工業(yè)機器人ppt課件

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第二節(jié) 機器人的定義與分類,一、定義 工業(yè)機器人是用來進行搬運材料、零件、工具等可再編程的多功能機械手，或通過不同程序的調用來完成各種工作任務的特種裝置。 二、特點 1、可編程：根據工作環(huán)境變化的需要可再編程； 2、擬人化：類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪； 3、通用性：更換手部末端可執(zhí)行不同的作業(yè)任務； 4、機電一體化；光機電液的任意組合； 5、自適應性：與外界環(huán)境的交互能力。 三、優(yōu)點 1、減少勞動力費用； 2、提高生產率； 3、改進產品質量； 4、增加制造過程的柔性； 5、降低生產成本； 6、消除危險和惡劣的勞動崗位。,1,工業(yè)機器人機械結構的三大件,2,機器人運動功能常用圖形符號,3,四、分類 1、按結構分類,4,2、按發(fā)展進程分類,5,3、按控制方法分類,6,4、按功能分類,7,五、應用領域 1、惡劣、危險的工作場合 如：爬壁機器人 沖床上、下料 采礦 水下作業(yè) 2、特殊作業(yè)場合：對人來說力所不能及的地點 如：外太空航天飛機 3、自動化生產領域 如：焊接機器人--汽車制造廠承重大梁、車身結構的焊接； 材料搬運—碼垛、卸貨； 檢測機器人—零件制造過程中的檢測 裝配機器人—較復雜的作業(yè)過程，即要檢測裝配作業(yè)過程中的誤 差，又要試圖糾正這種誤差 噴漆、噴涂機器人,8,第三節(jié) 機器人的組成及運動,一、機器人的基本組成 三大部分： 機械部分—執(zhí)行機構 傳感部分—信息交互 控制部分—處理中心,9,二、工業(yè)機器人技術參數（制造商在供貨時提供的技術數據） 1、自由度：機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目；,10,2、精度：定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人重復定位其手部于同一目標位置的能力。,11,3、工作范圍：機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫工作區(qū)域；,12,4、最大工作速度 1）工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度； 2）工業(yè)機器人手臂末端最大的合成速度。 5、承載能力：機器人在工作范圍內的任何位姿上所能承受的最大質量。其大小取決于： 1）負載的質量； 2）機器人運行的速度、加速度的大小、方向。 通常指高速運行時的承載能力。,13,第二章 機器人驅動系統(tǒng)設計,驅動裝置是帶動臂部到達指定位置的動力源，目前常用的主要有四種驅動方式：液壓驅動、氣壓驅動、直流電機驅動和步進電機驅動,14,第一節(jié) 液壓驅動,液壓驅動是以高壓油作為工作介質。驅動機構可以是閉環(huán)的，也可以是開環(huán)的；可以是直線的，也可以是旋轉的。其工作原理都是基于高壓油對活塞或葉片的作用。,15,一、直線液壓缸,16,二、旋轉執(zhí)行元件,17,三、電液伺服閥,18,四、采用液壓驅動的優(yōu)、缺點 優(yōu)點： 1、易達到較高的單位面積壓力（通常2.5~6.3MPa），可獲得較大的推力或轉矩； 2、壓力油可壓縮性小，可得到較高的位置精度； 3、液壓傳動中，力、速度和方向易實現自動控制； 4、具有防銹性和自潤滑的性能。 缺點： 1、油液粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能； 2、液體的泄露難以克服，這就要求液壓元件有較高的精度和質量，從而提高了造價； 3、要提供濾油裝置。,19,第二節(jié) 氣壓驅動,一、氣動執(zhí)行元件 1、直線氣缸 2、旋轉氣動馬達 二、工作介質：高壓空氣 三、應用場合：完成擋塊間運動 四、氣壓驅動優(yōu)、缺點 優(yōu)點： 1、易達到高速； 2、無環(huán)境污染； 3、工作壓力低，因而制造精度要求低。 缺點： 1、壓縮空氣常用壓力在0.4~0.6MPa，要想獲得較大的出力，其結構也要增大； 2、空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，難以實現精確的位置控制； 3、除水問題：處理不好易引起鋼類零件生銹； 4、排氣問題：噪聲污染。,20,第三節(jié) 直流電機驅動,一、直流電機工作原理(視頻） 二、對直流伺服電機的要求 1、直流伺服電機定義： 直流電機的轉動是平滑且連續(xù)不斷的，因而要實現精確的位置控制，必須加入位置反饋；機器人的運動要過到一定的速度要求，還要加入速度反饋。這樣，一個直流電機和位置反饋、速度反饋形成一個整體，即直流伺服電機。 2、要求： 1）調速范圍要寬； 2）負載特性要硬（抗干擾性強）； 3）反應速度要快（動態(tài)響應特性好）。,21,3、直流伺服電機的種類：,22,三、直流伺服電機的選擇 （一）初選電機 選擇電機，首先要考慮電機必須能夠 提供負載所需要的瞬間轉矩和轉速，就是能夠提供克服峰值所需要的功率。其次，當電機的工作周期可以與其發(fā)熱時間常數相比較時，必須考慮電機的熱定額問題，通常以負載的均方根功率作為確定電機發(fā)熱功率的基礎。,23,如果要求電機在峰值下以峰值轉速驅動負載，則電機功率可按下式估算：,24,如果電機長期連續(xù)地工作在變載荷之下時，比較合理的是按負載均方根功率估算電機功率：,25,（發(fā)熱校核、轉矩過載校核略） 初選電機后，一系列的技術數據，如額定轉矩、額定轉速、額定電壓、額定電流、轉子轉動慣量，均可由產品目錄直接查得或經過計算求得。 值得注意的是，電機的選擇不僅取決于功率，還取決于系統(tǒng)的動態(tài)性能要求、穩(wěn)定精度、低速平穩(wěn)性、電源是直流還是交流等因素。,26,（二）電機的轉矩特性,27,四、總傳動比的選擇 （一）負載力矩特性 要考慮兩種情況： 1、峰值力矩：經常在機器人關節(jié)處電機起動時出現，也是電機最嚴重的工作情況；,28,2、均方根力矩：電機在長期連續(xù)變載荷工作下的情況。,29,（二）折算最佳總傳動比 1、折算峰值力矩最小的最佳總傳動比 2、折算均方根力矩最小的最佳總傳動比,30,第四節(jié) 步進電機驅動,一、工作原理 步進電機是將電脈沖信號變換成角位移（或線位移）的一種機電式數模轉換器。 下面以三相步進電機來說明其工作原理。 1、三相三拍運行方式 由于每次只有一相繞組通電，在繞組電流切換的瞬間，電機將失去自鎖力矩，容易造成失步。此外，因為只有一相繞組吸引轉子，易在平衡位置附近發(fā)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故單三拍運行方式很少采用。,31,2、三相六拍運行方式,32,二、步進電機的選擇,1、類型 1）反應式步進電機 定義：轉子無繞組，由被激磁的定子繞組產生反應力矩實現步進運行。 特點：步距角小，運行頻率高, 結構簡單 2）激磁式步進電機 定義：定、轉子均有激磁繞組（或轉子采用永久磁鋼），由電磁力矩 實 現步進運行。 特點：永磁式：控制功率小，電磁阻尼大，斷電時具有定位轉矩； 電磁式：輸出轉矩大，輸入脈沖電流小，低頻工作時穩(wěn)定可靠， 高頻工作時矩頻特性好； 3）永磁反應式：兼具反應式步進電機與永磁式步進電機的特點。,33,2、步距角 定義：每輸入一個電脈沖信號轉子轉過的角度（指機械角度）。 步進電機就是為了轉子轉動時具有固定的步進位置而設計的。步進電機的步距角范圍很廣，從0.75~30度不等。 步距角的大小是如何確定的： 1）齒距角：轉子相鄰兩齒間的夾角。 2）步距角：轉子每步轉過的空間角度,34,三、步進電機的驅動,兩種驅動方式： 1、硬件：環(huán)形分配器。其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式分配給步進電機各相繞組，使其各相繞組按照預先規(guī)定的時間順序通、斷電。環(huán)形分配器是由晶體管或集成電路的邏輯門、觸發(fā)器等邏輯單元構成。 2、軟件：以軟件編程的方式按照環(huán)形分配的原則對步進電機各相繞組通、斷電相序進行控制。,35,第三章 機器人機械系統(tǒng)設計,36,第一節(jié) 總體設計,一、主體結構設計 工業(yè)機器人主體結構設計的主要問題是選擇由連桿件和運動副組成的坐標形式。比較廣泛使用的工業(yè)機器人坐標形式有：直角坐標式、圓柱坐標式、球面坐標式（極坐標式）、關節(jié)坐標式。,37,1、直角坐標式機器人 主要用于生產設備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測作業(yè)。其主體結構具有三個自由度，通常要求手臂能垂直上下移動，并可沿滑架和橫梁上的導軌進行水平面內二維移動。手腕的自由度多少視用途而定。,38,2、圓柱坐標機器人 主體結構具有三個自由度：腰轉、升降、手臂伸縮。手腕通常采用兩個自由度：繞手臂縱向軸向轉動、與手臂垂直的水平軸線轉動。,39,3、球面坐標式機器人,主體結構有三個自由度：繞柱身的轉動、繞水平軸線的轉動、手臂伸縮。機器人實際工作范圍的形狀是個不完全的球缺。手腕應具有三個自由度。當機器人主體運動時，裝在手腕上的末端操作器才能維持應有的姿態(tài)。,40,4、關節(jié)坐標式機器人 主體結構有三個自由度：腰轉關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)。全部是轉動關節(jié)。手腕上三個自由度（俯仰、偏轉、翻轉）也都是轉動關節(jié)。,41,各種結構類型特點,42,二、材料的選擇,結構件材料選擇是工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計中的重要問題之一。正確選用結構件材料不僅可降低工業(yè)機器人的成本價格，更重要的是可適應工業(yè)機器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿足其靜力及動力特性要求。,43,1、材料選擇的基本要求 與一般機械設備相比，機器人結構的動力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點。 1）強度高：機器人的臂是直接受力的構件，高強度材料不僅能滿足機器人臂的強度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量； 2）彈性模量大：構件的剛度（或變形量）與材料的彈性模量E、G有關，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大； 3）重量輕：在機器人手臂構件中產生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構件的質量有關； 4）阻尼大：機器人的臂經過運動后，要求能平穩(wěn)地停下來。由于構件終止運動的瞬時，會產生慣性力和慣性力矩，加上構件自身的彈性，會產生“殘余振動”。從提高定位精度和傳動平穩(wěn)性來考慮，應采用大阻尼材料來吸收能量。,44,2、結構件材料介紹 1）碳素結構鋼、合金結構鋼：強度好，特別是合金結構鋼強度增大了4~5倍，彈性模量E大，抗變形能力強，是應用最廣泛的材料； 2）鋁、鋁合金及其它輕合金材料：重量輕、彈性模量E并不大，但材料密度小。 故E/P仍可與鋼材相比； 3）纖維增強合金：硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金，都有極高的E/P比； 4）陶瓷：脆性大，但具有良好的品質（防磁、防電、防水）； 5）纖維增強復合材料：這類材料肯有極好的E/P比，但存在老化、蠕變、高溫熱膨脹、與金屬件連接困難等問題。這種材料不但重要輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點，在高速機器人上的應用較廣泛； 6）粘彈性大阻尼材料。,45,第二節(jié) 傳動部件設計,,46,一、移動關節(jié)導軌及轉動關節(jié)軸承 （一）移動關節(jié)導軌 1、工業(yè)機器人對移動導軌的要求 移動關節(jié)導軌的目的是在運動過程中保證位置精度和導向，其要求如下： 1）間隙小或能消除間隙； 2）在垂直于運動方向上的剛度要高； 3）摩擦系數低且不隨速度變化； 4）高阻尼； 5）移動導軌和其輔助元件尺寸小、慣量低；,47,2、移動關節(jié)種類及其特點,48,(二)轉動關節(jié)軸承,球軸承是機器人和機械手結構中最常用的軸承,它能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸和軸承座的剛度不敏感，這里以普通四點接觸球軸承為例。,49,基本耐磨球軸承 a)普通向心球軸承 b)向心推力球軸承 c)四點接觸球軸承,50,機器人專用四點接觸球軸承 采用四點接觸式設計以及高精度加工工藝的機器人專用軸承，比同等軸徑的常規(guī)四點接觸球軸承輕25倍。另外，減輕軸承重量的另一種方法是采用特殊材料，目前常用的是氮化硅陶瓷材料制成球和滾道。,51,二、傳動件的定位及消隙,52,（一）傳動件的定位 1、電氣開關定位 電氣開關定位是利用電氣開關作行程檢測元件。當機械手運動到定位點時，行程開關發(fā)出信號，切斷動力源或接通制動器，從而使機械手獲得定位。 液壓驅動的機械手運行至定位點時，行程開關發(fā)出信號，電控系統(tǒng)使電磁換向閥關閉油路而實現定位。 電動機驅動的機械手需要定位時，行程開關發(fā)出信號，電氣系統(tǒng)激勵電磁制動器進行制動而定位。 使用電氣開關定位的機械手，其結構簡單、工作可靠、維修方便，但由于受慣性力、油溫波動和電控系統(tǒng)誤差等因素的影響，重復定位精度比較低，一般為,53,2、機械擋塊定位 機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊，當機械手減速運動到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前緩沖較好，定位時驅動壓力未撤除，在驅動壓力下將運動件壓在機械擋塊上，或驅動壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達到較高的定位精度，最高可達,54,3、伺服定位系統(tǒng) 電氣開關定位與機械擋塊定位這兩種定位方法只適用于兩點或多點定位。而在任意點定位時，要使用伺服定位系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)可以輸入指令來控制位移的變化，從而獲得良好的運動特性。它不僅適用于點位控制，也適用于連續(xù)軌跡控制。 1）開環(huán)伺服定位系統(tǒng)沒有行程檢測及反饋，是一種直接用脈沖頻率變化和脈沖數來控制機器人速度和位移的定位方式。這種定位方式抗干擾能力差，定位精度較低。如果需要較高的定位精度，則一定要降低機器人關節(jié)軸的平均速度。 2）閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，其抗干擾能力強，反應速度快，容易實現任意點定位。,55,（二）傳動件的消隙 傳動機構存在有間隙，也叫側隙。傳動的間隙，影響了機器人的重復定位精度和平穩(wěn)性。對機器人控制系統(tǒng)來說，傳動間隙導致顯著的非線性變化、振動和不穩(wěn)定。 產生的主要原因有： 1）由于制造及裝配誤差所產生的間隙； 2）為適應熱膨脹而特意留出的間隙。 消除間隙的主要途徑有： 1）提高制造和裝配精度； 2）設計可調整傳動間隙的機構； 3）設置彈性補償零件。,56,消隙齒輪,57,柔性齒輪消隙,58,對稱傳動消隙,59,偏心機構消隙,60,齒廓彈性覆層消隙,61,三、主要傳動部件,1、諧波減速器 電機是高轉速、低力矩的驅動器，在機器人中要用減速器變成低轉速、高力矩的驅動器。機器人對減速器的要求如下： 1）運動精度高、間隙小，以實現較高的定位精度； 2）回轉速度穩(wěn)定，無波動，運動副間摩擦小，效率高； 3）體積小，重時輕，傳動扭矩大。 在工業(yè)機器人中，比較合乎要求且常用的減速器是諧波減速器。諧波傳動在運動學上是一種具有柔性齒圈的行星傳動，它在機器人上獲得了比行星齒輪傳動更加廣泛的應用。,62,諧波齒輪傳動機構由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成。其工作原理是依靠柔性齒輪產生的可控變形波引起的相對錯齒來傳遞動力和運動，與一般齒輪傳動有本質上的差別。諧波發(fā)生器是主動件，剛輪或柔輪為從動件。,63,剛性齒輪各齒均布于圓周內圈，具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內齒轉動。諧波發(fā)生器具有橢圓形輪廓，裝在諧波發(fā)生器上的滾珠用于支承柔性齒輪。具體運動過程為：諧波發(fā)生器4的轉動使柔輪6上的齒7與圓形花鍵輪（剛輪）上的齒2相嚙合。3為輸入軸，如果剛輪1固定，則軸5為輸出軸；如果軸5固定，則1為輸出軸。,64,前沿科技發(fā)展介紹,1、液壓靜壓波發(fā)生器的諧波傳動：因為油具有很好的冷卻作用，能提高傳動速度； 2、電磁波發(fā)生器的諧波傳動也已問世。,65,滾珠絲杠的基本組成,66,2、絲杠螺母副及滾珠絲杠傳動,67,第三節(jié) 臂部設計,一、臂部設計的基本要求 臂部設計必須根據機器人的運動形式、抓取的重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮手臂的受力情況，油缸（氣缸）及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。 1、臂部的自由度 通常為2-3個：伸縮、回轉或俯仰。 2、剛度要求高 為防止臂部在運動過程中產生較大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。如： 1）工字形截面彎曲剛度比圓截面大； 2）空心管的彎曲剛度和扭轉剛度比實心軸大，所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 3、導向性要好 為防止手臂在直線運動中沿運動軸線發(fā)生相對轉動，應該設計導向裝置，或者設計方形、花鍵等形式的臂桿。 4、重量要輕 為提高機器人的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減小整個手臂對回轉軸的轉動慣量。 5、運動要平穩(wěn)，定位精度要高,68,二、手臂的常用結構,1、手臂的直線運動機構 機器人手臂的伸縮、橫向移動均屬直線運動。常用的有活塞油(氣)缸，齒輪齒條機構、絲杠螺母機構、連桿機構。其中由于活塞油(氣)缸的體積小，重量輕，因而在機器人手臂結構中應用較多。 2、手臂的回轉運動機構 常用的有葉片式回轉缸、回轉傳動機構、鏈輪傳動機構、活塞缸和連桿機構。,69,,70,三、臂部運動驅動力計算,計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機器人工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。,,,,,71,1、臂部水平伸縮運動驅動力計算 臂部作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油（氣）缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅動力可按下式計算：,72,2、臂部回轉運動驅動力矩的計算 臂部回轉運動驅動力矩應根據啟動時產生的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩來計算。由于升速過程一般不是等加速運動，故最大驅動力矩經比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍，驅動力矩可按下式計算：,,,,,73,第四節(jié) 手腕設計,工業(yè)機器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標軸X、Y、Z的轉動，即具有翻轉、俯仰和偏轉三個自由度。通常把手腕的翻轉叫Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫Pitch，用P表示；把手腕的偏轉叫Yaw，用Y表示。腕部實際所需要的自由度數目應根據機器人的工作性能要求來確定。 由于手腕是安裝在手臂的末端，所以手腕的大小和重要是手腕設計時要考慮的關鍵問題。希望能采用緊湊的結構，合理的自由度。,74,75,76,一、手腕的分類 1、按自由度數目來分類 1）單自由度手腕,77,2）二自由度手腕,78,3）三自由度手腕,79,2、按驅動方式分類 1）直接驅動手腕,80,2）遠距離傳動手腕,81,第五節(jié) 手部設計,一、手部特點 1、手部是一個獨立的部件，與手腕相連處可拆卸； 2、手部是工業(yè)機器人末端操作器； 3、手部通用性較差，通常都是專用裝置。 二、手部的分類 1、按用途分 1）手爪：具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件、握持工件、釋放工件。 抓住—在給定的目標位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件在手爪內必須具有可靠的定位和準確的位姿； 握持—確保工件在搬運或裝配過程中定義勇了的位置和姿態(tài)的準確性； 釋放—在指定點上除去手爪和工件之間的約束關系。 2）工具；是進行某種作業(yè)的專用工具，如噴漆槍、焊具等。,82,2、按夾持原理分 1）機械類：有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類； 2）磁力類：有電磁吸盤和永磁吸盤兩種； 3）真空類：真空吸盤、氣流負壓吸盤、擠氣負壓吸盤。 3、按手指或吸盤數目分 機械手爪可分為：二指手爪、多指手爪； 機械手爪按手指關節(jié)分：單關節(jié)手指手爪、多關節(jié)手指手爪； 吸盤式手爪按吸盤數目分：單吸盤式手爪、多吸盤式手爪。 4、按智能化分 1）普通式手爪：手爪不具備傳感器； 2）智能化手爪：手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺傳感器等。,83,三、手爪設計舉例 機械式手爪設計,84,滑槽式杠桿回轉型手部,85,雙支點連桿杠桿式手部,86,齒輪齒條杠桿式手部,87,第六節(jié) 機身與行走機構的設計,一、機身設計 機身的設計要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；運動要靈活；結構布置要合理。 1、回轉與升降機身,88,2、回轉與俯仰機身,89,二、行走機構設計 機器人可以分成固定式和行走式兩種。一般的工業(yè)機器人大多為固定式的。但隨著海洋科學、原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，移動機器人、自動行走機器人的應用也越來越多了。,90,行走機構按其行走軌跡可分為固定軌跡式和無固定軌跡式。 1、固定軌道可移動機器人,91,無軌行走機器人,92,步行機器人,93,94,95,第四章 機器人運動學分析,96,第一節(jié) 機器人位姿描述,齊次坐標,97,一、直角坐標與向量運算 1、向量的表示法 該向量的表示法,設空間兩向量分別為： 標量與向量的乘積： 兩向量的和： 兩向量的數量積： 兩向量的矢量積：,98,二、齊次坐標 用 來表示三維空間的直角坐標的點 ， 它們的關系為,99,第三節(jié) 齊次變換,一、平移變換,100,101,二、旋轉變換,102,,103,,104,三、坐標系綜合齊次變換 四、齊次變換的幾何意義 1、變換陣的塊分解及其幾何意義 2、方向余弦陣的幾個性質 1）矩陣中每行和每列中元素的平方和為1； 2）矩陣中兩個不同列或不同行中對應元素的乘積之和為0； 3）逆陣與轉置陣相等。,105,第四節(jié) 變換方程的建立,,106,第五節(jié) 廣義轉動變換,,107,第六節(jié) RPY角與歐拉角,一、RPY角（繞固定軸X-Y-Z旋轉）,108,二、歐拉角（繞運動系Z-Y-X轉動）,109,第七節(jié) D—H坐標系的確定及A矩陣,110,111,,112,轉動關節(jié)A矩陣,113,移動關節(jié)A矩陣,114,第八節(jié) 建立機器人機構運動學方程的實例,,X----n：正交向量 Y----o：方位向量 Z----a：接近向量（手接近物體的方向） 上述向量構成右手矢量積 即：n=o×a,115,例1,116,例2,117,第五章 機器人力學分析,118,第一節(jié) 機器人速度雅可比與速度分析,一、雅可比矩陣的引入 數學上雅可比矩陣是一個多無函數的偏導矩陣，設有六個函數，每個函數有六個變量，即： 可寫成：Y=F（X）,119,將其微分得： 可簡寫成： ，其中矩陣 叫做雅可比矩陣。,120,,左圖為二自由度平面關節(jié)機器人。端點位置 與 的關系為： 即：,二、機器人速度雅可比,121,將其微分得： 將上式寫成矩陣形式： 令,我們可以把它的矩陣形式簡寫成： ，其中 ， 我們將 稱為上圖中所示二自由度平面關節(jié)機器人的速度雅可比，它反映了關節(jié)空間微小運動 與手部作業(yè)空間微小位移 的關系。,122,對該雅可比公式進行運算，可得出： 從中可以看出， 陣的值是 及 的函數。 廣義關節(jié)變量的表示： ， 1）當關節(jié)為轉動關節(jié)時， ； 2）當關節(jié)為移動關節(jié)時， 。,123,三、工業(yè)機器人的速度分析 對于 ，左、右兩邊同時除以 ， 有： 或： 對于上圖所示的二自由度平面關節(jié)機器人來說，則可寫出它的速度雅可比公式：,124,上式中，右邊第一項表示僅由第一個關節(jié)運動引起的端點速度；右邊第二項表示僅由第二個關節(jié)運動引起的端點速度；總的端點速度為這兩個速度矢量的合成。 因此，機器人速度雅可比的每一列表示其它關節(jié)不動而某一個關節(jié)運動產生的端點速度。,125,圖示機器人的手部速度：,126,四、機器人的逆速度雅可比 假如已知機器人關節(jié) 是時間的函數， ， ， 則可求出該機器人手部在某一時刻的速度，即手部瞬時速度。 反之，假如給定機器人手部速度，則可解出相應的關節(jié)速度： ， 稱為機器人逆速度雅可比。,127,例：如圖所示的二自由度平面機械手，手部沿固定坐標系 軸正向以1.0m/s速度移動，桿長為 ，設在某瞬時 ， 求相應瞬時的關節(jié)速度。,128,第二節(jié) 機器人力雅可比與靜力計算,129,機器人作業(yè)時與外界環(huán)境的接觸會在機器人與環(huán)境之間引起相互的作用力和力矩。機器人各關節(jié)的驅動裝置提供關節(jié)力矩（或力），通過連桿傳遞到末端操作器，克服外界作用力和力矩。各關節(jié)的驅動力矩（或力）與末端操作器施加的力之間的關系是機器人操作臂力控制的基礎。我們假設各關節(jié)“鎖定”，機器人成為一個機構。這種“鎖定”的關節(jié)力矩與手部所支持的載荷或受到外界環(huán)境作用的力取得靜力平衡。求解這種“鎖定”的關節(jié)力矩或求解在已知驅動力矩作用下手部的輸出力就是對機器人操作臂的靜力計算。,130,一、操作臂中的靜力 如圖所示，桿件通過關節(jié)i和i+1分別與桿件i-1和i+1相連接，兩個坐標系{i-1}和{i}分別如圖。,131,假如已知外界環(huán)境對機器人最末桿的作用力和力矩，那么可以由最后一個連桿向零連桿（機座）依次遞推，從而計算出每個連桿上的受力情況。,132,為便于表示機器人手部端點的力和力矩（簡稱為端點力F），可將 和 合并寫成一個六維矢量： 各關節(jié)驅動器的驅動力或力矩可寫成一個 維矢量的形式，即,133,二、機器人的力雅可比 假定關節(jié)無摩擦，并忽略各桿件的重力，則廣義關節(jié)力矩 與機器人手部端點力 的關系可表示為： 三、機器人靜力計算的兩類問題 1）已知外界環(huán)境對機器人手部作用力 （即手部端點力 ），求相應的滿足靜力平衡條件的關節(jié)驅動力矩 。 2）已知關節(jié)驅動力矩 ，求機器人手部對外界環(huán)境的作用力 或載荷的質量。,134,例 如圖示的一個二自由度平面關節(jié)機械手，已知手部端點力 ，求相應于端點力 的關節(jié)力矩。,135,第三節(jié) 工業(yè)機器人動力學分析,機器人是一個非線性的復雜的動力學系統(tǒng)。動力學問題的求解比較困難，而且需要較長的運算時間。因此，簡化解的過程，最大限度地減少工業(yè)機器人動力學在線計算的時間是一個受到關注的研究課題。,136,動力學研究物體的運動和作用力之間的關系。機器人動力學問題有兩類： 1、給出已知軌跡點上的 、 、 即機器人關節(jié)位置、速度、加速度，求相應的關節(jié)力矩向量 ，這對實現機器人動態(tài)控制相當有用。 2、已知關節(jié)驅動力矩，求機器人系統(tǒng)相應的各瞬時的運動。也就是說，給出關節(jié)力矩向量 ，求機器人所產生的運動 、 、 ，這對模擬機器人的運動非常有用。,137,一、拉格朗日方程 1、拉格朗日函數 拉格朗日函數 的定義是一個機械系統(tǒng)的動能 和勢能 之差，即： 2、拉格朗日方程 式中， 稱為廣義關節(jié)驅動力。如果是移動關節(jié)，則 為驅動力，如果是轉動關節(jié)，則 為驅動力矩。,138,用拉格朗日法建立機器人動力學方程的步驟： 1、選取坐標系，選定完全而獨立的廣義關節(jié)變量 ， 。 2、選定相應的關節(jié)上的廣義力 ，當 是位移變量時，則 為力；當 是角度變量時，則 為力矩。 3、求出機器人各構件的動能和勢能，構造拉格朗日函。 4、代入拉格朗日方程，求得機器人系統(tǒng)的動力學方程。,139,二、二自由度平面關節(jié)機器人動力學方程 廣義關節(jié)變量及廣義力的選定,140,第六章 機器人的感覺系統(tǒng),141,人類具有五種感覺：視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺。機器人需要通過傳感器得到這些感覺信息。目前機器人只具有視覺、聽覺、嗅覺和觸覺，這些感覺是通過相應的傳感器得到的。傳感器是機器人必不可少的關鍵部分。其上各部裝置都要先經過信息檢測才能實現信息的轉換、處理和顯示，而后達到調節(jié)、控制的目的。,142,第一節(jié) 機器人傳感器的選擇要求,機器人最需要的感覺能力 簡單觸覺：確定工作對象是否存在； 復合觸覺：確定工作對象是否存在以及它的尺寸和形狀； 簡單力覺：沿一個方向測量力； 復合力覺：沿一個以上方向測量力； 接近覺：對工作對象的非接觸探測； 簡單視覺：孔、邊、拐角等的檢測； 復合視覺：識別工作對象的形狀。 溫度、濕度、壓力、滑動量、化學性質等的感覺能力。,143,機器人用傳感器的選擇包括三個方面 1、傳感器類型的選擇 2、傳感器性能指標的確定 3、傳感器物理特征的選擇,144,1、傳感器類型的選擇 1）機器人對傳感器的一般要求 a.精度高，重復性好 b.穩(wěn)定性好，可靠性高 c.抗干擾能力強 d.重量輕，體積小，安裝方便 e.價格便宜 2）按加工任務的要求來選擇 3）從機器人控制的要求來選擇 4）從安全方面的要求來選擇,145,2、傳感器性能指標的確定 1）靈敏度：傳感器的輸出信號達到穩(wěn)態(tài)時，輸出信號變化與傳感器輸入信號變化的比值。 假如傳感器的輸出與輸入呈線性關系，有 假如傳感器的輸出與輸入呈曲性關系，有 2）線性度：衡量傳感器的輸出信號和輸入信號之比值是否保持為常數的指標。 3）測量范圍：傳感器被測量范圍的最大允許值和最小允許值之差。 4）精度：傳感器的測量輸出值與實際被測值之間的誤差。,146,5）重復性：當傳感器的輸入信號按同一方向進行全量程連續(xù)多次測量時，其相應測試結果的變化程度。 6）分辨率：傳感器在整個測量范圍內，所能辨別的被測量的最小變化量，或者說所能辨別的不同被測量的個數。 7）響應時間：傳感器的輸入信號變化以后，其輸出信號變化到一個穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。 8）可靠性,147,3、傳感器物理特征的選擇 1）尺寸和重量 2）輸出形式 3）可插接性,148,第二節(jié) 傳感器的基本組成及分類,1、傳感器的組成： 敏感元件、轉換元件、基本轉換電路 敏感元件是直接感受被測量，并以確定關系輸出某一物理量的元件。如彈性敏感元件可將力轉換為位移或應變；轉換元件可將敏感元件輸出的非電物理量轉換成電量；基本轉換電路將由轉換元件產生的電量轉換成便于測量的電信號，如電壓、電流、頻率等。,149,2、傳感器的分類,150,第三節(jié) 位置傳感器和位移傳感器,一、電位器式位移傳感器 組成：由一個繞線電阻（或薄膜電阻）和一個滑動觸點組成。其中滑動觸點通過機械裝置受被檢測量的控制。 分類：1）直線型電位器：滑動觸點沿電阻軸線方向作直線運動； 2）旋轉型電位器：電阻元件呈圓弧狀，滑動觸點作圓周運動。,151,優(yōu)缺點： 優(yōu)點：輸入輸出特性可根據需要進行選?。?輸出信號選擇范圍大； 具有記憶性； 性能穩(wěn)定、結構簡單、精度高。 缺點：易磨損,152,二、光電編碼器 1、絕對型光電編碼器 1）構成：多路光源 光敏元件 光電碼盤,153,2）工作原理 3）分辨率： 4）特點：具有記憶性,154,2、相對型光電編碼器（增量碼盤） 1）構成：一路或兩路光源 光敏元件 光電碼盤 2） 工作原理 3）分辨率： 4）特點：無記憶性,155,第四節(jié) 機器人接觸覺傳感器,機器人觸覺傳感器是用來判斷機器人是否接觸物體的測量傳感器或大致判斷物體的形狀。傳感器輸出信號常為0或1。 經濟形：各種微動開關； 其它形：碳素纖維及聚氨基甲酸酯為基本材料的觸覺傳感器。 通常接觸覺傳感器的安裝部位在機械手的曲面手掌上。,156,一、簡單觸覺傳感器 以陣列形式排列組合成觸覺傳感器，它以特定次序向控制器發(fā)送接觸和形狀信息。 1、組成：觸覺傳感器的兩側各有一個由六個接觸覺傳感器組成的陣列。每個陣列由觸桿、發(fā)光二極管和光傳感器組成。,157,2、工作原理：接近物體時，觸桿隨之縮進，遮擋了發(fā)光二極管向光傳感器發(fā)射的光線，光傳感器輸出與觸桿的位移成正比的信號。相當于位移傳感器。 接觸覺傳感器可提供的物體信息,158,二、類皮膚傳感器,159,第五節(jié) 機器人接近覺傳感器,一、電磁式接近覺傳感器,160,二、光學接近覺傳感器 1、組成：光源（發(fā)射器）； 接收器 2、工作原理：光源可在內部，也可在外部，接收器能夠感知光線的有無。接收器通常是光電晶體管，發(fā)射器通常是發(fā)光二極管，兩者結合成為一個光傳感器。,161,三、超聲波接近覺傳感器,162,第六節(jié) 機器人力覺傳感器,1、力—力矩傳感器,163,2、應變片,164,3、多維力傳感器,165,第七節(jié) 機器人視覺、聽覺、嗅覺傳感器,一、視覺傳感器,166,,167,二、聽覺傳感器 1、人的聽覺 人的聽覺的外周感受器官是耳，耳的適宜刺激是一定頻率范圍內的聲波振動，耳內器官和其中所含的毛細胞是真正的聲音感受裝置。聽神經纖維就分布在毛細胞下方的基底膜中，對聲音信息進行編碼，傳送到大腦皮層的聽覺中樞，產生聽覺。 2、機器人的聽覺 從應用的目的來看，可分為兩大類； 1）發(fā)聲人識別系統(tǒng) 2）語義識別系統(tǒng)。機器人聽覺系統(tǒng)中的聽覺傳感器的基本形態(tài)與傳聲器相同，多為利用壓電效應、磁電效應等。,168,三、嗅覺傳感器 1、人的嗅覺 人的嗅覺感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，兩側總面積約為5平方厘米。嗅上皮含有3種細胞，即主細胞、支持細胞和基底細胞。不同性質的氣味刺激有其相對專用的感受位點和傳輸線路。非基本氣味則由它們在不同線路上引起的不同數量沖動的組合，在中樞引起特有的主觀嗅覺感受。 2、機器人的嗅覺 嗅覺傳感器主要是采用氣體傳感器、射線傳感器等。機器人的嗅覺傳感器主要用于： 1）檢測空氣中的化學成分及濃度； 2）檢測放射線、可燃氣體及有毒氣體； 3）了解環(huán)境污染、預防火災和毒氣泄露報警。,169,第七章 機器人控制系統(tǒng),170,一、機器人的硬件結構 大部分工業(yè)機器人都采用二級計算機控制。這種控制方案可使系統(tǒng)結構簡單，提高運算速度，保證控制系統(tǒng)的實時性。第一級負責系統(tǒng)監(jiān)控、作業(yè)管理和實時插補任務。第一級的運算結果作為伺服位置信號，控制第二級。第二級為各關節(jié)的伺服系統(tǒng)，有兩種可能的方案。,171,1、采用一臺微型計算機控制高速脈沖發(fā)生器,172,2、使用幾個單片機分別控制幾個關節(jié)運動,173,