机器人的基本结构原理

教案首页课程名称农业机器人任课教师李玉柱第2章机器人的基本结构原理计划学时3教学目的和要求：1.弄清机器人的基本构成；2.了解机器人的主要技术参数；3.了解机器人的手部、腕部和臂部结构；4.了解机器人的机身结构；5.了解机器人的行走机构重点：1.掌握机器人的基本构成2.弄清机器人都有哪些主要技术参数3.机器人的手部、腕部和臂部结构难点：机器人的手部、腕部和臂部结构思考题：1.机器人由哪些部分组成？2.机器人的主要技术参数有哪些？3.机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能否有其它类型的行走机构？第2章概论教学主要内容：2.1机器人的基本构成2.2机器人的主要技术参数2.3人的手臂作用机能初步分析2.4机器人的机械结构构成2.5机器人的手部2.6机器人的手臂2.7机器人的机身2.8机器人的行走机构本章介绍了机器人的基本构成、主要技术参数，人手臂作用机能，在此基础上对机器人的手部、手腕、手部、。机身、行走机构等原理及相关的结构设计进行讨论，使学生对机器人的机构和原理有较为清楚的了解。2.1机器人的基本构成简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同，通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等。如图2-1所示。图2-1机器人的基本构成机械．．系统．．是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开环运动学链系。连杆类似于人类的小臂、大臂等。关节通常分为转动关节和移动关节，移动关节允许连杆做直线移动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节-连杆结构所构成的机械结构一般有3个主要部件，即手、腕、臂，它们可在规定的范围上运动。驱动系统．．．．是使各种机械部件产生运动的装置。常规的驱动系统有气动传动、液压传动或电动传动，它们可以直接地与臂、腕或手上的机械连杆或关节连接在一起，也可以使用齿轮、带、链条等机械传动机构间接传动。感知系统．．．．由一个或多个传感器组成，用来获取内部和外部环境中的有用信息，通过这些信息确定机械部件各部分的运行轨迹、速度、位置和外部环境状态，使机械部件的各部分按预定程序或者工作需要进行动作。传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。控制系统．．．．其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。若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，控制系统又可分为程序控制系统、人机交互系统控制系统驱动系统机械系统感知系统机器人—环境交互系统控制部分机械部分传感部分适应性控制系统和人工控制系统。根据控制运动的形式，控制系统还可分为点位控制和规矩控制。机器人．．．-．环境交互系统．．．．．．是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人可与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元，也可以是多台机器人或设备集成为一个复杂任务的功能单元。人机交互系统．．．．．．是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行连续的装置。例如计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板及危险信号报警器等。归纳起来人机交互系统可分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。机器人作为一个系统，它由如下部件构成：机械手或移动车这是机器人的主体部分，由连杆，活动关节以及其它结构部件构成，使机器人达到空间的某一位置。如果没有其它部件，仅机械手本身并不是机器人。（相当于人的身体或手臂）末端执行器连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其他机构连接并执行需要的任务，机器人制造上一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。（相当于人的手）末端执行器安装在机器人上以完成给定环境中的任务，如焊接，喷漆，涂胶以及零件装卸等就是少数几个可能需要机器人来完成的任务。通常，末端执行器的动作由机器人控制器直接控制，或将机器人控制器的信号传至末端执行器自身的控制装置（如PLC）驱动器驱动器是机械手的“肌肉”。常见的驱动器有伺服电机，步进电机，气缸及液压缸等，也还有一些用于某些特殊场合的新型驱动器，它们将在第6章进行讨论。驱动器受控制器的控制。传感器传感器用来收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。机器人控制器需要知道每个连杆的位置才能知道机器人的总体构型。人即使在完全黑暗中也会知道胳膊和腿在哪里，这是因为肌腱内的中枢神经系统中的神经传感器将信息反馈给了人的大脑。大脑利用这些信息来测定肌肉伸缩程度进而确定胳膊和腿的状态。对于机器人，集成在机器人内的传感器将每一个关节和连杆的信息发送给控制器，于是控制器就能决定机器人的构型。机器人常配有许多外部传感器，例如视觉系统，触觉传感器，语言合成器等，以使机器人能与外界进行通信。控制器机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。假如要机器人从箱柜里取出一个零件，它的第一个关节角度必须为35°，如果第一关节尚未达到这一角度，控制器就会发出一个信号到驱动器（输送电流到电动机），使驱动器运动，然后通过关节上的反馈传感器（电位器或编码器等）测量关节角度的变化，当关节达到预定角度时，停止发送控制信号。对于更复杂的机器人，机器人的运动速度和力也由控制器控制。机器人控制器与人的小脑十分相似，虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大，但它却控制着人的运动。处理器处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并且监督控制器与传感器协调动作。处理器通常就是一台计算机（专用）。它也需要拥有操作系统，程序和像监视器那样的外部设备等。软件用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系统，用来操作计算机。第二块是机器人软件，它根据机器人运动方程计算每一个关节的动作，然后将这些信息传送到控制器，这种软件有多种级别，从机器语言到现代机器人使用的高级语言不等。第三块是例行程序集合和应用程序，它们是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉通用程序），或者是为了执行特定任务而开发的。在许多系统中，控制器和处理器放置在同一单元中。虽然这两部分放在同一装置盒内甚至集成在同一电路中，但他们有各自的功能。2.2机器人主要技术参数由于机器人的结构、用途和用户要求的不同，机器人的技术参数也不同。一般来说，机器人的技术参数主要包括自由度、工作范围、工作速度、承载能力、精度、驱动方式、控制方式等。自由度．．．机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人动作灵活的尺度。机器人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．通用性越好；．．．．．．但是自由度越多结构也越复杂。．．．．．．．．．．．．．．图2-2三自由度机器人图2-3六自由度机器人工作范围．．．．机器人的工作范围是指机器人手臂或手部安装点所能达到的空间区域。因为手部末端操作器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，这里指不安装末端操作器时的工作区域。机器人工作范围的形状和大小十分重要，机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能达到的作业死区而无法完成工作任务。机器人所具有的自由度数目机器组合决定其运动图形；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。工作速度．．．．指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。产品说明书中一般提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但是在实际应用中仅考虑最大稳定速度是不够的。这是因为运动循环包括加速启动、等速运行和减速制动三个过程。如果最大稳定速度高允许的极限加速度小，则加减速的时间就会长一些，即有效速度就要低一些。所以，在考虑机器人运动特性时，除了要注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加减速度。承载能力．．．．指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大负载，通常可以用质量、力矩、惯性矩来表示。承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。一般低速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓起的工件质量作为承载能力指标。图2-4排爆机器人定位精度、重复精度和分辨率．．．．．．．．．．．．．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。如果机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，变化的幅度代表重复精度．．．．。分辨率．．．是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。定位精度、重复精度和分辨率并不一定相关，它们是根据机器人使用要求设计确定的，取决于机器人的机械精度与电气精度。驱动方式．．．．是指机器人的动力源形式，主要有液压驱动、气压驱动和电力驱动等方式。控制方式．．．．指机器人用于控制轴的方式，目前主要分为伺服控制和非伺服控制。2.3人的手臂作用机能初步分析人的上肢大体上可以分为大臂、小臂、手部三大部分。大臂通过肩关节与躯干相连接，小臂与手之间通过腕关节相连接。手部由手掌与五个手指构成。从工程学的角度出发，将臂部从肩关节起到手腕关节的活动机能用自由度加以描述，则每个可看作缸体的部分，在空间都有沿x、y、z轴的三个移动自由度，以及绕x、y、z轴的三个转动自由度。人手共有27个自由度。图2-5人臂的自由度图2-6人手的自由度人的手指通过关节的屈伸，可以进行种种的复杂动作。尤其是大拇指与其他四指不同，它除了有与其他四指相同的屈伸功能外，还具有内外转动的机能，以及与其他四个指对向的机能，这种对向动作，大大提高了手的把握机能。从机构学的角度，将日常生活中常见手的握持动作大致可以区分。在考虑机械手的把握机能时，除必须考虑机械手自身的机构和机构外，还必须对对象物及环境等进行分析。作为机械手自身，存在手指的大小、形状、根数、手指接触表面的状态与手指的配置情况问题。同时，还存在一个为充分发挥其作用，全体所具有的自由度数问题。对象物的条件请参见表2-1，P13对于有条件约束的机械手，在确定手指所需握力时还应考虑由于惯性与振动的影响而产生的附加力。如果在机械手上再加上感知性传感元件，感知到手指表面是否接触到对象物，抓着对象物时的强弱，以及被加在手上的外力大小，手指的开闭程度等，就成了具有智能的高级机械手。2.4机器人机械结构组成通常机器人由手部、手腕、手臂。机身和行走机构组成。手部机器人为了进行作业，通常在手腕上配置的操作机构，也称末端操作器。其主要作用是抓取物体，对其进行相关操作。手腕连接手部和手臂的部件，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传到手臂。它有独立的自由度，以使机器人的手能满足复杂的动作要求。手臂连接机身和手腕的部分，主要作用是把被抓取的工件运送到给定的位置，并将各种载荷传递到机座。机身它是机器人的基础部分，起支承作用。固定式机器人的机身直接连在地面或者平台上，移动式机器人的机身安装在移动机构上。移动机构移动机器人需要移动机构，它能根据工作任务的要求，带动机器人在一定范围空间内运动。机器人的手部是最重要的执行机构，可分为：工业机器人的手部和仿人机器人的手部。工业机器人的手部2.4.1夹钳式手部它一般由手指和驱动装置、传动机构和承接支架组成，能通过手抓的开闭动作实现对物件的夹持。图2-8夹钳式手部1-手指；2，4-传动机构3-驱动装置；5-工件1.手指手指是直接与物件接触的构件。手指的张开和闭合实现了松开和加紧物件。通常机器人的手部只有两个手指，也有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。把持机能良好的机械手，除手指具有适当的开闭范围、足够的握力与相应的精度外，其手指的形状应顺应被抓取对象物的形状。例如，对象物若为圆柱形，则往往采样V形手指，