《机械臂结构》课件

机械臂结构机械臂是一种多关节机器，模仿人类手臂的功能，用于执行各种任务。课程目标了解机械臂基本结构掌握机械臂各部分的功能和工作原理。学习机械臂的分类区分不同类型机械臂的优缺点和应用场景。掌握机械臂运动学建模学会使用数学工具描述机械臂的运动和位置关系。了解机械臂的控制方法熟悉机械臂控制系统的设计和实现。机械臂的组成机械臂本体包括关节、连杆和执行机构等，用于实现机械臂的运动和操作功能。控制系统负责接收指令、规划运动轨迹、控制关节的运动和执行机构的动作。驱动系统提供机械臂运动所需的动力，通常采用电机、气动或液压装置。传感器用于感知环境信息，例如位置、速度、力、温度等，反馈给控制系统。机械臂的分类直角坐标机器人直角坐标机器人通常被称为线性机器人。其运动是由三个直线轴来实现的。它们非常适用于装配、拾取和放置任务。关节式机器人关节式机器人拥有旋转关节，类似于人类手臂。它们被用于多种任务，例如焊接、喷漆和物料搬运。并联机器人并联机器人具有多个连接到移动平台的运动链。它们以其精度和高负载能力而闻名，通常用于高速拾取和放置应用。直角坐标机器人直角坐标机器人，也称为线性机器人，其运动轴相互垂直，通常有三个线性轴和一个旋转轴。它在工作空间内移动时，沿着三个直线轴进行平移，并在第四个轴上旋转，类似于桌面上的机械臂。直角坐标机器人的结构简单，易于控制，通常应用于线性运动、拾取和放置以及物料搬运等任务。关节式机器人关节式机器人是使用旋转关节连接的多个连杆构成。这种结构类似于人类手臂，并能实现灵活的运动。关节式机器人通常被用于工业自动化领域，例如汽车制造、电子制造、物流等。关节式机器人具有灵活性高、工作空间大、可重复精度高等优点，但其控制难度较大，需要复杂的运动学和动力学模型。并联机器人结构特点动平台与固定平台之间通过多个运动链连接，所有运动链并联工作。应用优势高刚性、高精度、快速响应，适用于高速、高精度操作任务。机械臂的基本结构手臂：负责执行运动，通常由多个连杆和关节组成。末端执行器：负责完成任务，例如抓取、焊接、喷涂等。底座：固定机械臂，提供运动参考点。控制系统：负责控制机械臂的运动和功能。机械臂的自由度定义机械臂的自由度是指其能够独立运动的关节数量，通常用“DOF”表示。每个关节代表一个运动方向或旋转轴，自由度越高，机械臂的运动范围和灵活性就越大。类型机械臂的自由度可以分为旋转自由度和移动自由度。旋转自由度是指绕轴旋转的运动，移动自由度是指沿着直线移动的运动。离线编程技术定义离线编程技术是指在不使用实际机器人情况下，利用计算机软件对机器人进行编程的过程。它允许用户在虚拟环境中创建和测试机器人程序，而无需实际操作机器人。优势离线编程技术可以提高机器人编程效率，降低编程成本，同时还能避免对实际机器人的潜在损害。机械臂的工作空间3维度机械臂工作空间通常用三维空间来表示6自由度工作空间受机械臂自由度和关节运动范围的影响机械臂的运动学建模1运动学方程描述机械臂末端执行器的位置和姿态2关节变量机械臂每个关节的旋转或平移角度3空间坐标系用于描述机械臂的运动和位置运动学建模是机械臂控制的基础，用于分析机械臂的运动规律，并为路径规划和轨迹控制提供理论支持。正运动学分析关节角度输入每个关节的旋转角度或平移距离。运动学模型应用机器人手臂的运动学模型，例如Denavit-Hartenberg（D-H）参数。末端位置计算出机器人手臂末端执行器在空间中的位置和姿态。逆运动学分析1关节角度目标位置和姿态2计算运动学方程3结果每个关节的运动参数逆运动学分析是根据机械臂末端执行器的目标位置和姿态，计算出每个关节的运动参数的过程。它通过求解运动学方程来实现。运动学仿真1模型建立根据机械臂的结构参数和运动方程建立精确的数学模型。2运动模拟利用仿真软件模拟机械臂在不同工况下的运动轨迹，验证运动学性能。3参数优化根据仿真结果调整机械臂的结构参数和控制算法，提升运动效率和精度。4虚拟调试在虚拟环境中进行测试和调试，减少实际操作中的风险和成本。机械臂的动力学建模运动方程描述机械臂运动和力的关系。惯性矩阵反映机械臂各连杆的质量分布。科氏力和向心力由于机械臂运动产生的附加力。摩擦力关节运动中的阻力。外力环境作用于机械臂的力。动力学控制运动规划根据任务要求，规划机械臂的运动轨迹和速度，避免碰撞和关节极限。轨迹跟踪控制机械臂沿着规划的轨迹运动，并确保跟踪精度和稳定性。力/力矩控制控制机械臂末端执行器施加的力或力矩，用于精细操作和交互。机械臂系统的控制位置控制精确控制机械臂末端执行器的位置，实现预定的运动轨迹。速度控制控制机械臂运动速度，以满足不同任务需求。力/力矩控制控制机械臂与环境的交互力，实现精细操作和安全碰撞避免。位置伺服控制精确控制机械臂末端执行器的位置。通过传感器反馈信息实时调整控制信号。设定目标位置，并使机械臂运动至目标位置。力/力矩伺服控制精确控制力/力矩伺服控制可实现机械臂对接触物体的力或力矩进行精确控制，例如在精细操作、装配或打磨任务中。灵活性通过力/力矩传感器，机械臂可以感知环境的力反馈，并根据反馈信息进行实时调整，适应不同的工作场景。安全性力/力矩伺服控制能够防止机械臂对物体或环境造成意外伤害，提高操作安全性。机械臂的传感器技术位置传感器用于获取机械臂关节位置信息，例如角度传感器、线性位移传感器等。速度传感器用于测量机械臂关节的运动速度，例如编码器、速度传感器等。力/力矩传感器用于测量机械臂末端执行器施加的力或力矩，例如应变片传感器、力传感器等。视觉传感器用于提供机械臂周围环境的视觉信息，例如摄像头、深度传感器等。机械臂的连接与安装1基础安装确定安装位置、地面平整度等2机械臂固定使用螺栓、螺母等固定机械臂3连接电气连接电源、控制信号线等4调试测试验证机械臂运行是否正常机械臂的安全防护安全围栏隔离工作区域，防止人员靠近机械臂。警示标识清晰标示危险区域，提醒人员注意安全。紧急停止装置紧急情况下，快速停止机械臂的运行。机械臂的标准与规范国际标准化组织(ISO)ISO制定了广泛的机械臂标准，涵盖安全、性能和测试，例如ISO10218-1和ISO10218-2。国家标准许多国家都制定了针对机械臂的特定安全法规，确保其在工作场所的安全使用。行业标准行业协会，如机器人工业协会(RIA)，制定了针对特定应用的标准和指南，如焊接、喷涂和物料搬运。机械臂的维护与保养定期清洁定期清洁机械臂，去除灰尘和污垢，保持机械臂的清洁卫生。润滑保养定期对机械臂的关节、轴承等部位进行润滑，延长机械臂的使用寿命。检查维护定期检查机械臂的各个部件，及时发现并解决问题，防止故障发生。机械臂的应用案例机械臂的应用领域广泛，涵盖工业生产、医疗保健、物流运输等多个领域。在工业生产中，机械臂用于各种任务，如焊接、喷涂、搬运、组装等，提高生产效率和产品质量。在医疗保健领域，机械臂用于辅助手术、康复治疗、药物递送等，提高医疗效率和精度。机械臂的未来发展趋势1智能化机械臂将更加智能化，拥有更强的学习能力和适应能力。2协作化人机协作将成为主流，机械臂将与人类更紧密地合作。3柔性化机械臂将更加灵活，能够适应更加复杂和多变的任务。4轻量化机械臂将更加轻便，更易于移动和部署。课程总结1机械臂