第二章--工业机器人的机械设计基础

1、2021/8/141第二章第二章 工业机器人的机械设计基础工业机器人的机械设计基础2021/8/142n 工业机器人常见构型n 机器人基本概念与关键参数n 机器人的运动学n 机器人工作空间与轨迹规划n 机器人静力学与动力学n 机器人关键功能部件n 机器人元器件与传动方式n 机器人典型结构与运动n 机器人设计与分析n 机器人设计思想与设计方法主要内容2021/8/143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。处理器处理器关节控制器关节控制器驱动驱动装置装置执行执行机构机构工作对象工作对象控制系

2、统控制系统感知反馈系统感知反馈系统内部传感器（位形检测）内部传感器（位形检测）外部传感器（环境检测）外部传感器（环境检测）2021/8/144机器人分类气压驱动气压驱动按驱动形式按驱动形式液压驱动液压驱动电驱动电驱动直流伺服驱动直流伺服驱动交流伺服驱动交流伺服驱动按用途划分按用途划分（应用领域）（应用领域）（1）工业机器人）工业机器人（步进电机）（步进电机）弧焊机器人弧焊机器人点焊机器人点焊机器人搬运机器人搬运机器人装配机器人装配机器人喷涂机器人喷涂机器人抛光机器人抛光机器人2021/8/145机器人分类（2）特种机器人）特种机器人空间机器人空间机器人水下机器人水下机器人军用机器人军用机器人教

3、学机器人教学机器人服务机器人服务机器人医用机器人医用机器人排险救灾机器人排险救灾机器人固定式固定式移动式移动式轮式轮式履带式履带式足式足式蛇行蛇行2021/8/146机机 器器 人人 的的 常常 见见 构构 型型2021/8/147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)2021/8/148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202

4、1/8/149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2021/8/1410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2021/8/1411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2021/8/1412水平多关节机器人（ SCARA ）l 结构特点- 作业空

5、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-Selective ComplianceAssembly Robot Arm1978年由日本山梨大学牧野洋教授首先提出2021/8/1413并联机器人模拟器模拟器加工设备加工设备微动机构微动机构2021/8/1414机器人基本概念与关键参数机器人基本概念与关键参数2021/8/14151.2.3.4.5.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。

6、描述方式： 0.08 mm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

7、相当重要的位置。2021/8/14166.7.8.9.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

8、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。2021/8/1417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

9、。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2021/8/1418机器人运动学机器人运动学2021/8/1419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，也就是机器人的相对于固定参考坐

10、标系的空间几何描述，也就是机器人的运动学问题运动学问题 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2021/8/1420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：PUMA560Fanuc manipulatorHexapod2021/8/1421运动学研究的问题Where is my hand?运动学正问题运动学正

11、问题Direct KinematicsHERE!How do I put myhand here?运动学逆问题运动学逆问题Inverse Kinematics:Choose these angles!2021/8/1422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

12、 问 题杆 件 参 数运 动 学 正 问 题末 端 执 行 器2021/8/1423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？存在双解存在双解!2021/8/1424什么是并联机器人什么是并联机器人n 并联机器人机构可以严格定并联机器人机构可以严格定义为：上，下平台用义为：上，下平台用2个或个或2个以上分支相连，机构具有个以上分支相连，机构具有2个或个或2个以上的自由度，且以个以上的自由度，且以并联方式驱动的机构称为并并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。联机器人机构。n 从广义机构学的角度出发，从广义机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器只要是多自由度的，

13、驱动器分配在不同环境上的多环路分配在不同环境上的多环路机构都可称之为并联机构，机构都可称之为并联机构，如步行机器人，多指手爪等。如步行机器人，多指手爪等。2021/8/1425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2021/8/1426并联机器人的应用并联机器人的应用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、误差补偿器微动机构和微型机构：显微

14、外科、细胞操作、误差补偿器.n 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究轴联动，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，发现很难超过难超过20 .n 娱乐：娱乐：真实的谎言真实的谎言中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就是在一个是在一个stewart平台上进行的平台上进行的.2021/8/1427并联机器人运动学并联机器人运动学n 在串联机器人中，正解容易且有

15、唯一解，逆解比在串联机器人中，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，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。是并联机器人研究的一个难题。2021/8/1428机器人工作空间与轨迹规划机器人工作空间与轨迹规划2021/8/1429工作空间工作空间是从几何方面讨论操作机的工作性能。工作空间是从几何方面讨论操作机的工作性能。BRoth在在1975年提出了操作机年提出了操作机工作空间的概念

16、。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（操作机的可达工作空间（Reachable workspace） ：机器人操作机正：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)。 灵活工作空间灵活工作空间(Dexterous workspace)：在总工作空间内，末端以给：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。记作定姿态达到的点所构成的体积空

17、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)。2021/8/1430工作空间工作空间的两个基本问题：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、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。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、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

18、作空间逆问题。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：工作空间的确定方法：1、解析法、解析法2、图解法、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。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(有时为有时为两关节或一关节两关节或一关节)，前三关节称位置结构，主要确定工作空间大小，后三，前三关节称位置结构

19、，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。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。2021/8/14312021/8/1432机器人的轨迹规划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

20、定一系列动控制它。这里，规划的意思就是机器人在行动前确定一系列动作作(作决策作决策)，这种动作的确定可用问题求解系统来解决，给定，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。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。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

21、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。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。人感兴趣的结合点。2021/8/1433PTP-point to pointLIN-linearCIRC-circular2021/8/1434机器人静力学与动力学机器人静力学与动力学2021/8/1435机器人静力学和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

22、器人控制器设计、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。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。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

23、杂，难以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。适合于实时控制的要求，是机器人动力学研究追求的目标。2021/8/1436动力学研究方法：动力学研究方法：ADAMS1拉格朗日方程法：通过动、势能变化与广义力的关系，建拉格朗日方程法：通过动、势能变化与广义力的关系，建立立 机器机器 人的动人的动 力学方程。代表人物力学方程。代表

24、人物 R.P.Paul、J.J.Uicker、J.M.Hollerbach等。计算量等。计算量O(n4)，经优化，经优化O(n3)，递推，递推O(n)。2牛顿牛顿欧拉方程法：用构件质心的平动和相对质心的转动欧拉方程法：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欧拉方程的动力学方程。代表人物的动力学方程。代表人物Orin, Luh(陆养生陆养生)等。计算量等。计算量O(n)。3高斯原理法高斯原理法: 利用力学中的高斯最小约束原理利用力学中的高斯最小约束原理,把机器人动把机器人动力学问题化成极值问题求解力学问题化

25、成极值问题求解.代表人物波波夫代表人物波波夫(苏苏). 用以解决第用以解决第二类问题。计算量二类问题。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。计算量算量O(n!)。2021/8/1437机器人关键功

26、能部件机器人关键功能部件 电机、减速器、传感器电机、减速器、传感器2021/8/1438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2021/8/1439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

27、现丢步现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。2021/8/1440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

28、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。2021/8/1441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2021/8/1442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

29、定位。电压影响电池2021/8/1443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。2021/8/1444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

30、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。2021/8/1445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2021/8/1446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2021/8/1447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

31、齿环齿数/太阳齿齿数 + 12021/8/1448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2021/8/1449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)2021/8/1450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

32、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。2021/8/1451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2021/8/1452谐波减速机l 品牌- 国外，日本Harmonic Drive(HD)、德国Harmonic Drive PolymerGmbH- 国

33、内，北京谐波研究所、中技克美、众合天成2021/8/1453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）。2021/8/1454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

34、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。2021/8/1455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2021/8/1456摆线针轮减速机（机器人用）l 品牌- 国外，日本住友FINE CYCLO-C、D系列、斯洛伐克SPINEA公司TwinSpin系列- 国内，暂无2021/8/1457RV减速机

35、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2021/8/1458RV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2021/8/1459nnRV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

36、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！2021/8/1460RV减速机l 品牌- 国外，日本帝人制机（Nabtesco前身）VIGO DRIVE中的RV-C、RV-E系列减速机、日本住友FINE CYCLO-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2021/8/1461l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

37、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

38、-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2021/8/1462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

39、同的调制-抗干扰能力2021/8/1463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

40、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2021/8/1464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

41、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

42、 （码盘一圈的刻线数）富士：17位（分辨率）32768线2021/8/1465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。202

43、1/8/1466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2021/8/14672.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2021/8/1468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2021/8/1469l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

44、标准。一般说来，目前负荷为100 kg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。2021/8/1470机器人典型元器件与传动方式机器人典型元器件与传动方式2021/8/1471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2021/8/1472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。

45、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）2021/8/1473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2021/8/1474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

46、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；一齿轮；2一返回装置；一返回装置；3一键；一键；4一滚珠；一滚珠；5一丝杠；一丝杠；6一螺母；一螺母；7支座支座2021/8/1475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2021/8/1476其他传动l 齿轮传动- 间隙

47、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2021/8/1477nnn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

48、。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。2021/8/1478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

49、选取需注意：精度、刚度、负载、成本、应用场合等。2021/8/1479机器人常用传动比较2021/8/1480机器人常用传动比较2021/8/1481机器人的典型机械结构与运动机器人的典型机械结构与运动2021/8/1482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2021/8

50、/1483-典型结构组成l 6-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2021/8/1484一、机器人机械结构的组成一、机器人机械结构的组成1. 手 部2. 手 腕3. 臂 部4. 机 身2021/8/1485一、机器人机械结构的组成一、机器人机械结构的组成手部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身机器人的基础部分

51、，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2021/8/1486二、机器人机构的运动二、机器人机构的运动手臂的运动垂直移动径向移动(1)回转运动手腕的运动(1)手腕旋转(2)手腕弯曲(3)手腕侧摆2021/8/1487三、机身和臂部机构三、机身和臂部机构机身结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

52、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。2021/8/1488机身结构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2021/8/1489臂部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

53、件、配管配线等。2021/8/1490臂部结构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2021/8/1491机身和臂部的配置形式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2021/8/1492机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式横梁式横梁式：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

54、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。2021/8/1493机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式立柱式：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。2021/8/1494机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式机座式机座式：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

55、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。2021/8/1495机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式屈伸式屈伸式：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。（图见下页图见下页）2021/8/14962021/8/1497四、手腕结构四、手腕结构手腕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

56、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。2021/8/1498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：2021/8/1499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。2021/8/14100柔顺手腕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

57、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示意图如下页2021/8/14101柔顺手腕柔顺手腕2021/8/14102五、手部机构五、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工业机器人的手部手部和仿人机器人的手部仿人机器人的手部。常用的手部按其握持原理可以分为夹夹持类持类和吸附类吸附类两大类。2021/8/14103.夹持类夹持类夹持类手部除常用的夹钳式夹钳式外，还有脱钩脱钩式式和弹簧式弹簧式。此类手部按其手指夹持工件时的

58、运动方式不同又可分为手指回转型手指回转型和指面平移指面平移型型。2021/8/14104(1)夹钳式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2021/8/14105(1)夹钳式夹钳式手指手指: 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。2021/8/14106(1)夹钳式夹钳式）指端的形状2021/8/14107(1)夹钳式夹钳式）指面形式根据工件形状、大小

59、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。2021/8/14108(1)夹钳式夹钳式传动机构：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。2021/8/14109(1)夹钳式夹钳式回回转转型型传传动动机机构构2021/8/1

60、4110(1)夹钳式夹钳式）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平面平行移动机构机构和直线往复移动机构直线往复移动机构两种类型。2021/8/14111(1)夹钳式夹钳式平平移移型型传传动动机机构构2021/8/14112(1)夹钳式夹钳式驱动装置：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：支架：使手部与机器人的腕或臂相联接。2021/8/14113(2)钩拖式手部钩