機器人學及其應用導論 課件 第二章 機器人結構與驅動

《機器人學及其應用—導論》第二章機器人結構與驅動陶永

北京航空航天大學

提綱123機器人的性能

機器人的關節(jié)傳動

機器人的機械結構機械結構由連桿、關節(jié)等部分組成。PUMA560機器人一、機器人的機械結構連桿描述

工業(yè)機器人可以看成由一系列剛體通過關節(jié)連接而成的一個運動鏈，我們將這些剛體稱為連桿。通過關節(jié)將兩個相鄰的連桿連接起來。一、機器人的機械結構機械結構：連桿定義：連桿機構（LinkageMechanism）又稱低副機構，是機械的組成部分中的一類，指由若干（兩個以上）有確定相對運動的構件用低副（轉動副或移動副）聯(lián)接組成的機構。組成類型：平面連桿機構；空間連桿機構優(yōu)缺點：優(yōu)點：面接觸、承載大、便于潤滑、不易磨損，形狀簡單、易加工、容易獲得較高的制造精度；改變桿的相對長度，從動件運動規(guī)律不同；兩構件之間的接觸是靠本身的幾何封閉來維系的，它不像凸輪機構有時需利用彈簧等力封閉來保持接觸；連桿曲線豐富，可滿足不同要求。缺點：構件和運動副多，累積誤差大、運動精度低、效率低；產生動載荷（慣性力），且不易平衡，不適合高速；設計復雜，難以實現(xiàn)精確的軌跡。生活輔助、醫(yī)療、助老助殘等平面連桿結構圖空間連桿結構圖連桿描述當兩個剛體之間的相對運動是兩個平面之間的相對滑動時，連接相鄰兩個剛體的運動副稱為低副。下圖所示為六種常用的低副關節(jié)。關節(jié)類型（低副）1.轉動副2.移動副3.圓柱副4.平面副5.螺旋副6.球面副連桿描述從操作臂的固定基座開始為連桿進行編號，可以稱固定基座為連桿0。第一個可動連桿為連桿1，以此類推，操作臂最末端的連桿為連桿n。7一、機器人的機械結構關節(jié)是各桿件間的結合部分，是實現(xiàn)機器人各種運動的運動副；

由于機器人的種類很多，其功能要求不同，關節(jié)的配置和傳動系統(tǒng)的形式都不同。機器人的關節(jié)結構組成連桿體由三部分構成：與活塞銷連接的部分稱連桿小頭；與曲軸連接的部分稱連桿大頭；連接小頭與大頭的桿部稱連桿桿身。連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個高應力區(qū)域。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的鋼性和韌性。一、機器人的機械結構9機器人的結構(TheStructureofRobot)機器人主要由執(zhí)行機構、驅動和傳動裝置、傳感器和控制器四大部分構成。記憶、示教裝置控制裝置驅動傳動裝置傳感器工業(yè)機器人系統(tǒng)結構一、機器人的結構10執(zhí)行機構：機器人的足、腿、手、臂、腰及關節(jié)等，它是機器人運動和完成某項任務所必不可少的組成部分。驅動和傳動裝置：用來有效地驅動執(zhí)行機構的裝置，通常采用液壓、電動和氣動，有直接驅動和間接驅動二種方式。傳感器：是機器人獲取環(huán)境信息的工具，如視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、力覺、滑覺和接近覺傳感器等，它們的功能相當于人的眼、耳、鼻、皮膚及筋骨。控制器：是機器人的核心，它負責對機器人的運動和各種動作控制及對環(huán)境的識別。

一、機器人的結構（1）控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)是機器人的“大腦”它通過各種控制電路硬件和軟件的結合來操縱機器人，并協(xié)調機器人與生產系統(tǒng)中其他設備的關系。（2）驅動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是指驅動操作機運動部件動作的裝置，也就是機器人的動力裝置，機器人使用的動力源有：壓縮空氣、壓力油和電能。（3）工業(yè)機器人機械本體

是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機械。（4）末端執(zhí)行器

工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器是指連接在操作機腕部的直接用于作業(yè)的機構，他可能適用于抓取搬運的手部（爪），也可能適用于噴漆的噴槍，或用于焊接的焊槍、焊鉗，或打磨用的砂輪以及檢查用的測量工具等。工業(yè)機器人的構成傳感器：機器人在執(zhí)行任務時，不僅需要人們對它輸入指令，在很多情況下也需要機器人具有自我感知外界條件變化，并做出正確反應的能力?，F(xiàn)在比較成熟的是攝像頭、顏色、聽力與電子羅盤等來作為機器人的傳感器，而最前沿的技術則是環(huán)境感知技術，其中有一點就是機器人可以感應人類的腦電波。機器人關節(jié)實例仿人機器人的關節(jié)運動新一代串聯(lián)工業(yè)機器人關節(jié)運動提綱123機器人的機械結構

機器人的性能

機器人的關節(jié)傳動齒輪減速器蝸輪蝸桿減速器諧波減速器行星減速器減速器是一種由封閉在剛性殼體內的齒輪傳動、蝸桿傳動、齒輪-蝸桿傳動所組成的獨立部件，常用作原動件與工作機之間的減速傳動裝置。減速器15

傳動裝置二、機器人的關節(jié)傳動在原動機和工作機或執(zhí)行機構之間起匹配轉速和傳遞轉矩的作用，在現(xiàn)代機械中應用極為廣泛！驅動裝置——步進電機驅動器反應式步進電動機：也叫感應式、磁滯式或磁阻式步進電動機。其定子和轉子均由軟磁材料制成，定子上均勻分布的大磁極上裝有多相勵磁繞組，定、轉子周邊均勻分布小齒和槽，通電后利用磁導的變化產生轉矩。永磁式步進電動機：通常電機轉子由永磁材料制成，軟磁材料制成的定子上有多相勵磁繞組，定、轉子周邊沒有小齒和槽，通電后利用永磁體與定子電流磁場相互作用產生轉矩?；旌鲜讲竭M電動機：也叫永磁反應式、永磁感應式步進電動機，混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。其定子和四相反應式步進電動機沒有區(qū)別，轉子結構較為復雜。16二、機器人的關節(jié)傳動驅動裝置——無刷直流電機無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。17二、機器人的關節(jié)傳動無刷直流電機主體無刷直流電機驅動器由于無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。驅動裝置——伺服驅動器二、機器人的關節(jié)傳動伺服驅動器的作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。

一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位，目前是傳動技術的高端產品。伺服驅動器伺服電機剖視圖伺服電機及其驅動器廣泛應用于機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、自動化生產線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設備。串聯(lián)機器人：19二、機器人的關節(jié)傳動串聯(lián)結構操作手是較早應用于工業(yè)領域的機器人。機器人操作手開始出現(xiàn)時，是由剛度很大的桿通過關節(jié)連接起來的。PUMA型機器人Stanford型機器人二、機器人的關節(jié)傳動并聯(lián)機器人：并聯(lián)機構，可定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅動的一種閉環(huán)機構并聯(lián)結構特點：無累積誤差，精度較高驅動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應好結構緊湊，剛度高，承載能力大完全對稱的并聯(lián)機構具有較好的各向同性工作空間較小提綱123機器人的機械結構

機器人的關節(jié)傳動

機器人的性能

機器人的重要組件：電源、執(zhí)行器、電動機、致動器，另外還有氣動人工肌肉、記憶合金、壓電電機等可以提高機器人性能的組件。電源和能量存儲：供電方式可分為電纜供電和電池供電，電纜供電一般用于工業(yè)機器人，電池供電可選擇鉛酸蓄電池、鋰電池等。執(zhí)行器：執(zhí)行器之于機器人，相當于肌肉之于人。電動機轉動齒輪是最常見的執(zhí)行器（比如航模中的舵機也是一種執(zhí)行器）。氣泵、電力直驅與化學能也是發(fā)展中的驅動器。電動機：在電機的選擇上，一般的會采用直流電機。高端的也會選擇無刷直流電機（工業(yè)機器人有可能使用交流電機）。機器人組件的性能與選擇線性致動器：很多人看到“線性致動器”的時候很陌生，其實光驅或者DVD播放機，按下開倉鍵，光盤架自動伸出或收回的動作就是依靠線性致動器來實現(xiàn)的。對于機器人來說，完成拾升動作，線性致動器是個不錯的方式。彈性致動器：對行走機器人而言，行走機械如果以非常硬朗的方式觸地，對機身容易造成損害，而且很容易摔倒。如果在驅動部分加入彈性致動器，就能緩沖這種震動，而它的功能更像是汽車的懸架。氣動人工肌肉：利用一種特殊的纖維編織成囊狀，然后利用空氣的壓縮與釋放來驅動整個關節(jié)的運動，從而達到與人體肌肉極為相似的運動效果。相比傳統(tǒng)機器人通過舵機控制手指，氣動肌肉驅動手指的力度就會更加溫柔，可以拿起雞蛋這樣脆弱的物品。機器人組件的性能與選擇形狀記憶合金：形狀記憶合金一般通過加熱來恢復原狀。一些小型機器人由于無法容納彈性致動器就會使用到這種技術。電活性聚合物：電活性聚合物，是指只要對其施加上電場，材料的大小就會發(fā)生改變。壓電電機：用壓電材料做成電機，然后再用超聲波來提供機械壓力，就得到一種超低功耗而且很靜音的馬達。在機器人領域，月球機器人就會使用超聲波馬達，這是因為這種馬達如果不施加機械力，其轉軸就會鎖死，從而不需要花費電力用于車輪鎖止系統(tǒng)，加上其能耗極低，所以成為月面機器人的最佳驅動力來源。碳納米管同體積條件下碳納米管比鋼的強度要大100倍，但其質量卻不到鋼的15%，如果將其用來做纖維并編織成人工肌肉，可以儲備的彈性勢能將非常強大。機器人組件的性能與選擇機器人性能指標速度加速度自由度分辨率與精度三、機器人的性能PUMA260機器人結構圖位姿精度機器人性能演示錄像三、機器人的性能ABB工業(yè)機器人高精度運動控制ibot公司智能輪椅精確控制機械臂類型自由度最大工作范圍(mm)重量(kg)載荷(kg)載重比重復精度(mm)末端速度(m/s)柔順性Barret710002540.16±0.103.00NoKRAgilus6R70067065060.12±0.032.00NoLWAPowerball670012.560.48±0.06NoLWAPA10793035100.286±0.101.55NoSIA5F75593050.167±0.06NoVS-6577G-B68543670.194±0.038.20NoLBRiiwa7R800780022.370.314±0.10YesUR5685018.450