机器人—末端执行器

,工业机器人,上海电机学院机械学院,主讲人：李庆龄,末端执行器,机器人机械本体是机器人的重要部分，所有的计算、分析和编程最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。本体结构是机器人设计的重要组成部分，其他系统的设计应有各自的独立要求，但必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。,第2章工业机器人本体结构,2,使用要求是工业机器人机械系统设计的出发点。本体结构各部分的基本结构、材料的选择将直接影响整体性能。,3,工业机器人本体结构,机器人本体结构,机器人手腕、手臂、机身,3,4,工业机器人,5,2.1概述,关节式机器人结构简图,6,工业中广泛应用的关节型机器人，其结构的主要特点是模仿人类腰部到臂部的基本结构，因此通常包括机座（腰部）、手臂（大臂和小臂）、手腕和末端执行器。,2.1概述,手部（末端执行器）：执行机构腕部：改变手部的空间方向和将载荷传递到臂部。臂部：改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将载荷传递到机身。机座：支承作用。,7,2.1概述,在进行机器人本体的运动学、动力学和其他相关分析时，一般将机器人简化成连杆、关节和末端执行器首尾相接，通过关节相连而构成的一个开式连杆系。在连杆系的开端安装有末端执行器。组成机器人的连杆和关节按功能可以分成两类：,8,2.1概述,9,为了简化机器人机构的表达过程，常用特定的图形符号来表示机器人的各种结构运动副，常用的工业机器人的各种图形符号如表中所示。,GB/T12643-90,2.1概述,10,用所学的图形符号绘制直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节坐标型机器人机构简图。,2.1概述,机构,平面机构,空间机构,机构自由度的计算,n为构件数，P1为低副数，Ph为高副数。,l为构件数（连杆和基座），n为关节总数，fi为第i个关节的自由度数。,Stewart机构有18个关节（6个万向铰链、6个球关节、6个移动关节）；14个连杆，18个关节，共有36个自由度。则,问题：若在stewart机构中，2自由度的万向铰链代替3自由度的球-套关节，试问它的自由度总数是多少？,机器人本体（关节式机器人）基本结构的特点主要可归纳为以下四点：,一般可简化成各连杆首尾相接、末端无约束的开式连杆系。,开式连杆系中每根连杆都具有独立的驱动器，为主动连杆系。,连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中变化非常复杂。,连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，极易出现振动或其他不稳定现象。,综上可见：合理的机器人本体结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。,2.1概述本体结构特点,臂杆的质量小有利于改善机器人操作的动态性能。合理的本体结构应使其工作负载与自重的比值尽可能大。,机器人本体材料选择的基本要求：,选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。,强度高。弹性模量大。质量轻选择高弹性模量、低密度材料。阻尼大提高定位精度和传动平稳性的角度考虑。经济性好。,2.1概述本体材料的选择,2.2末端执行器,分类,3,(1)医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫做手；,(2)把手掌和手指部分叫做手。,工业机器人的手称为末端执行器，也叫做手部。是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。,机器人的手部接近于第二种定义。,17,2.2末端执行器,(2)手部是机器人末端执行器。,(3)手部的通用性比较差。,(4)手部是一个独立的部件。,一.工业机器人手部具有如下特点：,18,2.2末端执行器,根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。,手部与手腕处有可拆卸的机械接口，手部可能还有一些电、气、液的接口。,1手部与手腕相连处可拆卸,19,2手部是末端操作器：,可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。,20,3手部的通用性比较差,工业机器人的手部通常是专用装置：例如一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。,21,4手部是一个独立的部件：,工业机器人通常分为三个大的部件：机身、手臂（含手腕）、手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现，增加了工业机器人作业的灵活性和可靠性。,22,ShadowRobot公司研制的类人机械手,23,24,工业中使用的二指手部,25,二、手爪设计和选用的要求,手爪设计和选用时最主要的是满足功能上的要求，具体来说要围绕一下几方面进行调查，提出设计参数和要求。,1.被抓握的对象（几何参数和机械特性）,2.物料馈送器或储存装置,3.机器人作业顺序,4.手爪和机器人的匹配,5.环境条件,2.2末端执行器,保证适当的夹持精度。,2,3,4,几点说明：,幻灯片19,幻灯片,28,2.2末端执行器,29,2.2末端执行器,回转型手部,平移型手部,30,2.2末端执行器,三、手部的分类：,1.按用途分,手爪：主要功能是抓住工件、握持工件和释放工件。工具：进行某种作业的专用工具，如喷枪、焊接工具等。,31,2.2末端执行器,2.按手爪的运动形式分：,回转型：当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓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。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，手指姿态不变，作平动。平移型：当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。,平移型,32,2.2末端执行器,回转型图例：,33,平动型图例：,34,35,平移型图例：,该丝杆的螺纹具有什么特点？,此时手部是张开还是合拢？,36,3.按夹持原理分：,按夹持原理可分为机械手爪、磁力类手爪和真空类手爪三种。,手爪,机械手爪,磁力吸盘,真空式吸盘,气动夹紧,液压夹紧,电动夹紧,电磁夹紧,电磁吸盘,永磁吸盘,真空吸盘,气流负压吸盘,挤气负压吸盘,2.2末端执行器,手指,传动机构,连接和支承元件,驱动装置,四、手部的典型结构：,38,2.2末端执行器,1手指；2传动机构；3驱动装置；4支架；5工件,夹钳式手部的组成,工业机器人机构末端执行器,39,V型指、平面指、尖指或薄长指、特形指,光滑指、齿形指、柔性指,一般碳素钢和合金结构钢,手指,指端形状,指面形式,手指材料,40,(a)固定V型；(b)滚柱V型；(c)自定位式V型,41,2指面形式根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有以下几种形式：,指面平整光滑，用来夹持已加工表面，避免已加工的光滑表面受损伤。,(3)柔性指面,(1)光滑指面,(2)齿形指面,指面刻有齿纹，可增加与被夹持工件间的摩擦力，以确保夹持可靠。它多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。,指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等物，有增加摩擦力、保护工作表面、隔热等作用。一般用来夹持已加工表面、炽热件，也适用于夹持薄壁件和易碎工件。,42,3.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。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金；高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。,43,手指做回转运动,手指采用平行四连杆机构,手指做往复直线运动,传动机构,回转型,平动型,平移型,44,回转型传动机构,夹钳式手部中回转型较多，其手指就是一对（或几对）杠杆，一般同斜楔、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，用以改变传力比、传动比及运动方向等。,(1)斜楔杠杆式(2)滑槽杠杆式(3)连杆杠杆式(4)齿条齿轮杠杆式,基本结构工作原理,45,(1)斜楔杠杆式,斜楔杠杆式手部,46,滑槽式杠杆回转型手部,(2)滑槽杠杆式,47,该结构承载能力较大，但开闭范围不大，可用于夹持大型工件。因机构的活动环节较多，故定心精度一般比斜楔传动差。,(3)连杆杠杆式,双支点连杆杠杆式手部,48,(4)齿条齿轮杠杆式,齿条齿轮杠杆式手部,49,平移传动机构,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和闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件。其结构较复杂，不如回转型手部应用广泛。,(1)直线往复移动机构(2)平面平行移动机构,基本结构工作原理,50,图为几种平移型夹钳式手部的简图。他们的共同点是都采用平行四边形的铰链机构即双曲柄铰链四连杆机构，以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、蜗杆蜗轮、连杆斜滑槽的传动方法。,(2)平面平行移动机构：,四连杆机构平移型手部结构,51,气动手爪图例：,问题：1、分析手部的运动传递。2、手部作的是什么类型运动？,气动驱动手爪工作原理：气缸驱动活塞平移齿条移动扇形齿轮摆动连杆机构摆动手爪平动,52,机械手爪图例：,齿轮齿条式手爪,滑槽式手爪,拨杆杠杆式手爪,53,气吸附,磁吸附,工业机器人机构末端执行器,使用范围：适用于大平面、易碎、微小的物体，因此使用面很广。,54,1.气吸附式取料手,气吸附式取料手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：,真空吸附气流负压气吸挤气负压气吸,气吸附取料手它由吸盘（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。,55,真空吸附取料手,真空吸附取料手,56,(1)真空式吸盘：,构成:由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。工作原理：形成真空吸附工件：电机真空泵3电磁阀左侧从吸盘5处抽气释放工件：电机、泵停转大气经6口4电磁阀左侧3电磁阀右侧送气至吸盘5处,57,真空吸盘控制系统图例：,1DT,2DT,58,微小零件取料手,真空吸附取料工作可靠，吸附力大，但需要有真空系统，成本较高。,59,指容器内压力小于外界压力（一般指大气压）。气流负压吸附取料手是利用流体力学的伯努利效应使橡胶吸盘内产生负压。这种取料手需要压缩空气，工厂里较易取得，故成本较低。,气流负压吸附取料手,(2)气流负压吸附取料手：,60,工作原理：压缩空气进入喷嘴后，利用伯努利效应，当压缩空气刚进入时，由于喷嘴口逐渐缩小，致使气流速度逐渐增加。当管路截面收缩到最小处时，气流速度达到临界速度，然后喷嘴管路的截面逐渐增加，使与橡胶皮碗相连的吸气口处，造成很高的气流速度而形成负压。应用：在工厂一般都有空压站，喷气式吸盘在工厂得到广泛的应用。,61,(3)挤气式吸盘：,主要构成：吸盘架、压盖、密封垫、吸盘工作原理：,62,挤气式吸盘工作原理图：,63,挤压排气式取料手,挤压排气式取料手,64,气吸附式取料手与夹钳式取料手相比:优点：结构简单，重量轻，吸附力分布均匀，对于薄片状物体的搬运更有其优越性（如板材、纸张、玻璃等物体），广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。缺点：要求物体表面较平整光滑，无孔无凹槽。,65,66,2.磁吸附式取料手,磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料，因此只能对铁磁物体起作用；另外，对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。,磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。,67,适用范围：适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。适合于定位精度要求不高的工件。适合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。,69,专用操作器和换接器,1.专用末端操作器机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求完成的各种动作，在配上各种专用的末端操作器后，就能完成各种动作。,各种专用末端操作器和电磁吸盘式换接器,70,2.换接器或自动手爪更换装置使用一台通用机器人，要在作业时能自动更换不同的末端操作器，就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成：换接器插座和换接