機器人第二章 機器人機構(gòu)學課件

第二章機器人機構(gòu)學第一節(jié)概述第二節(jié)機身和臂部機構(gòu)第三節(jié)手腕部機構(gòu)第四節(jié)行走部機構(gòu)第五節(jié)

機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動、傳動機構(gòu)第六節(jié)機器人的各種性能指標第七節(jié)并聯(lián)機器人機器人第二章機器人機構(gòu)學第一節(jié)概述1機器人機構(gòu)的分類2機器人機構(gòu)的運動3機器人工作空間機器人第二章機器人機構(gòu)學

直角坐標型

圓柱坐標型

球坐標型

關(guān)節(jié)型圖1四種坐標機器人第一節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學

沿著三個互相垂直的軸線移動來改變手部的空間位置。其前三關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)（PPP）運動形式如圖：1）直角坐標型機器人1、機器人機構(gòu)的分類機器人第二章機器人機構(gòu)學

該類操作機是通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動（RPP）來實現(xiàn)手部的空間位置的變化，運動形式如圖所示：2）圓柱坐標型機器人機器人第二章機器人機構(gòu)學

該類操作機用兩個轉(zhuǎn)動和一個移動（RRP）來改變手部的空間位置，運動形式如圖所示：3）球坐標型機器人機器人第二章機器人機構(gòu)學

這類操作機是模擬人的上臂而構(gòu)成的。它的前三個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（RRR），運動形式如圖所示：4）關(guān)節(jié)型機器人機器人第二章機器人機構(gòu)學2、機器人機構(gòu)的運動

1）機器人的運動自由度①運動自由度的定義②以自由度分類的機器人③自由度的分布機器人第二章機器人機構(gòu)學機器人自由度的定義定義：用來確定手部相對于機身位置的每個獨立變化的參數(shù)，稱為機器人的自由度。機器人第二章機器人機構(gòu)學以自由度分類的機器人

任一自由的空間物體，須有六個自由度描述其在空間的位置和姿態(tài)，三個正交移動軸，決定物體的位置；三個繞坐標軸的轉(zhuǎn)動，決定物體的姿態(tài)變化。

稱六個自由度機器人為滿自由度機器人，少于六個自由度機器人為欠自由度機器人，多于六個自由度機器人為冗余自由度機器人。第一節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學自由度的分布

一般機器人的機身和手臂構(gòu)成前三個關(guān)節(jié)，具有三個自由度，可確定手部在空間的位置，所構(gòu)成的機構(gòu)稱位置機構(gòu)；

手腕和手部構(gòu)成后三個關(guān)節(jié)，具有三個自由度，可確定手部在空間的姿態(tài)，所構(gòu)成的機構(gòu)稱之為姿態(tài)機構(gòu)。

位置機構(gòu)確定機器人的空間工作范圍，其運動稱為

主運動。機器人第二章機器人機構(gòu)學

圖2-3PUMA操作機的各個自由度

1—機座2—腰部3—臂部4—腕部5—手部機器人第二章機器人機構(gòu)學2）機器人的運動范圍指機器人手腕在空間運動圖形及其大小，運動范圍取決于臂部的自由度。機器人第二章機器人機構(gòu)學3）機器人的各種運動形式

（1）直移型：直線運動 L

伸縮運動 E

（2）回轉(zhuǎn)型：扭角運動 T

擺角運動 R第一節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學3、機器人工作空間1）定義：

手腕部坐標系原點PW能在空間活動的最大活動范圍。又稱可達空間，或總工作空間，記W(PW)。

機器人第二章機器人機構(gòu)學2）靈活工作空間靈活工作空間：末端執(zhí)行器可以任意姿態(tài)達到的工作空間，記作WP(P)。

Ⅰ類靈活工作空間以全方位到達，

Ⅱ類靈活工作空間只能以有限個方位到達。次靈活工作空間：總工作空間去掉靈活工作空間的部分，WS(P)。機器人第二章機器人機構(gòu)學3）奇異形位

W(P)總工作空間的邊界點所對應的機器人的位置和姿態(tài)，及機器人工作空間內(nèi)部使機械產(chǎn)生干涉的位置和姿態(tài)。機器人第二章機器人機構(gòu)學

4）兩個基本問題1）正問題：給出某一結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的操作機以及關(guān)節(jié)變量的變化范圍，求工作空間，稱工作空間分析。

2）逆問題：給出某一限定的工作空間，求操作機的結(jié)構(gòu)形式，參數(shù)和關(guān)節(jié)變量的變化范圍，稱工作空間的綜合。機器人第二章機器人機構(gòu)學5）確定工作空間的方法（1）解析法

用數(shù)學模型計算工作空間的邊界（2）圖解法

國標規(guī)定了工作空間的幾何作圖法

①結(jié)構(gòu)限制分析

②畫出工作空間的主剖面（xoz剖面）

③畫出工作空間的俯視剖面（xoy剖面）機器人第二章機器人機構(gòu)學第二節(jié)機身和臂部機構(gòu)1、機身和臂部的作用2、機身和臂部機構(gòu)設(shè)計的特點3、機身結(jié)構(gòu)4、臂部結(jié)構(gòu)機器人第二章機器人機構(gòu)學1、機身和臂部的作用1）機身定義：機身是連接、支承手臂及行走機構(gòu)的部件

作用：臂部的驅(qū)動裝置或傳動裝置安裝在機身上。

類型：機身有固定式和行走式兩種。2）手臂定義：手臂部件是連接機身和手腕的部件。

作用：支承腕部和手部，帶動手及腕在空間運動。

特點：結(jié)構(gòu)類型多、受力復雜。機器人第二章機器人機構(gòu)學2、機身和臂部機構(gòu)設(shè)計的特點1）剛度：為了得到較高的精度，機器人機身和手臂的機械結(jié)構(gòu)剛度比強度更重要。剛度可分為結(jié)構(gòu)剛度、支承剛度、伺服剛度等。

①根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀與尺寸；

②提高支承剛度和接觸剛度；③合理布置作用力的位置和方向；

機器人第二章機器人機構(gòu)學2）精度：機器人的精度可分為絕對精度和重復定位精度。機器人終端執(zhí)行器（手部）的精度與臂和機身的位置精度密切相關(guān)。影響機器人精度的因素有：

①剛度

②制造和裝配精度

③手腕部在手臂上的連接和定位方式

④運動部件的導向精度機器人第二章機器人機構(gòu)學3）平穩(wěn)性：機身和臂部的運動多、質(zhì)量較大、當負荷大且高速運行時，由于運動狀態(tài)變化，將產(chǎn)生沖擊和振動。應采取有效的緩沖裝置以吸收沖擊能量。

①運動部件力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；

②減少重心布置不當而造成的偏心附加力矩；4）其他：對特殊要求的要有相應措施，如防爆、防塵、防水、防真空、防輻射、防腐蝕等。機器人第二章機器人機構(gòu)學3、機身和臂的配置形式及結(jié)構(gòu)

機身是支承手、臂且?guī)溥\動的部件，由于機器人的運動形式、使用條件、負荷能力各不相同，所采用的驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)、導向裝置亦不同，使機器人機身有很大差異，結(jié)構(gòu)十分復雜。

分類:

1)橫梁式

2)立柱式

3)屈伸式

4)類人型;垂直平面屈伸水平平面屈伸（SCARA）空間屈伸機器人第二章機器人機構(gòu)學4、臂部結(jié)構(gòu)

臂部主要包括臂桿，以及自身屈伸、伸縮、自轉(zhuǎn)等運動有關(guān)的傳動、驅(qū)動、導向定位、支錄、位置檢測元件等，主要結(jié)構(gòu)有：

⑴伸縮型

⑵伸縮與旋轉(zhuǎn)型

⑶屈伸型

⑷彈性手臂

⑸柔性手臂機器人第二章機器人機構(gòu)學第三節(jié)手腕部機構(gòu)1、

概述2、手部機構(gòu)3、腕部機構(gòu)機器人第二章機器人機構(gòu)學1、概述

（1）手部：是最重要的執(zhí)行機械，工業(yè)機器人手部可分為：

1.夾持類

2.吸附類

（2）腕部：

1.完成手部的俯仰，擺動和旋轉(zhuǎn)；

2.智能機器人腕部具有力、力矩傳感器。機器人第二章機器人機構(gòu)學

2、手部機構(gòu)1）夾鉗式手部的組成

手指

傳動機構(gòu)

驅(qū)動裝置機器人第二章機器人機構(gòu)學2）設(shè)計要點①開閉范圍； ②夾緊力； ③定位精度；④結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；⑤通用性和可換性；第三節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學3）手指⑴手指形狀

①V型手指 ③尖、薄、長型手指 ②平面型手指 ④特型手指⑵指面形狀 ①光滑 ③柔性

②齒形⑶手指材料機器人第二章機器人機構(gòu)學4）傳動機構(gòu)⑴設(shè)計要點①傳力比；④傳動效率；②傳動比；⑤精度；③動作范圍；⑵回轉(zhuǎn)型①斜楔杠桿式③連桿杠桿式②滑槽杠桿式④齒輪、齒條杠桿式⑶平移型①平面平行移動機構(gòu)②直線往復移動機構(gòu)第三節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學5）其他結(jié)構(gòu)形式的手部⑴鉤托式⑵彈簧式⑶氣吸式⑷磁吸式⑸撓性第三節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學6）類人機器人手部——關(guān)節(jié)式手指

貝爾格萊德手指第三節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學這是一個典型的類人手指第三節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學3、腕部、關(guān)節(jié)部結(jié)構(gòu)

1）關(guān)節(jié)的作用和分類

⑴作用：關(guān)節(jié)將機器人的各構(gòu)件連接起來，機器人各構(gòu)件間的相對運動，通過驅(qū)動、傳動裝置在各關(guān)節(jié)上實現(xiàn)的。主要有運動傳遞和力傳遞。

⑵分類：旋轉(zhuǎn)型關(guān)節(jié)和直線移動型關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)在機器人中很重要，以下主要討論腕關(guān)節(jié)。第五節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學2）關(guān)節(jié)設(shè)計要點

⑴力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕：關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)、重量、動力載荷直接影響機器人的結(jié)構(gòu)、重量和性能。尤其是腕關(guān)節(jié)，

①處于手臂的末端

②有2-3個自由度和驅(qū)動裝置

③需較大的力矩和盡量輕的重量

⑵綜合考慮，合理布局：

需要考慮強度、剛度、制造、裝配、精度和、控制可靠性。

⑶須考慮腕部的工作條件

如高低溫、腐蝕性、防暴、防塵、防滲。機器人第二章機器人機構(gòu)學3）關(guān)節(jié)部結(jié)構(gòu)⑴單自由度手腕⑵二自由度手腕⑶三自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學⑴單自由度手腕SCARA機器人機器人第二章機器人機構(gòu)學⑵二自由度手腕?r=(?A–

?B)/2?p=(?A+

?B)/2①Pitch-Roll球形二自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學②匯交式兩自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學③偏置式兩自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學⑶三自由度手腕①垂直相交三自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學②匯交型三自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學③球形匯交型三自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學④偏交型三自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學⑤回形偏交型三自由度手腕機器人第二章機器人機構(gòu)學第四節(jié)行走部機構(gòu)1．

概述2．運行車式行走機構(gòu)機器人第二章機器人機構(gòu)學1．概述

機器人可分為固定型和行走型兩種。工業(yè)機器人一般為固定式，而目前在開發(fā)研制的海洋水下機器人，原子能工業(yè)、空間機器人、軍用機器人，都將是可移動的。機器人第二章機器人機構(gòu)學海洋水下機器人核工業(yè)原子能反應唯用機器人空間機器人軍用機器人醫(yī)療福利機器人服務機器人移動式搬運機器人移動式固定式——工業(yè)機器人焊接噴漆上下料機器人機器人第二章機器人機構(gòu)學輪式移動（包括履帶式）機器人步行移動（多足）機器人推進器或噴射式移動機器人可移動機器人驅(qū)動裝置傳動裝置位置檢測傳感器

行走部機構(gòu)包括機器人第二章機器人機構(gòu)學2．運行車式行走機構(gòu)（1）車輪式行走機構(gòu)（2）履帶式行走機構(gòu)（3）步行式行走機構(gòu)機器人第二章機器人機構(gòu)學

（1）車輪式行走機構(gòu)1）車輪式動作穩(wěn)定，自動操縱簡單，在FMS或自動倉庫中作搬運小車用得較多，適合室內(nèi)平地行走。2）車輪式行走機構(gòu)有3輪，4輪，或6輪等3）車輪式行走機構(gòu)采用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)：①采用自位輪和主動輪差動轉(zhuǎn)向?qū)薪嵌日`差。②采用驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪，靜止狀態(tài)阻力大。機器人第二章機器人機構(gòu)學（2）履帶式行走機構(gòu)

履帶式行走機構(gòu)適合于野外作業(yè)，軍用機器人，及各種勘探及探險，適應各種地形，爬坡可達45°，可以爬樓梯。機器人第二章機器人機構(gòu)學（3）步行式行走機構(gòu)1）概述2）四腳和多腳步行機構(gòu)3）腳-車混合行走機構(gòu)4）兩腳步行式行走機構(gòu)機器人第二章機器人機構(gòu)學（1）步行式行走機構(gòu)的優(yōu)點①可在高低不平的地段上行走。②腳的主動性可保持平衡，不隨地面晃動。③在柔軟的地面上運動、效率不顯著降低。1）概述機器人第二章機器人機構(gòu)學（2）動步行與靜步行①靜步行：機器人重心始終落在支持于地面的幾只腳所圈成的多邊形面積內(nèi)。②動步行：有時重心落在支撐面積外，利用重力和慣性力，作為步行的動力，步行速度快、耗能少。（3）腳數(shù)與關(guān)節(jié)自由度數(shù)

步行機器人的腳數(shù)從兩腳到七腳，靜步行須四腳以上，各腳的自由度數(shù)不少于3個。機器人第二章機器人機構(gòu)學2）四腳和多腳步行機構(gòu)

⑴對于四腳以上的步行機構(gòu)，若腳擺動機構(gòu)的速度為V，則腳落地時間與離地時間比ρ為：

β：為腳占定因數(shù)

k：為機器人腳數(shù)故四腳的最大行走速度（靜步行）而六腳的最大行走速度則為機器人第二章機器人機構(gòu)學⑵四腳步行機器人步態(tài)2134213421342134機器人第二章機器人機構(gòu)學3）兩腳步行式行走機構(gòu)1）優(yōu)點：①有最好的適應性，與人類相似的優(yōu)越性。②人類幻想的高級智能機器人的行走機構(gòu)。2）控制：

無論是靜步行或動步行，控制都困難，猶如倒擺①測出各物理量，控制機構(gòu)連桿的相對角②利用腳尖在地面上的反作用力測重心的位置3）靜、動步行第四節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學八自由度兩腳步行機器人步行特征機器人第二章機器人機構(gòu)學八自由度兩腳步行機器人步行特征機器人第二章機器人機構(gòu)學第五節(jié)機器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動、傳動機構(gòu)1、機器人的驅(qū)動機構(gòu)2、機器人的傳動機構(gòu)機器人第二章機器人機構(gòu)學1.機器人的驅(qū)動機構(gòu)

驅(qū)動裝置是使機器人各部件動作的動力源，目前常見的有：

（1）液壓驅(qū)動

（2）氣壓驅(qū)動

（3）電機驅(qū)動（4）其他驅(qū)動方式機器人第二章機器人機構(gòu)學（1）液壓驅(qū)動

1）液壓驅(qū)動：是高壓油作為工作介質(zhì)，推動直線或旋轉(zhuǎn)的油缸進行工作的,在一個液壓驅(qū)動系統(tǒng)中其主要的部件如下：

①直線液壓缸：在高壓油的作用下，可作直線往復運動，

②擺動缸：在高壓油的作用下可產(chǎn)生一定角度的擺動。

③電液伺服閥：可精確地控制油路的開關(guān)、并可控制供油量的大小，以便對液壓缸進行精確的控制，并可以根據(jù)位置傳感器和速度傳感器反饋的信號進行閉環(huán)控制。

2)

應用：

目前在負荷較大的搬運機器人和噴涂機器人應用較多。機器人第二章機器人機構(gòu)學（2）氣壓驅(qū)動

在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的，在工業(yè)中應用很廣，其組成與液壓驅(qū)動相似?？梢杂脵C械的檔次實現(xiàn)點到點的控制，并能達到較高的精度,雖然達到高精度的伺服控制較難，但目前已經(jīng)用微處理機直接控制的氣動馬達，定位精度在1mm。在機器人中主要用于各種氣動手爪，以及小型機器人的驅(qū)動。第五節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學（3）電機驅(qū)動電動驅(qū)動在機器人中的應用可以分成三種：直流電機組成伺服控制系統(tǒng)；交流（或）無刷直流電機組成伺服控制系統(tǒng)；步進電機驅(qū)動的開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。

機器人第二章機器人機構(gòu)學（4）其他驅(qū)動方式①氣囊式人工肌肉②形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動器③壓電晶體驅(qū)動器機器人第二章機器人機構(gòu)學（5）驅(qū)動方式的選擇

機器人驅(qū)動器要求啟動力矩大、調(diào)速范圍寬、慣量小

①選擇驅(qū)動方式：負荷為2000N以下采用電動驅(qū)動方式小功率點位控制采用氣動驅(qū)動方式大功率大力矩采用液壓驅(qū)動方式②選擇驅(qū)動器容量：額定速度時的額定功率關(guān)節(jié)加減速時加速功率最不利形位時的負載力矩機器人第二章機器人機構(gòu)學2.機器人的傳動機構(gòu)1）常用傳動機構(gòu)類型和特點(1)齒輪類傳動：主要有齒輪、蝸輪蝸桿、齒輪齒條

優(yōu)點：響應快、扭矩大、剛性好缺點：傳動有間隙、故回差大，精度低應用：腰、腕關(guān)節(jié)(2)鏈索類傳動：主要有鏈條、齒形帶、鋼帶優(yōu)點：無間隙、剛度與張緊裝置有關(guān)，力矩較大缺點：速比小，齒形帶和鋼帶適用于小負載應用：腕關(guān)節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學2)滾珠絲杠螺母副

使絲杠與螺母之間由滑動摩擦度為滾動摩擦的一種螺旋轉(zhuǎn)動在數(shù)控機床和機器人中應用較為廣泛。(1)結(jié)構(gòu)組成：

滾珠絲杠螺母副可分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。為消除回差，螺母分成兩段，采用雙螺母預緊消除間隙的方式，以墊片、鎖緊螺母、齒差調(diào)整兩段螺母的相對位置。(2)特點：摩擦系數(shù)小且動靜摩擦系數(shù)差小，效率高且逆?zhèn)鲃有室哺?，靈敏度高、傳動平移、磨損小、壽命長。機器人第二章機器人機構(gòu)學3)諧波齒輪減速器(1)原理和結(jié)構(gòu)三大基本構(gòu)件：剛輪、柔輪、波發(fā)生器剛輪固定時減速比：剛輪固定時減速比：Zb：柔輪齒數(shù)

Zg

：剛輪齒數(shù)機器人第二章機器人機構(gòu)學(2)特點：優(yōu)點：傳動比大，單級可為50～300，兩級可達

20000。傳動平穩(wěn)，承載力高。多齒嚙合磨損小，傳動效率可達0.85，傳動精度高?；夭钚。话憧尚∮?，實現(xiàn)無回差傳動。缺點：杯式柔輪剛度較低。機器人第二章機器人機構(gòu)學4)RV擺線針輪傳動(1)工作原理：由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線輪減速器組合而成。(2)特點：除了諧波傳動優(yōu)點外，最顯著的特點是剛性好。機器人第二章機器人機構(gòu)學

第六節(jié)機器人的規(guī)格及主要性能指標1.有關(guān)負荷方面的性能指標：(1)

額定負荷：在正常運行條件下施加到手腕部的最大負荷的容許值，包括末端執(zhí)行器、附件和慣性力。(2)限定負荷：機器人機構(gòu)部分不發(fā)生破壞或不出故障時手腕外所能承受的最大負荷。(3)最大推力和最大扭矩：指單軸的最大推力或最大扭矩機器人第二章機器人機構(gòu)學2.有關(guān)運動方面的性能指標(1)

自由度(2)單軸最大工作范圍和工作速度(3)合成速度：表現(xiàn)為手腕中心的線速度機器人第二章機器人機構(gòu)學3.有關(guān)幾何空間方面的性能指標(1)工作空間(2)靈活度：表示機器人在工作空間各點抓取物體的靈活程度。用末桿位姿圖最能直觀而準確地表示這一特點。第六節(jié)機器人第二章機器人機構(gòu)學4.有關(guān)精度方面的性能指標(1)位姿精度(2)距離精度(3)軌跡精度前三項統(tǒng)稱定位精度(4)位置重復精度機器人第二章機器人機構(gòu)學5.有關(guān)動力源和控制方面的性能指標(1)驅(qū)動方式：(2)控制方式：開環(huán)、閉環(huán)、點位、連續(xù)軌跡(3)計算機容量(4)插補方式(5)編程方式(6)分辨率：指操作機各軸可有效反應的最小