機器人的機械結(jié)構(gòu)PPT教案

1、會計學(xué)1機器人的機械結(jié)構(gòu)機器人的機械結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人與外部環(huán)境的設(shè)備工業(yè)機器人與外部環(huán)境的設(shè)備互相連接和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)互相連接和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)第1頁/共76頁n按照從低級高級的發(fā)展程度可分為三類可編程機器人感知機器人智能機器人第2頁/共76頁n按照結(jié)構(gòu)形態(tài)、負(fù)載能力分超大型機器人：負(fù)載能力 1000 kg 以上大型機器人：100-1000 kg之間中型機器人：10-100 kg之間小型機器人：0.1-10 kg之間超小型機器人：0.1 kg 以下第3頁/共76頁n按照應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、軍事機器人、醫(yī)用機器人、空間機器人、水下機器人n按照驅(qū)動方式液壓驅(qū)動：機構(gòu)緊湊、力大、運行平穩(wěn)，密封要求高

2、氣壓驅(qū)動：結(jié)構(gòu)簡單造價低，負(fù)荷能力小電動驅(qū)動：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，控制靈活新型：記憶合金、人工肌肉、壓電第4頁/共76頁n按控制方式分類(4種)l 伺服控制機器人：用伺服手段，包括位置、力等伺服方法進行控制的機人l 非伺服控制機器人：采用伺服以外的手段，如順序控制、定位開關(guān)控制等進行控制的機器人，機器人無法確定自身位置第5頁/共76頁l CP控制機器人（連續(xù)軌跡伺服控制機器人）除了對起點和終點的要求以外，還對運動軌跡的中間各點有要求的控制方式，如弧焊機器人就是典型的CP控制機器人。lPTP控制機器人（點位控制機器人）只對手部末端的起點和終點位置有要求，而對起點和終點的中間過程無要求的控制方式，如點焊

3、機器人就是典型的PTP控制機器人第6頁/共76頁l 程序機器人l操縱機器人l示教再現(xiàn)機器人l智能機器人n按機器人控制器的信息輸入方式來分第7頁/共76頁l 遙控操作機器人l視覺機器人l移動機器人n按代替人的器官方式來分第8頁/共76頁n按坐標(biāo)形式分第9頁/共76頁第10頁/共76頁第11頁/共76頁第12頁/共76頁第13頁/共76頁第14頁/共76頁移動2移動1第15頁/共76頁旋轉(zhuǎn)2旋轉(zhuǎn)1回轉(zhuǎn)機構(gòu)第16頁/共76頁直角坐標(biāo)機器人：3個直線運動第17頁/共76頁圓柱坐標(biāo)機器人：1個回轉(zhuǎn)運動，2個直線運動第18頁/共76頁球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）機器人：2個轉(zhuǎn)動， 1個直線運動第19頁/共76頁關(guān)節(jié)坐

4、標(biāo)機器人：3個轉(zhuǎn)動自由度第20頁/共76頁SCARA機器人：2個旋轉(zhuǎn)運動， 1個直線運動第21頁/共76頁機器人機器人關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)1關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)數(shù)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)數(shù)直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)PPP0圓柱坐標(biāo)圓柱坐標(biāo)RPP1球坐標(biāo)球坐標(biāo)RRP2SCARARRP2關(guān)節(jié)坐標(biāo)關(guān)節(jié)坐標(biāo)RRR3第22頁/共76頁 剛體在三維空間中有6個自由度，機器人要完成任意動作，需要6個自由度，工業(yè)機器人的運動由手臂和手腕運動組合而成，通常手臂有3個關(guān)節(jié)，用來改變手腕參考點的位置，手腕有3個關(guān)節(jié)，改變手爪的姿態(tài)第23頁/共76頁2.2 機器人的主要技術(shù)參數(shù) 設(shè)計機器人，首先確定機器人的技術(shù)參數(shù)，再確定機械結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)形式和傳動

5、裝置. 1、自由度：物體對于坐標(biāo)系進行獨立運動的數(shù)目。 自由度的多少由機器人的機械結(jié)構(gòu)決定，一般以沿軸線和繞軸線轉(zhuǎn)動的獨立運動數(shù)表示（末端執(zhí)行器的動作不包括）。第24頁/共76頁 機器人自由度一般為46個，7個以上是冗余自由度。 自由度數(shù)越多，越接近人手的動作機能，通用性好，動作靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體性要求高，兩者互相矛盾。 2、工作空間： 機器人運動時手臂或手部安裝點的空間活動的最大范圍。不包括手本身到達(dá)的區(qū)域。第25頁/共76頁 3、工作載荷：在規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處能承受的最大負(fù)載量。 4、工作速度：機器人在工作載荷下，勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心的最大速度。 5、控制方

6、式：機器人用于軸的控制方式，伺服/非伺服,PTP/CP 6、驅(qū)動方式：關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動力源形式第26頁/共76頁 7、精度、重復(fù)精度、分辨率：用來定義機器人手部的定位能力。 精度 指機器人到達(dá)指定點的精確程度。它與機器人驅(qū)動器的分辨率及反饋裝置有關(guān)。 重復(fù)精度 指機器人重復(fù)到達(dá)同樣位置的精確程度。它不僅與機器人驅(qū)動器的分辨率及反饋裝置有關(guān)，還與傳動機構(gòu)的精度及機器人的動態(tài)性能有關(guān)。 分辨率 指機器人每根軸能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。第27頁/共76頁第28頁/共76頁2.3 機器人的機械結(jié)構(gòu)與運動 1、機器人機械結(jié)構(gòu)的組成 機器人本體通常有以下各部組成（1）機身：基礎(chǔ)部分起支撐作用（2

7、）臂部：連接機身和手腕（3）手腕：連接手和手臂（4）手部：手爪或末端執(zhí)行器第29頁/共76頁 機器人本體是機器人的重要組成部分，是所有的計算、分析、控制和編程的基礎(chǔ)，最終要通過本體的運動和動作完成特定的任務(wù)。 機器人的本體各部分的結(jié)構(gòu)、材料的選擇直接影響整體性能。第30頁/共76頁 典型的工業(yè)機器人僅僅實現(xiàn)了人類胳膊和手的某些功能，也稱為機器人操作機或機械手。 2、機器人機構(gòu)的運動 機器人機構(gòu)可以視為一種連桿機構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)是將機構(gòu)學(xué)中的桿件（link）和運動副（Pair）相互鏈接而構(gòu)成的運動鏈。開式、半閉式、閉式運動鏈第31頁/共76頁 Stewart機構(gòu)是典型的并聯(lián)機器人末端執(zhí)行器的位置

8、和姿態(tài)可由6個直線油缸的行程長度所決定，油缸的一端與基座通過二自由度的萬向連軸節(jié)(鉸鏈)相連，另一端(連桿)由三自由度的球套關(guān)節(jié)(球面副)與末端執(zhí)行器相連這種機器人手臀的三個自由度與手腕的三個自由度集成在一起，具有閉環(huán)機構(gòu)的共同特點：剛度高，但連桿的運動范圍十分有限。第32頁/共76頁3、機器人本體設(shè)計原則（1）按用戶要求優(yōu)化工作空間相關(guān)參數(shù)（2）優(yōu)選材料、結(jié)構(gòu)、工藝、提高速度及精度材料選擇：運動部分質(zhì)量輕、強度高、彈性模量（剛度）大、價格經(jīng)濟，常用結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、陶瓷、復(fù)合材料、纖維增強合金（3）應(yīng)用機電一體化思想提高功能價格比（4）合理布置管線提高工作可靠性（5）考慮安全，防止人機事故第3

9、3頁/共76頁2.4 機器人的機身和手臂結(jié)構(gòu)一、機身設(shè)計 機身是直接連接、支撐和傳動手臂與行走機構(gòu)的部件。 一般實現(xiàn)臂部運動的驅(qū)動及傳動裝置都安裝 在機身上。機身由臂部運動機構(gòu)及導(dǎo)向裝置和支撐件等組成。機身結(jié)構(gòu)種類：升降回轉(zhuǎn)型、俯仰型、直移行、類人機器人型。 第34頁/共76頁 臂部運動越多，機身結(jié)構(gòu)越復(fù)雜l 升降回轉(zhuǎn)型：實現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)和升降運動 如：圓柱坐標(biāo)型機器人l俯仰型：實現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)和上下俯仰運動 如：球坐標(biāo)機器人l直移行：有導(dǎo)軌，多為懸掛式，機身作為橫梁 如：直角坐標(biāo)機器人l類人機器人：靠腿和腰的屈伸運動實現(xiàn)升降第35頁/共76頁機身設(shè)計要注意的問題：(1)剛度和強度大，穩(wěn)定性要好(

10、2)運動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死(3)驅(qū)動方式適宜(4)結(jié)構(gòu)布置合理第36頁/共76頁 手臂是機器人的主要執(zhí)行部件，作用是支撐腕部和手部，并帶動它們運動。臂部由臂桿以及與其伸縮、自轉(zhuǎn)等運動有關(guān)的構(gòu)件組成。臂部結(jié)構(gòu)種類 伸縮型臂部 轉(zhuǎn)動伸縮型臂部 屈伸型臂部 專用機械傳動臂部二、臂部設(shè)計第37頁/共76頁 行程小時，采用油(汽)缸直接驅(qū)動；當(dāng)行程較大時，可采用油(汽)缸驅(qū)動齒條傳動的倍增機構(gòu)或采用步進電機或伺服電機驅(qū)動，也可采用絲杠螺母或滾珠絲杠傳動為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運動時繞軸線轉(zhuǎn)動或產(chǎn)生變形，手臂的伸縮機構(gòu)要設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿 伸縮型臂部：第38頁/

11、共76頁 圖為采用四根導(dǎo)向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)手臂的垂直伸縮運動由油缸3驅(qū)動其特點是行程長，抓重大工件形狀不規(guī)則時，為了防止產(chǎn)生較大的偏重力矩，采用四根導(dǎo)向柱這種結(jié)構(gòu)多用于箱體加工線上第39頁/共76頁 三、機器人機身和臂部的配置形式（4種）1.橫梁式 單臂懸掛式 雙臂懸掛式 多臂懸掛 多用于自動化生產(chǎn)中，在工位間傳送工件l 橫梁式特點：占地面積小，大多為移動式，有效利用空間、直觀等優(yōu)點。第40頁/共76頁2.立柱式（常見） 單臂配置 雙臂配置立柱式特點：結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小工作范圍大，服務(wù)于某種主機，可承擔(dān)上下料 的工作第41頁/共76頁3.機座式（常見） 手臂配置在機座頂端 手臂配置在機座立柱中

12、間 手臂有單臂、雙臂、多臂第42頁/共76頁4.屈伸式 平面屈伸型 空間屈伸型第43頁/共76頁2.5 機器人的腕部和手部結(jié)構(gòu) 手腕是連接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，作用是支撐手部和確定手部的作業(yè)方向。手腕一般需要3個自由度：臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)、腕擺第44頁/共76頁1.腕部的典型結(jié)構(gòu) 液壓手腕結(jié)構(gòu) 電動手腕結(jié)構(gòu)柔順裝配技術(shù) 機器人進行精密作業(yè)，被裝配零件大小不一致，工件的定位夾具或機器人定位精度不滿足要求，裝配困難，需要柔順裝配技術(shù)u主動柔順裝配：利用傳感器測量反饋，邊校正邊裝配，價格貴，速度慢u被動柔順裝配：有機械柔順環(huán)節(jié)，價格低，結(jié)構(gòu)簡單，速度快，但軸孔間隙不能太小第45頁/共76頁第46頁/共76頁

13、2.手部的典型結(jié)構(gòu)夾鉗類I.夾鉗式 II.托鉤式III.彈簧式 吸附類I.氣吸式II.磁吸式仿人機器人手部柔性手、多指靈活手第47頁/共76頁 手部也叫末端執(zhí)行器，它是安裝在機器人手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。機器人手部的特點：（1）手部與手腕相連處可拆卸。手部與手腕有機械接口，也可能有電、氣、液接頭，可以方便的拆卸和更換手部。（2）手部是機器人的末端執(zhí)行器。它可以像人手一樣具有手指，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，比如噴漆槍、焊接工具等。第48頁/共76頁（3）手部的通用性比較差。機器人手部通常是專用的裝置，例如，一種手爪只能抓握一種或者幾種在形狀、尺寸、重量等方面近似的工件；一種工具只能

14、執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。（4）手部是一個獨立的部件，是完成作業(yè)好壞以及作業(yè)柔性好壞的關(guān)鍵部件之一。具有復(fù)雜感知能力的智能化手爪的出現(xiàn)增加了機器人作業(yè)的靈活性和可靠性。第49頁/共76頁夾鉗式：常用結(jié)構(gòu) 包括手指、傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、支架第50頁/共76頁手指：兩指、多指；指端形狀：V形、平面、尖指、特形指第51頁/共76頁第52頁/共76頁第53頁/共76頁傳動機構(gòu)：回轉(zhuǎn)型和平移型 實現(xiàn)夾緊和松開的動作第54頁/共76頁回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)第55頁/共76頁鉤托式：常用結(jié)構(gòu)，適合大重量工件 分為有驅(qū)動和無驅(qū)動兩種第56頁/共76頁彈簧式：受彈簧彈力限制，適合夾持小工件 結(jié)構(gòu)簡單，不需要驅(qū)動裝置第57頁/共

15、76頁氣吸式：常用結(jié)構(gòu)，適合非金屬材料如玻璃、紙張、板材等 由吸盤、吸盤架和進氣系統(tǒng)組成 分為真空式、負(fù)壓式、擠壓排氣式 對工件表面無損傷，且對工件預(yù)訂的位置精度要求不高，但工件與吸盤接觸的部分光滑平整，無空隙吸附類：適合大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w第58頁/共76頁真空氣吸第59頁/共76頁磁吸式：吸附力大，但被吸工件存在剩磁高溫下不能使用 分為永久磁鐵手部和電磁鐵手部第60頁/共76頁仿人機器人手：能進行復(fù)雜作業(yè)，如裝配、維修、操作設(shè)備等柔性手：可對不同外形物體抓取，物體受力均勻第61頁/共76頁第62頁/共76頁多指靈活手：模仿人手，多指，每個手指有3個關(guān)節(jié)，

16、獨立控制第63頁/共76頁第64頁/共76頁第65頁/共76頁手部的典型工具第66頁/共76頁2.6 機器人的行走結(jié)構(gòu) 行走機構(gòu)是行走機器人的重要執(zhí)行部件，作用是支撐機身、臂部和手部，并根據(jù)任務(wù)帶動機器人運動。行走機構(gòu)由驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)、位置檢測元件及線路組成。行走機構(gòu)分為車輪式、履帶式、足式、步進式、蠕動式、混合式、蛇形式第67頁/共76頁1.車輪式行走機構(gòu)：常用結(jié)構(gòu)，適用于平坦堅硬的路面 車輪有實心鋼輪（軌道上）、充氣輪胎（室外路面）、實心輪胎（室內(nèi)平坦路面） 車輪的個數(shù)為1輪、2輪、3輪、4輪、多輪機構(gòu)第68頁/共76頁第69頁/共76頁第70頁/共76頁2.履帶式行走機構(gòu)：適合野外工作，能適應(yīng)各種地形，如山坡峽谷，可爬躍45度的斜坡或樓梯 如履帶式攤鋪機、挖掘機第71頁/共76頁3.足式行走機構(gòu)：與履帶式相比，適應(yīng)性好 例如：環(huán)境惡劣地面車輛不適合，但多足動物卻行動自如 足式運動方式的