工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù).ppt

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機(jī)器人的組成,機(jī)器人的組成系統(tǒng),,機(jī)器人系統(tǒng)組成,人機(jī)交互系統(tǒng),控制系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng),機(jī)器人－環(huán)境交互系統(tǒng),,,,,,,,,,,,概念：要使機(jī)器人運(yùn)行起來, 需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置,1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),作用：提供機(jī)器人各部位、各關(guān)節(jié)動(dòng)作的原動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、 氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng), 或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng); 可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。,2、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng),3、感受系統(tǒng),感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器 模塊和外部傳感器模塊 組成, 用以獲取內(nèi)部和 外部環(huán)境狀態(tài)中有意義 的信息。,智能傳感器的使用提高 了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適 應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。,對(duì)于一些特殊的信息, 傳 感器比人類的感受系統(tǒng) 更有效。,4、機(jī)器人－環(huán)境交互系統(tǒng),5、人機(jī)交互系統(tǒng),人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作 人員參與機(jī)器人控制并與機(jī) 器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置。,該系統(tǒng)歸納起來分為兩 大類: 指令給定裝置和信息 顯示裝置。,6、控制系統(tǒng),是根據(jù)程序和反饋信息 控制機(jī)器人動(dòng)作的中心。分 為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。,機(jī)器人的基本工作原理是示教再現(xiàn)；示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引機(jī)器人，一步步按實(shí)際任務(wù)操作一遍，機(jī)器人在導(dǎo)引過程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)＼工藝參數(shù)等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將精確地按示教動(dòng)作，一步步完成全部操作；,,冗余自由度機(jī)器人 利用冗余自由度可以增 加機(jī)器人的靈活性、躲避障 礙物和改善動(dòng)力性能。人 的手臂(大臂、小臂、 手腕) 共有七個(gè)自由度, 所以工 作起來很靈巧,手部可回 避障礙而從不同方向到達(dá) 同一個(gè)目的點(diǎn)。,2．工作精度,可以用精密度、正確度、和準(zhǔn)確度三個(gè)參數(shù)來衡量。,定位精度（Positioning accuracy）：指機(jī)器人末端參考點(diǎn)實(shí)際到達(dá)的位置與所需要到達(dá)的理想位置之間的差距。,重復(fù)性（Repeatability）或重復(fù)精度：指機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異程度。或在相同的位置指令下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復(fù)度。,,3．工作范圍:,指機(jī)器人末端操作器所能到達(dá)的區(qū)域。,工作空間（Working space）：機(jī)器人手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不包括末端操作器）所能到達(dá)的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。,,4．工作速度：,指機(jī)器人各個(gè)方向的移動(dòng)速度或轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這些速度可以相同，可以不同。,5．承載能力：,指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。,表1.3 PUMA 562機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),圖 1.17 PUMA 562工業(yè)機(jī)器人,工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器通過聯(lián)軸器帶動(dòng)傳動(dòng)裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)。 機(jī)器人一般有兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)——轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移(直)動(dòng)關(guān)節(jié)。 為了進(jìn)行位置和速度控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測(cè)元件。檢測(cè)元件類型很多，但都要求有合適的精度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對(duì)于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動(dòng)的桿件相聯(lián)。,驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成,1．電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又可分為直流 (DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。,驅(qū)動(dòng)器的類型和特點(diǎn),2. 液壓驅(qū)動(dòng)器 液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場(chǎng)合，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。,3．氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器 氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。,,１．液壓驅(qū)動(dòng),優(yōu)點(diǎn)： 1)液壓容易達(dá)到較高的壓力(常用液壓為2.5~6.3MPa)，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩； 2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度； 3)液壓傳動(dòng)中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 4)液壓系統(tǒng)采用油作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。,,１．液壓驅(qū)動(dòng),液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的不足： 1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險(xiǎn)； 2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價(jià)較高； 3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則會(huì)引起故障。,,２．氣壓驅(qū)動(dòng),與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)： 1)壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速(1m/s)； 2)利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動(dòng)力設(shè)備； 3)空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)； 4)氣動(dòng)元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。,,２．氣壓驅(qū)動(dòng),不足： 1)壓縮空氣常用壓力為0.4~0.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對(duì)增大； 2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難； 3)壓縮空氣的除水問題是一個(gè)很重要的問題，處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。,,３．電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)器人。 伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機(jī)器人。 交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則主要用于開換控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。,如何選取驅(qū)動(dòng)器 驅(qū)動(dòng)器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為100 kg以下的,可優(yōu)先考慮電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場(chǎng)合，可采用液壓驅(qū)動(dòng)器。 對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來說，最重要的是要求起動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。,,制動(dòng)器,許多機(jī)器人的機(jī)械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動(dòng)器，其作用是：在機(jī)器人停止工作時(shí)，保持機(jī)械臂的位置不變；在電源發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)機(jī)械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。 制動(dòng)器通常是按照失效抱閘方式工作的，即要放松制動(dòng)器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時(shí)起保護(hù)作用。缺點(diǎn)是：工作期間不斷花費(fèi)電力使制動(dòng)器放松。,機(jī)器人手部分類,,功能形態(tài),工業(yè)機(jī)器人手部,仿人機(jī)器人手部,,握持原理,夾鉗式,吸附式,,手指,傳動(dòng)機(jī)構(gòu),,V型指,平面指,尖指,特形指,,回轉(zhuǎn)型,平移型,,平面平移,直線往復(fù),,磁吸,氣吸,,真空吸,負(fù)壓吸,擠壓吸,機(jī)械手的坐標(biāo)形式,1. 直角坐標(biāo)／笛卡兒坐標(biāo)／臺(tái)架型(3P),優(yōu)點(diǎn)：很容易通過計(jì)算 機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，容易達(dá)到 高精度。,缺點(diǎn)：妨礙工作, 且占地面積大, 運(yùn)動(dòng)速度低, 密封性不好。,直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間示意圖,2. 圓柱坐標(biāo)型(R2P),優(yōu)點(diǎn)：且計(jì)算簡單; 直 線部分可采用液壓驅(qū)動(dòng),可 輸出較大的動(dòng)力; 能夠伸入 型腔式機(jī)器內(nèi)部。,缺點(diǎn)：它的手臂可以到達(dá)的空間 受到限制, 不能到達(dá)近立柱或近地面 的空間; 直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防 塵; 后臂工作時(shí), 手臂后端會(huì)碰到工作 范圍內(nèi)的其它物體。,3. 球坐標(biāo)型(2RP),特點(diǎn)：中心支架附 近的工作范圍大,兩個(gè)轉(zhuǎn) 動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封, 覆蓋工作空間較大。 但 該坐標(biāo)復(fù)雜, 難于控制, 且直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在 密封及工作死區(qū)的問題。,4. 關(guān)節(jié)坐標(biāo)型/擬人型(3R),關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的, 類似于人的手臂,工業(yè)機(jī) 器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜。,關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人,5. 平面關(guān)節(jié)型,SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè), 最顯著的特點(diǎn)是它們 在x-y平面上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強(qiáng) 的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機(jī)器人在裝 配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。,平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作空間,小結(jié),注意：不同的書上，運(yùn)動(dòng)簡圖的符號(hào)表示可能不一樣。,（a）表示手指（末端執(zhí)行器）； （b）表示垂直、升降運(yùn)動(dòng)； （c）表示水平伸縮運(yùn)動(dòng)； （d）表示回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； （e）表示俯仰運(yùn)動(dòng)。,附：工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu),機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖,關(guān)節(jié)坐標(biāo)式,機(jī)器人手部特點(diǎn)與分類,手部特點(diǎn)： 與手腕相連可拆卸，電、氣、液接口，根據(jù)對(duì)象不同可以方便拆卸更換； 末端執(zhí)行器，手，爪，工具； 通用性差，專用裝置，某類工件某項(xiàng)作業(yè)任務(wù)； 獨(dú)立部件，機(jī)身、手臂和手部，完成作業(yè)好壞以及柔性作業(yè)好壞的關(guān)鍵部件；,,機(jī)器人的手部是是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機(jī)器人的手部和仿人機(jī)器人的手部。,常用的手部按其握持原理可以分為夾持類和吸附類兩大類。,（一）夾鉗式手部,常用形式，由手指（手爪）、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和承接支架組成，通過手爪開閉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)夾持；,手指,直接與物件接觸，張開與閉合實(shí)現(xiàn)了對(duì)物件的松開和夾緊； 適當(dāng)?shù)拈_閉范圍，足夠握力，相應(yīng)精度； 通常兩個(gè)手指，或三個(gè)，結(jié)構(gòu)形式取決于被夾持工件的形狀和特性； V形指：圓柱形， 平面指：方形工件； 尖指：小型或柔性工件； 專用：形狀不規(guī)則工件；,手指面,根據(jù)工件形狀、大小、及被夾持部位材質(zhì)軟硬、表面性質(zhì)不同，有光滑值面、齒形指面和柔性指面； 光滑指面：指面平整光滑，已加工表面受損 齒形指面：指面有齒紋，毛坯或半成品，增加摩擦力，確保夾緊可靠； 柔性指面：指面鑲襯橡膠、泡沫、石棉等，夾持已加工表面、熾熱件，或薄壁件或脆性工件，增加摩擦，保護(hù)工件表面，隔熱等；,（二）吸附式手部,依靠吸附力取料，分氣吸附和磁吸附兩種，適用于爪取大平面、易碎、微小物體； 氣吸式手部是常用的一種吸持式裝置，利用吸盤內(nèi)壓力和大氣壓力差工作，由吸盤、吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便；應(yīng)用于非金屬材料（板材、紙張、玻璃等）或不可有剩磁的材料吸附；要求物體表面平整光滑，無透氣空隙； 形成壓力差方式：真空吸附、氣流負(fù)壓吸附、擠壓吸附；,（1）真空吸附式手部,真空泵產(chǎn)生真空，真空度高，吸力大，工作可靠，成本高； 橡膠盤，靠近物體表面，抽真空，吸附；接通大氣，放下；,（2）氣流負(fù)壓氣吸式手部,壓縮空氣高速流經(jīng)噴嘴，腔內(nèi)氣體被高速氣流帶走形成負(fù)壓，完成取物；切斷壓縮空氣即可釋放； 壓縮空氣取來方便，成本低；,（3）擠壓排氣式手部,取料時(shí)吸盤壓緊物體，吸盤變形，擠出多余氣體，手部上升靠吸盤恢復(fù)力形成負(fù)壓將物體吸??；壓下推桿連同大氣釋放； 結(jié)構(gòu)簡單，吸附力小，防止漏氣，不宜長期保持；,磁吸式手部,依靠永磁體或電磁鐵的磁力吸附，單位面積吸力大，對(duì)工件表面粗糙度、通孔、溝槽無特殊要求，但只對(duì)鐵磁物體起作用，被吸工件存在剩磁，鐵屑；,,仿人機(jī)器人的手部,目前，大部分工業(yè)機(jī)器人的手部只有２個(gè)手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。因此取料不能適應(yīng)物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法滿足對(duì)復(fù)雜形狀、不同材質(zhì)的物體實(shí)施夾持和操作。為了提高機(jī)器人手部和手腕的操作能力、靈活性和快速反應(yīng)能力，使機(jī)器人能像人手一樣進(jìn)行各種復(fù)雜的作業(yè)，就必須有一個(gè)運(yùn)動(dòng)靈活、動(dòng)作多樣的靈巧手，即仿人手。,仿人機(jī)器人手部,柔性手：多關(guān)節(jié)串聯(lián)，鋼絲繩牽引，凹凸不平的物體受力均勻； 多指靈活手：多手指組成，每個(gè)手指三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)獨(dú)立控制；,仿人機(jī)器人手部,