第四章工业机器人(2新)

机械制造装备设计大连理工大学冯辛安主编主讲制造教研室储开宇学时56第四章工业机器人的设计(一)机器人的定义机器人是二十世纪出现的新名词，可以广义地把机器人理解为模仿人的机器。随着机器人的发展，其模仿人的能力逐步在提高。工业机器人是用于生产的机器人。本世纪20年代出现了一种附属在自动机、自动线上，代替人传递和装卸工件的机械手。40年代出现了由作业者直接控制的半自动化操作机，60年代出现了可以自动控制的实现多种操作的工业机器人。工业机器人发展非常迅速，模仿人的能力越来越强，已经开始出现具有学习和推理能力的智能机器人。4.1.1工业机器人及工作原理从模仿能力意义上来看，也可以把机械手、操作机和工业机器人统称为“工业机器人”。目前世界各国对机器人还没有一个统一的定义。我国国家标准GB／T12643—90将工业机器人定义为“是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业”。将操作机定义为“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”(二)工业机器人的基本工作原理基本工作原理是通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。1)二者的末端执行器都有位姿变化要求，如机床在加工过程中，刀具相对工件有位姿变化要求，机器人的手部在作业过程中相对机座也有位姿变化要求；2)二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。3)机床以按直角坐标形式运动为主，而机器人以按关节形式运动为主；4)机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低。4.1.2工业机器人的构成(1)操作机•操作机是机器人的机械本体，也可称为主机•通常由末端执行器及机座组成。•操作机具有和人手臂相似的动作功能，其运动功能与机床一样，一般也是由各个运动单元串联组成。(2)驱动单元由驱动装置(如电动机、液压或气压装置)、减速器和内部检测元件等组成，为操作机各运动部件提供动力和运动。(3)控制装置•由检测和控制两部分组成，用来控制驱动单元，检测其运动参数并进行反馈。2．工业机器人的组成一般由执行机构、控制系统、驱动系统三部分组成：⑴执行机构执行机构是一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。①末端执行器末端执行器（或称手部）是机器人直接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。②手腕手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。③手臂手臂是支承手腕与末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。④机座机座是工业机器人的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式。⑵控制系统控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作。可分为开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机器人采用计算机控制，这类控制系统分为决策级、策略级和执行级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。⑶驱动系统驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。除此之外，机器人可以配置多种传感器（如位置、力、触角、视觉等传感器），用以检测其运动位置和工作状态。4.1.3工业机器人的分类1.按机械结构类型分类(1)关节型机器人(图a)•所谓关节就是运动副，由于关节型机器人的动作类似人的关节动作，故将其运动副称为关节。•一般的关节指回转运动副，但关节型机器人中有时也包含有移动运动副，为了方便，可统称为关节，包括回转运动关节和直线运动关节。•关节型机器人的特点是灵活性好，工作空间范围大(同样占地面积情况下)，但刚度和精度较低。•(2)球坐标型机器人(图b)•又称极坐标型，按球坐标形式动作(运动)。•其特点是灵活性好，工作空间范围大，但刚度、精度较差。•(3)圆柱坐标型机器人(图c)•按圆柱坐标形式动作。•其特点是灵活性较好，工作空间范围较大，刚度、精度较好。•(4)直角坐标型机器人(图d)•与机床相似，按直角坐标形式动作。•刚度和精度高，但灵活性差，工作空间范围小。2.按用途分类工业机器人按用途和作业类别划分：焊接机器人；具有三个或三个以上可自由编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具的机器。包括弧焊机器人、激光焊接机器人、点焊机器人等。冲压机器人、浇注机器人、搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切削加工机器人、检测机器人、采掘机器人、水下机器人等。其它还有按控制方式、机器人的功能水平等分类方式。3.按信息输入方式分①人操作机械手是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的机械手。②固定程序机器人按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定作业任务的机械手。③可编程序机器人它与固定程序机器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。④程序控制机器人它的作业任务指令是由计算机程序向机器人提供的，其控制方式与数控机床一样。⑤示教机器人这类机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现由人示教的动作，其示教动作可自动地重复执行。⑥智能机器人采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。4.按驱动方式分①电力驱动电力驱动是目前采用最多的一种。早期多采用步进电动机驱动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了迅速发展。这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速器装置减速后驱动机构，结构简单紧凑。②液压驱动液压驱动的机器人具有很大的抓取能力，可抓取质量上百公斤的物体，油压可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需要配备一套液压系统。③气动驱动气压驱动的机器人结构简单，动作迅速、价格低廉，由于空气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7MPa，因此抓取力小，只能抓取重量为几公斤到几十公斤的物体。4.1.4工业机器人的特性表示方法(一)坐标系•坐标系按右手定则确定，如图所示。•绝对坐标系•机座坐标系•机械接口(与末端执行器相联接的机械界面)坐标系•关节坐标系(一)坐标系•(1)确定基准状态•一般可取机器人处于机械原点时的状态作为基准状态。也可以取机器人各关节轴线(或大部分关节轴线)与机座直角坐标系轴线平行时的状态作为基准状态。•(2)关节坐标轴轴线位置的选取(3)关节坐标方向的选取•采用右手坐标系，规定了X、Z轴的方向，y轴方向就自然确定了。•各坐标系间的坐标变换简单。(二)机械结构类型机器人的机械结构类型特征，用它的结构坐标形式和自由度数表示。关于结构坐标形式已在机器人分类中作了叙述。自由度是表示工业机器人动作灵活程度的参数，以直线运动和回转运动的独立运动数表示。机器人的自由度数相当于机床的轴数，都表示运动的个数。例如具有三个自由度的机器人称为三自由度机器人，从运动功能上看，也可以把它称为三坐标机器人，或三轴机器人。工业机器人的自由度越多，灵活性越好，但结构和控制越复杂。机器人的自由度数与原动件数目相等。4.1.4工业机器人的特性表示方法(三)工作空间工作空间指工业机器人正常运行时，手腕参考点(也可以用机械接口坐标系原点)能在空间活动的最大范围，用它来衡量机器人工作范围的大小。机床的工作空间(加工空间)一般为长方体或圆柱体空间；而机器人的工作空间形状复杂(见图4—6)。(四)其它特性包括用途、外形尺寸和质量、负载、速度、驱动方式和动力源、控制、编程方法、性能、分辨率及环境条件等。4.1.5工业机器人的基本设计方法(一)工业机器人的设计方法由前述工业机器人工作原理分析可知，工业机器人与机床在基本功能和基本工作原理上有相似之处，但其特征及要求不同。从设计方法学上看，工业机器人的设计方法与机床设计方法基本相通，但其具体的设计内容、设计要求及设计技术又有很大差别。工业机器人总体方案的设计方法也可以分为分析式设计方法和创成式设计方法。(二)设计内容与步骤1．总体设计——(1)基本技术参数设计：1)用途，如搬运、点焊等等。2)额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口处所能承受负载的允许值。包括机器人末端执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力(矩)，外界的作用力(矩)来确定。3)按作业要求确定工作空间，要考虑作业对象对机器人末端执行器的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。4)额定速度。指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。5)驱动方式的选择。6)性能指标。1．总体设计——(2)总体方案设计：1)运动功能方案设计。该阶段的主要设计任务是设计确定机器人的自由度数、各关节运动的性质及排列顺序、在基准状态时各关节轴的方向。2)传动系统方案设计。根据动力及速度参数、驱动方式等选择传动方式和传动元件。3)结构布局方案。根据机器人的工作空间、运动功能方案及传动方案，确定关节的形式、各构件的概略形状和尺寸。4)参数设计。确定在基本技术参数设计阶段尚无法考虑的一些参数，如单轴速度、单轴负载、单轴运动范围等。该项工作应与第3项设计工作交叉进行。5)控制系统方案设计。近期设计的工业机器人基本上都是采用计算机控制系统。6)总体方案评价。2．详细设计详细设计内容包括装配图设计、零件图设计和控制系统设计。3．总体评价总体设计阶段所得的设计结果是各构件及关节的概略形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设计阶段尚未考虑的细节也具体化了，因此各部分尺寸会有一些变化，需要对设计进行总体评价，检测其是否能满足所需设计指标的要求。4.2工业机器人传动功能设计10000mmmPRT一．工业机器人位资的描述（位置和姿态）（一）作业功能姿态的描述方法：用末端执行器和机床坐标系之间的齐次坐标变换来实现（202页图4-7）1、末端执行件：可以在XM—YM—ZM坐标系中实现，坐标系OM,原点OM也可以在X0—Y0—Z0坐标系中表示，坐标系O0,原点O02、末端执行器相对于机床坐标系OM的位姿[X0Y0Z01]T=[0Tm][0001]TX—Y—Z和X0—Y0—Z0间平移变换注意：原点OM在坐标系OM中的坐标：Xm=Ym=Zm=0【0Tm】：末端执行器位姿变化的矩阵，即O0与OM坐标系间的齐次变换矩阵【0Rm】：旋转变换矩阵【0Pm】：平移变换矩阵二机器人运动姿态描述法1、0坐标系经平移变换到O1点，然后旋转【0，0，R】与X1—Y1—Z1重合2、运动矩阵约定：关节的运动量分别用i（回转量），Zi（直线运动量）表示。Oi与Oi+1坐标间的平移变换坐标量用[aibici]T表示，旋转变换量分别用绕Xi、Yi、Zi轴旋转的角度i、i、i表示[iTi+1]表示Oi与Oi+1坐标间的齐次变换矩阵。[Ti]表示第i关节的运动，Ti,i+k表示第Oi+k坐标系相对Oi坐标系的相对运动矩阵注：O0与Oi坐标系的位置矢量关系[X0Y0Z01]T=[0T1][T1][X1Y1Z11]T=[T0,1][X1Y1Z11]T图4-8推出齐次变换矩阵（上边）式中：1000010000001000c1000010000111111010CSSCTT100010000100101100000001003222223323,2zCSaSCTTT2=90°，z3为关节3沿Z3轴方向的直线运动量。2T1000010000002222rrrrCSSC3