1_西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理課件ch13

1、*第十三章工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)13-113-213-313-413-5概述工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類及主要技術(shù)指標(biāo)機(jī)器人操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析機(jī)器人操作機(jī)的靜力和動(dòng)力分析(沒有內(nèi)容)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)返回13-1概述機(jī)器人是近40年來發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的特點(diǎn)是可通過編程完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)器作業(yè)的準(zhǔn)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(jì)各個(gè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。機(jī)器人技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科

2、綜合技術(shù)。而機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)乃是機(jī)器人的主要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機(jī)械原理研究的主要內(nèi)容。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例：焊接作業(yè)裝配作業(yè)清洗作業(yè)搬運(yùn)作業(yè)13-2工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類及主要技術(shù)指標(biāo)1工業(yè)機(jī)器人及操作機(jī)工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制并可重新編程予以變動(dòng)的多功能機(jī)器。它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)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(jī)器人的組成驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人本體部分5自由度焊接機(jī)器人齒輪傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類及主要技術(shù)指標(biāo)(2/5)1） 工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及智能系統(tǒng)部分組成。2） 機(jī)器人各部分關(guān)系 控制系統(tǒng)

3、智能系統(tǒng)3）機(jī)器人各部分功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)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(jī)構(gòu)。位行檢工作系統(tǒng)測驅(qū)動(dòng)-傳執(zhí)行動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類及主要技術(shù)指標(biāo)(3/5)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。 傳動(dòng)有機(jī)械式、電氣式、液壓式、氣動(dòng)式和復(fù)合式等。而驅(qū)動(dòng)器有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)和液壓缸等。控制系統(tǒng)一般由示教操作盤或控制計(jì)算機(jī)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(guān)驅(qū)動(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(hào)）、工藝要求，外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。 而后者是控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器使各桿能按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。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(shí)現(xiàn)。（2）機(jī)器人操作機(jī)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機(jī)。它由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。即由手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)組成。工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的分類及主要技術(shù)指標(biāo)(4/5)（3）工業(yè)機(jī)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(jī)器人。它主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多。第二代為感覺型機(jī)器人。如有力覺、觸覺和視覺等，它具有對(duì)某些外界信號(hào)進(jìn)行反饋調(diào)整的能力。目前已進(jìn)入應(yīng)用階段。第三代為智能型機(jī)器人。其尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。2操作機(jī)的主要類型（1） 直角坐標(biāo)型（PPP型)（2） 圓柱坐標(biāo)型（PPR型）（3） 球坐標(biāo)型（RRP型

5、）（4） 關(guān)節(jié)型(RRR型）工業(yè)機(jī)器人操作的分類及主要技術(shù)指標(biāo)(5/5)3操作機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)（1）自由度自由度是用來確定手部相對(duì)機(jī)座的位置和姿態(tài)的獨(dú)立參數(shù)的數(shù)目。它等于操作機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目。由下式來計(jì)算。55F = 6n - i pi = fpiii=1i=1自由度是反映操作機(jī)的通用性和適應(yīng)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前一般通用工業(yè)機(jī)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(jī)的工作范圍。（3）靈活度靈活度是指操作機(jī)末端執(zhí)行器在工作（如抓取物件）時(shí)，所能采取的姿態(tài)的多少。若能從各個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最大；若只能從一個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最小。13-3機(jī)器人

6、操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析1操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定（1）操作機(jī)位置和姿態(tài)的描述構(gòu)件的空間位置和姿態(tài)是用該構(gòu)件的位置列陣rij和姿態(tài)矩陣Rij來描述，或用該構(gòu)件的位姿矩陣Mij來描述。（2）兩桿間的位置矩陣桿i 相對(duì)與桿 i-1的位姿矩陣Mi-1,i，即為坐標(biāo)系 i 相對(duì)于坐標(biāo)系i-1的變換矩陣，此法稱為D-H法。2操作機(jī)位置方程建立及求解（1）操作機(jī)位姿方程的建立操作機(jī)的位姿矩陣方程為M0iM01M02i-1,iM即為操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。機(jī)器人操作的運(yùn)動(dòng)分析(2/2)（2） 操作機(jī)位姿方程的求解機(jī)器人操作機(jī)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(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，求末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐

7、標(biāo)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(duì)參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。這是對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制的關(guān)鍵。因此只有使各關(guān)節(jié)按逆解中求得的運(yùn)動(dòng)，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(jī)的正解例13-2RRPR型操作機(jī)的逆解13-5工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)是由機(jī)座、手臂、手腕及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)械裝置。而從機(jī)器人完成作業(yè)的方式來看，操作機(jī)是由 手臂機(jī)構(gòu)、手腕機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)方案及其運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)手臂機(jī)構(gòu)一般有23個(gè)自由度，要求可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、仰俯、升降或伸縮三種運(yùn)動(dòng)形式。手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，先要確定其結(jié)構(gòu)型式和尺寸，還需考慮各種構(gòu)件的重量對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度、精度及剛度的影響。工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(2/2)2操作機(jī)手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)手腕機(jī)構(gòu)一般為13個(gè)自由度，要求可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、偏擺或擺轉(zhuǎn)和仰俯三種運(yùn)動(dòng)形式。手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要確定其結(jié)構(gòu)型式及機(jī)構(gòu)尺寸