機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用導(dǎo)論 課件 第二章 機(jī)器人結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)

《機(jī)器人學(xué)及其應(yīng)用—導(dǎo)論》第二章機(jī)器人結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)陶永

北京航空航天大學(xué)

提綱123機(jī)器人的性能

機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)由連桿、關(guān)節(jié)等部分組成。PUMA560機(jī)器人一、機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)連桿描述

工業(yè)機(jī)器人可以看成由一系列剛體通過(guò)關(guān)節(jié)連接而成的一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈，我們將這些剛體稱為連桿。通過(guò)關(guān)節(jié)將兩個(gè)相鄰的連桿連接起來(lái)。一、機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)：連桿定義：連桿機(jī)構(gòu)（LinkageMechanism）又稱低副機(jī)構(gòu)，是機(jī)械的組成部分中的一類，指由若干（兩個(gè)以上）有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副）聯(lián)接組成的機(jī)構(gòu)。組成類型：平面連桿機(jī)構(gòu)；空間連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：面接觸、承載大、便于潤(rùn)滑、不易磨損，形狀簡(jiǎn)單、易加工、容易獲得較高的制造精度；改變桿的相對(duì)長(zhǎng)度，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同；兩構(gòu)件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來(lái)維系的，它不像凸輪機(jī)構(gòu)有時(shí)需利用彈簧等力封閉來(lái)保持接觸；連桿曲線豐富，可滿足不同要求。缺點(diǎn)：構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副多，累積誤差大、運(yùn)動(dòng)精度低、效率低；產(chǎn)生動(dòng)載荷（慣性力），且不易平衡，不適合高速；設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的軌跡。生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等平面連桿結(jié)構(gòu)圖空間連桿結(jié)構(gòu)圖連桿描述當(dāng)兩個(gè)剛體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)平面之間的相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，連接相鄰兩個(gè)剛體的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。下圖所示為六種常用的低副關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)類型（低副）1.轉(zhuǎn)動(dòng)副2.移動(dòng)副3.圓柱副4.平面副5.螺旋副6.球面副連桿描述從操作臂的固定基座開始為連桿進(jìn)行編號(hào)，可以稱固定基座為連桿0。第一個(gè)可動(dòng)連桿為連桿1，以此類推，操作臂最末端的連桿為連桿n。7一、機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)是各桿件間的結(jié)合部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副；

由于機(jī)器人的種類很多，其功能要求不同，關(guān)節(jié)的配置和傳動(dòng)系統(tǒng)的形式都不同。機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成連桿體由三部分構(gòu)成：與活塞銷連接的部分稱連桿小頭；與曲軸連接的部分稱連桿大頭；連接小頭與大頭的桿部稱連桿桿身。連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過(guò)量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。一、機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)9機(jī)器人的結(jié)構(gòu)(TheStructureofRobot)機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置、傳感器和控制器四大部分構(gòu)成。記憶、示教裝置控制裝置驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置傳感器工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)10執(zhí)行機(jī)構(gòu)：機(jī)器人的足、腿、手、臂、腰及關(guān)節(jié)等，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和完成某項(xiàng)任務(wù)所必不可少的組成部分。驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)裝置：用來(lái)有效地驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置，通常采用液壓、電動(dòng)和氣動(dòng)，有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)二種方式。傳感器：是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的工具，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力覺、滑覺和接近覺傳感器等，它們的功能相當(dāng)于人的眼、耳、鼻、皮膚及筋骨。控制器：是機(jī)器人的核心，它負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和各種動(dòng)作控制及對(duì)環(huán)境的識(shí)別。

一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)（1）控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人的“大腦”它通過(guò)各種控制電路硬件和軟件的結(jié)合來(lái)操縱機(jī)器人，并協(xié)調(diào)機(jī)器人與生產(chǎn)系統(tǒng)中其他設(shè)備的關(guān)系。（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)操作機(jī)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的裝置，也就是機(jī)器人的動(dòng)力裝置，機(jī)器人使用的動(dòng)力源有：壓縮空氣、壓力油和電能。（3）工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體

是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是用來(lái)完成各種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)械。（4）末端執(zhí)行器

工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器是指連接在操作機(jī)腕部的直接用于作業(yè)的機(jī)構(gòu)，他可能適用于抓取搬運(yùn)的手部（爪），也可能適用于噴漆的噴槍，或用于焊接的焊槍、焊鉗，或打磨用的砂輪以及檢查用的測(cè)量工具等。工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成傳感器：機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不僅需要人們對(duì)它輸入指令，在很多情況下也需要機(jī)器人具有自我感知外界條件變化，并做出正確反應(yīng)的能力?，F(xiàn)在比較成熟的是攝像頭、顏色、聽力與電子羅盤等來(lái)作為機(jī)器人的傳感器，而最前沿的技術(shù)則是環(huán)境感知技術(shù)，其中有一點(diǎn)就是機(jī)器人可以感應(yīng)人類的腦電波。機(jī)器人關(guān)節(jié)實(shí)例仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)新一代串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)提綱123機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的性能

機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)齒輪減速器蝸輪蝸桿減速器諧波減速器行星減速器減速器是一種由封閉在剛性殼體內(nèi)的齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、齒輪-蝸桿傳動(dòng)所組成的獨(dú)立部件，常用作原動(dòng)件與工作機(jī)之間的減速傳動(dòng)裝置。減速器15

傳動(dòng)裝置二、機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)在原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，在現(xiàn)代機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛！驅(qū)動(dòng)裝置——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：也叫感應(yīng)式、磁滯式或磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：通常電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵(lì)磁繞組，定、轉(zhuǎn)子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)：也叫永磁反應(yīng)式、永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。其定子和四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有區(qū)別，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。16二、機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置——無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。17二、機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)主體無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。驅(qū)動(dòng)裝置——伺服驅(qū)動(dòng)器二、機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器的作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)。

一般是通過(guò)位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位，目前是傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)剖視圖伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器廣泛應(yīng)用于機(jī)床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線等對(duì)工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對(duì)較高的設(shè)備。串聯(lián)機(jī)器人：19二、機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)操作手是較早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人。機(jī)器人操作手開始出現(xiàn)時(shí)，是由剛度很大的桿通過(guò)關(guān)節(jié)連接起來(lái)的。PUMA型機(jī)器人Stanford型機(jī)器人二、機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人：并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可定義為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)并聯(lián)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：無(wú)累積誤差，精度較高驅(qū)動(dòng)裝置可置于定平臺(tái)上或接近定平臺(tái)的位置，這樣運(yùn)動(dòng)部分重量輕，速度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大完全對(duì)稱的并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有較好的各向同性工作空間較小提綱123機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳動(dòng)

機(jī)器人的性能

機(jī)器人的重要組件：電源、執(zhí)行器、電動(dòng)機(jī)、致動(dòng)器，另外還有氣動(dòng)人工肌肉、記憶合金、壓電電機(jī)等可以提高機(jī)器人性能的組件。電源和能量存儲(chǔ)：供電方式可分為電纜供電和電池供電，電纜供電一般用于工業(yè)機(jī)器人，電池供電可選擇鉛酸蓄電池、鋰電池等。執(zhí)行器：執(zhí)行器之于機(jī)器人，相當(dāng)于肌肉之于人。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪是最常見的執(zhí)行器（比如航模中的舵機(jī)也是一種執(zhí)行器）。氣泵、電力直驅(qū)與化學(xué)能也是發(fā)展中的驅(qū)動(dòng)器。電動(dòng)機(jī)：在電機(jī)的選擇上，一般的會(huì)采用直流電機(jī)。高端的也會(huì)選擇無(wú)刷直流電機(jī)（工業(yè)機(jī)器人有可能使用交流電機(jī)）。機(jī)器人組件的性能與選擇線性致動(dòng)器：很多人看到“線性致動(dòng)器”的時(shí)候很陌生，其實(shí)光驅(qū)或者DVD播放機(jī)，按下開倉(cāng)鍵，光盤架自動(dòng)伸出或收回的動(dòng)作就是依靠線性致動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，完成拾升動(dòng)作，線性致動(dòng)器是個(gè)不錯(cuò)的方式。彈性致動(dòng)器：對(duì)行走機(jī)器人而言，行走機(jī)械如果以非常硬朗的方式觸地，對(duì)機(jī)身容易造成損害，而且很容易摔倒。如果在驅(qū)動(dòng)部分加入彈性致動(dòng)器，就能緩沖這種震動(dòng)，而它的功能更像是汽車的懸架。氣動(dòng)人工肌肉：利用一種特殊的纖維編織成囊狀，然后利用空氣的壓縮與釋放來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到與人體肌肉極為相似的運(yùn)動(dòng)效果。相比傳統(tǒng)機(jī)器人通過(guò)舵機(jī)控制手指，氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)手指的力度就會(huì)更加溫柔，可以拿起雞蛋這樣脆弱的物品。機(jī)器人組件的性能與選擇形狀記憶合金：形狀記憶合金一般通過(guò)加熱來(lái)恢復(fù)原狀。一些小型機(jī)器人由于無(wú)法容納彈性致動(dòng)器就會(huì)使用到這種技術(shù)。電活性聚合物：電活性聚合物，是指只要對(duì)其施加上電場(chǎng)，材料的大小就會(huì)發(fā)生改變。壓電電機(jī)：用壓電材料做成電機(jī)，然后再用超聲波來(lái)提供機(jī)械壓力，就得到一種超低功耗而且很靜音的馬達(dá)。在機(jī)器人領(lǐng)域，月球機(jī)器人就會(huì)使用超聲波馬達(dá)，這是因?yàn)檫@種馬達(dá)如果不施加機(jī)械力，其轉(zhuǎn)軸就會(huì)鎖死，從而不需要花費(fèi)電力用于車輪鎖止系統(tǒng)，加上其能耗極低，所以成為月面機(jī)器人的最佳驅(qū)動(dòng)力來(lái)源。碳納米管同體積條件下碳納米管比鋼的強(qiáng)度要大100倍，但其質(zhì)量卻不到鋼的15%，如果將其用來(lái)做纖維并編織成人工肌肉，可以儲(chǔ)備的彈性勢(shì)能將非常強(qiáng)大。機(jī)器人組件的性能與選擇機(jī)器人性能指標(biāo)速度加速度自由度分辨率與精度三、機(jī)器人的性能PUMA260機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖位姿精度機(jī)器人性能演示錄像三、機(jī)器人的性能ABB工業(yè)機(jī)器人高精度運(yùn)動(dòng)控制ibot公司智能輪椅精確控制機(jī)械臂類型自由度最大工作范圍(mm)重量(kg)載荷(kg)載重比重復(fù)精度(mm)末端速度(m/s)柔順性Barret710002540.16±0.103.00NoKRAgilus6R70067065060.12±0.032.00NoLWAPowerball670012.560.48±0.06NoLWAPA10793035100.286±0.101.55NoSIA5F75593050.167±0.06NoVS-6577G-B68543670.194±0.038.20NoLBRiiwa7R800780022.370.314±0.10YesUR5685018.450