_工业机器人(2新)

1、机械制造装备设计文章资源：工业机器人第四章第四章 工业机器人的设计工业机器人的设计4.1.1 工业机器人及工作原理工业机器人及工作原理q 从模仿能力意义上来看，也可以把机械手、操作机和工业机器人统称为“工业机器人。q 目前世界各国对机器人还没有一个统一的定义。q 我国国家标准GBT1264390将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。q 将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置度相对较低。度相对较低。工业机器人的构成工业机器人的构成(1)操作机 操作机是机器人的机械本体

2、，也可称为主机通常由末端执行器及机座组成。操作机具有和人手臂相似的动作功能，其运动功能与机床一样，一般也是由各个运动单元串联组成。(2)驱动单元 由驱动装置(如电动机、液压或气压装置)、减速器和内部检测元件等组成，为操作机各运动部件提供动力和运动。(3)控制装置 由检测和控制两局部组成，用来控制驱动单元，检测其运动参数并进行反响。p 2 2工业机器人的组成工业机器人的组成p 一般由执行机构、控制系统、驱动系统三局部组成：一般由执行机构、控制系统、驱动系统三局部组成：p 执行机构执行机构 p 执行机构是一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空执行机构是一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物

3、体或执行其他操作的机械装置，通常包括机座间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。、手臂、手腕和末端执行器。p 末端执行器末端执行器 末端执行器或称手部是机器人直末端执行器或称手部是机器人直接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。附等。p 手腕手腕 手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。整末端执行器的方位和姿态。p 手臂手臂 手臂是支承手腕

4、与末端执行器的部件。它由动手臂是支承手腕与末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。 p 机座机座 机座是工业机器人的根底部件，并承受相应机座是工业机器人的根底部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式。的载荷，机座分为固定式和移动式。p 控制系统控制系统 p 控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作。可分为控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作。可分为开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机器人采用开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机器人采用计算机控制，这类控制系统分为决策级、策略级和执行计算机控制，这类

5、控制系统分为决策级、策略级和执行级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将作业级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将作业任务分解为根本动作序列；策略级将根本动作变为关节任务分解为根本动作序列；策略级将根本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。级给出各关节伺服系统的具体指令。p 驱动系统驱动系统 p 驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。驱动执行机构运动的传动装置。p 除此之外，机器人可以配置多种传感器

6、如位置、力、除此之外，机器人可以配置多种传感器如位置、力、触角、视觉等传感器，用以检测其运动位置和工作状触角、视觉等传感器，用以检测其运动位置和工作状态。态。4.1.3 4.1.3 工业机器人的分类工业机器人的分类(1)关节型机器人(图a) 所谓关节就是运动副，由于关节型机器人的动作类似人的关节动作，故将其运动副称为关节。一般的关节指回转运动副，但关节型机器人中有时也包含有移动运动副，为了方便，可统称为关节，包括回转运动关节和直线运动关节。关节型机器人的特点是灵活性好，工作空间范围大(同样占地面积情况下)，但刚度和精度较低。(2)球坐标型机器人(图b)又称极坐标型，按球坐标形式动作(运动)。其

7、特点是灵活性好，工作空间范围大，但刚度、精度较差。(3)圆柱坐标型机器人(图c) 按圆柱坐标形式动作。其特点是灵活性较好，工作空间范围较大，刚度、精度较好。(4)直角坐标型机器人(图d) 与机床相似，按直角坐标形式动作。刚度和精度高，但灵活性差，工作空间范围小。p工业机器人按用途和作业类别划分：p焊接机器人； 具有三个或三个以上可自由编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具的机器。包括弧焊机器人、激光焊接机器人、点焊机器人等。 p冲压机器人、p浇注机器人、p搬运机器人、p装配机器人、p喷漆机器人、p切削加工机器人、p检测机器人、p采掘机器人、p水下机器人等。

8、p其它还有按控制方式、机器人的功能水平等分类方式。工业机器人的特性表示方法工业机器人的特性表示方法坐标系按右手定那么确定，如下图。绝对坐标系机座坐标系机械接口(与末端执行器相联接的机械界面)坐标系关节坐标系(1)确定基准状态 一般可取机器人处于机械原点时的状态作为基准状态。也可以取机器人各关节轴线(或大局部关节轴线)与机座直角坐标系轴线平行时的状态作为基准状态。(2)关节坐标轴轴线位置的选取(3)关节坐标方向的选取 采用右手坐标系，规定了X、Z轴的方向，y轴方向就自然确定了。各坐标系间的坐标变换简单。4.1.3 4.1.3 工业机器人的分类工业机器人的分类工业机器人的特性表示方法工业机器人的特

9、性表示方法p 工作空间指工业机器人正常运行时，手腕参考点(也可以用机械接口坐标系原点)能在空间活动的最大范围，用它来衡量机器人工作范围的大小。机床的工作空间(加工空间)一般为长方体或圆柱体空间；而机器人的工作空间形状复杂(见图46)。p 包括用途、外形尺寸和质量、负载、速度、驱动方式和动力源、控制、编程方法、性能、分辨率及环境条件等。工业机器人的根本设计方法工业机器人的根本设计方法6)6)性能指标。性能指标。p 1总体设计(2)总体方案设计：p 1)运动功能方案设计。该阶段的主要设计任务是设计确定机器人的自由度数、各关节运动的性质及排列顺序、在基准状态时各关节轴的方向。p 2)传动系统方案设计

10、。根据动力及速度参数、驱动方式等选择传动方式和传动元件。p 3)结构布局方案。根据机器人的工作空间、运动功能方案及传动方案，确定关节的形式、各构件的概略形状和尺寸。p 4)参数设计。确定在根本技术参数设计阶段尚无法考虑的一些参数，如单轴速度、单轴负载、单轴运动范围等。该项工作应与第3项设计工作交叉进行。p 5)控制系统方案设计。近期设计的工业机器人根本上都是采用计算机控制系统。p 6)总体方案评价。2详细设计详细设计内容包括 装配图设计、零件图设计和控制系统设计。3总体评价总体设计阶段所得的设计结果是各构件及关节的概略形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设计阶段尚未考虑的细节也具体化了

11、，因此各局部尺寸会有一些变化，需要对设计进行总体评价，检测其是否能满足所需设计指标的要求。4.2 4.2 工业机器人传动功能设计工业机器人传动功能设计10000mmmPRT 一 工业机器人位资的描述位置和姿态 一 作业功能姿态的描述方法：用末端执行器和机床坐标系之间的齐次坐标变换来实现202页图4-7 1、末端执行件：可以在XMYMZM坐标系中实现，坐标系OM,原点OM也可以在X0Y0Z0坐标系中表示，坐标系O0,原点O0 2、 末端执行器相对于机床坐标系OM的位姿 X0 Y0 Z0 1T = 0Tm0 0 0 1TXYZ和X0Y0Z0间平移变换注意：原点OM在坐标系OM中的坐标：Xm=Ym=

12、Zm=0【0Tm】：末端执行器位姿变化的矩阵，即O0与OM坐标系间的齐次变换矩阵 【0Rm】：旋转变换矩阵【0Pm】：平移变换矩阵 机器人运动姿态描述法 1、0坐标系经平移变换到O1点，然后旋转【0，0，R】与X1Y1Z1重合 2、 运动矩阵运动矩阵 约定：关节的运动量分别用约定：关节的运动量分别用i回转量，回转量，Zi直线运直线运动量表示。动量表示。Oi与与Oi+1坐标间的平移变换坐标量用坐标间的平移变换坐标量用ai bi ciT 表示，表示， 旋转变换量分别用绕旋转变换量分别用绕Xi、Yi、Zi轴旋转的角度轴旋转的角度i、i、i表示表示 iTi+1 表示表示Oi与与Oi+1坐标间的齐次变换

13、矩阵。坐标间的齐次变换矩阵。 Ti表示第表示第 i 关节的运动，关节的运动， Ti, i+k表示第表示第 Oi+k 坐标系相对坐标系相对Oi 坐标系的相对运动矩阵坐标系的相对运动矩阵 注：注： O0与与Oi 坐标系的位置矢量关系坐标系的位置矢量关系 X0 Y0 Z0 1T=0T1T1X1 Y1 Z1 1T= T0,1X1 Y1 Z1 1T 图图4-8推出齐次变换矩阵上边推出齐次变换矩阵上边 式中：式中： 1000010000001000c1000010000111111010CSSCTT 100010000100101100000001003222223323 ,2zCSaSCTTT2=90，z3为关节3沿Z3 轴方向的直线运动量。 2T1000010000002222rrrrCSSC32T1000000010033233CSSC 3T100010000100001ZmT3100010000003CCSSCrrrrmT, 010T 1T21T 2T32T 3T