第四章-工业机器人课件

第四章工业机器人设计第一节概述第二节工业机器人运动功能设计第三节工业机器人传动系统设计第四节工业机器人的机械机构系统设计第五节工业机器人的设计第六节工业机器人在机械制造系统中的应用4.1概述一、工业机器人的定义及工作原理二、工业机器人的构成及分类三、工业机器人的主要特性表示方法四、工业机器人的基本设计方法(一)机器人的定义机器人是二十世纪出现的新名词，可以广义地把机器人理解为模仿人的机器。随着机器人的发展，其模仿人的能力逐步在提高。工业机器人是用于生产的机器人。本世纪20年代出现了一种附属在自动机、自动线上，代替人传递和装卸工件的机械手。40年代出现了由作业者直接控制的半自动化操作机，60年代出现了可以自动控制的实现多种操作的工业机器人。工业机器人发展非常迅速，模仿人的能力越来越强，已经开始出现具有学习和推理能力的智能机器人。4.1.1工业机器人及工作原理(二)工业机器人的基本工作原理基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。1)二者的末端执行器都有位姿变化要求，如机床在加工过程中，刀具相对工件有位姿变化要求，机器人的手部在作业过程中相对机座也有位姿变化要求；2)二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。3)机床以按直角坐标形式运动为主，而机器人以按关节形式运动为主；4)机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低。4.1.2工业机器人的构成(1)操作机操作机是机器人的机械本体，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部分组成，用来控制驱动单元，检测其运动参数并进行反馈。2．工业机器人的组成一般由执行机构、控制系统、驱动系统三部分组成：⑴执行机构

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。①末端执行器末端执行器（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。夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。②手腕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。③手臂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。④机座机座是工业机器人的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式。⑵控制系统

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计算机控制，这类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、将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基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；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。⑶驱动系统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。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态。2.按用途分类工业机器人按用途和作业类别划分：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。冲压机器人、浇注机器人、搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切削加工机器人、检测机器人、采掘机器人、水下机器人等。其它还有按控制方式、机器人的功能水平等分类方式。4.按驱动方式分①电力驱动电力驱动是目前采用最多的一种。早期多采用步进电动机驱动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了迅速发展。这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速器装置减速后驱动机构，结构简单紧凑。②液压驱动液压驱动的机器人具有很大的抓取能力，可抓取质量上百公斤的物体，油压可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需要配备一套液压系统。③气动驱动气压驱动的机器人结构简单，动作迅速、价格低廉，由于空气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7MPa，因此抓取力小，只能抓取重量为几公斤到几十公斤的物体。4.1.4工业机器人的特性表示方法(一)坐标系坐标系按右手定则确定，如图所示。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(一)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(或大部分关节轴线)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工业机器人的分类(二)机械结构类型机器人的机械结构类型特征，用它的结构坐标形式和自由度数表示。关于结构坐标形式已在机器人分类中作了叙述。自由度是表示工业机器人动作灵活程度的参数，以直线运动和回转运动的独立运动数表示。机器人的自由度数相当于机床的轴数，都表示运动的个数。例如具有三个自由度的机器人称为三自由度机器人，从运动功能上看，也可以把它称为三坐标机器人，或三轴机器人。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但结构和控制越复杂。机器人的自由度数与原动件数目相等。4.1.4工业机器人的特性表示方法(三)工作空间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4—6)。(四)其它特性包括用途、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。(二)设计内容与步骤1．总体设计——(1)基本技术参数设计：1)用途，如搬运、点焊等等。2)额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口处所能承受负载的允许值。包括机器人末端执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力(矩)，外界的作用力(矩)来确定。3)按作业要求确定工作空间，要考虑作业对象对机器人末端执行器的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。4)额定速度。指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。5)驱动方式的选择。6)性能指标。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，因此各部分尺寸会有一些变化，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工业机器人运动功能设计一、工业机器人的位姿描述二、工业机器人运动方程三、工业机器人的运动功能设计四、工业机器人的工作空间解释五、工业机器人的轨迹解析（二）运动功能姿态描述法坐标变换：坐标系采用右手系坐标运动矩阵：机器人各个关节的运动都是坐标运动，坐标运动可以用齐次坐标变换矩阵表示。机器人末端执行器与机座之间的相对运动可以用运动矩阵来表示。三自由度机器人4.2.2工业机器人的运动方程机器人的位姿可以用运动功能矩阵[To,m]来描述，它可以展开为：[To,m]=[To,1][T1,2]…[Ti-1,i]…[Tn-1,n][Tn,Tm]此式是一个矩阵表达的方程式，也称机器人的位姿运动方程。若机器人各个关节运动量为已知，则可以根据上式求出末端执行器在基座坐标系中的位置和姿态。4.2.3工业机器人的运动功能设计机器人运动功能设计可采用分析式设计方法和创成式设计方法。（一）分析式设计方法步骤如下：（1）根据作业运动功能的要求，确定机器人末端执行器应达到的位置和姿态，即建立作业功能位姿矩阵；（2）对作业动作功能进行分析，写出运动功能矩阵；（3）给出各关节运动量，求出机器人的实际工作空间及姿态，也可用作图法求解；（4）校核所求出的实际工作空间及姿态是否满足步骤（1）的设计要求。4.2.4工业机器人的工作空间解析机器人的运动功能及相关尺寸参数确定后，给出各关节的运动范围可以通过解位姿运动方程式，求出机器人的实际工作空间，同时检验其姿态是否满足设计要求。由各关节的运动量求机器人的位置和姿态，称为机器人的正运动学解析。机器人的工作空间，还可以用作图法（下页）进行解析。作图法4.2.5工业机器人的轨迹解析当作业动作功能所要求机器人末端执行器的运动轨迹已知，即作业功能位置矩阵已知，则运动矩阵就确定了。各关节运动量的计算是机器人控制程序设计必需的。4.3工业机器人传动系统设计

一、工业机器人的速度和加速度分析二、工业机器人的静力分析三、工业机器人的动力分析四、工业机器人的传动系统设计五、驱动方式选择4.3.1工业机器人的速度和加速度分析（一）构件的速度和加速度分析机器人操作机是由若干构件通过其间的关节联接而成的。末端执行器上的参考点P相对于机座坐标系的的速度，可通过相应位置变量对时间的微分而得到。（二）角速度和角加速度分析在末端执行器上所夹持的工件角速度是所有回转关节的角速度的矢量和。4.3.2工业机器人的静力分析机器人进行作业时，其末端执行器上将作用有工作阻力（力矩），而机器人中的各驱动器则对各运动关节施加驱动力矩，驱使操作机运动。进行机器人操作机设计时，往往首先进行初步的静力分析，为操作机的方案和结构设计提供依据。作用在操作机上的静力，是由末端执行器开始自上编号杆件向下编号杆件递推的。4.3.3工业机器人的动力分析与运动学位姿问题类似，动力学分析也可分正问题和逆问题。正问题用于机器人的运动分析和仿真研究。逆问题是控制其设计的基本依据。到目前为止，还没有一种算法在计算速度上能达到实时控制的要求，因而这个领域的研究工作十分活跃。4.3.4工业机器人的传动系统设计机器人操作机是由若干个构件和关节组成的多自由度空间机构，其运动都是由驱动器经各种机械传动装置减速后驱动负载。机器人中常用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动等。4.3.4工业机器人的传动系统设计（一）谐波齿轮减速装置（1）工作原理工作原理通常波发生器为主动件，柔轮和刚轮为从动件，另一个为固定件。柔轮产生的弹性变形成为椭圆，使两个长端的齿与刚轮的齿啮合，短轴上的齿脱开，啮入与啮出实现传动。带杯形柔轮和椭圆盘波发生器的谐波齿轮减速器（2）传动比计算1）波发生器主动，刚轮固定，柔轮从动时：2）波发生器主动，刚轮固定，柔轮从动时：（3）谐波减速器在机器人中的应用带环形柔轮的谐波减速传动带杯形柔轮的谐波传动（二）钢带传动装置结构简单、传动效率高，是无间隙传动，传动精度高。4.3.5驱动方式选择工业机器人的驱动系统是带动操作机各运动副的动力源。常用的驱动方式：电动机驱动、液压、气动（一）电动机驱动方式应用类型大致分为普通交、直流电动机驱动、流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动、步进电动机驱动等。优点：不需能量转换、控制灵活、使用方便、噪声较低、起动力矩大等。T=BILr换向器电刷直流电机驱动直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。交流电机驱动（ACmotor）1.工作原理ACservomotor止口（二）液压驱动方式目前，简易经济型、重型机器人和喷漆机器人考虑液压驱动方式，轻负荷的搬运，上、下料点操作的工业机器人考虑气压驱动方式。液压缸液压马达气动驱动气动执行装置的种类：气缸、气动马达。

同步齿型带（带齿的皮带）、V型带（三角皮带）、平型带、链、绳索（钢丝绳）、连杆等机构都是长距离传递运动的机构。四连杆机构刚度好、精度高，机械手等系统上经常使用。同步齿型带4.4工业机器人的机械结构系统设计

一、工业机器人的手臂和机座二、工业机器人的手腕三、工业机器人的末端执行器4.4.1工业机器人的手臂和机座工业机器人机械结构系统由机座、手臂、手腕、末端执行器和移动装置组成。工业机器人的手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支承和调整手腕和末端执行器的位置。（一）设计要求(1)手臂结构设计要求手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求；合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，减轻自重；减小驱动装置的负荷，提高手臂运动的响应速度提高运动的精确性和运动刚度。4.4.1工业机器人的手臂和机座（一）设计要求(2)机座结构设计要求要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性；机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力；机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。

4.4.1工业机器人的手臂和机座（二）典型结构电动机驱动机械传动圆柱坐标型机器人手臂和机座结构。PUMA机器人手臂的结构带谐波减速器的机器人手臂关节结构4.4.2工业机器人的手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态坐标，即实现三个旋转自由度。（一）设计要求力求手腕部件的结构紧凑，为减轻其质量和体积；自由度愈多，运动范围愈大，动作灵活性愈高，机器人对作业的适应能力愈强；提高传动刚度，尽量减少反转误差；对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。4.4.2工业机器人的手腕1.滑槽杠杆式手部4.4.2工业机器人的手腕2.齿轮齿条式手部3.滑块杠杆式手部4.斜楔杠杆式5.移动型连杆式手部6.齿轮齿条式手部7.内涨斜块式手部8.连杆杠杆式手部手指类型：（二）手腕的结构用摆动液压缸驱动实现回转运动的手腕结构

4.4.3工业机器人的末端执行器（一）分类和设计要求根据用途和结构的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。设计末端执行器时，要求：满足作业需要的足够的夹持力和所需的夹持位置精度；尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，质量轻，以减轻手臂的负荷。4.4.3工业机器人的末端执行器（二）机械式夹持器的结构与设计工业机器人中应用的机械夹持器多为双指手爪式。按运动方式可分为平移型和回转型。回转型手爪又分为单支点回转型和双支点回转型。按夹持方式可分为外夹式和内撑式。按驱动方式可以有电动、液压和气动。滑槽杠杆式回转型夹持器（三）吸附式末端执行器的结构与设计吸附式末端执行器（又称吸盘），有气吸式和磁吸式两种。它们分别是利用吸盘内负压产生的吸力或磁力来吸住并移动工作的。（1）气吸式吸盘挤压排气式吸盘电流负压式吸盘真空泵排气式吸盘双吸头吸盘多吸头吸盘吸取瓦楞板双吸头吸盘双吸头架式吸盘多吸头板式吸盘（2）磁吸式吸盘分为电磁吸盘和永磁吸盘滚动轴承座圈钢板齿轮多孔钢板其它手部:4.5工业机器人的控制一、工业机器人控制系统的构成二、工业机器人的位置伺服控制三、工业机器人其它控制方式四、机器人智能技术4.5.1工业机器人控制系统的构成位置控制是机器人最基本的控制任务。工业机器人控制系统的构成形式取决于机器人所要执行的任务及描述任务的层次。第一控制层次为人工智能级；第二控制层为控制模式级。动力学方面的困难在于：因为模型参数的误差，建立精确的动力学模型实际上是不可能的；即使能够考虑这些误差，模型将包含数以千计的参数，实时计算不可能；控制对模型变换的响应。4.5.2工业机器人的位置伺服控制伺服系统的构成方法大体分为关节伺服和坐标伺服。（一）关节伺服控制关节伺服系统把每一个关节作为单纯的单输入单输出系统来处理，所以结构简单，现在工业机器人大部分由这种关节伺服系统来控制。（二）作业坐标伺服控制对软件伺服来说，取样时间较短，所以是工业机器人经常采用的方法。对系统增益进行调节比较简单。模型参考自适应控制系统4.5.3工业机器人其它控制方式（一）工业机器人的自适应控制（1）模型参考自适应控制（2）自校正适应控制

自校正适应控制系统4.5.3工业机器人其它控制方式（二）工业机器人的力控制刚性