第7章工业机器人2

1、2022-2-9武汉理工大学机电学院1/68第七章第七章 工业机器人工业机器人二、工业机器人的机械结构二、工业机器人的机械结构一、概述一、概述三、工业机器人控制系统三、工业机器人控制系统四、工业机器人运动及动力学分析四、工业机器人运动及动力学分析五、工业机器人机器人轨迹规划五、工业机器人机器人轨迹规划2022-2-9武汉理工大学机电学院2/68关节（关节（Joint）：即运动副，）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。发生相对运动的机构。连杆连杆（Link）：）：机器人手臂上机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。被相邻两关节分开的部分。BaseLink0

2、Joint1Link2Link3Joint3End of ArmLink1Joint22022-2-9武汉理工大学机电学院3/68定位精度（定位精度（Positioning accuracy） 指机器人末端参考点实际到达的位指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复性（重复性（Repeatability）或重复精度）或重复精度： 在相同的位置指令下，机器人连续在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复衡量一列误差值的密集程度，即重复度。度。oo20

3、22-2-9武汉理工大学机电学院4/68工作空间工作空间（Working space） 机器人手腕机器人手腕参考点或末端操作参考点或末端操作器安装点（不包括器安装点（不包括末端操作器）所能末端操作器）所能到达的所有空间区到达的所有空间区域，一般不包括末域，一般不包括末端操作器本身所能端操作器本身所能到达的区域。到达的区域。2022-2-9武汉理工大学机电学院5/68注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。（a）表示手指（末端执行器）；）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直、升降运动；）表示垂直、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；）表示水

4、平伸缩运动；（d）表示回转运动；）表示回转运动；（e）表示俯仰运动。）表示俯仰运动。2022-2-9武汉理工大学机电学院6/681234561234562022-2-9武汉理工大学机电学院7/68关节名称关节名称q Translational motion Linear joint (L型)线性关节线性关节 Orthogonal joint (O型)正交关节正交关节q Rotary motion Rotational joint (R型) 销轴回转关节销轴回转关节 Twisting joint (T型)同轴回转关节同轴回转关节 Revolving joint (V型) V型回转关节型回转关节2

5、022-2-9武汉理工大学机电学院8/68关节配置关节配置 关节符号用字母L, O, R, T, V表示； 手腕用冒号 :与机体及手臂分开。 关节配置例: TLR : TR2022-2-9武汉理工大学机电学院9/68Polar Coordinate Body-and-Arm AssemblyNotation : TRL2022-2-9武汉理工大学机电学院10/68Cylindrical Body-and-Arm AssemblyNotation : TLO2022-2-9武汉理工大学机电学院11/68Cartesian Coordinate Body-and-Arm Assembly Nota

6、tion : LOO2022-2-9武汉理工大学机电学院12/68Jointed-Arm RobotNotation : TRR2022-2-9武汉理工大学机电学院13/682.2 工业机器人的结构工业机器人的结构手部手部(末端执行器末端执行器)驱动系统驱动系统传动机构传动机构手臂手臂手腕手腕机身（座）机身（座）2022-2-9武汉理工大学机电学院14/681. 手部手部(末端执行器末端执行器) 手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的作业。的作业。

7、 1) 手部的特点手部的特点 (1) 手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕相连处可拆卸 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象手部与手腕处有可拆卸的机械接口：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。用性和互换性。 手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。2022-

8、2-9武汉理工大学机电学院15/68(2) 手部是末端操作器手部是末端操作器 可以具有手指，也可以不具有可以具有手指，也可以不具有手指手指；可以有手爪，也可；可以有手爪，也可以是专用以是专用工具工具。 (3) 手部是一个独立的部件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：工业机器人通常分为三个大的部件：机身机身、手臂（含手手臂（含手腕）腕）、手部手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的。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作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度定位精度、夹持力的大小夹持力的大小等。等。(4) 手部的通用性比较差手部的通用性比较

9、差 工业机器人的手部通常是专用装置：工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能一种手爪往往只能抓住一种或几种在抓住一种或几种在形状形状、尺寸尺寸、重量重量等方面相近的工件；一等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。种工具只能执行一种作业任务。2022-2-9武汉理工大学机电学院16/68每个手指有三个或四个关节。技术关键是手指之间的协调控制。2022-2-9武汉理工大学机电学院17/68末端操作器图例(2)手部是焊枪手部是焊枪2022-2-9武汉理工大学机电学院18/68 2) 手部的设计要求u 具有足够的夹持力。具有足够的夹持力。u 保证适当的夹持精度保证适当的夹持精度 手指应

10、能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工件形成所要求的约束。u 考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度 主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑。u 智能化手部还应配有相应的传感器智能化手部还应配有相应的传感器 由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等2022-2-9武汉理工大学机电学院19/68 3) 手部的构成手部的构成 主要由手指、驱动机构和传动机构组成。4) 手部的分类 (1) 按用途分 手爪：手爪：具有一定的通用性。主要功能是抓住工件、握持工件、释放工件。

11、抓住：在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的准确的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。 握住：确保工件在搬运过程中或零件装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。 释放：在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。 工具：工具：进行作业的专用工具。2022-2-9武汉理工大学机电学院20/68(2) 按夹持方式分 外夹式外夹式 手部与被夹件的外表面相接触。 内撑式内撑式 手部与工件的内表面相接触。 内外夹持式内外夹持式 手部与工件的内、外表面相接触。2022-2-9武汉理工大学机电学院21/68夹持方式图例2022-2-9武汉理工大学机电学院22/68

12、 (3) 按手爪的运动形式分 回转型回转型 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。2022-2-9武汉理工大学机电学院23/68回转型图例压缩弹簧拉伸弹簧2022-2-9武汉理工大学机电学院24/68平动型图例2022-2-9武汉理工大学机电学院25/68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？2022-2-9

13、武汉理工大学机电学院26/68 (4) 按夹持原理分 手指式：手指式： 外夹式、内撑式、内外夹持式。 平移式、平动式、旋转式。 二指式、多指式。 单关节式、多关节式。 吸盘式：吸盘式： 负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。 磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。2022-2-9武汉理工大学机电学院27/68 5) 典型结构典型结构 (1) 机械式手爪结构 气动驱动： 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 其它四种机械式手爪机构2022-2-9武汉理工大学机电学院28/68气动手爪图例气动手爪图例问题：1、分析手部的运动。2、手部作的是什么类型运动？2022-2-9武汉理工大学机电学院

14、29/68机械手爪图例机械手爪图例重力式手爪齿轮齿条式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪2022-2-9武汉理工大学机电学院30/68 (2) 电磁吸盘电磁吸盘 电磁吸盘的结构：电磁吸盘的结构： 主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。 工作原理：工作原理： 夹持工件： 线圈通电空气间隙的存在线圈产生大的电感和启动电流周围产生磁场(通电导体一定会在周围产生磁场)吸附工件 放开工件： 线圈断电磁吸力消失工件落位2022-2-9武汉理工大学机电学院31/68 适用范围：适用范围：u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。u 适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。u

15、 适合于定位精度要求不高的工件。u 合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。2022-2-9武汉理工大学机电学院32/68电磁吸盘图例电磁吸盘图例2022-2-9武汉理工大学机电学院33/68 (3) 真空式吸盘真空式吸盘 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1Y2Y2022-2-9武汉理工大学机电学院34/68真空吸盘结构图例真空吸盘结构图例2022-2-9武汉理工大学机电学院35/686) 手部结构的应用实例手部结构的应用实例

16、(1) 平行指手爪机构工作原理：工作原理： 回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。2022-2-9武汉理工大学机电学院36/68 (3) 上料吸盘上料吸盘A2022-2-9武汉理工大学机电学院37/68 (4) 上料吸盘上料吸盘B2022-2-9武汉理工大学机电学院38/682. 驱动系统驱动系统 工业机器人驱动系统主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种形式。每种方式都有直线型和旋转型。直线型电动直线电机液压活塞液压缸气压伸缩软管、气缸旋转型电动直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机液压旋转马达气压气压马达、涡轮2022-2-9

17、武汉理工大学机电学院39/68各种主要驱动方式特点的比较各种主要驱动方式特点的比较 方式内容液压驱动气压驱动电气驱动交、直流电机伺服电机、步进电机输出力大小大小控制性能可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精确定位难，阻尼效果差，低速不易控制控制性能较差，惯性大，不易精确定位控制性能好，能精确定位，但控制系统复杂体积在输出力相同条件下体积小较大要有减速装置，故体积较大较小维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便方便较复杂对环境影响易漏油，易燃排气有噪声无无应用范围重型低速驱动中小型快速驱动抓取重量大而速度低的中、重型机器人可用于要求严格控制运动轨迹的中小型机器人成本元件成

18、本较高低低较高2022-2-9武汉理工大学机电学院40/683. 传动机构传动机构 传动机构用来将原动机发出的机械能传递给关节或其他工作部分，以实现机器人各种运动。 常用传动方案如下表所示。 常用传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带及链传动等。直线电机III变速电机 (回转关节)伺服电机 (减速机构) (回转变直线机构) (直动关节)II液压泵或空压机 (液压或气动驱动器) (连杆机构、摆杆机构)I执 行 部 件传动机构原 动 机方案2022-2-9武汉理工大学机电学院41/68 1) 齿轮传动齿轮传动u 谐波减速器u RV减速器：内齿轮为带滚针的圆弧齿，外齿轮采用周摆线齿，内外齿轮在整个圆周上始

19、终保持啮合。2022-2-9武汉理工大学机电学院42/68RV减速器工作原理图RV减速器特点l 传动比范围大；l 扭转刚度大；l 高精度和小间隙回差；l 传动效率高；l 结构紧凑。2022-2-9武汉理工大学机电学院43/68 2) 螺旋传动螺旋传动 螺旋传动可实现旋转运动和平移运动的转换。螺旋传动均匀准确，主动件上作用较小扭矩，即可在从动件上获得很大的轴向力。螺杆旋转一周，螺母只移动一个导程。 按摩擦性质分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。u 滑动螺旋：丝杠螺母副u 滚动螺旋：滚珠丝杠副u 静压螺旋：变滑动、滚动摩擦为流体自身的粘性力摩擦，如使用气体静压螺旋，则摩擦力很小，但承载能力也小。20

20、22-2-9武汉理工大学机电学院44/68滑动螺旋传动原理图滚动螺旋传动内部结构图滚珠丝杠实物图2022-2-9武汉理工大学机电学院45/68静压螺旋传动内部结构示意图2022-2-9武汉理工大学机电学院46/68 3) 带、链传动带、链传动 工业机器人中的带传动主要指同步齿形带传动，链传动主要指精密套筒滚子链传动。 主要用于平行轴之间的传动。 4) 其他传动方式其他传动方式 除上述三种主要传动形式外，工业机器人中还有采用液压传动、气压传动、连杆机构和凸轮机构等。2022-2-9武汉理工大学机电学院47/684. 手臂手臂 手臂用来调节末端执行器在空间的位置，或把工件、工具运送到工作范围内的指定位置上。一般具有三个自由度，这些自由度可以是移动副、绕同轴回转的回转副和绕销轴摆转的回转副。 关节型机器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是关节。 回转关节用来连接手臂与机座、手臂相邻杆件及手臂与手腕，并实现两构件间的相对回转(或摆动)。它由驱动器、回转轴和轴承组成。2022-2-9武汉理工大学机电学院48/68 驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。这种驱动方式具有以下特点： A. 机械传动精度高； B. 振动小，结构刚性好； C. 结构紧凑，可靠性高； D. 电机的重量会增加转动负担