合肥工业大学——钱钧工业机器人-02机器人结构

工业机器人技术机械与汽车工程学院主讲：钱钧电邮：[e-mail]地址：机械楼108室2013年10月29日、11月1日IndustrialRobotTechnology1关于参考书1.约翰·克来格．机器人学导论．机械工业出版社．2006．（图书馆）2.MarkW.Spong,etal.Robotmodelingandcontrol.JohnWiley&Sons,Inc.2005.（电子版）3.付京逊．机器人学控制·传感技术·视觉·智能．中国科学技术出版社．1989．（电子版、新区图书馆）2第二章工业机器人结构2.1机器人的组成2.2机器人的主要技术参数2.3机器人的机械结构组成2.4机器人的关节运动形式2.5机器人结构设计实例32.1机器人的组成机器人是一个典型的机电一体化设备从机器人设计来看，机器人分成四大部分：操作臂，包括驱动和内部传感器部分；末端执行器，即安装在操作臂末端的工具；外部传感器和执行器，例如：视觉系统和端拾器；控制系统，包括软件、硬件。操作臂——Manipulator，指机器人的机械结构部分；末端执行器——Endeffector，手爪是末端执行器的一种。参考：1JohnCraig,机器人学导论，pp184；2SAHA,机器人导论。42.1机器人的组成从控制观点来看，机器人分成四大部分：执行机构手部、腕部、臂部、腰部和基座等。相当于人的肢体。驱动装置驱动源、传动机构等。相当于人的肌肉、筋络。控制系统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。感知系统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。52.1机器人的组成四大模块的组成机器人执行机构驱动装置控制系统感知系统基座手臂手腕末端执行器电动驱动装置液压驱动装置气压驱动装置处理器关节伺服控制器内部传感器外部传感器62.1机器人的组成四大模块之间的关系内部传感器（位姿检测）控制系统驱动装置执行机构工作对象外部传感器（环境检测）1处理器关节控制器72.1机器人的组成2.1.1执行机构例如：两自由度机械手82.1机器人的组成2.1.1执行机构例：PUMA机器人手腕上臂基座前臂肩关节肘关节92.1机器人的组成2.1.1执行机构例：PUMA机器人手腕上臂基座前臂肩关节肘关节102.1机器人的组成2.1.1执行机构例：KUKA机器人手腕大臂基座小臂末端执行器112.1机器人的组成2.1.2控制系统功能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的执行机构去完成规定的运动和功能。分类假如工业机器人不具备信息反馈特征,则为开环控制系统;若具备信息反馈特征,则为闭环控制系统。根据控制原理,控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式,控制系统可分为点位控制和轨迹控制。122.1机器人的组成2.1.3机器人实例KUKA工业机器人KUKAControlPanel(KCP)KUKArobot(e.g.KR350/2)Robotcontroller(e.g.KRC2)132.1机器人的组成2.1.3机器人实例SCARA机器人系统硬件平台：工控机关节控制器：运动控制卡142.1机器人的组成2.1.3机器人实例SCARA机器人SCARA机器人研华工控机力传感器编码器转换运动控制卡关节电机驱动器机械本体WINDOWSNT+实时扩展RTX152.1机器人的组成2.1.3机器人实例双臂教学机器人162.2机器人的主要技术参数工业机器人的技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。包括：自由度工作范围承载能力速度精度……172.2机器人的主要技术参数2.2.1自由度(DegreeofFreedom,DOF)指机器人具有的独立运动关节（轴）的数目(numberofaxes),不应包括手爪(末端执行器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿需要六个自由度。但是,工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,可能小于六个自由度,也可能大于六个自由度。从运动学的观点看,在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人,就叫做冗余自由度机器人。利用冗余自由度可以增加机器人的灵活性、躲避障碍物和改善动力性能。人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有七个自由度,所以工作起来很灵巧,手部可回避障碍而从不同方向到达同一个目的点。182.2机器人的主要技术参数2.2.1自由度前三个自由度作为手臂，剩余的自由度作为手腕。机器人手臂部分的几何尺寸较长，用于对机器人末端点进行定位；手腕部分的几何尺寸很短，用于确定末端执行器的方向。两部分结合起来，用于确定末端执行器的位姿（位置和姿态）。轴的名称轴的号轴的类型用途手臂1~3主要轴决定手腕的位置手腕(n–2)~n辅助轴决定末端执行器的姿态？4~(n-3)（如果n6）冗余轴提高操作臂的灵活性192.2机器人的主要技术参数2.2.1自由度KUKAKR机器人202.2机器人的主要技术参数2.2.1自由度通过增加自由度，改善机器人灵活性212.2机器人的主要技术参数2.2.2工作范围(Workenvelope)指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。由于末端操作器的尺寸和形状多种多样,为了真实反映机器人的特征参数,所以,这里是指不安装末端执行器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的,机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区(DeadZone)而不能完成任务。工作空间（Workspace）是机器人用于完成某项任务时需要达到的位姿的集合。在设计机器人或进行机器人选型时，机器人的工作空间应包含在其工作范围内。222.2机器人的主要技术参数2.2.2工作范围KUKA机器人（侧视图）KUKA机器人（俯视图）232.2机器人的主要技术参数2.2.2工作范围工作空间分析（正问题）给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求工作空间。对于一些结构简单的机器人来说，其工作空间可以用解析方程表示。工作空间综合（逆问题）给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的变化范围。242.2机器人的主要技术参数2.2.3承载能力(Loadcapacity)指机器人在工作空间内的任何位姿上所能承受的最大质量。通常,承载能力不仅指负载,而且还包括机器人末端执行器的质量。PayloadKUKAindustrialrobotwitharatedpayloadof150kgofthe2ndgenerationKR150-2e.g.产品型号：252.2机器人的主要技术参数2.2.4速度速度和加速度是反映机器人运动特性的主要指标。考虑机器人运动特性时,除了注意最大稳定速度外,还应注意其最大允许加速度。262.2机器人的主要技术参数2.2.5精度(Accuracy)工业机器人精度是指定位精度和重复精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。影响因素：机器人驱动器的分辨率、反馈装置。重复精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力,它用于衡量一列误差值的密集度，即重复度(Repeatability)。影响因素：传动机构的精度（主要部件的制造和装配精度）、机械臂的刚度、机器人的动态性能。272.2机器人的主要技术参数2.2.5精度位精度v.s.重复定位精度（a）准确度中、精密度低（b）准确度低、精密度高（c）精确度高定位精度中，重复定位精度低定位精度低，重复定位精度高精度高282.2机器人的主要技术参数2.2.6例SCARA机器人的技术参数（1/2）项目参数结构形式平面关节型关节数4臂长大臂（J1轴）275mm小臂（J2轴）275mm动作范围大臂（J1轴）±120°小臂（J2轴）±120°升降（Z轴）220mm回转（W轴）±180°292.2机器人的主要技术参数2.2.6例SCARA机器人的技术参数（2/2）项目参数最大速度大小臂合成速度4.5m/s重复性定位X、Y方向±0.025mmZ方向±0.05mmW方向±0.03°可持重量最大可持重5Kg（标准2Kg）驱动方式AC伺服电机本体重量约55Kg302.3机器人的机械结构组成驱动装置电动驱动、液压驱动、气动驱动机械传动机构齿轮传动、丝杠传动、带传动和链传动、绳索传动减速器行星齿轮减速器、谐波减速器、蜗轮蜗杆减速器末端执行器手爪、……312.3机器人的机械结构组成2.3.1驱动装置电动驱动伺服电机（交、直流）、步进电机、直流电机322.3机器人的机械结构组成2.3.1驱动装置电动驱动直接驱动电机（DirectDriveMotor）使用传统电机的转台使用直驱电机的转台v.s.332.3机器人的机械结构组成2.3.1驱动装置电动驱动直接驱动电机（DirectDriveMotor）电机转子直接与旋转工作台连接，电机定子则与安装基座固定在一起，直接驱动转台实现旋转运动。由于直驱电机直接与转动负载相连，因此在电机和负载之间实现了“零”传动，省却了齿轮、蜗轮蜗杆等复杂的传动件。由于电机结构的特殊设计，可实现低速大扭矩输出；电机具有很好的伺服刚性和动态特性，可使转台加速度增大，回转速度大幅度提高。结构简单、输出扭矩大、噪声低、速度和精确度高、控制容易、维护方便，可靠性高等。342.3机器人的机械结构组成2.3.1驱动装置液压驱动液压缸应用：冲压机、工程机械，等352.3机器人的机械结构组成2.3.1驱动装置液压驱动液压马达应用：工程车辆，等362.3机器人的机械结构组成2.3.1驱动装置气压驱动气缸、气动马达气缸组成：1、3–缓冲柱塞；2–活塞；4–缸筒；5–导向套；6–防尘圈；7–前端盖；8–气口；9–传感器；10–活塞杆；11–耐磨环；12–密封圈；13–后端盖；14–缓冲节流阀372.3机器人的机械结构组成2.3.1驱动装置气压驱动气缸的应用382.3机器人的机械结构组成2.3.2机械传动机构齿轮传动存在间隙，消除的方法包括：使用人字齿轮、消隙齿轮人字齿轮消隙齿轮392.3机器人的机械结构组成2.3.2机械传动机构丝杠传动和直线传动丝杠传动滚珠丝杠滑台402.3机器人的机械结构组成2.3.2机械传动机构丝杠传动和直线传动滚珠丝杠花键轴SCARA机器人412.3机器人的机械结构组成2.3.2机械传动机构丝杠传动和直线传动电动缸飞行模拟器422.3机器人的机械结构组成2.3.2机械传动机构带传动和链传动带传动链传动SCARA机器人432.3机器人的机械结构组成2.3.2机械传动机构绳索传动研究人员：国防科技大学，范大鹏教授，等三轴转台442.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器行星齿轮减速器452.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器行星齿轮减速器462.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器行星齿轮减速器472.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器蜗轮蜗杆减速器排爆机器人482.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器；是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。主要由三个基本构件组成：带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），它相当于行星系中的中心轮；带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），它相当于行星齿轮；波发生器，它相当于行星架。作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。492.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器谐波齿轮减速器柔轮刚轮波发生器502.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器谐波齿轮减速器柔轮刚轮波发生器交叉滚子轴承512.3机器人的机械结构组成2.3.3减速器RV减速器输