多關(guān)節(jié)機(jī)器人PPT

1、多關(guān)節(jié)機(jī)器人1關(guān)節(jié)機(jī)器人 關(guān)節(jié)機(jī)器人，也稱(chēng)關(guān)節(jié)手臂機(jī)器人或關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中最常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人的形態(tài)之一。適合用于諸多工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)，比如，自動(dòng)裝配、噴漆、搬運(yùn)、焊接等工作。2關(guān)節(jié)機(jī)器人的基本原理機(jī)器人控制部分執(zhí)行部分控制部分機(jī)器人的控制系統(tǒng)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)不僅控制著各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，而且還負(fù)責(zé)許多其他事情，其中一個(gè)主要的問(wèn)題就是如何保證安全。對(duì)于各軸的驅(qū)動(dòng)，單獨(dú)設(shè)立了一套伺服系統(tǒng)，這套伺服系統(tǒng)是由一個(gè)三環(huán)系統(tǒng)組成。機(jī)器人的控制系統(tǒng)還包括伺服系統(tǒng)，有幾個(gè)自由度就有幾個(gè)伺服系統(tǒng)。目前較多的是電氣伺服系統(tǒng)。在一些特殊的場(chǎng)合也有應(yīng)用液壓和氣動(dòng)的伺服系統(tǒng)。執(zhí)行部分機(jī)器人

2、的機(jī)械結(jié)構(gòu)到目前為止，僅僅實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)胳膊和手的某些功能，機(jī)器人的這些手臂都是由件和運(yùn)動(dòng)副相互連接而構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)鏈。連桿（件）可稱(chēng)為手臂，運(yùn)動(dòng)副稱(chēng)為關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)又可以分為平移關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)器人的末端稱(chēng)為手腕。在機(jī)器人中，手臂決定機(jī)器人所能到達(dá)的位置，而手腕決定機(jī)器人的姿態(tài)。機(jī)器人要完成特定的工作，不僅需要到達(dá)所規(guī)定的位置，而且必須在這個(gè)位置上做出所需的姿態(tài)。2機(jī)器人控制系統(tǒng)3機(jī)器人中幾個(gè)重要概念1、自由度機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目（亦即為了使機(jī)構(gòu)的位置得以確定，必須給定的獨(dú)立的廣義坐標(biāo)的數(shù)目），稱(chēng)為機(jī)構(gòu)自由度。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是用關(guān)節(jié)將一些桿件連接起來(lái)，一般使用二元關(guān)節(jié)，即

3、一個(gè)關(guān)節(jié)只與兩個(gè)連桿相連接。把兩個(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副的聯(lián)接而構(gòu)成的相對(duì)可動(dòng)的系統(tǒng)稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)鏈。組成運(yùn)動(dòng)鏈的各構(gòu)件構(gòu)成首末封閉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)鏈稱(chēng)為閉式運(yùn)動(dòng)鏈或簡(jiǎn)稱(chēng)閉鏈;反之為開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈或簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)鏈。由開(kāi)鏈組成的裝置稱(chēng)為串聯(lián)裝置；完全由閉鏈組成的裝置稱(chēng)為并聯(lián)裝置；開(kāi)鏈內(nèi)部同時(shí)含有閉鏈的裝置稱(chēng)為混鏈裝置。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)鏈多為開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈。多關(guān)節(jié)機(jī)器人是屬于一個(gè)空間的運(yùn)動(dòng)鏈，如何分析空間運(yùn)動(dòng)鏈，這個(gè)問(wèn)題要復(fù)雜些。各種約束數(shù)目不同，運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)目各不相同，運(yùn)動(dòng)副可分為5類(lèi)：有一個(gè)約束的叫類(lèi)運(yùn)動(dòng)副，有兩個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副叫類(lèi)運(yùn)動(dòng)副，直到有5個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)副成為類(lèi)運(yùn)動(dòng)副。自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它是由機(jī)器

4、人的結(jié)構(gòu)決定的，并直接影響到機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。機(jī)器人的自由度與它的工作任務(wù)有關(guān)。例如，若在一個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作，只需要3個(gè)自由度就夠了。如果在一個(gè)空曠的空間內(nèi)工作，有六個(gè)自由度就可以隨心所欲了。如果在這個(gè)空間內(nèi)有很多障礙物，為了躲避這些障礙物，就務(wù)必要有冗余自由度。在機(jī)器人中的六個(gè)自由度常常是這么分配的：第一、二、三軸是三個(gè)自由度，它可以在它的作業(yè)空間內(nèi)到達(dá)所需的位置，第四、五、六軸也是三個(gè)自由度，它是到達(dá)了所需的位置后，用這3個(gè)自由度來(lái)對(duì)執(zhí)行器做出規(guī)定的姿態(tài)。機(jī)器人的每一個(gè)自由度就是一臺(tái)交流伺服電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)一根軸的執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。因此，減速器是機(jī)器人的非常重要的組成部分。對(duì)于機(jī)器人減速器來(lái)說(shuō)，有許

5、多特殊的要求：1.減速比非常之大，可達(dá)到數(shù)百。交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，達(dá)到每分鐘幾千轉(zhuǎn)，但減速后，要求每分鐘幾百轉(zhuǎn)甚至幾十轉(zhuǎn)。2.回差要小就是說(shuō)當(dāng)空載達(dá)到額定負(fù)載的時(shí)候，不產(chǎn)生較大的角位移偏差。這是由于工業(yè)機(jī)器人要嚴(yán)格按照編程的要求達(dá)到空間上的一點(diǎn)，不論是空載還是額定負(fù)載下均要求達(dá)到這一點(diǎn)，否則就影響了精度。一、諧波齒輪減速器諧波齒輪減速器在機(jī)器人中廣泛應(yīng)用。因?yàn)樗臏p速比大而尺寸小，價(jià)格也比較適中。特別是在機(jī)器人的姿態(tài)軸上用的較多，主要是控制手腕部的姿態(tài)，也是離末端執(zhí)行器較近的地方。諧波齒輪減速器有許多優(yōu)點(diǎn)，但是有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是回差較大，也就是空載和負(fù)載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角不同，由于輸出軸的

6、剛度不夠大，而造成負(fù)載卸荷后有一定的回彈。二、RV減速器現(xiàn)在機(jī)器人中大量使用RV減速器。RV減速器是日本帝人公司1986年首先研制成功的。RV是rotary vector的縮寫(xiě)，也就是旋轉(zhuǎn)矢量的意思。RV減速器是采用漸開(kāi)線行星傳動(dòng)和擺線針輪傳動(dòng)相結(jié)合的一種行星傳動(dòng)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，減速比大而且剛度大，所以應(yīng)用范圍十分廣泛。2.機(jī)器人的動(dòng)作形態(tài)機(jī)器人的手臂在三維空間的位置確定，必須有三個(gè)自由度。這三個(gè)自由度可以是平移、旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)。這三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行組合，可以組成27中。在這27種的組合中有代表性的自由度的構(gòu)成有下列5種。2.1 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人如圖所示，機(jī)器人由一個(gè)回轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移所組成。整個(gè)立

7、柱可以旋轉(zhuǎn)，手臂可以沿著立柱上升或下降，而且手臂可以伸長(zhǎng)或縮回。使旋轉(zhuǎn)半徑隨工作的要求而變化。機(jī)器人工作的條件不是只要到達(dá)就可以，還有一個(gè)姿態(tài)的問(wèn)題，手上的執(zhí)行器所采取的姿態(tài)要由另外3個(gè)自由度來(lái)選取姿態(tài)。故，動(dòng)作范圍之外還要考慮一個(gè)作業(yè)范圍，作業(yè)范圍不僅與執(zhí)行器的大小有關(guān)，還與執(zhí)行任務(wù)所需的姿態(tài)有關(guān)。作業(yè)范圍小于動(dòng)作范圍。2.2 球坐標(biāo)型機(jī)器人c如圖，C是這個(gè)臂的回轉(zhuǎn)中心，這個(gè)臂可以伸長(zhǎng)和縮短，回轉(zhuǎn)中心也可以回轉(zhuǎn)。這個(gè)動(dòng)作范圍應(yīng)該是一個(gè)空心球，由于手臂并不能理想的掃出一個(gè)圓，因此這個(gè)球是一個(gè)破損的球。這種結(jié)構(gòu)較其他各種結(jié)構(gòu)更容易伸入到上下傾斜的孔德內(nèi)部，當(dāng)又這種需求時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮球坐標(biāo)型機(jī)器人。

8、2.3 直角坐標(biāo)型機(jī)器人如圖所示，機(jī)器人由兩個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌，在其上還有一個(gè)與兩垂直導(dǎo)軌相垂直的導(dǎo)軌，構(gòu)成了一個(gè)直角坐標(biāo)的三維體系，即x、y、z軸。這種機(jī)器人由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（沒(méi)有旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)），因此制造的精度可以很高，并且在控制器內(nèi)軌跡的計(jì)算方法也非常簡(jiǎn)單。這種機(jī)器人的工作范圍較大，所以可以作為高空搬運(yùn)車(chē)。這種機(jī)器人能夠?qū)t膛或者其他空腔設(shè)備做直線送進(jìn)運(yùn)動(dòng)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也是一個(gè)直角坐標(biāo)型的機(jī)器人。2.4 關(guān)節(jié)型機(jī)器人關(guān)節(jié)型機(jī)器人主要由回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)自由度構(gòu)成的，可以看成是仿人手臂的結(jié)構(gòu)。從肘到手臂根部的部分稱(chēng)為上臂，從肘到手腕的部分稱(chēng)為前臂。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于確定的三維空間上任意位置和姿態(tài)是最有效的。它對(duì)于

9、各種各樣的作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，缺點(diǎn)是坐標(biāo)計(jì)算和控制比較復(fù)雜，而且難以達(dá)到很高的精度。這種機(jī)構(gòu)的機(jī)器人最著名的有DeVilbiss Trallfa、Nordson機(jī)器人，它們都采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。Unimation PUMA和ASEA都是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。2.5 并聯(lián)型機(jī)器人這是一種新型結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，它通過(guò)各件的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，給出末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，以完成不同類(lèi)型的作業(yè)。該結(jié)構(gòu)機(jī)器人的特點(diǎn)是剛性好，可用來(lái)完成數(shù)控機(jī)床的一些功能，因此也稱(chēng)為并聯(lián)機(jī)床。目前已有樣機(jī)，可以完成復(fù)雜曲面的加工，特別是精細(xì)的加工，是數(shù)控機(jī)床的一種新的結(jié)構(gòu)形式，也是機(jī)器人功能的一種拓展。但其控制計(jì)算十分復(fù)雜，工作范圍也非常小，而

10、其精度目前比數(shù)控機(jī)床低。3、機(jī)器人的作業(yè)空間作業(yè)空間也有的稱(chēng)為工作范圍，它是指機(jī)器人手臂或者末端操作器的工具安裝點(diǎn)（注意，這個(gè)點(diǎn)就是安裝法蘭盤(pán)的中心點(diǎn)）所能到達(dá)的所有空間區(qū)域。但是不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。作業(yè)空間的大小與機(jī)器人各個(gè)臂的動(dòng)作極限范圍有關(guān)，而動(dòng)作極限范圍與結(jié)構(gòu)有關(guān)。多關(guān)節(jié)機(jī)器人的作業(yè)空間是一個(gè)中空的球體。在動(dòng)作范圍內(nèi)是不是就可以滿(mǎn)足位置與姿態(tài)的要求呢？不一定，有一個(gè)新的概念叫做奇異點(diǎn)。奇異點(diǎn)是由于手臂結(jié)構(gòu)的約束，導(dǎo)致手臂姿態(tài)失掉了某些特定方向的自由度功能，加之由于這種自由度的退化，進(jìn)而在奇異點(diǎn)附近，關(guān)節(jié)必須做急劇的姿態(tài)變化，驅(qū)動(dòng)器將承受很大的負(fù)荷。4、承載能力承載能力，

11、簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是機(jī)器人的抓取重量，抓取重量不僅取決于機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸，也與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的容量有關(guān)，而且還與機(jī)器人的運(yùn)行速度有關(guān)。在低速時(shí)承載能力大一些，在高速時(shí)抓取重量就小些。因此，規(guī)定是在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所能抓取的物體的重量作為指標(biāo)。承載能力詳細(xì)分析應(yīng)該分為兩種情況，一種是不帶手爪，只是一個(gè)法蘭盤(pán)，用以固定重物。另一種就是有手爪，來(lái)抓取重物。1）法蘭盤(pán)連接承載法蘭盤(pán)連接的承載能力在沒(méi)有特殊說(shuō)明的時(shí)候，都是指法蘭盤(pán)面處受力的大小。即說(shuō)，承載物的重心是在法蘭面處。2）手爪抓取重物手爪夾持類(lèi)吸附類(lèi)連桿式楔形原理式斜楔杠桿式氣吸式電磁吸式5、運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度是反映機(jī)器人性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它與機(jī)器人的抓取重量和位置精度都有密切的關(guān)系，并且機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)周期也是用戶(hù)的一個(gè)重要指標(biāo)。機(jī)器人的運(yùn)行全過(guò)程應(yīng)包括啟動(dòng)、加速、等速運(yùn)行、減速和制動(dòng)幾個(gè)過(guò)程。機(jī)器人的速度時(shí)間特性曲線通常希望機(jī)器人的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程盡可能的縮短，運(yùn)行速度盡可能地提高，也就提高了整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平均速度。但這也就使加、減速度加大，所以慣性力或慣性力矩加大，如果手持工件就容易出現(xiàn)工件脫落現(xiàn)象。整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)載荷增大，就會(huì)影響機(jī)器人的工作平穩(wěn)性。位置精度的控制難度也加大。6、位置精度位置精度在不同廠家的樣本中有不同的描述。但是這些描述所表