机器人第二章汇编

1、第二章 机器人机构(jgu)第1节 概述第2节 机身和手臂机构(jgu)第3节 手腕部机构第4节 行走部机构第5节 机器人关节的驱动、传动机构第6节 机器人的规格及主要性能指标共七十一页第一节 概述(i sh)1 机器人机构(jgu)的分类2 机器人机构的运动3 机器人工作空间2机器人研究所共七十一页1、机器人机构(jgu)的分类直角坐标型机器人(PPP)沿着三个互相垂直的轴线(zhu xin)移动来改变手部的空间位置。其前三关节为移动关节（Prismatic）运动形式如图。3机器人研究所共七十一页1、机器人机构(jgu)的分类圆柱坐标(zubio)型机器人(RPP)该类操作机是通过两个移动关

2、节(Prismatic)和一个转动关节(Rotation )来实现手部的空间位置的变化，运动形式如图所示。4机器人研究所共七十一页1、机器人机构(jgu)的分类球坐标型机器人(RRP)该类操作机用两个转动关节(Rotation )和一个移动关节(Prismatic)来改变手部的空间(kngjin)位置，运动形式如图所示。5机器人研究所共七十一页1、机器人机构(jgu)的分类关节型机器人(RRR)这类操作机是模拟(mn)人的上臂而构成的。它的前三个关节都是转动关节(Rotation ) ，运动形式如图所示。6机器人研究所共七十一页2、机器人机构(jgu)的运动1）机器人的运动自由度运动自由度的定

3、义用来确定手部相对于机身位置的每个独立变化的参数，称为机器人的自由度。任一自由的空间物体，须有六个自由度描述(mio sh)其在空间的位置和姿态，三个正交移动轴，决定物体的位置；三个绕坐标轴 的转动，决定物体的姿态变化。以自由度分类的机器人自由度的分布7机器人研究所共七十一页2、机器人机构(jgu)的运动1）机器人的运动(yndng)自由度运动自由度的定义以自由度分类的机器人称六个自由度机器人为满自由度机器人，少于六个自由度机器人为欠自由度机器人， 多于六个自由度机 器人为冗余自由度机器人。自由度的分布8机器人研究所共七十一页2、机器人机构(jgu)的运动1）机器人的运动(yndng)自由度运

4、动自由度的定义以自由度分类的机器人自由度的分布一般机器人的机身和手臂构成前三个关节，具有三个自由度，可确定手部在空间的位置，所构成的机构称位置机构；手腕和手部构成后三个关节，具有三个自由度，可确定手部在空间的姿态，所构成的机构称之为姿态机构. 9机器人研究所共七十一页2、机器人机构(jgu)的运动1）机器人的运动(yndng)自由度PUMA机器人的各个自由度1机座 2腰部 3臂部 4腕部 5手部PUMA机器人视频 10机器人研究所共七十一页2、机器人机构(jgu)的运动2）机器人的运动范围指机器人手腕在空间(kngjin)运动图形及其大小，运动范围取决于臂部的自由度。11机器人研究所共七十一页

5、2、机器人机构(jgu)的运动3）机器人的各种运动形式（1）直移型：直线运动L 伸缩(shn su)运动E（2）回转型：扭角运动T 摆角运动R12机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gngzu)空间1）工作空间定义：手腕部坐标系原点能在空间活动(hu dng)的最大活动范围。又称可达空间 ，或总工作空间。 13机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gngzu)空间工作(gngzu)空间示意图直角坐标机器人的工作空间示意图 14机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gngzu)空间工作(gngzu)空间示意图圆柱坐标机器人的工作空间示意图 15机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gn

6、gzu)空间工作(gngzu)空间示意图球坐标机器人的工作空间示意图 16机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gngzu)空间工作(gngzu)空间示意图PUMA机器人工作空间示意图 俯视图 主视图 17机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gngzu)空间2）灵活工作空间末端(m dun)执行器可以任意姿态达到的工作空间。3）奇异形位总工作空间的边界点所对应的机器人的位置和姿态，及机器人工作空间内部使机械产生干涉的位置和姿态。 18机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gngzu)空间 4）两个基本问题正问题：给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求工作空间，称工

7、作空间分析;逆问题：给出某一限定(xindng)的工作空间，求操作机的结构形式，参数和关节变量的变化范围，称工作空间的综合。19机器人研究所共七十一页3、 机器人工作(gngzu)空间 5）确定工作空间的方法解析法: 用数学模型计算工作空间的边界.图解法: 国标规定了工作空间的几何作图法. 结构限制分析 画出工作空间的主剖面(pumin)（xoz剖面(pumin)） 画出工作空间的俯视剖面（xoy剖面）20机器人研究所共七十一页第二节 机身(j shn)和手臂机构1、机身和手臂(shu b)的作用2、机身和手臂机构设计的特点3、机身结构4、手臂结构21机器人研究所共七十一页机身定义：机身是连接

8、、支承手臂及行走机构的部件.作用：臂部的驱动装置(zhungzh)或传动装置(zhungzh)安装在机身上。特点：机身有固定式和行走式两种。手臂定义：手臂部件是连接机身和手腕的部件。 作用：支承腕部和手部，带动手及腕在空间运动。特点：结构类型多、受力复杂。1、机身(j shn)和手臂的作用1、手部2、腕部3、手臂4、机身22机器人研究所共七十一页2、机身和手臂机构(jgu)设计的特点刚度：为了得到较高的精度，机器人机身和手臂的机械结构刚度比强度更重要。刚度可分为结构刚度、支承刚度、伺服刚度等。精度：机器人的精度可分为绝对精度和重复定位精度。机器人终端执行器（手部）的精度与臂和机身的位置精度密切

9、相关。平稳性：机身和臂部的运动多、质量较大、当负荷大且高速运行时，由于运动状态变化，将产生冲击和振动。应采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。其他(qt)：对特殊要求的要有相应措施，如防爆、防尘、防水、防真空、防辐射、防腐蚀等。23机器人研究所共七十一页机身是支承手、臂且带其运动的部件，由于机器人的运动形式、使用条件 、负荷能力各不相同，所采用的驱动装置，传动机构、导向装置亦不同，使机器人机身有很大差异，结构十分复杂。分类: 1)横梁(hn lin)式2)立柱式3)屈伸式 4)类人型3、机身(j shn)结构PUMA-262型机器人 24机器人研究所共七十一页4、手臂(shu b)结构工业机器人的

10、手臂一般具有3个自由度，即手臂的伸缩、回转、俯仰（或升降(shngjing)）运动； 手臂的分类：按结构形式分：手臂有单臂；双臂；悬挂式手臂。按手臂的运动形式分：直线运动、回转运动、复合运动。25机器人研究所共七十一页4、手臂(shu b)结构手臂的结构(jigu)形式单臂式双臂式悬挂式26机器人研究所共七十一页4、手臂(shu b)结构手臂的运动形式直线运动：如手臂的伸缩、升降及横向、纵向移动；回转(huzhun)运动：如手臂的左右回转，上下摆动（俯仰）；复合运动：如直线运动与回转运动的组合，两直线运动的组合，两回转运动的组合等。27机器人研究所共七十一页4、手臂(shu b)结构直线运动行

11、程小时，采用活塞(husi)油（气）缸直接驱动。行程大时可采用活塞油（气）缸和齿轮齿条机构，丝杠螺母机构以及活塞油（气）缸和连杆机构等。28机器人研究所共七十一页4、手臂(shu b)结构回转运动手臂的回转运动一般采用叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构以及(yj)连杆机构等来实现。29机器人研究所共七十一页4、手臂(shu b)结构回转(huzhun)运动手臂俯仰驱动缸安置示意图 30机器人研究所共七十一页4、手臂(shu b)结构回转(huzhun)运动手臂俯仰驱动缸安置示意图 31机器人研究所共七十一页第三节 手腕(shuwn)部机构1、概述(i sh)2、手部机构3、腕部机构32机

12、器人研究所共七十一页1、概述(i sh)手部：是最重要的执行(zhxng)机械，工业机器人手部可分为：1.夹持类；2.吸附类腕部：1.完成手部的俯仰，摆动和旋转；2.智能机器人腕部具有力、力矩传感器。33机器人研究所共七十一页 2、手部机构(jgu)1）夹持式手部的组成手指传动机构驱动(q dn)装置34机器人研究所共七十一页 2、手部机构(jgu)1）夹持(ji ch)式手部的组成夹钳式手部的组成 35机器人研究所共七十一页 2、手部机构(jgu)1）夹持(ji ch)式手部的组成斜楔杠杆式手部 36机器人研究所共七十一页 2、手部机构(jgu)1）夹持(ji ch)式手部的组成双支点连杆杠

13、杆式手部 37机器人研究所共七十一页 2、手部机构(jgu)1）夹持(ji ch)式手部的组成齿条齿轮杠杆式手部 38机器人研究所共七十一页 2、手部机构(jgu)2）吸附(xf)式手部的组成真空吸附取料手 39机器人研究所共七十一页 2、手部机构(jgu)3）手部机构设计要点 开闭(ki b)范围； 夹紧力； 定位精度； 结构紧凑，重量轻，效率高； 通用性和可换性；40机器人研究所共七十一页 3、腕部、关节(gunji)部结构1）关节的作用和分类(fn li)作用：关节将机器人的各构件连接起来，机器人各构件间的相对运动，通过驱动、传动装置在各关节上实现的。主要有运动传递和力 传递。 分类：旋

14、转型关节和直线移动型关节。腕关节在机器人中很重要，以下主要讨论腕关节。41机器人研究所共七十一页 3、腕部、关节(gunji)部结构2） 关节设计要点 力求结构紧凑，重量轻：关节的结构、重量、动力载荷直接影响机器人的结构、重量和性能。 处于手臂(shu b)的末端 有2-3个自由度和驱动装置 需较大的力矩和尽量轻的重量 综合考虑，合理布局：需要考虑强度、刚度、制造、装配、精度和、控制可靠性。 须考虑腕部的工作条件：如高低温、腐蚀性、防暴、防尘、防渗。42机器人研究所共七十一页 3、腕部、关节(gunji)部结构3）关节部结构(jigu)单自由度手腕：单自由度手腕只可能有如下两种形式，即滚转型和

15、弯转型。43机器人研究所共七十一页 3、腕部、关节(gunji)部结构3）关节部结构二自由度手腕：对两自由度腕关节来说，可能有的组合形式(xngsh)有四种: RR, BR, RB, BB。44机器人研究所共七十一页 3、腕部、关节(gunji)部结构3）关节部结构(jigu)三自由度手腕：说明: 设计时使三个轴线汇交于一点，将使腕关节具有最紧凑的尺寸。45机器人研究所共七十一页第四节 行走(xngzu)部机构1 概述(i sh)2运行车式行走机构46机器人研究所共七十一页1概述(i sh)机器人可分为(fn wi)固定型和行走型两种。海洋水下机器人核工业原子能反应唯用机器人空间机器人军用机器

16、人医疗福利机器人服务机器人移动式搬运机器人移动式固定式工业机器人焊接喷漆上下料机器人47机器人研究所共七十一页2运行(ynxng)车式行走机构（1）车轮(ch ln)式行走机构（2）履带式行走机构（3）步行式行走机构48机器人研究所共七十一页（1）车轮(ch ln)式行走机构1）车轮式动作稳定，自动操纵简单，在FMS或自动仓库中作搬运小车用得 较多，适合室内平地行走。2）车轮式行走机构有3轮，4轮，或6轮等3）车轮式行走机构采用的转向机构：采用自位轮和主动轮差动转向将会有角度误差。采用驱动转向轮，静止状态(zhungti)阻力大。49机器人研究所共七十一页（1）车轮(ch ln)式行走机构三轮

17、车型移动机器人机构(jgu) 50机器人研究所共七十一页（1）车轮(ch ln)式行走机构四轮车的驱动(q dn)机构和运动 51机器人研究所共七十一页（2）履带式行走机构 履带式行走机构适合于野外作业，军用机器人，及各种勘探及探险，适应各种地形(dxng)，爬坡可达45，可以爬楼梯。适应地形的履带 52机器人研究所共七十一页（3）步行(bxng)式行走机构1）步行(bxng)式行走机构的优点 可在高低不平的地段上行走。 脚的主动性可保持平衡，不随地面晃动。 在柔软的地面上运动、效率不显著降低。53机器人研究所共七十一页（3）步行(bxng)式行走机构2）动步行与静步行静步行：机器人重心始终(

18、shzhng)落在支持于地面的几只脚所圈成的多边形面积内。动步行：有时重心落在支撑面积外，利用重力和惯性力，作为步行的动力，步行速度快、耗能少。54机器人研究所共七十一页（3）步行(bxng)式行走机构3）两脚步行式行走机构优点：有最好的适应性，与人类相似的优越性;人类幻想的高级智能机器人的行走机构。控制难点：无论是静步行或动步行，控制都困难，犹如倒摆。测出各物理量，控制机构连杆的相对角;利用脚尖(jiojin)在地面上的反作用力测重心的位置。55机器人研究所共七十一页第五节 机器人关节(gunji)的驱动、传动机构1、 机器人的驱动(q dn)机构2、机器人的传动机构56机器人研究所共七十一

19、页1. 机器人的驱动(q dn)机构驱动装置是使机器人各部件动作的动力源，目前常见的有： 1）液压驱动 2）气压(qy)驱动 3）电机驱动4）其他驱动方式57机器人研究所共七十一页1. 机器人的驱动(q dn)机构1）液压驱动: 是高压油作为工作介质，推动直线或旋转的油缸进行工作的, 在一个液压驱动系统中其主要的部件如下：直线液压缸：在高压油的作用下，作直线往复运动摆动(bidng)缸：在高压油的作用下产生一定角度的摆动。电液伺服阀：可精确地控制油路的开关、并可控制供油量的大小，以便对液压缸进行精确的控制，并可以根据位置传感器和速度传感器反馈的信号进行闭环控制。液压驱动的应用：目前在负荷较大的

20、搬运机器人和喷涂机器人应用较多。58机器人研究所共七十一页1. 机器人的驱动(q dn)机构2）气压驱动在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的，在工业中应用很广，其组成与液压驱动相似。可以(ky)用机械的档次实现点到点的控制，并能达到较高的精度, 虽然达到高精度的伺服控制较难，但目前已经用微处理机直接控制的气动马达，定位精度在1mm。在机器人中主要用于各种气动手爪，以及小型机器人的驱动。59机器人研究所共七十一页1. 机器人的驱动(q dn)机构3）电机驱动电动驱动在机器人中的应用(yngyng)可以分成三种：直流电机组成伺服控制系统；交流（或）无刷直流电机组成伺服控制系统；步进电机驱动的开环

21、数字控制系统。60机器人研究所共七十一页1. 机器人的驱动(q dn)机构4）其他驱动方式气囊式人工肌肉磁致伸缩驱动：铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变, 其长度和体积都要发生微小变化, 这种现象称为磁致伸缩。形状记忆合金（SMA）驱动器：记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来(q li)装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开。压电晶体驱动器61机器人研究所共七十一页1. 机器人的驱动(q dn)机构5）驱动方式的选择机器人驱动器要求启动(q

22、dng)力矩大、调速范围宽、惯量小 驱动方式选择：负荷为2000N以下采用电动驱动方式小功率点位控制采用气动驱动方式大功率大力矩采用液压驱动方式62机器人研究所共七十一页2. 机器人的传动(chundng)机构1）常用传动机构类型和特点(1) 齿轮类传动：齿轮、蜗轮蜗杆、齿轮齿条等优点：响应快、扭矩大、刚性好缺点：传动有间隙、故回差大，精度(jn d)低 应用：腰、腕关节(2) 链索类传动：链条、齿形带、钢带等优点：无间隙、刚度与张紧装置有关，力矩较大缺点：速比小，齿形带和钢带适用于小负载应用：腕关节63机器人研究所共七十一页2. 机器人的传动(chundng)机构2）滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠副

23、的特点是将螺旋运动变为直线运动或者(huzh)将直线运动变换为螺旋运动。内滚道外滚道64机器人研究所共七十一页2. 机器人的传动(chundng)机构2）滚珠丝杠螺母副(1)结构(jigu)组成： 滚珠丝杠螺母副可分为内循环和外循环两种。为消除回差，螺母分成两段，采用双螺母预紧消除间隙的方式，以垫片、锁紧螺母、齿差调整两段螺母的相对位置。(2)特点： 摩擦系数小且动静摩擦系数差小，效率高且逆传动效率也高，灵敏度高、传动平移、磨损小、寿命长。65机器人研究所共七十一页第六节 机器人的规格(gug)及主要性能指标1. 负荷方面：(1) 额定负荷：在正常运行条件(tiojin)下施加到手腕部的最大负荷的容许值，包括末端执行器、附件和惯性力。(2)限定负荷：机器人机构部分不发生破坏或不出故障时手腕外所能承受的最大负荷。(3