1、機械制造裝備設(shè)計大連理工大學(xué)大連理工大學(xué) 馮辛安馮辛安 主編主編主講主講 制造教研室制造教研室 儲開宇儲開宇學(xué)時學(xué)時 5656第四章第四章 工業(yè)機器人的設(shè)計工業(yè)機器人的設(shè)計q 機器人是二十世紀(jì)出現(xiàn)的新名詞，可以廣義地把機器人理解為模仿人的機器。隨著機器人的發(fā)展，其模仿人的能力逐步在提高。q 工業(yè)機器人是用于生產(chǎn)的機器人。本世紀(jì)20年代出現(xiàn)了一種附屬在自動機、自動線上，代替人傳遞和裝卸工件的機械手。40年代出現(xiàn)了由作業(yè)者直接控制的半自動化操作機，60年代出現(xiàn)了可以自動控制的實現(xiàn)多種操作的工業(yè)機器人。q 工業(yè)機器人發(fā)展非常迅速，模仿人的能力越來越強，已經(jīng)開始出現(xiàn)具有學(xué)習(xí)和推理能力的智能機器人。4.

2、1.1 工業(yè)機器人及工作原理工業(yè)機器人及工作原理q 從模仿能力意義上來看，也可以把機械手、操作機和工業(yè)機器人統(tǒng)稱為“工業(yè)機器人”。q 目前世界各國對機器人還沒有一個統(tǒng)一的定義。q 我國國家標(biāo)準(zhǔn)GBT1264390將工業(yè)機器人定義為“是一種能自動控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。q 將操作機定義為“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”p 基本工作原理是通過操作機上各運動構(gòu)件的運動，自動地實現(xiàn)手部作業(yè)的動作功能及技術(shù)要求。p 1)二者的末端執(zhí)行器都有位姿變化要求，如機床在加工過程中，刀具相對工件有位姿變化要

3、求，機器人的手部在作業(yè)過程中相對機座也有位姿變化要求；p 2)二者都是通過坐標(biāo)運動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿變化要求。p 3)機床以按直角坐標(biāo)形式運動為主，而機器人以按關(guān)節(jié)形式運動為主；p 4)機床對剛度、精度要求很高，其靈活性相對較低；而機器人對靈活性要求很高，其剛度、精度相對較低。4.1.24.1.2工業(yè)機器人的構(gòu)成工業(yè)機器人的構(gòu)成(1)操作機 操作機是機器人的機械本體，也可稱為主機通常由末端執(zhí)行器及機座組成。操作機具有和人手臂相似的動作功能，其運動功能與機床一樣，一般也是由各個運動單元串聯(lián)組成。(2)驅(qū)動單元 由驅(qū)動裝置(如電動機、液壓或氣壓裝置)、減速器和內(nèi)部檢測元件等組成，為操作機各運動

4、部件提供動力和運動。(3)控制裝置 由檢測和控制兩部分組成，用來控制驅(qū)動單元，檢測其運動參數(shù)并進行反饋。p 2 2工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人的組成p 一般由執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成：一般由執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成：p 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu) p 執(zhí)行機構(gòu)是一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空執(zhí)行機構(gòu)是一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機械裝置，通常包括機座間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機械裝置，通常包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。p 末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器 末端執(zhí)行器（或稱手部）是機器人直末端執(zhí)行器（或稱手部）是機器人

5、直接執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。接執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。夾持器可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸夾持器可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。附等。p 手腕手腕 手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。p 手臂手臂 手臂是支承手腕與末端執(zhí)行器的部件。它由動手臂是支承手腕與末端執(zhí)行器的部件。它由動力關(guān)節(jié)和連桿組成，用來改變末端執(zhí)行器的空間位置。力關(guān)節(jié)和連桿組成，用來改變末端執(zhí)行器的空間位置。 p 機座機座 機座是工業(yè)機器人的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)機座

6、是工業(yè)機器人的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機座分為固定式和移動式。的載荷，機座分為固定式和移動式。p 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) p 控制系統(tǒng)用來控制工業(yè)機器人按規(guī)定要求動作?？煞譃榭刂葡到y(tǒng)用來控制工業(yè)機器人按規(guī)定要求動作?？煞譃殚_環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機器人采用開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機器人采用計算機控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級、策略級和執(zhí)行計算機控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級、策略級和執(zhí)行級三級：決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將作業(yè)級三級：決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將作業(yè)任務(wù)分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)任務(wù)分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)?/p>

7、關(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。p 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) p 驅(qū)動系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號放大，驅(qū)動系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。p 除此之外，機器人可以配置多種傳感器（如位置、力、除此之外，機器人可以配置多種傳感器（如位置、力、觸角、視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀觸角、視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀態(tài)。態(tài)。4.1.3 4.1.3 工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人的分

8、類(1)關(guān)節(jié)型機器人(圖a) 所謂關(guān)節(jié)就是運動副，由于關(guān)節(jié)型機器人的動作類似人的關(guān)節(jié)動作，故將其運動副稱為關(guān)節(jié)。一般的關(guān)節(jié)指回轉(zhuǎn)運動副，但關(guān)節(jié)型機器人中有時也包含有移動運動副，為了方便，可統(tǒng)稱為關(guān)節(jié)，包括回轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)和直線運動關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機器人的特點是靈活性好，工作空間范圍大(同樣占地面積情況下)，但剛度和精度較低。(2)球坐標(biāo)型機器人(圖b)又稱極坐標(biāo)型，按球坐標(biāo)形式動作(運動)。其特點是靈活性好，工作空間范圍大，但剛度、精度較差。(3)圓柱坐標(biāo)型機器人(圖c) 按圓柱坐標(biāo)形式動作。其特點是靈活性較好，工作空間范圍較大，剛度、精度較好。(4)直角坐標(biāo)型機器人(圖d) 與機床相似，按直角坐標(biāo)形

9、式動作。剛度和精度高，但靈活性差，工作空間范圍小。p工業(yè)機器人按用途和作業(yè)類別劃分：p焊接機器人； 具有三個或三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預(yù)定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具的機器。包括弧焊機器人、激光焊接機器人、點焊機器人等。 p沖壓機器人、p澆注機器人、p搬運機器人、p裝配機器人、p噴漆機器人、p切削加工機器人、p檢測機器人、p采掘機器人、p水下機器人等。p其它還有按控制方式、機器人的功能水平等分類方式。p 人操作機械手人操作機械手 是一種由操作人員直接進行操作是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。的具有幾個自由度的機械手。p 固定程序機器人固定程

10、序機器人 按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定作業(yè)任務(wù)的機械手。，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定作業(yè)任務(wù)的機械手。p 可編程序機器人可編程序機器人 它與固定程序機器人基本相同，它與固定程序機器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。但其工作次序等信息易于修改。p 程序控制機器人程序控制機器人 它的作業(yè)任務(wù)指令是由計算機程它的作業(yè)任務(wù)指令是由計算機程序向機器人提供的，其控制方式與數(shù)控機床一樣。序向機器人提供的，其控制方式與數(shù)控機床一樣。p 示教機器人示教機器人 這類機器人能夠按照記憶裝置存儲的這類機器人能夠按照記憶裝置存儲的信息來復(fù)現(xiàn)由人示教的動作，其示教動作可自動地

11、重信息來復(fù)現(xiàn)由人示教的動作，其示教動作可自動地重復(fù)執(zhí)行。復(fù)執(zhí)行。p 智能機器人智能機器人 采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應(yīng)的工件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。作任務(wù)。p 電力驅(qū)動電力驅(qū)動 電力驅(qū)動是目前采用最多的一種。早期多電力驅(qū)動是目前采用最多的一種。早期多采用步進電動機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機，現(xiàn)采用步進電動機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機，現(xiàn)在交流伺服電動機的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。這類驅(qū)動在交流伺服電動機的應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。這類驅(qū)動單元可以直接驅(qū)動機構(gòu)運動，也可以通過諧波減速器裝單元

12、可以直接驅(qū)動機構(gòu)運動，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅(qū)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。置減速后驅(qū)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。p 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的機器人具有很大的抓取能力，液壓驅(qū)動的機器人具有很大的抓取能力，可抓取質(zhì)量上百公斤的物體，油壓可達(dá)可抓取質(zhì)量上百公斤的物體，油壓可達(dá)7MPa7MPa，液壓傳動，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或低溫現(xiàn)場工作，需要配備一套液壓系統(tǒng)。低溫現(xiàn)場工作，需要配備一套液壓系統(tǒng)。p 氣動驅(qū)動氣動驅(qū)動 氣壓驅(qū)動的機器人結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速、氣壓驅(qū)動的機器人結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速、價格低廉，由于空氣可壓縮性，導(dǎo)致

13、工作速度穩(wěn)定性差價格低廉，由于空氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為，氣源壓力一般為0.7 MPa0.7 MPa，因此抓取力小，只能抓取重，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到幾十公斤的物體。量為幾公斤到幾十公斤的物體。4.1.44.1.4工業(yè)機器人的特性表示方工業(yè)機器人的特性表示方法法坐標(biāo)系按右手定則確定，如圖所示。絕對坐標(biāo)系機座坐標(biāo)系機械接口(與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的機械界面)坐標(biāo)系關(guān)節(jié)坐標(biāo)系(1)確定基準(zhǔn)狀態(tài) 一般可取機器人處于機械原點時的狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)。也可以取機器人各關(guān)節(jié)軸線(或大部分關(guān)節(jié)軸線)與機座直角坐標(biāo)系軸線平行時的狀態(tài)作為基準(zhǔn)狀態(tài)。(2)關(guān)節(jié)坐標(biāo)軸軸線位置的選取(3

14、)關(guān)節(jié)坐標(biāo)方向的選取 采用右手坐標(biāo)系，規(guī)定了X、Z軸的方向，y軸方向就自然確定了。各坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換簡單。4.1.3 4.1.3 工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人的分類p 機器人的機械結(jié)構(gòu)類型特征，用它的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式和自由度數(shù)表示。p 關(guān)于結(jié)構(gòu)坐標(biāo)形式已在機器人分類中作了敘述。自由度是表示工業(yè)機器人動作靈活程度的參數(shù)，以直線運動和回轉(zhuǎn)運動的獨立運動數(shù)表示。p 機器人的自由度數(shù)相當(dāng)于機床的軸數(shù)，都表示運動的個數(shù)。例如具有三個自由度的機器人稱為三自由度機器人，從運動功能上看，也可以把它稱為三坐標(biāo)機器人，或三軸機器人。p 工業(yè)機器人的自由度越多，靈活性越好，但結(jié)構(gòu)和控制越復(fù)雜。機器人的自由度數(shù)與原動件數(shù)

15、目相等。4.1.44.1.4工業(yè)機器人的特性表示方工業(yè)機器人的特性表示方法法p 工作空間指工業(yè)機器人正常運行時，手腕參考點(也可以用機械接口坐標(biāo)系原點)能在空間活動的最大范圍，用它來衡量機器人工作范圍的大小。機床的工作空間(加工空間)一般為長方體或圓柱體空間；而機器人的工作空間形狀復(fù)雜(見圖46)。p 包括用途、外形尺寸和質(zhì)量、負(fù)載、速度、驅(qū)動方式和動力源、控制、編程方法、性能、分辨率及環(huán)境條件等。4.1.54.1.5工業(yè)機器人的基本設(shè)計方法工業(yè)機器人的基本設(shè)計方法p 由前述工業(yè)機器人工作原理分析可知，工業(yè)機器人與機床在基本功能和基本工作原理上有相似之處，但其特征及要求不同。p 從設(shè)計方法學(xué)上

16、看，工業(yè)機器人的設(shè)計方法與機床設(shè)計方法基本相通，但其具體的設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計要求及設(shè)計技術(shù)又有很大差別。p 工業(yè)機器人總體方案的設(shè)計方法也可以分為分析式設(shè)計方法和創(chuàng)成式設(shè)計方法。p 1總體設(shè)計(1)基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計：p 1)用途，如搬運、點焊等等。p 2)額定負(fù)載。額定負(fù)載是指在機器人規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機械接口處所能承受負(fù)載的允許值。包括機器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量、抓取工件的質(zhì)量及慣性力(矩)，外界的作用力(矩)來確定。p 3)按作業(yè)要求確定工作空間，要考慮作業(yè)對象對機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)要求，以便為后續(xù)方案設(shè)計中的自由度設(shè)計提供依據(jù)。p 4)額定速度。指工業(yè)機器人在額定負(fù)載、勻速運動過程中，機

17、械接口中心的最大速度。由于機器人的總體結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計，故該階段只能概略估計。p 5)驅(qū)動方式的選擇。p 6)性能指標(biāo)。p 1總體設(shè)計(2)總體方案設(shè)計：p 1)運動功能方案設(shè)計。該階段的主要設(shè)計任務(wù)是設(shè)計確定機器人的自由度數(shù)、各關(guān)節(jié)運動的性質(zhì)及排列順序、在基準(zhǔn)狀態(tài)時各關(guān)節(jié)軸的方向。p 2)傳動系統(tǒng)方案設(shè)計。根據(jù)動力及速度參數(shù)、驅(qū)動方式等選擇傳動方式和傳動元件。p 3)結(jié)構(gòu)布局方案。根據(jù)機器人的工作空間、運動功能方案及傳動方案，確定關(guān)節(jié)的形式、各構(gòu)件的概略形狀和尺寸。p 4)參數(shù)設(shè)計。確定在基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計階段尚無法考慮的一些參數(shù)，如單軸速度、單軸負(fù)載、單軸運動范圍等。該項工作應(yīng)與第3項設(shè)計工作交

18、叉進行。p 5)控制系統(tǒng)方案設(shè)計。近期設(shè)計的工業(yè)機器人基本上都是采用計算機控制系統(tǒng)。p 6)總體方案評價。2詳細(xì)設(shè)計p 詳細(xì)設(shè)計內(nèi)容包括 裝配圖設(shè)計、零件圖設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。3總體評價p 總體設(shè)計階段所得的設(shè)計結(jié)果是各構(gòu)件及關(guān)節(jié)的概略形狀及尺寸，通過詳細(xì)設(shè)計將其細(xì)化了，而且總體設(shè)計階段尚未考慮的細(xì)節(jié)也具體化了，因此各部分尺寸會有一些變化，需要對設(shè)計進行總體評價，檢測其是否能滿足所需設(shè)計指標(biāo)的要求。4.2 4.2 工業(yè)機器人傳動功能設(shè)計工業(yè)機器人傳動功能設(shè)計10000mmmPRT 一 工業(yè)機器人位資的描述（位置和姿態(tài)） （一） 作業(yè)功能姿態(tài)的描述方法：用末端執(zhí)行器和機床坐標(biāo)系之間的齊次坐標(biāo)變換

19、來實現(xiàn)（202頁圖4-7） 1、末端執(zhí)行件：可以在XMYMZM坐標(biāo)系中實現(xiàn)，坐標(biāo)系OM,原點OM也可以在X0Y0Z0坐標(biāo)系中表示，坐標(biāo)系O0,原點O0 2、 末端執(zhí)行器相對于機床坐標(biāo)系OM的位姿 X0 Y0 Z0 1T = 0Tm0 0 0 1TXYZ和X0Y0Z0間平移變換注意：原點OM在坐標(biāo)系OM中的坐標(biāo)：Xm=Ym=Zm=0【0Tm】：末端執(zhí)行器位姿變化的矩陣，即O0與OM坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣 【0Rm】：旋轉(zhuǎn)變換矩陣【0Pm】：平移變換矩陣 機器人運動姿態(tài)描述法 1、0坐標(biāo)系經(jīng)平移變換到O1點，然后旋轉(zhuǎn)【0，0，R】與X1Y1Z1重合 2、 運動矩陣運動矩陣 約定：關(guān)節(jié)的運動量分別用約定：關(guān)節(jié)的運動量分別用 i（回轉(zhuǎn)量），（回轉(zhuǎn)量），Zi（直線運動（直線運動量）表示。量）表示。Oi與與Oi+1坐標(biāo)間的平移變換坐標(biāo)量用坐標(biāo)間的平移變換坐標(biāo)量用ai bi ciT 表示，表示， 旋轉(zhuǎn)變換量分別用繞旋轉(zhuǎn)變換量分別用繞Xi、Yi、Zi軸旋轉(zhuǎn)的角度軸旋轉(zhuǎn)的角度 i、 i、 i表表示示 iTi+1 表示表示Oi與與Oi+1坐標(biāo)間的齊次變換矩陣。