机器人系统及设计方法

1、第章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统组成2.2 机器人系统设计(shj)方法 习题共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成操作机驱动器控制系统共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成 操作机也称为执行机构、机械本体等，它具有和人手臂相似的功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。 2.1.1 操作机共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机 机器人的操作机就是通过活动关节（转动关节或移动关节）连接在一起的空间开链机构

2、，主要由手部、腕部、臂部和机座构成。 1-手部 2-腕部 3-臂部 4-机座共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部1、手部的作用与分类2、机械夹持式3、吸附式4、专用手5、灵巧手6、换接器共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部1、手部的作用与分类作用：机器人的手部又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂

3、的最前端。 分类：机械夹持式手吸附式手专用手灵巧手共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（1）组成 机械夹持式手由手指（或手爪）、传动机构、驱动机构及连接与支承元件组成，它通过手指的开、合动作实现对物体的夹持操作。 1-手指 2-传动机构 3-驱动机构 4-支承元件 5-工件共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（1）组成 有时，手指的形状与表面形式取决于工件及操作要求。共一百一十六页第2章

4、机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（2）分类按手爪的运动方式分为回转型和平移型。按夹持工件的方式分为外夹式和内撑式。按驱动方式分为电动、液动、气动和弹性力驱动。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构弹性力手 弹性力手的特点是其夹持工件的抓力是由弹性元件提供的，不需要专门的驱动装置，在抓取工件时需要一定的压入力，而在取下时，则需要一定的拉力。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法

5、2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构回转型手 楔块杠杆式 楔块杠杆式回转型手当驱动器推动楔块前进时，通过楔块的斜面与杠杆作用，使手爪产生夹紧动作和夹紧力，当楔块后退时，靠弹簧的拉力使手爪松开。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构回转型手滑槽杠杆式 滑槽杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆向上运动时，圆柱销在两杠杆的滑槽中移动，迫使与支架相铰接的手爪产生夹紧动作和夹紧力，当中心杆向下运动时，手抓松开。 共一百一十六页第

6、2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构回转型手连杆杠杆式 连杆杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆上下运动时，由中心杆、连杆、手爪和支架就构成四杆机构，从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。 注意：当中心杆向下运动，两个连杆处于一条水平线时，手爪已闭合到最小极限位置，当中心杆继续向下运动时，手爪不但不会闭合的更紧，反而会松开。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构回转型手齿轮齿条式 齿轮

7、齿条式回转型手中心杆的端部两侧有齿条，与固定在手爪上的齿轮相啮合，当中心杆上下运动时，在齿轮齿条的啮合作用下就带动两个手爪回转从而产生夹紧和松开动作。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构回转型手自重杠杆式 自重杠杆式回转型手手爪的开合是由铰接活塞油缸实现的。当手爪闭合抓住工件时，由于工件对手爪的作用力方向位于手爪回转轴垂直线的外侧，所以手爪的夹紧是由工件自重产生的，工件越重，夹紧力越大。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组

8、成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构 平移型手 平移型手的特点是两个手爪做相对的往复平移运动，从而实现对工件的夹紧和松开动作，它分为直线式和圆弧式两种。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构 平移型手 齿轮齿条式 齿轮齿条式平移型手两个手爪上都有齿条与过渡齿轮啮合。当拉动一个手爪时，另一个手爪就反向运动，如此反复运动，即可完成手爪的夹紧与松开动作，也可使过渡齿轮正、反旋转来完成手爪的夹紧与松开动作。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(sh

9、j)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构平移型手螺母丝杠式 螺母丝杠式平移型手螺杆分成左右两段，其上螺纹旋向相反，两手爪上有与其配合的螺纹孔（即为螺母）。当螺杆正、反旋转时，两手爪就产生相对平移运动，从而实现加紧和松开动作。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构平移型手凸轮式 凸轮式平移型手在与手爪连接的滑块上有导向槽和凸轮槽。当中心杆上下运动时，通过滚子对凸轮槽的作用使滑块沿导向滚子做相对平移运动，从而实

10、现手爪的夹紧和松开动作。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部2、机械夹持式手（3）典型结构平移型手平行连杆式 平行连杆式平移型手属于圆弧式平移型式手，其原理是采用平行四边形平动机构，使手爪在加紧和松开的过程中保持方向不变，从而实现平行移动，但手爪上任一点的运动轨迹为圆弧摆动。需要注意的是，这种手爪在夹持工件的瞬时，对工件表面有一个切向分力。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（1）分类 吸附式手靠吸附力

11、抓取工件，特别适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃制品）、微小（不易抓取）的工件或物体，与机械夹持式手相比，具有结构简单、重量轻、抓取力分布均匀的优点，适用面较广。 根据吸附力的产生方法不同，将其分为：气吸式磁吸式 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（2）气吸式 气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形成的压力差来工作的，根据压力差形成的原理不同，可分为：挤压排气式气流负压式真空抽气式 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.

12、1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（2）气吸式挤压排气式 挤压排气式吸附式手当抓取工件时，橡胶吸盘压紧工件从而发生变形，挤出腔内多余的空气，当手上升时，靠橡胶吸盘的恢复力是其腔内与外界气压之间形成负压，从而将工件吸住。释放工件时，压下拉杆，使吸盘腔与大气相连通而失去负压。挤压排气式吸附式手结构简单，但吸附力有限，吸附状态不易长期保持。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（2）气吸式气流负压式 气流负压式吸附式手利用流体力学中射流的原理，当需要抓取工件时，高速高压空气流经喷嘴时，其出口处

13、的气压低于吸盘腔内的气压，于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压，由此产生吸力，完成抓取工件的动作，当需要释放工件时，切断高速高压空气即可。气流负压式吸附式手容易取得高速高压空气，故成本低，且吸附可靠，控制简单。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（2）气吸式真空抽气式 真空抽气式吸附式手其真空是由真空泵抽气产生的，真空度较高，所以吸附力最大。当需要抓取工件时，碟形橡胶吸盘与工件表面接触，然后真空泵抽气，吸盘腔内形成真空，产生吸力，从而完成抓取工件动作，当需要释放工件时，管路接通大气，吸盘腔

14、内失去真空即可。真空抽气式吸附式手工作可靠，吸附力大，但需要真空系统，成本较高。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（3）磁吸式 磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料在温度超过723时就会失去磁性），另外，对不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。 根据磁场产生的方法不同，磁吸式手可分为：永磁式电磁式 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1

15、手部3、吸附式手（3）磁吸式永磁式 永磁式磁吸式手是利用永久磁钢的磁吸力来工作的，通过移动隔磁物体来改变改变吸盘内的磁力线回路，从而达到吸住和释放工件的目的（也可用外力强迫取下工件）。它具有不需电源，结构简单，安全可靠等优点，缺点是长时间使用后会出现磁吸力减弱的现象，而且对同样重量的吸盘来讲，其吸力不及电磁式。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（3）磁吸式电磁式 电磁式磁吸式手是用接通和切断电磁线圈中的电流（直流或交流），产生和消除磁吸力的方法来吸住和释放工件的，当衔铁接触铁磁性工件时，工

16、件被磁化形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部3、吸附式手（3）磁吸式电磁式 电磁式吸附式手的各种形状。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部4、专用手 机器人的专用手是指用来完成某一特定操作的、具有特殊功能的末端执行器，其实质就是各种各样的专用工具，例如焊接机器人的焊枪、喷涂机器人的喷枪等。目前常用的机器人专用手有焊枪、喷枪、砂轮、拧螺母机、激光切割机等。 共一百一十六页第2章 机器人

17、系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部5、灵巧手 机器人的灵巧手是为了适应被抓取工件的不规则外形变化，并可使工件表面承受到比较均匀的抓取力。机器人常用的灵巧手有柔性手和多指灵巧手。柔性手共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部5、灵巧手多指灵巧手共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部6、换接器 换接器一般由两部分组成：换接器插座和换接器插头。 它们分别装在机器人的手

18、部和机器人的腕部，能够使机器人快速自动的更换手部。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.1 手部6、换接器 对换接器的要求：同时具备气源、电源和信号的快速联接与切断；能承受手部的工作载荷；在失电、失气的情况下，机器人停止工作时不会自行脱离；具有一定的换接精度等。多工位换接器如下图所示： 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部1、腕部的作用与自由度 2、腕部的典型结构 3、柔顺腕部结构 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及

19、设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部1、腕部的作用与自由度（1）作用：改变或调整机器人手部在空间的姿态 (方向)，并连接机器人的手部和臂部。（2）自由度： 分别为回转（x） 俯仰（y） 偏摆（z） 由三个回转关节组合而成。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部2、腕部的典型结构（1）液压摆动缸共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部2、腕部的典型结构（2）轮系机构2自由度（诱导运动）

20、共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部2、腕部的典型结构（2）轮系机构2自由度（差动式）回转偏摆共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部2、腕部的典型结构（2）轮系机构 3自由度 (正交）共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部2、腕部的典型结构（2）轮系机构 3自由度 (正交）共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器

21、人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部2、腕部的典型结构（2）轮系机构 3自由度 (斜交）共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部3、柔顺腕部结构（1）作用：消除机器人在进行装配作业时的装配误差。（2）装配误差：角度误差 位置误差 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部3、柔顺腕部结构（3）解决办法 主动柔顺 边检测，边修正。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng

22、)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部3、柔顺腕部结构（3）解决办法 被动柔顺 角度误差回转运动 -回转机构 位置误差平移运动 -平移机构共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.2 腕部3、柔顺腕部结构（3）解决办法 被动柔顺典型结构共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.3 臂部1、臂部的作用与关节类型 2、臂部的平移运动机构 3、臂部的回转运动机构 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组

23、成2.1.1 操作机2.1.1.3 臂部1、臂部的作用与关节类型（1）作用：改变机器人手在空间的位置。（2）关节类型：平移关节和回转关节。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.3 臂部2、臂部的平移运动机构 机器人臂部的伸缩、升降和纵（横）向的移动均属于平移运动，其实现的典型机构主要有： （1）活塞油缸、活塞气缸 （2）齿轮齿条机构 （3）丝杠螺母机构 （4）曲柄滑块机构 （5）凸轮机构共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.3 臂部3、

24、臂部的回转运动机构 机器人臂部回转运动常用的典型机构有： （1）油马达、气马达、摆动液压缸 （2）各种轮系机构 （3）齿条齿轮机构 （4）滑块曲柄机构 （5）活塞缸加连杆机构 （机器人臂部的俯仰运动） 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.4 机座1、机座的作用与分类 2、固定式机座 3、移动式机座共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.4 机座1、机座的作用与分类（1）作用：支承着机器人自身重量及作业时的负载。（2）分类：固定式和移动式

25、共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.4 机座2、固定式机座 固定式机座一般直接联接在地面基础上，或与机身固定在一起，它通过活动关节与机器人臂部相连。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机2.1.1.4 机座3、移动式机座 机器人的移动式机座是一个由驱动装置、传动机构和检测元件等组成可以移动的平台。 按其运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。 按其运动实现的方式可分为轮式、履带式和行走式。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2

26、.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机机构简图 机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号来表达机器人的各种运动及结构特征。在国标GB/T12643-90中规定了机器人有关的各种运动功能的图形符号。 机座：手部：关节平移回转共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.1 操作机机构简图直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节坐标式共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器 驱动器是用来驱动机器人操作机工作的动力装置。 常见的驱动器主要有电动驱动器、液压驱动器和气动驱动器。

27、共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器 电动驱动器是利用电能来实现旋转运动的驱动器，常见主要有： 步进电机（stepping motor) 直流（DC）伺服电机 交流（AC）伺服电机 直接驱动（Direct Drive）电机 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器1、步进电机（stepping motor) 步进电机轴按照与脉冲频率成正比的速度旋转。控制电路给电机输入一个脉冲，电机轴仅仅旋转一定的角度，旋转角叫

28、做步距角（step angle)。步进电机的控制较为简单，适用于开环回路驱动器。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器1、步进电机（stepping motor) （1）步进电机驱动方法 定电压驱动方法：施加在绕组上的电压固定，改变脉冲频率，电机转速就改变，改变电流，转矩就改变。 定电流驱动方法：固定绕组电流或让电流按照指令值发生变化。适用于高速运转的场合。 单相励磁和二相励磁：单相励磁这会引起低频电气振动，步距角的偏差很大，因此通常都采用二相励磁运转方式，即始终对A相、B相同时励磁，通过控制励磁极性

29、的组合顺序产生旋转运动。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器1、步进电机（stepping motor) （2）步进电机基本特性 平衡点与制动位置：被励磁的电机在无载荷时停止的位置称为平衡点或稳定点（equilibrium position)，无励磁时停止的位置称为制动位置（detent position)。 定位精度：步距角误差（step position error)：让转子一步步转动从某一个平衡点到达相邻平衡点时，实际转动角度与步距角的位置误差的最大值。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng

30、)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器1、步进电机（stepping motor) （2）步进电机基本特性 静止角度误差（positional accuracy)：从某一个基准点所观察到的所有稳定点与理论稳定点（步距角的整数倍）相比的偏差的最大值。 保持力与停止转矩：给处于励磁状态的电机施加的外力使电机轴转动的最小值就是保持力（也称作最大静止转矩，holding torque) 。在无励磁状态下，仅靠永久磁铁的磁力稳固位置的极限值叫做停止转矩（detent torque)。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统

31、(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器1、步进电机（stepping motor) （2）步进电机基本特性 步进电机加减速运转：步进电机从静止状态一下子用高频脉冲启动比较困难，为了使它能高速运转，可以通过调整脉冲间隔达到加速、等速、减速运转的目的。脉冲变化如图所示。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器2、直流（DC）伺服电机 直流电机最适合工业机器人的试制阶段或竞技用。（1）直流伺服电机的特点 直流伺服电机的转矩T基本与电流i成比例，其比例常数KT叫做转矩常数，即 直流伺服电机的

32、无负载速度 与电压e成比例，比例系数是KE，即共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器2、直流（DC）伺服电机（2）直流伺服电机的运转方式 线性驱动：即给电机施加的电压以模拟量的形式连续变化，是电机理想驱动方式，但在电子线路中易产生大量热损耗。 PWM驱动：也称脉宽调制方法（pulse-width-modulation），特点是在低速时转矩大，速度快时，转矩急速下降。因此，常用于竞技机器人的驱动器。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2

33、.1.2.1 电动驱动器2、直流（DC）伺服电机（3）直流伺服电机的控制方法 直流伺服电机利用速度传感器和位置传感器，采用闭环实现速度和位置的控制。直流伺服电机的速度控制有以下两种基本方式： 电压控制：向电机施加与速度偏差成比例的电压。控制电路简单。 电流控制：向电机供给与速度偏差成比例的电流。 控制具有较好的稳定性。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器3、交流（AC）伺服电机 交流伺服电机常见的有三类：鼠笼式感应型电机、交流整流子型电机和同步电机。 交流伺服电机可以实现精确的速度控制和定位功能。

34、 交流伺服电机还具备直流伺服电机的基本性质，又可以理解为是把电刷和整流子换为半导体元件的装置，所以它也叫做无刷直流伺服电机。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器3、交流（AC）伺服电机（1）交流伺服电机的特点 交流伺服电机转子的位置信息和施加在绕组上的电压或电流的关系至关重要。为了向绕组配电，有两种检测转子位置的方法：一种是用霍尔元件等，把转动一圈分解为三相；另一种是借助于编码器或旋转变压器进一步提高分辨率。前者给电机绕组施加方波电压或电流；后者跟传统的交流电机一样，供给近似于正弦波那样的电流，应用

35、最普遍。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器3、交流（AC）伺服电机（2）交流伺服电机的特征 交流伺服电机的形式：无刷电机的形状变化很多，大体分为内转子型结构和外转子型结构。 内转子型又有细长型电机和扁平型电机之分。外转子型结构电机转动惯量大，由于增大了永久磁铁的体积，适用于小型高转矩电机。 除了商品电机之外，有时电机还与机器人合起来进行一体化设计，此时外转子型比较适用。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动

36、器3、交流（AC）伺服电机（2）交流伺服电机的特征 槽数与磁极级数的选择：小型高转矩电机与增加转子的磁极数目有关。即使转子极数一定，也有几种选择槽数的方法。 磁铁材料与磁化模式：选择平均转矩高的电机，这样虽然会稍微牺牲一些平均转矩，但是却能获得平滑的运转。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器4、直接驱动（Direct Drive：DD）电机 DD电机没有减速器，但要求能提供大输出转矩(推力)，可控性好。 它被广泛地应用于装配SCARA机器人、自动装配机、加工机械、检测机器及印刷机械等中。（1）工作原

37、理与特点 DD电机分为基于电磁铁原理的VR（Variable Reluctance可变磁阻）电机及基于永久磁铁的HB（hybrid）电机。VR电机的磁路具有非线性，控制性能比较差。HB电机转矩大，缺点是转速波动大。在商用机器中，大多使用VR或HB电机。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器4、直接驱动（Direct Drive：DD）电机（2） DD电机的类型 转动型DD电机 直线型DD电机 平面型DD电机 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.

38、2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器4、直接驱动（Direct Drive：DD）电机（2） DD电机的类型 转动型DD电机分为：HB型转动DD电机和VR型转动DD电机。 转动型DD电机能够在精确定位的自动机械中代替减速器加伺服电机的传动系统。以卡耐基梅隆大学为首，世界上已经开发出多种关节型的DD机器人，不过目前除了用其进行高速搬运作业外，它尚未达到普及的程度。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器4、直接驱动（Direct Drive：DD）电机（2） DD电机的类型 直线型DD电机是把转动型DD电

39、机展开成直线的结构，传感器为玻璃刻度尺。 直线型DD电机的精度高，重复性好，速度快，用它代替滚珠丝杠传动的机器人运动单元的事例日益增多。最近，装备直线型DD电机的机床数量急速增加。这种机床的最大特点是速度快，使生产效率得到大幅度提高。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器4、直接驱动（Direct Drive：DD）电机（2） DD电机的类型 平面型DD电机是人们将两个直线型DD电机以直角形式组合起来，并且用三轴位置传感器组成全闭环控制的超高精度平面DD电机。 平面型DD电机能在500mm500mm

40、的平面内达到0.1um分辨率和1um精度，性能非常好。由于它的摩擦力非常小，可以在15ms的调整时间内达到土1um的定位精度，因此其在高精度的检测装置中得到应用。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器比较步进电机DC电机AC电机直接驱动电机基本性质转速与脉冲信号同步，与脉冲频率成正比转矩与电流成比例，无负载转速与电压成比例相似于电机可控性依磁路产生方式差异而不同精度高，尚未普及驱动方式驱动控制电路加电可动，可控要相应控制电路用逆变器将直流驱动变为交流驱动要位置传感器与控制电路配合共一百一十六页第2章

41、 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器比较步进电机DC电机AC电机直接驱动电机逆转方法颠倒励磁顺序调换两个端子极性调整位置信号与逆变元件开关顺序位置控制由脉冲序列最后脉冲的位置决定用位置传感器反馈控制用位置传感器反馈控制用位置传感器反馈控制共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器比较步进电机DC电机AC电机直接驱动电机速度控制转速与脉冲频率成正比反馈控制反馈控制反馈控制转矩控制使电流保持一定转矩与电流成正比转矩与电流成正比由磁阻产生

42、电机转矩控制磁路控制转矩共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.1 电动驱动器比较步进电机DC电机AC电机直接驱动电机可靠性与寿命步进电机具有良好的可靠性。DC伺服电机在长时间使用条件下可靠性将下降。AC伺服电机具有良好的可靠性。效率比电机低，越是小型效率越低有效利用反电动势，效率高，尤其在高速区域差相似于电机高共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.2 液压驱动器 液压伺服系统主要由液压源、驱动器、伺服阀、传感器、控制器等构成。液压传动的特

43、点是转矩与惯性比大，也就是单位重量的输出功率高。控制器伺服放大器位置传感器+共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.2 液压驱动器 电动驱动器与液压驱动器的比较如表所示：电动驱动器液压驱动器优点 维护简单、控制手段先进、速度反馈容易 液压系统具有高刚性、力保持性可靠、小型轻质、转矩惯性比大缺点重量大、不直接产生直线运动、需要减速器，不具有力保持性液压系统易漏油，故必须配置液压源，阀等液压元件的非线性、压缩性共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1

44、.2.3 气动驱动器（1）气动系统的基本组成 典型的气压驱动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。气压发生装置控制元件执行元件辅助元件共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.3 气动驱动器（2）气动驱动器的特点优点： 能量储蓄简单易行，可以获得短时间的高速动作。 可以进行细微的力控制。 夹紧时无能量消耗，不发热。 柔软，安全性高。 体积小、重量轻，输出质量比高。 处理简便，低成本。缺点： 不易实现高精度、快速响应的位置和速度控制，控 制性能易受摩擦和载荷的影响。 共一百一十六页第2章 机器人系

45、统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.2 驱动器2.1.2.3 气动驱动器（3）气动驱动器的应用 气动驱动器是一种简易的驱动元件，主要用于既要求定位，又要对作用力实施控制，或者在半导体装置等的特殊应用场合。 在引入伺服技术后，气压驱动系统的性能变得更好，功能更强，扩大了其应用范围。目前，面向康复、护理、助力工具等与人类共存、协作型的机器人已崭露头角。如何构建柔软机构，积极地发挥气压柔软性的特点是今后气压驱动器应用的一个重要方向。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统 控制系统是控制机器人按要求动作的

46、装置，控制系统的作用是根据用户的指令对机器人操作机进行操作和控制，完成作业的各种动作。现在的机器人都采用计算机控制。 共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统 机器人的控制系统主要是由硬件系统、控制软件、输入/输出设备、传感器等构成。硬件包括控制器、执行器、伺服驱动器。软件包括各种控制算法。传感器操作机驱动器计算机软硬件指令I/O设备共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.1 传感器 传感器的主要作用就是给机器人输入必要的信息。根据输人信息源是位于机

47、器人的内部还是外部，传感器可以分为两大类：一类是为了感知机器人内部的状况或状态的内部测量传感器（简称内传感器）。它是在机器人本身的控制中不可缺少的部分，虽然与作业任务无关，却在机器人制作时将其作为本体一个组成部分，并进行组装；另一类是为了感知外部环境的状况或状态的外部测量传感器（简称外传感器）。它是机器人适应外部环境所必需的传感器，按照机器人作业的内容分别将其安装在机器人的头部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.1 传感器 传感器的划分：传感器位置检测传感器运动检测传感器内部传

48、感器外部传感器速度、加速度角速度、角加速度姿态视觉传感器触觉传感器力觉传感器距离传感器听觉传感器味觉传感器嗅觉传感器温度传感器湿度传感器平面立体特定位置或角度任意位置或角度共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.1 传感器 内传感器的划分：检测内容传感器的方式和种类角度旋转编码器角速度内置微分电路的编码器角加速度压电式、振动式、光相位差式位置电位计、直线编码器速度陀螺仪加速度应变仪式、伺服式倾斜度静电容式、导电式、铅垂振子式、浮动磁铁式、滚动球式方位陀螺仪式、地磁铁式、浮动磁铁式共一百一十六页第2章 机器人系统(x

49、tng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.1 传感器 外传感器的划分：检测内容传感器的方式和种类视觉传感器单目、双目、主动、被动、实时视觉触觉传感器位移、压力、速度力觉传感器单轴、三轴、六轴力力矩(转矩)传感器接近觉传感器接触式、电容式、电磁式、STM、AFM、流体、超声波、光学测距距离传感器超产波、激光和红外传感器听觉传感器语音、声音传感器嗅觉传感器气体识别传感器温度传感器电阻、热敏电阻、红外、IC温度传感器共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.2 最基本的控制方法（1）

50、关节的运动控制及转矩（力）控制 这种控制是分别对各个关节的运动（位置及速度）通过安装在各个关节的驱动电机进行PID控制来实现。实现时需要根据运动学理论将整个机器人的运动分解为各个自由度的运动来进行控制。 这种控制系统常由上、下位机构成。上位机做运动规划，将要执行的运动转化为各个关节的运动，按控制周期传给下位机。下位机进行运动的插补运算及对关节进行伺服，所以常用多轴运动控制器作为机器人的关节控制器。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.2 最基本的控制方法（2）轨迹控制 如果要求机器人沿着一定的目标轨迹运动则是轨迹控

51、制。对于工业生产线上的机械臂，轨迹控制常用示教再现方式。示教再现分两种：点位控制（），用于点焊、更换刀具等情况；连续路径控制（），用于弧焊、喷漆等作业。如果机器人本身能够主动地决定运动，那么可经常使用路径规划加在线路径跟踪方式进行控制。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.2 最基本的控制方法（3）利用传感器反馈的运动调整 借助于力传感器反馈力信息，机器人在与环境之间可能出现臂和手受到环境约束而发生过大的力而造成损坏的状态下，机器人就可以适应环境，修改预先规划的轨迹，并调整运动，最终让整个机器人的行动符合任务的需

52、求。 机器人靠腿、脚进行移动时，若地面的平整度有尺寸误差，机器人则可能失去平衡。在这种情况下，也需要通过将着地点的力加以反馈，以调整运动，实现适应地面的平稳步行。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.3 现代控制方法（1）自适应控制 当机器人的动力学模型存在非线性和不确定因素，含未知的系统因素（如摩擦力）和非线性动态特性（重力、哥氏力、向心力的非线性），以及机器人在工作过程中环境和工作对象的性质和特征的变化时，机器人在运行过程中不断测量受控对象的特征，根据测量的信息使控制系统按新的特性实现闭环最优控制，称为自适应

53、控制（adaptive control ）。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.3 现代控制方法（1）自适应控制 自适应控制分为模型参考自适应控制（model reference adaptive control）和校正自适应控制（self turning adaptive control）。 模型参考自适应控制系统结构输入r(t)可调节控制器参考模型自适应算法机器人动力学输出x(t)uy(t)输入r(t)可调节控制器控制器参数修正系统辨识机器人动力学输出x(t)自校正自适应控制系统结构共一百一十六页第2章 机器

54、人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.3 现代控制方法（2）智能控制技术 智能机器人系统具有以下特征： 模型的不确定性; 系统的高度非线性; 控制任务复杂性。 学习控制是人工智能技术应用到机器人领域的一种智能控制方法。已提出多种机器人控制方法，如模糊控制、神经网络控制、基于感知器的学习控制、基于小脑模型的学习控制等。 共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.1 机器人系统(xtng)组成2.1.3 控制系统2.1.3.4 其他控制 除了上述控制方法之外，人们也正在模仿生物体的控制机理，研究仿生型的而非模型的控制法，目前基

55、于神经振子所生成和引入的节奏模式已经实现了稳定的四足机器人、双足机器人的步行控制，基于行为的控制方法已和集中式控制方法相结合，应用到足球机器人的控制系统中。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.2 机器人系统(xtng)的设计方法2.2.1 机器人系统设计的基本原则 机器人系统是一个典型的完整机电一体化系统，是一个包括机械结构、控制系统、传感器等的整体。对于机器人这样一个结合了机械、电子、控制的系统，在设计时首先要考虑的是机器人的整体性、整体功能和整体参数，然后再对局部细节进行设计。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.2 机器人系统(xtng)的设计方法

56、2.2.1 机器人系统设计的基本原则 机器人设计的整体性原则： （1）机器人系统任何一个部件或者子模块的设计都会对机器人的整体功能和性能产生重要的影响。 （2）机器人的工作环境对机器人的整体设计也有较大影响。如果机器人用在宇宙空间的环境里，那么无论是机械结构设计还是控制系统都要考虑温度的变化、重力的影响或者电磁干扰强度等；若机器人工作在颠簸的环境，那么机械结构及控制系统的整体抗振则是设计时要注意的；若机器人用于医疗领域，则对机器人的噪声污染有着严格的要求。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.2 机器人系统(xtng)的设计方法2.2.1 机器人系统设计的基本原则 控制系统设

57、计优先于机械结构设计（理论设计优先于实际设计）原则： 设计机器人之初，首先考虑的是机器人要实现的功能，然后根据功能要求来设计机器人的性能参数。控制系统的设计更多的是对现有资源的整合和集成，总体方案设计完成之后，先确定控制系统的基本方案，在进行理论推导及实验仿真等验证是否满足设计要求后，根据控制硬件的尺寸才能进行机械结构设计。 这一设计原则的缺点是机械设计部分放在最后，机械加工周期影响了机器人的总体研制进度，总体设计周期比较长。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.2 机器人系统(xtng)的设计方法2.2.2 机器人系统设计的阶段 机器人系统的设计一般可以分成以下三个阶段：（

58、1）总体方案设计 首先明确机器人的设计目的，根据设计目的确定机器人的功能要求。 然后由功能要求设计者就可以明确机器人的设计参数。设计参数对机器人而言是表征设计方案的关键物理参数，其可以表示为机器人的各个子模块组件。将设计参数以集合的方式表示则可以表述为总体的设计方案。 最后是进行方案比较，在初步提出的若干方案中通过对工艺生产、技术和价值分析之后选择最佳方案。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.2 机器人系统的设计(shj)方法2.2.2 机器人系统设计的阶段 机器人系统的设计一般可以分成以下三个阶段：（2）详细设计 在总体方案确定之后，根据控制系统设计优先于机械结构设计原则

59、，首先要做的就是根据总体的功能要求选择合适的控制方案。 从控制器所能配置的资源来说，有两种控制方式：集中式和分布式。集中式是将所有的资源都集中在一个控制器上，而分布式则是让不同的控制器负责机器人不同的功能。共一百一十六页第2章 机器人系统及设计(shj)方法2.2 机器人系统的设计(shj)方法2.2.2 机器人系统设计的阶段 机器人系统的设计一般可以分成以下三个阶段：（2）详细设计 在控制方案确定之后，根据选定的控制器方案选择驱动方式。 机器人的驱动方式主要有液压、气动和电动这三种，设计者可以根据机器人的负载要求来进行选择。 电动驱动方式还可分为伺服电机、步进电机和普通电机等。根据机器人上的

60、电源类型选择交流电机或者直流电机。在确定电机之后，可以选择相应厂家提供的配套驱动器，也可以选择通用驱动器。正确选择驱动器能够给电机提供足够大的电流和对电机进行保护。共一百一十六页第2章 机器人系统(xtng)及设计方法2.2 机器人系统(xtng)的设计方法2.2.2 机器人系统设计的阶段 机器人系统的设计一般可以分成以下三个阶段：（2）详细设计 控制系统的设计以及驱动方式确定以后就可以开始机械部分的设计。 机器人的机械设计一般包括末端执行器、臂部、腕部、机座和行走机构等的设计，在设计过程中可以采用模块化设计，这样做不但可以使整个机器人的设计采用并行设计，大大缩短设计和加工时间，而且即使机器人