1_西北工業(yè)大學機械原理課件ch13

1、*第十三章工業(yè)機器人機構及其設計13-113-213-313-413-5概述工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術指標機器人操作機的運動分析機器人操作機的靜力和動力分析(沒有內(nèi)容)工業(yè)機器人操作機機構的設計返回13-1概述機器人是近40年來發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機器人是機器人的一個重要分支，它的特點是可通過編程完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器人各自的優(yōu)點，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應性，機器作業(yè)的準確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國民經(jīng)濟各個領域中具有廣闊的應用前景。機器人技術涉及力學、機械學、電氣液壓技術、自控技術、傳感技術和計算機等學科領域，是一門跨學科

2、綜合技術。而機器人機構學乃是機器人的主要基礎理論和關鍵技術，也是現(xiàn)代機械原理研究的主要內(nèi)容。工業(yè)機器人的應用實例：焊接作業(yè)裝配作業(yè)清洗作業(yè)搬運作業(yè)13-2工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術指標1工業(yè)機器人及操作機工業(yè)機器人是一種能自動控制并可重新編程予以變動的多功能機器。它有多個自由度，可用來搬運物料、零件和握持工具， 以完成各種不同的作業(yè)。（1）工業(yè)機器人的組成驅(qū)動電機控制裝置執(zhí)行機構傳動機構機器人本體部分5自由度焊接機器人齒輪傳動同步帶傳動工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術指標(2/5)1） 工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構、驅(qū)動-傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及智能系統(tǒng)部分組成。2） 機器人各部分關系 控制系統(tǒng)

3、智能系統(tǒng)3）機器人各部分功能執(zhí)行機構是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分。通常為開式空間連桿機構。位行檢工作系統(tǒng)測驅(qū)動-傳執(zhí)行動機構機構工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術指標(3/5)驅(qū)動-傳動機構由驅(qū)動器和傳動機構組成。 傳動有機械式、電氣式、液壓式、氣動式和復合式等。而驅(qū)動器有步進電機、伺服電機、液壓馬達和液壓缸等。控制系統(tǒng)一般由示教操作盤或控制計算機和伺服控制裝置組成。前者作用是發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關驅(qū)動器之間的運動，同時要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其它環(huán)境狀況（傳感器信號）、工藝要求，外部相關設備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。 而后者是控制各關節(jié)驅(qū)動器使各桿能按預定的運動規(guī)律運動。智能系統(tǒng)則由感知

4、系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)組成，它分別由傳感器及軟件來實現(xiàn)。（2）機器人操作機工業(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。工業(yè)機器人操作機的分類及主要技術指標(4/5)（3）工業(yè)機器人的發(fā)展過程可分為以下三代：第一代為示教/再現(xiàn)型機器人。它主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。當前工業(yè)中應用最多。第二代為感覺型機器人。如有力覺、觸覺和視覺等，它具有對某些外界信號進行反饋調(diào)整的能力。目前已進入應用階段。第三代為智能型機器人。其尚處于實驗研究階段。2操作機的主要類型（1） 直角坐標型（PPP型)（2） 圓柱坐標型（PPR型）（3） 球坐標型（RRP型

5、）（4） 關節(jié)型(RRR型）工業(yè)機器人操作的分類及主要技術指標(5/5)3操作機的主要技術指標（1）自由度自由度是用來確定手部相對機座的位置和姿態(tài)的獨立參數(shù)的數(shù)目。它等于操作機獨立驅(qū)動的關節(jié)數(shù)目。由下式來計算。55F = 6n - i pi = fpiii=1i=1自由度是反映操作機的通用性和適應性的一項重要指標。目前一般通用工業(yè)機器人大多為 5 自由度左右，已能滿足多種作業(yè)的要求。（2）工作空間即操作機的工作范圍。（3）靈活度靈活度是指操作機末端執(zhí)行器在工作（如抓取物件）時，所能采取的姿態(tài)的多少。若能從各個方位抓取物體，則其靈活度最大；若只能從一個方位抓取物體，則其靈活度最小。13-3機器人

6、操作機的運動分析1操作機位置與姿態(tài)的確定（1）操作機位置和姿態(tài)的描述構件的空間位置和姿態(tài)是用該構件的位置列陣rij和姿態(tài)矩陣Rij來描述，或用該構件的位姿矩陣Mij來描述。（2）兩桿間的位置矩陣桿i 相對與桿 i-1的位姿矩陣Mi-1,i，即為坐標系 i 相對于坐標系i-1的變換矩陣，此法稱為D-H法。2操作機位置方程建立及求解（1）操作機位姿方程的建立操作機的位姿矩陣方程為M0iM01M02i-1,iM即為操作機的運動方程。機器人操作的運動分析(2/2)（2） 操作機位姿方程的求解機器人操作機末端執(zhí)行器的位姿分析有兩類基本問題：1） 位姿方程的正解已知各關節(jié)的運動參數(shù)，求末端執(zhí)行器相對參考坐

7、標系的位置和姿態(tài)。2） 位姿方程的逆解根據(jù)已給定的滿足工作要求的末端執(zhí)行器相對參考坐標系的位置和姿態(tài)，求各關節(jié)的運動參數(shù)。這是對機器進行控制的關鍵。因此只有使各關節(jié)按逆解中求得的運動，才能使末端執(zhí)行器獲得所需的位置和姿態(tài)。例13-1RRPR型操作機的正解例13-2RRPR型操作機的逆解13-5工業(yè)機器人操作機機構的設計工業(yè)機器人操作機是由機座、手臂、手腕及末端執(zhí)行器等組成的機械裝置。而從機器人完成作業(yè)的方式來看，操作機是由 手臂機構、手腕機構及末端執(zhí)行器等組成的機構。其結構方案及其運動設計是整個機器人設計的關鍵。1操作機手臂機構的設計手臂機構一般有23個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、仰俯、升降或伸縮三種運動形式。手臂機構設計時，先要確定其結構型式和尺寸，還需考慮各種構件的重量對其運動速度、精度及剛度的影響。工業(yè)機器人操作機構的設計(2/2)2操作機手腕機構的設計手腕機構一般為13個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、偏擺或擺轉(zhuǎn)和仰俯三種運動形式。手腕機構的設計時，要確定其結構型式及機構尺寸