工业机器人的结构及技术参数

1、工业机器人的基本组成及技术参数工业机器人的基本组成及技术参数机器人的组成机器人的组成机器人的组成部分机器人的组成部分机械部分传感部分控制部分机器人的组成系统机器人的组成系统驱动系统机械结构系统人机交互系统感受系统机器人环境交互系统控制系统机器人系统组成人机交互系统控制系统驱动系统机械机构系统机器人环境交互系统感受系统感受系统概念：概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置1、驱动系统、驱动系统作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力 驱动系统可以是液压传动、 气动传动、电动传动, 或者把它们结合起来应用的综合系统; 可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿

2、轮等机械传动机构进行间接驱动。机身部分机身部分手臂部分手臂部分末端操作器末端操作器关节关节3、感受系统感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成, 用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。对于一些特殊的信息, 传感器比人类的感受系统更有效。1、机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。2、工业机器人与外部设备集成为一个功能单元如加工制造单元、 焊接单元、装配单元等。也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。4、机器人环境交互系统5、人机交互系统 人机

3、交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置。 该系统归纳起来分为两大类: 指令给定装置和信息显示装置。6、控制系统 是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。 机器人的基本工作原理是示教再现；示教也称导引，即由用机器人的基本工作原理是示教再现；示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数工艺程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教参数等，并自动生成一个连续执行

4、全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作；一步步完成全部操作； 冗余自由度机器人 利用冗余自由度可以增利用冗余自由度可以增加机器人的灵活性、躲避障加机器人的灵活性、躲避障碍物和改善动力性能。人碍物和改善动力性能。人的手臂的手臂(大臂、小臂、大臂、小臂、 手腕手腕)共有七个自由度共有七个自由度, 所以工所以工作起来很灵巧作起来很灵巧,手部可回手部可回避障碍而从不同方向到达避障碍而从不同方向到达同一个目的点。同一个目的点。 定位精度（定位精度（Positioning accuracy）

5、：）：指指机器人末端参考点实际到达的位置与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。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：在相同的位置指令在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。集程度，即重复度。oo3工作范围工作范围:工作空间（工作空间（Working space）：）：机器人机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空包括末端操作

6、器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。所能到达的区域。4工作速度：工作速度： 指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同不同。5承载能力：承载能力： 表表1.3 PUMA 562机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数 图 1.17 PUMA 562工业机器人 工业机器人的驱动与传动系统结构工业机器人的驱动与传动系统结构 在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置置( (一般为减速器一般为减速器) )，再通过关节轴带动杆件运动。，再通过关节轴带动杆件运动。 机

7、器人一般有两种运动关节机器人一般有两种运动关节转动关节和移转动关节和移( (直直) )动动关节。关节。 为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。 驱动驱动传动系统的构成传动系统

8、的构成1 1电动驱动器电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。动比较困难。 电动驱动器又可分为直流电动驱动器又可分为直流 (DC)、交流、交流(AC)伺服电机伺服电机驱动和步进电机驱动。驱动和步进电机驱动。 直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成

9、为机器人的主要驱动器。取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。 步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度小功率机器人系统。多用于低精度小功率机器人系统。驱动器的类型和特点驱动器的类型和特点2. 液压驱动器液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速液压驱动的优点是功率大，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

10、动泄漏，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。目前多用于特大功率的机器人系统。 3气动驱动器气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。 液压驱动液压驱动优点：优点：1)液压容易达到较高的压力(常用液压为2.56.3MPa)，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较

11、高的位置精度；3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；4)液压系统采用油作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。液压驱动液压驱动液压传动系统的不足：液压传动系统的不足：1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。气压驱动气压驱动与液压驱动相比，气压驱动的与液压驱动相比，气压驱动的特点：特点：1)压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)；2)利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备

12、；3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；4)气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低。气压驱动气压驱动不足：不足：1)压缩空气常用压力为0.40.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。电动机驱动电动机驱动电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动普通交、直流电动机驱动需要加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重

13、型机器人。伺服电动机伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开换控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。 如何选取驱动器如何选取驱动器 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格驱动器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，目前负荷为高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为100 kg以以下的下的, ,可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动

14、器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用气动驱动器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。可采用液压驱动器。 对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围对于驱动器来说，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。控制系统。制动器制动器许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。制动器通常是按照失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，

15、各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。缺点是：工作期间不断花费电力使制动器放松。机器人手部分类功能形态工业机器人手部仿人机器人手部握持原理夹钳式吸附式手指传动机构V型指平面指尖指特形指回转型平移型平面平移直线往复磁吸气吸真空吸负压吸挤压吸机械手的坐标形式机械手的坐标形式1. 直角坐标笛卡儿坐标台架型直角坐标笛卡儿坐标台架型(3P)优点：很容易通过计算机控制实现，容易达到高精度。缺点：妨碍工作, 且占地面积大, 运动速度低, 密封性不好。直角坐标机器人的工作空间示意图 2. 圆柱坐标型圆柱坐标型(R2P) 优点：且计算简单; 直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;

16、 能够伸入型腔式机器内部。 缺点：它的手臂可以到达的空间受到限制, 不能到达近立柱或近地面的空间; 直线驱动部分难以密封、防尘; 后臂工作时, 手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。3. 球坐标型球坐标型(2RP) 特点：中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封, 覆盖工作空间较大。 但该坐标复杂, 难于控制, 且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。4. 关节坐标型关节坐标型/拟人型拟人型(3R)关节机器人的关节全都是旋转的, 类似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。关节型工业机器人关节型工业机器人5. 平面关节型平面关节型SCARA机器人常用于装配作业,

17、最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性, 而沿z轴具有很强的刚性, 所以, 它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。平面关节机器人的工作空间 小结小结工业机器人的几种坐标形式关节坐标型平面关节型注意：注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。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。附：工业机器人的结构附：工业机器人的结构直角坐标式直角坐

18、标式圆柱坐标式圆柱坐标式球坐标式球坐标式123456123456关节坐标式关节坐标式（a）直接驱动型）直接驱动型（b）平行连杆型）平行连杆型（c）偏置型）偏置型（d）平面型）平面型机器人手部特点与分类手部特点：与手腕相连可拆卸，电、气、液接口，根据对象不同可以方便拆卸更换；末端执行器，手，爪，工具；通用性差，专用装置，某类工件某项作业任务；独立部件，机身、手臂和手部，完成作业好坏以及柔性作业好坏的关键部件；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

19、。（一）夹钳式手部 常用形式，由手指（手爪）、驱动装置、传动机构和承接支架组成，通过手爪开闭动作实现夹持；手指 直接与物件接触，张开与闭合实现了对物件的松开和夹紧； 适当的开闭范围，足够握力，相应精度； 通常两个手指，或三个，结构形式取决于被夹持工件的形状和特性；V形指：圆柱形，平面指：方形工件；尖指：小型或柔性工件；专用：形状不规则工件；手指面 根据工件形状、大小、及被夹持部位材质软硬、表面性质不同，有光滑值面、齿形指面和柔性指面； 光滑指面：指面平整光滑，已加工表面受损 齿形指面：指面有齿纹，毛坯或半成品，增加摩擦力，确保夹紧可靠； 柔性指面：指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等，夹持已加工表面、炽热件，或薄壁件或脆性工件，增加摩擦，保护工件表面，隔热等；（二）吸附式手部 依靠吸附力取料，分气吸附和磁吸附两种，适用于爪取大平面、易碎、微小物体； 气吸式手部是常用的一种吸持式装置，利用吸盘内压力和大气压力差工作，由吸盘、吸盘架及进排