机电一体化技术与系统 教学课件 ppt 作者 周德卿 笫8章 工业机器人

《机电一体化技术与系统 教学课件 ppt 作者 周德卿 笫8章 工业机器人》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化技术与系统 教学课件 ppt 作者 周德卿 笫8章 工业机器人（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、机电一体化技术与系统 第8章 工业机器人机械工业出版社主编 周德卿1扬州职大 周德卿 2014.6第8章 工业机器人8.1 工业机器人概述1.什么是机器人？ u 工业机器人（见图8-1）“Robot”一词 是人类型或动物型的人工机器装置总称。 机器人涉及到机械工程、电子学、控制理 论、传感器技术、计算机科学、仿生学、 人工智能等学科领域，是典型的机电一体 化系统。u 1987年国际标准化组织对工业机器人的 定义：工业机器人是一种具有控制的操作 和移动功能，并能完成各种作业的可编程 操作机。日本工业标准JISB0134-1986则定 义为“一种在自动控制下，能够编程完成 某些操作或者动作功能的机

2、械装置”。图8-l 工业机器人2扬州职大 周德卿 2014.6综合上述定义 ，工业机器人有以下三个重要特性：1) 是一种机械装置，可搬运材料、零件、工具或完成多 种操作和动作功能，即具是有通用性。2) 可以再编程并具有多样程序流程，这为人-机联系提供 了可能，也使具有独立的柔软性。3) 有一个自动控别系统，可以在无人的参与下，自动完 成操作作业和动作。3扬州职大 周德卿 2014.62.工业机器人的基本参数n机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动 精度、运动特性、动态特性等。n一般,机器人自由度等于它的关节数,大多是有6-8个自由度， 自由度越多，机器人的功能就越强。图8-2左

3、图所示的就是具有6 个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和齿轮减 速传动机械来实现的。6个自由度如下：手臂扫掠（腰左转或右转）；肩旋转（肩向上或向下）；肘伸展（肘缩进或伸出）；俯仰（手腕上转或下转）；偏航（手腕左转或右转）；横滚（手腕顺时针转或反时针转）。4扬州职大 周德卿 2014.63.工业机器人的组成与分类(1) 工业机器人的组成一般由操作机械、计算机控制系统、驱动伺服单元、传感器检测 系统和输入输出接口等几部份组成。如图8-2所示。图8-2 工业机器人的组成 5扬州职大 周德卿 2014.6 操作机械操作机为工业机器人完成作业的执行机构，它具有和手臂相似的动作功能，是可在空

4、间抓放物体或进行其它操作的机械装置。包括机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分。有时为增加工作空间，在机座处装有行走机构实现移动功能，例如有轮式、履帶式、足腿式结抅. 驱动系统驱动系统指驱动执行机构的传动装置。由驱动器、减速器、检测元件等组件组成。根据驱动器的不同，可分为电动、液动和气动驱动系统。 计算机控制系统控制系统是工业机器人的核心部分，作用是支配操作机按所需的顺序，沿规定的位置或轨迹运动。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统；从控制方式看有程序控制系统、自适应性控制系统和智能控制系统。6扬州职大 周德卿 2014.6 传感系统为了使机器人能获得外围环境信息，除关节伺服驱动系统的

5、位置传 感器外(例如装于电机同轴上的光电编码器) ，有时还要配备视觉、力 觉、触觉、接近觉等多类型的传感器及信号的转换与采样处理。 输入输出接口为了机器人与周边系统及相应操作进行联系，还应有各种通信接口 和人机通信装置。例如PLC控制系统中用的RS-232、RS-485等异步通信 接口模块，实现PLC与PLC、PLC与上位PC机、PLC与现场设备或远程I/O 之间的信息交换。此外还包括语言合成、识别技术及多媒体系统，以实 现人机对话。 人工智能系统人工智能系统是机器人计算机控制系统的更高层次发展。主要由两 部分组成：其一，感觉系统（硬件）。主要靠各类传感器来实现其感觉功能；其二, 决策、规划系

6、统（软件）。包括辑判断、模式识别、大容量 数据库和规划操作程序等功能。7扬州职大 周德卿 2014.6（2）工业机器人的分类 1）按操作机构坐标形式分类按操作机械坐标形式分类，操作机械的坐标形式是指 操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。n直角坐标型工业机器人n圆柱坐标型工业机器人n球坐标型工业机器人n多关节型工业机器人n平面关节型工业机器人8扬州职大 周德卿 2014.6图8-3 直角坐标型工业机器人1）按操作机构坐标形式分类 直角坐标型工业机器人运动部分由三个相互垂直的直线移动组成如图8-3所示，其工作 空间图形为长方体。各个轴向的 移动距离，可在各个坐标轴上直 接读出，直观性强；易

7、于位置和 姿态的编程计算，定位精度最高 ，控制无耦合，结构简单。但机体所占空间体积大，动作 范围小，灵活性较差，难与其它 工业机器人协调工作。9扬州职大 周德卿 2014.6图8-4 圆柱坐标型工业机器人 圆柱坐标型工业机器人 运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现 的，其工作空间图形为圆柱形如 图8-4所示。与直角坐标型工业机器人相比 ，在相同的工作空间条件下，机 体所占体积小，而运动范围大， 其位置精度仅次于直角坐标型，与其它机器人协调工作难。10扬州职大 周德卿 2014.6图8-5 球坐标型工业机器人 球坐标型工业机器人又称为极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一

8、 个直线移动所组成，如图8-5所 示。其工作空间为一球体，它可 以作上下俯仰动作并能抓取地面 上或较低位置的工件。具有结构 紧凑、工作空间范围大的特点， 能与其它工业机器人协调工作， 其位置精度尚可以，位置误差与 臂长成正比。11扬州职大 周德卿 2014.6图8-6 多关节型工业机器人 多关节型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，它 的手臂与人体上肢类似,前三个关节都 是回转副。该工业机器人由立柱和大小臂组成 。立柱与大臂间形成肩关节，大臂与 小臂间形成肘关节，可使大臂作回转 运动和俯仰摆动，小臂作俯仰摆动,如 图8-6所示。其结构紧凑，灵活性大，占地面积 最小，工作空间最大，能与其它工业

9、机器人协调工作。但是位置控制精度 较低，存在平衡问题，控制耦合也比 较复杂。目前，这种机器人的应用越 来越广泛。12扬州职大 周德卿 2014.6图8-7 平面关节型工业机器人 平面关节型工业机器人采用一个移动关节和两个回转 关节，移动关节实现上下运动， 而两个回转关节则控制前后、左 右运动，如图8-7所示。这种型式的工业机器人又称 SCARA装配机器人。在水平方向具 有柔顺性，而在垂直方向则有较 大的刚性。结构简单，动作灵活，多用于 装配作业中，特别适合小规格零 件的插接装配，如在电子工业零 件的插接、装配中应用广泛。 13扬州职大 周德卿 2014.62)按控制方式分类 点位控制工业机器人

10、n 采用点到点的控制方式，它只在目标点处准确控制工 业机器人手部的位姿，完成预定的操作要求，而不对点与点 之间的运动过程进行严格的控制。n 目前应用的工业机器人中，多数属于点位控制方式， 如上下料搬运机器人、点焊机器人等。 连续轨迹控制工业机器人 各关节同时作受控运动，准确控制工业机器人手部按 预定轨迹和速度运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的运 动得以控制。弧焊、喷漆和检测机器人均属连续轨迹控制方式。14扬州职大 周德卿 2014.63)按驱动方式分类气动式工业机器人 以压缩空气来驱动操作机。其优点是空气来源方便，动作 迅速，结构简单，造价低，无污染，适合防爆环境。缺点是空 气具有可压缩性，

11、导致工作速度的稳定性较差，又因为气源压 力只有6KPa左右，所以抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大 百余牛顿。液压式工业机器人 因为液压比气压压力高，一般为70KPa左右，故液压机器人 具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧 凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温 、低温和易燃易爆环境下工作。电动式工业机器人 目前用得最多的一类工业机器人。不仅电动机品种众多， 为工业机器人设计提供了多种选择；而且可运用多种灵活的控 制方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元 ，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。15扬州职大 周德卿 2014.68.2 工业机器人

12、操作机的机械结构l 工业机器人操作机械由机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分组成，如图8-8 。l 确定一个工业机器人操作机位置时所 需要的独立运动参数的数目称为工业机器 人的运动自由度。l 自由度数取决于作业目标所要求的动 作。对于进行二维平面作业需三个自由度 ；若要具有随意的位姿，则至少需要六个 自由度；而对于回避障碍作业的工业机器 人则需要有比六个自由度更多的冗余自由 度。l 工业机器人操作机常采用回转副或移 动副主动关节来实现各个自由度。图8-8 工业机器人操作机构 1-手臂 2-腕关节 3-手部 4-立柱 5-机座16扬州职大 周德卿 2014.61.手臂手臂是操作机中的主要运动部件，

13、它用来支承手腕和手部，调整 手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度, 可以是移动副 和回转副。因此按运动副不同的组合方案，可有27种方案。手臂的直线运动多数通过液压（气）缸驱动来实现，也可通过齿 轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机等来实现。手臂回转运动的实现手段很多，如蜗轮蜗杆式；液压缸活塞杆上 的齿条驱动齿轮的方式；利用液压缸活塞杆直接驱动手臂回转；由 回转液压（气）缸直接驱动手臂回转；由步进电动机通过齿轮传动 使手臂回转；由直流电动机通过谐波传动装置驱动手臂回转等。PUMA型工业机器人是由直流伺服电动机驱动的六自由度关节型工 业机器人。其大臂和小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结 构，

14、各运动都是采用齿轮传动。驱动大臂的传动机构如图8-9a)所示 ，驱动小臂的传动机构如图8-9b)所示，腰座(用转机座)的回转运动 1如图8-9C)所示。 17扬州职大 周德卿 2014.6图8-9 PUMA机器人手臂传动机构 1、10-大臂，2、3、5、6、8、9、14、15、19、21、22、23-齿轮 ，4、13、16、20-偏心套 7、11、24-驱动电动机 12-驱动轴17-小臂 18-腰座18扬州职大 周德卿 2014.62.手腕 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，作用是调整或改变工件的方向 ，因而具有独立的自由度。一般需要三个自由度，由3个回转关节组合而 成，常用的组合结构如图8-

15、10所示。各回转方向的名称如下：臂转:绕小劈轴线方向的旋转称臂转。腕摆:使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。手转:使末端执行器绕自身轴线方向的旋转称手转。实现手腕回转运动的机构，应用最多的是气压(液压)缸。结构简单, 但回转角度小于360o，并要求严格密封。若回转角度等于360o时可采用齿 轮齿条或链条链轮传动。图8-10 腕部回转关节的组合形式 19扬州职大 周德卿 2014.63.手部手部装在操作机手腕前端，它是操作机直接执行工作的装置 。根据其用途和结构的不同可以分为机械夹持器、专用工具和万 能手三类。多数情况下手部是为特定的用途而专门设计的，但也 可设计成一种适用性较大的多用途手部

16、。为实现快速和自动更换 手部，可以采用电磁吸盘或气动锁紧的接换器。(1)机械夹持器 回转式机械夹持器图8-11a)示出了楔块杠杆式回转机械夹持器。当夹持器驱动 向前推动时，通过楔块4楔面和杠杆1，使手爪产生夹紧动作和夹 紧力；当楔块后移时靠弹黄2的拉力使手爪松开。同理，图8-11b）示出了滑槽杠杆式回转夹持器。图8-11C)示 出了连杆杠杆式回转夹持器，工作原理类似。20扬州职大 周德卿 2014.6图8-11 回转式机械夹持器 a)楔块杠杆式回转型夹持器 b)滑槽杠杆式回转型夹持器 c)连杆杠杆式回转型夹持器 1、9-杠杆 2弹簧 3-滚子 4-楔块 5-驱动器 6-支架 7、10-杆 8-圆柱销 11-连杆 12-摆动钳爪 13-调整垫片21扬州职大 周德卿 2014.6移动式机械夹持器图8-12a)所示为齿轮齿条平行连杆式移动夹持器，电磁式驱动器3驱 动齿条杆2和2个扇形齿轮l，带动杆5绕O1、O2旋转。连杆5、6，钳爪7和 夹持器4构成一平行四杆