第7章-工业机器人2课件

第七章第七章 工业机器人工业机器人二、工业机器人的机械结构二、工业机器人的机械结构一、概述一、概述三、工业机器人控制系统三、工业机器人控制系统四、工业机器人运动及动力学分析四、工业机器人运动及动力学分析五、工业机器人机器人轨迹规划五、工业机器人机器人轨迹规划2024/7/121关节（关节（Joint）：即运动副，）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。发生相对运动的机构。连杆连杆（Link）：）：机器人手臂上机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。被相邻两关节分开的部分。BaseLink0Joint1Link2Link3Joint3End of ArmLink1Joint22.1 2.1 相关术语相关术语相关术语相关术语2024/7/122武汉理工大学机电学院定位精度（定位精度（Positioning accuracy）指指机机器器人人末末端端参参考考点点实实际际到到达达的的位位置与所需要到达的理想位置之间的差距。置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复性（重复性（Repeatability）或重复精度）或重复精度：在在相相同同的的位位置置指指令令下下，机机器器人人连连续续重重复复若若干干次次其其位位置置的的分分散散情情况况。它它是是衡衡量量一一列列误误差差值值的的密密集集程程度度，即即重重复复度。度。oo2024/7/123武汉理工大学机电学院工作空间工作空间（Working space）机器人手腕参机器人手腕参考点或末端操作器考点或末端操作器安装点（不包括末安装点（不包括末端操作器）所能到端操作器）所能到达的所有空间区域，达的所有空间区域，一般不包括末端操一般不包括末端操作器本身所能到达作器本身所能到达的区域。的区域。2024/7/124武汉理工大学机电学院注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。（a）表示手指（末端执行器）；）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直、升降运动；）表示垂直、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；）表示水平伸缩运动；（d）表示回转运动；）表示回转运动；（e）表示俯仰运动。）表示俯仰运动。机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图2024/7/125武汉理工大学机电学院1234561234562024/7/126武汉理工大学机电学院关节名称关节名称qTranslational motionLinear joint(L型)线性关节线性关节Orthogonal joint(O型)正交关节正交关节qRotary motionRotational joint(R型)销轴回转关节销轴回转关节Twisting joint(T型)同轴回转关节同轴回转关节Revolving joint(V型)V型回转关节型回转关节2024/7/127武汉理工大学机电学院关节配置关节配置关节符号用字母L,O,R,T,V表示；手腕用冒号:与机体及手臂分开。关节配置例:TLR:TR2024/7/128武汉理工大学机电学院Polar Coordinate Body-and-Arm AssemblyNotation:TRL2024/7/129武汉理工大学机电学院Cylindrical Body-and-Arm AssemblyNotation:TLO2024/7/1210武汉理工大学机电学院Cartesian Coordinate Body-and-Arm Assembly Notation:LOO2024/7/1211武汉理工大学机电学院Jointed-Arm RobotNotation:TRR2024/7/1212武汉理工大学机电学院2.2 工业机器人的结构工业机器人的结构1.手部手部(末端执行器末端执行器)2.驱动系统驱动系统3.传动机构传动机构4.手臂手臂5.手腕手腕6.机身（座）机身（座）2024/7/1213武汉理工大学机电学院1.手部手部(末端执行器末端执行器)手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的作业。的作业。1)手部的特点手部的特点 (1)手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕相连处可拆卸 手手部部与与手手腕腕处处有有可可拆拆卸卸的的机机械械接接口口：根根据据夹夹持持对对象象的的不不同同，手手部部结结构构会会有有差差异异，通通常常一一个个机机器器人人配配有有多多个个手手部部装装置置或或工工具具，因因此此要要求求手手部部与与手手腕腕处处的的接接头头具具有有通通用性和互换性。用性和互换性。手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。2024/7/1214武汉理工大学机电学院(2)手部是末端操作器手部是末端操作器 可以具有手指，也可以不具有可以具有手指，也可以不具有手指手指；可以有手爪，也可；可以有手爪，也可以是专用以是专用工具工具。(3)手部是一个独立的部件手部是一个独立的部件 工业机器人通常分为三个大的部件：工业机器人通常分为三个大的部件：机身机身、手臂（含手手臂（含手腕）腕）、手部手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度定位精度、夹持力的大小夹持力的大小等。等。(4)手部的通用性比较差手部的通用性比较差 工业机器人的手部通常是专用装置：工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能一种手爪往往只能抓住一种或几种在抓住一种或几种在形状形状、尺寸尺寸、重量重量等方面相近的工件；一等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。种工具只能执行一种作业任务。2024/7/1215武汉理工大学机电学院每个手指有三个或四个关节。技术关键是手指之间的协调控制。2024/7/1216武汉理工大学机电学院末端操作器图例(2)手部是焊枪手部是焊枪2024/7/1217武汉理工大学机电学院 2)手部的设计要求u 具有足够的夹持力。具有足够的夹持力。u 保证适当的夹持精度保证适当的夹持精度 手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工件形成所要求的约束。u 考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度 主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑。u 智能化手部还应配有相应的传感器智能化手部还应配有相应的传感器 由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等2024/7/1218武汉理工大学机电学院 3)手部的构成手部的构成 主要由手指、驱动机构和传动机构组成。4)手部的分类 (1)按用途分 手手爪爪：具有一定的通用性。主要功能是抓住工件、握持工件、释放工件。抓住：在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的准确的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。握住：确保工件在搬运过程中或零件装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。释放：在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。工具：工具：进行作业的专用工具。2024/7/1219武汉理工大学机电学院(2)按夹持方式分 外夹式外夹式 手部与被夹件的外表面相接触。内撑式内撑式 手部与工件的内表面相接触。内外夹持式内外夹持式 手部与工件的内、外表面相接触。2024/7/1220武汉理工大学机电学院夹持方式图例2024/7/1221武汉理工大学机电学院 (3)按手爪的运动形式分 回转型回转型 当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型平动型 手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。平移型平移型 当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。2024/7/1222武汉理工大学机电学院回转型图例压缩弹簧拉伸弹簧2024/7/1223武汉理工大学机电学院平动型图例2024/7/1224武汉理工大学机电学院平移型图例该丝杆的螺纹具有什么特点？此时手部是张开还是合拢？2024/7/1225武汉理工大学机电学院 (4)按夹持原理分 手指式：手指式：外夹式、内撑式、内外夹持式。平移式、平动式、旋转式。二指式、多指式。单关节式、多关节式。吸盘式：吸盘式：负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。2024/7/1226武汉理工大学机电学院 5)典型结构典型结构 (1)机械式手爪结构 气动驱动手爪手爪：气缸驱动活塞平移齿条移动扇形齿轮摆动连杆机构摆动手爪平动 其它四种机械式手爪机构2024/7/1227武汉理工大学机电学院气动手爪图例气动手爪图例问题：1、分析手部的运动。2、手部作的是什么类型运动？2024/7/1228武汉理工大学机电学院机械手爪图例机械手爪图例重力式手爪齿轮齿条式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪2024/7/1229武汉理工大学机电学院 (2)电磁吸盘电磁吸盘 电磁吸盘的电磁吸盘的结构结构：主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。工作原理：工作原理：夹持工件：线圈通电空气间隙的存在线圈产生大的电感和启动电流周围产生磁场(通电导体一定会在周围产生磁场)吸附工件 放开工件：线圈断电磁吸力消失工件落位2024/7/1230武汉理工大学机电学院 适用范围：适用范围：u适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。u 适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。u 适合于定位精度要求不高的工件。u 合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。2024/7/1231武汉理工大学机电学院电磁吸盘图例电磁吸盘图例2024/7/1232武汉理工大学机电学院 (3)真空式吸盘真空式吸盘 构成:由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。工作原理：形成真空吸附工件：电机真空泵3电磁阀左侧从吸盘5处抽气 释放工件：电机、泵停转大气经6口 4电磁阀左侧 3电磁阀右侧送气至吸盘5处1Y2Y2024/7/1233武汉理工大学机电学院真空吸盘结构图例真空吸盘结构图例2024/7/1234武汉理工大学机电学院6)手部结构的应用实例手部结构的应用实例 (1)平行指手爪机构工作原理：工作原理：回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。2024/7/1235武汉理工大学机电学院 (3)上料吸盘上料吸盘A2024/7/1236武汉理工大学机电学院 (4)上料吸盘上料吸盘B2024/7/1237武汉理工大学机电学院2.驱动系统驱动系统 工业机器人驱动系统主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种形式。每种方式都有直线型和旋转型。直线型电动直线电机液压活塞液压缸气压伸缩软管、气缸旋转型电动直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机液压旋转马达气压气压马达、涡轮2024/7/1238武汉理工大学机电学院各种主要驱动方式特点的比较各种主要驱动方式特点的比较 方式内容液压驱动气压驱动电气驱动交、直流电机伺服电机、步进电机输出力大小大小控制性能可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精确定位难，阻尼效果差，低速不易控制控制性能较差，惯性大，不易精确定位控制性能好，能精确定位，但控制系统复杂体积在输出力相同条件下体积小较大要有减速装置，故体积较大较小维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便方便较复杂对环境影响易漏油，易燃排气有噪声无无应用范围重型低速驱动中小型快速驱动抓取重量大而速度低的中、重型机器人可用于要求严格控制运动轨迹的中小型机器人成本元件成本较高低低较高2024/7/1239武汉理工大学机电学院3.传动机构传动机构 传动机构用来将原动机发出的机械能传递给关节或其他工作部分，以实现机器人各种运动。常用传动方案如下表所示。常用传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带及链传动等。直线电机III变速电机 (回转关节)伺服电机 (减速机构)(回转变直线机构)(直动关节)II液压泵或空压机 (液压或气动驱动器)(连杆机构、摆杆机构)I执 行 部 件传动机构原 动 机方案2024/7/1240武汉理工大学机电学院 1)齿轮传动齿轮传动u 谐波减速器u RV减速器：内齿轮为带滚针的圆弧齿，外齿轮采用周摆线齿，内外齿轮在整个圆周上始终保持啮合。2024/7/1241武汉理工大学机电学院RV减速器工作原理图RV减速器特点l传动比范围大；l扭转刚度大；l高精度和小间隙回差；l传动效率高；l结构紧凑。2024/7/1242武汉理工大学机电学院 2)螺旋传动螺旋传动 螺旋传动可实现旋转运动和平移运动的转换。螺旋传动均匀准确，主动件上作用较小扭矩，即可在从动件上获得很大的轴向力。螺杆旋转一周，螺母只移动一个导程。按摩擦性质分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。u 滑动螺旋：丝杠螺母副u 滚动螺旋：滚珠丝杠副u 静压螺旋：变滑动、滚动摩擦为流体自身的粘性力摩擦，如使用气体静压螺旋，则摩擦力很小，但承载能力也小。2024/7/1243武汉理工大学机电学院滑动螺旋传动原理图滚动螺旋传动内部结构图滚珠丝杠实物图2024/7/1244武汉理工大学机电学院静压螺旋传动内部结构示意图2024/7/1245武汉理工大学机电学院 3)带、链传动带、链传动 工业机器人中的带传动主要指同步齿形带传动，链传动主要指精密套筒滚子链传动。主要用于平行轴之间的传动。4)其他传动方式其他传动方式 除上述三种主要传动形式外，工业机器人中还有采用液压传动、气压传动、连杆机构和凸轮机构等。2024/7/1246武汉理工大学机电学院4.手臂手臂 手臂用来调节末端执行器在空间的位置，或把工件、工具运送到工作范围内的指定位置上。一般具有三个自由度，这些自由度可以是移动副、绕同轴回转的回转副和绕销轴摆转的回转副。关节型机器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是关节。回转关节用来连接手臂与机座、手臂相邻杆件及手臂与手腕，并实现两构件间的相对回转(或摆动)。它由驱动器、回转轴和轴承组成。2024/7/1247武汉理工大学机电学院 驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。这种驱动方式具有以下特点：A.机械传动精度高；B.振动小，结构刚性好；C.结构紧凑，可靠性高；D.电机的重量会增加转动负担。2024/7/1248武汉理工大学机电学院 回转关节回转轴与驱动器装在同一轴上。SCARA型机器人中常用。本形式位置精度高，但应注意加强手臂刚度和选择紧凑的减速装置减速装置。2024/7/1249武汉理工大学机电学院 移动关节由直线运动机构和直线导轨组成。在工业机器人中，为满足高速、高精度要求，常采用紧凑、低价的滚动导轨。直线滚动导轨结构示意图2024/7/1250武汉理工大学机电学院直线滚动导轨产品2024/7/1251武汉理工大学机电学院5.手腕手腕 手腕位于手臂末端，用来支撑末端执行器并调整其姿态。一般手腕由多个同轴回转副(R)或销轴回转副(B)的关节组成。手腕按自由度分类，可分为单回转、双回转、三回转三种。常见的双回转副配置形式有B-R和R-B；三回转副的配置形式有B-B-R，B-R-R，R-B-R，R-R-R，R-B-B五种。三回转手腕结构形式有偏置结构和球腕结构两类。前者手腕各关节轴作相对偏置，这在计算控制上较为复杂；后者手腕各关节轴线相交于一点，这在运动分析和计算时，可等效于一高副球腕结构处理。2024/7/1252武汉理工大学机电学院手腕自由度配置形式2024/7/1253武汉理工大学机电学院手腕结构实例2024/7/1254武汉理工大学机电学院6.机身（座）机身（座）机器人机械结构由三大部分构成：机身、手臂(含手腕)、手部。其中机身又称立柱，是支承臂部的部件。同时，大多数工业机器人必须有一个便于安装的基础部件，这就是机器人的基座，基座往往与机身做成一体。有些机器人需要行走，机身下面还会安装有行走机构。2024/7/1255武汉理工大学机电学院