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

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機器人的組成,機器人的組成系統(tǒng),,機器人系統(tǒng)組成,人機交互系統(tǒng),控制系統(tǒng),驅(qū)動系統(tǒng),機械機構(gòu)系統(tǒng),機器人－環(huán)境交互系統(tǒng),,,,,,,,,,,,概念：要使機器人運行起來, 需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置,1、驅(qū)動系統(tǒng),作用：提供機器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力,驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、 氣動傳動、電動傳動, 或者把它們結(jié)合起來應用的綜合系統(tǒng); 可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等 機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。,2、機械結(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 了機器人的機動性、適 應性和智能化的水準。,對于一些特殊的信息, 傳 感器比人類的感受系統(tǒng) 更有效。,4、機器人－環(huán)境交互系統(tǒng),5、人機交互系統(tǒng),人機交互系統(tǒng)是使操作 人員參與機器人控制并與機 器人進行聯(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 控制機器人動作的中心。分 為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。,機器人的基本工作原理是示教再現(xiàn)；示教也稱導引，即由用戶導引機器人，一步步按實際任務操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)＼工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機器人一個啟動命令，機器人將精確地按示教動作，一步步完成全部操作；,,冗余自由度機器人 利用冗余自由度可以增 加機器人的靈活性、躲避障 礙物和改善動力性能。人 的手臂(大臂、小臂、 手腕) 共有七個自由度, 所以工 作起來很靈巧,手部可回 避障礙而從不同方向到達 同一個目的點。,2．工作精度,可以用精密度、正確度、和準確度三個參數(shù)來衡量。,定位精度（Positioning accuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。,重復性（Repeatability）或重復精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異程度?；蛟谙嗤奈恢弥噶钕?，機器人連續(xù)重復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，即重復度。,,3．工作范圍:,指機器人末端操作器所能到達的區(qū)域。,工作空間（Working space）：機器人手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能到達的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。,,4．工作速度：,指機器人各個方向的移動速度或轉(zhuǎn)動速度。這些速度可以相同，可以不同。,5．承載能力：,指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。,表1.3 PUMA 562機器人的主要技術(shù)參數(shù),圖 1.17 PUMA 562工業(yè)機器人,工業(yè)機器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在機器人機械系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運動。 機器人一般有兩種運動關(guān)節(jié)——轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移(直)動關(guān)節(jié)。 為了進行位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，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。對于伺服電機驅(qū)動，檢測元件常與電機直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。,驅(qū)動—傳動系統(tǒng)的構(gòu)成,1．電動驅(qū)動器 電動驅(qū)動器的能源簡單，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)動比較困難。 電動驅(qū)動器又可分為直流 (DC)、交流(AC)伺服電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。 直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅(qū)動器。 步進電機驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。,驅(qū)動器的類型和特點,2. 液壓驅(qū)動器 液壓驅(qū)動的優(yōu)點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。,3．氣動驅(qū)動器 氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動器相比，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位控制機器人。,,１．液壓驅(qū)動,優(yōu)點： 1)液壓容易達到較高的壓力(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)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制； 4)液壓系統(tǒng)采用油作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。,,１．液壓驅(qū)動,液壓傳動系統(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； 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，故造價較高； 3)需要相應的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障。,,２．氣壓驅(qū)動,與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點： 1)壓縮空氣粘度小，容易達到高速(1m/s)； 2)利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣，不必添加動力設備； 3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)； 4)氣動元件工作壓力低，故制造要求比液壓元件低。,,２．氣壓驅(qū)動,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)就要相對增大； 2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達到準確的位置控制很困難； 3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。,,３．電動機驅(qū)動,電動機驅(qū)動分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機和步進電動機驅(qū)動。 普通交、直流電動機驅(qū)動需要加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人。 伺服電動機和步進電動機輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人。 交、直流伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機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合。,如何選取驅(qū)動器 驅(qū)動器的選擇應以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標準。一般說來，目前負荷為100 kg以下的,可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動器；只須點位控制且功率較小者，可采用氣動驅(qū)動器；負荷較大或機器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅(qū)動器。 對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。,,制動器,許多機器人的機械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動器，其作用是：在機器人停止工作時，保持機械臂的位置不變；在電源發(fā)生故障時，保護機械臂和它周圍的物體不發(fā)生碰撞。 制動器通常是按照失效抱閘方式工作的，即要放松制動器就必須接通電源，否則，各關(guān)節(jié)不能產(chǎn)生相對運動。它的主要目的是在電源出現(xiàn)故障時起保護作用。缺點是：工作期間不斷花費電力使制動器放松。,機器人手部分類,,功能形態(tài),工業(yè)機器人手部,仿人機器人手部,,握持原理,夾鉗式,吸附式,,手指,傳動機構(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,,磁吸,氣吸,,真空吸,負壓吸,擠壓吸,機械手的坐標形式,1. 直角坐標／笛卡兒坐標／臺架型(3P),優(yōu)點：很容易通過計算 機控制實現(xiàn)，容易達到 高精度。,缺點：妨礙工作, 且占地面積大, 運動速度低, 密封性不好。,直角坐標機器人的工作空間示意圖,2. 圓柱坐標型(R2P),優(yōu)點：且計算簡單; 直 線部分可采用液壓驅(qū)動,可 輸出較大的動力; 能夠伸入 型腔式機器內(nèi)部。,缺點：它的手臂可以到達的空間 受到限制, 不能到達近立柱或近地面 的空間; 直線驅(qū)動部分難以密封、防 塵; 后臂工作時, 手臂后端會碰到工作 范圍內(nèi)的其它物體。,3. 球坐標型(2RP),特點：中心支架附 近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn) 動驅(qū)動裝置容易密封, 覆蓋工作空間較大。 但 該坐標復雜, 難于控制, 且直線驅(qū)動裝置仍存在 密封及工作死區(qū)的問題。,4. 關(guān)節(jié)坐標型/擬人型(3R),關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的, 類似于人的手臂,工業(yè)機 器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復雜。,關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人,5. 平面關(guān)節(jié)型,SCARA機器人常用于裝配作業(yè), 最顯著的特點是它們 在x-y平面上的運動具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強 的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝 配作業(yè)中獲得了較好的應用。,平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間,小結(jié),注意：不同的書上，運動簡圖的符號表示可能不一樣。,（a）表示手指（末端執(zhí)行器）； （b）表示垂直、升降運動； （c）表示水平伸縮運動； （d）表示回轉(zhuǎn)運動； （e）表示俯仰運動。,附：工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu),機構(gòu)運動簡圖,關(guān)節(jié)坐標式,機器人手部特點與分類,手部特點： 與手腕相連可拆卸，電、氣、液接口，根據(jù)對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，某類工件某項作業(yè)任務； 獨立部件，機身、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；,,機器人的手部是是最重要的執(zhí)行機構(gòu)，從功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機器人的手部和仿人機器人的手部。,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)動裝置、傳動機構(gòu)和承接支架組成，通過手爪開閉動作實現(xiàn)夾持；,手指,直接與物件接觸，張開與閉合實現(xiàn)了對物件的松開和夾緊； 適當?shù)拈_閉范圍，足夠握力，相應精度； 通常兩個手指，或三個，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、吸盤架及進排氣系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、使用方便；應用于非金屬材料（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力形成負壓將物體吸??；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，對工件表面粗糙度、通孔、溝槽無特殊要求，但只對鐵磁物體起作用，被吸工件存在剩磁，鐵屑；,,仿人機器人的手部,目前，大部分工業(yè)機器人的手部只有２個手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。因此取料不能適應物體外形的變化，不能使物體表面承受比較均勻的夾持力，因此無法滿足對復雜形狀、不同材質(zhì)的物體實施夾持和操作。為了提高機器人手部和手腕的操作能力、靈活性和快速反應能力，使機器人能像人手一樣進行各種復雜的作業(yè)，就必須有一個運動靈活、動作多樣的靈巧手，即仿人手。,仿人機器人手部,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，每個手指三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)獨立控制；,仿人機器人手部,