机器人学及其应用导论 课件 第二章 机器人结构与驱动

《机器人学及其应用—导论》第二章机器人结构与驱动陶永

北京航空航天大学

提纲123机器人的性能

机器人的关节传动

机器人的机械结构机械结构由连杆、关节等部分组成。PUMA560机器人一、机器人的机械结构连杆描述

工业机器人可以看成由一系列刚体通过关节连接而成的一个运动链，我们将这些刚体称为连杆。通过关节将两个相邻的连杆连接起来。一、机器人的机械结构机械结构：连杆定义：连杆机构（LinkageMechanism）又称低副机构，是机械的组成部分中的一类，指由若干（两个以上）有确定相对运动的构件用低副（转动副或移动副）联接组成的机构。组成类型：平面连杆机构；空间连杆机构优缺点：优点：面接触、承载大、便于润滑、不易磨损，形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度；改变杆的相对长度，从动件运动规律不同；两构件之间的接触是靠本身的几何封闭来维系的，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触；连杆曲线丰富，可满足不同要求。缺点：构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低；产生动载荷（惯性力），且不易平衡，不适合高速；设计复杂，难以实现精确的轨迹。生活辅助、医疗、助老助残等平面连杆结构图空间连杆结构图连杆描述当两个刚体之间的相对运动是两个平面之间的相对滑动时，连接相邻两个刚体的运动副称为低副。下图所示为六种常用的低副关节。关节类型（低副）1.转动副2.移动副3.圆柱副4.平面副5.螺旋副6.球面副连杆描述从操作臂的固定基座开始为连杆进行编号，可以称固定基座为连杆0。第一个可动连杆为连杆1，以此类推，操作臂最末端的连杆为连杆n。7一、机器人的机械结构关节是各杆件间的结合部分，是实现机器人各种运动的运动副；

由于机器人的种类很多，其功能要求不同，关节的配置和传动系统的形式都不同。机器人的关节结构组成连杆体由三部分构成：与活塞销连接的部分称连杆小头；与曲轴连接的部分称连杆大头；连接小头与大头的杆部称连杆杆身。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在连杆上的三个高应力区域。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的钢性和韧性。一、机器人的机械结构9机器人的结构(TheStructureofRobot)机器人主要由执行机构、驱动和传动装置、传感器和控制器四大部分构成。记忆、示教装置控制装置驱动传动装置传感器工业机器人系统结构一、机器人的结构10执行机构：机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱动和传动装置：用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。传感器：是机器人获取环境信息的工具，如视觉、听觉、嗅觉、触觉、力觉、滑觉和接近觉传感器等，它们的功能相当于人的眼、耳、鼻、皮肤及筋骨。控制器：是机器人的核心，它负责对机器人的运动和各种动作控制及对环境的识别。

一、机器人的结构（1）控制系统

工业机器人的控制系统是机器人的“大脑”它通过各种控制电路硬件和软件的结合来操纵机器人，并协调机器人与生产系统中其他设备的关系。（2）驱动系统工业机器人的驱动系统是指驱动操作机运动部件动作的装置，也就是机器人的动力装置，机器人使用的动力源有：压缩空气、压力油和电能。（3）工业机器人机械本体

是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机械。（4）末端执行器

工业机器人的末端执行器是指连接在操作机腕部的直接用于作业的机构，他可能适用于抓取搬运的手部（爪），也可能适用于喷漆的喷枪，或用于焊接的焊枪、焊钳，或打磨用的砂轮以及检查用的测量工具等。工业机器人的构成传感器：机器人在执行任务时，不仅需要人们对它输入指令，在很多情况下也需要机器人具有自我感知外界条件变化，并做出正确反应的能力。现在比较成熟的是摄像头、颜色、听力与电子罗盘等来作为机器人的传感器，而最前沿的技术则是环境感知技术，其中有一点就是机器人可以感应人类的脑电波。机器人关节实例仿人机器人的关节运动新一代串联工业机器人关节运动提纲123机器人的机械结构

机器人的性能

机器人的关节传动齿轮减速器蜗轮蜗杆减速器谐波减速器行星减速器减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减速传动装置。减速器15

传动装置二、机器人的关节传动在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛！驱动装置——步进电机驱动器反应式步进电动机：也叫感应式、磁滞式或磁阻式步进电动机。其定子和转子均由软磁材料制成，定子上均匀分布的大磁极上装有多相励磁绕组，定、转子周边均匀分布小齿和槽，通电后利用磁导的变化产生转矩。永磁式步进电动机：通常电机转子由永磁材料制成，软磁材料制成的定子上有多相励磁绕组，定、转子周边没有小齿和槽，通电后利用永磁体与定子电流磁场相互作用产生转矩。混合式步进电动机：也叫永磁反应式、永磁感应式步进电动机，混合了永磁式和反应式的优点。其定子和四相反应式步进电动机没有区别，转子结构较为复杂。16二、机器人的关节传动驱动装置——无刷直流电机无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。17二、机器人的关节传动无刷直流电机主体无刷直流电机驱动器由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会像变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。驱动装置——伺服驱动器二、机器人的关节传动伺服驱动器的作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。

一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。伺服驱动器伺服电机剖视图伺服电机及其驱动器广泛应用于机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求相对较高的设备。串联机器人：19二、机器人的关节传动串联结构操作手是较早应用于工业领域的机器人。机器人操作手开始出现时，是由刚度很大的杆通过关节连接起来的。PUMA型机器人Stanford型机器人二、机器人的关节传动并联机器人：并联机构，可定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构并联结构特点：无累积误差，精度较高驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好结构紧凑，刚度高，承载能力大完全对称的并联机构具有较好的各向同性工作空间较小提纲123机器人的机械结构

机器人的关节传动

机器人的性能

机器人的重要组件：电源、执行器、电动机、致动器，另外还有气动人工肌肉、记忆合金、压电电机等可以提高机器人性能的组件。电源和能量存储：供电方式可分为电缆供电和电池供电，电缆供电一般用于工业机器人，电池供电可选择铅酸蓄电池、锂电池等。执行器：执行器之于机器人，相当于肌肉之于人。电动机转动齿轮是最常见的执行器（比如航模中的舵机也是一种执行器）。气泵、电力直驱与化学能也是发展中的驱动器。电动机：在电机的选择上，一般的会采用直流电机。高端的也会选择无刷直流电机（工业机器人有可能使用交流电机）。机器人组件的性能与选择线性致动器：很多人看到“线性致动器”的时候很陌生，其实光驱或者DVD播放机，按下开仓键，光盘架自动伸出或收回的动作就是依靠线性致动器来实现的。对于机器人来说，完成拾升动作，线性致动器是个不错的方式。弹性致动器：对行走机器人而言，行走机械如果以非常硬朗的方式触地，对机身容易造成损害，而且很容易摔倒。如果在驱动部分加入弹性致动器，就能缓冲这种震动，而它的功能更像是汽车的悬架。气动人工肌肉：利用一种特殊的纤维编织成囊状，然后利用空气的压缩与释放来驱动整个关节的运动，从而达到与人体肌肉极为相似的运动效果。相比传统机器人通过舵机控制手指，气动肌肉驱动手指的力度就会更加温柔，可以拿起鸡蛋这样脆弱的物品。机器人组件的性能与选择形状记忆合金：形状记忆合金一般通过加热来恢复原状。一些小型机器人由于无法容纳弹性致动器就会使用到这种技术。电活性聚合物：电活性聚合物，是指只要对其施加上电场，材料的大小就会发生改变。压电电机：用压电材料做成电机，然后再用超声波来提供机械压力，就得到一种超低功耗而且很静音的马达。在机器人领域，月球机器人就会使用超声波马达，这是因为这种马达如果不施加机械力，其转轴就会锁死，从而不需要花费电力用于车轮锁止系统，加上其能耗极低，所以成为月面机器人的最佳驱动力来源。碳纳米管同体积条件下碳纳米管比钢的强度要大100倍，但其质量却不到钢的15%，如果将其用来做纤维并编织成人工肌肉，可以储备的弹性势能将非常强大。机器人组件的性能与选择机器人性能指标速度加速度自由度分辨率与精度三、机器人的性能PUMA260机器人结构图位姿精度机器人性能演示录像三、机器人的性能ABB工业机器人高精度运动控制ibot公司智能轮椅精确控制机械臂类型自由度最大工作范围(mm)重量(kg)载荷(kg)载重比重复精度(mm)末端速度(m/s)柔顺性Barret710002540.16±0.103.00NoKRAgilus6R70067065060.12±0.032.00NoLWAPowerball670012.560.48±0.06NoLWAPA10793035100.286±0.101.55NoSIA5F75593050.167±0.06NoVS-6577G-B68543670.194±0.038.20NoLBRiiwa7R800780022.370.314±0.10YesUR5685018.450