第7章_工業(yè)機(jī)器人

1、第七章 工業(yè)機(jī)器人教學(xué)目的及要求教學(xué)目的及要求 了解工業(yè)機(jī)器人的定義、分類和組成，了解工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)。 了解工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)控制技術(shù) 了解機(jī)器人的視覺及機(jī)器人的智能 第一節(jié) 概述1. 工業(yè)機(jī)器人的定義 美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)：“機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多自由度的操作機(jī)，用于搬運(yùn)材料、工件、工具的專用裝置。” 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)：機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。 中國(guó)：機(jī)器人是一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。2. 工業(yè)機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人一般由

2、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。工業(yè)機(jī)器人的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。 1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種具有和人手臂相似的動(dòng)作功能?？稍诳臻g抓放物體或執(zhí)行其他操作的機(jī)械裝置，通常包括機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。 (1) 機(jī)座：機(jī)器人承受載荷的基礎(chǔ)部件?？煞譃楣潭ㄊ胶鸵苿?dòng)式(平移和旋轉(zhuǎn))。旋轉(zhuǎn)的機(jī)座也稱“腰”。 (2) 手臂：分為大臂、小臂和手腕，完成各種動(dòng)作。 (3) 手腕：連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用來調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。 (4) 末端執(zhí)行器：又稱“手”，是直接執(zhí)行工作的裝置，可以是擬人的手掌、手指和夾持器等，也可以是各種作業(yè)工具，如焊槍、噴漆槍等。 2) 控制系統(tǒng) 控制工業(yè)機(jī)器人按照

3、規(guī)定要求動(dòng)作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。多采用計(jì)算機(jī)控制。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按內(nèi)部功能劃分的不同，可細(xì)分為： 決策級(jí)：識(shí)別環(huán)境、建立模型、任務(wù)分解。 策略級(jí)：按關(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，將動(dòng)作轉(zhuǎn)化為各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，傳遞給伺服控制系統(tǒng)。 執(zhí)行級(jí)：按給定指令執(zhí)行動(dòng)作。 3) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 按照控制指令，放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。 常用的有：機(jī)械、液壓、氣動(dòng)和電氣四種。 機(jī)器人的組成視頻3. 工業(yè)機(jī)器人的分類 1) 按坐標(biāo)形式分 (1) 直角坐標(biāo)式 執(zhí)行器通過沿三個(gè)互相垂直的軸線移動(dòng)改變位置，機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)都是移動(dòng)關(guān)節(jié)。 位置精度高，控制無耦合，簡(jiǎn)單可靠 結(jié)構(gòu)龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差

4、 (2) 圓柱坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、升降和伸縮，亦即具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。 通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊 機(jī)器人腰轉(zhuǎn)時(shí)將手臂縮回，減少了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 受結(jié)構(gòu)限制，手臂不能抵達(dá)底部，減少了工作范圍 (3) 球面坐標(biāo)式(極坐標(biāo)式) 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。 結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，工作范圍大，占地面積小，控制系統(tǒng)復(fù)雜。 (4) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 主要由立柱、大臂和小臂組成，形成腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)。 工作范圍大、動(dòng)作靈活，但位置精度低，控制有復(fù)雜的耦合問題。水平多關(guān)節(jié)型垂直方向上的剛性好，適于裝配工作垂直多關(guān)節(jié)動(dòng)作范圍寬；結(jié)構(gòu)剛度低；精度較

5、低；裝配、搬運(yùn)、弧焊、噴涂、點(diǎn)焊等 2) 按控制方式分 (1) 點(diǎn)位控制(Point to Point) 運(yùn)動(dòng)是連接兩點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng)，關(guān)心的是末端執(zhí)行器在兩個(gè)給定點(diǎn)的位置精度和姿態(tài)，具體運(yùn)動(dòng)軌跡如何、運(yùn)動(dòng)時(shí)執(zhí)行器的姿態(tài)并不是重點(diǎn)。 控制方式簡(jiǎn)單，適用于上下料、點(diǎn)焊等作業(yè)。 (2) 連續(xù)軌跡控制(Continuous Path) 運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間內(nèi)的任意連續(xù)曲線，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人和末端執(zhí)行器均處于可控制狀態(tài)。 3) 按驅(qū)動(dòng)方式分 (1) 液壓驅(qū)動(dòng) 精度高，反應(yīng)速度快，輸出力或力矩大 液壓機(jī)構(gòu)維護(hù)復(fù)雜，成本高 (2) 氣壓驅(qū)動(dòng) 由氣動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受空

6、氣可壓縮性影響，穩(wěn)定性差，定位精度低，抓取力小 (3) 電力驅(qū)動(dòng) 能完成高速運(yùn)動(dòng)，具有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)少，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已基本普及。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī) 4) 按信息輸入方式分 (1) 人工操作機(jī)械手 (2) 固定程序機(jī)器人 (3) 可變程序機(jī)器人 (4) 程序控制機(jī)器人 (5) 示教再現(xiàn)機(jī)器人 示教記憶再現(xiàn) (6) 智能機(jī)器人 具有發(fā)現(xiàn)問題并能自主解決問題的能力 機(jī)器人的分類視頻1 機(jī)器人的分類視頻24. 工業(yè)機(jī)器人的用途與發(fā)展 用于一切可替代人操作的場(chǎng)合，尤其是勞動(dòng)強(qiáng)度大、重復(fù)性高、環(huán)境惡劣的地方。 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、科研 1)焊接：主要是指利用機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)焊

7、和弧焊。 點(diǎn)焊時(shí)要求機(jī)器人手腕握持焊接工具準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)所要求的焊點(diǎn)，焊槍不與部件的其它部位接觸。通常，這些機(jī)器人所夾持的焊接工具大而重，同時(shí)還要求機(jī)器人有一個(gè)比較大的活動(dòng)范圍。 弧焊是對(duì)材料進(jìn)行連續(xù)焊接，焊接前首先要將復(fù)雜的運(yùn)行軌跡示教給機(jī)器人，在需要處理較寬的焊縫時(shí)，可以編程使機(jī)器人作編織狀的橫擺運(yùn)動(dòng)。汽車工業(yè)運(yùn)用這種類型的機(jī)器人最多。本田車廠焊接機(jī)器人 三維激光切割與焊接 2) 噴漆：噴漆易引發(fā)火災(zāi)，同時(shí)有害于身體健康，因此，噴漆作業(yè)是機(jī)器人特有的用途。使用噴漆機(jī)器人的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是涂層比人工噴涂的更加均勻。 機(jī)器人噴漆視頻 機(jī)器人噴脫模劑視頻 3) 磨削：利用工業(yè)機(jī)器人對(duì)焊縫或工作表面進(jìn)行磨

8、削。 機(jī)器人磨刀視頻 機(jī)器人磨削汽車變速箱零件視頻 機(jī)器人拋光視頻1 機(jī)器人拋光視頻2 4) 零部件裝卸和傳送：常用于生產(chǎn)線上。將零件從一個(gè)位置移至工作區(qū)的另一個(gè)位置，有碼放和卸貨兩種操作，或在金屬加工中，將零件從一個(gè)工作區(qū)送至另一個(gè)工作區(qū)。下頁圖表示用機(jī)器人傳送鍛造毛坯的工作流程： 進(jìn)料器將工件送至A點(diǎn)機(jī)器人R1將工件送至B點(diǎn)涂膜并轉(zhuǎn)至C點(diǎn)機(jī)器人R1將工件送至D點(diǎn)（干燥臺(tái)）并旋轉(zhuǎn)至E點(diǎn)正好干燥大機(jī)器人將工件從E移至F點(diǎn)（加熱轉(zhuǎn)臺(tái)）旋轉(zhuǎn)一周至G點(diǎn)從G點(diǎn)至H點(diǎn)鍛打機(jī)器人R2將加工好的工件料箱或傳送帶上。自動(dòng)鍛造工作站示意圖 5) 其他應(yīng)用 水下機(jī)器人：用于海底礦物探測(cè)、打撈沉船、在海上或干式船塢

9、中修理船舶等。 軍用機(jī)器人：海軍和空軍對(duì)移動(dòng)式消防機(jī)器人感興趣，由于配有紅外傳感器，在緊急關(guān)頭，能夠作出比人更快的反應(yīng)。還有裝炮彈機(jī)器人等。 發(fā)電廠機(jī)器人：在核發(fā)電廠，由于核燃料有放射作用，很多工作更適合于機(jī)器人操作。如：給活動(dòng)篩附屬裝置上潤(rùn)滑油；閥門密封件的檢修等。 家用機(jī)器人： 組裝機(jī)器人： 自動(dòng)工廠中的機(jī)器人：機(jī)器人的未來用途是成為全自動(dòng)化工廠或加工車間的一個(gè)組成部分工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展： 提高速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占地面積 部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化 使用新型結(jié)構(gòu) 開發(fā)各種新型傳感檢測(cè)設(shè)備 發(fā)展人工智能的推理和決策技術(shù)第二節(jié) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)1. 手部(末端執(zhí)行器) 工業(yè)機(jī)器人的手部也叫

10、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工作。 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：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：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。 (2) 手部是末端操作器 可以具有手指，也可以不具有手指手指；可以有手爪，也可以是專用工具工具。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

11、之間的協(xié)調(diào)控制。末端操作器圖例(2) (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：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：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)。 2) 手部的設(shè)計(jì)要求手部的設(shè)計(jì)要求 具有足夠的夾持力。具有足夠的夾持力。 保證適當(dāng)?shù)膴A持精度保證適當(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

12、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)量等來綜合考慮。 智能化手部還應(yīng)配有相應(yīng)的傳感器智能化手部還應(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 3) 手部的構(gòu)成 主要有手指、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：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。 抓住抓住：在給定的目標(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

13、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?。捍_保工件在搬運(yùn)過程中或零件裝配過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：工具：進(jìn)行作業(yè)的專用工具。工件的定位和夾緊F(2) 按夾持方式分 外夾式外夾式 手部與被夾件的外表面相接觸。 內(nèi)撐式內(nèi)撐式 手部與工件的內(nèi)表面相接觸。 內(nèi)外夾持式內(nèi)外夾持式 手部與工件的內(nèi)、外表面相接觸。夾持方式圖例 (3) 按手爪的運(yùn)動(dòng)形式分按手爪的運(yùn)動(dòng)形式分 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型 當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(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)型平動(dòng)型 手指由平行四桿

14、機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時(shí)，手指姿態(tài)不變，作平動(dòng)。 平移型平移型 當(dāng)手爪夾緊和松開工件時(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。回轉(zhuǎn)型圖例壓縮彈簧拉伸彈簧平動(dòng)型圖例平移型圖例該絲桿的螺紋具有什么特點(diǎn)？此時(shí)手部是張開還是合攏？ (4) 按夾持原理分按夾持原理分 手指式：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：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。 5) 典型結(jié)構(gòu) (1) 機(jī)械式手爪結(jié)構(gòu) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)： 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

15、動(dòng) 其它四種機(jī)械式手爪機(jī)構(gòu)氣動(dòng)手爪圖例問題：1、分析手部的運(yùn)動(dòng)。2、手部作的是什么類型運(yùn)動(dòng)？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 (2) 電磁吸盤 電磁吸盤的結(jié)構(gòu)：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：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 放開工件： 線圈斷電磁吸力消失工件落位 適用范圍：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。

16、適合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會(huì)消失。電磁吸盤圖例 (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處真空吸盤控制系統(tǒng)圖例1Y2Y真空吸盤結(jié)構(gòu)圖例 (4) 自適應(yīng)吸盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 該吸盤具有一個(gè)球關(guān)節(jié)，使吸盤能傾斜自如，適應(yīng)工件表面傾角的變化。 (5) 異形吸盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 可用來吸附雞蛋、錐頸瓶等物件。擴(kuò)大了真空吸盤在機(jī)器人上的應(yīng)用。 (6) 噴氣式吸盤 工作原理：工作原理： 壓縮空氣進(jìn)入噴嘴后，利用伯努

17、利效應(yīng)，當(dāng)壓縮空氣剛進(jìn)入時(shí)，由于噴嘴口逐漸縮小，致使氣流速度逐漸增加。當(dāng)管路截面收縮到最小處時(shí)，氣流速度達(dá)到臨界速度，然后噴嘴管路的截面逐漸增加，使與橡膠皮碗相連的吸氣口處，造成很高的氣流速度而形成負(fù)壓。 應(yīng)用：應(yīng)用： 在工廠一般都有空壓站，噴氣式吸盤在工廠得到廣泛的應(yīng)用。噴氣式吸盤圖例 (7) 擠氣式吸盤主要構(gòu)成：主要構(gòu)成：吸盤架、壓蓋、密封墊、吸盤工作原理：工作原理：擠氣式吸盤工作原理圖 6) 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：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。 (2) 設(shè)有檢測(cè)開關(guān)的手爪

18、裝置工作原理：工作原理： 手爪裝有限位開關(guān)5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的過程中，限位開關(guān)檢測(cè)手爪與工件的相對(duì)位置。當(dāng)工件接觸限位開關(guān)時(shí)發(fā)信號(hào)，汽缸通過連桿3驅(qū)動(dòng)指爪夾緊工件。 (3) 上料吸盤A (4) 上料吸盤B2. 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人常用驅(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級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈

19、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 排氣有噪聲無無應(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3. 工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來將原動(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)器人各種必要的運(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)、

20、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 1) 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)最常用，包括： 圓柱齒輪傳動(dòng)：直/斜齒，內(nèi)/外嚙合，齒輪齒條 圓錐齒輪傳動(dòng)：直齒、曲齒 交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng) 蝸輪蝸桿傳動(dòng) 準(zhǔn)雙曲面齒輪傳動(dòng) 行星齒輪減速機(jī)構(gòu) 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。RV減速器工作原理圖 2) 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

21、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。 滑動(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。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)物圖靜壓螺旋傳動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 3) 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。4. 工業(yè)

22、機(jī)器人的手臂 手臂用來調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器在空間的位置，或把物料、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)。 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用來連接手臂與機(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。 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。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)。 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)器人中常

23、用。 本形式位置精度高，但應(yīng)注意加強(qiáng)手臂剛度和選擇緊湊的減速裝置。 移動(dòng)關(guān)節(jié)由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和直線導(dǎo)軌組成。在工業(yè)機(jī)器人中，為滿足高速、高精度要求，常采用緊湊、低價(jià)的滾動(dòng)導(dǎo)軌。 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖直線滾動(dòng)導(dǎo)軌產(chǎn)品5. 工業(yè)機(jī)器人的手腕 手腕位于手臂末端，用來支撐末端執(zhí)行器并調(diào)整其姿態(tài)。 一般手腕由多個(gè)同軸回轉(zhuǎn)副(R)或銷軸回轉(zhuǎn)副(B)的關(guān)節(jié)組成。手腕按自由度分類，可分為單回轉(zhuǎn)、雙回轉(zhuǎn)、三回轉(zhuǎn)三種。常見的雙回轉(zhuǎn)副配置形式有B-R和R-B；三回轉(zhuǎn)副的配置形式有B-B-R，B-R-R，R-B-R，R-R-R，R-B-B五種。 三回轉(zhuǎn)手腕結(jié)構(gòu)形式有偏置結(jié)構(gòu)和球腕結(jié)構(gòu)兩類。前者手腕各關(guān)節(jié)軸作相對(duì)偏置，

24、這在計(jì)算控制上較為復(fù)雜；后者手腕各關(guān)節(jié)軸線相交于一點(diǎn)，這在運(yùn)動(dòng)分析和計(jì)算時(shí)，可等效于一高副球腕結(jié)構(gòu)處理。手腕自由度配置形式手腕結(jié)構(gòu)實(shí)例6. 機(jī)身與行走機(jī)構(gòu) 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)由三大部分構(gòu)成：機(jī)身、手臂(含手腕)、手部。其中機(jī)身又稱立柱，是支承臂部的部件。同時(shí)，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人必須有一個(gè)便于安裝的基礎(chǔ)部件，這就是機(jī)器人的基座，基座往往與機(jī)身做成一體。有些機(jī)器人需要行走，機(jī)身下面還會(huì)安裝有行走機(jī)構(gòu)。 1) 機(jī)身 (1) 機(jī)身的自由度 機(jī)身往往具有升降、回轉(zhuǎn)及俯仰三個(gè)自由度。 (2) 機(jī)身的運(yùn)動(dòng) 由上面三個(gè)自由度可以組合成機(jī)身五種運(yùn)動(dòng)形式。分別是：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；升降運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)升降運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)俯仰運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)升降

25、運(yùn)動(dòng)俯仰運(yùn)動(dòng)。 (3) 各種坐標(biāo)類型機(jī)身運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人：圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人： 這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)通常具有三個(gè)自由度：一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(腰轉(zhuǎn))及兩個(gè)直線移動(dòng)(升降運(yùn)動(dòng)及手臂伸縮運(yùn)動(dòng))。腰轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)通常由機(jī)身來實(shí)現(xiàn)。球面坐標(biāo)式機(jī)器人：球面坐標(biāo)式機(jī)器人： 這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)通常具有三個(gè)自由度：繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))、繞水平軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(俯仰運(yùn)動(dòng))及手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。通常把回轉(zhuǎn)及俯仰運(yùn)動(dòng)歸屬于機(jī)身。關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人：關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人： 這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)的三個(gè)自由度均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成機(jī)器人的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)和偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通常僅把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為機(jī)身。直角坐標(biāo)式機(jī)

26、器人：直角坐標(biāo)式機(jī)器人： 這種類型的機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度且都是直線運(yùn)動(dòng)。通常把升降運(yùn)動(dòng)或水平移動(dòng)的自由度歸為機(jī)身部分。鏈輪液壓缸機(jī)構(gòu)圖例問題：要使立柱作大于360的旋轉(zhuǎn)，對(duì)活塞的行程有什么要求？每個(gè)液壓缸只有一個(gè)油口?；剞D(zhuǎn)與俯仰機(jī)身 機(jī)器人手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用活塞缸與連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。手臂俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接好，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方法與立柱連接?；剞D(zhuǎn)與俯仰機(jī)身圖例 2) 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu) (1) 行走機(jī)構(gòu)的構(gòu)成 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)通常由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、位置檢測(cè)裝置、傳感器、電纜和管路等構(gòu)成。 (2) 行走機(jī)構(gòu)的分類 按運(yùn)行軌跡分：按運(yùn)行軌跡

27、分： 分為固定軌跡式和無固定軌跡式兩種。固定軌跡式主要用于工業(yè)機(jī)器人。 按行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)分：按行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)分： 對(duì)于無固定軌跡機(jī)器人，可分為輪式、履帶式和步行式等。前兩者與地面連續(xù)接觸，后者與地面為間斷接觸。 (3) 固定軌道式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人機(jī)身底座，安裝在一個(gè)可移動(dòng)的拖板上，依靠絲桿螺母副的運(yùn)動(dòng)將來自電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。 (4) 車輪式行走機(jī)器人 分類： 車輪式行走機(jī)器人通常有三輪、四輪、六輪之分。它們或有驅(qū)動(dòng)輪和自位輪，或有驅(qū)動(dòng)輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，用來轉(zhuǎn)彎。 適用范圍： 最適合平地行走，不能跨越高度，不能爬樓梯。三輪行走機(jī)器人圖例三輪行走機(jī)器人結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)構(gòu)成：構(gòu)成：三個(gè)車輪

28、、轉(zhuǎn)向叉、驅(qū)動(dòng)裝置等。驅(qū)動(dòng)方案驅(qū)動(dòng)方案： 電機(jī)5驅(qū)動(dòng)輪1：通過V1、V2的不同速度控制小車的移動(dòng)方向，同時(shí)，轉(zhuǎn)向叉3自動(dòng)地轉(zhuǎn)向正確的方向。此時(shí)輪2受到地面的摩擦而滾動(dòng)。 電機(jī)6驅(qū)動(dòng)輪2：由電機(jī)6驅(qū)動(dòng)，小車的方向由專用電機(jī)7驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向叉實(shí)現(xiàn)。此時(shí)輪1自由滾動(dòng)。缺陷：缺陷：施加在角落的力容易產(chǎn)生使機(jī)器人翻倒，對(duì)負(fù)載有一定的限制。四輪行走機(jī)器人 (5) 履帶式行走機(jī)器人 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺(tái)階。 沒有自位輪，依靠左右兩個(gè)履帶的速度差轉(zhuǎn)彎，會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)彎阻力大，且不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑。履帶式行走機(jī)器人圖例A履帶式行走機(jī)器人圖例B (6) 腳踏行

29、走機(jī)器人 腳踏行走機(jī)器人即步行機(jī)器人，典型特征是不僅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越溝壑，上下臺(tái)階，具有廣泛的適應(yīng)性。主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)是機(jī)器人跨步時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)移重心而保持平衡的問題。兩足步行機(jī)器人圖例控制特點(diǎn)：控制特點(diǎn)： 使機(jī)器人的重心經(jīng)常在接地的腳掌上，一邊不斷取得準(zhǔn)靜態(tài)平衡，一邊穩(wěn)定的步行。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 為了能變換方向和上下臺(tái)階，一定要具備多自由度。兩足步行機(jī)器人圖例主要構(gòu)成：主要構(gòu)成： 1-框架 2-大腿 3-小腿 4-腳 5-肩 6-肘 7-手 8-液壓缸兩足步行機(jī)器人視頻四足機(jī)器人圖例A特點(diǎn)：特點(diǎn)： 四足機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下是穩(wěn)定的，具有很高的實(shí)用性。 四足機(jī)器人步行時(shí)，

30、一只腳抬起，三只腳支撐自重，這時(shí)有必要移動(dòng)身體，讓重心落在三只腳接地點(diǎn)組成的三角形內(nèi)。四足機(jī)器人圖例B四足機(jī)器人圖例C (7) 其它行走機(jī)器人 爬壁機(jī)器人 車輪和腳混合式機(jī)器人其它行走機(jī)器人圖例第三節(jié) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)1. 概述 控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中樞，負(fù)責(zé)對(duì)作業(yè)指令、內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)行處理，并依據(jù)預(yù)定的本體模型、環(huán)境模型和控制程序做出決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)，按確定的順序、軌跡、速度和加速度運(yùn)動(dòng)，完成制定的任務(wù)。 機(jī)器人控制系統(tǒng)不僅要考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，還要考慮動(dòng)力學(xué)因素，是一個(gè)多變量耦合系統(tǒng)，特殊、復(fù)雜。 目前，機(jī)器人控制器是一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的高性能控制器，并且控制軸數(shù)日益增多，體積減小，價(jià)格走低，并實(shí)現(xiàn)了軟件控制和數(shù)字控制，系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)。2. 分類 1) 按控制運(yùn)動(dòng)方式：關(guān)節(jié)運(yùn)