工业机器人应用基础 课件 第2章机器人驱动机构与控制

第二章工业机器人驱动机构与控制010203

工业机器人本体结构工业机器人传动方式工业机器人驱动方式》04工业机器人控制系统1.1工业机器人本体结构1.工业机器人组成1.1工业机器人本体结构1.工业机器人组成工业机器人主要由执行机构、控制系统和传感系统三部分构成。执行机构主要包括机械本体结构、传动装置、驱动装置。控制系统包括处理器、操作单元（示教器）、伺服驱动器等。传感系统包括内、外传感器，如位置传感器、视觉传感器、力矩传感器、触觉传感器等。1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人根据应用场景不同，工业机器人会采用不同的本体结构，常见有垂直串联机器人、水平串联机器人、并联机器人等结构形式。机器人每个关节都可以通过驱动器驱动，实现一个自由度，自由度一般由平移、回转、垂直摆动等1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人

1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人

垂直串联机器人是工业机器人最常见的结构形式，模仿人类腰部到手腕的基本结构，一般由5-7个关节在垂直方向依次串联而成，具有结构紧凑、工作空间大的特点，广泛用于加工、搬运、装配、包装等场合。1.1工业机器人本体结构1.工业机器人本体结构基座是用于安装机器人本体的基础支撑部件，通常使用球墨铸铁批量生产，具有高强度、高刚度等特性，一般通过地脚螺钉固定，分为地面、墙面（侧面）、顶面（倒置）等方式。此外机器人还可安装在运动平台上，构成移动式基座，从而在多个不同工位上完成作业任务，从而实现柔性化生产线，适用于航空航天等大型制造领域1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人机器人腰部典型结构如图所示，驱动电机4安装在固定基座1上，电机输出轴与减速器3直连，带动腰部关节2与机器人基体进行1轴回转，回转范围为±180o。腰部减速器一般采用回转精度高、刚度大、结构紧凑的RV减速器。1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人机器人的大臂、小臂如图所示，大臂电机2安装在腰部关节1上，带动大臂3及小臂5进行2轴摆动，小臂电机4安装在大臂3上，带动小臂5进行3摆动，两个摆动范围都是180o。1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人腕部是用于连接上臂和手部，是实现4、5、6轴自由度，改变机器人位姿，保证作业灵活性的关键部件，一般分为以下几种结构形式;1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人机器人手部是安装在腕部上的末端执行器，用于加持工件，其驱动方式可以是气动、液动或电磁驱动。其中气动应用最广泛，具有结构简单、成本低、易维修等特点，但由于空气介质可压缩，定位不精确。液压成本更高，但可提供更大的夹持力。电动可以机器人本体驱动共用一个控制系统，但夹紧力比较小。1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人加持类手抓是最常用的一种手部形式，一般由夹爪、传动机构、驱动装置几个部分组成。如图所示气压驱动手爪，通过气缸4中的压缩空气推动活塞5使齿条1做往复运动，经扇形齿轮2带动平行四边形机构，使夹爪3平行地快速开合。1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人吸附式手爪根据工作原理分为真空式、负压式、磁吸式几种。如图（a）所示，真空式吸盘采用真空泵保证吸盘内持续产生负压，达到吸附的效果。如图（b）所示气流负压吸盘，由于伯努利效应，橡胶皮碗内产生负压，将工件吸住。这种气流负压吸盘不需要真空泵和压缩空气源，成本低，但可靠性差。如3（c）所示磁力吸盘，当线圈通电后产生磁性吸力将工件吸住，断电后磁性吸力消失，工件松开，控制方便，但只能用于有磁性的工件，不适用于高温环境下。（a）真空式

（b）气流负压式

（c）电磁式1.1工业机器人本体结构2.垂直串联机器人仿人式手爪通过模仿人的手部和腕部，采用多个手指进行工件抓取，每个手指有三个回转关节，每个关节的自由度都是独立控制。因此适应变化的工件表面，便于施加均匀加持力，提高手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂作业。1.1工业机器人本体结构3.水平串联式机器人

水平串联式机器人又称为SCARA机器人，是建立在圆柱坐标系上，沿水平方向通过互相平行的3个回转关节串联组成，具有结构紧凑、动作灵活、速度快、定位精度高等优点，特别适合于平面内定位，并通过第4轴的升降机构完成垂直方向的搬运和装配工作。广泛用于3C行业、光伏行业，药品食品行业的平面装配搬运工作。但其工作范围有限，一般为100-1000mm，承载能力小，为1—20kg左右。1.1工业机器人本体结构3.水平串联式机器人

典型SCARA机器人传动结构如图所示，1轴驱动电机2安装在基座1上，电机2通过减速器驱动后臂3回转，因为SCARA结构紧凑、负载小、运动快，一般采用谐波减速器作为减速结构。2轴驱动电机4安装在后臂3上，通过谐波减速器带动前臂回转。3轴驱动电机5安装在前臂上，通过同步带中间传动，实现3轴回转。升降电机6通过中间同步带传动，驱动升降滚珠丝杠7，进行垂直上下运动。1-基座2-1轴电机3-后臂4-2轴电机

5-3轴电机6-升降电机7-升降丝杠1.1工业机器人本体结构3.水平串联式机器人

并联机器人又称Delta机器人，其各连杆依次连接，构成首末封闭的闭式链机构，由于其传动系统是3组完全相同的摆动轴，负载惯量小，具有控制容易、结构简单、作业空间小、安装方便、运行速度快等特点，特别适合高速、轻载场合。如图所示，Delta机器人悬挂布置，末端平台通过空间均布的3根并联连杆支撑，驱动电机通过谐波减速器驱动连杆摆动，通过控制3个连杆的摆动角度，实现机器人末端平台在空间圆柱内的位置和姿态定位1.2工业机器人传动方式1.分类业机器人的传动装置比一般机械装置的传动装置要求更高，有结构紧凑、转动惯量轻、传动间隙小、位置精度高等特点。其传动方式一般分为旋转传动和直线传动两种。旋转传动一般有齿轮减速器、同步带传动、绳传动等方式。直线传动一般有滚珠丝杠、滑动导轨等方式。其中最常用的是齿轮减速器，包括齿轮链、谐波减速器、RV减速器等。1.2工业机器人传动方式

2.齿轮链齿轮链是有两个及以上的齿轮组成的，用于传动扭矩的机构，其工作可靠、寿命长、传动稳定，但精度较低、噪声大、容易磨损。S—输入轴，1、6、7—齿轮副，2、3、4、5—扇形齿轮副1.2工业机器人传动方式

2.齿轮链

(1)齿轮链的引入会减小系统的等效转动惯量，从而使驱动电动机的响应时间缩短，这样伺服系统就更加容易控制。由式可知，输出轴的转动惯量转换到驱动电机上等效转动惯量的下降与输入输出齿轮齿数比的平方成正比。(2)齿轮间隙误差将导致机器人手臂的定位误差增加，而且，假如不采取补偿措施，齿隙误差还会引起伺服系统的不稳定。1.2工业机器人传动方式

3.谐波减速器谐波减速器在运动学上是一种具有柔性齿圈的行星传动，由钢轮、柔轮、谐波发生器三个基本构件组成。这三个基本件可任意固定一个，其余一个连接输入作为主动件，另一个连接输出作为从动件。1.2工业机器人传动方式

3.谐波减速器

1.2工业机器人传动方式

3.谐波减速器

假设刚轮齿数为z1，柔轮齿数为z2，可得以下几种输出方法对应的传动比：1.刚轮固定，波发生器输入，柔轮输出：1.2工业机器人传动方式3.谐波减速器

假设刚轮齿数为z1，柔轮齿数为z2，可得以下几种输出方法对应的传动比：2.柔轮固定，波发生器输入，刚轮输出：1.2工业机器人传动方式

3.谐波减速器假设刚轮齿数为z1，柔轮齿数为z2，可得以下几种输出方法对应的传动比：3.波发生器固定，柔轮输入，刚轮输出：1.2工业机器人传动方式

3.谐波减速器

谐波齿轮传动特点如下：(1)结构简单、体积小、质量小(2)传动比范围大，单极谐波减速器传动比可在50-300之间，优选在75-250之间(3)运动精度高，承载能力大。由于多齿啮合，与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高4倍左右，受载能力也大大提高。(4)运动平稳，无冲击，噪声小(5)齿侧间隙可以调整1.2工业机器人传动方式

4.RV减速器RV减速器是在传统摆线针轮、行星齿轮的基础上发展出来的。如图所示，RV减速器主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零件组成。与谐波减速器相比，RV减速器内部有2级减速机构，结构更复杂，传动链长，间隙较大，运动精度较低，但其传动刚度高、传动比大、输出扭矩大、抗冲击，广泛用于机器人机身的腰部、大臂、小臂等大惯量、高转矩输出的关节位置1.2工业机器人传动方式

4.RV减速器

RV减速器特点如下：1.传动比范围大。RV减速器包括2级减速结构，其传动比不仅比传动齿轮减速装置大，还可比谐波减速机大，推荐传动比为30-170.2.刚度好。减速器的针轮和RV齿轮间通过直径较大的针齿销传动，使用两端圆锥滚柱轴承支撑的刚性圆盘输出，刚性好，抗冲击能力强。3.输出转矩高。RV减速器1级机构一般有2-3对行星齿轮，2级机构采用硬齿面多齿销同时啮合，且齿差固定的方式，其齿形可比谐波减速器更大，输出转矩更高。4.效率较高，传动效率为85%-90%。1.2工业机器人传动方式

4.RV减速器

RV减速器特点如下：1.传动比范围大。RV减速器包括2级减速结构，其传动比不仅比传动齿轮减速装置大，还可比谐波减速机大，推荐传动比为30-170.2.刚度好。减速器的针轮和RV齿轮间通过直径较大的针齿销传动，使用两端圆锥滚柱轴承支撑的刚性圆盘输出，刚性好，抗冲击能力强。3.输出转矩高。RV减速器1级机构一般有2-3对行星齿轮，2级机构采用硬齿面多齿销同时啮合，且齿差固定的方式，其齿形可比谐波减速器更大，输出转矩更高。4.效率较高，传动效率为85%-90%。1.3工业机器人驱动方式

1.分类

工业机器人驱动系统如同人的肌肉一样，接收控制系统大脑的指令，根据指令为传动系统，类似机器人骨骼提供动力源，使机器人完成预定的位置姿态动作，是机器人系统的关键组成部分。按动力源区分，驱动系统可分为电动、液压、气压几大类。1.3工业机器人驱动方式

2.电动驱动

伺服电动机将控制电压（电流）转换为相应的角速度输出，分为交流和直流两大类。其实现了位置，速度和力矩的闭环控制，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，加减速响应快，转速可达2000-3000转，抗过载能力强，低速运行平稳，噪音小，被广泛用于机器人各运动关节。1.3工业机器人驱动方式

2.电动驱动步进电动机用于开环控制，控制原理如图所示，工作时控制系统给电机输入一个脉冲，电机轴仅旋转一定角度，该旋转角度称为步距角，器旋转速度与脉冲频率成正比，当输入脉冲停止时，电动机也随着停止，并产生一个反作用力。步进电动机控制系统简单可靠，成本低，控制精度受步距角限制，一般用于对速度和位置要求不高的场合。1.3工业机器人驱动方式

2.电动驱动直接驱动电机分为直流力矩电机、无刷直流电机、VR式电机几种类型，与传统驱动-传动装置不同，不需要减速器直接驱动，具有无间隙、无回差、摩擦小、刚度高等特点，可实现高速、高精度的位置控制和微小力控制，技术日渐成熟。1.3工业机器人驱动方式

3.液压驱动液压驱动系统主要由液压源、伺服阀、液压缸、编码传感器等组成，如图所示。液压源产生一定压力，通过伺服阀控制注入液压缸的压力和流量，从而驱动手爪和机械臂动。编码传感器会检测执行元件的实际位置，与控制系统目标位置进行比较放大，反馈输入到伺服阀中，对液压缸进行控制调节，直到实际和目标位置相同为止，液压缸停止运动。液压驱动输出转矩大，在重载下具有高速、快速响应的特点，常用于大型机器人关节驱动1.3工业机器人驱动方式

3.液压驱动1.3工业机器人驱动方式

4.气压驱动气压驱动具有结构简单、速度快、成本低等优点，但工作压强低，不易精确定位，一般适合于节拍快、负载小、精度要求较低的场合，如工业机器人末端执行机构，如气动手爪、气动吸盘等工作抓取、转配场合1.3工业机器人驱动方式

4.气压驱动1.3工业机器人驱动方式

5.驱动方式对比1.4工业机器人控制系统

1.组成

控制系统相当于机器人的大脑，实现工业机器人最核心的指挥决策功能。其主要由操作单元（示教器）、处理器、伺服驱动器等组成。1.4工业机器人控制系统

1.组成

其中示教器负责人机交互操作管理，处理器负责运动程序和逻辑调用管理、位置位姿指令解析、运动控制指令生成等功能，伺服驱动器负责控制各轴电机转动、实际位置反馈调节等任务。1.4工业机器人控制系统

2.操作单元

工业机器人的现场编程一般通过示教器操作实现，它是进行机器人手动操作、程序编写、参数配置以及监控的手持重要控制装置。1.4工业机器人控制系统

2.操作单元

示教器采用嵌入式硬件，基于开源操作系统开发，按功能分为不同模块：（1）手动操作模块，机器人在不同坐标系下自由切换，实现正反向的手动运动控制，并可对运动速度进行加减速调整。坐标系包括关节坐标系、直角坐标系、工具坐标系等。（2）程序编辑模块，实现机器人程序的