機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu).ppt

1、機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu) 機(jī)器人系統(tǒng)的組成,如圖21所示，機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成這三大部分可分成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 它由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)人類(lèi)的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對(duì)于一些特殊的信息，傳感器比人類(lèi)的感受系統(tǒng)更有效 機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境

2、中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等,人一機(jī)交互系統(tǒng) 人一機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置 ：指令給定裝置和信息顯示裝置 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能如果機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)，適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制,相關(guān)術(shù)語(yǔ)及性能指標(biāo),關(guān)節(jié)（Joint）：即運(yùn)動(dòng)副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相

3、對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。,連桿（Link）：機(jī)器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)分開(kāi)的部分。,自由度（Degree of freedom） ：或者稱(chēng)坐標(biāo)軸數(shù)，是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。手指的開(kāi)、合，以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。,剛度（Stiffness）：機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來(lái)度量。,定位精度（Positioning accuracy）：指機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。,重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度： 在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密

4、集程度，即重復(fù)度。,工作空間（Working space）：機(jī)器人手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不包括末端操作器）所能到達(dá)的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。,工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械本體類(lèi)似于具備上肢機(jī)能的機(jī)械手 ，由手部、腕部、臂、機(jī)身(有的包括行走機(jī)構(gòu))組成。 2.2.1機(jī)械手的操作動(dòng)作 機(jī)械手的動(dòng)作形態(tài)是由三種不同的單動(dòng)作旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)、伸縮組合而成的。 旋轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)是指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)部件的軸線和轉(zhuǎn)動(dòng)軸同軸；回轉(zhuǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)部件的軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)軸不同軸。 伸縮是指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。,2.2.2機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度,（1）根據(jù)單元?jiǎng)幼鹘M合方式的

5、不同，機(jī)械手的動(dòng)作形態(tài)一般歸納為以下四種坐標(biāo)類(lèi)型：直角坐標(biāo)型(圖722)；圓柱坐標(biāo)型(圖723)；極坐標(biāo)型(圖724)；多關(guān)節(jié)型(圖725)。 直角坐標(biāo)型機(jī)械手可以在三個(gè)互相垂直的方向上作直線伸縮運(yùn)動(dòng)，這類(lèi)機(jī)械手各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，計(jì)算和控制比較方便，但占地面積大，限于特定的應(yīng)用場(chǎng)合,圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手有一個(gè)圍繞基座軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)在相互垂直方向上的直線伸縮運(yùn)動(dòng)。它適用于采用油壓(或氣壓)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在操作對(duì)象位于機(jī)器人四周的情況下，操作最為方便。 極坐標(biāo)型機(jī)械手的動(dòng)作形態(tài)包括圍繞基座軸的旋轉(zhuǎn)，一個(gè)回轉(zhuǎn)和一個(gè)直線伸縮運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)類(lèi)似于圓柱型機(jī)械手。,多關(guān)節(jié)型機(jī)械手最接近于人臂的構(gòu)造。它主要由

6、多個(gè)回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所組成，一般都采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)用不同的關(guān)節(jié)連接方式，可以完成各種復(fù)雜的操作。由于具有占地面積小，動(dòng)作范圍大，空間移動(dòng)速度快而靈活等特點(diǎn)，多關(guān)節(jié)型機(jī)械手在各種智能機(jī)器人中被廣為采用。,SCARA機(jī)器人 關(guān)節(jié)式機(jī)器人,2.2.3機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 (1) PUMA一262機(jī)器人機(jī)構(gòu),圖21是PUMA系列一種較小的機(jī)器人PUMA一262機(jī)器人機(jī)構(gòu)(操作機(jī))的外形直觀圖。它有一個(gè)立柱，可以垂直回轉(zhuǎn)，稱(chēng)作腰關(guān)節(jié)，也稱(chēng)1軸。有大臂、小臂，它們的回轉(zhuǎn)軸稱(chēng)作肩關(guān)節(jié)(2軸)和肘關(guān)節(jié)(3軸)。這3個(gè)軸和桿，構(gòu)成了該機(jī)器人的位置機(jī)構(gòu)(又稱(chēng)主關(guān)節(jié)軸組)，即由他們的幾何參數(shù)(桿長(zhǎng)和偏距)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)

7、(關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)角)決定手腕(參考點(diǎn))的空間活動(dòng)范圍(工作空間)。手腕具有3個(gè)互相垂直的回轉(zhuǎn)軸(4、5、6軸)，它們是姿態(tài)機(jī)構(gòu)(又稱(chēng)副關(guān)節(jié)軸組)，即它們的轉(zhuǎn)角確定著工具(圖中未畫(huà))的空間姿態(tài)。 PUMA262型機(jī)器人具有六個(gè)自由度，可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè),6個(gè)關(guān)節(jié)軸由6個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由圖22可以看出，電機(jī)1通過(guò)兩對(duì)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)立柱回轉(zhuǎn)；電機(jī)2通過(guò)聯(lián)軸器、一對(duì)圓錐齒輪和一對(duì)圓柱齒輪帶動(dòng)齒輪Z，齒輪Z繞與立柱固聯(lián)的齒輪Z轉(zhuǎn)動(dòng)，于是形成了大臂相對(duì)于立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；電機(jī)3通過(guò)兩個(gè)聯(lián)軸器和一對(duì)圓錐齒輪、兩對(duì)圓柱齒輪(Z固聯(lián)于小臂上)驅(qū)動(dòng)小臂相對(duì)于大臂回轉(zhuǎn)；電機(jī)4先通過(guò)一對(duì)圓柱齒輪、兩個(gè)聯(lián)軸器和另

8、一對(duì)圓柱齒輪( Z固聯(lián)于手腕的套筒上)驅(qū)動(dòng)手腕相對(duì)于小臂回轉(zhuǎn)；電機(jī)5通過(guò)聯(lián)軸器、一對(duì)圓柱齒輪、一對(duì)圓錐齒輪(Z聯(lián)于手腕的球殼上)驅(qū)動(dòng)手腕相對(duì)于小臂(亦即相對(duì)于手腕的套筒)擺動(dòng)( )；電機(jī)6通過(guò)聯(lián)軸器、兩對(duì)圓錐齒輪和一對(duì)圓柱齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械接口(法蘭盤(pán))相對(duì)于手腕的球殼回轉(zhuǎn)(),可以看出，6個(gè)電機(jī)通過(guò)一系列的聯(lián)軸器和齒輪副，形成了6條傳動(dòng)鏈，得到了6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，從而形成了一定的工作空間并使工具各式各樣的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì) 這里所使用的聯(lián)軸器，都是具有撓性的螺旋形聯(lián)軸器(如圖23)；齒輪傳動(dòng)都具有消隙機(jī)構(gòu)，從而保證了正反轉(zhuǎn)時(shí)的回差在一定的精度范圍內(nèi)。由于先進(jìn)的制造技術(shù)，雖然使用了一般的多級(jí)齒輪傳動(dòng)，但

9、仍具有很高的運(yùn)動(dòng)和定位精度,(2)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,多關(guān)節(jié)型機(jī)械手,2.2.4工業(yè)機(jī)器人手部(手爪)結(jié)構(gòu),1. 滑槽杠桿式手部,2.齒輪齒條式手部,3.滑塊杠桿式手部,4.斜楔杠桿式,5.移動(dòng)型連桿式手部,6.齒輪齒條式手部,7.內(nèi)漲斜塊式手部,8.連桿杠桿式手部,手指類(lèi)型：,電磁式吸盤(pán) 氣吸式吸盤(pán),常見(jiàn)的另兩種手部:,其它手部:,2.2.5 工業(yè)機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu),腕部影響手部的姿態(tài)（方位）,2.2.6工業(yè)機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu) 臂部確定手部的位置,1. 車(chē)輪型,2.3 移動(dòng)機(jī)器人,兩輪型 三輪型 四輪型,2. 履帶式,救援機(jī)器人,3. 步行式,4.其它移動(dòng)方式,軍用昆蟲(chóng)機(jī)器人,爬纜索機(jī)器人,水下60

10、00米無(wú)纜自治機(jī)器人,蛇形機(jī)器人,2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.4.1關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式,直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連間接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等裝置后與關(guān)節(jié)軸相連 (1)關(guān)節(jié)間接驅(qū)動(dòng)方式的缺點(diǎn) 大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)這種間接驅(qū)動(dòng)，通常其驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩大大小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速器另外，由于手臂通常采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)上安裝減速器會(huì)使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷增大,目前中小型機(jī)器人一般采用普通的直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人的執(zhí)行電機(jī)由于電機(jī)速度較高，所以需配以大速比減速裝置，進(jìn)行間接傳

11、動(dòng)但是，間接驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了機(jī)械傳動(dòng)中不可避免的誤差，引起沖擊振動(dòng)，影響機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，并且增加關(guān)節(jié)重量和尺寸 (2)關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)方式 直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人也叫作DD機(jī)器人(Direct drive robot)，簡(jiǎn)稱(chēng)DDRDD機(jī)器人一般指驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)機(jī)械接口直接與關(guān)節(jié)連接 DD機(jī)器人的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)和關(guān)節(jié)之間沒(méi)有速度和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換,DD機(jī)器人與間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械傳動(dòng)精度高振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)剛度好機(jī)械傳動(dòng)損耗小結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩大，電氣時(shí)間常數(shù)小，短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生很大轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬控制性能較好 日本、美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的DD機(jī)器人美國(guó)Adept公

12、司研制出帶有視覺(jué)功能的四自由度平面關(guān)節(jié)型DD機(jī)器人日本大日機(jī)工公司研制成功了五自由度關(guān)節(jié)型DD一600V機(jī)器人其性能指標(biāo)為：最大工作范圍12 m，可搬重量5 kg，最大運(yùn)動(dòng)速度82 ms，重復(fù)定位精度005 mm,DD機(jī)器人目前主要存在的問(wèn)題 載荷變化、耦合轉(zhuǎn)矩及非線性轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制影響顯著，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和復(fù) 雜對(duì)位置、速度的傳感元件提出了相當(dāng)高的要求需開(kāi)發(fā)小型實(shí)用的DD電機(jī) 電機(jī)成本高,2.4.2 驅(qū)動(dòng)元件,(1) 液(氣)壓驅(qū)動(dòng) 液(氣)壓缸 液(氣)壓馬達(dá) (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 在小的機(jī)器人上，有時(shí)也用步進(jìn)電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？梢杂镁幋a器或電位器提供精確的位置反饋，所以步進(jìn)電機(jī)也

13、可用于閉環(huán)控制 步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)脈沖電流實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的，因此每給一個(gè)脈沖轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距。在精度要求不高的情況下，沒(méi)有必要加入位置反饋,(3)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),直流電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛的兩種電動(dòng)機(jī)，但兩者的動(dòng)作方式有本質(zhì)上的區(qū)別。直流電動(dòng)機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)連續(xù)且平滑，且本身沒(méi)有位置控制能力,要實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，必須加入某種形式的位置反饋，構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)；有時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)還有速度要求，所以還要加入速度反饋。一般直流電動(dòng)機(jī)和位置反饋、速度反饋形成一個(gè)整體，即通常所說(shuō)的直流伺服電機(jī)。由于采用閉環(huán)伺服控制，所以能實(shí)現(xiàn)平滑的控制和產(chǎn)生大的力矩 當(dāng)今大部分機(jī)器人都采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)

14、機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié),但它們也有一些缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)速不能太高 近年來(lái)，新發(fā)展起來(lái)的無(wú)刷直（交）流伺服電動(dòng)機(jī)克服了上述缺點(diǎn)，并保留了直流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，因此無(wú)刷電動(dòng)機(jī)逐漸取代了直流伺服電動(dòng)機(jī),（4）無(wú)刷直(交)流伺服電動(dòng)機(jī),原理 由圖可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵組成，定子有繞組線圈，可以通過(guò)機(jī)殼把繞組熱量散發(fā)出去，因此，同功率的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)體積質(zhì)量比較直流伺服電動(dòng)機(jī)小得多，或者說(shuō)同體積電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)功率遠(yuǎn)大于直流電動(dòng)機(jī)。像直流電動(dòng)機(jī)一樣，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)也需要有繞組電流的換向功能，但不是由機(jī)械式換向器實(shí)現(xiàn)，由于組接到外部的驅(qū)動(dòng)電路上，驅(qū)動(dòng)電路可以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息利用電子開(kāi)關(guān)來(lái)改變流向電樞的電流方向,無(wú)刷電動(dòng)機(jī)分

15、類(lèi): 梯形波電動(dòng)機(jī)和正弦波電動(dòng)機(jī)。前者也稱(chēng)為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(DC brushless) 后者稱(chēng)為交流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī) 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(梯形波電機(jī))：從無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理可以知道，它的繞組數(shù)僅23個(gè)(2或3相)，這數(shù)目遠(yuǎn)小于直流有刷伺服電動(dòng)機(jī)定子繞組數(shù)目。因此如何減小無(wú)刷電動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。通過(guò)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流幅值越大，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大。為減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，限止電流幅值，而呈平頂狀，如圖63l所示。由梯形波代替正弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路，但為進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，這種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)要有速度負(fù)反饋環(huán)，這樣通過(guò)速度負(fù)反饋的作用使轉(zhuǎn)速平穩(wěn),正弦波電動(dòng)機(jī)(交流無(wú)刷伺服

16、電動(dòng)機(jī))：顧名思義，它是由正弦波電流驅(qū)動(dòng)的。對(duì)三相情況，電流相位差120。，而且這三相電流是隨轉(zhuǎn)子位置不同而不同的，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)需更精確，驅(qū)動(dòng)電路也比梯形波電動(dòng)機(jī)的更復(fù)雜，但卻代表著無(wú)刷電動(dòng)機(jī)最高水平，因?yàn)樗鼙３趾愣ㄞD(zhuǎn)矩輸出,2.4.3伺服電機(jī)的選定和傳動(dòng)比的確定,(1)初選電機(jī) 首先電機(jī)必須能夠提供負(fù)載所需要的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 如果要求電機(jī)在峰值下以峰值轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則電機(jī)功率可按下式估算,電機(jī)功率，W 負(fù)載峰值力矩 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)裝置的效率，初步估算時(shí)取 =07O9,當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)地工作在變載荷之下時(shí)，比較合理的是按負(fù)載均方根功率估算電機(jī)功率 估算Pm后就可選取電機(jī)，使其額定功率P，滿(mǎn)足下式,負(fù)載均方根力矩Nm 負(fù)載均方根轉(zhuǎn)速，radS。,（2）發(fā)熱校核,在一定轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的均方根力矩是與伺服電機(jī)處于連續(xù)工作時(shí)的熱定額相對(duì)應(yīng)的 。為校核發(fā)熱，要求電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足下式： 電機(jī)的發(fā)熱量主要來(lái)自銅耗 它在時(shí)間T內(nèi)產(chǎn)生的熱量Qe ：,（3）轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核,轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核的公式為,電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩,（4）總傳動(dòng)比的選擇,電機(jī)要克服的負(fù)載力矩有兩種典型情況：一種是峰值力矩，它對(duì)應(yīng)于電機(jī)最嚴(yán)重的工作情況，一般在機(jī)器人關(guān)節(jié)電