第7章工业机器人课件.ppt

2022/7/29武汉理工大学机电学院1/68第七章第七章 工业机器人工业机器人二、工业机器人的机械结构二、工业机器人的机械结构一、概述一、概述三、工业机器人控制系统三、工业机器人控制系统四、工业机器人运动及动力学分析四、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五、工业机器人机器人轨迹规划2022/7/29武汉理工大学机电学院2/68关节（关节（Joint）：即运动副，）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构发生相对运动的机构连杆连杆（Link）：）：机器人手臂上机器人手臂上被相邻两关节分开的部分被相邻两关节分开的部分BaseLink0Joint1Link2Link3Joint3End of ArmLink1Joint22.1 2.1 相关术语相关术语相关术语相关术语2022/7/29武汉理工大学机电学院3/68定位精度（定位精度（Positioning accuracy）指指机机器器人人末末端端参参考考点点实实际际到到达达的的位位置与所需要到达的理想位置之间的差距置与所需要到达的理想位置之间的差距重复性（重复性（Repeatability）或重复精度）或重复精度：在在相相同同的的位位置置指指令令下下，机机器器人人连连续续重重复复若若干干次次其其位位置置的的分分散散情情况况。

它它是是衡衡量量一一列列误误差差值值的的密密集集程程度度，即即重重复复度oo2022/7/29武汉理工大学机电学院4/68工作空间工作空间（Working space）机器人手腕参机器人手腕参考点或末端操作器考点或末端操作器安装点（不包括末安装点（不包括末端操作器）所能到端操作器）所能到达的所有空间区域，达的所有空间区域，一般不包括末端操一般不包括末端操作器本身所能到达作器本身所能到达的区域2022/7/29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）；）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直、升降运动；）表示垂直、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；）表示水平伸缩运动；（d）表示回转运动；）表示回转运动；（e）表示俯仰运动表示俯仰运动机构运动简图机构运动简图机构运动简图机构运动简图2022/7/29武汉理工大学机电学院6/681234561234562022/7/29武汉理工大学机电学院7/68关节名称关节名称qTranslational motionLinear joint(L型)线性关节线性关节Orthogonal joint(O型)正交关节正交关节qRotary motionRotational joint(R型)销轴回转关节销轴回转关节Twisting joint(T型)同轴回转关节同轴回转关节Revolving joint(V型)V型回转关节型回转关节2022/7/29武汉理工大学机电学院8/68关节配置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:TR2022/7/29武汉理工大学机电学院9/68Polar Coordinate Body-and-Arm AssemblyNotation:TRL2022/7/29武汉理工大学机电学院10/68Cylindrical Body-and-Arm AssemblyNotation:TLO2022/7/29武汉理工大学机电学院11/68Cartesian Coordinate Body-and-Arm Assembly Notation:LOO2022/7/29武汉理工大学机电学院12/68Jointed-Arm RobotNotation:TRR2022/7/29武汉理工大学机电学院13/682.2 工业机器人的结构工业机器人的结构1.手部手部(末端执行器末端执行器)2.驱动系统驱动系统3.传动机构传动机构4.手臂手臂5.手腕手腕6.机身（座）机身（座）2022/7/29武汉理工大学机电学院14/681.手部手部(末端执行器末端执行器)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。

的作业1)手部的特点手部的特点 (1)手部与手腕相连处可拆卸手部与手腕相连处可拆卸 手手部部与与手手腕腕处处有有可可拆拆卸卸的的机机械械接接口口：根根据据夹夹持持对对象象的的不不同同，手手部部结结构构会会有有差差异异，通通常常一一个个机机器器人人配配有有多多个个手手部部装装置置或或工工具具，因因此此要要求求手手部部与与手手腕腕处处的的接接头头具具有有通通用性和互换性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动方式不同造成对这些部件的接口一定要求具有互换性2022/7/29武汉理工大学机电学院15/68(2)手部是末端操作器手部是末端操作器 可以具有手指，也可以不具有可以具有手指，也可以不具有手指手指；可以有手爪，也可；可以有手爪，也可以是专用以是专用工具工具3)手部是一个独立的部件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：工业机器人通常分为三个大的部件：机身机身、手臂（含手手臂（含手腕）腕）、手部手部手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的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作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度定位精度、夹持力的大小夹持力的大小等。

等4)手部的通用性比较差手部的通用性比较差 工业机器人的手部通常是专用装置：工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能一种手爪往往只能抓住一种或几种在抓住一种或几种在形状形状、尺寸尺寸、重量重量等方面相近的工件；一等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务种工具只能执行一种作业任务2022/7/29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2022/7/29武汉理工大学机电学院17/68末端操作器图例(2)手部是焊枪手部是焊枪2022/7/29武汉理工大学机电学院18/68 2)手部的设计要求u 具有足够的夹持力具有足够的夹持力u 保证适当的夹持精度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u 考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度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u 智能化手部还应配有相应的传感器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2022/7/29武汉理工大学机电学院19/68 3)手部的构成手部的构成 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 手手爪爪：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：工具：进行作业的专用工具2022/7/29武汉理工大学机电学院20/68(2)按夹持方式分 外夹式外夹式 手部与被夹件的外表面相接触内撑式内撑式 手部与工件的内表面相接触内外夹持式内外夹持式 手部与工件的内、外表面相接触2022/7/29武汉理工大学机电学院21/68夹持方式图例2022/7/29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。

2022/7/29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2022/7/29武汉理工大学机电学院24/68平动型图例2022/7/29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？2022/7/29武汉理工大学机电学院26/68 (4)按夹持原理分 手指式：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：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2022/7/29武汉理工大学机电学院27/68 5)典型结构典型结构 (1)机械式手爪结构 气动驱动手爪手爪：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2022/7/29武汉理工大学机电学院28/68气动手爪图例气动手爪图例问题：1、分析手部的运动2、手部作的是什么类型运动？2022/7/29武汉理工大学机电学院29/68机械手爪图例机械手爪图例重力式手爪齿轮齿条式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪2022/7/29武汉理工大学机电学院30/68 (2)电磁吸盘电磁吸盘 电磁吸盘的电磁吸盘的结构结构：主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。

工作原理：工作原理：夹持工件：线圈通电空气间隙的存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2022/7/29武汉理工大学机电学院31/68 适用范围：适用范围：u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u 适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件u 适合于定位精度要求不高的工件u 合于常温状况下工作铁磁材料高温下的磁性会消失2022/7/29武汉理工大学机电学院32/68电磁吸盘图例电磁吸盘图例2022/7/29武汉理工大学机电学院33/68 (3)真空式吸盘真空式吸盘 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1Y2Y2022/7/29武汉理工大学机电学院34/68真空吸盘结构图例真空吸盘结构图例2022/7/29武汉理工大学机电学院35/686)手部结构的应用实例手部结构的应用实例 (1)平行指手爪机构工作原理：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。

2022/7/29武汉理工大学机电学院36/68 (3)上料吸盘上料吸盘A2022/7/29武汉理工大学机电学院37/68 (4)上料吸盘上料吸盘B2022/7/29武汉理工大学机电学院38/682.驱动系统驱动系统 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直线型电动直线电机液压活塞液压缸气压伸缩软管、气缸旋转型电动直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机液压旋转马达气压气压马达、涡轮2022/7/29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各种主要驱动方式特点的比较 方式内容液压驱动气压驱动电气驱动交、直流电机伺服电机、步进电机输出力大小大小控制性能可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精确定位难，阻尼效果差，低速不易控制控制性能较差，惯性大，不易精确定位控制性能好，能精确定位，但控制系统复杂体积在输出力相同条件下体积小较大要有减速装置，故体积较大较小。