第二章 工业机器人的机械设计基础.ppt

,第二章工业机器人的机械设计基础,工业机器人常见构型机器人基本概念与关键参数机器人的运动学机器人工作空间与轨迹规划机器人静力学与动力学机器人关键功能部件机器人元器件与传动方式机器人典型结构与运动机器人设计与分析机器人设计思想与设计方法,主要内容,机器人组成机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。,处理器,关节控制器,驱动装置,执行机构,工作对象,控制系统,感知反馈系统,内部传感器（位形检测）外部传感器（环境检测）,机器人分类气压驱动,按驱动形式,液压驱动电驱动,直流伺服驱动交流伺服驱动,按用途划分（应用领域）（1）工业机器人,（步进电机）弧焊机器人点焊机器人搬运机器人装配机器人喷涂机器人抛光机器人,机器人分类（2）特种机器人空间机器人水下机器人,军用机器人教学机器人服务机器人医用机器人排险救灾机器人,固定式移动式,轮式履带式足式蛇行,机器人的常见构型,机器人常见构型,1、直角坐标型(3P)2、圆柱坐标型(R2P),3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)4、关节坐标型(3R),5、平面关节型(SCARA),直角坐标机器人,l结构特点,-在直角坐标空间内解耦，空间,轨迹易于求解；,-易于实现高定位精度；,-当具有相同的工作空间时，本,体所占空间体积较大,这也是大多数数控设备采用这种结构形式的原因,圆柱坐标机器人,l结构特点,-在圆柱坐标空间内解耦；-能够伸入型腔式空间；,-相同工作空间，本体所占空间,体积比直角坐标式要小；,-直线驱动部分密封、防尘较难,极坐标机器人,l结构特点,-所占空间体积小，机构紧凑；-往往需要将极坐标转化成我们习惯的直角坐标，轨迹求解较难；,-直线驱动同样存在密封、防尘,问题,垂直多关节机器人,l结构特点,-机构紧凑，动作灵活，工作空,间大；,-能绕过基座周围的一些障碍,物；,-适合电机驱动，关节密封、防,尘比较容易,相邻关节轴线垂直或水平,水平多关节机器人（SCARA）,l结构特点,-作业空间与占地面积比很大，,使用起来方便；,-沿升降方向刚性好，尤其适合,平面装配作业,SCARA-SelectiveComplianceAssemblyRobotArm,1978年由日本山梨大学牧野洋教授首先提出,并联机器人模拟器,加工设备,微动机构,机器人基本概念与关键参数,1.,2.,3.,4.,5.,基本概念,重复定位精度：往复运动的物体,每次停止的位置与第一次调定的位置之间角度或长度的差值。差值越小,精度越高。,描述方式：0.08mm,精度：观测结果、计算值或估计值与真值（或被认为是真值）之间的接近程度。,描述方式：0.08mm,分辨率：设备输出最小位移或角度的能力。,自由度：完全确定一个物体在空间位置所需要的独立坐标数目，叫做这个物体的自由度。,柔性（适应性）：“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。,6.,7.,8.,9.,基本概念,柔性制造系统（FMS）：柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”简单地说,是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。,刚度：刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件的刚度（或称刚性）常用单位变形所需的力或力矩来表示，刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类（即材料的弹性模量）。,强度：强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。,示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。,关键参数自由度数衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。负载能力机器人在满足其它性能要求的前提下，能够承载的负荷重量。运动范围机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关节长度和其构型的函数。精度指机器人到达指定点的精确程度。与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。重复定位精度指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。控制模式引导或点到点示教模式；连续轨迹示教模式；软件编程模式；自主模式。运动速度单关节速度；合成速度电源与电源容量动态特性稳定、柔顺,材料,机器人运动学,机器人运动学,在一般机器人应用问题中，人们感兴趣的是：末端执行器,相对于固定参考坐标系的空间几何描述，也就是机器人的运动学问题,机器人的运动学即是研究机器人手臂末端执行器位置和姿,态与关节变量空间之间的关系,n也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间,的函数，特别是研究机器人关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系,研究的对象机器人从机构形式上主要分为两种，一种是关节式串联机器人，另外一种是并联机器人，如图：,PUMA560,Fanucmanipulator,Hexapod,运动学研究的问题,Whereismyhand?,运动学正问题,DirectKinematics,HERE!,HowdoIputmy,handhere?,运动学逆问题,InverseKinematics:Choosetheseangles!,研究的问题:n运动学正问题-已知杆件几何参数和关节角矢量，求操作机末端执行器相对于固定参考作标的位置和姿态（齐次变换问题）。n运动学逆问题-已知操作机杆件的几何参数，给定操作机末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态（位姿），操作机能否使其末端执行器达到这个预期的位姿？如能达到，那么操作机有几种不同形态可以满足同样的条件？杆件参数,关节角关节角,运动学正问题杆件参数运动学正问题,末端执行器,解的存在性,n目标点应位于工作空间内,n可能存在多解，如何选择最合适的解？,存在双解!,什么是并联机器人,n并联机器人机构可以严格定,义为：上，下平台用2个或2个以上分支相连，机构具有2个或2个以上的自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。,n从广义机构学的角度出发，,只要是多自由度的，驱动器分配在不同环境上的多环路机构都可称之为并联机构，如步行机器人，多指手爪等。,并联机器人运动学,参考教材：燕山大学黄真,并联机器人机构学理论及其控制,并联机器人的应用,n用作模拟器：运动、飞行、地震、舰船、汽车、火车n操作器：空间对按机构、潜艇救援、土方挖掘、煤矿开采,等，医疗外科,n微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器.n加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究,的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很难超过20.,n娱乐：真实的谎言中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就,是在一个stewart平台上进行的.,并联机器人运动学,n在串联机器人中，正解容易且有唯一解，逆解比,较繁杂，计算时间长，且有时出现多解,n并联机器人正好相反，逆解容易，且有唯一解，,正解不容易求解，且多解，并联机器人正解一直是并联机器人研究的一个难题。,机器人工作空间与轨迹规划,工作空间,工作空间是从几何方面讨论操作机的工作性能。BRoth在1975年提出了操作机工作空间的概念。,n如何获得工作空间:利用正运动学模型,改变关节变量值,操作机的可达工作空间（Reachableworkspace）：机器人操作机正,常运行时，末端在空间活动的最大范围；或者说末端可达点占有的体积空间。这一空间又称可达空间或总工作空间，记作W(P)。,灵活工作空间(Dexterousworkspace)：在总工作空间内，末端以给,定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp(P)。,次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws,(P)。,工作空间,工作空间的两个基本问题：,1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。,2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。,工作空间的确定方法：1、解析法2、图解法,用图解法求工作空间，得到的往往是工作空间的各类别截面(或削截线)。它直观性强，便于和计算机结合，以显示在可达点操作机的构形特征。在应用图解法时也将关节分为两组，即前三关节和后三关节(有时为两关节或一关节)，前三关节称位置结构，主要确定工作空间大小，后三关节称定向结构，主要决定手部姿势。首先分别求出该两组关节所形成的腕点空间和参考点在腕坐标系中的工作空间，再进行包络整合。,机器人的轨迹规划,机器人学中的一个基本问题是为解决某个预定的任务而规划机器人的动作，然后在机器人执行完成那些动作所需的命令时控制它。这里，规划的意思就是机器人在行动前确定一系列动作(作决策)，这种动作的确定可用问题求解系统来解决，给定初始情况后，该系统可达到某一规定的目标。因此，规划就是指机器人为达到目标而需要的行动过程的描述。,规划内容可能没有次序，但是一般来说，规划具有某个规划,目标的蕴含排序。例如，早晨起床后的安排。,缺乏规划可能导致不是最佳的问题求解，甚至得不到问题的,求解。,机器人规划是机器人学的一个重要研究领域，也是人工智能与机器人学一个令人感兴趣的结合点。,PTP-pointtopoint,LIN-linearCIRC-circular,机器人静力学与动力学,机器人静力学和动力学,静力学和动力学分析，是机器人操作机设计和动态性能分析的基础。特别是动力学分析，它还是机器人控制器设计、动态仿真的基础。,机器人静力学研究机器人静止或缓慢运动式，作用在机器人上的力和力矩问题。特别是当手端与环境接触时，各关节力（矩）与接触力的关系。,机器人动力学研究机器人运动与关节驱动力（矩）间的动态关系。描述这种动态关系的微分方程称为动力学模型。由于机器人结构的复杂性，其动力学模型也常常很复杂，难以用于机器人实时控制。然而高质量的控制应当基于被控对象的动态特性，因此，如何合理简化机器人动力学模型，使其适合于实时控制的要求，是机器人动力学研究追求的目标。,动力学研究方法：ADAMS,1拉格朗日方程法：通过动、势能变化与广义力的关系，建,立机器人的动力学方程。代表人物R.P.Paul、J.J.Uicker、,J.M.Hollerbach等。计算量O(n4)，经优化O(n3)，递推O(n)。2牛顿欧拉方程法：用构件质心的平动和相对质心的转动表示机器人构件的运动，利用动静法建立基于牛顿欧拉方程的动力学方程。代表人物Orin,Luh(陆养生)等。计算量O(n)。3高斯原理法:利用力学中的高斯最小约束原理,把机器人动力学问题化成极值问题求解.代表人物波波夫(苏).用以解决第二类问题。计算量O(n3)。,4凯恩方程法：引入偏速度概念，应用矢量分析建立动力学方程。该方法在求构件的速度、加速度及关节驱动力时，只进行一次由基础到末杆的推导，即可求出关节驱动力，其间不必求关节的约束力，具有完整的结构，也适用于闭链机器人。计算量O(n!)。,机器人关键功能部件电机、减速器、传感器,电机选取电机注意参数及事项外形功率转矩转速,转动惯量轴端电流安装方式制动重量进口与国产,电机,n步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移（角位移或线位移）的,机电执行元件。它的机械位移与输入的数字脉冲数有着严格的对应关系，即一个脉冲信号可使步进电机前进一步，所以称为步进电动机。,有较高的定位精度，无位置累积误差；,开环运行，成本低，可靠性较高。,低速运行时振动大、噪声大,n伺服就是一个提供闭环反馈信号来控制位置和转速。,n伺服电机是一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步现象，每,一个指令脉冲都可以得到可靠响应。,电机,步进电机：混合式两相、五相,伺服电机：直流伺服（干扰小、供电限制-电池）：有刷无刷,交流伺服（大惯量，功率范围大）,一、控制精度不同,两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8,交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。二、低频特性不同,步进电机在低速时易出现低频振动现象。,交流伺服电机运转非常平稳，不会出现振动现象。三、矩频特性不同,步进电机的输出力矩随转速升高而下降四、过载能力不同,步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。五、运行性能不同,步进电机的控制为开环控制，易出现丢步或堵转的现象。交流伺服驱动系统为闭环控制，内部构成位置环和速度环，控制性能更为可靠。,六、速度响应性能不同,步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒。,电机,三相异步电动机：220V单相交流电动机：220V直流电动机：24V,调速：变频器调速器,舵机,舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。,电压影响,电池,直线电机,把电能直接转化为直线机械运动能量的装置。电机是一种执行装置，是执行器的一种。,直驱电机,DD直驱电机,直驱电机,直接驱动式电机的简称.主要指电机在驱动负载时,不需经过传动装置(如传动皮带等).直驱电机的主要好处主要是避免使用了传动皮带等传动设备,而这些传动部件恰恰是系统中故障率较高的部件.所以使用直驱电机的系统,从技术上讲,应具有更低的故障率,超声电机：,超声电机采用压电陶瓷材料实现电能到机械能的转换，功率密度更高，比电磁型力矩电机具有更大的转矩重量比。在相同输出转矩下，一般质量仅为电磁型力矩电机的三分之一。此外，由于超声电机采用摩擦传动，其机械常数比电磁型力矩电机高一个数量级，响应更快。,减速器,l选取减速器注意参数及事项：,外形润滑效率,与电机连接方式承受转矩转动惯量减速比,安装方式重量,进口与国产,减速器蜗轮蜗杆减速器,发热磨损-润滑,减速比：蜗轮齿数/蜗杆头数,蜗杆头数越多，传动效率越高，但加工会更加困难。若要求自锁，应选择单头,减速器,行星减速器,u当太阳轮旋转时，带动行星齿轮旋转，由于,齿圈被固定，所以行星齿轮除作自转外，还将绕中心旋转轴线作行星运动-低速公转运动，通过行星轮轴，将行星齿轮的低速公转运动传至输出轴，这样便完成了减速运动。,减速比=内齿环齿数/太阳齿齿数+1,谐波减速器,l构成,-由谐波发生器（椭圆形凸轮及薄壁轴承）、柔轮（在柔性材料上切制齿,形）以及与它们啮合的钢轮构成的传动机构,谐波减速器,三个基本构件组成（减速原理可认为同类于行星减速）,（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮；（2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮；（3）波发生器H，它相当于行星架。,作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。,i=-z1/(z1-z2),谐波减速器,l原理,-柔轮的齿数比钢轮的齿数少两个齿。随着谐波发生器的转动，柔轮与钢轮的齿依次啮合，从转过相同齿数的中心角来说，柔轮比钢轮大，于是柔轮相对于钢轮沿着谐波发生器的反方向作微小的转动。例如，齿数为100的钢轮与齿数为98的柔轮组合，每一周会产生2/100的转动差，从而得到大的减速比。,谐波减速器,l特点,-结构紧凑，能实现同轴输出-减速比大,-同时啮合齿数多（30%+），承载能力大-回差小（3）,传动精度高,-运动平稳，传动效率较高（70%）,l缺点,-扭转刚度不足,-谐波发生器自身转动惯量大,谐波减速机,l品牌,-国外，日本HarmonicDrive(HD)、德国HarmonicDrivePolymer,GmbH,-国内，北京谐波研究所、中技克美、众合天成,摆线针轮减速机（机器人用）,l结构,-行星摆线针轮减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。,-在输入轴上装有一个错位180的双,偏心套，在偏心套上装有两个滚柱轴承，形成H机构，两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿轮相啮合，以组成少齿差内啮合减速机构，（为了减少摩擦，在速比小的减速机中，针齿上带有针齿套）。,摆线针轮减速机（机器人用）,l减速原理,-当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其受针齿轮上针齿限制之故，摆线轮的运动成为即有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相反方向上转过一个齿差从而得到减速，再借助W输出机构，将摆线轮的低速自转运动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。,摆线针轮减速机（机器人用）,l特点,-结构紧凑，能实现同轴输出-减速比大,-高刚度，负载能力大,-回差小（1）,传动精度高,-运动平稳，传动效率较高（70%）-可靠性高，寿命长,摆线针轮减速机（机器人用）,l品牌,-国外，日本住友FINECYCLO-C、D系列、斯洛伐克SPINEA公,司TwinSpin系列,-国内，暂无,RV减速机,l结构,-由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的,RV减速器,输入轴转动一周，摆线轮移动了1个齿，摆线轮的齿数就是速比,n,n,RV减速机,l特点,-相比摆线针轮减速机，结构上更紧凑-相比摆线针轮减速机，减速比更大-高刚度，负载能力大,-回差小（1）,传动精度高,-运动平稳，传动效率较高（85%）-可靠性高，寿命长,与谐波传动相比，除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大26倍，但重量却增加了13倍。,高刚度作用，可以大大提高整机的固有频率，降低振动；在频繁加、减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消耗。,RV减速机目前是工业机器人上应用的主流减速机类型，其次是谐波减速机！,RV减速机,l品牌,-国外，日本帝人制机（Nabtesco前身）VIGODRIVE中的RV-C、,RV-E系列减速机、日本住友FINECYCLO-T系列、韩国SEJIN-iGB中的XQ、QH系列,-国内，浙江恒丰泰CORT复式滚动活齿减速机,l,传感器在机器人与机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度等)需要测量与控制，如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测，那么对机电产品的各种控制是无法实现的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系统中不可缺少的组成部分。传感器：传感器是一种以一定的精确度将被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。,l,组成：,1、敏感元件直接感受被测量、并以确定关系输出物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。2、转换元件将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电量参数(如电阻、电感、电容等)等。3、基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。,l,分类：,开关型-传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。数字型-计数型和代码型。码盘、光栅模拟型-输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量，温度、称重、位移-A/D转换器,传感器,称重传感器：电阻应变式称重传感器，用于检测工件重量。机械开关：普通接近开关，用于检测运动部分是否到位。,光电开关：包括对射式、反射板式、漫反射式红外线光电开关，用于检测工件位置。,磁性开关：用于检测运动部分是否到位。接近开关,材质传感器：用于检测工件材质。,位移传感器：滑动电阻式位移传感器，用于检测孔深。,颜色传感器：包括颜色传感器和色标传感器，用于检测工件颜色。色标传感器形状传感器,光纤传感器光在调制区内,外界信号与光的相互作用,可能引起光的强度,波长,频率,相位,偏振态等光学性质的变化,从而形成不同的调制-抗干扰能力,传感器,光栅尺、圆光栅：是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。（尺是有很多很细的间格组成，靠光来读取每次走过的光线数量，来算出走的尺寸，线愈细精度愈高）-圆形光栅尺可认为是编码器,旋转编码器：旋转编码器是用来测量转速的装置。应用于速度控制或位置控制系统的检测元件.分为增量式和绝对式、混合式。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。,旋转变压器：输出电信号与转子转角成某种函数关系的电感式角度传感元件。角度反馈,伺服编码器,编码器是将电机转动的角度信号转换为控制器可以接收的电信号的，并反馈给控制器从而进行闭环控制。其中光电式编码器是利用光电原理把机械角位移变成电信号，可以非常方便的测量电机轴的角位移或角速度。按输出信号与对应角度的关系，光电式编码器通常可分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器及混合式光电编码器。增量式光电编码器每产生的一个输出信号就对应轴的一个角位移，不能直接测量轴的绝对角度。绝对式光电编码器则通过读取码盘上的图案来测量轴的位置，可以直读取量角度坐标的绝对值。混合式光电编码器则是增量式和绝对式共有的编码器。,光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。,松下：2500线（码盘一圈的刻线数）富士：17位（分辨率）32768线,视觉传感器,机器视觉CCD：,一个典型的机器视觉系统包括：光源、镜头、CCD相机（机身与镜头）、图像采,集卡、图像处理软件等。,机器视觉检测系统采用CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，包括尺寸、角度、个数、合格/不合格、有/无等，实现自动识别功能。,应用：在系统中主要进行图象的颜色识别、形状识别、尺寸位置精度检测。,传感器触觉传感器红外传感器力传感器超声传感器激光传感器电子罗盘,GPS条码扫描器电子标签,2.,气动与真空吸附,1.3.4.5.6.,基本组成各元件主要性能参数气动机器人介绍产品应用手爪气缸气动机械手文丘里管原理,液压,l液压优点是功率大，可省去减速装置,而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。,并联运动模拟器,l,驱动源选取原则,l驱动的选择应以作业要求、生产环境为先决条,件，以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为100kg以下的,可优先考虑电动驱动；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动。,对于驱动源来说，最重要的是要求起动力矩,大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。,机器人典型元器件与传动方式,典型元器件,弹性联轴器,交叉滚柱导轨支撑型直线导轨（直线轴承）直线导轨（滑块）滚珠丝杠滑动轴承,滚珠丝杠、同步带丝杠的应用是将旋转运动通过丝母转变为直线运动。带传动的应用是传递旋转运动，改变旋向，改变速比。丝杠传动，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确，频繁换向时容易产生冲击振动。,带传动，传动平稳，消除振动，重负荷时容易丢转。丝杠导轨精度等级：C普通级P精密级预压,张紧,导程丝杠选取与计算装配注意事项,花键丝杠（回转+直线）,典型机械传动类型螺旋传动、同步齿形带、链条传动、齿轮传动、齿轮齿条连杆机构-六足爬虫等仿生机器人、助力机械手行程倍增机构,钢带（钢绳）间歇机构,张紧,滚动螺旋传动,l结构,-滚动螺旋传动是在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间放入适当的滚,珠，使其由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种螺旋传动。,-滚珠在工作过程中顺螺旋槽(滚道)滚动，故必须设置滚珠的返回通道，才能循环使用。为了消除回差(空回)，螺母分成两段，以垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置，从而消除间隙和施加预紧力，使回差为零。,1一齿轮；,2一返回装置；3一键；,4一滚珠；5一丝杠；6一螺母；7支座,滚动螺旋传动,l特点,-摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90以上。-动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高。-磨损小、寿命长。,-可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。,l缺点,-大大加大了2、3关节轨迹算法的复杂性-不能自锁,-密封、防尘困难,其他传动,l齿轮传动,-间隙调整较困难，因为有齿侧间隙，所以有较大的回差。-一般不会单独使用，常用于其他减速传动的前一级传动-高速时，噪声较大，尽量采用弧形齿和磨齿,l同步带传动,-需要张紧或调整机构，否则会有较大的回差,-一般也不会单独使用，常用于其他减速传动的前一级传动-负载能力不能太大-噪声较小，无需润滑,n,n,n,传动特点与事项,滚动丝杠特点：,摩擦小、效率高。一般情况下，传动的效率在90以上动、静摩擦系数相差极小，传动平稳，灵敏度高磨损小、寿命长,可以通过预紧消除轴向间隙，提高轴向刚度。,滚动丝杠传动不能自锁，必须有防止逆转的制动或自锁机构才能安全地用于有自重下降的场合。最怕落入灰尘、铁屑、砂粒。通常，螺母两端必须密封，丝杠的外露部分视情况加以密封。,对于齿轮传动、齿轮齿条传动，须注意消除间隙，否则达不到应有的转角精度要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，须考虑张紧问题，否则会产生很大的回差。,机器人传动选取原则,u,原则：,极少的传动环节；结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；传动刚度大，即承受扭矩时角度变形要小，以提高整机的固有频率，降低整机的低频振动；回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；寿命长、价格低。l各类机器人几乎使用了目前出现的绝大多数传动机构，其中最常用的为谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。此外选取需注意：精度、刚度、负载、成本、应用场合等。,机器人常用传动比较,机器人常用传动比较,机器人的典型机械结构与运动,典型结构组成,l为什么通用型工业机器人均选用6-DOF串联结构形式？-一个运动物体在直角坐标系中的位姿（位置和姿态）可由6个自由度变量（3个平动、3个转动）来表示；-6-DOF串联机器人抓取物体时，手臂机构（前3个自由度）决定物体的位置，手腕机构（后3个自由度）决定物体的姿态；,-6-DOF串联结构形式给机器人运动学计算带来了方,便可以将位置和姿态变量分开计算,-,-,-,-,-,典型结构组成l6-DOF串联机器人执行机构组成,-,底座腰关节转座肩关节大臂肘关节小臂腕部末端执行器（手爪）平衡装置,一、机器人机械结构的组成,1.手部2.手腕3.臂部4.机身,一、机器人机械结构的组成,手部机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器手腕联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂臂部联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座机身机器人的基础部分，起支承作用对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上,二、机器人机构的运动,手臂的运动垂直移动径向移动回转运动,手腕的运动(1)手腕旋转(2)手腕弯曲(3)手腕侧摆,三、机身和臂部机构,机身结构,机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。,机身结构,常用的机身结构：）升降回转型机身结构）俯仰型机身结构）直移型机身结构）类人机器人机身结构,臂部结构,手臂部件(简称臂部)是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件、配管配线等。,臂部结构,根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：,）伸缩型臂部结构）转动伸缩型臂部结构）驱伸型臂部结构）其他专用的机械传动臂部结构,机身和臂部的配置形式,机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种形式：,（）横梁式（）立柱式（）机座式（）驱伸式,机身和臂部的配置形式,横梁式：机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效利用空间，直观等优点。横梁可设计成固定的或行走的，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。,机身和臂部的配置形式,立柱式：立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配置形式。一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。立主式结构简单，服务于某种主机，承担上、下料或转运等工作。,机身和臂部的配置形式,机座式：机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。各种运动形式均可设计成机座式。,机身和臂部的配置形式,屈伸式：屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机身间的配置形式关系到机器人的运动轨迹，可以实现平面运动，也可以作空间运动。（图见下页）,四、手腕结构,手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：）臂转绕小臂轴线方向的旋转。）手转使手部绕自身的轴线方向旋转。）腕摆使手部相对于臂进行摆动。,手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式如下图所示：,腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。,柔顺手腕,在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件的不一致、工件的定位夹具、机器人的定位精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。柔顺装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。一种是从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的要求。柔顺手腕示意图如下页,柔顺手腕,五、手部机构,机器人的手部是是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。,常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。,.夹持类,夹持类手部除常用的夹钳式外，还有脱钩式和弹簧式。此类手部按其手指夹持工件时的运动方式不同又可分为手指回转型和指面平移型。,(1)夹钳式,夹钳式是工业机器人最常用的一种手部形式,一般夹钳式(见图2-13所示)由以下几部分组成:1)手指2)传动机构3)驱动装置4)支架,(1)夹钳式,手指:它是直接与工件5接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开和闭合来实现的。一般情况下，机器人的手部只有两个手指，少数有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。,(1)夹钳式,）指端的形状,(1)夹钳式,）指面形式根据工件形状、大小及其被夹持部位材料质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面和柔性指面种形式。）手指的材料手指材料选用恰当与否，对机器人的使用效果有很大的影响。对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和合金结构钢。,(1)夹钳式,传动机构：它是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。,）回转型传动机构夹钳式手部中较多的是回转型手部，其手指就是一队（或几对）杠杆，再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构，来改变传力比、传动比及运动方向等。,(1)夹钳式,回转型传动机构,(1)夹钳式,）平移型传动机构平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体等）。其结构较复杂，不如回转型应用广泛。平移型传动机构据其结构，大致可分平面平行移动机构和直线往复移动机构两种类型。,(1)夹钳式,平移型传动机构,(1)夹钳式,驱动装置：它是向传动机构提供动力的装置。按驱动方式不同有液压、气动、电动和机械驱动之分。支架：使手部与机器人的腕或臂相联接。,(2)钩拖式手部,主要特征是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、拖、捧等动作来拖持工件。应用钩拖方式可降低驱动力的要求，简化手部结构，甚至可以省略手部驱动装置。它适用于在水平面内和垂直面内作低速移动的搬运工作，尤其对大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的工件更为有利。,(2)钩拖式手部,无驱动装置有驱动装置,无驱动装置,(2)钩拖式手部,工作原理：手部在臂的带动下向下移动，当手部下降到一定位置时齿条下端碰到撞块，臂部继续下移，齿条便带动齿轮旋转，手指即进入工件钩拖部位。手指拖持工件时，销子在弹簧力作用下插入齿条缺口，保持手指的钩拖状态并可使手臂携带工件离开原始位置。在完成钩拖任务后，由电磁铁将销子向外拔出，手指又呈自由状态，可继续下个工作循环程序。,(2)钩拖式手部,有驱动装置,工作原理：依靠机构内力来平衡工件重力而保持拖持状态。驱动液压缸以较小的力驱动杠杆手指和回转，使手指闭合至拖特工件的位置。手指与工件的接触点均在其回转支点O1、O2的外侧，因此在手指拖持工件后，工件本身的重量不会使手指自行松脱。,(2)钩拖式手部,弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单。它的使用特点是工件进入手指和从手指中取下工件都是强制进行的。由于弹簧力有限，故只适用于夹持轻小工件。,吸附类,(1)气吸式,气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘（一个或几个）、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等优点。广泛应用于非金属材料（如板材、纸张、玻璃等物体）或不可有剩磁的材料的吸附。气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤，且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。按形成压力差的方法，可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸。,(1)气吸式,(2)磁吸式,磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工件的，其应用较广。磁吸式手部与气吸式手部相同，不会破坏被吸收表面质量。磁吸收式手部比气吸收式手部优越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面粗糙度及通孔、沟槽等无特殊要求。,.仿人机器人的手部,目前，大部分工业机器人的手部只有个手指，而且手指上一般没有关节。因此取料不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手部和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，就必须有一个运动灵活、动作多样的灵巧手，即仿人手。,.仿人机器人的手部,（）柔性手（）多指灵活手,六、行走机构,行走机构是行走机器人的重要执行部件,它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。一般而言，行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构，此外，还有不进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等，以适合于各种特别的场合。,.车轮式行走机构,轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。（）车轮的形式车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。,.车轮式行走机构,（）车轮的培植和转向机构车轮行走机构依据车轮的多少分为1轮、2轮、3轮、4轮以及多轮机构。1轮和2轮行走机构在实现上的主要障碍是稳定性问题，实际应用的车轮式行走机构多为3轮和4轮。,.车轮式行走机构,.足式行走机构,履带式行走机构虽然可在高低不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时候晃动太大，在软地面上行驶运动效率低。根据调查，在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走。但是一般多足动物却能在这些地方行动自如，显然足式与轮式和履带式行走方式相比具有独特的优势。足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力一，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。,.足式行走机构,（）足的数目现有的步行机器人的足数分别为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的数目多，适合于重载和慢速运动。双足和四足具有最好的适应性和灵活性，也最接近人类和动物。下页图显示了单足、双足、三足、四足和六足行走结构。,.足式行走机构,（）足的配置足的配置指足相对于机体的位置和方位的安排，这个问题对于多于两足时尤为重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一种配置因容易引起腿间的干涉而实际上很少用到。,（）足的配置,几何构型弯曲方向,（）足式行走机构的平衡和稳定性,静态稳定的多足机动态稳定,（）足式行走机构的平衡和稳定性,静态稳定的多足机,其机身的稳定通过足够数量的足支撑来保证。在行走过程中，机身重心的垂直投影始终落在支撑足着落地点的垂直投影所形成的凸多边形内。这样，即使在运动中的某一瞬时将运动“凝固”，机体也不会有倾覆的危险。这类行走机构的速度较慢，它的步态为爬行或步行。,（）足式行走机构的平衡和稳定性,动态稳定,典型的例子是踩高跷。高跷与地面只是单点接触，两根高跷在地面不动时站稳是非常困难的，要想原地停留，必须不断踏步，不能总是保持步行中的某种瞬间姿态。在动态稳定中，机体重心有时不在支撑图形中，利用这种重心超出面积外而向前产生倾倒的分力作为行走的动力并不停地调整平衡点以保证不会跌倒。这类机构一般运动速度较快，消耗能量小。其步态可以是小跑和跳跃。,机器人设计与分析,n,n,n,n,n,内容介绍机器人本体总体设计思路本体运动学分析平衡缸设计优化动力学仿真分析及电机、减速机选型关键零件结构校核,n,关节柔性分析,机器人本体总体设计思路l设计思路作业分析方案设计,结构设计出详图,仿真分析,机器人本体总体设计思路,l设计步骤-作业分析,-机械手需要完成哪些动作？工作空间大小？负载大小、动作指标？以,及所处的环境？,-方案设计,-确定构型；运动学分析确定杆件参数；动力源及关节传动方式；平衡,方式。,-结构设计,-具体的机械结构及接口设计三维造型、装配,-仿真分析,-建立系统动力学模型，根据指标参数进行动力学仿真并分析，确定电机、减速机型号。对关键零部件进行有限元分析。如果不符合要求，则返回方案设计和结构设计步骤。如此反复迭代，称为动态设计。,-出详图,本体运动学分析l工作空间分析过程,工作空间需求分析,杆长初选,工作空间计算,满足要求？,杆长确定,杆长修改,L2,S,H,-,-,本体运动学分析l工作空间指标臂展（腕点E）：2500各关节旋转范围（相对初始位置）：,F,W5,E,L3,3,2,DC,A,B,R,O,S,L2,H,本体运动学分析l工作空间计算,F,W5,E,L3,3,2,DC,A,B,R,O,-,本体运动学分析,l工作空间计算,在初选参数条件下，即R=400，L2=1100，L3=1110腕部点轨迹如图，最大臂展2610,-,-,-,动力学分析,l机器人动力学,研究对象：机器人在力作用下的运动和关节在运动中产生的力多刚体系统动力学（高逼真要求下，才考虑多柔体系统动力学）推导方法有：牛顿-欧拉迭代法、拉格朗日法、凯恩法等,机器人动力学推导是一件很