2015年高考物理真题分项解析专题16动量(选修3-5)

机器人技术入门主讲人：程晟老师2015年12月机器人创新系列讲座之二TEL:15034095900目录1组成和分类2基本概念3机器人的传动机构4机器人的驱动方式5工业机器人机器人的组成和分类1机器人是什么？由什么组成的？一机器人的组成和分类国际标准化组织对机器人的定义机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人类的干预。1234概括讲，就是综合运用机械、电气、传感器和计算机等手段来实现人类某些功能的装置。它具有柔性化（示教、编程、自主）、智能化的特点。机器人的组成机器人是一个机电一体化的设备。从控制观点来看，机器人系统可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。一机器人的组成和分类1）执行机构包括：手部、腕部、臂部、肩部和基座等。相当于人的肢体。2）驱动装置包括：驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。3）感知反馈系统包括：内部信息传感器，检测位置、速度等信息；外部信息传感器，检测机器人所处的环境信息。相当于人的感官和神经。4）控制系统包括：处理器及关节伺服控制器等，进行任务及信息处理，并给出控制信号。相当于人的大脑和小脑。一机器人的组成和分类1）直角坐标型机器人2）圆柱坐标型机器人3）极坐标型机器人4）关节型机器人通过沿三个互相垂直的轴线的移动来实现机器人手部空间位置的改变通过两个移动和一个转动实现位置的改变运动由一个直线运动和两个转动组成运动由前后的俯仰及立柱的回转组成一机器人的组成和分类一机器人的组成和分类一机器人的组成和分类一机器人的组成和分类一机器人的组成和分类一机器人的组成和分类机器人常见的图形符号机器人的结构与传统的机械相比，所用的零件和材料以及装配方法等与现有的各种机械完全相同。常用的关节有移动、旋转运动副。一机器人的组成和分类机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号来表达机器人的各种运动及结构特征。在国标GB/T12643-90中规定了机器人有关的各种运动功能的图形符号。机座：手部：关节平移回转一机器人的组成和分类机构简图直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节坐标式一机器人的组成和分类基本概念2入门知识点1、连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。基本概念二223、自由度（Degreeoffreedom）：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。2、刚度（Stiffness）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。基本概念二基本概念二4、定位精度（Positioningaccuracy）：指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。5、重复性（Repeatability）或重复精度：在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。oo基本概念二256、工作空间（Workingspace）：机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。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。基本概念二工作空间在机器人学中是重要的研究领域。1）工作空间机器人手臂正常运动时手腕部坐标系原点P能到达的空间的集合,即由手腕参考点所掠过的空间,记作W(P),又称可达空间,或总工作空间.基本概念二2）灵活工作空间末端执行器可以任意姿态达到的工作空间,记作WP(P)。Ⅰ类:以全方位达到Ⅱ类:只能以有限方位达到3）次工作空间总工作空间去掉灵活工作空间的部分,记作WS(p)W(P)=WP(P)+WS(P)4）奇异形位W(P)总工作空间的边界面上的点所对应的机器人的位置和姿态基本概念二5）两个基本问题正解、反解6）确定工作空间的方法解析法、图解法基本概念二机器人的传动机构3机器人301.机器人传动机构的基本要求(1)结构紧凑，即同比体积最小、重量最轻；(2)传动刚度大，即承受力矩作用时变形要小，以提高整机的固有领率，降低整机的低频振动；(3)回差小，即由正转到反转时空行程要小，以得到较高的位置控制精度；(4)寿命长、价格低。微电机+减速器微小型减速器机器人传动机构三312.机器人常用传动机构类别美国发明家C.WaltMusser马瑟于上世纪50年代中期发明1926年德国人L.Brazen发明了摆线针轮减速器机器人传动机构三机器人传动机构三其中腰关节最常用谐波传动、齿轮/蜗轮传动；臂关节最常用谐波传动、RV摆线针轮行星传动和滚动螺旋传动。腕关节最常用齿轮传动、谐波传动、同步带传动和纲绳传动。机器人传动机构三谐波传动：由波发生器、柔轮和刚轮组成。谐波传动其工作原理是基于一种变形原理，即通过柔轮变形时其径向位移和切向位移间的转换关系，从而实现传动机构的力和运动的转换。机器人传动机构三谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。机器人传动机构三与一般齿轮传动比较，它有以下特点：（1）传动比大，且范围广。单级传动的传动比为50~320，复波传动的传动比可达107。（2）同时参加啮和的齿数多，承载能力高。传递公称力矩时，同时参加啮和的齿数可达到总齿数的30%~40%。（3）体积小，重量轻。在传动比和承载条件相同的情况下，谐波齿轮传动比一般齿轮传动的体积和重量减小1/3~1/2左右。（4）运动精度高，回差小。（5）传动效率高，一般单级传动效率为70%-90%。（6）可向密闭空间传递运动和动力，这一点是其它任何机械传动无法实现机器人传动机构三RV摆线针轮行星传动：是由一级行星轮系再串联一级摆线针轮减速器组合而成的。RV摆线针轮传动除了具有相同的速比大、同轴线传动、结构紧凑、效率高等待点外，最显著的特点是刚性好，传动刚度较谐波传动要大2—6倍，但重量也增加了1—3倍。机器人传动机构三齿轮传动、蜗轮传动和齿轮齿条传动应用于机器人传动机构时，须特别注意消除间隙问题，否则回差很大，达不到应有的转角精度要求。对于链传动、齿形带传动、钢带传动和钢丝绳传动，必须考虑张紧问题，否则也会产生很大的回差。机器人传动机构三机器人的驱动方式4机器人的能量源（魔方）机器人的驱动方式四电液压力流量伺服阀单杆活塞液压缸旋转液压缸机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四直流伺服电机交流伺服电机步进电机机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四机器人的驱动方式四工业机器人5机器人的应用•世界工業機器人的使用現狀1﹕•世界工業機器人的使用現狀2:各國年產每萬輛汽車所擁有的機器人數量日本德國意大利美國法國英國88台64台48台33.8台32.2台26.9台•工業機器人的使用領域﹕搬運(Handle)涂膠(Sealing)裝配(Assembly)噴漆(Painting)點焊(Spotwelding)切割(Cutting)弧焊(Arcwelding)檢測(Measurement)激光焊接打標打磨去毛刺•工業機器人的應用類型6軸垂直多關節型XYZ-直交ROBOTXYZ-R桌上型平行軸•全球各品牌工業機器人的介紹•日本◆FANUCROBOT•(發那科機器人)◆KawasakiROBOT(川崎機器人)•日本◆MITSUBISHIROBOT(三菱機器人)◆YAMAHAROBOT•(雅瑪哈機器人)•瑞典德國•◆ABBROBOT•(ABB機器人)•◆KUKAROBOT•(庫卡機器人)•工業機器人技朮發的展趨勢﹕◆工業機器人性能不斷提高﹕向高速、高精度、高可靠性、便于操作和維修的方向發展。◆機械結構﹕向模塊化﹑可重構化方向發展﹐如關節模塊中的伺服電機﹑減速機﹑檢測系統三位一體化。◆控制系統﹕向基于PCBACE的開放型控制器方向發展﹐便于標准化﹑網絡化。◆多傳感器融合技朮﹕基于視覺﹑聲覺﹑力覺﹑觸覺多傳感器的融合技朮在機器人中用來進行環境建模及決策控制。◆虛擬仿真技朮﹕虛擬現實技朮已從仿真﹑預演發展到用于機器人的過程控制。◆群體機器人系統﹕機器人的應用由單元式應用向系統式應用方向發展。•FOXBOT機器人FOXBOT機器人的型號FOXBOT機器人的主要參數◆腕部負載即最大工作負載。(5KG﹑16KG﹑20KG)◆運動軸數。(4軸﹑6軸)◆運動范圍。(A-05:615mm,A-16:1717mm,S-05:400mm)◆最大運動速度。(A-05:2127mm/s,A-16:8000mm/s,S-05:3400mm/s)◆重復定位精度。(A-05:±0.02mm,A-16:±0.03mm,S-05:±0.02mm)◆安裝方式。(落地式﹑吊挂式)2.1.3FOXBOT機器人的參數示意圖FOXBOT機器人的系統組成示意圖FOXBOT機器人單機示意圖機器人本體機器人電控箱機器人示教器FOXBOT機器人各軸示意圖機器人本體各軸方向判定﹕右手螺旋定則機器人的直角坐標示教(XYZ)﹕◆沿著笛卡爾坐標系的軸直線移動機器人進行示教﹐分兩種坐標系﹕1)基礎坐標系(WORK0)﹕機器人缺省的坐標系。2)用戶坐標系(WORK1~10)﹕用戶自定義的坐標系。機器人的工具坐標示教(Tool)﹕◆沿著當前工具坐標系直線移動機器人進行示教。工具坐標系是匹配在工具方向上的笛卡爾坐標系﹐也是利用工具的空間姿來設定的坐標系。FOXBOT機器人的坐標系•機器人的三種位姿描述方法三種描述之間存在著確定的轉換關系機器人的軸坐標系(用每個軸的旋轉的角度來表示機器人的位姿)各軸方向判定﹕右手螺旋定則机器人技术是多学科的融合，时间有限，仅讲了个入门。如果想深入了解机器人机构的数学奥秘，请学好《线性代数》、《机械原理》、《机械设计》、《矩阵分析》等课程。这里我推荐一本教材--华中科技大学出版社熊有伦《机器人技术基础》。如果想深入了解机器人结构的内在奥秘，请学好AUTOCAD、Solidworks、Croe等软件来测绘、仿真。一定要学好C语言，它是编程基础这里我推荐一个好方法—网上看教程自学软件。谢谢键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字1234键入文字键入文字键入文字键入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字输入文字键入此处输入标题2键入这里输入描述键入这里输入描述键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字键入这里输入文字此处可以有一个深远而又动人的故事……（随便改什么文字）键入此处输入标题3键入这里输入描述键入这里输入描述