96机器人的机械结构

第二章机器人的机械结构2.1机器人的组成和分类1机器人的组成机器人的机械结构、控制方式、驱动方式或传感器千差万别，但多数机器人由4个主要部件：机械部分，传感器，控制器，液压、气压、电力驱动源机械系统是具有传动执行装置的机械，由臂、关节和末端执行装置组成驱动系统为个部分提供动力，有4种感知系统收集机器人内部状态和外部环境信息控制系统从计算机接收指令，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息协调机器人运动工业机器人-环境交互系统实现工业机器人与外部环境的设备互相连接和协调的系统人机交互系统是使操作人员参与计算机控制并与机器人进行联系的装置、指令给定装置和信息显示装置2机器人的分类按照从低级→高级的发展程度可分为三类•可编程机器人•感知机器人•智能机器人按照结构形态、负载能力分•超大型机器人：负载能力1000kg以上•大型机器人：100-1000kg之间•中型机器人：10-100kg之间•小型机器人：0.1-10kg之间•超小型机器人：0.1kg以下按照应用领域工业机器人、农业机器人、军事机器人、医用机器人、空间机器人、水下机器人按照驱动方式•液压驱动：机构紧凑、力大、运行平稳，密封要求高•气压驱动：结构简单造价低，负荷能力小•电动驱动：结构简单紧凑，控制灵活•新型：记忆合金、人工肌肉、压电按控制方式分类(4种)伺服控制机器人：用伺服手段，包括位置、力等伺服方法进行控制的机人非伺服控制机器人：采用伺服以外的手段，如顺序控制、定位开关控制等进行控制的机器人，机器人无法确定自身位置CP控制机器人（连续轨迹伺服控制机器人）除了对起点和终点的要求以外，还对运动轨迹的中间各点有要求的控制方式，如弧焊机器人就是典型的CP控制机器人。PTP控制机器人（点位控制机器人）只对手部末端的起点和终点位置有要求，而对起点和终点的中间过程无要求的控制方式，如点焊机器人就是典型的PTP控制机器人．程序机器人操纵机器人示教再现机器人智能机器人按机器人控制器的信息输入方式来分遥控操作机器人视觉机器人移动机器人按代替人的器官方式来分按坐标形式分3机器人机构运动简图定义：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能的图形。目的：分析和记录机器人各种运动及运动组合（1）常见图形符号移动2移动1旋转2旋转1回转机构（2）5种典型机器人的机构简图直角坐标机器人：3个直线运动圆柱坐标机器人：1个回转运动，2个直线运动球坐标（极坐标）机器人：2个转动，1个直线运动关节坐标机器人：3个转动自由度SCARA机器人：2个旋转运动，1个直线运动机器人关节1关节2关节3转动关节数直角坐标PPP0圆柱坐标RPP1球坐标RRP2SCARARRP2关节坐标RRR3刚体在三维空间中有6个自由度，机器人要完成任意动作，需要6个自由度，工业机器人的运动由手臂和手腕运动组合而成，通常手臂有3个关节，用来改变手腕参考点的位置，手腕有3个关节，改变手爪的姿态2.2机器人的主要技术参数设计机器人，首先确定机器人的技术参数，再确定机械结构、坐标形式和传动装置.1、自由度：物体对于坐标系进行独立运动的数目。自由度的多少由机器人的机械结构决定，一般以沿轴线和绕轴线转动的独立运动数表示（末端执行器的动作不包括）。机器人自由度一般为4～6个，7个以上是冗余自由度。自由度数越多，越接近人手的动作机能，通用性好，动作灵活，但结构复杂，整体性要求高，两者互相矛盾。2、工作空间：机器人运动时手臂或手部安装点的空间活动的最大范围。不包括手本身到达的区域。3、工作载荷：在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量。4、工作速度：机器人在工作载荷下，匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心的最大速度。5、控制方式：机器人用于轴的控制方式，伺服/非伺服,PTP/CP6、驱动方式：关节执行器的动力源形式7、精度、重复精度、分辨率：用来定义机器人手部的定位能力。精度指机器人到达指定点的精确程度。它与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。重复精度指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关，还与传动机构的精度及机器人的动态性能有关。分辨率指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。2.3机器人的机械结构与运动1、机器人机械结构的组成机器人本体通常有以下各部组成（1）机身：基础部分起支撑作用（2）臂部：连接机身和手腕（3）手腕：连接手和手臂（4）手部：手爪或末端执行器机器人本体是机器人的重要组成部分，是所有的计算、分析、控制和编程的基础，最终要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机器人的本体各部分的结构、材料的选择直接影响整体性能。典型的工业机器人仅仅实现了人类胳膊和手的某些功能，也称为机器人操作机或机械手。2、机器人机构的运动机器人机构可以视为一种连杆机构，它的基本结构是将机构学中的杆件（link）和运动副（Pair）相互链接而构成的运动链。开式、半闭式、闭式运动链Stewart机构是典型的并联机器人．末端执行器的位置和姿态可由6个直线油缸的行程长度所决定，油缸的一端与基座通过二自由度的万向连轴节(铰链)相连，另一端(连杆)由三自由度的球—套关节(球面副)与末端执行器相连．这种机器人手臀的三个自由度与手腕的三个自由度集成在一起，具有闭环机构的共同特点：刚度高，但连杆的运动范围十分有限。3、机器人本体设计原则（1）按用户要求优化工作空间相关参数（2）优选材料、结构、工艺、提高速度及精度•材料选择：运动部分质量轻、强度高、弹性模量（刚度）大、价格经济，常用结构钢、铝合金、陶瓷、复合材料、纤维增强合金（3）应用机电一体化思想提高功能价格比（4）合理布置管线提高工作可靠性（5）考虑安全，防止人机事故2.4机器人的机身和手臂结构一、机身设计۩机身是直接连接、支撑和传动手臂与行走机构的部件。一般实现臂部运动的驱动及传动装置都安装在机身上。۩机身由臂部运动机构及导向装置和支撑件等组成。۩机身结构种类：升降回转型、俯仰型、直移行、类人机器人型。臂部运动越多，机身结构越复杂升降回转型：实现臂部的回转和升降运动如：圆柱坐标型机器人俯仰型：实现臂部的回转和上下俯仰运动如：球坐标机器人直移行：有导轨，多为悬挂式，机身作为横梁如：直角坐标机器人类人机器人：靠腿和腰的屈伸运动实现升降机身设计要注意的问题：(1)刚度和强度大，稳定性要好．(2)运动灵活，导套不宜过短，避免卡死．(3)驱动方式适宜．(4)结构布置合理．۩手臂是机器人的主要执行部件，作用是支撑腕部和手部，并带动它们运动。۩臂部由臂杆以及与其伸缩、自转等运动有关的构件组成。۩臂部结构种类①伸缩型臂部②转动伸缩型臂部③屈伸型臂部④专用机械传动臂部二、臂部设计行程小时，采用油(汽)缸直接驱动；当行程较大时，可采用油(汽)缸驱动齿条传动的倍增机构或采用步进电机或伺服电机驱动，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动．为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，手臂的伸缩机构要设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆．伸缩型臂部：图为采用四根导向柱的臂伸缩结构．手臂的垂直伸缩运动由油缸3驱动．其特点是行程长，抓重大．工件形状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，采用四根导向柱．这种结构多用于箱体加工线上．三、机器人机身和臂部的配置形式（4种）1.横梁式①单臂悬挂式②双臂悬挂式③多臂悬挂多用于自动化生产中，在工位间传送工件横梁式特点：占地面积小，大多为移动式，有效利用空间、直观等优点。2.立柱式（常见）①单臂配置②双臂配置立柱式特点：结构简单，占地面积小工作范围大，服务于某种主机，可承担上下料的工作3.机座式（常见）①手臂配置在机座顶端②手臂配置在机座立柱中间③手臂有单臂、双臂、多臂4.屈伸式①平面屈伸型②空间屈伸型2.5机器人的腕部和手部结构۩手腕是连接手臂和手部的结构部件，作用是支撑手部和确定手部的作业方向。۩手腕一般需要3个自由度：臂转、手转、腕摆1.腕部的典型结构①液压手腕结构②电动手腕结构柔顺装配技术机器人进行精密作业，被装配零件大小不一致，工件的定位夹具或机器人定位精度不满足要求，装配困难，需要柔顺装配技术主动柔顺装配：利用传感器测量反馈，边校正边装配，价格贵，速度慢被动柔顺装配：有机械柔顺环节，价格低，结构简单，速度快，但轴孔间隙不能太小2.手部的典型结构①夹钳类I.夹钳式II.托钩式III.弹簧式②吸附类I.气吸式II.磁吸式③仿人机器人手部柔性手、多指灵活手手部也叫末端执行器，它是安装在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。机器人手部的特点：（1）手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，也可能有电、气、液接头，可以方便的拆卸和更换手部。（2）手部是机器人的末端执行器。它可以像人手一样具有手指，也可以是进行专业作业的工具，比如喷漆枪、焊接工具等。（3）手部的通用性比较差。机器人手部通常是专用的装置，例如，一种手爪只能抓握一种或者几种在形状、尺寸、重量等方面近似的工件；一种工具只能执行一种作业任务。（4）手部是一个独立的部件，是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部件之一。具有复杂感知能力的智能化手爪的出现增加了机器人作业的灵活性和可靠性。♣夹钳式：常用结构包括手指、传动机构、驱动装置、支架手指：两指、多指；指端形状：V形、平面、尖指、特形指传动机构：回转型和平移型实现夹紧和松开的动作回转型传动机构♣钩托式：常用结构，适合大重量工件分为有驱动和无驱动两种♣弹簧式：受弹簧弹力限制，适合夹持小工件结构简单，不需要驱动装置♣气吸式：常用结构，适合非金属材料如玻璃、纸张、板材等由吸盘、吸盘架和进气系统组成分为真空式、负压式、挤压排气式对工件表面无损伤，且对工件预订的位置精度要求不高，但工件与吸盘接触的部分光滑平整，无空隙吸附类：适合大平面（单面接触无法抓取）、易碎、微小（不易抓取）的物体真空气吸♣磁吸式：吸附力大，但被吸工件存在剩磁高温下不能使用分为永久磁铁手部和电磁铁手部仿人机器人手：能进行复杂作业，如装配、维修、操作设备等♣柔性手：可对不同外形物体抓取，物体受力均匀♣多指灵活手：模仿人手，多指，每个手指有3个关节，独立控制手部的典型工具2.6机器人的行走结构۩行走机构是行走机器人的重要执行部件，作用是支撑机身、臂部和手部，并根据任务带动机器人运动。۩行走机构由驱动装置、传动机构、位置检测元件及线路组成。۩行走机构分为车轮式、履带式、足式、步进式、蠕动式、混合式、蛇形式1.车轮式行走机构：常用结构，适用于平坦坚硬的路面车轮有实心钢轮（轨道上）、充气轮胎（室外路面）、实心轮胎（室内平坦路面）车轮的个数为1轮、2轮、3轮、4轮、多轮机构2.履带式行走机构：适合野外工作，能适应各种地形，如山坡峡谷，可爬跃45度的斜坡或楼梯如履带式摊铺机、挖掘机3.足式行走机构：与履带式相比，适应性好例如：环境恶劣地面车辆不适合，但多足动物却行动自如足式运动方式的立足点是离散点，可以在能到达的地面上选择最优的支撑点，主动隔振能力强，在不平、松软的地面上速度快♣分为单足、双足、三、四、六、八足等♣双足和四足最接近人类和动物，灵活性好四足或多足行走机构：模仿动物，容易保持稳定和控制两足式步行机构：类人，具有最好的适应性和灵活性，是多自由度的控制系统，用现代控制理论。机构简单，但在控制静、动行走性能及稳定性和高速运动等方面非常困难。4.其他行走机构：特殊应用场合吸附爬行蛇形