機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)

第二章機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)2 1機(jī)器人系統(tǒng)的組成 如圖2 1所示 機(jī)器人由機(jī)械部分 傳感部分 控制部分三大部分組成 這三大部分可分成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng) 人機(jī)交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要使機(jī)器人運(yùn)行起來 需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置 這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 感受系統(tǒng)它由內(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)中有意義的信息 智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性 適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn) 人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的 然而 對(duì)于一些特殊的信息 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效 機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元 如加工制造單元 焊接單元 裝配單元等 人一機(jī)交互系統(tǒng)人一機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置 指令給定裝置和信息顯示裝置 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號(hào) 支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能 如果機(jī)器人不具備信息反饋特征 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)和人工智能控制系統(tǒng) 根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制 相關(guān)術(shù)語(yǔ)及性能指標(biāo) 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)分開的部分 自由度 Degreeoffreedom 或者稱坐標(biāo)軸數(shù) 是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù) 手指的開 合 以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi) 剛度 Stiffness 機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力 它是用外力和在外力作用方向上的變形量 位移 之比來度量 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 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 2 2工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體類似于具備上肢機(jī)能的機(jī)械手 由手部 腕部 臂 機(jī)身 有的包括行走機(jī)構(gòu) 組成 2 2 1機(jī)械手的操作動(dòng)作機(jī)械手的動(dòng)作形態(tài)是由三種不同的單動(dòng)作 旋轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn) 伸縮組合而成的 旋轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)是指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 旋轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)部件的軸線和轉(zhuǎn)動(dòng)軸同軸 回轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)部件的軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)軸不同軸 伸縮是指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng) 2 2 2機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度 1 根據(jù)單元?jiǎng)幼鹘M合方式的不同 機(jī)械手的動(dòng)作形態(tài)一般歸納為以下四種坐標(biāo)類型 直角坐標(biāo)型 圖7 2 2 圓柱坐標(biāo)型 圖7 2 3 極坐標(biāo)型 圖7 2 4 多關(guān)節(jié)型 圖7 2 5 直角坐標(biāo)型機(jī)械手可以在三個(gè)互相垂直的方向上作直線伸縮運(yùn)動(dòng) 這類機(jī)械手各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的 計(jì)算和控制比較方便 但占地面積大 限于特定的應(yīng)用場(chǎng)合 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手有一個(gè)圍繞基座軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)在相互垂直方向上的直線伸縮運(yùn)動(dòng) 它適用于采用油壓 或氣壓 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 在操作對(duì)象位于機(jī)器人四周的情況下 操作最為方便 極坐標(biāo)型機(jī)械手的動(dòng)作形態(tài)包括圍繞基座軸的旋轉(zhuǎn) 一個(gè)回轉(zhuǎn)和一個(gè)直線伸縮運(yùn)動(dòng) 其特點(diǎn)類似于圓柱型機(jī)械手 多關(guān)節(jié)型機(jī)械手最接近于人臂的構(gòu)造 它主要由多個(gè)回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所組成 一般都采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 運(yùn)用不同的關(guān)節(jié)連接方式 可以完成各種復(fù)雜的操作 由于具有占地面積小 動(dòng)作范圍大 空間移動(dòng)速度快而靈活等特點(diǎn) 多關(guān)節(jié)型機(jī)械手在各種智能機(jī)器人中被廣為采用 SCARA機(jī)器人關(guān)節(jié)式機(jī)器人 2 2 3機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 1 PUMA一262機(jī)器人機(jī)構(gòu) 圖2 1是PUMA系列一種較小的機(jī)器人PUMA一262機(jī)器人機(jī)構(gòu) 操作機(jī) 的外形直觀圖 它有一個(gè)立柱 可以垂直回轉(zhuǎn) 稱作腰關(guān)節(jié) 也稱1軸 有大臂 小臂 它們的回轉(zhuǎn)軸稱作肩關(guān)節(jié) 2軸 和肘關(guān)節(jié) 3軸 這3個(gè)軸和桿 構(gòu)成了該機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu) 又稱主關(guān)節(jié)軸組 即由他們的幾何參數(shù) 桿長(zhǎng)和偏距 和運(yùn)動(dòng)參數(shù) 關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)角 決定手腕 參考點(diǎn) 的空間活動(dòng)范圍 工作空間 手腕具有3個(gè)互相垂直的回轉(zhuǎn)軸 4 5 6軸 它們是姿態(tài)機(jī)構(gòu) 又稱副關(guān)節(jié)軸組 即它們的轉(zhuǎn)角確定著工具 圖中未畫 的空間姿態(tài) PUMA262型機(jī)器人具有六個(gè)自由度 可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè) 6個(gè)關(guān)節(jié)軸由6個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 由圖2 2可以看出 電機(jī)1通過兩對(duì)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)立柱回轉(zhuǎn) 電機(jī)2通過聯(lián)軸器 一對(duì)圓錐齒輪和一對(duì)圓柱齒輪帶動(dòng)齒輪Z 齒輪Z繞與立柱固聯(lián)的齒輪Z轉(zhuǎn)動(dòng) 于是形成了大臂相對(duì)于立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 電機(jī)3通過兩個(gè)聯(lián)軸器和一對(duì)圓錐齒輪 兩對(duì)圓柱齒輪 Z固聯(lián)于小臂上 驅(qū)動(dòng)小臂相對(duì)于大臂回轉(zhuǎn) 電機(jī)4先通過一對(duì)圓柱齒輪 兩個(gè)聯(lián)軸器和另一對(duì)圓柱齒輪 Z固聯(lián)于手腕的套筒上 驅(qū)動(dòng)手腕相對(duì)于小臂回轉(zhuǎn) 電機(jī)5通過聯(lián)軸器 一對(duì)圓柱齒輪 一對(duì)圓錐齒輪 Z聯(lián)于手腕的球殼上 驅(qū)動(dòng)手腕相對(duì)于小臂 亦即相對(duì)于手腕的套筒 擺動(dòng) 電機(jī)6通過聯(lián)軸器 兩對(duì)圓錐齒輪和一對(duì)圓柱齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械接口 法蘭盤 相對(duì)于手腕的球殼回轉(zhuǎn) 可以看出 6個(gè)電機(jī)通過一系列的聯(lián)軸器和齒輪副 形成了6條傳動(dòng)鏈 得到了6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度 從而形成了一定的工作空間并使工具各式各樣的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)這里所使用的聯(lián)軸器 都是具有撓性的螺旋形聯(lián)軸器 如圖2 3 齒輪傳動(dòng)都具有消隙機(jī)構(gòu) 從而保證了正反轉(zhuǎn)時(shí)的回差在一定的精度范圍內(nèi) 由于先進(jìn)的制造技術(shù) 雖然使用了一般的多級(jí)齒輪傳動(dòng) 但仍具有很高的運(yùn)動(dòng)和定位精度 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 多關(guān)節(jié)型機(jī)械手 2 2 4工業(yè)機(jī)器人手部 手爪 結(jié)構(gòu) 1 滑槽杠桿式手部 2 齒輪齒條式手部 3 滑塊杠桿式手部 4 斜楔杠桿式 5 移動(dòng)型連桿式手部 6 齒輪齒條式手部 7 內(nèi)漲斜塊式手部 8 連桿杠桿式手部 手指類型 電磁式吸盤氣吸式吸盤 常見的另兩種手部 其它手部 2 2 5工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu) 腕部影響手部的姿態(tài) 方位 2 2 6工業(yè)機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)臂部確定手部的位置 1 車輪型 2 3移動(dòng)機(jī)器人 兩輪型三輪型四輪型 2 履帶式 救援機(jī)器人 3 步行式 4 其它移動(dòng)方式 軍用昆蟲機(jī)器人 爬纜索機(jī)器人 水下6000米無纜自治機(jī)器人 蛇形機(jī)器人 2 4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2 4 1關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式 直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連 間接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過減速器或鋼絲繩 皮帶 平行連桿等裝置后與關(guān)節(jié)軸相連 1 關(guān)節(jié)間接驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn) 大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng) 這種間接驅(qū)動(dòng) 通常其驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩大大小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的力矩 所以必須使用減速器 另外 由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu) 所以多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝減速器會(huì)使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷增大 目前中小型機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī) 交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī) 由于電機(jī)速度較高 所以需配以大速比減速裝置 進(jìn)行間接傳動(dòng) 但是 間接驅(qū)動(dòng)帶來了機(jī)械傳動(dòng)中不可避免的誤差 引起沖擊振動(dòng) 影響機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性 并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸 2 關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人也叫作DD機(jī)器人 Directdriverobot 簡(jiǎn)稱DDR DD機(jī)器人一般指驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接 DD機(jī)器人的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換 DD機(jī)器人與間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相比 有如下優(yōu)點(diǎn) 機(jī)械傳動(dòng)精度高 振動(dòng)小 結(jié)構(gòu)剛度好 機(jī)械傳動(dòng)損耗小 結(jié)構(gòu)緊湊 可靠性高 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩大 電氣時(shí)間常數(shù)小 短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩 響應(yīng)速度快 調(diào)速范圍寬 控制性能較好 日本 美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的DD機(jī)器人 美國(guó)Adept公司研制出帶有視覺功能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機(jī)器人 日本大日機(jī)工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD一600V機(jī)器人 其性能指標(biāo)為 最大工作范圍1 2m 可搬重量5kg 最大運(yùn)動(dòng)速度8 2m s 重復(fù)定位精度0 05mm DD機(jī)器人目前主要存在的問題 載荷變化 耦合轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制影響顯著 使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和復(fù)雜 對(duì)位置 速度的傳感元件提出了相當(dāng)高的要求 需開發(fā)小型實(shí)用的DD電機(jī) 電機(jī)成本高 2 4 2驅(qū)動(dòng)元件 1 液 氣 壓驅(qū)動(dòng)液 氣 壓缸液 氣 壓馬達(dá) 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在小的機(jī)器人上 有時(shí)也用步進(jìn)電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī) 可以用編碼器或電位器提供精確的位置反饋 所以步進(jìn)電機(jī)也可用于閉環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)是通過脈沖電流實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的 因此每給一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距 在精度要求不高的情況下 沒有必要加入位置反饋 3 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 直流電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛的兩種電動(dòng)機(jī) 但兩者的動(dòng)作方式有本質(zhì)上的區(qū)別 直流電動(dòng)機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)連續(xù)且平滑 且本身沒有位置控制能力 要實(shí)現(xiàn)精確的位置控制 必須加入某種形式的位置反饋 構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng) 有時(shí) 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)還有速度要求 所以還要加入速度反饋 一般直流電動(dòng)機(jī)和位置反饋 速度反饋形成一個(gè)整體 即通常所說的直流伺服電機(jī) 由于采用閉環(huán)伺服控制 所以能實(shí)現(xiàn)平滑的控制和產(chǎn)生大的力矩當(dāng)今大部分機(jī)器人都采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié) 但它們也有一些缺點(diǎn) 如轉(zhuǎn)速不能太高近年來 新發(fā)展起來的無刷直 交 流伺服電動(dòng)機(jī)克服了上述缺點(diǎn) 并保留了直流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 因此無刷電動(dòng)機(jī)逐漸取代了直流伺服電動(dòng)機(jī) 4 無刷直 交 流伺服電動(dòng)機(jī) 原理由圖可見 轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵組成 定子有繞組線圈 可以通過機(jī)殼把繞組熱量散發(fā)出去 因此 同功率的無刷電動(dòng)機(jī)體積質(zhì)量比較直流伺服電動(dòng)機(jī)小得多 或者說同體積電動(dòng)機(jī) 無刷電動(dòng)機(jī)功率遠(yuǎn)大于直流電動(dòng)機(jī) 像直流電動(dòng)機(jī)一樣 無刷電動(dòng)機(jī)也需要有繞組電流的換向功能 但不是由機(jī)械式換向器實(shí)現(xiàn) 由于組接到外部的驅(qū)動(dòng)電路上 驅(qū)動(dòng)電路可以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息利用電子開關(guān)來改變流向電樞的電流方向 無刷電動(dòng)機(jī)分類 梯形波電動(dòng)機(jī)和正弦波電動(dòng)機(jī) 前者也稱為直流無刷電動(dòng)機(jī) DCbrushless 后者稱為交流無刷電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)直流無刷電動(dòng)機(jī) 梯形波電機(jī) 從無刷電動(dòng)機(jī)原理可以知道 它的繞組數(shù)僅2 3個(gè) 2或3相 這數(shù)目遠(yuǎn)小于直流有刷伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組數(shù)目 因此如何減小無刷電動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 是一個(gè)關(guān)鍵性問題 通過無刷電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流幅值越大 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大 為減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 限止電流幅值 而呈平頂狀 如圖6 3l所示 由梯形波代替正弦波來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路 但為進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng) 這種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)要有速度負(fù)反饋環(huán) 這樣通過速度負(fù)反饋的作用使轉(zhuǎn)速平穩(wěn) 正弦波電動(dòng)機(jī) 交流無刷伺服電動(dòng)機(jī) 顧名思義 它是由正弦波電流驅(qū)動(dòng)的 對(duì)三相情況 電流相位差120 而且這三相電流是隨轉(zhuǎn)子位置不同而不同的 也就是說 轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)需更精確 驅(qū)動(dòng)電路也比梯形波電動(dòng)機(jī)的更復(fù)雜 但卻代表著無刷電動(dòng)機(jī)最高水平 因?yàn)樗鼙３趾愣ㄞD(zhuǎn)矩輸出 2 4 3伺服電機(jī)的選定和傳動(dòng)比的確定 1 初選電機(jī)首先電機(jī)必須能夠提供負(fù)載所需要的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如果要求電機(jī)在峰值下以峰值轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)負(fù)載 則電機(jī)功率可按下式估算 電機(jī)功率 W負(fù)載峰值力矩負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速傳動(dòng)裝置的效率 初步估算時(shí)取 0 7 O 9 當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)地工作在變載荷之下時(shí) 比較合理的是按負(fù)載均方根功率估算電機(jī)功率估算Pm后就可選取電機(jī) 使其額定功率P 滿足下式 負(fù)載均方根力矩N m負(fù)載均方根轉(zhuǎn)速 rad S 2 發(fā)熱校核 在一定轉(zhuǎn)速下 負(fù)載的均方根力矩是與伺服電機(jī)處于連續(xù)工作時(shí)的熱定額相對(duì)應(yīng)的 為校核發(fā)熱 要求電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩滿足下式 電機(jī)的發(fā)熱量主要來自銅耗它在時(shí)間T內(nèi)產(chǎn)生的熱量Qe 3 轉(zhuǎn)矩過載校核 轉(zhuǎn)矩過載校核的公式為 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 4 總傳動(dòng)比的選擇 電機(jī)要克服的負(fù)載力矩有兩種典型情況 一種是峰值力矩 它對(duì)應(yīng)于電機(jī)最嚴(yán)重的工作情況 一般在機(jī)器人