2018/9/18,武汉理工大学机电学院,1/68,第七章 工业机器人,二、工业机器人的机械结构,一、概述,三、工业机器人控制系统,四、工业机器人运动及动力学分析,五、工业机器人机器人轨迹规划,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,2/68,关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。,连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分。,2.1 相关术语,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,3/68,定位精度（Positioning accuracy）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。,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。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,4/68,工作空间（Working space）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。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,5/68,注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。,（a）表示手指（末端执行器）； （b）表示垂直、升降运动； （c）表示水平伸缩运动； （d）表示回转运动； （e）表示俯仰运动。,机构运动简图,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,6/68,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,7/68,关节名称,Translational motion Linear joint (L型)线性关节 Orthogonal joint (O型)正交关节Rotary motion Rotational joint (R型) 销轴回转关节 Twisting joint (T型)同轴回转关节 Revolving joint (V型)V型回转关节,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,8/68,关节配置,关节符号用字母L, O, R, T, V表示； 手腕用冒号 :与机体及手臂分开。关节配置例: TLR : TR,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,9/68,Polar Coordinate Body-and-Arm Assembly,Notation : TRL,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,10/68,Cylindrical Body-and-Arm Assembly,Notation : TLO,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,11/68,Cartesian Coordinate Body-and-Arm Assembly,Notation : LOO,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,12/68,Jointed-Arm Robot,Notation : TRR,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,13/68,2.2 工业机器人的结构,手部(末端执行器) 驱动系统 传动机构 手臂 手腕 机身（座）,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,14/68,1. 手部(末端执行器),手部也叫末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上，用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的作业。1) 手部的特点(1) 手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。,手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,15/68,(2) 手部是末端操作器可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是专用工具。(3) 手部是一个独立的部件工业机器人通常分为三个大的部件：机身、手臂（含手腕）、手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。 (4) 手部的通用性比较差工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,16/68,每个手指有三个或四个关节。技术关键是手指之间的协调控制。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,17/68,末端操作器图例(2),手部是焊枪,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,18/68,2) 手部的设计要求,具有足够的夹持力。保证适当的夹持精度手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工件形成所要求的约束。考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑。智能化手部还应配有相应的传感器由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,19/68,3) 手部的构成,主要由手指、驱动机构和传动机构组成。 4) 手部的分类 (1) 按用途分 手爪：具有一定的通用性。主要功能是抓住工件、握持工件、释放工件。抓住：在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的准确的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。握住：确保工件在搬运过程中或零件装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。释放：在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。 工具：进行作业的专用工具。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,20/68,(2) 按夹持方式分,外夹式手部与被夹件的外表面相接触。内撑式手部与工件的内表面相接触。内外夹持式手部与工件的内、外表面相接触。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,21/68,夹持方式图例,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,22/68,(3) 按手爪的运动形式分,回转型当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。平移型当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,23/68,回转型图例,压缩弹簧,拉伸弹簧,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,24/68,平动型图例,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,25/68,平移型图例,该丝杆的螺纹具有什么特点？,此时手部是张开还是合拢？,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,26/68,(4) 按夹持原理分,手指式：外夹式、内撑式、内外夹持式。平移式、平动式、旋转式。二指式、多指式。单关节式、多关节式。吸盘式：负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,27/68,5) 典型结构,(1) 机械式手爪结构气动驱动手爪：气缸驱动活塞平移齿条移动扇形齿轮摆动连杆机构摆动手爪平动其它四种机械式手爪机构,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,28/68,气动手爪图例,问题： 1、分析手部的运动。 2、手部作的是什么类型运动？,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,29/68,机械手爪图例,重力式手爪,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,30/68,(2) 电磁吸盘,电磁吸盘的结构： 主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。工作原理：夹持工件：线圈通电空气间隙的存在线圈产生大的电感和启动电流周围产生磁场(通电导体一定会在周围产生磁场)吸附工件放开工件：线圈断电磁吸力消失工件落位,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,31/68,适用范围： 适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。适合于定位精度要求不高的工件。合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,32/68,电磁吸盘图例,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,33/68,(3) 真空式吸盘,构成:由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。工作原理：形成真空吸附工件：电机真空泵3电磁阀左侧从吸盘5处抽气释放工件：电机、泵停转大气经6口 4电磁阀左侧 3电磁阀右侧送气至吸盘5处,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,34/68,真空吸盘结构图例,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,35/68,6) 手部结构的应用实例,(1) 平行指手爪机构,工作原理：回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,36/68,(3) 上料吸盘A,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,37/68,(4) 上料吸盘B,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,38/68,2. 驱动系统,工业机器人驱动系统主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种形式。每种方式都有直线型和旋转型。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,39/68,各种主要驱动方式特点的比较,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,40/68,3. 传动机构,传动机构用来将原动机发出的机械能传递给关节或其他工作部分，以实现机器人各种运动。常用传动方案如下表所示。常用传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带及链传动等。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,41/68,1) 齿轮传动,谐波减速器RV减速器：内齿轮为带滚针的圆弧齿，外齿轮采用周摆线齿，内外齿轮在整个圆周上始终保持啮合。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,42/68,RV减速器工作原理图,RV减速器特点 传动比范围大； 扭转刚度大； 高精度和小间隙回差； 传动效率高； 结构紧凑。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,43/68,2) 螺旋传动,螺旋传动可实现旋转运动和平移运动的转换。螺旋传动均匀准确，主动件上作用较小扭矩，即可在从动件上获得很大的轴向力。螺杆旋转一周，螺母只移动一个导程。按摩擦性质分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。滑动螺旋：丝杠螺母副滚动螺旋：滚珠丝杠副静压螺旋：变滑动、滚动摩擦为流体自身的粘性力摩擦，如使用气体静压螺旋，则摩擦力很小，但承载能力也小。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,44/68,滑动螺旋传动原理图,滚动螺旋传动内部结构图,滚珠丝杠实物图,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,45/68,静压螺旋传动内部结构示意图,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,46/68,3) 带、链传动,工业机器人中的带传动主要指同步齿形带传动，链传动主要指精密套筒滚子链传动。主要用于平行轴之间的传动。,4) 其他传动方式,除上述三种主要传动形式外，工业机器人中还有采用液压传动、气压传动、连杆机构和凸轮机构等。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,47/68,4. 手臂,手臂用来调节末端执行器在空间的位置，或把工件、工具运送到工作范围内的指定位置上。一般具有三个自由度，这些自由度可以是移动副、绕同轴回转的回转副和绕销轴摆转的回转副。关节型机器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是关节。回转关节用来连接手臂与机座、手臂相邻杆件及手臂与手腕，并实现两构件间的相对回转(或摆动)。它由驱动器、回转轴和轴承组成。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,48/68,驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。这种驱动方式具有以下特点：A. 机械传动精度高；B. 振动小，结构刚性好；C. 结构紧凑，可靠性高；D. 电机的重量会增加转动负担。,2018/9/18,武汉理工大学机电学院,49/68,回转关节回转轴与驱动器装在同一轴上。SCARA型机器人中常用。本形式位置精度高，但应注意加强手臂刚度和选择紧凑的减速装置。,