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机器人技术基础 教学内容 机器人运动学机器人动力学机器人轨迹规划机器人的控制教学时数 32学时 1 2 3 第一章概述 通常讲的机器人 是指工业机器人 机械手等 从外形来看 它和人的手臂相似 和 人 并不相似工业机器人的连杆相当于人的骨架 分别类似于胸 上臂和小臂工业机器人的关节相当于人的腰关节 肩关节 肘关节和腕关节操作臂的前端装有末端执行器和相应的工具 也常称为手和手爪 4 腰关节肩关节肘关节腕关节 5 1 1机器人与自动化 数控 NC 装置是柔性自动化的中心环节 也是工业机器人技术基础之一 图示为带视觉系统的NC搬运机器人的工作情况 6 工业机器人的产生还和遥控机械手有关系 7 机器人学是一门研究机器人的设计 制造和使用的学科机器人的出现引起了许多科学和技术的变革 特别的 对于设计和控制领域的影响是难以估量的 机器人设计的特点 1 操作臂的串联开式结构 存在误差和变形的累积 机械刚度 精度都很差 2 操作臂的开链结构使得操作臂的位移方程非常复杂 因此 需要寻求有效的分析方法来建立操作臂的运动方程及其反解 3 操作臂的动力学求解非常复杂 是个多输入 多输出的非线性的强耦合的位置时变的动力学系统 4 建立机器人有效的控制系统设计方法5 开发有效的手段和装置来识别工件位置 并将其坐标信息与其它外设进行通信 8 机器人定义机器人是实现柔性自动化中最典型的机电一体化装置 是由各种外部传感器引导的 带有一个或多个末端执行器 利用计算机软件 在其工作空间内对真实物体进行操作的 可控制的机械装置 9 一 机器人的应用1 工业机器人工业机器人大多用于简单 重复 繁重的工作 如上 下料 搬运等 以及工作环境恶劣的场所 如喷漆 焊接 清砂和清理核废料等 2 极限环境作业机器人机器人代替人类在有危险的环境里工作 如有放射性的地方 被污染的环境 煤矿 深海和太空等极限恶劣环境 高层建筑或油田灭火等环境 3 医疗福利机器人对患有先天性疾病 慢性病或因意外事故失去部分人体机能的病人进行补偿的机械和用来为残疾人服务的机械统称医疗福利机器人 如动力假肢 护理机器人 导盲犬机器人等 1 2机器人的应用 10 二 机器人研究的现状第一代机器人具有示教再现功能或可编程的数控系统 设有位置 速度 力等内部传感器及其控制系统和伺服机构 第二代机器人 不仅具有内部传感器 还能利用外部传感器探测外部环境和操作对象的有关信息 来改变行动 进行规划 适应外界的变化和干扰 第二代机器人的中心技术是传感器技术和微机控制技术 第三代机器人 即智能机器人 极大的扩展机器人的应用领域 是当前研究的重点 智能机器人本身能够认识工作环境 工作对象及其状态 它根据人给与的指令和 自身 认识环境的结果 独立的决定工作方式 由操作机构和移动机构实现任务目标 并能适应工作环境的变化 1 2机器人的应用 11 智能机器人最大特点是 只需要告诉它 做什么 而不用告诉它 怎么做 智能机器人应具有四种机能 运动机能 相当于人的手和脚 臂和腿的工作机能 对环境施加作用 感知机能 获取外部环境信息以便进行自我行动决策和监视的机能 通常讲的视觉 听觉等 思维机能 求解问题的认识 推理 判断机能 人 机通信机能 理解指示命令 输出内部状态 与人进行信息交换的机能 智能机器人的 智能 特征在于它具有与外部世界 对象 环境和人相适应 相协调的工作机能 从控制方式看 智能机器人不同于工业机器人的 示教再现 也不同于遥控机器人的 主 从操纵 而是以一种 认知 适应 的方式自律的进行操作 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 1 3机器人结构 机器人操作臂 由连杆和关节顺序相连的开式链 机器人关节 称运动副 决定两个相邻连杆之间的连接关系 运动副高副和低副 两连杆之间相对运动 若是面接触 称为低副结构 若是线接触或点接触 则称为高副结构 常见的低副结构有六种 旋转副 移动副和螺旋副具有一个自由度 圆柱副具有两个自由度 平面副和球面副具有三个自由度 35 一 操作臂工作空间形式机器人手臂关节的种类决定了操作臂工作空间的形式 按关节的形式操作臂工作空间形式分成五类机器人关节1关节2关节3旋转关节数直角坐标式PPP0圆柱坐标式RPP1球 极 坐标式RRP2SCARARRP2关节式RRR3 P表示移动关节 R表示转动关节 36 这种机器人的三个关节都是移动副 关节轴线相互垂直 手腕参考点P的位置可表示为P P x y z 主要特点是 结构刚度高 运动学求解简单 工件的装卸 夹具的安装等受到立柱 横梁等构件的限制 占地面积大 动作范围小 操作灵活性差 1 直角坐标机器人 37 2 圆柱坐标机器人这种机器人的两个关节是移动副 一个关节是转动副 以 z r构成圆柱坐标系 手腕参考点P的位置可表示为P P z r 这种机器人的主要特点是空间定位比较直观 手臂收回后 其后端可能与工作空间的其它物体相碰 移动副不易保护 38 3 球 极 坐标机器人这种机器人的两个关节是转动副 一个关节是移动副 以 r构成极坐标系 手腕参考点P的位置可表示为P P r 这类机器人占地面积小 工作空间较大 但移动关节不易防护 39 4 SCARA机器人这类机器人有两 或三 个轴线平行的转动关节 另有一个移动关节 手腕参考点P的位置可表示为P P 1 2 Z 这类机器人结构轻便 响应快 机器人运动速度可达10m s 比一般关节式机器人快数倍 他最适用于平面定位 垂直方向进行装配的作业 40 5 关节式机器人这类机器人有三个转动关节 一个肩关节绕铅直轴旋转 另一个肩关节实现俯仰 这两个肩关节轴线正交 手腕参考点P的位置可表示为P P 1 2 3 在作业空间内手臂的干涉最小 结构紧凑 占地面积小 关节上相对运动部位容易密封防尘 这类机器人运动学较复杂 运动学反解困难 确定末端件的位姿不直观 进行控制时 计算量比较大 41 二 手腕的形式机器人的手腕是手臂与手爪之间的衔接部分 用于改变手爪在空间的方位 有些手腕往往还装有力传感器 用于检测外力的作用 手腕的结构一般比较复杂 直接影响机器人的灵巧性 最普遍的手腕是由二个或三个相互垂直的关节轴组成 手腕的第一个关节就是机器人的第四个关节 1 二自由度球形手腕最简单的手腕是Picth Roll球形手腕 由三个锥齿轮A B C组成差动机构 其中齿轮C与工具Roll轴固接 而齿轮A和B分别通过链传动 或齿形皮带 与两个驱动马达相连 形成差动机构 当齿轮A和B同速反向旋转时 工具绕Roll轴转动 转速与A B 相同 当齿轮A和B同速同向旋转时 工具将绕Picth轴转动 一般情况下 其转动是上述两种旋转的合成 即 r 1 2 A B p 1 2 A B 42 三自由度手腕的 1与 2 2与 3的轴线垂直 三轴交于一点 它是由安装在远距离的驱动装置带动几组伞齿轮旋转 设输入的转角是 1 2和 3 相互啮合的齿轮齿数相等 则输出的关节角为 1 1 2 1 2 3 2 1 2 3 三轴垂直相交的手腕 在理论上 即关节角可转3600的情况下 可以达到任意的姿态 但是由于关节角通常受到结构的限制 并非能够达到任意姿态 2 三轴垂直相交的手腕 43 3 连续转动的手腕这种手腕有三个相交的关节轴 但不相互垂直 其特点是三个关节角不受限制 可以转3600 达到连续转动 但是这种非正交轴的手腕不可能使末端件达到任意的姿态 手腕的第三轴不可达到的方位在空间是一个维体 在使用时 将手腕安装到手臂上的位置使得手臂连杆恰好占据不可达到的锥空间 上面介绍的两种三自由度的手腕的共同点是三轴相交于一点 这个交点通常取为腕坐标的原点 成为腕参考点 44 三 闭链结构操作臂 Stewart机构是具六个自由度的闭链操作臂 这种操作臂将手臂三个自由度和手腕的三个自由度集成在一起 具有闭环结构的共同特点 刚度高 但连杆的运动范围十分有限 这种机构的运动学反解特别简单 而运动学方程的建立非常复杂 机构自由度公式 F 6 L n 1 fiL 连杆数 n 关节数 fi 第I个关节的自由度数L 14 n 18 其中 6个万向节 自由度为3 6个球套节 自由度为2 6个移动副 自由度为1 则 F 6 14 18 1 36 6 45 四 手爪 手爪功能 手爪亦称抓取机构 通常是由手指 传动机构和驱动机构组成 手爪用于抓取物体 并进行细微操作 手爪设计要点 自身的大小 形状 结构和自由度 手爪设计依据 作业对象的大小 形状和位姿等几何条件 重量 硬度 表面质量等物理条件 手爪与被抓物体的接触状态 物体表面状况 足够的夹持力 适当的精度 手爪类型 吸盘式手爪 真空吸盘和电磁吸盘等 承托型的叉子和悬挂式手爪 吊钩等 手爪结构形式 夹持式手爪 多关节手爪和顺应手爪 46 1 夹持式手爪夹持式手爪可用手指的内侧面夹持物体的外部 也可将手指深入到物体的孔内后 用其外侧卡住物体 这种手爪大多事二手指或三手指的 按手指的运动形式可分为三种 a 回转型 当手爪夹紧和松开物体时 手指作回转运动 当被物体的直径大小变化时 需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变 47 b 平动型 手指由平行四杆机构传动 当手爪夹紧和松开物体时 手指姿态变 作平动 和回转型手爪一样 夹持中心随被夹物体直径的大小而变 c 平移型 当手爪夹紧和松开工件时 手指作平移运动 并保持夹持中心固定不变 不受工件直径的影响 a 靠连杆和导槽保持手指作平移运动 并使夹持中心位置不变 这类手爪也称为同心夹持结构 b 齿轮齿条推动手指平移 c 经双向螺杆驱动手指平移 48 2 多关节多指手爪这类手爪一般有三个或四个手指构成 每个手指相当于一个操作臂 有三个或四个关节 与人的手十分相似 也成拟人手 用于抓取复杂形状的物体 实现细微操作 图表示由三个手指共11个关节组成的手爪 各关节分别用直流电动机驱动 经钢丝绳和绳轮实现远距离传动 以缩小体积 减轻手爪的重量 手指的控制 随自由度的增加而趋于复杂 其技术关键是手指之间的协调控制 并根据作业要求实现位姿和力之间的转换 49 3 顺应手爪所谓顺应是指手爪具有所要求的柔性 其动作能适应工作环境 而不需要复杂的控制系统 在装配作业中 把销轴装入孔中的被动顺应机构 又称为RCC机构 其特点是在销轴远离夹持部位的顶端形成一个顺应中心 当销轴与孔接触时 因为不同心可引起销轴移动和绕顺应中心转动 修正轴与孔的相对方位 使销轴能准确的插入孔内 这样可在缺少传感器的情况下 实现顺应动作 完成装配作业 这种机构相当于在手腕和手爪之间装有一个6自由度的弹簧装置 选择手爪形式时 要考虑各方面的因素 如工作能力 结构形式 控制性能 工作任务 作业环境 技术水平等 经综合分析后确定最佳方案 50 1 4机器人规格机器人规格包括 驱动方式 坐标轴形式 工作空间 控制插补方法 坐标轴的数目 承载能力 速度 定位精度和重复性 运行环境等 一 驱动方式电气驱动 直流伺服电机 直流步进电机和交流伺服电机驱动液压驱动和气动等 二 控制插补方法点位控制 点位控制仅要求工具通过一系列空间的点 点与点之间的路径并不严格要求 这类控制常用于点焊 上 下料 抓 放等作业 连续控制 连续路径 也称可控路径 控制是指末端执行器可跟踪三维空间中规定的路径 这是个富于挑战性的控制问题 他常应用于喷漆 弧焊和粘接等操作 51 三 坐标轴数坐标轴数也称自由度数 实质描述物体运动所需要的独立坐标数 一般机器人具有六个自由度 三个自由度由手臂实现 称为主自由度 决定手腕的位置 另外三个自由度 腕部各关节 决定手爪的姿态方位 多于六个自由度的机器人具有冗余度 对于避免碰撞和改善力学性能非常有利 具有更大的灵活性 许多机器人和机械手只有4个自由度 如SCARA型机器人 进行平面作业 装配 加工中心用换刀机械手一般是2 4个自由度的 52 四 工作空间工作空间表示机器人的工作范围 它是指机器人运动时手腕参考点或工具安装点能够达到的所有空间区域 五 承载能力规定在高速运行时以所能抓取物体的重量作为承载能力的指标 六 速度和循环时间为了提高生产率 对速度要求愈来愈高 要求缩短整个运动循环时间 运动循环过程 启动加速 等速运动和减速制动三个阶段 保证定位精度 提高加 减速的能