机器人结构分析

机器人技术RobotTechnology•第二章机器人结构分析StructureAnalysisofIndustrialRobot•§2—1概述•复习：•机械←机构、机器←构件←零件•构件：运动单元体•零件：加工制造单元体•机构：平面、空间•平面机构自由度：•F=3n-2Pl-Ph•机器人属空间机构。•§2—2空间机构的组成•一、构件•平面自由构件：XY绕Z轴回转•三个自由度•空间自由构件：XYZ绕XYZ轴回转•六个自由度•二、运动副•1、平面运动副：•低副：移动副回转副•高副：齿轮副、凸轮副•2、空间运动副•转动副：约束5自由度1•Ⅴ级副：•移动副：约束5自由度1•Ⅴ级副：•螺旋副：约束5自由度1Ⅴ级副：•圆柱副：约束4自由度2•Ⅳ级副•球销副：约束4自由度2•Ⅳ级副•平面高副：约束4自由度2•Ⅳ级副：•球面副：约束3自由度3•Ⅲ级副：•曲面副：约束2自由度4•Ⅱ级副：•空间点接触高副：约束1自由度5•Ⅰ级副：•三、机构自由度•1、闭式链机构•平面机构：•空间机构：•(1)计算通式•P－该级运动副个数51123456)2345(6iiPnPPPPPnFhlPPnF23•例题：n=3,P5=2,P4=1,P3=1)2345(612345PPPPPnF)345(6345PPPn1)131425(36•（2）公共约束mhlPPnF2312345)2()3()4()5()6(PPmPmPmPmnmF2)45(36)5(65PnF4523PPn123)33()34()35()36(45345PPnPPPnF公共约束m＝3123)33()34()35()36(45345PPnPPPnF公共约束m＝3公共约束m＝45123452)2()3()4()5()6(PnPPmPmPmPmnmF公共约束m＝1（X）12345)2()3()4()5()6(PPmPmPmPmnmF234512345PPPPn1123435)2345(612345PPPPPnF虚约束－变成实际约束)5(65Pn2)45(36解除约束)345(6)2345(634512345PPPnPPPPPnF1)131425(36滑块用圆柱副C点用球面副556PnF2)45(36)345(6345PPPnF1)131425(36正切机构)15(615PPnF1)1125(26•2、开式运动链•运动副自由度ifi651iiPfFiPi运动副级数该级运动副数机构自由度)2345(612345PPPPPnF9)1475(86•四.机构具有确定运动的条件•机构自由度数=原动构件数•通常机器人自由度小于3-6个，因此原动构件数3—6个。操作机（执行机构）－机器人赖以完成各种作业的主体部分。通常为开式空间连杆机构。§2－3工业机器人操作机5自由度焊接机器人机器人本体部分执行机构驱动电机控制装置1.概述工业机器人的应用实例：焊接作业清洗作业装配作业搬运作业传动机构齿轮传动同步带传动它由机座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部组成。2.机器人操作机工业机器人的机械结构部分称为操作机。3．操作机主要类型（1）直角坐标型（PPP型)（2）圆柱坐标型（PPR型）（3）球坐标型（RRP型）（4）关节型(RRR型）操作机主要类型•坐标形式•直角坐标•圆柱坐标•球坐标•关节坐标工作空间4.操作机的工作范围。手腕参考点空间活动最大范围－注意死区•§2—4机器人自由度•一.位姿所需自由度•空间位置自由度需求：3•夹持器姿态自由度需求：3•用途已知：自由度可以小于6•例如：球放入给定位置3个自由度即可•关节：机器人中运动副通常都称为关节。•二.局部自由度•局部自由度－－不算机器人自由度•例如：•机器人钻孔钻头旋转•机器人夹手开闭•机器人底座运动•变位机可降低机器人自由度•三.冗余自由度•定义：机构自身具有的自由度多于确定夹持物体在空间位置和姿态所需的自由度称为冗余度。•例如：我们人体，手臂，手的自由度•6自由度机器人得到广泛应用。•回避障碍物－大于自由度6的机器人9)1475(86)2345(612345PPPPPnF•§2—5机器人末端执行器－手部•末端执行器：抓取、握紧、吸附、夹持等专用工具•被夹对象：喷枪、焊枪、扳手等•模仿人器官：手末端执行器的设计•手部组成:手指、驱动机构、传动机构、支承元件。•一.夹钳式取料手•手指：可以两个、三个、多个手指•1、指端形状•A)V型指•—夹持圆柱型（滚柱V型—可快速加持旋转零件•B)平面指—夹持方形零件，细小棒料•C)尖指、薄指、长指—夹持小零件、柔性零件、工作场地狭小•D)特型指—不规则工件•2)指面形状–光滑指面—夹持精密、已加工好面–齿形指面—夹持粗糙毛坯–柔性指面—指面上镶嵌橡胶、泡沫、石棉。隔热、保护•几种典型手爪•弹性力手爪—抓取压入，卸料外力拉出•弹性力手爪•弹性力手爪•摆动式手爪—抓取圆柱物体•摆动式手爪固定支点•齿轮齿条手爪••自重式手爪•弹簧外卡式手爪•平动式手爪—夹持两个平行平面物体•二.吸附式取料手1.气吸附—板材、纸张、玻璃•①真空吸附—真空泵，成本高。••球铰真空吸附•微小零件吸附•气流负压吸附-流体力学原理，切断空气卸料—成本低•挤压排气吸附2.磁吸附•电磁吸盘•电磁吸盘•电磁吸盘•电磁吸盘•三.专用末端操作器及换接器•换接器或自动手爪更换装置•多工位换接装置多关节柔性手腕—牵引钢丝驱动—电机、液压、气动四.仿生多指灵巧手•柔性手—柔性材料，双管，一侧充气（液体），另一侧抽气或液•多指灵巧手--每个关节独立控制•§2—6机器人手腕•手腕自由度•手腕：连接末端执行器与手臂•作用：调整改变工件方位•自由度：1或2或3。通常3个操作机手腕机构的设计•3自由度：臂转、腕转、手转•手腕典型结构－两自由度弧焊机器人行星轮系Hi13HH3113zz3111HHnni13zz渐开线少齿差行星传动1211ZZZiiHHVHi12HH2112zz111HHnni12zz渐开线一齿差行星传动11ZiiHHV1211ZZZiiHHV•例题:德国KUKA机器人手腕传动系统•三.柔顺手腕结构•机器人精密装配作业•§2—7机器人手臂•手臂自由度：一般为3•作用：•承受工件重量，将抓取的工件送到指定位置。六自由度工业机器人•类型：按手臂结构：单臂、双臂、悬挂式•按手臂运动形式：直线运动（伸缩、升降、纵横）、回转运动、仰俯摆动•手臂升降与回转运动•手臂仰俯运动机构•手臂复合运动机构•§2—8机器人机座•固定机座•移动机座–固定轨迹行走机构–车轮行走机构–履带行走机构–步行行走机构四轮行走，双轮驱动四轮行走，差速驱动磁吸盘吸•例题一:美国Unimation公司PUMA-262机器人传动系统•位置自由度:3•姿态自由度:3•电机:6•联轴器:螺旋挠性•例题二:日本日立A4010机器人传动系统•位置自由度:3•姿态自由度:1•电机:4