第2章機器人系統(tǒng)及設計方法

第２章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.2機器人系統(tǒng)設計方法習題第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成操作機驅動器控制系統(tǒng)第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成

操作機也稱為執(zhí)行機構、機械本體等，它具有和人手臂相似的功能，是可在空間抓放物體或進行其他操作的機械裝置。

2.1.1操作機第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

機器人的操作機就是通過活動關節(jié)（轉動關節(jié)或移動關節(jié)）連接在一起的空間開鏈機構，主要由手部、腕部、臂部和機座構成。

1-手部

2-腕部

3-臂部

4-機座第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部1、手部的作用與分類2、機械夾持式3、吸附式4、專用手5、靈巧手6、換接器第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部1、手部的作用與分類作用：機器人的手部又稱為末端執(zhí)行器，它是機器人直接用于抓取和握緊（或吸附）工件或操持專用工具（如噴槍、扳手、砂輪、焊槍等）進行操作的部件，它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的最前端。

分類：機械夾持式手吸附式手專用手靈巧手第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部2、機械夾持式手（1）組成機械夾持式手由手指（或手爪）、傳動機構、驅動機構及連接與支承元件組成，它通過手指的開、合動作實現(xiàn)對物體的夾持操作。

1-手指

2-傳動機構

3-驅動機構

4-支承元件5-工件第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部2、機械夾持式手（1）組成有時，手指的形狀與表面形式取決于工件及操作要求。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部2、機械夾持式手（2）分類按手爪的運動方式分為回轉型和平移型。按夾持工件的方式分為外夾式和內撐式。按驅動方式分為電動、液動、氣動和彈性力驅動。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構彈性力手彈性力手的特點是其夾持工件的抓力是由彈性元件提供的，不需要專門的驅動裝置，在抓取工件時需要一定的壓入力，而在取下時，則需要一定的拉力。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構②回轉型手楔塊杠桿式楔塊杠桿式回轉型手當驅動器推動楔塊前進時，通過楔塊的斜面與杠桿作用，使手爪產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當楔塊后退時，靠彈簧的拉力使手爪松開。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構②回轉型手滑槽杠桿式滑槽杠桿式回轉型手當驅動器推動中心桿向上運動時，圓柱銷在兩杠桿的滑槽中移動，迫使與支架相鉸接的手爪產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力，當中心桿向下運動時，手抓松開。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構②回轉型手連桿杠桿式連桿杠桿式回轉型手當驅動器推動中心桿上下運動時，由中心桿、連桿、手爪和支架就構成四桿機構，從而迫使手爪完成夾緊和松開動作。

注意：當中心桿向下運動，兩個連桿處于一條水平線時，手爪已閉合到最小極限位置，當中心桿繼續(xù)向下運動時，手爪不但不會閉合的更緊，反而會松開。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構②回轉型手齒輪齒條式齒輪齒條式回轉型手中心桿的端部兩側有齒條，與固定在手爪上的齒輪相嚙合，當中心桿上下運動時，在齒輪齒條的嚙合作用下就帶動兩個手爪回轉從而產(chǎn)生夾緊和松開動作。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構②回轉型手自重杠桿式自重杠桿式回轉型手手爪的開合是由鉸接活塞油缸實現(xiàn)的。當手爪閉合抓住工件時，由于工件對手爪的作用力方向位于手爪回轉軸垂直線的外側，所以手爪的夾緊是由工件自重產(chǎn)生的，工件越重，夾緊力越大。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構③平移型手平移型手的特點是兩個手爪做相對的往復平移運動，從而實現(xiàn)對工件的夾緊和松開動作，它分為直線式和圓弧式兩種。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構③平移型手齒輪齒條式齒輪齒條式平移型手兩個手爪上都有齒條與過渡齒輪嚙合。當拉動一個手爪時，另一個手爪就反向運動，如此反復運動，即可完成手爪的夾緊與松開動作，也可使過渡齒輪正、反旋轉來完成手爪的夾緊與松開動作。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構③平移型手螺母絲杠式螺母絲杠式平移型手螺桿分成左右兩段，其上螺紋旋向相反，兩手爪上有與其配合的螺紋孔（即為螺母）。當螺桿正、反旋轉時，兩手爪就產(chǎn)生相對平移運動，從而實現(xiàn)加緊和松開動作。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構③平移型手凸輪式凸輪式平移型手在與手爪連接的滑塊上有導向槽和凸輪槽。當中心桿上下運動時，通過滾子對凸輪槽的作用使滑塊沿導向滾子做相對平移運動，從而實現(xiàn)手爪的夾緊和松開動作。

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2.1.1.1手部2、機械夾持式手（3）典型結構③平移型手平行連桿式平行連桿式平移型手屬于圓弧式平移型式手，其原理是采用平行四邊形平動機構，使手爪在加緊和松開的過程中保持方向不變，從而實現(xiàn)平行移動，但手爪上任一點的運動軌跡為圓弧擺動。需要注意的是，這種手爪在夾持工件的瞬時，對工件表面有一個切向分力。

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2.1.1.1手部3、吸附式手（1）分類吸附式手靠吸附力抓取工件，特別適用于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎（玻璃制品）、微小（不易抓?。┑墓ぜ蛭矬w，與機械夾持式手相比，具有結構簡單、重量輕、抓取力分布均勻的優(yōu)點，適用面較廣。根據(jù)吸附力的產(chǎn)生方法不同，將其分為：氣吸式磁吸式

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2.1.1.1手部3、吸附式手（2）氣吸式氣吸式手是利用吸盤內的壓力與外界大氣壓之間形成的壓力差來工作的，根據(jù)壓力差形成的原理不同，可分為：擠壓排氣式氣流負壓式真空抽氣式

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2.1.1.1手部3、吸附式手（2）氣吸式擠壓排氣式擠壓排氣式吸附式手當抓取工件時，橡膠吸盤壓緊工件從而發(fā)生變形，擠出腔內多余的空氣，當手上升時，靠橡膠吸盤的恢復力是其腔內與外界氣壓之間形成負壓，從而將工件吸住。釋放工件時，壓下拉桿，使吸盤腔與大氣相連通而失去負壓。擠壓排氣式吸附式手結構簡單，但吸附力有限，吸附狀態(tài)不易長期保持。

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2.1.1.1手部3、吸附式手（2）氣吸式氣流負壓式氣流負壓式吸附式手利用流體力學中射流的原理，當需要抓取工件時，高速高壓空氣流經(jīng)噴嘴時，其出口處的氣壓低于吸盤腔內的氣壓，于是腔內的氣體被高速氣流帶走而形成負壓，由此產(chǎn)生吸力，完成抓取工件的動作，當需要釋放工件時，切斷高速高壓空氣即可。氣流負壓式吸附式手容易取得高速高壓空氣，故成本低，且吸附可靠，控制簡單。

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2.1.1.1手部3、吸附式手（2）氣吸式真空抽氣式真空抽氣式吸附式手其真空是由真空泵抽氣產(chǎn)生的，真空度較高，所以吸附力最大。當需要抓取工件時，碟形橡膠吸盤與工件表面接觸，然后真空泵抽氣，吸盤腔內形成真空，產(chǎn)生吸力，從而完成抓取工件動作，當需要釋放工件時，管路接通大氣，吸盤腔內失去真空即可。真空抽氣式吸附式手工作可靠，吸附力大，但需要真空系統(tǒng)，成本較高。

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2.1.1.1手部3、吸附式手（3）磁吸式磁吸式手是利用磁場產(chǎn)生的磁吸力來抓取工件的，因此只能對鐵磁性工件起作用（鋼、鐵等材料在溫度超過723℃時就會失去磁性），另外，對不允許有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。根據(jù)磁場產(chǎn)生的方法不同，磁吸式手可分為：永磁式勵磁式

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2.1.1.1手部3、吸附式手（3）磁吸式永磁式永磁式磁吸式手是利用永久磁鋼的磁吸力來工作的，通過移動隔磁物體來改變改變吸盤內的磁力線回路，從而達到吸住和釋放工件的目的（也可用外力強迫取下工件）。它具有不需電源，結構簡單，安全可靠等優(yōu)點，缺點是長時間使用后會出現(xiàn)磁吸力減弱的現(xiàn)象，而且對同樣重量的吸盤來講，其吸力不及電磁式。

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2.1.1.1手部3、吸附式手（3）磁吸式電磁式電磁式磁吸式手是用接通和切斷電磁線圈中的電流（直流或交流），產(chǎn)生和消除磁吸力的方法來吸住和釋放工件的，當銜鐵接觸鐵磁性工件時，工件被磁化形成磁力線回路并受到電磁吸力而被吸住。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部3、吸附式手（3）磁吸式電磁式電磁式吸附式手的各種形狀。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部4、專用手

機器人的專用手是指用來完成某一特定操作的、具有特殊功能的末端執(zhí)行器，其實質就是各種各樣的專用工具，例如焊接機器人的焊槍、噴涂機器人的噴槍等。目前常用的機器人專用手有焊槍、噴槍、砂輪、擰螺母機、激光切割機等。

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2.1.1.1手部5、靈巧手

機器人的靈巧手是為了適應被抓取工件的不規(guī)則外形變化，并可使工件表面承受到比較均勻的抓取力。機器人常用的靈巧手有柔性手和多指靈巧手。柔性手第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部5、靈巧手多指靈巧手第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.1手部6、換接器

換接器一般由兩部分組成：換接器插座和換接器插頭，它們分別裝在機器人的手部和機器人的腕部，能夠使機器人快速自動的更換手部。

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2.1.1.1手部6、換接器

對換接器的要求：同時具備氣源、電源和信號的快速聯(lián)接與切斷；能承受手部的工作載荷；在失電、失氣的情況下，機器人停止工作時不會自行脫離；具有一定的換接精度等。多工位換接器如下圖所示：

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2.1.1.2腕部1、腕部的作用與自由度

2、腕部的典型結構3、柔順腕部結構

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2.1.1.2腕部1、腕部的作用與自由度（1）作用：改變或調整機器人手部在空間的姿態(tài)

(方向)，并連接機器人的手部和臂部。（2）自由度：分別為回轉（x）俯仰（y）

偏擺（z）

由三個回轉關節(jié)組合而成。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部2、腕部的典型結構（1）液壓擺動缸第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部2、腕部的典型結構（2）輪系機構—2自由度（誘導運動）第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部2、腕部的典型結構（2）輪系機構—2自由度（差動式）回轉偏擺第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部2、腕部的典型結構（2）輪系機構

—3自由度

(正交）第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部2、腕部的典型結構（2）輪系機構

—3自由度

(正交）第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部2、腕部的典型結構（2）輪系機構

—3自由度

(斜交）第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部3、柔順腕部結構（1）作用：消除機器人在進行裝配作業(yè)時的裝配誤差。（2）裝配誤差：①角度誤差②位置誤差

θ第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部3、柔順腕部結構（3）解決辦法①主動柔順

——邊檢測，邊修正。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部3、柔順腕部結構（3）解決辦法②被動柔順

角度誤差——回轉運動

-回轉機構位置誤差——平移運動

-平移機構第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.2腕部3、柔順腕部結構（3）解決辦法②被動柔順——典型結構第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.3臂部1、臂部的作用與關節(jié)類型

2、臂部的平移運動機構3、臂部的回轉運動機構

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2.1.1.3臂部1、臂部的作用與關節(jié)類型（1）作用：改變機器人手在空間的位置。（2）關節(jié)類型：平移關節(jié)和回轉關節(jié)。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.3臂部2、臂部的平移運動機構

機器人臂部的伸縮、升降和縱（橫）向的移動均屬于平移運動，其實現(xiàn)的典型機構主要有：

（1）活塞油缸、活塞氣缸（2）齒輪齒條機構（3）絲杠螺母機構（4）曲柄滑塊機構（5）凸輪機構第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.3臂部3、臂部的回轉運動機構

機器人臂部回轉運動常用的典型機構有：

（1）油馬達、氣馬達、擺動液壓缸（2）各種輪系機構（3）齒條齒輪機構（4）滑塊曲柄機構（5）活塞缸加連桿機構（機器人臂部的俯仰運動）

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2.1.1.4機座1、機座的作用與分類

2、固定式機座3、移動式機座第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.4機座1、機座的作用與分類（1）作用：支承著機器人自身重量及作業(yè)時的負載。（2）分類：固定式和移動式第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機

2.1.1.4機座2、固定式機座

固定式機座一般直接聯(lián)接在地面基礎上，或與機身固定在一起，它通過活動關節(jié)與機器人臂部相連。

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2.1.1.4機座3、移動式機座

機器人的移動式機座是一個由驅動裝置、傳動機構和檢測元件等組成可以移動的平臺。按其運動軌跡可分為固定軌跡式和無固定軌跡式；按其運動實現(xiàn)的方式可分為輪式、履帶式和行走式。

第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機——機構簡圖

機器人的機構運動簡圖是為了用簡潔的線條和符號來表達機器人的各種運動及結構特征。在國標GB/T12643-90中規(guī)定了機器人有關的各種運動功能的圖形符號。

機座：手部：關節(jié)平移回轉第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.1操作機——機構簡圖直角坐標式圓柱坐標式球坐標式關節(jié)坐標式第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

驅動器是用來驅動機器人操作機工作的動力裝置。常見的驅動器主要有電動驅動器、液壓驅動器和氣動驅動器。

第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器

電動驅動器是利用電能來實現(xiàn)旋轉運動的驅動器，常見主要有：

——步進電機（steppingmotor)

——直流（DC）伺服電機

——交流（AC）伺服電機

——直接驅動（DirectDrive）電機第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器1、步進電機（steppingmotor)

步進電機軸按照與脈沖頻率成正比的速度旋轉。控制電路給電機輸入一個脈沖，電機軸僅僅旋轉一定的角度，旋轉角叫做步距角（stepangle)。步進電機的控制較為簡單，適用于開環(huán)回路驅動器。

第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器1、步進電機（steppingmotor)（1）步進電機驅動方法

定電壓驅動方法：施加在繞組上的電壓固定，改變脈沖頻率，電機轉速就改變，改變電流，轉矩就改變。

定電流驅動方法：固定繞組電流或讓電流按照指令值發(fā)生變化。適用于高速運轉的場合。

單相勵磁和二相勵磁：單相勵磁這會引起低頻電氣振動，步距角的偏差很大，因此通常都采用二相勵磁運轉方式，即始終對A相、B相同時勵磁，通過控制勵磁極性的組合順序產(chǎn)生旋轉運動。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器1、步進電機（steppingmotor)（2）步進電機基本特性

平衡點與制動位置：被勵磁的電機在無載荷時停止的位置稱為平衡點或穩(wěn)定點（equilibriumposition)，無勵磁時停止的位置稱為制動位置（detentposition)。

定位精度：步距角誤差（steppositionerror)：讓轉子一步步轉動從某一個平衡點到達相鄰平衡點時，實際轉動角度與步距角的位置誤差的最大值。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器1、步進電機（steppingmotor)（2）步進電機基本特性

靜止角度誤差（positionalaccuracy)：從某一個基準點所觀察到的所有穩(wěn)定點與理論穩(wěn)定點（步距角的整數(shù)倍）相比的偏差的最大值。

保持力與停止轉矩：給處于勵磁狀態(tài)的電機施加的外力使電機軸轉動的最小值就是保持力（也稱作最大靜止轉矩，holdingtorque)。在無勵磁狀態(tài)下，僅靠永久磁鐵的磁力穩(wěn)固位置的極限值叫做停止轉矩（detenttorque)。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器1、步進電機（steppingmotor)（2）步進電機基本特性

步進電機加減速運轉：步進電機從靜止狀態(tài)一下子用高頻脈沖啟動比較困難，為了使它能高速運轉，可以通過調整脈沖間隔達到加速、等速、減速運轉的目的。脈沖變化如圖所示。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器2、直流（DC）伺服電機

直流電機最適合工業(yè)機器人的試制階段或競技用。（1）直流伺服電機的特點直流伺服電機的轉矩T基本與電流i成比例，其比例常數(shù)KT叫做轉矩常數(shù)，即直流伺服電機的無負載速度與電壓e成比例，比例系數(shù)是KE，即第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器2、直流（DC）伺服電機（2）直流伺服電機的運轉方式線性驅動：即給電機施加的電壓以模擬量的形式連續(xù)變化，是電機理想驅動方式，但在電子線路中易產(chǎn)生大量熱損耗。PWM驅動：也稱脈寬調制方法（pulse-width-modulation），特點是在低速時轉矩大，速度快時，轉矩急速下降。因此，常用于競技機器人的驅動器。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器2、直流（DC）伺服電機（3）直流伺服電機的控制方法直流伺服電機利用速度傳感器和位置傳感器，采用閉環(huán)實現(xiàn)速度和位置的控制。直流伺服電機的速度控制有以下兩種基本方式：

電壓控制：向電機施加與速度偏差成比例的電壓。控制電路簡單。電流控制：向電機供給與速度偏差成比例的電流。

控制具有較好的穩(wěn)定性。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器3、交流（AC）伺服電機

交流伺服電機常見的有三類：鼠籠式感應型電機、交流整流子型電機和同步電機。交流伺服電機可以實現(xiàn)精確的速度控制和定位功能。交流伺服電機還具備直流伺服電機的基本性質，又可以理解為是把電刷和整流子換為半導體元件的裝置，所以它也叫做無刷直流伺服電機。

第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器3、交流（AC）伺服電機（1）交流伺服電機的特點交流伺服電機轉子的位置信息和施加在繞組上的電壓或電流的關系至關重要。為了向繞組配電，有兩種檢測轉子位置的方法：一種是用霍爾元件等，把轉動一圈分解為三相；另一種是借助于編碼器或旋轉變壓器進一步提高分辨率。前者給電機繞組施加方波電壓或電流；后者跟傳統(tǒng)的交流電機一樣，供給近似于正弦波那樣的電流，應用最普遍。

第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器3、交流（AC）伺服電機（2）交流伺服電機的特征

交流伺服電機的形式：無刷電機的形狀變化很多，大體分為內轉子型結構和外轉子型結構。內轉子型又有細長型電機和扁平型電機之分。外轉子型結構電機轉動慣量大，由于增大了永久磁鐵的體積，適用于小型高轉矩電機。除了商品電機之外，有時電機還與機器人合起來進行一體化設計，此時外轉子型比較適用。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器3、交流（AC）伺服電機（2）交流伺服電機的特征

槽數(shù)與磁極級數(shù)的選擇：小型高轉矩電機與增加轉子的磁極數(shù)目有關。即使轉子極數(shù)一定，也有幾種選擇槽數(shù)的方法。

磁鐵材料與磁化模式：選擇平均轉矩高的電機，這樣雖然會稍微犧牲一些平均轉矩，但是卻能獲得平滑的運轉。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器4、直接驅動（DirectDrive：DD）電機DD電機沒有減速器，但要求能提供大輸出轉矩(推力)，可控性好。

它被廣泛地應用于裝配SCARA機器人、自動裝配機、加工機械、檢測機器及印刷機械等中。（1）工作原理與特點

DD電機分為基于電磁鐵原理的VR（VariableReluctance可變磁阻）電機及基于永久磁鐵的HB（hybrid）電機。VR電機的磁路具有非線性，控制性能比較差。HB電機轉矩大，缺點是轉速波動大。在商用機器中，大多使用VR或HB電機。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器4、直接驅動（DirectDrive：DD）電機（2）DD電機的類型轉動型DD電機直線型DD電機平面型DD電機第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器4、直接驅動（DirectDrive：DD）電機（2）DD電機的類型轉動型DD電機分為：HB型轉動DD電機和VR型轉動DD電機。轉動型DD電機能夠在精確定位的自動機械中代替減速器加伺服電機的傳動系統(tǒng)。以卡耐基—梅隆大學為首，世界上已經(jīng)開發(fā)出多種關節(jié)型的DD機器人，不過目前除了用其進行高速搬運作業(yè)外，它尚未達到普及的程度。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器4、直接驅動（DirectDrive：DD）電機（2）DD電機的類型直線型DD電機是把轉動型DD電機展開成直線的結構，傳感器為玻璃刻度尺。直線型DD電機的精度高，重復性好，速度快，用它代替滾珠絲杠傳動的機器人運動單元的事例日益增多。最近，裝備直線型DD電機的機床數(shù)量急速增加。這種機床的最大特點是速度快，使生產(chǎn)效率得到大幅度提高。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器4、直接驅動（DirectDrive：DD）電機（2）DD電機的類型平面型DD電機是人們將兩個直線型DD電機以直角形式組合起來，并且用三軸位置傳感器組成全閉環(huán)控制的超高精度平面DD電機。平面型DD電機能在500mm×500mm的平面內達到0.1um分辨率和1um精度，性能非常好。由于它的摩擦力非常小，可以在15ms的調整時間內達到土1um的定位精度，因此其在高精度的檢測裝置中得到應用。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器——比較步進電機DC電機AC電機直接驅動電機基本性質轉速與脈沖信號同步，與脈沖頻率成正比轉矩與電流成比例，無負載轉速與電壓成比例相似于ＤＣ電機可控性依磁路產(chǎn)生方式差異而不同精度高，尚未普及驅動方式驅動控制電路加電可動，可控要相應控制電路用逆變器將直流驅動變?yōu)榻涣黩寗右模奈恢脗鞲衅髋c控制電路配合第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器——比較步進電機DC電機AC電機直接驅動電機逆轉方法顛倒勵磁順序調換兩個端子極性調整位置信號與逆變元件開關順序位置控制由脈沖序列最后脈沖的位置決定用位置傳感器反饋控制用位置傳感器反饋控制用位置傳感器反饋控制第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器——比較步進電機DC電機AC電機直接驅動電機速度控制轉速與脈沖頻率成正比反饋控制反饋控制反饋控制轉矩控制使電流保持一定轉矩與電流成正比轉矩與電流成正比由磁阻產(chǎn)生電機轉矩控制磁路控制轉矩第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.1電動驅動器——比較步進電機DC電機AC電機直接驅動電機可靠性與壽命步進電機具有良好的可靠性。DC伺服電機在長時間使用條件下可靠性將下降。AC伺服電機具有良好的可靠性。效率比ＤＣ電機低，越是小型效率越低有效利用反電動勢，效率高，尤其在高速區(qū)域差相似于ＤＣ電機高第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.2液壓驅動器

液壓伺服系統(tǒng)主要由液壓源、驅動器、伺服閥、傳感器、控制器等構成。液壓傳動的特點是轉矩與慣性比大，也就是單位重量的輸出功率高。控制器伺服放大器位置傳感器++第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.2液壓驅動器

電動驅動器與液壓驅動器的比較如表所示：電動驅動器液壓驅動器優(yōu)點

維護簡單、控制手段先進、速度反饋容易液壓系統(tǒng)具有高剛性、力保持性可靠、小型輕質、轉矩慣性比大缺點重量大、不直接產(chǎn)生直線運動、需要減速器，不具有力保持性液壓系統(tǒng)易漏油，故必須配置液壓源，閥等液壓元件的非線性、壓縮性第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.3氣動驅動器（1）氣動系統(tǒng)的基本組成典型的氣壓驅動系統(tǒng)由氣壓發(fā)生裝置、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件四個部分組成。氣壓發(fā)生裝置 控制元件執(zhí)行元件輔助元件第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.3氣動驅動器（2）氣動驅動器的特點優(yōu)點：①能量儲蓄簡單易行，可以獲得短時間的高速動作。②可以進行細微的力控制。③夾緊時無能量消耗，不發(fā)熱。④柔軟，安全性高。⑤體積小、重量輕，輸出／質量比高。⑥處理簡便，低成本。缺點：⑦不易實現(xiàn)高精度、快速響應的位置和速度控制，控制性能易受摩擦和載荷的影響。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.2驅動器

2.1.2.3氣動驅動器（3）氣動驅動器的應用氣動驅動器是一種簡易的驅動元件，主要用于既要求定位，又要對作用力實施控制，或者在半導體裝置等的特殊應用場合。在引入伺服技術后，氣壓驅動系統(tǒng)的性能變得更好，功能更強，擴大了其應用范圍。目前，面向康復、護理、助力工具等與人類共存、協(xié)作型的機器人已嶄露頭角。如何構建柔軟機構，積極地發(fā)揮氣壓柔軟性的特點是今后氣壓驅動器應用的一個重要方向。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是控制機器人按要求動作的裝置，控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對機器人操作機進行操作和控制，完成作業(yè)的各種動作?，F(xiàn)在的機器人都采用計算機控制。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

機器人的控制系統(tǒng)主要是由硬件系統(tǒng)、控制軟件、輸入/輸出設備、傳感器等構成。硬件包括控制器、執(zhí)行器、伺服驅動器。軟件包括各種控制算法。傳感器操作機驅動器

計算機軟硬件指令I/O設備第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.1傳感器

傳感器的主要作用就是給機器人輸入必要的信息。根據(jù)輸人信息源是位于機器人的內部還是外部，傳感器可以分為兩大類：一類是為了感知機器人內部的狀況或狀態(tài)的內部測量傳感器（簡稱內傳感器）。它是在機器人本身的控制中不可缺少的部分，雖然與作業(yè)任務無關，卻在機器人制作時將其作為本體一個組成部分，并進行組裝；另一類是為了感知外部環(huán)境的狀況或狀態(tài)的外部測量傳感器（簡稱外傳感器）。它是機器人適應外部環(huán)境所必需的傳感器，按照機器人作業(yè)的內容．分別將其安裝在機器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.1傳感器

傳感器的劃分：傳感器位置檢測傳感器運動檢測傳感器內部傳感器外部傳感器速度、加速度角速度、角加速度姿態(tài)視覺傳感器觸覺傳感器力覺傳感器距離傳感器聽覺傳感器味覺傳感器嗅覺傳感器溫度傳感器濕度傳感器平面立體特定位置或角度任意位置或角度第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.1傳感器

內傳感器的劃分：檢測內容傳感器的方式和種類角度旋轉編碼器角速度內置微分電路的編碼器角加速度壓電式、振動式、光相位差式位置電位計、直線編碼器速度陀螺儀加速度應變儀式、伺服式傾斜度靜電容式、導電式、鉛垂振子式、浮動磁鐵式、滾動球式方位陀螺儀式、地磁鐵式、浮動磁鐵式第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.1傳感器

外傳感器的劃分：檢測內容傳感器的方式和種類視覺傳感器單目、雙目、主動、被動、實時視覺觸覺傳感器位移、壓力、速度力覺傳感器單軸、三軸、六軸力—力矩(轉矩)傳感器接近覺傳感器接觸式、電容式、電磁式、STM、AFM、流體、超聲波、光學測距距離傳感器超產(chǎn)波、激光和紅外傳感器聽覺傳感器語音、聲音傳感器嗅覺傳感器氣體識別傳感器溫度傳感器電阻、熱敏電阻、紅外、IC溫度傳感器第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.2最基本的控制方法（1）關節(jié)的運動控制及轉矩（力）控制這種控制是分別對各個關節(jié)的運動（位置及速度）通過安裝在各個關節(jié)的驅動電機進行PID控制來實現(xiàn)。實現(xiàn)時需要根據(jù)運動學理論將整個機器人的運動分解為各個自由度的運動來進行控制。這種控制系統(tǒng)常由上、下位機構成。上位機做運動規(guī)劃，將要執(zhí)行的運動轉化為各個關節(jié)的運動，按控制周期傳給下位機。下位機進行運動的插補運算及對關節(jié)進行伺服，所以常用多軸運動控制器作為機器人的關節(jié)控制器。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.2最基本的控制方法（2）軌跡控制如果要求機器人沿著一定的目標軌跡運動則是軌跡控制。對于工業(yè)生產(chǎn)線上的機械臂，軌跡控制常用示教再現(xiàn)方式。示教再現(xiàn)分兩種：點位控制（ＰＴＰ），用于點焊、更換刀具等情況；連續(xù)路徑控制（ＣＰ），用于弧焊、噴漆等作業(yè)。如果機器人本身能夠主動地決定運動，那么可經(jīng)常使用路徑規(guī)劃加在線路徑跟蹤方式進行控制。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.2最基本的控制方法（3）利用傳感器反饋的運動調整借助于力傳感器反饋力信息，機器人在與環(huán)境之間可能出現(xiàn)臂和手受到環(huán)境約束而發(fā)生過大的力而造成損壞的狀態(tài)下，機器人就可以適應環(huán)境，修改預先規(guī)劃的軌跡，并調整運動，最終讓整個機器人的行動符合任務的需求。機器人靠腿、腳進行移動時，若地面的平整度有尺寸誤差，機器人則可能失去平衡。在這種情況下，也需要通過將著地點的力加以反饋，以調整運動，實現(xiàn)適應地面的平穩(wěn)步行。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.3現(xiàn)代控制方法（1）自適應控制當機器人的動力學模型存在非線性和不確定因素，含未知的系統(tǒng)因素（如摩擦力）和非線性動態(tài)特性（重力、哥氏力、向心力的非線性），以及機器人在工作過程中環(huán)境和工作對象的性質和特征的變化時，機器人在運行過程中不斷測量受控對象的特征，根據(jù)測量的信息使控制系統(tǒng)按新的特性實現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制，稱為自適應控制（adaptivecontrol

）。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.3現(xiàn)代控制方法（1）自適應控制自適應控制分為模型參考自適應控制（modelreferenceadaptivecontrol）和校正自適應控制（selfturningadaptivecontrol）。模型參考自適應控制系統(tǒng)結構輸入r(t)可調節(jié)控制器參考模型自適應算法機器人動力學輸出x(t)uy(t)輸入r(t)可調節(jié)控制器控制器參數(shù)修正系統(tǒng)辨識機器人動力學輸出x(t)自校正自適應控制系統(tǒng)結構第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.3現(xiàn)代控制方法（2）智能控制技術智能機器人系統(tǒng)具有以下特征：①模型的不確定性;②系統(tǒng)的高度非線性;③控制任務復雜性。學習控制是人工智能技術應用到機器人領域的一種智能控制方法。已提出多種機器人控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、基于感知器的學習控制、基于小腦模型的學習控制等。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.1機器人系統(tǒng)組成2.1.3控制系統(tǒng)

2.1.3.4其他控制

除了上述控制方法之外，人們也正在模仿生物體的控制機理，研究仿生型的而非模型的控制法，目前基于神經(jīng)振子所生成和引入的節(jié)奏模式已經(jīng)實現(xiàn)了穩(wěn)定的四足機器人、雙足機器人的步行控制，基于行為的控制方法已和集中式控制方法相結合，應用到足球機器人的控制系統(tǒng)中。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.1機器人系統(tǒng)設計的基本原則

機器人系統(tǒng)是一個典型的完整機電一體化系統(tǒng)，是一個包括機械結構、控制系統(tǒng)、傳感器等的整體。對于機器人這樣一個結合了機械、電子、控制的系統(tǒng)，在設計時首先要考慮的是機器人的整體性、整體功能和整體參數(shù)，然后再對局部細節(jié)進行設計。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.1機器人系統(tǒng)設計的基本原則

機器人設計的整體性原則：（1）機器人系統(tǒng)任何一個部件或者子模塊的設計都會對機器人的整體功能和性能產(chǎn)生重要的影響。（2）機器人的工作環(huán)境對機器人的整體設計也有較大影響。如果機器人用在宇宙空間的環(huán)境里，那么無論是機械結構設計還是控制系統(tǒng)都要考慮溫度的變化、重力的影響或者電磁干擾強度等；若機器人工作在顛簸的環(huán)境，那么機械結構及控制系統(tǒng)的整體抗振則是設計時要注意的；若機器人用于醫(yī)療領域，則對機器人的噪聲污染有著嚴格的要求。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.1機器人系統(tǒng)設計的基本原則

控制系統(tǒng)設計優(yōu)先于機械結構設計（理論設計優(yōu)先于實際設計）原則：設計機器人之初，首先考慮的是機器人要實現(xiàn)的功能，然后根據(jù)功能要求來設計機器人的性能參數(shù)。控制系統(tǒng)的設計更多的是對現(xiàn)有資源的整合和集成，總體方案設計完成之后，先確定控制系統(tǒng)的基本方案，在進行理論推導及實驗仿真等驗證是否滿足設計要求后，根據(jù)控制硬件的尺寸才能進行機械結構設計。這一設計原則的缺點是機械設計部分放在最后，機械加工周期影響了機器人的總體研制進度，總體設計周期比較長。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.2機器人系統(tǒng)設計的階段

機器人系統(tǒng)的設計一般可以分成以下三個階段：（1）總體方案設計

首先明確機器人的設計目的，根據(jù)設計目的確定機器人的功能要求。然后由功能要求設計者就可以明確機器人的設計參數(shù)。設計參數(shù)對機器人而言是表征設計方案的關鍵物理參數(shù)，其可以表示為機器人的各個子模塊組件。將設計參數(shù)以集合的方式表示則可以表述為總體的設計方案。最后是進行方案比較，在初步提出的若干方案中通過對工藝生產(chǎn)、技術和價值分析之后選擇最佳方案。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.2機器人系統(tǒng)設計的階段

機器人系統(tǒng)的設計一般可以分成以下三個階段：（2）詳細設計在總體方案確定之后，根據(jù)控制系統(tǒng)設計優(yōu)先于機械結構設計原則，首先要做的就是根據(jù)總體的功能要求選擇合適的控制方案。從控制器所能配置的資源來說，有兩種控制方式：集中式和分布式。集中式是將所有的資源都集中在一個控制器上，而分布式則是讓不同的控制器負責機器人不同的功能。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.2機器人系統(tǒng)設計的階段

機器人系統(tǒng)的設計一般可以分成以下三個階段：（2）詳細設計在控制方案確定之后，根據(jù)選定的控制器方案選擇驅動方式。機器人的驅動方式主要有液壓、氣動和電動這三種，設計者可以根據(jù)機器人的負載要求來進行選擇。電動驅動方式還可分為伺服電機、步進電機和普通電機等。根據(jù)機器人上的電源類型選擇交流電機或者直流電機。在確定電機之后，可以選擇相應廠家提供的配套驅動器，也可以選擇通用驅動器。正確選擇驅動器能夠給電機提供足夠大的電流和對電機進行保護。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.2機器人系統(tǒng)設計的階段

機器人系統(tǒng)的設計一般可以分成以下三個階段：（2）詳細設計控制系統(tǒng)的設計以及驅動方式確定以后就可以開始機械部分的設計。機器人的機械設計一般包括末端執(zhí)行器、臂部、腕部、機座和行走機構等的設計，在設計過程中可以采用模塊化設計，這樣做不但可以使整個機器人的設計采用并行設計，大大縮短設計和加工時間，而且即使機器人的某一模塊損壞，也可以單獨更換，甚至可以不影響其他模塊的運行，這為機器人的調試、維護和檢修帶來了便利。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.2機器人系統(tǒng)設計的階段

機器人系統(tǒng)的設計一般可以分成以下三個階段：（2）詳細設計機器人設計過程中最主要的設計問題之一是傳動系統(tǒng)設計，傳動系統(tǒng)的好壞將直接影響機器人的穩(wěn)定性、快速性和精確性等性能參數(shù)。機器人的傳動系統(tǒng)除了常見的齒輪、鏈輪、蝸輪蝸桿和行星齒輪傳動外，還廣泛的采用滾珠絲杠、諧波減速裝置和繩輪鋼帶等裝置。由于傳動裝置對控制性能的重要影響，在條件許可的情況下，傳動系統(tǒng)應避免自己加工制造，盡可能地采用知名廠家成熟的傳動產(chǎn)品。而且現(xiàn)在有的電機廠家把傳動系統(tǒng)和電機做成一體，這種方式十分適合研制批量小、傳動精度要求高、經(jīng)費允許的機器人。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人系統(tǒng)的設計方法2.2.2機器人系統(tǒng)設計的階段

機器人系統(tǒng)的設計一般可以分成以下三個階段：（2）詳細設計機器人的機械設計與一般機械設計的特殊之處：

I、機器人的機械結構一般可以是由一系列連桿通過旋轉關節(jié)（和移動關節(jié)）連接起來的開式空間運動鏈，也可以是類似并聯(lián)機器人的閉式或混聯(lián)空間運動鏈。這樣的復雜空間鏈機構使得機器人的運動分析和靜力分析十分復雜，而這樣的機器人系統(tǒng)也是一個多輸入多輸出、非線性、強耦合、位置時變的動力學系統(tǒng)，動力學分析也異常復雜。因此，即使經(jīng)過一定程度的簡化，也需要建立一套區(qū)別于一般機構的專門針對機器人空間機構的運動學、靜力學和動力學分析方法。第2章機器人系統(tǒng)及設計方法2.2機器人