机器人的基础知识

工业机器人应用技术模块二机器人的基础知识机器人的基本属于与图形符号1机器人的主要技术参数2机器人的举例分析3机器人的工作原理与应用技术4本模块主要介绍机器人的基础知识，包括机器人的基本术语与各类图形符号，机器人的主要技术参数等，并介绍了几种实际产品的技术规格和机构简图。单元提要学习完本模块的内容后，学生应熟练掌握机器人的基本术语和各类图形符号的含义；能够读懂并解释机器人技术规格书的内容，能够熟练绘制出机器人机构简图和各种机械结构的运动简图；掌握运动学和动力学的基本问题，理解机器人的位置与变量的关系，了解运动学、静力学和动力学的一般表示方法，能用上述所学解释机器人的位置、姿态和运动的关系。学习要求学习单元一机器人的基本术语与图形符号一、机器人的基本术语关节（joint）即运动副，是允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构，是两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接，如图2-1所示。A、B两部件可以做互动连接。图1-13不同坐标结构的机器人1.关节高副(higherpair)机构简称高副，指的是运动机构的两构件通过点或线的接触而构成的运动副。例如，齿轮副和凸轮副就属于高副机构。平面高副机构拥有两个自由度，即相对接触面切线方向的移动和相对接触点的转动。相对而言，通过面的接触而构成的运动副称为低副机构。一、机器人的基本术语一、机器人的基本术语1）回转关节回转关节又称回转副、旋转关节，是使连接两杆件的组件中的一件相对于另一件绕固定轴线转动的关节，两个构件之间只做相对转动的运动副，如手臂与机座、手臂与手腕，并实现相对回转或摆动。回转关节由驱动器、回转轴和轴承组成。多数电动机能直接产生旋转运动，但常需各种齿轮、链、带传动或其他减速装置，以获取较大的转矩。一、机器人的基本术语移动关节又称移动副、滑动关节、棱柱关节，是使连接两杆件的组件中的一件相对于另一件做直线运动的关节，两个构件之间只做相对移动。它采用直线驱动方式传递运动，包括直角坐标结构的驱动、圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动极坐标结构的径向伸缩驱动。2）移动关节一、机器人的基本术语圆柱关节又称回转移动副、分布关节，是使连接两杆件的组件中的一件相对于另一件移动或绕一个移动轴线转动的关节，两个构件之间除了做相对转动之外，还同时可以做相对移动。3）圆柱关节一、机器人的基本术语4）球关节一、机器人的基本术语2.连杆连杆（link）指机器人手臂上被相邻两关节分开的部分，是保持各关节间固定关系的刚体，是机械连杆机构中，两端分别与主动和从动构件铰接，以传递运动和力的杆件。例如，在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。连杆是机器人中的重要部件，它连接着关节，其作用是将一种运动形式转变为另一种运动形式，并把作用在主动构件上的力传给从动构件，以输出功率。一、机器人的基本术语3.刚度刚度（stiffness）是机器人机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量的。在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。刚度的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。刚度可分为静刚度和动刚度。在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体称为刚体(rigidbody)。在物理学中，理想的刚体是一个固体的、尺寸值有限的、形变可以被忽略的物体。不论是否受力，在刚体内任意两点间的距离都不会改变。在运动中，刚体上任意—条直线在各个时刻的位置都保持平行。一、机器人的基本术语1.运动副的图形符号二、机器人的图形符号体系二、机器人的图形符号体系2.基本运动的图形符号二、机器人的图形符号体系2.基本运动的图形符号二、机器人的图形符号体系3.运动机能的图形符号二、机器人的图形符号体系二、机器人的图形符号体系二、机器人的图形符号体系4.运动机构的图形符号二、机器人的图形符号体系三、机器人的图形符号表示机器人的机构简图是描述机器人组成机构的直观图形表达形式，可以将机器人的各个运动部件用简便的符号和图形表达出来，此图可用上述图形符号体系中的文字与代号表示。5.4种坐标机器人的机构简图图2-24种坐标机器人的机构简图2.机器人运动原理图机器人运动原理图是描述机器人运动的直观图形表达形式，是将机器人的运动功能原理用简便的符号和图形表达出来，此图可用上述图形符号体系中的文字与代号表示。机器人运动原理图是建立机器人坐标系、运动和动力方程式、设计机器人传动原理图的基础，也是在学习使用机器人最有效的工具。三、机器人的图形符号表示由图可见，机构运动示意图可以简化为机构运动原理图，以明确主要因素。图2-3PUMA-262机器人的机构运动示意图和机构运动原理图三、机器人的图形符号表示3.机器人传动原理图将机器人动力源与关节之间的运动及传动关系用简洁的符号表示出来，就是机器人传动原理图。PUMA-262机器人的传动原理图如图2-4所示。机器人的传动原理图是机器人传动系统设计的依据，也是理解传动关系的有效工具。三、机器人的图形符号表示图2-4PUMA-262机器人的传动原理图三、机器人的图形符号表示该四自由度机器人结构简单，有3个转动关节、1个螺纹移动关节。其结构简图如图2-5所示。4.典型机器人的结构简图1）KUKA公司的KR5SCARA图2-5KR5SCARA的结构简图三、机器人的图形符号表示2）ABB公司的IRB2400ABB、FUNAC、KUKA的大多数产品均为六自由度机器人，MOTOMAN也有六自由度产品，它们的关节分布比较类似，多采用安川交流驱动电动机。其中，ABB公司的IRB2400产品是全球销量最大的型号之一，已安装20000套。图2-6IRB2400的结构简图三、机器人的图形符号表示3）FUNAC公司的R-2000iBABB、FUNAC、KUKA的大多数产品均为六自由度机器人，MOTOMAN也有六自由度产品，它们的关节分布比较类似，多采用安川交流驱动电动机。其中，ABB公司的IRB2400产品是全球销量最大的型号之一，已安装20000套。图2-7R2000iB的结构简图三、机器人的图形符号表示4）MOTOMAN公司的IA20MOTOMAN的IA20是七自由度机器人，其结构简图如图2-8所示。图2-8IA20的结构简图三、机器人的图形符号表示5）MOTOMAN公司的DIA10MOTOMAN的DIA10产品的结构较为复杂，有15个自由度，其结构简图如图2-9所示。图2-9DIA10的结构简图三、机器人的图形符号表示学习单元二机器人的主要技术参数一、自由度自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，其中不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。机器人的自由度反映机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。如图2-10所示的机器人，臂部在xO1y面内有3个独立运动——升降（L1）、伸缩（L2）和转动（φ1），腕部在xO1y面内有一个独立的运动——转动（φ2）。机器人手部位置需要一个独立变量——手部绕自身轴线O3C的旋转φ3。这种用来确定手部相对于机身（其他参照系统）位置的独立变化的参数（L1、L2、φ1、φ2、φ3）即为机器人的自由度。二、机器人的历史与发展图2-10五自由度机器人简图二、机器人的分类二、机器人的历史与发展二、机器人的分类从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有冗余自由度的机器人称为冗余自由度机器人，也称冗余度机器人。例如，MOTOMAN公司生产的IA20机器人和PUMA公司生产的PUMA700机器人执行印制电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物，改善动力性能。例如，人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有7个自由度，所以工作起来很灵巧，可躲避障碍物，从不同方向到达同一个目的点。工作空间又称工作范围、工作区域，是设备所能活动的所有空间区域。机器人的工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心（手臂或手部安装点）所能到达的所有点的集合，不包括手部本身所能达到的区域。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，机器人的工作范围是指不安装末端执行器时的工作区域。二、工作空间二、工作空间不同厂家对工作速度规定的内容也有所不同，有的厂家定义工作速度为工业机器人主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家定义工作速度为手臂末端最大的合成速度，通常在技术参数中加以说明。一般来说，工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。显而易见，工作速度越高，工作效率就越高。但是，工作速度越高，就要花费越多的时间去升速或降速，对工业机器人最大加速度变化率及最大减速度变化率的要求也越高。三、工作速度在使用或设计机器人时，确定机器人手臂的最大行程后，根据循环时间安排每个动作的时间，并确定各动作是同时进行还是顺序进行，这样就可以确定各动作的运动速度。分配各动作的时间除考虑工艺动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、驱动和控制方式、定位和精度要求。为了提高生产率，要求缩短整个运动循环时间。运动循环包括加速起动、等速运行和减速制动3个过程。过大的加(减)速度会导致惯性力加大，影响动作的平稳和精度。为了保证定位精度，加减速过程往往占用较长时间。三、工作速度工作载荷又称为承载能力，是机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载重量（包括手部），即在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。工作载荷通常用重量、力矩、惯性矩来表示。四、工作载荷负载大小主要考虑机器人各运动轴上所受的力和力矩。承载能力不仅决定于负载的重量、机器人末端执行器的重量，即手部的重量、抓取工件的重量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向，即由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩有关。一般机器人在低速运行时承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标，即承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大，最大可达1000kg。二、机器人的历史与发展在机器人学中，分辨率常常容易和精度、重复定位精度混淆。机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。分辨率分为编程分辨率与控制分辨率，统称为系统分辨率。五、分辨率编程分辨率是指程序中可以设定的最小距离单位，又称为基准分辨率。例如，当电动机旋转0.1°，机器人腕点(手臂尖端点)移动的直线距离为0.01mm时，其基准分辨率为0.01mm。控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最小位移量。例如，若每周（转）1000个脉冲的增量式编码盘与电动机同轴安装，则电动机每旋转0.36°(360°，1000r/min)，编码盘就发出一个脉冲，0.36°以下的角度变化无法检测，则该系统的控制分辨率为0.36°。显然，当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能最高。五、分辨率六、精度(2)控制算法误差主要指算法能否得到直接解和算法在计算机内的运算字长所造成的比特(bit)误差。因为16位以上CPU进行浮点运算时，精度可达到82位以上，所以比特误差与机构误差相比基本可以忽略不计。(3)分辨率系统误差可取1/2基准分辨率，其理由是基准分辨率以下的变位既无法编程又无法检测。机器人的精度可认为是1/2基准分辨率与机械误差之和，即机器人的精度=1/2基准分辨率+机械误差若能够做到使机械的综合误差达到1/2基准分辨率，则精度等于分辨率。但是，就目前的科技水平而言，除纳米领域的机构以外，工业机器人尚难以实现。六、精度重复定位精度是指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。若机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，则该平均值代表精度，而变化的幅度代表重复定位精度。因此，重复定位