机器人的组成结构udaed

第二章机器人的组成结构

2.1机器人系统的组成如图2—1所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成·这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统．

驱动系统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，这就是驱动系统．感受系统它由内部传感器模块和外部传感器模块组成,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．人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效．机器人一环境交互系统

机器人一环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统．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

人一机交互系统

人一机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置：指令给定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以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能．如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统．根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统．根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制

相关术语及性能指标关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。自由度（Degreeoffreedom）：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。定位精度（Positioningaccuracy）：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。重复性（Repeatability）或重复精度：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。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。oo工作空间（Workingspace）：机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。2.2工业机器人的机械结构

工业机器人的机械本体类似于具备上肢机能的机械手，由手部、腕部、臂、机身(有的包括行走机构)组成。

2.2.1机械手的操作动作机械手的动作形态是由三种不同的单动作——旋转、回转、伸缩组合而成的。旋转和回转是指运动机构产生相对运动。旋转是转动部件的轴线和转动轴同轴；回转是转动部件的轴线与转动轴不同轴。伸缩是指运动机构产生直线运动。

机机械手的坐标标形式和自由由度（1）根据单单元动作组合合方式的不同同，机械手的的动作形态一一般归纳为以以下四种坐标标类型：①直直角坐标型(图7．2——2)；②圆圆柱坐标型(图7．2——3)；③极极坐标型(图图7．2—4)；④多关关节型(图7．2—5)。直角坐标型机机械手可以在三个互互相垂直的方方向上作直线线伸缩运动，，这类机械手手各个方向的的运动是独立立的，计算和和控制比较方方便，但占地地面积大，限限于特定的应应用场合圆柱坐标型机机械手有一个围绕基基座轴的旋转转运动和两个个在相互垂直直方向上的直直线伸缩运动动。它适用于于采用油压(或气压)驱驱动机构，在在操作对象位位于机器人四四周的情况下下，操作最为为方便。极坐标标型机机械手手的动作作形态态包括括围绕绕基座座轴的的旋转转，一一个回回转和和一个个直线线伸缩缩运动动，其其特点点类似似于圆圆柱型型机械械手。。多关节节型机机械手手最接近近于人人臂的的构造造。它它主要要由多多个回回转或或旋转转关节节所组组成，，一般般都采采用电电机驱驱动机机构。。运用用不同同的关关节连连接方方式，，可以以完成成各种种复杂杂的操操作。。由于于具有有占地地面积积小，，动作作范围围大，，空间间移动动速度度快而而灵活活等特特点，，多关关节型型机械械手在在各种种智能能机器器人中中被广广为采采用。。SCARA机器人人关关节式式机器器人机器人人机构运运动简简图(1)PUMA一262机机器人人机构构图2——1是是PUMA系列一一种较较小的的机器器人PUMA一262机机器人人机构构(操操作机机)的的外形形直观观图。。它有有一个个立柱柱，可可以垂垂直回回转，，称作作腰关关节，，也称称1轴轴。有有大臂臂、小小臂，，它们们的回回转轴轴称作作肩关关节(2轴轴)和和肘关关节(3轴轴)。。这3个轴轴和杆杆，构构成了了该机机器人人的位位置机机构(又称称主关关节轴轴组)，即即由他他们的的几何何参数数(杆长长和偏偏距)和运运动参参数(关节节轴的的转角角)决决定手手腕(参考考点)的空空间活活动范范围(工作作空间间)。。手腕腕具有有3个个互相相垂直直的回回转轴轴(4、5、6轴)，它它们是是姿态态机构构(又又称副副关节节轴组组)，，即它它们的的转角角确定定着工工具(图中中未画画)的的空间间姿态态。PUMA262型机器器人具具有六六个自自由度度，可可以进进行复复杂空空间曲曲面的的弧焊焊作业业6个关关节轴轴由6个独独立的的电机机驱动动，由由图2—2可以以看出出，电电机1通过过两对对齿轮轮传动动带动动立柱柱回转转；电电机2通过过联轴轴器、、一对对圆锥锥齿轮轮和一一对圆圆柱齿齿轮带带动齿齿轮Z，齿轮Z绕与立立柱固固联的的齿轮轮Z转动，，于是是形成成了大大臂相相对于于立柱柱的回回转运运动；；电机机3通通过两两个联联轴器器和一一对圆圆锥齿齿轮、、两对对圆柱柱齿轮轮(Z固联于于小臂臂上)驱动动小臂臂相对对于大大臂回回转；；电机机4先先通过过一对对圆柱柱齿轮轮、两两个联联轴器器和另另一对对圆柱柱齿轮轮(Z固联于于手腕腕的套套筒上上)驱驱动手手腕相相对于于小臂臂回转转；电电机5通过过联轴轴器、、一对对圆柱柱齿轮轮、一一对圆圆锥齿齿轮(Z联于手手腕的的球壳壳上)驱动动手腕腕相对对于小小臂(亦即即相对对于手手腕的的套筒筒)摆摆动()；；电机机6通通过联联轴器器、两两对圆圆锥齿齿轮和和一对对圆柱柱齿轮轮驱动动机器器人的的机械械接口口(法法兰盘盘)相相对于于手腕腕的球球壳回回转()可以看看出，，6个个电机机通过过一系系列的的联轴轴器和和齿轮轮副，，形成成了6条传传动链链，得得到了了6个个转动动自由由度，，从而而形成成了一一定的的工作作空间间并使使工具具各式式各样样的运运动姿姿势这里所所使用用的联联轴器器，都都是具具有挠挠性的的螺旋旋形联联轴器器(如如图2—3)；；齿轮轮传动动都具具有消消隙机机构，，从而而保证证了正正反转转时的的回差差在一一定的的精度度范围围内。。由于于先进进的制制造技技术，，虽然然使用用了一一般的的多级级齿轮轮传动动，但但仍具具有很很高的的运动动和定定位精精度(2)机器人人机构运运动简简图直角坐标式圆柱坐标式123456123456多关节节型机机械手手工业机机器人人手部部(手爪)结构1.滑槽杠杠杆式式手部部2.齿轮齿条式手部3.滑块杠杆式手部4.斜楔杠杆式5.移动型连杆式手部6.齿轮齿条式手部7.内涨斜块式手部8.连杆杠杆式手部手指类类型：：电磁式吸吸盘气吸式式吸盘盘常见的的另两两种手手部:滚动轴承座圈钢板齿轮多孔钢板双吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘其它手手部:工业机机器人人腕部部结构构腕部影影响手手部的的姿态态（方方位））工业机机器人人臂部部结构构臂部确确定手手部的的位置置1.车轮型型2.3移移动机机器人人两轮型型三轮型型四轮型型2.履带式式救援机器人3.步行式式4.其它移移动方方式军用昆虫机器人爬缆索机器人水下6000米无缆自治机器人蛇形机器人2.4机器器人的的驱动动系统统2.4.1关节节直接接驱动动方式式直接驱驱动方方式是是驱动动器的的输出出轴和和机器器人手手臂的的关节节轴直直接相相连．间接驱驱动方方式是是驱动动器经经过减减速器器或钢钢丝绳绳、皮皮带、、平行行连杆杆等装装置后后与关关节轴轴相连连(1)关节节间接接驱动动方式式的缺缺点．．大大部分分机器器人的的关节节是间间接驱驱动．．这种种间接接驱动动，通通常其其驱动动器的的输出出力矩矩大大大小于于驱动动关节节所需需要的的力矩矩，所所以必必须使使用减减速器器．另另外，，由于于手臂臂通常常采用用悬臂臂梁结结构，，所以以多自自由度度机器器人关关节上上安装装减速速器会会使手手臂根根部关关节驱驱动器器的负负荷增增大目前中中小型型机器器人一一般采采用普普通的的直流流伺服服电机机、交交流伺伺服电电机或或步进进电机机作为为机器器人的的执行行电机机．由由于电电机速速度较较高，，所以以需配配以大大速比比减速速装置置，进进行间间接传传动．．但是是，间间接驱驱动带带来了了机械械传动动中不不可避避免的的误差差，引引起冲冲击振振动，，影响响机器器人系系统的的可靠靠性，，并且且增加加关节节重量量和尺尺寸(2)关节节直接接驱动动方式式直接驱动机机器人也叫叫作DD机器人(Directdriverobot)，简称DDR．DD机器人一般般指驱动电电机通过机机械接口直直接与关节节连接．DD机器人的特特点是驱动动电机和关关节之间没没有速度和和转矩的转转换DD机器人与间间接驱动机机器人相比比，有如下下优点：①①机械传动动精度高．．②振动小小，结构刚刚度好．③③机械传动动损耗小．．④结构紧紧凑，可靠靠性高．⑤⑤电机峰峰值转矩大大，电气时时间常数小小，短时间间内可以产产生很大转转矩，响应应速度快，，调速范围围宽．⑥控控制性能较较好．日本、美国国等工业发发达国家已已经开发出出性能优异异的DD机器人．美美国Adept公司研制出出带有视觉觉功能的四四自由度平平面关节型型DD机器人．日日本大日机机工公司研研制成功了了五自由度度关节型DD一600V机器人．其其性能指标标为：最大大工作范围围1．2m，可搬重量5kg，最大运动速速度8．2m／s，重复定位精精度0．05mmDD机器人目前前主要存在在的问题①①载荷变变化、耦合合转矩及非非线性转矩矩对驱动及及控制影响响显著，使使控制系统统设计困难难和复杂杂．．②对位置置、速度的的传感元件件提出了相相当高的要要求③需开发小型型实用的DD电机．④④电机成本本高2.4.2驱动动元件(1)液液(气)压驱动液(气)压压缸液(气)压压马达(2)步进进电动机驱驱动在小的机器器人上，有有时也用步步进电机作作为主驱动动电机。可可以用编码码器或电位位器提供精精确的位置置反馈，所所以步进电电机也可用用于闭环控控制步进电机是是通过脉冲冲电流实现现步进的，，因此每给给一个脉冲冲转子便转转动一个步步距。在精度要要求不高的的情况下，，没有必要要加入位置置反馈(3)直流流电动机驱驱动直流电动机机与步进电电动机是工工业机器人人中应用最最广泛的两两种电动机机，但两者者的动作方方式有本质质上的区别别。直流电电动机是连连续旋转，，运动连续续且平滑，，且本身没没有位置控控制能力要实现精确确的位置控控制，必须须加入某种种形式的位位置反馈，，构成闭环环伺服系统统；有时，，机器人的的运动还有有速度要求求，所以还还要加入速速度反馈。。一般直流电电动机和位位置反馈、、速度反馈馈形成一个个整体，即即通常所说说的直流伺伺服电机。由于采用用闭环伺服服控制，所所以能实现现平滑的控控制和产生生大的力矩矩当今大部分分机器人都都采用直流流伺服电机机驱动机器器人的各个个关节,但但它们也有有一些缺点点，如转速不能太太高近年来，新新发展起来来的无刷直直（交）流流伺服电动动机克服了了上述缺点点，并保留留了直流伺伺服电动机机的优点，，因此无刷刷电动机逐逐渐取代了了直流伺服服电动机（4）无刷刷直(交)流伺服电电动机原理由图可见，，转子是由由永久磁铁铁组成，定定子有绕组组线圈，可可以通过机机壳把绕组组热量散发发出去，因因此，同功功率的无刷刷电动机体体积质量比比较直流伺伺服电动机机小得多，，或者说同同体积电动动机，无刷刷电动机功功率远大于于直流电动动机。像直直流电动机机一样，无无刷电动机机也需要有有绕组电流流的换向功功能，但不不是由机械械式换向器器实现，由由于组接到到外部的驱驱动电路上上，驱动电电路可以根根据转子位位置信息利利用电子开开关来改变变流向电枢枢的电流方方向无刷电动机机分类:梯形波电动动机和正弦弦波电动机机。前者也也称为直流流无刷电动动机(DCbrushless)后者称为交交流无刷电电动机或交交流伺服电电动机直流无刷电电动机(梯梯形波电机机)：从无无刷电动机机原理可以以知道，它它的绕组数数仅2～3个(2或或3相)，，这数目远远小于直流流有刷伺服服电动机定定子绕组数数目。因此此如何减小小无刷电动动机工作时时转矩波动动，是一个个关键性问问题。通过过无刷电动动机定子绕绕组的电流流幅值越大大，产生的的转矩越大大。为减小小转矩波动动，限止电电流幅值，，而呈平顶顶状，如图图6—3l所示。由梯梯形波代替替正弦波来来驱动电动动机，简化化了驱动电电路，但为为进一步减减小转矩波波动，这种种电动机的的控制系统统要有速度度负反馈环环，这样通通过速度负负反馈的作作用使转速速平稳正弦波电动动机(交流流无刷伺服服电动机)：顾名思思义，它是是由正弦波波电流驱动动的。对三三相情况，，电流相位位差120。，而且且这三相电电流是随转转子位置不不同而不同同的，也就就是说，转转子的位置置检测需更更精确，驱驱动电路也也比梯形波波电动机的的更复杂，，但却代表表着无刷电电动机最高高水平，因因为它能保保持恒定转转矩输出2.4.3伺服电机机的选定和和传动比的的确定(1)初选选电机首先电机必必须能够提提供负载所所需要的瞬瞬时转矩和和转速如果要求电电机在峰值下以峰峰值转速驱驱动负载，则电机功功率可按下下式估算电机功率，，W负载峰值力力矩负载峰值转转速传动装置的的效率，初初步估算时时取=0．7～～O．9当电机长期期连续地工工作在变载载荷之下时时，比较合合理的是按负载均方方根功率估算电机功功率估算Pm后就可选取取电机，使使其额定功功率P，满足下式负载均方根根力矩N·m负载均方