智能制造裝備設計與故障診斷課件第4章-工業(yè)機器人基礎

智能制造裝備設計與故障診斷第四章

工業(yè)機器人基礎CONTENTS章節(jié)目錄4.2核心零部件設計4.3工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)4.4工業(yè)機器人控制系統(tǒng)工業(yè)機器人整體方案4.1我國國家標準GB/T12643—90將工業(yè)機器人定義為“是一種能自動控制、可重復編程、多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。自20世紀60年代初機器人問世以來，工業(yè)機器人的應用范圍逐步擴大，在汽車、電子等工業(yè)領域已作出了實質性的貢獻和成果，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）提高工廠自動化水平工業(yè)機器人的應用有利于提高材料的輸送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。（2）改善勞動條件在高溫、高壓、有毒或粉塵、噪音等惡劣的工作環(huán)境中，工業(yè)機器人可代替人類安全地完成作業(yè)任務，大幅度改善工人的勞動條件。（3）降低生產成本工業(yè)機器人可大量代替現(xiàn)有的簡單重復性工作，減少生產人力成本。同時，工業(yè)機器人的工作效率高、工作時間長，可大幅度提高工廠生產效率，降低生產時間成本。目前，由于工業(yè)機器人具有重復精度高、可靠性好、適用性強等優(yōu)點，已廣泛應用于汽車、機械、電子、物流等行業(yè)，如在自動化生產線上的垛碼機器人、包裝機器人、轉線機器人等；在汽車生產線上的焊接機器人等。4.1One工業(yè)機器人整體方案工業(yè)機器人是應用于工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機械裝置，能夠自動執(zhí)行工作指令，靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)預期功能的裝置。它既可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的指令程序運行，現(xiàn)代智能工業(yè)機器人還可以根據人工智能技術制定的原則和綱領作業(yè)，達到智能處理作業(yè)的水平。一般情況下，工業(yè)機器人應該具有四個特征：＊特定的機械結構；＊從事各種工作的通用性能；＊具有感知、學習、計算、決策等不同程度的智能；＊相對獨立性。4.1.1工業(yè)機器人系統(tǒng)組成工業(yè)機器人主要由操作機（或稱機器人本體）、控制器、示教器等幾部分組成。工業(yè)機器人的機械結構部分稱為操作機。它由機座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。即由手臂機構和手腕機構組成?？刂破魇歉鶕噶钜约皞鞲行畔⒖刂茩C器人完成一定動作或作業(yè)任務的裝置，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。示教器也稱示教編程器或示教盒，外觀主要由液晶屏幕和操作按鍵組成，可由操作者手持移動。它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都可以通過示教器來完成。4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

工業(yè)機器人的設計與大多數(shù)機器設計過程相同，在進行工業(yè)機器人選型設計之前，首先要對工業(yè)機器人的作業(yè)目的、功能需求、作業(yè)空間和生產條件等做出規(guī)劃，然后由機器人技術參數(shù)可選擇機器人機械結構和坐標形式，這是機器人機械結構設計的基礎。工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)有自由度、精度、作業(yè)范圍、最大工作速度和承載能力等。機器人技術參數(shù)作業(yè)目的功能需求作業(yè)空間生產條件自由度精度作業(yè)范圍最大工作速度承載能力機器人機械結構和坐標形式4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

（1）自由度自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目。在機器人機構中，兩相鄰的連桿之間有一個公共的軸線，兩桿之間可以沿該軸線相對移動或繞該軸線相對轉動，構成一個運動副，即稱為關節(jié)。機器人的機械結構是通過關節(jié)將一些桿件（或稱連桿）連接起來，常見的為二元關節(jié)，即一個關節(jié)只與兩個連桿相連接。1）轉動關節(jié)：通常用字母R表示，它允許兩相鄰連桿繞關節(jié)軸線作相對轉動，轉角為θ，該關節(jié)自由度數(shù)目為1。2）移動關節(jié)：通常用字母P表示，它允許兩相鄰連桿沿關節(jié)軸線作相對移動，移動距離為d，該關節(jié)自由度數(shù)目為1。3）球面關節(jié)：通常用字母S表示，它允許兩相鄰連桿之間有三個獨立的相對轉動，該關節(jié)自由度數(shù)目為3。4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

（1）自由度按機構學理論，在三維空間中有n個完全不受約束的物體，并且任選其中一個為固定參照物，因每個物體相對參照物都有六個運動自由度，則n個物體相對參照物共有6（n－1）個運動自由度。如將所有連桿（物體）用關節(jié)連接起來，設第i個關節(jié)的約束為ui（即該關節(jié)限制的自由度數(shù)目），如果所有連桿之間的關節(jié)數(shù)目為g，則該機構的運動自由度為：或寫成：其中：，為第i個關節(jié)的自由度數(shù)目。4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

自由度計算：例：如圖所示機器人的自由度包括機座在內，共有7個連桿，6個關節(jié)，每個關節(jié)只有一個自由度。將n=7，g=6，fi=1帶入公式，得：M=6(7－6－1)+6＝6。4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

（1）自由度常見的工業(yè)機器人為串聯(lián)機器人，串聯(lián)機器中常用轉動關節(jié)R和移動關節(jié)P兩種單自由度關節(jié)，因此它的一個自由度對應一個關節(jié)，所以自由度數(shù)目與關節(jié)數(shù)目總是相等的，即六軸機器人（六關節(jié)機器人）的自由度數(shù)為6，四軸機器人（四關節(jié)機器人）的自由度數(shù)為4。自由度是反應機器人動作靈活程度的參數(shù)，自由度數(shù)目越多，機器人靈活性就越大，但相應的結構也就越復雜，系統(tǒng)控制也越困難，所以在設計機器人自由度參數(shù)時，需根據機器人用途合理選擇。？人的手臂（不含手指）有幾個自由度4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

（2）精度工業(yè)機器人精度往往指的是定位精度與重復定位精度兩個精度指標。定位精度是指機器人末端執(zhí)行器的實際位置與目標位置之間的偏差，它是由于受機器人的機械誤差、控制算法與系統(tǒng)分辨率等參數(shù)影響產生。重復定位精度是指在同一環(huán)境、同一條件、同一目標動作、同一命令下，機器人連續(xù)重復運動若干次，每一次的運動目標位置分布情況，是一個關于位姿精度的統(tǒng)計數(shù)據。4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

（3）作業(yè)范圍作業(yè)范圍是指機器人運動時手臂末端或手腕中心所能達到的區(qū)域范圍，也稱為工作區(qū)域。由于末端執(zhí)行器的結構形狀和尺寸大小根據作業(yè)內容的不同而有很大區(qū)別，因此為反應機器人特征參數(shù)的真實性，工業(yè)機器人作業(yè)范圍通常指的是未安裝末端執(zhí)行器時的工作區(qū)域。作業(yè)范圍的大小不僅與機器人各臂桿的長度相關，也與機器人總體結構布局相關。廣數(shù)RB-504.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

（4）最大工作速度機器人最大工作速度一般是指手臂末端最大的合成速度。最大工作速度越大，機器人能夠達到的工作效率就越高。但同時，工作速度越高，機器人作業(yè)軌跡中需要的加速和減速時間越長，或者對機器人最大加速效率或最大減速效率的要求就越高。4.1.2工業(yè)機器人的基本技術參數(shù)

（5）承載能力承載能力是指機器人高速運行時，在作業(yè)范圍內的任何位姿上所能承受的最大負載。承載能力不僅取決于負載的質量，而且與機器人的運行速度、加速度的大小和方向均相關。設計機器人承載能力時，不僅需要考慮工作負載質量，還要計算機器人末端執(zhí)行器的質量。工業(yè)機器人的承載能力是根據結構工藝裝備的基本組成和各種不同質量的零部件分布情況決定的。若機器人采用多手臂結構，機器人參數(shù)設計時不僅要設計計算總成長在能力，還需計算出各手臂的承載能力。4.1.3工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人的分類方式很多，可以按機械結構、操作機坐標形式、程序輸入方式和運動控制方式等進行分類。4.1.3工業(yè)機器人的分類（1）按機械結構分類1）串聯(lián)機器人：串聯(lián)機器人其串聯(lián)式結構是一個開放的運動鏈，其所有運動桿并沒有形成一個封閉的結構鏈。串聯(lián)機器人的工作空間大，運動分析比較容易可以避免驅動軸之間的耦合效應。但其機構各軸必須要獨立控制，并且需要搭配編碼器和傳感器來提高機構運動時的精準度。其一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點，如六關節(jié)機器人。4.1.3工業(yè)機器人的分類2）并聯(lián)機器人：并聯(lián)機器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機器人在應用上構成互補關系，它是一個封閉的運動鏈。并聯(lián)機器人不易產生動態(tài)誤差，無誤差積累精度較高。且結構緊湊穩(wěn)定，輸出軸大部分承受軸向力，機器剛性高，承載能力大。但并聯(lián)機器人在位置求解上正解比較困難，而反解容易。常見的并聯(lián)機器人如圖所示。4.1.3工業(yè)機器人的分類（2）按操作機坐標形式分類1）圓柱坐標型：主要由垂直柱子、水平移動關節(jié)和底座構成。水平移動關節(jié)裝在垂直柱子上，能自由伸縮，并可沿垂直柱子上下運動。垂直柱子安裝在底座上，并與水平移動關節(jié)一起繞底座轉動，這種機器人的工作空間就形成一個圓柱面。圓柱坐標型機器人的臂部可作升降、回轉和伸縮動作。示意圖rxθ柱面坐標機器人—Versatranxθr4.1.3工業(yè)機器人的分類2）球坐標型：這種機器人像坦克的炮塔一樣，機械手能夠做里外伸縮移動、在垂直平面內擺動以及繞底座在水平面內轉動。因此，這種機器人的工作空間形成球面的一部分，稱為球面坐標機器人。球坐標型機器人的臂部能回轉、俯仰和伸縮。rθβ示意圖θβr球面坐標機器人—Unimate4.1.3工業(yè)機器人的分類3）多關節(jié)型：這種機器人主要由底座、大臂和小臂構成。大臂和小臂可在通過底座的垂直平面內運動。大臂和小臂間的關節(jié)稱為肘關節(jié)，大臂和底座間的關節(jié)稱為肩關節(jié)。在水平平面上的旋轉運動，既可由肩關節(jié)完成，也可以繞底座旋轉來實現(xiàn)。這種機器人與人的手臂非常類似，稱為關節(jié)式機器人。運動耦合性強，控制較復雜，但運動靈活性最好，自身占據空間最小。多關節(jié)型機器人的臂部有多個轉動關節(jié)。θ1θ2θ3θ4θ5θ6EDUBOT-PUMA560αθφ示意圖4.1.3工業(yè)機器人的分類4）平面關節(jié)型：在一個平面上，有兩個平行旋轉關節(jié)工作的機器人。平面關節(jié)型機器人的軸線相互平行,實現(xiàn)平面內定位和定向。EDUBOT-PUMA5604.1.3工業(yè)機器人的分類5）直角坐標型：直角坐標型機器人的臂部可沿三個直角坐標移動。EDUBOT-PUMA560yxzxzyEDUBOT-直角坐標機器人示意圖4.1.3工業(yè)機器人的分類（3）按程序輸入方式分類1）編程輸入型機器人：編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過串口或者以太網等通信方式傳送到機器人控制柜。2）示教輸入型機器人：示教輸入型的示教方法有兩種，一種是由操作者手動操縱示教盒，將指令信號傳給驅動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構按要求的動作順序和運動軌跡運行。另一種是由操作者直接領動執(zhí)行機構，按要求的動作順序和運動軌跡運行。在示教過程中工作程序的信息將自動存入程序存儲器中，在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅動機構，使執(zhí)行機構再現(xiàn)示教的各種動作。4.1.3工業(yè)機器人的分類（4）按運動控制方式分類1）點位式：只要求能準確地控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的工作位置，而對工作路徑無需求。例如，在印刷電路板上安插元件、點焊、裝配等工作，都屬于點位式控制方式。一般來說，點位式控制比較簡單，但精度較低。4.1.3工業(yè)機器人的分類2）軌跡式：在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求工業(yè)機器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度進行運動。軌跡式控制方式類似于控制原理中的跟蹤系統(tǒng)，可稱之為軌跡伺服控制。4.1.3工業(yè)機器人的分類3）力（力矩）控制方式：在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準確定位之外，還要求使用適度的力或力矩進行工作，這時就要利用力（力矩）伺服方式。這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸人量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。有時也利用接近、滑動等傳感功能進行自適應式控制。4）智能控制方式：工業(yè)機器人的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據自身內部的知識庫做出相應的決策。采用智能控制技術，使工業(yè)機器人具有了較強的環(huán)境適應性及自學習能力。智能控制技術的發(fā)展有賴于近年來人工神經網絡，基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。4.2TWO工業(yè)機器人核心零部件設計工業(yè)機器人本體結構主要包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器等，如圖所示：伺服電機減速器腕關節(jié)小臂肘關節(jié)手腕大臂連接法蘭皮帶傳動腰部肩關節(jié)腰關節(jié)基座▲機器人操作機的每個關節(jié)均采用1個交流伺服馬達驅動關節(jié)型機器人操作機基本構造在設計機器人零部件之前，首先需要分析機器人整體結構特性：（1）工業(yè)機器人本體結構可以簡化成各連桿首尾相接、末端無約束的開式連桿系，連桿系末端自由且無支承，這決定了機器人的結構剛度不高，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。（2）開式連桿系中的每根連桿都具有獨立的驅動器，屬于主動連桿系，連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有依從關系，運動靈活。（3）連桿驅動扭矩的順態(tài)過程在時域中的變化非常復雜，且和執(zhí)行器反饋信號有關。連桿的驅動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。（4）連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。由此可見，機器人本體設計的基本要求為：＊強度高、彈性模量大、重量輕、阻尼大、材料經濟性。工業(yè)機器人本體設計參考材料：（1）碳素結構鋼和合金結構鋼（廣泛采用）（2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料（重量輕）（3）纖維增強合金（較高的E/ρ比）（4）陶瓷（5）纖維增強復合材料（高阻尼）（6）粘彈性大阻尼材料4.2.1基座結構設計基座是工業(yè)機器人的基礎部分，起支承作用，可以分為固定式和行走式兩種，其中固定式基座最為常見，一般工業(yè)機器人中的立柱式、機座式和屈伸式機器人大多是固定式的。行走式機器人基座根據不同的機構特點可分為固定軌跡式、車輪式、履帶式和步行式行走機構。4.2.1基座結構設計（1）固定軌跡式固定軌跡式行走機器人的機身設計成橫梁式，用于懸掛手臂部件，這是工廠中常見的一種配置形式。機器人實現(xiàn)在更廣闊的空間內運動。4.2.1基座結構設計（2）車輪式行走機構車輪式行走機構具有移動平穩(wěn)、能耗小以及容易控制移動速度和方向等優(yōu)點，因此得到普遍的應用，但這些優(yōu)點只能在較為平坦的地面上才能發(fā)揮出來。如圖所示為能夠跨越小臺階的車輪機構機器人。4.2.1基座結構設計（3）履帶式行走機構輪式行走機構在野外或海底工作，遇到松軟地面時可能陷車，故宜采用履帶式行走機構。它是輪式移動機構的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。如圖所示為履帶式行走的工業(yè)機器人。4.2.1基座結構設計（4）步行式行走機構用類似于動物那樣，利用腳部關節(jié)機構，用步行方式，實現(xiàn)移動的機械，稱作步行式行走機構。與運行車式機構相比，步行式行走機構有以下優(yōu)點：1）可以在高低不平的地段上行走；2）由于腳的主動性，身體不隨地面晃動，運動平穩(wěn)；3）在柔軟的地面上運動，效率并不顯著降低。4.2.2手臂機構設計4.2.2.1手臂運動機構分類（1）手臂直線運動機構機器人手臂的伸縮、升降及橫向(或縱向)移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構形式較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲杠螺母機構及活塞缸和連桿機構等。直線往復運動可采用液壓或氣壓驅動的活塞油（氣）缸。由于活塞油（氣）缸的體積小、重量輕，因而在機器人手臂結構中應用比較多。4.2.2手臂機構設計4.2.2.1手臂運動機構分類（1）手臂直線運動機構雙導向桿手臂的伸縮結構如圖所示。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端。當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）做往復直線移動；導向桿3在導向套4內移動，以防手臂伸縮式的轉動（并兼作手腕回轉缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在2根導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單、傳動平穩(wěn)、外形整齊美觀、結構緊湊。4.2.2手臂機構設計4.2.2.1手臂運動機構分類（2）手臂回轉運動機構實現(xiàn)機器人手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構。如圖所示為以齒輪傳動機構中活塞缸和齒輪齒條機構為例的手臂的回轉運動機構。4.2.2手臂機構設計4.2.2.1手臂運動機構分類（3）手臂仰俯運動機構機器人的手臂俯仰運動，一般采用活塞油缸與連桿機構來實現(xiàn)。如圖所示，手臂的俯仰運動用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱聯(lián)接。1-手臂；2-夾緊缸；3-升降缸；4-小劈；5，7-鉸接活塞缸；6-大臂；8-立柱4.2.2手臂機構設計4.2.2.1手臂運動機構分類（4）手臂復合運動機構手臂的復合運動多數(shù)用于動作程序固定不變的專用機器人，它不僅使機器人的傳動結構簡單，而且可簡化驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并使機器人傳動準確、工作可靠，因而在生產中應用的比較多。除手臂實現(xiàn)復合運動外，手腕和手臂的運動亦能組成復合運動。手臂(或手腕)和手臂的復合運動，可以由動力部件(如活塞缸、回轉缸、齒條活塞缸等)與常用機構(如凹槽機構、連桿機構、齒輪機構等)按照手臂的運動軌跡(即路線)或手臂和手腕的動作要求進行組合。4.2.2手臂機構設計4.2.2.1手臂運動機構分類（5）新型的蛇形機械手臂蛇型手臂一般具有高度柔性，可深入裝配結構當中進行均勻涂層，從而增加生產率，適用于在飛機翼盒的組裝探視工作及引擎組裝中進行深度檢測等。4.2.2手臂機構設計4.2.2.2手臂機構設計要求手臂由機器人的動力關節(jié)和連接桿件等構成，手臂有時也包括肘關節(jié)和肩關節(jié)，是機器人執(zhí)行機構中最重要的部件。它的作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。機器人的臂部一般有2～3個自由度，即伸縮、回轉、俯仰或升降。對手臂機構的要求包括：手臂承載能力大、剛性好旦自重輕；手臂運動速度適當，慣性小，動作靈活；手臂位置精度高；通用性強，適應多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調整等。（1）手臂承載能力大、剛性好且自重輕手臂的承載能力及剛性直接影響到手臂抓取工件的能力及動作的平穩(wěn)性、運動速度和定位精度。如承載能力小，則會引起手臂的振動或損壞；剛性差則會在平面內出現(xiàn)彎曲變形或扭轉變形，直至動作無法進行。為此，手臂一般都采用剛性較好的導向桿來加大手臂的剛度，手臂支承、連接件的剛性也有一定的要求，以保證能承受所需要的驅動力。4.2.2手臂機構設計4.2.2.2手臂機構設計要求（2）手臂運動速度適當，慣性小，動作靈活手臂通常要經歷由靜止狀態(tài)到正常運動速度，然后減速到停止不動的運動過程。當手臂自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。對此，手臂運動速度應根據生產節(jié)拍的要求決定，不宜盲目追求高速度。手臂的結構應緊湊小巧，這樣手臂運動便輕快、靈活。為了手臂運動輕快、平穩(wěn)，通常在運動臂上加裝滾動軸承或采用滾珠導軌。對于懸臂式機械手臂，還要考慮零件在手臂上的布置。要計算手臂移動零件時，還應考慮其重量對回轉、升降、支撐中心等部位的偏移力矩。（3）手臂位置精度高機械手臂要獲得較高的位置精度，除采用先進的控制方法外，在結構上還注意以下幾個問題：①機械手臂的剛度、偏移力矩、慣性力及緩沖效果均對手臂的位置精度產生直接影響；②需要加設定位裝置及行程檢測機構；③合理選擇機械手臂的坐標形式。4.2.2手臂機構設計4.2.2.2手臂機構設計要求（4）設計合理，工藝性好上述對手臂機構的要求，有時是相互矛盾的。如剛性好、載重大時，其結構往往粗大、導向桿也多，會增加手臂自重；如當轉動慣量增加時，沖擊力大，位置精度便降低。因此，在設計手臂時，應該根據手臂抓取重量、自由度數(shù)、工作范圍、運動速度及機器人的整體布局和工作條件等各種因素綜合考慮，以達到動作準確、結構合理，從而保證手臂的快速動作及位置精度。4.2.2手臂機構設計4.2.2.3手臂機構設計流程手臂的多種運動通常由驅動裝置、各種傳動裝置、導向定位裝置、支承連接件和位置檢測元件等來實現(xiàn)，因此它受力比較復雜，其自重較大。由于手臂直接承受腕部、手部及被抓取工件的靜、動載荷；尤其是高速運動時，將產生較大的慣性力，易引起沖擊及影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結構的剛度和強度。對此，機器人手臂結構必須根據機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須要考慮到手臂的受力情況、驅動裝置及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此，手臂機構設計流程的內容包括運動性能、力學特性、機械結構、精度要求、詳細設計、驗證與修改等。4.2.2手臂機構設計4.2.2.3手臂機構設計流程（1）方案制定明確手臂機構在機器人整機中的作用及位置，制定手臂機構的方案。按照抓取工件的要求，機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。（2）運動性能及參數(shù)根據機器人的目標運動性能及參數(shù)，繪制手臂機構的傳動鏈和運動原理簡圖。（3）力學特性根據臂部的受力情況分析，可知手臂的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機器人的工作性能。針對機器人手臂機構的設計對象，制定滿足其結構的力學特性與參數(shù)。對手臂機構的關鍵零部件應進行強度、剛度、穩(wěn)定性等計算。4.2.2手臂機構設計4.2.2.3手臂機構設計流程（4）零部件建模與設計在滿足運動性能計算、力學特性分析的前提下，進行機器人手臂機構的零部件建模與設計。該設計應包括手臂關鍵零件及專用零部件的詳細設計、優(yōu)化設計等。（5）精度要求精度要求與機械手臂的坐標形式有關。如直角坐標式機械手的位置精度較高，其結構和運動都比較簡單、誤差也小?；剞D運動產生的誤差是放大時的尺寸誤差，當轉角位置一定時，手臂伸出越長，其誤差越大。關節(jié)式機械手因其結構復雜，手端的定位由各部關節(jié)相互轉角來確定，其誤差是積累誤差，因而精度較差，其位置精度也更難保證。因此合理選擇機械手臂的坐標形式是滿足精度要求的方式之一。在手臂機構的零部件結構設計時，還必須考慮選用件的匹配及零部件間的配合，也包括傳動誤差分析，以滿足精度要求。4.2.2手臂機構設計4.2.2.3手臂機構設計流程（6）上下料節(jié)拍上下料節(jié)拍由上下料需要的時間決定，不同工件設置不同時間的節(jié)拍。（7）詳細設計、驗證與修改在上述基礎上進行手臂機構及全部零部件的詳細設計，驗證手臂機構的運動性能、力學特性及精度要求，修改零件的機械結構，直至滿足各項技術要求。4.2.3手腕機構設計工業(yè)機器人一般需要6個自由度才能使手部達到目標位置并處于期望的姿態(tài)。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸x、y、z的轉動，即具有翻轉、仰俯和偏轉三個自由度，如圖3.14所示。通常也把手腕的翻轉叫做Roll，用R表示；把手腕的仰俯叫做Pitch，用P表示；把手腕的偏轉叫Yaw，用Y表示。4.2.3手腕機構設計4.2.3.1手腕機構的分類手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕、2自由度手腕和3自由度手腕。（1）單自由度手腕如圖所示，圖(a)是一種翻轉(Roll)關節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關節(jié)軸線構成共軸形式。這種R關節(jié)旋轉角度大，可達到360°以上。圖(b)、(c)是一種折曲(Bend)關節(jié)(簡稱B關節(jié))，關節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直。這種B關節(jié)因為受到結構上的干涉，旋轉角度小，大大限制了方向角。圖(d)所示為移動關節(jié)。4.2.3手腕機構設計4.2.3.1手腕機構的分類（2）2自由度手腕如圖所示，2自由度手腕可以由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)組成BR手腕(見圖(a))，也可以由兩個B關節(jié)組成BB手腕(見圖(b))。但是，不能由兩個R關節(jié)組成RR手腕,因為兩個R共軸線，所以退化了一個自由度，實際只構成了單自由度手腕，見圖(c)。4.2.3手腕機構設計4.2.3.1手腕機構的分類（3）3自由度手腕3自由度手腕可以由B關節(jié)和R關節(jié)組成許多種形式。圖(a)所示是通常見到的BBR手腕，使手部具有仰俯、偏轉和翻轉運動，即RPY運動。圖(b)所示是一個B關節(jié)和兩個R關節(jié)組成的BRR手腕，為了不使自由度退化，使手部產生RPY運動,第一個R關節(jié)必須進行如圖所示的偏置。4.2.3手腕機構設計4.2.3.1手腕機構的分類（3）3自由度手腕圖(c)所示是三個R關節(jié)組成的RRR手腕，它也可以實現(xiàn)手部RPY運動。圖(d)所示是BBB手腕，很明顯，它已退化為二自由度手腕，只有PY運動，實際上不采用這種手腕。此外，B關節(jié)和R關節(jié)排列的次序不同，也會產生不同的效果，同時產生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結構緊湊，通常把兩個B關節(jié)安裝在一個十字接頭上，這對于BBR手腕來說，大大減小了手腕縱向尺寸。4.2.3手腕機構設計4.2.3.2手腕機構設計要求手腕是用于支承和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般有2~3個回轉自由度用以調整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。當然，有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。手腕機構的設計要求包括以下幾個部分。（1）手腕要與末端執(zhí)行器相連。對此，應有標準連接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。由于手腕部安裝在手臂的末端，在設計手腕時，應力求減少其重量和體積，結構緊湊。為了減輕手腕部的重量，腕部機構的驅0動器采用分離傳動。腕部驅動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅動，并選用高強度的鋁合金制造。4.2.3手腕機構設計4.2.3.2手腕機構設計要求（2）要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。（3）手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。（4）手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。（5）手腕的自由度數(shù)，應根據實際作業(yè)要求來確定。手腕自由度數(shù)目越多，各關節(jié)的運動角度越大，則手腕部的靈活性越高，對作業(yè)的適應能力也越強。但是，自由度的增加，必然會使腕部結構更復雜，手腕的控制更困難，成本也會增加。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可能少。要具體問題具體分析，考慮機械手的多種布局及運動方案，使用滿足要求的最簡單的方案。4.2.3手腕機構設計4.2.3.3手腕機構設計流程手腕機構設計流程的內容包括運動性能、力學特性、機械結構、精度要求、詳細設計、驗證與修改等。（1）方案制定手腕在操作機的最末端并與手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。制定手腕機構的方案時，應明確手腕機構在機器人整機中的作用及位置。常規(guī)手腕一般安裝在手臂的末端，所以在減輕手臂載荷的同時應力求手腕部件的結構緊湊，減少重量和體積。（2）運動性能及參數(shù)通過繪制機器人手腕機構的傳動鏈或運動原理簡圖，可保證機器人的手腕和末端操作器能以正確的姿態(tài)抓取工件。4.2.3手腕機構設計4.2.3.3手腕機構設計流程（3）力學特性針對機器人手腕機構的設計對象，制定滿足其結構的力學特性與參數(shù)。對手腕機構的關鍵零部件應進行強度、剛度、穩(wěn)定性等計算。（4）零部件建模與設計在滿足運動性能計算、力學特性分析的前提下進行機器人手腕機構的零部件建模與設計。該設計應包括手腕關鍵零件及專用零部件的詳細設計、優(yōu)化設計等。4.2.3手腕機構設計4.2.3.3手腕機構設計流程（5）精度要求在手腕機構的零部件結構設計時，必須考慮選用件的匹配及零部件間的配合，也包括傳動誤差分析，以滿足精度要求。（6）詳細設計、驗證與修改在上述基礎上進行手腕機構及全部零部件的詳細設計，驗證手腕機構的運動性能、力學特性及精度要求，修改零件的機械結構，直至滿足各項技術要求。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計用在工業(yè)上的機器人的手一般稱之為末端操作器，它是機器人直接用于抓取和握緊專用工具進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類由于被抓取的工件的形狀、尺寸、重量、材質等的不同，手部的結構也是多種多樣的，大部分的末端執(zhí)行器結構是根據特定的工件要求而專門設計的。各種手部的工作原理不同，結構型式各異，大致可分為以下幾類：（1）夾鉗式取料手夾鉗式取料手由手指(手爪)和驅動機構、傳動機構及連接與支承元件組成，如圖所示。它通過手指的開、合實現(xiàn)對物體的夾持。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計（1）夾鉗式取料手一般的鉗爪式手部由手指、傳動機構、驅動裝置三部分組成。此外，還有連接和支撐元件，以及實現(xiàn)手部與機器人的腕部的連接。1）手指手指是直接與工件接觸的部件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。機器人的手部一般有兩個手指，也有三個、四個或五個手指，其結構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性，最常見的為V型指如圖所示。對于夾鉗式手部，其手指材料可選用一般碳素鋼和合金結構鋼。（a）固定V型（b）滾柱V型（c）自定位式V型4.2.4末端執(zhí)行器機構設計（1）夾鉗式取料手2）傳動機構傳動機構是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構。該機構根據手指開合的動作特點分為回轉型和平移型。夾鉗式手部中較多的是回轉型手部，其手指就是一對（或幾對）杠桿，再同斜楔、滑槽、連桿、齒輪、蝸輪蝸桿或螺桿等機構組成復合式杠桿傳動機構，來改變傳力比、傳動比及運動方向等?；剞D型又分為單支點回轉和多支點回轉。根據手爪夾緊是擺動還是平動，又可分為擺動回轉型和平動回轉型。平移型夾鉗式手部是通過手指的指面作直線往復運動或平面移動來實現(xiàn)張開或閉合動作的，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體等）。其結構較復雜，不如回轉型應用廣泛。平移型傳動機構據其結構，大致可分平面平行移動機構和直線往復移動機構兩種類型。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計（1）夾鉗式取料手3）驅動裝置驅動裝置是指向傳動機構提供動力的裝置。按驅動方式不同有液壓、氣動、電動和機械驅動之分。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（2）吸附式取料手吸附式取料手靠吸附力取料，根據吸附力的不同分為氣吸附式、擠壓排氣吸附式和磁吸附式取料手三種。吸附式取料手適應于大平面、易碎(玻璃、磁盤)、微小的物體，因此使用面較廣。1）氣吸附式取料手氣吸式手部是工業(yè)機器人常用的一種吸持工件的裝置。它由吸盤（一個或幾個）、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成。1-橡膠吸盤；2-固定環(huán)；3-墊片；4-支承桿；5-基板；6-螺母4.2.4末端執(zhí)行器機構設計（2）吸附式取料手1）氣吸附式取料手氣吸附式取料手具有結構簡單、重量輕、使用方便可靠等優(yōu)點。廣泛應用于非金屬材料（如板材、紙張、玻璃等物體）或不可有剩磁的材料的吸附。氣吸式手部的另一個特點是對工件表面沒有損傷，且對被吸持工件預定的位置精度要求不高；但要求工件上與吸盤接觸部位光滑平整、清潔，被吸工件材質致密，沒有透氣空隙。氣吸式手部是利用吸盤內的壓力與大氣壓之間的壓力差而工作的。按形成壓力差的方法，可分為真空氣吸、氣流負壓氣吸、擠壓排氣負壓氣吸。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計（2）吸附式取料手2）擠壓排氣吸附式取料手工作原理為：取料時吸盤壓緊物體，橡膠吸盤變形，擠出腔內多余的空氣，取料手上升，靠橡膠吸盤的恢復力形成負壓，將物體吸住。釋放時，壓下拉桿3，使吸盤腔與大氣相連通而失去負壓。該取料手結構簡單，但吸附力小，吸附狀態(tài)不易長期保持。1-橡膠吸盤；2-彈簧；3-拉桿4.2.4末端執(zhí)行器機構設計（2）吸附式取料手3）磁吸附磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產生的磁力來吸附工件的，其應用較廣。磁吸式手部與氣吸式手部相同，不會破壞被吸收表面質量。磁吸收式手部比氣吸收式手部優(yōu)越的方面是：有較大的單位面積吸力，對工件表面粗糙度及通孔、溝槽等無特殊要求。磁吸附式取料手是利用電磁鐵通電后產生的電磁吸力取料，因此只能對鐵磁物體起作用，但是對某些不允許有剩磁的零件禁止使用，所以磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（3）專用操作器及轉換器1）專用末端操作器機器人是一種通用性很強的自動化設備，可根據作業(yè)要求完成各種動作，再配上各種專用的末端操作器后，就能完成各種動作。如圖所示，在通用機器人上安裝焊槍就成為一臺焊接機器人，安裝擰螺母機則成為一臺裝配機器人。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（3）專用操作器及轉換器2）專用轉換器使用一臺通用機器人，要在作業(yè)時能自動更換不同的末端操作器，就需要配置具有快速裝卸功能的換接器。換接器由兩部分組成：換接器插座和換接器插頭分別裝在機器腕部和末端操作器上，能夠實現(xiàn)機器人對末端操作器的快速自動更換。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（4）仿生多指靈巧手目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有2個手指，而且手指上一般沒有關節(jié)。因此取料不能適應物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法滿足對復雜形狀、不同材質的物體實施夾持和操作。為了提高機器人手部和手腕的操作能力、靈活性和快速反應能力，使機器人能像人手一樣進行各種復雜的作業(yè)，就必須有一個運動靈活、動作多樣的靈巧手，即仿生多指靈巧手。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類（4）仿生多指靈巧手1）柔性手為了能對不同外形的物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻，因此研制出了柔性手，如圖所示。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計

4.2.4.1末端執(zhí)行器的分類2）多指靈巧手機器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指靈巧手。多指靈巧手有多個手指，每個手指有3個回轉關節(jié)，每一個關節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此，幾乎人手指能完成的各種復雜動作它都能模仿，如擰螺釘、彈鋼琴、作手勢等動作。在手部配置觸覺、力覺、視覺、溫度傳感器，將會使多指靈巧手達到更完美的程度。多指靈巧手的應用前景十分廣泛，可在各種極限環(huán)境下完成人無法實現(xiàn)的操作，如核工業(yè)領域、宇宙空間作業(yè)，在高溫、高壓、高真空環(huán)境下作業(yè)等。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計

4.2.4.2末端執(zhí)行器設計要求（1）鉗爪式手部的設計要求：應具有足夠的夾緊力；應具有足夠的張開角；應能保證工件的可靠定位；應具有足夠的強度和剛度；應適應被抓取對象的要求；應盡量做到結構緊湊、重量輕、效率高；應具有一定的通用性和可互換性。4.2.4末端執(zhí)行器機構設計

4.2.4.2末端執(zhí)行器設計要求（2）氣吸式手部的設計要素：吸力大小與吸盤的直徑大小，吸盤內的真空度(或負壓大小)以及吸盤的吸附面積的大小有關。工件被吸附表面的形狀和表面不平度也對其有一定的影響，設計時要充分考慮上述各種因素，以保證有足夠的吸附力。應根據被抓取工件的要求確定吸盤的形狀。由于氣吸式手部多吸附薄片狀的工件，故可用耐油橡膠壓制不同尺寸的盤狀吸頭。（3）磁吸式手部的設計要點：應具有足夠的電磁吸引力；應根據被吸附工件的形狀、大小來確定電磁吸盤的形狀、大小，吸盤的吸附面應與工件的被吸附表面形狀一致。4.3Three工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)4.3.1驅動系統(tǒng)分類工業(yè)機器人的驅動可分為液壓、氣動和電動三種基本類型。（1）液壓驅動液壓驅動有以下特點：1）驅動力或驅動力矩大，即功率重量比大，響應速度快，重復精度高，壓力可達20~30MPa(機器人多用0.6~7MPa)。2）液壓缸可直接用作機器人關節(jié)的一部分，實現(xiàn)直接驅動，結構簡單緊湊。3）速度調節(jié)方便易控，可實現(xiàn)平穩(wěn)的無級調速和換向。容易實現(xiàn)自動化。4）液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護方便，使用壽命長。液壓驅動需配置液壓系統(tǒng)，易產生泄漏而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。4.3.1驅動系統(tǒng)分類（2）氣壓驅動氣壓驅動有以下特點：1）氣源方便，氣源系統(tǒng)簡單、清潔無污染。2）壓縮空氣在管路中流速可達100m/s（液壓油流速只有5m/s），所以作業(yè)速度快。3）與液壓相比，氣壓工作壓力低，通常為0.4~0.6MPa。氣動系統(tǒng)體積大，由于空氣可壓縮，因而運動平穩(wěn)差，工作時噪聲大，位置精度低。一般用于小負荷機器人。4.3.1驅動系統(tǒng)分類（3）電力驅動功率在1KW以下的工業(yè)機器人多采用電力驅動。電力驅動可分為普通交、直流電動機驅動，交、直流伺服電動機驅動和步進電動機驅動。普通交、直流電動機驅動需加減速裝置，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。伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對較小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于要求嚴格的中小型機器人。交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)。下表為各種驅動方式及特點：驅動方式特點輸出力控制性能維修性能結構體積使用范圍制造成本氣壓驅動氣壓壓力低，輸出力較小氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU連接，精確定位困難維修方便體積較大能在高溫、粉塵等惡劣環(huán)境中使用，泄露無影響。應用于中小型機器人結構簡單，能源方便，成本低液壓驅動壓力高，可獲得大的輸出力油液壓縮性小，壓力、流量均容易控制，可無極調速，反應靈敏維修方便與氣壓驅動方式相比較小可用于中小型機器人，重型機器人多為液壓驅動液壓元件成本較高，油路復雜電力驅動異步電動機、直流電動機輸出力較大慣性大，不易精確定位維修方便需要減速裝置，體積較大適用于速度低、承載大的工業(yè)機器人成本低步進或伺服電動機輸出力較小或較大易與CPU連接，控制性能好，響應快，可精確定位，但控制系統(tǒng)復雜維修使用較復雜體積較小可用于程序復雜、運動軌跡要求嚴格的工業(yè)機器人成本較高4.4four工業(yè)機器人控制系統(tǒng)4.4.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本功能

機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下：（1）記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。（2）示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。（3）與外圍設備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。（4）坐標設置功能：有關節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。（5）人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。（6）傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。4.4.1工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本功能

（7）位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)?。?）故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。4.4.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成（1）控制計算機：控制系統(tǒng)的調度指揮機構。一般為微型機、微處理器有32位、64位等如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。（2）示教盒：示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。（3）操作面板：由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構成，只完成基本功能操作。（4）硬盤和軟盤存儲存：儲機器人工作程序的外圍存儲器。（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出：各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。（6）打印機接口：記錄需要輸出的各種信息。（7）傳感器接口：用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。4.4.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成（8）軸控制器：完成機器人各關節(jié)位置、速度和加速度控制。（9）輔助設備控制：用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。（10）通信接口：實現(xiàn)機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。（11）網絡接口1）Ethernet接口：可通過以太網實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信，數(shù)據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過E