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第二章机器人基本结构 邵长星starshao 1 机器人基本构成 不同类型机器人机械 电气 控制结构不同 机器人系统通常三大部分 机械部分 传感部分和控制部分 六个子系统 驱动系统 机械系统 感知系统 人机交互系统 机器人环境交互系统 控制系统等组成 2 机械系统 机械系统又称操作机或执行机构系统 由一系列连杆 关节或其他形式的运动部件组成 通常包括机座 立柱 腰关节 臂关节 腕关节和手爪等 构成多自由度机械系统 工业机器人机械系统由机身 手臂和末端执行器组成 机身可具有行走机构 手臂一般有上臂 下臂和手腕组成 末端执行器直接装在手腕上 可以是两手指或多手指手爪 可以是喷漆枪 焊枪等作业工具 3 驱动系统感知系统 驱动系统主要指驱动机械系统的机械装置 根据驱动源不同可分为电动 液压 气动三种或三者结合一起的综合系统 驱动系统可以直接与机械系统相连 或通过皮带 链条 齿轮等机械传动机构间接相连 感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成 获取内部和外部环境状态信息 确定机械部件各部分的运行轨迹 状态 位置和速度等信息 使机械部件各部分按预定程序和工作需要进行动作 智能传感器的使用提高了机器人的机动性 适应性和智能化水平 人类感知系统对外部信息获取比较灵巧 但一些特殊信息传感器感知更有效 4 控制系统 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能 若不具备信息反馈特种 则为开环控制系统 具备信息反馈特征则为闭环控制系统 根据控制原理可分为程序控制系统 适应性控制系统 人工智能控制系统 根据控制运动形式分为点位控制和轨迹控制 5 交互系统 机器人 环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统 机器人可以与外部设备集成为一个功能单元 如加工制造单元 焊接单元 装配单元等 也可以是多台机器人 多台机床 设备 零件存储装置等集成为一个可执行复杂任务的功能单元 人机交互系统是操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置 如计算机终端 指令控制台 信息显示板及危险信号报警器等 主要有两类 指令给定装置和信息显示装置 6 机器人主要技术参数 机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作 具有的最高操作性能等情况 是选择 设计 应用机器人所必须考虑的问题 主要技术参数有 自由度 分辨率 精度 重复定位精度 工作范围 承载能力及最大速度等 7 自由度 机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目 一般不包括手部 末端操作器 的开合自由度 表示了机器人动作灵活的尺度 一般描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度 机器人自由度是根据用途设计的 可多用六个自由度 也可小于六个自由度 三自由度机器人 底座水平转动 上臂弯曲 肘弯曲 自由度多通用性好 但结构复杂 矛盾 工业机器人自由度选择与生产要求有关 批量生产要求速度快 可靠性高 自由度可以少些 更换产品 增加柔性 自由度可多 工业机器人自由度一般4 6个 7个以上为冗余自由度 主要增加避障 8 分辨率 分辨率由系统设计检测参数决定 受位置反馈检测单元性能影响 分为编程分辨率和控制分辨率 统称系统分辨率 编程分辨率指程序中可以设定的最小距离单位 又称基准分辨率 如电动机旋转0 1度 指尖移动直线距离0 01mm 控制分辨率是位置反馈回路能检测到的最小位移量 如1000线增量式码盘 0 36度 9 精度 机器人精度主要依赖于机械误差 控制算法误差和分辨率系统误差 机械误差主要产生于传动误差 关节间隙 连杆机构挠性 传动误差由齿轮间隙 螺距误差等引起 关节间隙由关节处的轴承间隙 谐波齿隙等引起 挠性随机器人位形 负载变化而变化 控制算法误差指算法能否得到精确描述的直接解和运算字长造成的BIT误差 小 分辨率系统误差可取1 2基准分辨率 机器人精度可以认为1 2基准分辨率和机械误差的综合 若机械综合误差达到1 2分辨率 则精度等于分辨率 10 重复定位精度 重复定位精度是关于精度的统计数据 任何一台机器人在同一环境 同一条件 同一动作 同一指令下 每一次动作位置不可能完全一致 重复定位精度是指各次不同位置距离平均位置的最大偏差 重复定位精度 0 2 不同速度 不同方位反复试验次数越多重复定位精度评价越准确 11 工作范围 指手臂安装点或手腕中心所能达到的空间区域 末端操作器形状尺寸多样 不考虑 机器人工作范围的形状和大小非常重要 作业死区 和自由度数目和组合有关 12 工作速度承载能力 工作速度是指机器人在工作载荷条件下 匀速运动过程中 机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度 一般给出主要运动自由度的最大稳定速度 实际还要考虑最大加速度变化率和最大减速度变化率 效率速度 动作平稳和精度 承载能力指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载 一般用质量 力矩 惯性矩表示 还和运行速度和加速度大小方向有关 一般规定高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标 13 人手臂机能初步分析 人上肢分大臂 小臂 手部 6个自由度 手21个自由度 考虑被夹持物的大小 形状 姿态 重量 软硬 外力及放置环境 14 工业机器人本体结构 本体结构指机体结构和机械传动系统 是机器人的支持基础和执行机构 结构形式多样 通常由手部 手腕 手臂 机身 行走机构组成 手部 手抓或末端操作器 配在手腕上 抓取物体 手腕 改变手部空间方向并将作业载荷传到手臂 独立自由度 手臂 将被抓取工件传送到给定位置 并将载荷传递到机座 机身 支撑作用 基础部分 移动机构 移动机器人 一定空间范围内运动 臂杆质量小 结构静 动态刚度高 固有频率避开机器人工作频率 15 机器人本体材料 从结构动力学特性出发选择材料要求 强度高 减少臂杆截面积 减轻质量 弹性模量大 变形小 刚度大 重量轻 减小惯性力 选高弹性模量 低密度材料 阻尼大 运动后平稳停下 加大阻尼 吸收残余振动能量 经济性 16 机器人本体常用材料 碳素结构钢和合金结构钢 强度大 弹性模量大 抗变形能力强 应用最广 铝 铝合金及其他轻合金 弹性模量不大 但密度小 比值可与钢相比 纤维增强合金 石墨纤维增强镁合金 弹性模量 密度非常大 昂贵 陶瓷 品质良好 易碎 日本 小型高精度机器人使用 纤维增强复合材料 比值大 阻尼大 叠层复合材料 老化 蠕变 高温膨胀等问题 高速机器人应用 粘弹性大阻尼材料 对构件进行约束阻尼处理 减小振动 17 机器人手部 手部特点 与手腕相连可拆卸 电 气 液接口 根据对象不同可以方便拆卸更换 末端执行器 手 爪 工具 通用性差 专用装置 某类工件某项作业任务 独立部件 机身 手臂和手部 完成作业好坏以及柔性作业好坏的关键部件 手部是最重要的执行机构 功能和形态上分为工业机器人手部和仿人机器人手部 手部主要是用来握持工件或工具进行操作 由于握持对象的形状 尺寸 重量 材质的不同 其工作原理和形态结构也不同 按握持原理可分为夹钳式和吸附式两类 18 机器人手部分类 功能形态 工业机器人手部 仿人机器人手部 握持原理 夹钳式 吸附式 手指 传动机构 V型指 平面指 尖指 特形指 回转型 平移型 平面平移 直线往复 磁吸 气吸 真空吸 负压吸 挤压吸 19 夹钳式手部 常用形式 由手指 手爪 驱动装置 传动机构和承接支架组成 通过手爪开闭动作实现夹持 20 手指 直接与物件接触 张开与闭合实现了对物件的松开和夹紧 适当的开闭范围 足够握力 相应精度 通常两个手指 或三个 结构形式取决于被夹持工件的形状和特性 V形指 圆柱形 平面指 方形工件 尖指 小型或柔性工件 专用 形状不规则工件 21 手指面 根据工件形状 大小 及被夹持部位材质软硬 表面性质不同 有光滑值面 齿形指面和柔性指面 光滑指面 指面平整光滑 已加工表面受损齿形指面 指面有齿纹 毛坯或半成品 增加摩擦力 确保夹紧可靠 柔性指面 指面镶衬橡胶 泡沫 石棉等 夹持已加工表面 炽热件 或薄壁件或脆性工件 增加摩擦 保护工件表面 隔热等 22 夹钳式传动机构 以向手指传递运动和动力 实现夹紧和松开动作 回转型和平移型两类 夹钳式手部多用回转型 手指是一对或几对杠杆 同斜楔 滑槽 连杆 齿轮 蜗轮蜗杆或螺杆组成复合式杠杆传动机构 以改变传力比及运动方向 斜楔式回转型手部 斜楔向上 向下 23 回转型传动机构 滑槽式杠杆回转型 杠杆一端装V形指 一端开长滑槽 驱动杆 上下 圆柱销 双支点连杆杠杆式回转型手部 驱动杆与连杆由铰销铰接 齿轮杠杆式回转型手部 驱动杆末端有双面齿条 与串形齿轮啮合 扇齿轮与手指固连 24 平移型传动机构 平移型夹钳式手部是通过手指的指面做直线往复运动 或平面移动实现开张与闭合动作 常用来夹持具有平行平面的工件 如箱体 结构较复杂 应用不如回转型广泛 根据结构分为平面平行移动机构和直线往复移动机构 驱动器和驱动元件带动平行四边形铰链机构以实现手指平移 直线往复移动 25 平移型传动机构 a b齿轮条传动 c连杆斜滑槽传动 斜楔平移 连杆杠杆平移 螺旋斜楔平移 26 吸附式手部 依靠吸附力取料 分气吸附和磁吸附两种 适用于爪取大平面 易碎 微小物体 气吸式手部是常用的一种吸持式装置 利用吸盘内压力和大气压力差工作 由吸盘 吸盘架及进排气系统组成 结构简单 重量轻 使用方便 应用于非金属材料 板材 纸张 玻璃等 或不可有剩磁的材料吸附 要求物体表面平整光滑 无透气空隙 形成压力差方式 真空吸附 气流负压吸附 挤压吸附 27 真空吸附式手部 真空泵产生真空 真空度高 吸力大 工作可靠 成本高 橡胶盘 靠近物体表面 抽真空 吸附 接通大气 放下 背部球铰接 28 气流负压气吸式手部 压缩空气高速流经喷嘴 腔内气体被高速气流带走形成负压 完成取物 切断压缩空气即可释放 压缩空气取来方便 成本低 29 挤压排气式手部 取料时吸盘压紧物体 吸盘变形 挤出多余气体 手部上升靠吸盘恢复力形成负压将物体吸住 压下推杆连同大气释放 结构简单 吸附力小 防止漏气 不宜长期保持 30 磁吸式手部 依靠永磁体或电磁铁的磁力吸附 单位面积吸力大 对工件表面粗糙度 通孔 沟槽无特殊要求 但只对铁磁物体起作用 被吸工件存在剩磁 铁屑 原理 衔铁 隔磁材料 磁力线形成回路 气隙 31 仿人机器人手部 对不同形状 不同材质的物体实施夹持和操作 物体表面受力均匀 提高操作能力 灵活性和快速反应能力 仿人手 柔性手 多关节串联 钢丝绳牵引 凹凸不平的物体受力均匀 多指灵活手 多手指组成 每个手指三个回转关节 每个关节独立控制 多关节柔性手 哈工大和德国宇航中心HIT DLR四指灵巧手 32 仿人机器人手部 33 机械手驱动力计算 握力计算 手指握紧工件时握力 夹紧力 与工件重量 重心位置及夹持工件的方位有关 假定大小相等 方向相反 34 握力计算公式表 35 驱动力计算 根据上表查握力计算N 计算驱动力P 考虑工件传送过程中惯性力 振动 传力机构效率 实际驱动力Ps计算公式 P 计算而得驱动力 传力机构结构形式和尺寸有关 单位N 手部机械效率 0 85 0 95 K1安全系数 1 2 2 K2工况系数 K2 1 a g 运动最大加速度 重力加速度 36 滑槽杠杆型驱动力P计算 销轴力平衡 手指力矩平衡 P一定时 角增大则握力N增加 但 过大拉杆行程过大 滑槽尺寸增加 一般取 30 40 结构简单 动作灵活 手指开闭角度大 但增力比N P小 37 连杆杠杆型驱动力P计算 拉杆力平衡 手指力矩平衡 P一定时 握力N与 角正切成反比 角小时可获得较大握力 0手指闭合到最小位置即自锁位置 再向下移则会松开 38 真空吸盘吸力计算 与吸盘内真空度 吸盘面积有关 被吸工件表面质量 P吸盘力 kgf 1kgf 9 8N H吸盘真空度 mmHg 1mmHg 133 3Pa D吸盘直径 cm n吸盘数量 K1启动状态安全系数 1 2 2 K2工况系数 1 3 工件间油膜存在相互吸力大时 运动过程惯性力大时取较大值 K3方位系数 垂直吸附时1 f 摩擦因数 金属材料f 0 5 0 8 水平吸附时K3 1 1 39 电磁铁吸盘吸力计算 电磁铁形状 尺寸 匝数 调整电压大小可以调整吸力 F直流电磁铁吸力 J cm B空气气隙磁感应强度 Wb cm2 S气隙截面面积 铁芯柱横截面积 cm2 气隙较大时修正系数 3 5 气隙长度 cm 交流电磁铁吸力有波动 最大吸力一半 40 手腕结构 手部处于空间任意方向 手腕三个自由度 单自由度手腕 R关节 B关节二自由度手腕 BR BB RR 三自由度手腕 BBR BRR RRR BBB R roll翻转 B bend弯曲 41 手腕结构 42 手腕的传动机构 利用手腕的活动度确定手部的空间姿态 若手腕在空间可以取任意方向 则与之相连的手部可以取任意姿态 达到完全灵活 手腕除要求必须的启动和传送过程中的输出力矩 还要结构简单 紧凑 轻巧 灵活 手腕的驱动一般有远程驱动和直接驱动两种 直接驱动是指驱动器安装在手腕运动关节附件直接驱动关节运动 传动线路短 传动刚度好 但腕部尺寸和质量大 惯性大 远程驱动指驱动器安装在大臂 基座或小臂远端 通过连杆 链条和同轴套筒等机构把运动传递到腕关节处 结构紧凑 尺寸和质量小 对机器人整体动态性能有好处 但传动设计复杂 传动刚度低 43 单自由度手腕 回转油缸结构 压力油 动片带动指座转动 结构紧凑 体积小 灵活 响应快 精度高 一般回转角 270 44 回转油缸 45 二自由度手腕 双回转油缸驱动腕部 两个轴线互相垂直的回转油缸 V V腕部摆动回转油缸 动片6带动摆动回转油缸5使整个腕部绕轴3摆动 L L腕部回转油缸 回转轴7带动回转中心轴2实现腕部回转 46 二自由度手腕 齿轮传动二自由度手腕 腕部回转有轴S带动齿轮1 2 3 4传递 绕C轴回转 摆动由B轴通过齿轮5 6传递 绕A轴摆动 47 三自由度手腕 臂转 腕摆 手转 3个电机输出通过心轴 中间套筒 外套筒传递 外套带动壳7臂转 中间套筒带动空心轴4腕摆 臂部心轴带动腕部心轴2手转 三个回转不相互独立 有互相耦合 48 三自由度RRR型手腕 RRR型手腕远距离传动实现容易 三个传动轴套在同一个轴线上 外轴套驱动整个手腕转动 中间套筒驱动斜置关节偏转 中心轴驱动第三个滚转关节带动手部回转 制造简单 润滑好 效率高 使用普遍 49 腕部设计注意 手腕是机器人较为复杂结构 传动相互耦合 增加设计难度 输出一定力矩 启动过程 传送过程 结构紧凑 重量轻 使操作动态特性好 动作灵活 平稳 定位精度高 强度 刚度高 合理布局驱动器和传感装置 50 机器人手臂 支撑腕部和手部 并将抓取工件传送到指定位置 主要包括臂杆 传动机构 驱动器 导向定位装置 位置检测 连接支撑机构等 3个自由度 手臂伸缩 左右回转 升降或俯仰运动 回转 升降通过机座的立柱实现 立柱横向移动即手臂横向移动 不同运动组合 51 手臂机械结构形式 圆柱坐标型 一个转动 两个移动 工作空间圆柱 比直角坐标范围大 体积小 直角坐标型 三个相互垂直直线移动 精度高 结构简单 体积大 灵活性差 球坐标型 两个转动 一个移动 回转 俯仰 伸缩 结构紧凑 工作范围大 抓取地面上工件 结构复杂 关节型 回转坐标型 三个回转关节 立柱回转 大臂俯仰 小臂摆 范围大 灵活性强 抓取靠近机座的物体 平面关节型 前后 左右两个回转