机器人概述

2015-4-4《机器人技术基础》本着学习有前瞻的目标的学习方法，阅读了此书，从中对机器人的组成和结构及动作原理有了系统性的了解，虽然达不到能够应用的层次，但也有了一个清晰的概念。尤其对机器人所采用的各种传感器和控制方式进一步加深了理解，对各种机器设备来说，这些东西都是通用的东西，所谓一法通万法通就是这个意思。通过本书的学习，有效的扩展了知识面，对当前先进的技术有了基础的概念，进一步巩固了根基。1、机器人的种类机械人的配置多种多样，最常见的结构是其坐标来描述。这些坐标结构包括笛卡尔坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。（1）柱面坐标机器人：柱面坐标机器人主要由垂直柱体、水平手臂（或机械手）和底座构成。水平机械手装在垂直柱体上，能自由伸缩，并可沿垂直柱体上下运动。垂直柱体安装在底座上，并与水平机械手一起能底座上移动。这样，这种机器人的工作包迹就形成一段圆柱面，所以把这种机器人叫做柱面坐标机器人。（2）球面坐标机器人球面坐标机器人的机械手能够里外伸缩移动，在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面内转动。这种机器人的工作包迹形成求球面的一部分，因此称为球面坐标机器人。（3）关节式球面坐标机器人关节式球面坐标机器人主要有底座、上臂和前臂构成。上臂和前臂可在通过底座的垂直平面上运动。再前臂和上臂件绕机械手有个肘关节，而在上臂和底座间，有个肩关节。在水平平面上的旋转运动，即可绕肩关节进行，也可以通过绕底坐旋转来实现。这种机器人的工作包迹覆盖了球面的大部分，称为关节式球面机器人。1.1按照机器人控制器的信息输入方式分为：机器人的种类特征操纵机器人（Operatingrobot）人在一定距离处直接操纵机器人进行作业程序机器人（Sequencecontrolrobot）机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业示教再现机器人（Playbackrobot）由人操纵机器人进行示教后，机器人就重复（再现）进行这个作业数值控制机器人（Numericalcontrolrobot）通过数字和语言给定作业的顺序、条件、位置的信息，机器人依据这一信息进行作业智能机器人(Intelligentrobot)机器人依据智能（感觉信息的识别、作业规划、学习等能力）确定作业(1)操纵机器人，是远距离操纵的机器人。(2)程序机器人，按照预先设定好程序进行作业。(3)示教再现机器人，如同录放一样，开始是示教作业，人一面操纵机器人，一面在各重要位置按下示教盒的按钮，记忆其位置。而进行作业时把它再现出来，机器人顺次追寻记忆的位置。如汽车厂进行点焊的大多是这种类型的机器人。(4)数值控制机器人，采用计算机控制机器人的动作来代替人操纵机器人进行动作的方式。(5)智能机器人，不仅可以进行事先设定的动作，还可以按照工作状况相应地进行动作。如对传送带上多个物体的识别，回避障碍物的移动，作业次序的规划，有效的动态学习，多个机器人的协调作业等。2、机器人的运动简图为分析和记录机器人各种运动及运动组合，有必要引入机器人机构运动简图。用机构与运动图形符号表示机器人机械臂、手腕和手指等运动机构的图形，称为机器人机构运动简图。这种运动简图既可在一定程序上表明机器人的运动状态，又利于进行设计方案的比较。物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（DOF，degreeoffreedom）。一个简单物体有6个自由度（3个平移和3个旋转）。当两个物体间确立起某种关系时，一个物体就对另一物体失去一些自由度。刚体在三维空间中有6个自由度，显然，机器人要完成任意空间作业，也需要6个自由度。工业机器人的运动是由手臂和手腕的运动组合而成的。通常手臂部分有3个关节，用以改变手腕参考点的位置，手腕部分也有3个关节，通常这3个关节轴线相交，用来改变末端手爪的姿态。（2）圆柱坐标式机器人，臂部可绕机身垂直轴线回转与上下移动，并可沿臂自身轴线伸缩，构成臂部的3个自由度。（4）SCARA型机器人有2个旋转关节，即2个转动自由度，其轴线相互平行。还有一个关节为转动自由度，用于完成末端件沿垂直于平面方向运动。这种机器人适用于平面定位，在垂直方向进行装配作业。工业机器人最早应用于汽车制造工业，常用于焊接、喷涂、上下料和搬运。工业机器人延伸和扩大了手足和大脑功能，它可代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。工业机器人与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。随着工业机器人技术的发展，其应用已扩展至宇宙探索、深海开发、核科学研究和医疗福利领域。火星探测星就是一种遥控的太空作业机器人。工业机器人也可用于海底采矿、深海打捞和大陆架开发等。在核科学研究中，机器人常用于核工厂设备的检验和维修，在军事上则可用来排雷和装填炮弹。机器人在医疗福利和生活服务领域中的应用更为广泛。3、机器人的手部设计机器人手部分为钳爪式和吸附式两类，钳爪式手部按夹取方式的不同，分为内撑式和外夹式两种，两者的区别在于夹持工件的部位不同，手爪动作的方向相反。其中钳爪式手部从机械结构、外观与功用来看，有多种结构形式，有齿轮齿条移动式手爪、重力式钳爪、平行连杆式钳爪、拨杆杠杆式钳爪、内撑式三指钳爪和用于复杂工件的自动调整式钳爪等。吸附式手部分为气吸式和磁吸式，气吸式是指用负压吸盘吸附工件，按负压产生的方式不同，可分为挤压式和真空式两种。磁吸式手部是在手腕部装上电磁铁，通过电磁吸力把工件吸住。3.1夹钳式手部有以下三部分组成：1、手指：是直接与工件接触的构件，机器手部一般只有两个手指，少数为三指或多指。2、传动机构：是向手指传递运动和动力，从而完成夹紧和松开动作的机构。3、驱动装置：是向传动机构提供动力的装置。按驱动方式的不同，有液压/气动/电动。此外，还有连接和支撑元件，将上述各部分连接成一个整体，并实现手部与机器人腕部的连接。钳爪式手部的设计要点：（1）应具有足够的夹紧力：一般要求夹紧力N为工件质量的2~3倍，即N=（2~3）G（2）应具有足够的张开角：能适应不同尺寸的工件，夹持工件的中心位置变化要小。对于移动式的钳爪，还要有足够大的移动范围。（3）应能保证工件的可靠定位：根据被抓取工件的形状，选取相应的手指形状定位，如圆柱形工件多数采用V形钳口的手指，以便自动定心。（4）应具有足够的强度和刚度：钳爪除受到被夹持工件的反作用力外，还受机器人手部在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度，会发生折断或弯曲变形，因此对于受力较大的钳爪，就进行必要的强度、刚度的校核计算。（5）应适应被抓取对象的要求。（6）应尽量做到结构紧凑、质量小、效率高。（7）应具有一定的通用性和可互换性。3.2磁吸式手部磁吸式手部利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸取铁磁性材料工件，磁吸式手部应用也很广泛。磁吸式手部采用电磁吸盘，线圈通电瞬时，由于空气隙的存在，磁阻很大，线圈的电感和启动电流很大，这时产生磁性吸力将工件吸住。电磁吸盘只能吸住铁磁性材料制成的工件，吸不住有色金属和非金属材料的工件，并且被吸取的工件也有剩磁，衔铁上常会吸附一些铁屑，妨碍工作，适用于要求不高或有剩磁也无妨的场合。磁吸式手部的设计要点：1、应具有足够的电磁吸引力，其力大小应由工件的质量而定。电磁吸盘的形状、尺寸以及线圈一旦确定，其吸力的大小也就基本确定，吸力的大小可通过改变施加电压进行微调。2、应根据被吸附工件的开关、大小确定。电磁吸盘的形状、大小以及吸盘的吸附面应与工件的被吸附表面形状一致。3.3气吸式手部气吸式手部是利用橡胶皮腕或软塑料腕中所形成的负压而把工件吸住的。适用于薄铁板、板材、纸张、薄而易碎的玻璃器皿和弧形壳体零件等的抓取。按形成负压的方法，可以将气吸式手部分为以下三种：1、真空式吸盘：吸附可靠、吸力大、结构简单，但是需要有真空控制系统。2、气流负压式吸盘：现场有压缩空气站时，采用气流负压式吸盘比较方便，并且成本低。橡胶皮腕用螺纹连接在吸气口处，当配备一定直径的吸盘时即可吸住工件。吸盘的工作原理是利用伯努力效应，当压缩空气刚通入时，由于喷嘴是逐渐收缩的，气流速度逐渐增加，当管路截面积收缩到最小时，气流达到临界速度，然后管路的截面逐渐增加，使得与橡胶皮腕相连接的吸气口处，产生很高的气流速度而形成负压。3、挤压负压吸盘：不需要配备复杂的进排气系统，系统构成简单，成本低，但吸力不大，仅用于吸附轻小的片状工件。当吸盘压紧工件的表面，靠挤压力将吸盘内的空气挤出，使吸盘内形成负压腔，将工件吸住。当吸盘架运动时，用外力碰撞压盖的上部，使密封垫择，进气通道打开，释放工件。3.4机器人腕部设计机器人操作臂将末端置于其工作的三维空间内的任意点需要三个自由度。为了进行实际操作，它应该能够将工具置于任意的方位，同时需要一个腕部，一般还需要三个自由度，即回转、俯仰和摆动。腕部可具有不同的自由度数目和不同的结构。腕部实际所需要的自由度应根据机器人的工作性能来确定，在多数情况下，腕部具有两个自由度，即回转和俯仰或摆动。腕部可用安装在连接处的驱动器直接驱动，也可从底座内的动力源经链条、同步齿形带、连杆或其他机构远程驱动。直接驱动一般采用液压或气动，具有较高的驱动力与强度，但增加了机械手的质量和惯量。远程驱动可降低机械手的惯量，但需要传动装置，设计较复杂。典型的腕部结构有如下几种：1、直接驱动的腕部结构：采用油缸或气缸驱动的只有回转运动的腕部，它具有结构紧凑、体积小、动作灵活的优点，因此被广泛采用。但密封较困难，且回转角度小于360。2、具有回转和摆动运动的腕部结构：3.5机器人臂部设计臂部是工业机器人的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，并改变手部的空间位置，工业机器人的臂部一般有2~3个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降；臂部的总质量较大，受力一般比较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，尤其在调整时，将产生较大的惯性力矩而引起冲击，影响定位的准确性。臂部运动部分零件的质量直接影响着臂部结构的刚度和强度，工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上，机身可以是固定式的，也可以是移动式的。臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取质量、动作自由度、运动精度等因素来确定，同时必须考虑手臂的受力情况、导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素，因此设计时应注意以下基本问题：1、手臂应具有足够的承载能力和刚性：由于手部在工作中相当于一个悬臂梁，如果刚性差，会引起手臂在垂直面内的弯曲变形和侧身扭转变形，从而导致臂部产生颤动，以至无法工作。手臂的刚性直接影响手臂在工作中允许承受的载荷、运动的平稳性、运动速度和定位精度。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面开关的选择要合理。工字形截面的弯曲刚度比圆截面要大，空心官的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴要大得多，所以常选用钢管作为臂的运动部分和导向杆，用工字钢和槽钢作支撑板。2、导向性好：为了在直线移动过程中，不致发生相对转动，以保证手部的方向正确，应设置导向装置或设计方形、花键等形式的臂杆。导向装置的具体结构形式一般应根据负载的大小、手臂长度、行程以及手臂的安装形式等因素来决定。导轨的长度不宜小于其间距的2倍，以保证导向性。3、运动要平稳、定位精度要高，质量和运动惯量要减小：要使运动平稳、定位精度高，首先应注意减小偏重力矩，所谓偏重力矩，就是指臂部的质量对机身主柱（即对其支撑回转轴）所产生的静力矩。偏重力矩过大，易使臂部在升降时发生卡死或爬行，因此要尽量减小臂部运动部分的质量，使臂部的重心与立柱中心尽量靠近，此外还可以采取配重的方法来减小和消除偏重力矩。工业机器人的臂部结构一般包括臂部的伸缩、回转、俯仰或升降等运动结构以及与其有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接件和位置检测元件等。1、圆柱坐标机器人的臂部结构：2、极坐标机器人的臂部结构：3、多关节型机器人的臂部结构：如下图所示，喷漆机器人多采用该