第7章工業(yè)機(jī)器人2

2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院1/68第七章工業(yè)機(jī)器人二、工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)一、概述三、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)四、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)分析五、工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人軌跡規(guī)劃2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院2/68關(guān)節(jié)（Joint）：即運(yùn)動(dòng)副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。連桿（Link）：機(jī)器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)分開(kāi)的部分。BaseLink0Joint1Link2Link3Joint3EndofArmLink1Joint22.1相關(guān)術(shù)語(yǔ)2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院3/68定位精度（Positioningaccuracy）指機(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。重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度：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。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。oo2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院4/68工作空間（Workingspace）

機(jī)器人手腕參考點(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。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院5/68注意：不同的書上，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的符號(hào)表示可能不一樣。（a）表示手指（末端執(zhí)行器）；（b）表示垂直、升降運(yùn)動(dòng)；（c）表示水平伸縮運(yùn)動(dòng)；（d）表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；（e）表示俯仰運(yùn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院6/681234561234562023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院7/68關(guān)節(jié)名稱TranslationalmotionLinearjoint(L型)

線性關(guān)節(jié)Orthogonaljoint(O型)

正交關(guān)節(jié)RotarymotionRotationaljoint(R型)

銷軸回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)Twistingjoint(T型)

同軸回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)Revolvingjoint(V型) V型回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院8/68關(guān)節(jié)配置關(guān)節(jié)符號(hào)用字母L,O,R,T,V表示；手腕用冒號(hào):與機(jī)體及手臂分開(kāi)。關(guān)節(jié)配置例:TLR:TR2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院9/68PolarCoordinateBody-and-ArmAssemblyNotation:TRL2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院10/68CylindricalBody-and-ArmAssemblyNotation:TLO2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院11/68CartesianCoordinateBody-and-ArmAssemblyNotation:LOO2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院12/68Jointed-ArmRobotNotation:TRR2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院13/682.2工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)手部(末端執(zhí)行器)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)手臂手腕機(jī)身（座）2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院14/681.手部(末端執(zhí)行器)手部也叫末端操作器，它直接裝在工業(yè)機(jī)器人的手腕上，用于夾持工件或讓工具按照規(guī)定的程序完成指定的作業(yè)。

1)手部的特點(diǎn)

(1)手部與手腕相連處可拆卸手部與手腕處有可拆卸的機(jī)械接口：根據(jù)夾持對(duì)象的不同，手部結(jié)構(gòu)會(huì)有差異，通常一個(gè)機(jī)器人配有多個(gè)手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。手部可能還有一些電、氣、液的接口：由于手部的驅(qū)動(dòng)方式不同造成。對(duì)這些部件的接口一定要求具有互換性。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院15/68(2)手部是末端操作器可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。(3)手部是一個(gè)獨(dú)立的部件工業(yè)機(jī)器人通常分為三個(gè)大的部件：機(jī)身、手臂（含手腕）、手部。手部對(duì)整個(gè)機(jī)器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵的作用，它直接關(guān)系著夾持工件時(shí)的定位精度、夾持力的大小等。(4)手部的通用性比較差工業(yè)機(jī)器人的手部通常是專用裝置：一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院16/68每個(gè)手指有三個(gè)或四個(gè)關(guān)節(jié)。技術(shù)關(guān)鍵是手指之間的協(xié)調(diào)控制。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院17/68末端操作器圖例(2)手部是焊槍2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院18/682)手部的設(shè)計(jì)要求

具有足夠的夾持力。

保證適當(dāng)?shù)膴A持精度手指應(yīng)能順應(yīng)被夾持工件的形狀，應(yīng)對(duì)被夾持工件形成所要求的約束。考慮手部自身的大小、形狀、機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)自由度主要是根據(jù)作業(yè)對(duì)象的大小、形狀、位置、姿態(tài)、重量、硬度和表面質(zhì)量等來(lái)綜合考慮。智能化手部還應(yīng)配有相應(yīng)的傳感器由于感知手爪和物體之間的接觸狀態(tài)、物體表面狀況和夾持力的大小等，以便根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整等2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院19/683)手部的構(gòu)成

主要由手指、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。4)手部的分類

(1)按用途分

?手爪：具有一定的通用性。主要功能是抓住工件、握持工件、釋放工件。抓?。涸诮o定的目標(biāo)位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件必須有可靠的定位，保持工件和手爪之間的準(zhǔn)確的相對(duì)位置關(guān)系，以保持機(jī)器人后續(xù)作業(yè)的準(zhǔn)確性。握住：確保工件在搬運(yùn)過(guò)程中或零件裝配過(guò)程中定義了的位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性。釋放：在指定位置結(jié)束手部和工件之間的約束關(guān)系。

?工具：進(jìn)行作業(yè)的專用工具。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院20/68(2)按夾持方式分

外夾式

手部與被夾件的外表面相接觸。內(nèi)撐式

手部與工件的內(nèi)表面相接觸。內(nèi)外夾持式

手部與工件的內(nèi)、外表面相接觸。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院21/68夾持方式圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院22/68(3)按手爪的運(yùn)動(dòng)形式分

回轉(zhuǎn)型

當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)物體時(shí)，手指作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時(shí)，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。

平動(dòng)型

手指由平行四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。

平移型

當(dāng)手爪夾緊和松開(kāi)工件時(shí)，手指作平移運(yùn)動(dòng)，并保持夾持中心的固定不變，不受工件直徑變化的影響。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院23/68回轉(zhuǎn)型圖例壓縮彈簧拉伸彈簧2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院24/68平動(dòng)型圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院25/68平移型圖例該絲桿的螺紋具有什么特點(diǎn)？此時(shí)手部是張開(kāi)還是合攏？2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院26/68(4)按夾持原理分

手指式：外夾式、內(nèi)撐式、內(nèi)外夾持式。平移式、平動(dòng)式、旋轉(zhuǎn)式。二指式、多指式。單關(guān)節(jié)式、多關(guān)節(jié)式。吸盤式：負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、擠氣式。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院27/685)典型結(jié)構(gòu)(1)機(jī)械式手爪結(jié)構(gòu)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪：

氣缸驅(qū)動(dòng)活塞平移→齒條移動(dòng)→扇形齒輪擺動(dòng)→連桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)→手爪平動(dòng)其它四種機(jī)械式手爪機(jī)構(gòu)2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院28/68氣動(dòng)手爪圖例問(wèn)題：1、分析手部的運(yùn)動(dòng)。2、手部作的是什么類型運(yùn)動(dòng)？2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院29/68機(jī)械手爪圖例重力式手爪齒輪齒條式手爪滑槽式手爪撥桿杠桿式手爪2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院30/68(2)電磁吸盤

電磁吸盤的結(jié)構(gòu)：

主要由磁盤、防塵蓋、線圈、殼體等組成。工作原理：夾持工件：

線圈通電→空氣間隙的存在→線圈產(chǎn)生大的電感和啟動(dòng)電流→周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)(通電導(dǎo)體一定會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng))→吸附工件

放開(kāi)工件：

線圈斷電→磁吸力消失→工件落位2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院31/68

適用范圍：適用于用鐵磁材料做成的工件；不適合于由有色金屬和非金屬材料制成的工件。適合于被吸附工件上有剩磁也不影響其工作性能的工件。適合于定位精度要求不高的工件。合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會(huì)消失。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院32/68電磁吸盤圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院33/68(3)真空式吸盤

構(gòu)成:

由真空泵、電磁閥、電機(jī)和吸盤等構(gòu)成。工作原理：形成真空吸附工件：電機(jī)→真空泵→3＃電磁閥左側(cè)→從吸盤5處抽氣釋放工件：電機(jī)、泵停轉(zhuǎn)→大氣經(jīng)6＃口→4＃電磁閥左側(cè)→3＃電磁閥右側(cè)→送氣至吸盤5處1Y2Y2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院34/68真空吸盤結(jié)構(gòu)圖例2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院35/686)手部結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例(1)平行指手爪機(jī)構(gòu)工作原理：

回轉(zhuǎn)動(dòng)力源1和6驅(qū)動(dòng)構(gòu)件2和5順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)平行四邊形機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手指3和4作平動(dòng)，夾緊或釋放工件。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院36/68(3)上料吸盤A2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院37/68(4)上料吸盤B2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院38/682.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)三種形式。每種方式都有直線型和旋轉(zhuǎn)型。直線型電動(dòng)直線電機(jī)液壓活塞液壓缸氣壓伸縮軟管、氣缸旋轉(zhuǎn)型電動(dòng)直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)氣壓氣壓馬達(dá)、渦輪2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院39/68各種主要驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)的比較

方式內(nèi)容液壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)交、直流電機(jī)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)輸出力大小大小控制性能可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精確定位難，阻尼效果差，低速不易控制控制性能較差，慣性大，不易精確定位控制性能好，能精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜體積在輸出力相同條件下體積小較大要有減速裝置，故體積較大較小維修及使用方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求方便方便較復(fù)雜對(duì)環(huán)境影響易漏油，易燃排氣有噪聲無(wú)無(wú)應(yīng)用范圍重型低速驅(qū)動(dòng)中小型快速驅(qū)動(dòng)抓取重量大而速度低的中、重型機(jī)器人可用于要求嚴(yán)格控制運(yùn)動(dòng)軌跡的中小型機(jī)器人成本元件成本較高低低較高2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院40/683.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)將原動(dòng)機(jī)發(fā)出的機(jī)械能傳遞給關(guān)節(jié)或其他工作部分，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)。常用傳動(dòng)方案如下表所示。常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、帶及鏈傳動(dòng)等。直線電機(jī)III變速電機(jī)(回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))伺服電機(jī)(減速機(jī)構(gòu))(回轉(zhuǎn)變直線機(jī)構(gòu))(直動(dòng)關(guān)節(jié))II液壓泵或空壓機(jī)(液壓或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器)(連桿機(jī)構(gòu)、擺桿機(jī)構(gòu))I執(zhí)行部件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原動(dòng)機(jī)方案2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院41/681)齒輪傳動(dòng)諧波減速器

RV減速器：內(nèi)齒輪為帶滾針的圓弧齒，外齒輪采用周擺線齒，內(nèi)外齒輪在整個(gè)圓周上始終保持嚙合。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院42/68RV減速器工作原理圖RV減速器特點(diǎn)傳動(dòng)比范圍大；扭轉(zhuǎn)剛度大；高精度和小間隙回差；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院43/682)螺旋傳動(dòng)

螺旋傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。螺旋傳動(dòng)均勻準(zhǔn)確，主動(dòng)件上作用較小扭矩，即可在從動(dòng)件上獲得很大的軸向力。螺桿旋轉(zhuǎn)一周，螺母只移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。按摩擦性質(zhì)分為滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋?；瑒?dòng)螺旋：絲杠螺母副滾動(dòng)螺旋：滾珠絲杠副靜壓螺旋：變滑動(dòng)、滾動(dòng)摩擦為流體自身的粘性力摩擦，如使用氣體靜壓螺旋，則摩擦力很小，但承載能力也小。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院44/68滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)原理圖滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖滾珠絲杠實(shí)物圖2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院45/68靜壓螺旋傳動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院46/683)帶、鏈傳動(dòng)

工業(yè)機(jī)器人中的帶傳動(dòng)主要指同步齒形帶傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)主要指精密套筒滾子鏈傳動(dòng)。主要用于平行軸之間的傳動(dòng)。4)其他傳動(dòng)方式

除上述三種主要傳動(dòng)形式外，工業(yè)機(jī)器人中還有采用液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院47/684.手臂

手臂用來(lái)調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器在空間的位置，或把工件、工具運(yùn)送到工作范圍內(nèi)的指定位置上。一般具有三個(gè)自由度，這些自由度可以是移動(dòng)副、繞同軸回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)副和繞銷軸擺轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)副。關(guān)節(jié)型機(jī)器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是關(guān)節(jié)?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)用來(lái)連接手臂與機(jī)座、手臂相鄰桿件及手臂與手腕，并實(shí)現(xiàn)兩構(gòu)件間的相對(duì)回轉(zhuǎn)(或擺動(dòng))。它由驅(qū)動(dòng)器、回轉(zhuǎn)軸和軸承組成。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院48/68

驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒(méi)有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。這種驅(qū)動(dòng)方式具有以下特點(diǎn)：

A.機(jī)械傳動(dòng)精度高；

B.振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛性好；

C.結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高；

D.電機(jī)的重量會(huì)增加轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)擔(dān)。

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回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動(dòng)器裝在同一軸上。SCARA型機(jī)器人中