智能控制與檢測技術(shù)任務(wù)7.2機器人基礎(chǔ)認知機器人名稱的由來

機器人的英文名詞是Robot，Robot一詞最早出現(xiàn)在1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克（KarelCapek）所寫的一個劇本中，這個劇本的名字為《Rossum’sUniversalRobots》，中文意思是“羅薩姆的萬能機器人”。劇中的人造勞動者取名為Robota，捷克語的意思是“苦力”、“奴隸”。英語的Robot一詞就是由此而來的，以后世界各國都用Robot作為機器人的代名詞。工業(yè)機器人定義工業(yè)機器人機身常見結(jié)構(gòu)類型工業(yè)機器人控制系統(tǒng)組成工業(yè)機器人典型結(jié)構(gòu)2.17

在工程實際中，機器人本體也被稱為操作機、機械臂、機械手等。大多數(shù)機器人本體是具有幾個自由度的關(guān)節(jié)式機械結(jié)構(gòu)。焊接機器人通常具有6個自由度，其中3個自由度引導(dǎo)到末端工具到達所需位置，另外3個自由度用于控制工具的姿態(tài)。工業(yè)機器人機身結(jié)構(gòu)2.1

工業(yè)機器人機身是直接連接、支承和傳動手臂及行走機構(gòu)的部件。它是由臂部運動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。1．回轉(zhuǎn)與升降型機身結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)與升降型機身結(jié)構(gòu)主要由實現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)和升降運動的機構(gòu)組成。工業(yè)機器人機身結(jié)構(gòu)2.12．回轉(zhuǎn)與俯仰型機身機構(gòu)回轉(zhuǎn)與俯仰型機器人的機身主要由實現(xiàn)手臂左右回轉(zhuǎn)和上下俯仰運動的部件組成，它用手臂的俯仰運動部件代替手臂的升降運動部件。手臂俯仰驅(qū)動缸安置示意圖工業(yè)機器人機身結(jié)構(gòu)2.13．直移型機身結(jié)構(gòu)直移型機器人多為懸掛式的，其機身實際上就是懸掛手臂的橫梁。為使手臂能沿橫梁平移，除了要有驅(qū)動和傳動機構(gòu)外，導(dǎo)軌是一個重要的構(gòu)件。4．類人機器人型機身結(jié)構(gòu)類人機器人的機身上除裝有驅(qū)動臂部的運動裝置外，還應(yīng)裝有驅(qū)動腿部運動的裝置和腰部關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2

手臂部件（簡稱臂部）是機器人的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動，工業(yè)機器人腕部的空間位置及其工作空間都與臂部的運動和臂部的參數(shù)有關(guān)。一、機器人臂部的組成

機器人的手臂主要包括臂桿以及與其伸縮、屈伸或自轉(zhuǎn)等運動有關(guān)的構(gòu)件，如傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支撐聯(lián)接和位置檢測元件等。

根據(jù)臂部的運動和布局、驅(qū)動方式、傳動和導(dǎo)向裝置的不同可分為：伸縮型臂部結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動伸縮型臂部結(jié)構(gòu)，屈伸型臂部結(jié)構(gòu)，其他專用的機械傳動臂部結(jié)構(gòu)。工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2一、機器人機身和臂部的配置機身和臂部的配置形式基本上反映了機器人的總體布局。1．橫梁式配置機身設(shè)計成橫梁式，用于懸掛手臂部件通常分為單臂懸掛式和雙臂懸掛式兩種。具有占地面積小、能有效利用空間、動作簡單直觀等優(yōu)點。a）單臂懸掛式b）雙臂懸掛式工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2一、機器人機身和臂部的配置2．立柱式配置立柱式機器人多采用回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型的運動型式，是一種常見的配置形式。通常分為單臂式和雙臂式兩種。具有占地面積小而工作范圍大的特點。a）單臂式

b）雙臂式工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2一、機器人機身和臂部的配置3．機座式配置機身設(shè)計成機座式，這種機器人可以是獨立的、自成系統(tǒng)的完整裝置，可以隨意安放和搬動。a）單臂回轉(zhuǎn)式

b）雙臂回轉(zhuǎn)式

c）多臂回轉(zhuǎn)式工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2一、機器人機身和臂部的配置4．屈伸式配置屈伸式機器人的臂部由大小臂組成，大小臂間有相對運動，稱為屈伸臂。a）平面屈伸式b）立體屈伸式工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2二、機器人臂部機構(gòu)機器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）構(gòu)成。1．手臂直線運動機構(gòu)1—手部2—夾緊缸3—油缸4—導(dǎo)向柱5—運行架6—行走車輪7—導(dǎo)軌8—支座機器人手臂的伸縮、升降及橫向（或縱向）移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復(fù)直線活塞和連桿機構(gòu)等運動的機構(gòu)形式較多。工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2二、機器人臂部機構(gòu)2．臂部俯仰機構(gòu)1—手部2—夾緊缸3—升降缸4—小臂5、7—擺動氣缸6—大臂8—立柱機器人手臂的俯仰運動一般采用活塞（氣）缸與連桿機構(gòu)聯(lián)用來實現(xiàn)。鉸接活塞缸實現(xiàn)手臂俯仰運動結(jié)構(gòu)示意圖工業(yè)機器人臂部結(jié)構(gòu)2.2二、機器人臂部機構(gòu)3．臂部回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu)手臂回轉(zhuǎn)與升降機構(gòu)常采用回轉(zhuǎn)缸與升降缸單獨驅(qū)動，適用于升降行程短而回轉(zhuǎn)角度小于360°的情況，也有采用升降缸與氣動馬達-錐齒輪傳動的結(jié)構(gòu)。工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)2.3腕部是聯(lián)接手臂和手部的結(jié)構(gòu)部件，它的主要作用是確定手部的作業(yè)方向。因此它具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復(fù)雜的姿態(tài)調(diào)整。要確定手部的作業(yè)方向，一般需要三個自由度，這三個回轉(zhuǎn)方向為：臂轉(zhuǎn)：指腕部繞小臂軸線方向的旋轉(zhuǎn)，也稱作腕部旋轉(zhuǎn)；腕擺：指手部繞垂直小臂軸線方向進行旋轉(zhuǎn)，腕擺分為俯仰和偏轉(zhuǎn)，其中同時具有俯仰和偏轉(zhuǎn)運動的稱作雙腕擺；手轉(zhuǎn)：指手部繞自身的軸線方向旋轉(zhuǎn)。20腕部坐標(biāo)系腕部彎曲（手轉(zhuǎn)）腕部側(cè)擺（腕擺）腕部旋轉(zhuǎn)（臂轉(zhuǎn)）工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)2.3一、機器人手腕的典型結(jié)構(gòu)a）臂轉(zhuǎn)R手腕b）俯仰B手腕c）偏轉(zhuǎn)B手腕

d）T手腕1．手腕的分類（1）單自由度手腕R關(guān)節(jié)：組成轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)的兩個構(gòu)件自身幾何回轉(zhuǎn)中心和轉(zhuǎn)動副回轉(zhuǎn)軸線重合，多數(shù)情況下，手腕的關(guān)節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線。B關(guān)節(jié):組成轉(zhuǎn)動副關(guān)節(jié)的兩個構(gòu)件自身幾何回轉(zhuǎn)中心和轉(zhuǎn)動副回轉(zhuǎn)軸線垂直，多數(shù)情況下，關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直。翻轉(zhuǎn)手腕、折曲手腕與移動手腕1)翻轉(zhuǎn)（roll）手腕簡稱R手腕，該手腕關(guān)節(jié)的Z軸與手臂縱軸線構(gòu)成共軸線形式，這種R手腕旋轉(zhuǎn)角度大，可達360°以上。2)折曲（bend）手腕

簡稱B手腕，該手腕關(guān)節(jié)的X軸、Y軸線與手臂縱軸線相垂直。這種B關(guān)節(jié)因為受到結(jié)構(gòu)上干涉，旋轉(zhuǎn)角度小，大大限制了方向角。3)移動手腕簡稱T手腕，該手腕關(guān)節(jié)做直線移動。工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)2.3二自由度手腕a）BR手腕b）BB手腕c）RR手腕1．手腕的分類（2）二自由度手腕工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)2.3一、機器人手腕的典型結(jié)構(gòu)1．手腕的分類（3）3自由度手腕工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)2.3二、柔順手腕結(jié)構(gòu)柔順手腕是順應(yīng)現(xiàn)代機器人裝配作業(yè)產(chǎn)生的一項技術(shù)，它主要被應(yīng)用于機器人軸孔裝配作業(yè)中。柔順手腕可主動或被動的調(diào)整裝配體之間的相對位姿，補償裝配誤差，以順利完成裝配作業(yè)。移動擺動柔順手腕

柔順手腕動作過程工業(yè)機器人手部結(jié)構(gòu)2.4一、工業(yè)機器人手部的特點手部是裝在機器人手腕末端法蘭(flange)上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。機器人的手部也叫末端執(zhí)行器，它分為兩類：手部和專用操作器。1．手部與手腕相連處可拆卸根據(jù)夾持對象的不同，手部結(jié)構(gòu)會有差異，通常一個機器人配有多個手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。2．手部是機器人末端操作器可以是類人的手爪，也可以是進行專業(yè)作業(yè)的工具，比如裝在機器人手腕上的噴槍、焊槍等。工業(yè)機器人手部結(jié)構(gòu)2.4一、工業(yè)機器人手部的特點3．手部的通用性比較差機器人手部通常是專用的裝置，比如：一種手爪往往只能抓握一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近似的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。4．手部是一個獨立的部件假如把手腕歸屬于手臂，那么機器人機械系統(tǒng)的三大件就是機身、手臂和手部。手部對于整個工業(yè)機器人來說是完成作業(yè)好壞、作業(yè)柔性好壞的關(guān)鍵部件之一。工業(yè)機器人手部結(jié)構(gòu)2.4工業(yè)機器人手部結(jié)構(gòu)2.4平面平行移動機構(gòu)工業(yè)機器人手部結(jié)構(gòu)2.4滑槽杠桿式抓取機構(gòu)工業(yè)機器人手部結(jié)構(gòu)2.4雙支點連接杠桿式工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5一、驅(qū)動裝置1．液壓驅(qū)動裝置液壓驅(qū)動裝置輸出力矩大，可省去減速裝置，直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，但是響應(yīng)較慢，驅(qū)動精度不高。需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合。故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。2．氣動驅(qū)動裝置氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用，但與液壓驅(qū)動裝置相比，輸出力矩較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5一、驅(qū)動裝置3．電動驅(qū)動裝置電動驅(qū)動裝置的能源簡單，速度變化范圍，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動比較困難，電動驅(qū)動裝置又可分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。電動驅(qū)動裝置ａ)直流有刷電機

ｂ)盤式直流無刷電機

ｃ)步進電機

ｄ)伺服電機36

電動驅(qū)動器是目前使用最廣泛的驅(qū)動器。它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動比較困難。電動驅(qū)動器又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度、小功率機器人系統(tǒng)。直流伺服電動機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進步，近年來交流伺服電動機正逐漸取代直流伺服電動機而成為機器人的主要驅(qū)動器。工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5一、驅(qū)動裝置工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5一、驅(qū)動裝置工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5一、驅(qū)動裝置工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5一、驅(qū)動裝置工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)1．直線驅(qū)動機構(gòu)（1）齒輪齒條裝置工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)1．直線驅(qū)動機構(gòu)（1）齒輪齒條裝置工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)1．直線驅(qū)動機構(gòu)（2）滾珠絲杠滾珠絲杠的摩擦力很小且運動響應(yīng)速度快,傳動效率高。工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)1．直線驅(qū)動機構(gòu)（3）液壓傳動（4）同步帶滑臺工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)2．旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)（1）輪系輪系是由兩個或兩個以上的齒輪組成的傳動機構(gòu)，它不但可以傳遞運動角位移和角速度，而且可以傳遞力和力矩。工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)2．旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)（2）同步齒形帶工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)2．旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)（3）諧波減速器諧波齒輪傳動機構(gòu)由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成。工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)2．旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)（3）諧波減速器工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)2．旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)（4）RV減速器

相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度。因此在關(guān)節(jié)型機器人中，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；行星減速器一般用在直角坐標(biāo)機器人上。同時，RV減速機較機器人中常用的諧波傳動具有高得多的疲勞強度、剛度和壽命，而且回差精度穩(wěn)定。工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5二、傳動機構(gòu)2．旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)（4）RV減速器

行星齒輪減速器是一種動力傳達機構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將馬達的回轉(zhuǎn)速度減速到適當(dāng)速度，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機構(gòu)。行星齒輪減速器傳動軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪以達到減速的目的。工業(yè)機器人驅(qū)動與傳動2.5三、工業(yè)機器人的制動器

許多機器人的機械臂都需要在各關(guān)節(jié)處安裝制動器，其作用是：在