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1、 1 第二章机器人基本结构 邵长星starshao 2 机器人基本构成 不同类型机器人机械 电气 控制结构不同 机器人系统通常三大部分 机械部分 传感部分和控制部分 六个子系统 驱动系统 机械系统 感知系统 人机交互系统 机器人环境交互系统 控制系统等组成 3 机械系统 机械系统又称操作机或执行机构系统 由一系列连杆 关节或其他形式的运动部件组成 通常包括机座 立柱 腰关节 臂关节 腕关节和手爪等 构成多自由度机械系统 工业机器人机械系统由机身 手臂和末端执行器组成 机身可具有行走机构 手臂一般有上臂 下臂和手腕组成 末端执行器直接装在手腕上 可以是两手指或多手指手爪 可以是喷漆枪 焊枪等作业
2、工具 4 驱动系统感知系统 驱动系统主要指驱动机械系统的机械装置 根据驱动源不同可分为电动 液压 气动三种或三者结合一起的综合系统 驱动系统可以直接与机械系统相连 或通过皮带 链条 齿轮等机械传动机构间接相连 感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成 获取内部和外部环境状态信息 确定机械部件各部分的运行轨迹 状态 位置和速度等信息 使机械部件各部分按预定程序和工作需要进行动作 智能传感器的使用提高了机器人的机动性 适应性和智能化水平 人类感知系统对外部信息获取比较灵巧 但一些特殊信息传感器感知更有效 5 控制系统 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人
3、的执行机构完成规定的运动和功能 若不具备信息反馈特种 则为开环控制系统 具备信息反馈特征则为闭环控制系统 根据控制原理可分为程序控制系统 适应性控制系统 人工智能控制系统 根据控制运动形式分为点位控制和轨迹控制 6 交互系统 机器人 环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统 机器人可以与外部设备集成为一个功能单元 如加工制造单元 焊接单元 装配单元等 也可以是多台机器人 多台机床 设备 零件存储装置等集成为一个可执行复杂任务的功能单元 人机交互系统是操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置 如计算机终端 指令控制台 信息显示板及危险信号报警器等 主要有两类 指令给定
4、装置和信息显示装置 7 机器人主要技术参数 机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作 具有的最高操作性能等情况 是选择 设计 应用机器人所必须考虑的问题 主要技术参数有 自由度 分辨率 精度 重复定位精度 工作范围 承载能力及最大速度等 8 自由度 机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目 一般不包括手部 末端操作器 的开合自由度 表示了机器人动作灵活的尺度 一般描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度 机器人自由度是根据用途设计的 可多用六个自由度 也可小于六个自由度 三自由度机器人 底座水平转动 上臂弯曲 肘弯曲 自由度多通用性好 但结构复杂 矛盾 工业机器人自由度选择与生产要求有
5、关 批量生产要求速度快 可靠性高 自由度可以少些 更换产品 增加柔性 自由度可多 工业机器人自由度一般4 6个 7个以上为冗余自由度 主要增加避障 9 分辨率 分辨率由系统设计检测参数决定 受位置反馈检测单元性能影响 分为编程分辨率和控制分辨率 统称系统分辨率 编程分辨率指程序中可以设定的最小距离单位 又称基准分辨率 如电动机旋转0 1度 指尖移动直线距离0 01mm 控制分辨率是位置反馈回路能检测到的最小位移量 如1000线增量式码盘 0 36度 10 精度 机器人精度主要依赖于机械误差 控制算法误差和分辨率系统误差 机械误差主要产生于传动误差 关节间隙 连杆机构挠性 传动误差由齿轮间隙 螺
6、距误差等引起 关节间隙由关节处的轴承间隙 谐波齿隙等引起 挠性随机器人位形 负载变化而变化 控制算法误差指算法能否得到精确描述的直接解和运算字长造成的BIT误差 小 分辨率系统误差可取1 2基准分辨率 机器人精度可以认为1 2基准分辨率和机械误差的综合 若机械综合误差达到1 2分辨率 则精度等于分辨率 11 重复定位精度 重复定位精度是关于精度的统计数据 任何一台机器人在同一环境 同一条件 同一动作 同一指令下 每一次动作位置不可能完全一致 重复定位精度是指各次不同位置距离平均位置的最大偏差 重复定位精度 0 2 不同速度 不同方位反复试验次数越多重复定位精度评价越准确 12 工作范围 指手臂
7、安装点或手腕中心所能达到的空间区域 末端操作器形状尺寸多样 不考虑 机器人工作范围的形状和大小非常重要 作业死区 和自由度数目和组合有关 13 工作速度承载能力 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 一般给出主要运动自由度的最大稳定速度 实际还要考虑最大加速度变化率和最大减速度变化率 效率速度 动作平稳和精度 承载能力指机器人在工作范围内任何位置上所能承受的最大负载 一般用质量 力矩 惯性矩表示 还和运行速度和加速度大小方向有关 一般规定高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标 14 人手臂机能初步分析 人上肢分大
8、臂 小臂 手部 6个自由度 手21个自由度 考虑被夹持物的大小 形状 姿态 重量 软硬 外力及放置环境 15 工业机器人本体结构 本体结构指机体结构和机械传动系统 是机器人的支持基础和执行机构 结构形式多样 通常由手部 手腕 手臂 机身 行走机构组成 手部 手抓或末端操作器 配在手腕上 抓取物体 手腕 改变手部空间方向并将作业载荷传到手臂 独立自由度 手臂 将被抓取工件传送到给定位置 并将载荷传递到机座 机身 支撑作用 基础部分 移动机构 移动机器人 一定空间范围内运动 臂杆质量小 结构静 动态刚度高 固有频率避开机器人工作频率 16 机器人本体材料 从结构动力学特性出发选择材料要求 强度高
9、减少臂杆截面积 减轻质量 弹性模量大 变形小 刚度大 重量轻 减小惯性力 选高弹性模量 低密度材料 阻尼大 运动后平稳停下 加大阻尼 吸收残余振动能量 经济性 17 机器人本体常用材料 碳素结构钢和合金结构钢 强度大 弹性模量大 抗变形能力强 应用最广 铝 铝合金及其他轻合金 弹性模量不大 但密度小 比值可与钢相比 纤维增强合金 石墨纤维增强镁合金 弹性模量 密度非常大 昂贵 陶瓷 品质良好 易碎 日本 小型高精度机器人使用 纤维增强复合材料 比值大 阻尼大 叠层复合材料 老化 蠕变 高温膨胀等问题 高速机器人应用 粘弹性大阻尼材料 对构件进行约束阻尼处理 减小振动 18 机器人手部 手部特点
10、 与手腕相连可拆卸 电 气 液接口 根据对象不同可以方便拆卸更换 末端执行器 手 爪 工具 通用性差 专用装置 某类工件某项作业任务 独立部件 机身 手臂和手部 完成作业好坏以及柔性作业好坏的关键部件 手部是最重要的执行机构 功能和形态上分为工业机器人手部和仿人机器人手部 手部主要是用来握持工件或工具进行操作 由于握持对象的形状 尺寸 重量 材质的不同 其工作原理和形态结构也不同 按握持原理可分为夹钳式和吸附式两类 19 机器人手部分类 功能形态 工业机器人手部 仿人机器人手部 握持原理 夹钳式 吸附式 手指 传动机构 V型指 平面指 尖指 特形指 回转型 平移型 平面平移 直线往复 磁吸 气
11、吸 真空吸 负压吸 挤压吸 20 夹钳式手部 常用形式 由手指 手爪 驱动装置 传动机构和承接支架组成 通过手爪开闭动作实现夹持 21 手指 直接与物件接触 张开与闭合实现了对物件的松开和夹紧 适当的开闭范围 足够握力 相应精度 通常两个手指 或三个 结构形式取决于被夹持工件的形状和特性 V形指 圆柱形 平面指 方形工件 尖指 小型或柔性工件 专用 形状不规则工件 22 手指面 根据工件形状 大小 及被夹持部位材质软硬 表面性质不同 有光滑值面 齿形指面和柔性指面 光滑指面 指面平整光滑 已加工表面受损齿形指面 指面有齿纹 毛坯或半成品 增加摩擦力 确保夹紧可靠 柔性指面 指面镶衬橡胶 泡沫
12、石棉等 夹持已加工表面 炽热件 或薄壁件或脆性工件 增加摩擦 保护工件表面 隔热等 23 夹钳式传动机构 以向手指传递运动和动力 实现夹紧和松开动作 回转型和平移型两类 夹钳式手部多用回转型 手指是一对或几对杠杆 同斜楔 滑槽 连杆 齿轮 蜗轮蜗杆或螺杆组成复合式杠杆传动机构 以改变传力比及运动方向 斜楔式回转型手部 斜楔向上 向下 24 回转型传动机构 滑槽式杠杆回转型 杠杆一端装V形指 一端开长滑槽 驱动杆 上下 圆柱销 双支点连杆杠杆式回转型手部 驱动杆与连杆由铰销铰接 齿轮杠杆式回转型手部 驱动杆末端有双面齿条 与串形齿轮啮合 扇齿轮与手指固连 25 平移型传动机构 平移型夹钳式手部是
13、通过手指的指面做直线往复运动 或平面移动实现开张与闭合动作 常用来夹持具有平行平面的工件 如箱体 结构较复杂 应用不如回转型广泛 根据结构分为平面平行移动机构和直线往复移动机构 驱动器和驱动元件带动平行四边形铰链机构以实现手指平移 直线往复移动 26 平移型传动机构 a b齿轮条传动 c连杆斜滑槽传动 斜楔平移 连杆杠杆平移 螺旋斜楔平移 27 吸附式手部 依靠吸附力取料 分气吸附和磁吸附两种 适用于爪取大平面 易碎 微小物体 气吸式手部是常用的一种吸持式装置 利用吸盘内压力和大气压力差工作 由吸盘 吸盘架及进排气系统组成 结构简单 重量轻 使用方便 应用于非金属材料 板材 纸张 玻璃等 或不
14、可有剩磁的材料吸附 要求物体表面平整光滑 无透气空隙 形成压力差方式 真空吸附 气流负压吸附 挤压吸附 28 真空吸附式手部 真空泵产生真空 真空度高 吸力大 工作可靠 成本高 橡胶盘 靠近物体表面 抽真空 吸附 接通大气 放下 背部球铰接 29 气流负压气吸式手部 压缩空气高速流经喷嘴 腔内气体被高速气流带走形成负压 完成取物 切断压缩空气即可释放 压缩空气取来方便 成本低 30 挤压排气式手部 取料时吸盘压紧物体 吸盘变形 挤出多余气体 手部上升靠吸盘恢复力形成负压将物体吸住 压下推杆连同大气释放 结构简单 吸附力小 防止漏气 不宜长期保持 31 磁吸式手部 依靠永磁体或电磁铁的磁力吸附
15、单位面积吸力大 对工件表面粗糙度 通孔 沟槽无特殊要求 但只对铁磁物体起作用 被吸工件存在剩磁 铁屑 原理 衔铁 隔磁材料 磁力线形成回路 气隙 32 仿人机器人手部 对不同形状 不同材质的物体实施夹持和操作 物体表面受力均匀 提高操作能力 灵活性和快速反应能力 仿人手 柔性手 多关节串联 钢丝绳牵引 凹凸不平的物体受力均匀 多指灵活手 多手指组成 每个手指三个回转关节 每个关节独立控制 多关节柔性手 哈工大和德国宇航中心HIT DLR四指灵巧手 33 仿人机器人手部 34 机械手驱动力计算 握力计算 手指握紧工件时握力 夹紧力 与工件重量 重心位置及夹持工件的方位有关 假定大小相等 方向相反
16、 35 握力计算公式表 36 驱动力计算 根据上表查握力计算N 计算驱动力P 考虑工件传送过程中惯性力 振动 传力机构效率 实际驱动力Ps计算公式 P 计算而得驱动力 传力机构结构形式和尺寸有关 单位N 手部机械效率 0 85 0 95 K1安全系数 1 2 2 K2工况系数 K2 1 a g 运动最大加速度 重力加速度 37 滑槽杠杆型驱动力P计算 销轴力平衡 手指力矩平衡 P一定时 角增大则握力N增加 但 过大拉杆行程过大 滑槽尺寸增加 一般取 30 40 结构简单 动作灵活 手指开闭角度大 但增力比N P小 38 连杆杠杆型驱动力P计算 拉杆力平衡 手指力矩平衡 P一定时 握力N与 角正切成反比 角小时可获得较大握力 0手指闭合到最小位置即自锁位置 再向下移则会松开 39 真空吸盘吸力计算 与吸盘内真空度 吸盘面积有关 被吸工件表面质量 P吸盘力 kgf 1kgf 9 8N H吸盘真空度 mmHg 1mmHg 133 3Pa D吸盘直径 cm n吸盘数量 K1启动状态安全系数 1 2 2 K2工况系数 1 3 工件间油膜存在相互吸力大时 运动过程惯性力大时取较大值 K3方位系数
