)混合型系統(tǒng)（如歐系機器人）。 按計算機結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機器人控制器又可分為 集中式控制 和 分布