《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》Chpt

機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33邏輯功能組成執(zhí)行系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)人-機(jī)接口傳感系統(tǒng)環(huán)境四個(gè)子系統(tǒng)和一個(gè)界面本章只考慮機(jī)械系統(tǒng)（執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)）組成部分：機(jī)座－(腰關(guān)節(jié))-腰部－(肩關(guān)節(jié))-大臂－(肘關(guān)節(jié))-小臂－

(腕關(guān)節(jié))-腕部－(腕關(guān)節(jié))-末端執(zhí)行器機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械結(jié)構(gòu)第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)驅(qū)動(dòng)方式

各運(yùn)動(dòng)部件（移動(dòng)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)和執(zhí)行器等）的動(dòng)力來(lái)源和方式，使各種機(jī)械部件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的裝置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)(電動(dòng))直流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)力矩電機(jī)步進(jìn)電機(jī)機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)驅(qū)動(dòng)(電動(dòng))

普通交直流電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要減速裝置(減速增力)。普通交直流電機(jī)輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型低精度機(jī)器人。伺服電機(jī)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，常用于中小型機(jī)器人。步進(jìn)電機(jī)則主要用于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。功率在1kw以下的機(jī)器人多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，且隨著材料性能的提高，驅(qū)動(dòng)性能也逐漸提高。所以目前機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)絕大部分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)(液動(dòng))組成：液壓泵馬達(dá)＋液壓缸＋液壓閥＋油管（傳遞介質(zhì)一般是油）液壓驅(qū)動(dòng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：液壓容易達(dá)到較高的單位面積壓力(常用油壓為25～63kg/cm2)，體積較小,可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；響應(yīng)性能好，液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度；液壓傳動(dòng)中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。

液壓驅(qū)動(dòng)的輸出力和功率較大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，故常用于大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)(液動(dòng))液壓驅(qū)動(dòng)的不足之處包括：油液的粘度隨溫度而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)；液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價(jià)較高；液壓驅(qū)動(dòng)有一定的噪音，加上泄漏，造成環(huán)境污染；需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會(huì)引起故障；機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式氣壓驅(qū)動(dòng)(氣動(dòng))組成：氣泵＋氣缸＋氣閥＋氣管（傳遞介質(zhì)為空氣）氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速(1m/s)；利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣時(shí)不需要添加動(dòng)力設(shè)備；空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。氣動(dòng)多用于開(kāi)關(guān)控制、末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)和順序控制的機(jī)器人中。

機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式氣壓驅(qū)動(dòng)(氣動(dòng))其不足之處在于：壓縮空氣常用壓力為4～6kg/cm2，較大的出力要求結(jié)構(gòu)相對(duì)增大；空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制和準(zhǔn)確的位置控制很困難；壓縮空氣的除水是一個(gè)很重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生繡，導(dǎo)致機(jī)器人失靈；排氣還會(huì)造成噪聲污染。機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式：比較驅(qū)動(dòng)方式輸出力控制性能維修使用結(jié)構(gòu)體積使用范圍制造成本液壓驅(qū)動(dòng)壓力高，可獲得大的輸出力油液不可壓縮，壓力、流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火。在輸出力相同的情況下，體積比氣壓驅(qū)動(dòng)方式小中小型及重型機(jī)器人液壓元件成本較高，油路比較復(fù)雜氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓壓力低，輸出力較小，如需要輸出力大時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大可高速，沖擊較嚴(yán)重，定位精度低。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU連接維修簡(jiǎn)單，能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄漏無(wú)影響。體積較大中小型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低電機(jī)驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)直流電機(jī)輸出力較大控制性能較差，慣性大，不易精確定位維修使用方便需要減速裝置，體積較大速度低，持重大的機(jī)器人成本低步進(jìn)電機(jī)伺服電機(jī)輸出力較小或較大容易與CPU連接，控制性能好，響應(yīng)快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜維修使用較復(fù)雜體積效小程序復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的機(jī)器人成本較高機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的傳動(dòng)方式直線移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向運(yùn)動(dòng)球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮運(yùn)動(dòng)SCARA機(jī)器人末端關(guān)節(jié)的升降輸出運(yùn)動(dòng)有兩種：直線移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式：直接由氣缸或液壓缸和活塞產(chǎn)生也可以采用齒輪齒條、絲杠或螺母等傳動(dòng)方式把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換直線電機(jī)直接輸出機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的傳動(dòng)方式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)除直線電機(jī)外，所有的電機(jī)都直接產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但其輸出力矩往往比所需要的力矩小，額定轉(zhuǎn)速所需要的轉(zhuǎn)速高。因此，需要采用各種傳動(dòng)裝置把較高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低的轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩（減速增力）。有時(shí)也采用直線液壓缸或直線氣缸作為動(dòng)力源，這就需要把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)換必須高效率地完成，并且不能有損于機(jī)器人系統(tǒng)所需要的特性，特別是定位精度、重復(fù)精度和可靠性。運(yùn)動(dòng)的傳遞和轉(zhuǎn)換可以選擇齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)和諧波減速器等傳動(dòng)方式。機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的傳動(dòng)方式：比較傳動(dòng)方式簡(jiǎn)圖特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形式傳動(dòng)距離應(yīng)用部位絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)比大，摩擦大，磨損大轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)臂、腕、手爪滾珠絲桿傳動(dòng)比大，精度高，可靠性高，價(jià)格高轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)臂、腕、手爪齒輪齒條精度高，可靠性高，價(jià)格低轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)臂、手爪液壓氣缸輸出力大、響應(yīng)快，有噪音、易泄漏移移遠(yuǎn)臂、腕、手爪機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的傳動(dòng)方式：比較傳動(dòng)方式簡(jiǎn)圖特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形式傳動(dòng)距離應(yīng)用部位四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但不緊湊轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)臂、手爪曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率和平穩(wěn)性不高，結(jié)構(gòu)不緊湊轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)臂、手爪鋼絲繩傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)程傳動(dòng)好，有摩擦非線性，難精確轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移很遠(yuǎn)臂、腕爪、多指手、醫(yī)療鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)程傳動(dòng)好，平穩(wěn)性不佳，難精確轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)很遠(yuǎn)腕、移動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)電工程學(xué)院第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)14/33機(jī)器人的傳動(dòng)方式：比較傳動(dòng)方式簡(jiǎn)圖特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形式傳動(dòng)距離應(yīng)用部位同步齒形帶傳動(dòng)傳動(dòng)可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移很遠(yuǎn)臂、碗齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)可靠，平穩(wěn)性好，但間隙難消轉(zhuǎn)移近臂、碗手爪蝸輪蝸桿傳動(dòng)傳動(dòng)比大，可改變傳動(dòng)方向，摩擦磨損大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)近臂、腕手爪、諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比很大，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，但價(jià)格高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)近畢、腕類型DoF剛性關(guān)節(jié)柔性關(guān)節(jié)符號(hào)移動(dòng)(滑動(dòng))1轉(zhuǎn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))1螺旋1圓柱2虎克鉸2球面關(guān)節(jié)3機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人的關(guān)節(jié)形式第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)直角坐標(biāo)

直角坐標(biāo)~

圓柱坐標(biāo)~串聯(lián)~

球面坐標(biāo)~SCARA~

關(guān)節(jié)坐標(biāo)~并聯(lián)~圓柱坐標(biāo)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人的構(gòu)型（工業(yè)機(jī)器人）第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)球面坐標(biāo)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人的構(gòu)型（工業(yè)機(jī)器人）第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)關(guān)節(jié)坐標(biāo)Stewart機(jī)構(gòu)SCARA機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人的構(gòu)型（工業(yè)機(jī)器人）第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)并聯(lián)機(jī)器人Delta機(jī)構(gòu)構(gòu)型固定→可重構(gòu)（人工重構(gòu)、自重構(gòu)）機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人的構(gòu)型（模塊化）第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)由有限的幾種模塊構(gòu)建多種機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)器人的構(gòu)型（模塊化）第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)機(jī)電工程學(xué)院主要技術(shù)參數(shù)第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)自由度對(duì)串聯(lián)機(jī)器人而言，DOF＝關(guān)節(jié)的數(shù)目（不計(jì)末端執(zhí)行器部分，若有閉鏈，需去掉閉鏈部分）

對(duì)并聯(lián)機(jī)器人而言，DOF＝動(dòng)平臺(tái)的自由度,需計(jì)算一般，DOF＝2～6冗余度機(jī)器人，DOF≥７，平面冗余DOF≥4一般機(jī)器人，DOF＝5～6，SCARADOF＝4機(jī)電工程學(xué)院主要技術(shù)參數(shù)第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)工作空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)末端參考點(diǎn)（通常為腕點(diǎn)，或機(jī)械接口中心／工具中心點(diǎn)）所能達(dá)到的所有空間區(qū)域，又稱可達(dá)空間或工作范圍。

工作空間的大小取決于機(jī)器人的總體構(gòu)型、各連桿的長(zhǎng)度、各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍等因素。負(fù)載（承載能力）通常指機(jī)器人在正常運(yùn)行速度下所能承載工件的重量，體現(xiàn)機(jī)器人承載重物的能力。負(fù)載大小取決于機(jī)器人的連桿的尺寸大小和驅(qū)動(dòng)器的容量等因素，與機(jī)器人運(yùn)行速度有關(guān)。

作用在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的載荷與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、乘載時(shí)間和有慣性引起的動(dòng)載有關(guān)。機(jī)電工程學(xué)院主要技術(shù)參數(shù)第二章機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)速度一般指機(jī)器人在空載情況下末端能達(dá)到的最大線速度(m/s)，相關(guān)的是單個(gè)關(guān)節(jié)能達(dá)到的最大角速度(rad/s)。速度越大意味著生產(chǎn)效率越高。在某些作業(yè)中，工藝過(guò)程(例如焊接、噴涂、拋光、打磨)而非機(jī)器人本身限制速度的提高精度定位精度：在空載情況下末端實(shí)際達(dá)到的位置與要求到達(dá)的理想位置之間的差距，是一個(gè)位置量相對(duì)于其參考坐標(biāo)系的絕對(duì)度量(±m(xù)m)。重復(fù)(定位)精度：在相同的運(yùn)動(dòng)指令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)運(yùn)動(dòng)到測(cè)量點(diǎn)若干次