机器人第二章

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1、第一节第一节 概述概述第二节第二节 机身和臂部机构机身和臂部机构第三节第三节 手腕部机构手腕部机构第四节第四节 行走部机构行走部机构第五节第五节 机器人关节的驱动、传动机构机器人关节的驱动、传动机构第六节第六节 机器人的各种性能指标机器人的各种性能指标第七节第七节 并联机器人并联机器人1 机器人机构的分类2 机器人机构的运动3 机器人工作空间 直角坐标型直角坐标型 圆柱坐标型圆柱坐标型 球坐标型球坐标型 关节型关节型图1 四种坐标机器人第一节第一节 沿着三个互相垂直的轴线移动来改变手部的空间位置。其前三关节为移动关节（PPP）运动形式如图：1）直角坐标型机器人 该类操作机是通过两个移动和一个转

2、动（RPP）来实现手部的空间位置的变化，运动形式如图所示：2）圆柱坐标型机器人 该类操作机用两个转动和一个移动（RRP）来改变手部的空间位置，运动形式如图所示：3）球坐标型机器人 这类操作机是模拟人的上臂而构成的。它的前三个关节都是转动关节（RRR），运动形式如图所示：4）关节型机器人 1）机器人的运动自由度 运动自由度的定义 以自由度分类的机器人 自由度的分布定义：定义：用来确定手部相对于机身位置的每个独立变化的参数，称为机器人的自由度机器人的自由度。 任一自由的空间物体，须有六个自由度描述其在空间的位置和姿态，三个正交移动轴，决定物体的位置；三个绕坐标轴 的转动，决定物体的姿态变化。 称六

3、个自由度机器人为满自由度机器人满自由度机器人，少于六个自由度机器人为欠自由度机器人欠自由度机器人， 多于六个自由度机 器人为冗余自由度机器人冗余自由度机器人。第一节第一节 一般机器人的机身和手臂构成前三个关节，具有三个自由度，可确定手部在空间的位置，所构成的机构称位置机构位置机构； 手腕和手部构成后三个关节，具有三个自由度，可确定手部在空间的姿态，所构成的机构称之为姿态机构姿态机构。 位置机构确定机器人的 空间工作范围， 其运动称为 主运动主运动 。 图图2-3 PUMA操作机的各个自由度操作机的各个自由度 1机座机座 2腰部腰部 3臂部臂部 4腕部腕部 5手部手部2）机器人的运动范围指机器人

4、手腕在空间运动图形及其大小，运动范围取决于臂部的自由度。 （1）直移型：）直移型：直线运动L 伸缩运动E （2）回转型：）回转型：扭角运动T 摆角运动R第一节第一节1）定义：）定义： 手腕部坐标系原点PW能在空间活动的最大活动范围。又称可达空间 ，或总工作空间，记W(PW) 。 直角坐标机器人的直角坐标机器人的工作空间工作空间示意图示意图 圆柱坐标机器人的圆柱坐标机器人的工作空间示意图工作空间示意图 球坐标机器人的球坐标机器人的工作空间示意图工作空间示意图 PUMA机器人机器人工作空间示意图工作空间示意图 灵活工作空间灵活工作空间：末端执行器可以任意姿态达到 的工作空间，记作WP(P)。 类灵

5、活工作空间以全方位到达， 类灵活工作空间只能以有限个方位到达。次灵活工作空间次灵活工作空间：总工作空间去掉灵活工作空 间的部分，WS(P)。 W(P)总工作空间的边界点所对应的机器人的位置和姿态，及机器人工作空间内部使机械产生干涉的位置和姿态。 1）正问题：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，称工作空间分析。 2）逆问题：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，称工作空间的综合 。（1）解析法解析法 用数学模型计算工作空间的边界（2）图解法图解法 国标规定了工作空间的几何作图法 结构限制分析 画出工作空间的主剖面（

6、xoz剖面） 画出工作空间的俯视剖面（xoy剖面）1、机身和臂部的作用2、机身和臂部机构设计的特点3、机身结构4、臂部结构1）机身定义机身定义：机身是连接、支承手臂及行走机构的部件 作用作用：臂部的驱动装置或传动装置安装在机身上。 类型类型：机身有固定式和行走式两种。2）手臂定义手臂定义：手臂部件是连接机身和手腕的部件。 作用作用：支承腕部和手部，带动手及腕在空间运动。 特点特点：结构类型多、受力复杂。1）刚度）刚度 ：为了得到较高的精度，机器人机身和手臂的机械结构刚度比强度更重要。刚度可分为结构刚度、支承刚度、伺服刚度等。 根据受力情况，合理选择截面形状与尺寸； 提高支承刚度和接触刚度； 合

7、理布置作用力的位置和方向； 2）精度）精度 ：机器人的精度可分为绝对精度和重复定位精度。机器人终端执行器（手部）的精度与臂和机身的位置精度密切相关。影响机器人精度的因素有： 刚度 制造和装配精度 手腕部在手臂上的连接和定位方式 运动部件的导向精度3）平稳性）平稳性 ：机身和臂部的运动多、质量较大、当负荷大且高速运行时，由于运动状态变化，将产生冲击和振动。应采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。 运动部件力求结构紧凑、重量轻； 减少重心布置不当而造成的偏心附加力矩；4）其他：）其他：对特殊要求的要有相应措施，如防爆、防尘、防水、防真空、防辐射、防腐蚀等。 机身是支承手、臂且带其运动的部件，由于机器人

8、的运动形式、使用条件 、负荷能力各不相同，所采用的驱动装置，传动机构、导向装置亦不同，使机器人机身有很大差异，结构十分复杂。 分类分类: 1)横梁式横梁式 2)立柱式立柱式 3)屈伸式屈伸式 4)类人型类人型;垂直平面屈伸垂直平面屈伸水平平面屈伸水平平面屈伸（SCARA）空间屈伸空间屈伸基座与立柱结构图基座与立柱结构图 PUMA-262型机器人 臂部主要包括臂杆，以及自身屈伸、伸缩、自转等运动有关的传动、驱动、导向定位、支录、位置检测元件等，主要结构有： 伸缩型伸缩型 伸缩与旋转型伸缩与旋转型 屈伸型屈伸型 弹性手臂弹性手臂 柔性手臂柔性手臂手臂的结构形式(a)、 (b) 单臂式; (c) 双

9、臂式； (d) 悬挂式 双臂机器人的手臂结构 手臂俯仰驱动缸安置示意图 铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图 1、 概述概述2、手部手部机构机构3、腕部机构、腕部机构 （1）手部：手部：是最重要的执行机械，工业机器人 手部可分为： 1.夹持类 2.吸附类 （2）腕部腕部： 1.完成手部的俯仰，摆动和旋转； 2.智能机器人腕部具有力、力矩传感器。1）夹钳式手部的组成 手指手指 传动机构传动机构 驱动装置驱动装置夹钳式手部的组成 斜楔杠杆式手部 双支点连杆杠杆式手部 齿条齿轮杠杆式手部 直线平移型手部 四连杆机构平移型手部结构 真空吸附取料手 2）设计要点 开闭范围开闭范围； 夹紧力夹紧力； 定位

10、精度定位精度； 结构紧凑，重量轻，效率高结构紧凑，重量轻，效率高； 通用性和可换性通用性和可换性；第三节第三节气动换接器与专用末端操作器库 专用末端操作器库 多工位末端操作器换接装置(a) 棱锥型； (b) 棱柱型 手指形状手指形状V型手指 尖、薄、长型手指 平面型手指 特型手指 指面形状指面形状 光滑柔性 齿形 手指材料手指材料4） 设计要点设计要点 传力比； 传动效率； 传动比； 精度； 动作范围； 回转型回转型 斜楔杠杆式 连杆杠杆式 滑槽杠杆式 齿轮、齿条杠杆式 平移型平移型 平面平行移动机构 直线往复移动机构第三节第三节 钩托式钩托式 弹簧式弹簧式 气吸式气吸式 磁吸式磁吸式 挠性挠

11、性第三节第三节贝贝 尔尔 格格 莱莱 德德 手手 指指第三节第三节这这是是一一个个典典型型的的类类人人手手指指第三节第三节 1）关节的作用和分类 作用：作用：关节将机器人的各构件连接起来，机器人各构件间的相对运动，通过驱动、传动装置在各关节上实现的。主要有运动传递和力 传递。 分类分类：旋转型关节和直线移动型关节腕关节在机器人中很重要，以下主要讨论腕关节。第五节第五节 力求结构紧凑，重量轻：力求结构紧凑，重量轻：关节的结构、重量、动力载荷直接影响机器人的结构、重量和性能。 尤其是腕关节， 处于手臂的末端 有2-3个自由度和驱动装置 需较大的力矩和尽量轻的重量 综合考虑，合理布局：综合考虑，合理