机器人的组成结构ppt课件

如图2-1所示，机器人结构机器人系统的结构由机械部、传感部、控制部三大部分构成。 这3大部分分为驱动系统、机械构造系统、感觉系统、机器人一环境对话系统、人机对话系统、控制系统6个子系统. 1、2，驱动系统为了使机器人移动，需要在各关节、即运动自由度上设置传动装置，这是驱动系统。 感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块构成，取得对内部和外部环境状态有意义的信息。 智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能水平。 人的感知系统对于感知外部世界的信息非常灵活，但是对于特殊的信息传感器比人的感知系统更有效。 机器人一环境对话系统机器人一环境对话系统是实现机器人与外部环境设备的相互关系和协调的系统。 机器人和外部设备是一个功能单元，例如加工制造单元、焊接单元、组装单元等中集成的人机对话系统人机对话系统，是人与机器人取得联系并参加机器人控制的装置：指令给定的装置和信息显示装置.控制系统控制系统的任务是， 根据机器人的作业指令程序和从传感器反馈的信号，支配机器人的驱动器，完成规定的运动和功能.如果机器人不具有信息反馈特性，则是开环控制系统.具有信息反馈的特征根据控制原理，可分为程序控制系统、自适应控制系统和人工智能控制系统。 根据控制运动的形式，分为点控制和连续轨迹控制，4，相关术语和性能指标，关节(Joint ) :允许运动副、机械臂各部件之间相对运动的机构。 连杆：机器人手臂上由相邻两关节分隔的部分。 5、自由度(Degreeoffreedom )或坐标轴数是描述物体运动所需的独立坐标数。 手指张开、闭合、手指关节自由度一般不包括在内。 刚性(Stiffness ) :本体或臂在外力作用下抵抗变形的能力。 外力与外力作用方向的变形量(位移)之比进行测量。6、定位精度(Positioningaccuracy ) :机器人末端基准点实际到达的位置与想要到达的理想位置之差。重复性(Repeatability )或重复精度：在相同的位置指令下，机器人多次连续重复该位置的分散状况。 它是测量一系列误差值的密集度，即重复度。 7、工作空间：机器人手腕基准点或末端操作员安装点(末端操作员除外)能够到达的所有空间区域一般不包括末端操作员自身能够到达的区域。 8、工业机器人的机械构造、工业机器人的机械主体类似于具备上肢功能的机器人，由手、手、手臂、机体(也包括步行机构)构成。 2.2.1机器人的动作机器人的动作形态组合了3种不同的单动作的旋转、旋转、伸缩。 旋转和旋转是指运动机构发生相对运动。 在旋转体中，旋转构件的轴线与旋转轴线同轴的旋转体是旋转构件的轴线与旋转轴线不同的轴线。 伸缩是指运动机构发生直线运动。 根据9、10、7.2-2机器人的坐标形式和自由度、(1)单元动作的组合方式，机器人的动作形态一般为直角坐标型(图7.2-2 )； 圆柱坐标型(图7.23) 极坐标型(图7.24) 多关节型(图7.25 )。 直角坐标型机器人能够在相互正交的3个方向上进行直线伸缩运动，这种机器人的各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但是占地面积大，仅限于特定的应用情况11 )，圆柱坐标型机器人有绕基座轴的旋转运动和相互正交的2个方向的直线伸缩运动。适合采用液压(或气压)驱动机构，操作对象位于机器人周围时，操作最方便。 极坐标型机器人的动作形态包括围绕基轴的旋转、旋转、直线伸缩运动，具有圆柱型机器人的特征。 12、多关节型机器人最接近人臂的结构。 它主要由多个旋转关节和旋转关节构成，一般采用马达驱动机构。 使用各种关节连接方式，可以进行各种复杂的操作。 由于其占地面积小、动作范围广、空间移动速度快、灵活等特点，多关节型机器人被广泛应用于各种智能机器人。 图2是13、14、SCARA机器人关节式机器人、15、2.2.3机器人机构运动概略图(1)PUMA一262机器人机构、16、图2-1是PUMA系列的小型机器人PUMA一262机器人机构(操作机)的外观立体图。 有立柱，可垂直旋转，又称腰关节，又称单轴。 有大臂和小臂，它们的旋转轴叫肩关节(2轴)和肘关节(3轴)。 这3个轴和棒构成该机器人的位置机构(也称为主关节轴群)，根据它们的几何参数(棒长和偏移)和运动参数(关节轴的旋转角)，决定手腕(基准点)的空间活动范围(作业空间)。 手腕上有3个相互垂直的旋转轴(4、5、6轴)，它们是姿势机构(也称为副关节轴组)，它们的旋转角决定工具(未图示)的空间姿势。 PUMA262型机器人有6个自由度，可进行复杂的空间曲面弧焊作业，17、6个关节轴由6个独立的电动机驱动，从图2-2可知，电动机1通过2组齿轮传动使转向柱旋转的电动机2为联轴器、一对圆锥齿轮、一对圆筒齿轮电动机3通过两个联轴器和一对圆锥齿轮、两对圆筒齿轮(z固定于臂)相对于臂旋转驱动臂，其中，所述两个圆筒齿轮(z固定于臂) 马达5通过联轴器、一对圆筒齿轮、一对圆锥齿轮(z结合于手腕球壳体)使手腕相对于手腕(即，相对于手腕的套筒)摆动根据使用两对圆锥齿轮和一对圆柱齿轮使机器人的机械接口(凸缘)相对于手臂球壳旋转() 18、19，6个马达通过一系列联轴器和齿轮对形成6根传动链，得到6个旋转自由度，在一定的工作空间内齿轮传动有间隙机构，保证正反转时的反差在一定的精度范围内。根据先进的制造技术，使用了一般的多级齿轮传动，但具有较高的运动和定位精度，(2)机器人机构的运动示意图，21，22，多关节型机器人，23，2.2.4工业用机器人手(手)结构，1 .滑槽杆式手，24，2 .齿轮齿条式手， 3 .滑杆式手部、4 .斜楔杆式、25、5 .移动型连杆式手部6 .齿条和小齿轮式手部、7 .内升块式手部、8 .连杆式手部、26、指型：27、电磁式吸盘式吸盘、常见的其他两种手部其他手部：29、2.2.5工业用机器人臂部构造，臂部为手部的姿势(方位)，30、2.2.6工业用机器人的臂部构造臂部决定手部的位置，31 .车轮型，2.3移动机器人，二轮型四轮型，32、2 .履带式，救助机器人，33、3 .步行式4 .其他移动方式、军用昆虫机器人、攀绳机器人、水中6000米无缆自主机器人、蛇行机器人、35、2.4机器人的驱动系统2.4.1关节直接驱动方式直接驱动方式为，驱动器的输出轴与机器人臂的关节轴直接连接，间接驱动方式为， (1)关节间驱动方式缺点在于，大部分机器人的关节是间接驱动，通常，驱动器的输出转矩比驱动关节所需的转矩大幅度地小由于机械臂通常采用悬臂结构，因此在多自由度机器人关节上安装减速机会增大机械臂根部关节驱动器的负荷，目前，中小型机器人采用普通的直流伺服电动机、交流伺服电动机， 由于电动机速度较高，因此需要搭载大变速减速装置进行间接传动.但是，间接驱动会给机械传动带来不可避免的误差，引起冲击振动，影响机器人系统的可靠性，增加关节重量和尺寸(2) 关节直接驱动方式的直接驱动机器人也称为DD机器人(Directdriverobot )， 简称DDR.DD机器人通常驱动马达通过机械接口与关节直接连接. DDD机器人的特征是驱动马达和关节之间没有速度和转矩的变换. DD机器人与间接驱动机器人相比，机械传递精度高，振动小，结构刚性高可靠性高，电机峰值转矩大，电时间常数小，可在短时间内产生大转矩，响应速度快，调速范围广.控制性能好.日本、 美国等工业发达国家已开发出性能优异的DD机器人.美国Adept公司开发出带视觉功能的4自由度平面关节型DD机器人.日本大日机工业公司开发出5自由度关节型dd1600v机器人.其性能指标为：最大动作范围1.2m，搬运质量5kg，最大运动速度s即重复定位精度0.05mm、38，DD机器人目前主要存在的问题载荷变化、耦合转矩及非线性转矩影响驱动和控制，控制系统的设计变得困难和复杂位置， 对速度传感器元件提出了相当高的要求需要开发小型实用的DD电机电机成本高、39、2.4.2驱动元件、(1)液(气)压驱动液(气)压电机(2)由步进电机小的机器人驱动，由主驱动电机和由于可通过编码器或电位器提供正确的位置反馈，因此也可将步进电机用于闭环控制，通过脉冲电流使步进电机步进，使脉冲转子逐步旋转。 在不要求精度的情况下，无需增加位置反馈，40、(3)直流电动机驱动、直流电动机和步进电动机是工业机器人中应用最广泛的两种电动机，但两者的动作方式有本质的不同。直流电动机连续旋转，运动连续平滑，而且自身没有位置控制能力，41、为了实现正确的位置控制，必须加上某种形式的位置反馈构成闭环伺服系统的机器人的运动可能要求速度，因此速度反馈也一般的直流电机和位置反馈、速度反馈是一体化的所谓直流伺服电机。 采用闭环伺服控制，可实现平滑控制和大转矩的目前，大多数机器人采用直流伺服电动机驱动机器人各关节，但转速不太高的近年来，新发展的无刷(交流)交流伺服电动机克服了上述缺点， 由图可知，无刷电动机是直流伺服电动机，取代直流伺服电动机42的(4)无刷直流伺服电动机，原理是由永久磁铁构成转子，在定子上具有绕组线圈，能够通过框体释放绕组的热量， 该功率无刷电机的体积质量比直流伺服电机小得多，或者该体积电机的功率远大于直流电机。 如直流电动机那样，无刷电动机也需要绕组电流的换流功能，但不是机械式整流子，而是与外部的驱动电路连接，因此驱动电路能够根据转子位置信息通过电子开关改变电枢中流过的电流的方向43 )，无刷电动机分为：梯形波电动机和正弦波电动机前者也称为直流无刷电动机，后者也称为交流无刷电动机或交流伺服电动机直流无刷电动机(梯形波电动机):由无刷电动机的原理可知，其绕组数仅为23个(2或3相)，该数量远远大于直流无刷电动机的定子绕组数因此，如何减小无刷电机工作时的转矩变动是重要的问题。 通过无刷电动机定子绕组的电流的振幅越大，产生的转矩越大。 为了减小转矩变动，限制了电流振幅，如图63l所示，呈平顶状。 用梯形波代替正弦波驱动电动机，简化了驱动电路，但为了进一步减小转矩变动，这种电动机的控制系统需要速度负反馈环，通过速度负反馈的作用使转速平滑，44、正弦波电动机(交流无刷伺服电动机):如名字所示用正弦波电流驱动。 在三相情况下，电流相位差为120。 而且，该三相电流根据转子的位置而不同，即，转子的位置检测更准确，驱动电路也比梯形波电动机复杂，但表示无刷电动机的最高电平。 这是因为能够维持恒定转矩输出、45、2.4.3伺服电机的选择和齿轮比的决定，(1)首先选择电机时，必须提供电机负载所需的瞬时转矩和转速。 在电动机为峰值且要求以峰值转速驱动负载的情况下，电动机功率可通过下式估计，电动机功率、w负载峰值转矩负载转速传动装置的效率在最初的估计中为=0.7O.9、 46 .如果电动机长期连续在变动负载下工作，则相对合理的是，在用负载均方功率估计电动机功率并估计Pm后，选择电动机，满足其额定功率p、下式、负载均方转矩Nm负载均方转速、rad/S。 47、(2)发热检查，以一定的转速，负载的均方根力矩与伺服电机连续运转时的热额定值对应。由于验证发热，电动机的发热量主要是由铜在时间t内产生的热量Qe :48，(3)扭矩过载验证，扭矩过载验证的公式是：选择电动机的额定扭矩：(49，(4)总齿轮比，电动机应克服的负载扭矩有两种典型情况：一种是峰值扭矩， 应对电动机最严重的工作状况，一般在机器人关节电动机起动时出现的另一个是均方根力