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文档简介
机电工程学院第二章机器人机构学14/33逻辑功能组成执行系统驱动系统控制系统人-机接口传感系统环境四个子系统和一个界面本章只考虑机械系统(执行和驱动子系统)组成部分:机座-(腰关节)-腰部-(肩关节)-大臂-(肘关节)-小臂-
(腕关节)-腕部-(腕关节)-末端执行器机电工程学院机械结构第二章机器人机构学驱动方式
各运动部件(移动机构、关节和执行器等)的动力来源和方式,使各种机械部件产生运动的装置。电机驱动(电动)直流伺服电机:交流伺服电机力矩电机步进电机机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的驱动方式电机驱动(电动)
普通交直流电机和伺服电机驱动需要减速装置(减速增力)。普通交直流电机输出力矩大,但控制性能差,惯性大,适用于中型或重型低精度机器人。伺服电机输出力矩相对小,控制性能好,一般用于闭环控制系统,可实现速度和位置的精确控制,常用于中小型机器人。步进电机则主要用于开环控制系统,一般用于速度和位置精度要求不高的场合。功率在1kw以下的机器人多采用电机驱动。电动机使用简单,且随着材料性能的提高,驱动性能也逐渐提高。所以目前机器人关节驱动绝大部分为电机驱动。机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的驱动方式液压驱动(液动)组成:液压泵马达+液压缸+液压阀+油管(传递介质一般是油)液压驱动有以下几个优点:液压容易达到较高的单位面积压力(常用油压为25~63kg/cm2),体积较小,可以获得较大的推力或转矩;响应性能好,液压系统介质的可压缩性小,工作平稳可靠,并可得到较高的位置精度;液压传动中,力、速度和方向比较容易实现自动控制;采用油液作介质,具有防锈性和自润滑性能,可以提高机械效率,使用寿命长。
液压驱动的输出力和功率较大,能构成伺服机构,故常用于大型机器人关节的驱动。机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的驱动方式液压驱动(液动)液压驱动的不足之处包括:油液的粘度随温度而变化,影响工作性能,高温容易引起燃烧爆炸等危险;液体的泄漏难于克服,要求液压元件有较高的精度和质量,故造价较高;液压驱动有一定的噪音,加上泄漏,造成环境污染;需要相应的供油系统,尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置,否则会引起故障;机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的驱动方式气压驱动(气动)组成:气泵+气缸+气阀+气管(传递介质为空气)气压驱动的特点:压缩空气粘度小,容易达到高速(1m/s);利用工厂集中的空气压缩机站供气时不需要添加动力设备;空气介质对环境无污染,使用安全,可直接应用于高温作业;气动元件工作压力低,故制造要求也比液压元件低。气动多用于开关控制、末端执行器驱动和顺序控制的机器人中。
机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的驱动方式气压驱动(气动)其不足之处在于:压缩空气常用压力为4~6kg/cm2,较大的出力要求结构相对增大;空气压缩性大,工作平稳性差,速度控制和准确的位置控制很困难;压缩空气的除水是一个很重要的问题,处理不当会使钢类零件生绣,导致机器人失灵;排气还会造成噪声污染。机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的驱动方式:比较驱动方式输出力控制性能维修使用结构体积使用范围制造成本液压驱动压力高,可获得大的输出力油液不可压缩,压力、流量均容易控制,可无级调速,反应灵敏,可实现连续轨迹控制维修方便,液体对温度变化敏感,油液泄漏易着火。在输出力相同的情况下,体积比气压驱动方式小中小型及重型机器人液压元件成本较高,油路比较复杂气压驱动气压压力低,输出力较小,如需要输出力大时,其结构尺寸过大可高速,冲击较严重,定位精度低。气体压缩性大,阻尼效果差,低速不易控制,不易与CPU连接维修简单,能在高温、粉尘等恶劣环境中使用,泄漏无影响。体积较大中小型机器人结构简单,能源方便,成本低电机驱动异步电机直流电机输出力较大控制性能较差,惯性大,不易精确定位维修使用方便需要减速装置,体积较大速度低,持重大的机器人成本低步进电机伺服电机输出力较小或较大容易与CPU连接,控制性能好,响应快,可精确定位,但控制系统复杂维修使用较复杂体积效小程序复杂、运动轨迹要求严格的机器人成本较高机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的传动方式直线移动应用场合:直角坐标结构的X、Y、Z轴运动圆柱坐标结构的径向运动球坐标结构的径向伸缩运动SCARA机器人末端关节的升降输出运动有两种:直线移动、旋转运动实现方式:直接由气缸或液压缸和活塞产生也可以采用齿轮齿条、丝杠或螺母等传动方式把旋转运动进行转换直线电机直接输出机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的传动方式旋转运动除直线电机外,所有的电机都直接产生旋转运动。但其输出力矩往往比所需要的力矩小,额定转速所需要的转速高。因此,需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速,并获得较大的力矩(减速增力)。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源,这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率地完成,并且不能有损于机器人系统所需要的特性,特别是定位精度、重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮传动、链传动、同步齿形带传动和谐波减速器等传动方式。机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的传动方式:比较传动方式简图特点运动形式传动距离应用部位丝杆螺母传动比大,摩擦大,磨损大转移远臂、腕、手爪滚珠丝杆传动比大,精度高,可靠性高,价格高转移远臂、腕、手爪齿轮齿条精度高,可靠性高,价格低转移远臂、手爪液压气缸输出力大、响应快,有噪音、易泄漏移移远臂、腕、手爪机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的传动方式:比较传动方式简图特点运动形式传动距离应用部位四杆机构传动可靠,结构简单但不紧凑转转转移远臂、手爪曲柄滑块机构传动效率和平稳性不高,结构不紧凑转移远臂、手爪钢丝绳传动结构简单,远程传动好,有摩擦非线性,难精确转转转移很远臂、腕爪、多指手、医疗链传动结构简单,远程传动好,平稳性不佳,难精确转转很远腕、移动关节机电工程学院第二章机器人机构学14/33机器人的传动方式:比较传动方式简图特点运动形式传动距离应用部位同步齿形带传动传动可靠,结构简单轻巧转转转移很远臂、碗齿轮传动传动可靠,平稳性好,但间隙难消转移近臂、碗手爪蜗轮蜗杆传动传动比大,可改变传动方向,摩擦磨损大转转近臂、腕手爪、谐波传动传动比很大,效率高,结构紧凑,但价格高转转近毕、腕类型DoF刚性关节柔性关节符号移动(滑动)1转动(旋转)1螺旋1圆柱2虎克铰2球面关节3机电工程学院机器人的关节形式第二章机器人机构学直角坐标
直角坐标~
圆柱坐标~串联~
球面坐标~SCARA~
关节坐标~并联~圆柱坐标机电工程学院机器人的构型(工业机器人)第二章机器人机构学球面坐标机电工程学院机器人的构型(工业机器人)第二章机器人机构学关节坐标Stewart机构SCARA机电工程学院机器人的构型(工业机器人)第二章机器人机构学并联机器人Delta机构构型固定→可重构(人工重构、自重构)机电工程学院机器人的构型(模块化)第二章机器人机构学由有限的几种模块构建多种机器人系统机电工程学院机器人的构型(模块化)第二章机器人机构学机电工程学院主要技术参数第二章机器人机构学自由度对串联机器人而言,DOF=关节的数目(不计末端执行器部分,若有闭链,需去掉闭链部分)
对并联机器人而言,DOF=动平台的自由度,需计算一般,DOF=2~6冗余度机器人,DOF≥7,平面冗余DOF≥4一般机器人,DOF=5~6,SCARADOF=4机电工程学院主要技术参数第二章机器人机构学工作空间机器人运动时末端参考点(通常为腕点,或机械接口中心/工具中心点)所能达到的所有空间区域,又称可达空间或工作范围。
工作空间的大小取决于机器人的总体构型、各连杆的长度、各关节的运动范围等因素。负载(承载能力)通常指机器人在正常运行速度下所能承载工件的重量,体现机器人承载重物的能力。负载大小取决于机器人的连杆的尺寸大小和驱动器的容量等因素,与机器人运行速度有关。
作用在驱动系统上的载荷与机器人的结构、乘载时间和有惯性引起的动载有关。机电工程学院主要技术参数第二章机器人机构学速度一般指机器人在空载情况下末端能达到的最大线速度(m/s),相关的是单个关节能达到的最大角速度(rad/s)。速度越大意味着生产效率越高。在某些作业中,工艺过程(例如焊接、喷涂、抛光、打磨)而非机器人本身限制速度的提高精度定位精度:在空载情况下末端实际达到的位置与要求到达的理想位置之间的差距,是一个位置量相对于其参考坐标系的绝对度量(±mm)。重复(定位)精度:在相同的运动指令下,机器人连续重复运动到测量点若干次
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