第二章 机器人结构

第二章机器人结构§2.1机器人的组成和分类一、机器人的组成(1)机械部分；(2)传感器(一个或多个)；(3)控制器；(4)驱动源。第二章机器人结构二、机器人的分类１、按机器人的控制方式分类２、按机器人结构坐标系特点方式分类３、机器人常见的图形符号１、按机器人的控制方式分类按照机器人的控制类型和结构坐标系特点分为：(1)非伺服机器人；(2)伺服控制机器人。１、按机器人的控制方式分类(1)非伺服机器人非伺服机器人工作能力比较有限，机器人按照预先编好的程序顺序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。插销板是用来预先规定机器人的工作顺序，而且往往是可调的。定序器是一种按照预定的正确顺序接通驱动装置的能源。驱动装置接通能源后，就带动机器人的手臂、腕部和手部等装置运动。当他们移动到由限位开关所规定的位置时，限位开关切换工作状态，给定序器送去一个工作任务已经完成的信号，并始终端制动器动作，切断驱动能源，使机器人停止运动。１、按机器人的控制方式分类(2)伺服控制机器人伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能力。伺服系统的被控量可为机器人手部执行装置的位置、速度、加速度和力等。通过传感器取得反馈信号与来自给定装置的综合信号，用比较器加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动，到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统。１、按机器人的控制方式分类伺服控制机器人分为：(1)点位伺服控制；(2)连续轨迹伺服控制。１、按机器人的控制方式分类点位伺服控制机器人的受控运动方式为从一个点位目标移向另一个点位目标，只在目标点上完成操作。机器人可以以最快的和最直接的路径从一个端点移到另一端点。通常，点位伺服控制机器人能用于只有终端位置是重要而对编程点之间的路径和速度不做主要考虑的场合。点位控制主要用于点焊、搬运机器人。１、按机器人的控制方式分类连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某个规定的路径，其轨迹往往是某条不在预编程端点停留的曲线路径。连续轨迹伺服控制机器人具有良好的控制和运行特性，由于数据是依时间采样的，而不是依预先规定的空间采样，因此机器人的运行速度较快、功率较小、负载能力也较小。连续轨迹伺服控制机器人主要用于弧焊、喷涂、打飞边毛刺和检测机器人。２、按机器人结构坐标系特点方式分类(1)直角坐标机器人；(2)圆柱坐标型机器人；(3)极坐标机器人；(4)多关节机器人。２、按机器人结构坐标系特点方式分类直角坐标型机器人结构如图所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的。(1)直角坐标系机器人２、按机器人结构坐标系特点方式分类(2)圆柱坐标机器人圆柱坐标型机器人的结构如右图所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果机器人手臂的径向坐标R保持不变，机器人手臂的运动将形成一个圆柱表面。２、按机器人结构坐标系特点方式分类(3)极坐标型机器人极坐标型机器人又称为球坐标型机器人，其结构如右图所示，R，θ和β为坐标系的坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直的转动角，β是手臂在铅垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。２、按机器人结构坐标系特点方式分类(4)多关节机器人如右图所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。θ、α和Φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，Φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。右表总结了不同坐标结构机器人的特点。３、机器人常见的图形符号３、机器人常见的图形符号３、机器人常见的图形符号§2.2机器人的主要技术参数１．自由度２．工作空间３．工作速度４．工作载荷５．控制方式６．驱动方式７．精度、重复精度和分辨率１．自由度自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度表示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，手部的动作不包括在内。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。工业机器人一般多为４～６个自由度，７个以上的自由度是冗余自由度，是用来避障碍物的。１．自由度图2-3所示的机器人，臂部在xO1y面内有三个独立运——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。２．工作空间机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量(即直线运动的距离和回转角度的大小)则决定着运动图形的大小。３．工作速度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。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，并确定各动作同时进行或顺序进行，就可确定各动作的运动速度。分配动作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。为了提高生产效率，要求缩短整个运动循环时间。运动循环包括加速度起动，等速运行和减速制动三个过程。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，加减速过程往往占去较长时间。４．工作载荷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量(包括手部)。用质量、力矩、惯性矩来表示。负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般低速运行时，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。目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大，最大可大9KN。５．控制方式机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。６．驱动方式驱动方式是指关节执行器的动力源形式。７．精度、重复精度和分辨率精度：一个位置相对于其参照系的绝对度量，指机器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复精度：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。如果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，该平均值代表精度，而变化的幅度代表重复精度。７．精度、重复精度和分辨率分辨率：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。精度和分辨率不一定相关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。７．精度、重复精度和分辨率图2-4给出了分辨率精度和重复精度的关系。工业机器人的精度、重复精度和分辨率要求是根据其使用要求确定的。机器人本身所能达到的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度控制和驱动方式、定位和缓冲等因素。由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般难测定，通常工业机器人只给出重复精度。７．精度、重复精度和分辨率表2-3为不同作业机器人要求的重复精度。７．精度、重复精度和分辨率图2-5为一台持重30Kg,供搬运、检测、装配用的圆柱坐标型工业机器人，这台机器人的主要技术指标如下页：自由度：如图a所示，共有三个基本关节1,2,3和两个选用关节4,5；工作范围：见图b所示意；关节移动范围及速度：A130002.10r/sA2500mm600mm/sA3500mm1200mm/sA436002.10r/sA519001.05r/s重复定位误差+/-0.05mm控制方式：五轴同时可控，点位控制；持重（最大伸长、最高速度下）：30kg驱动方式：三个基本关节由交流伺服电动机驱动，并采用增量式角位移检测装置。７．精度、重复精度和分辨率§2.3机器人的机械结构与运动一、机器人机械结构的组成1.手部2.手腕3.臂部4.机身一、机器人机械结构的组成１．手部机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器．２．手腕联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂．３．臂部联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座．４．机身机器人的基础部分，起支承作用．对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上．二、机器人机构的运动１．手臂的运动(1)垂直移动(2)径向移动(3)回转运动２．手腕的运动(1)手腕旋转(2)手腕弯曲(3)手腕侧摆三、机身和臂部机构１．机身结构机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。１．机身结构常用的机身结构：１）升降回转型机身结构２）俯仰型机身结构３）直移型机身结构４）类人机器人机身结构２．臂部结构手臂部件(简称臂部)是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件、配管配线等。２．臂部结构根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：１）伸缩型臂部结构２）转动伸缩型臂部结构３）驱伸型臂部结构４）其他专用的机械传动臂部结构３．机身和臂部的配置形式机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种形式：（１）横梁式（２）立柱式（３）机座式（４）驱伸式３．机身和臂部的配置形式横梁式：机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效利用空间，直观等优点。横梁可设计成固定的或行走的，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。３．机身和臂部的配置形式立柱式：立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配置形式。一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。立主式结构简单，服务于某种主机，承担上、下料或转运等工作。３．机身和臂部的配置形式机座式：机身设计成机座式，这种机器人可以是独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。各种运动形式均可设计成机座式。３．机身和臂部的配置形式屈伸式：屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机身间的配置形式关系到机器人的运动轨迹，可以实现平面运动，也可以作空间运动。（图见下页）四、手腕结构手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：１）臂转绕小臂轴线方向的旋转。２）手转使手部绕自身的轴线方向旋转。３）腕摆使手部相对于臂进行摆动。手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式如下图所示：腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱动部分安