第十三章工业机器人机构 及其设计 §13-1概述 §13-2工业机器人操作机的分类及主要技术指标 §13-3机器人操作的运动分析 §13-4机器人操作的静力和动力分析 §13-5工业机器人操作机构的设计
*第十三章 工业机器人机构 及其设计 §13-1 概述 §13-2 工业机器人操作机的分类及主要技术指标 §13-3 机器人操作的运动分析 §13-4 机器人操作的静力和动力分析 §13-5 工业机器人操作机构的设计 返回
§13-1概述 机器人是近40年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。 工业机器人是机器人的一个重要分支,它的特点是可通过编 程完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器人各 自的优点,尤其是体现了人的智能和适应性,机器作业的准确性 和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具 有广阔的应用前景。 机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、 传感技术和计算机等学科领域,是一门跨学科综合技术。而机器 人机构学乃是机器人的主要基础理论和关键技术,也是现代机械 原理研究的主要内容。 工业机器人的应用实例 ●焊接作业 清洗作业 ●装配作业 ●搬运作业
§13-1 概述 机器人是近40年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。 工业机器人是机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编 程完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器人各 自的优点，尤其是体现了人的智能和适应性，机器作业的准确性 和在各种环境中完成作业的能力。因而在国民经济各个领域中具 有广阔的应用前景。 机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、 传感技术和计算机等学科领域，是一门跨学科综合技术。而机器 人机构学乃是机器人的主要基础理论和关键技术，也是现代机械 原理研究的主要内容。 工业机器人的应用实例 ⚫焊接作业 ⚫清洗作业 ⚫装配作业 ⚫搬运作业
§13-2工业机器人操作机的分类及主要技术指标 工业机器人及操作机 工业机器人是一种能自动控制并可重新编程予以变动的多功 能机器。它有多个自由度,可用来搬运物料、零件和握持工具, 以完成各种不同的作业。 (1)工业机器人的组成 传动机构 驱动电机 控制装置 执行机构 机器人本体部分 齿轮传动同步带传动 5自由度焊接机器人
§13-2 工业机器人操作机的分类及主要技术指标 1．工业机器人及操作机 工业机器人是一种能自动控制并可重新编程予以变动的多功 能机器。它有多个自由度，可用来搬运物料、零件和握持工具， 以完成各种不同的作业。 （1）工业机器人的组成 5自由度焊接机器人 机器人本体部分 执行机构 传动机构 驱动电机 齿轮传动 同步带传动 控制装置
工业机滁人操作机的分奥及主要技水指标(2/5) 1)工业机器人通常由执行机构、驱动-传动系统、控制系统 及智能系统部分组成。 2)机器人各部分关系 位行检测 驱动-传执行 控制系统 动机构机构 工作系统 智能系统 3)机器人各部分功能 执行机构是机器人赖以完成各种作业的主体部分。通常为 开式空间连杆机构
2）机器人各部分关系 3）机器人各部分功能 执行机构 是机器人赖以完成各种作业的主体部分。通常为 开式空间连杆机构。 驱动-传 动机构 执行 控制系统 机构 工作系统 位行检测 智能系统 工业机器人操作机的分类及主要技术指标(2/5) 1）工业机器人通常由执行机构、驱动-传动系统、控制系统 及智能系统部分组成
工业机景人操作机的分类及主要技术指标(3/5) 驱动-传动机构由驱动器和传动机构组成。传动有机械式、电 气式、液压式、气动式和复合式等。而驱动器有步进电机、伺服 电机、液压马达和液压缸等。 控制系统一般由示教操作盘或控制计算机和伺服控制装置 组成。前者作用是发出指令协调各有关驱动器之间的运动,同时 要完成编程、示教/再现以及和其它环境状况(传感器信号)、工 艺要求。外部相关设备之间的信息传递和协调工作。而后者是控 制各关节驱动器使各杆能按预定运动规律运动。 智能系统则由感知系统和分析决策系统组成,它分别由传 感器及软件来实现。 (2)机器人操作机 工业机器人的机械结构部分称为操作机。它由机座、腰部、 大臂、小臂、腕部及手部组成。即由手臂机构和手腕机构组成
它由机座、腰部、 大臂、小臂、腕部及手部组成。 则由感知系统和分析决策系统组成，它分别由传 感器及软件来实现。 控制系统 一般由示教操作盘或控制计算机和伺服控制装置 组成。前者作用是发出指令协调各有关驱动器之间的运动，同时 要完成编程、示教/再现以及和其它环境状况（传感器信号）、工 艺要求。外部相关设备之间的信息传递和协调工作。 而后者是控 制各关节驱动器使各杆能按预定运动规律运动。 智能系统 （2）机器人操作机 工业机器人的机械结构部分称为操作机。 即由手臂机构和手腕机构组成。 传动有机械式、电 气式、液压式、气动式和复合式等。而驱动器有步进电机、伺服 电机、液压马达和液压缸等。 驱动-传动机构由驱动器和传动机构组成。 工业机器人操作机的分类及主要技术指标(3/5)
工业机景人操作机的分奥及主要技水指标(4/5) (3)工业机器人的发展过程可分为以下三代: 第一代为示教/再现型机器人。它主要由机械系统和控制系统 组成。当前工业中应用最多。 第二代机器人为感觉型机器人。如有力觉、触觉和视觉等, 它具有对某些外界信号进行反馈调整的能力。目前已进入应用阶 段 第三代为智能型机器人。其尚处于完全研究阶段。 2.操作机的主要类型 (1)直角坐标型 (2)圆柱坐标型 (3)球坐标型 (4)关节型
第二代机器人为感觉型机器人。如有力觉、触觉和视觉等， 它具有对某些外界信号进行反馈调整的能力。目前已进入应用阶 段。 第三代为智能型机器人。其尚处于完全研究阶段。 2．操作机的主要类型 （1）直角坐标型 （2）圆柱坐标型 （3）球坐标型 （4）关节型 （3）工业机器人的发展过程 可分为以下三代： 第一代为示教/再现型机器人。它主要由机械系统和控制系统 组成。当前工业中应用最多。 工业机器人操作机的分类及主要技术指标(4/5)
工业机景人操作的分类及主要技求指标(5/5) 3.操作机的主要技术指标 (1)自由度自由度为用来确定手部相对机座的位置和姿态 的独立参数的数目,它等于操作机独立驱动的关节数目。由下式 来计算 F=6n-∑iP1=∑f,p 自由度是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。目 前一般通用工业机器人大多为5自由度左右,已能满足多种作业 的要求。 (2)工作空间即操作机的工作范围 (3)灵活度灵活度是指操作机末端执行器在工作(如抓取 物件)时,所能采取的姿态的多少。若能从各个方位抓取物体, 则其灵活度最大;若只能从一个方位抓取物体,则其灵活度最小
灵活度是指操作机末端执行器在工作（如抓取 物件）时，所能采取的姿态的多少。 自由度为用来确定手部相对机座的位置和姿态 的独立参数的数目，它等于操作机独立驱动的关节数目。由下式 来计算。 3．操作机的主要技术指标 （1）自由度 F n i p f pi i i i i = − = = = 5 1 5 1 6 自由度是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。目 前一般通用工业机器人大多为 5 自由度左右，已能满足多种作业 的要求。 （2）工作空间 即操作机的工作范围。 （3）灵活度 若能从各个方位抓取物体， 则其灵活度最大；若只能从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。 工业机器人操作的分类及主要技术指标(5/5)
§13-3机器人操作的运动分析 操作机位置与姿态的确定 (1)操作机位置和姿态的描述 构件的空间位置和姿态是用该构件的位置列阵r和姿态矩阵 R来描述,或用该构件的位置矩阵M来描述。 (2)两杆间的位置矩阵 杆i相对与杆1-1的位姿矩阵M,1;,即为坐标系相对于坐标系i1 的变换矩阵,此法称为DH法。 2.操作机位置方程建立及求解 (1)操作机位姿方程的建立 操作机的位姿矩阵方程为 01402…:111i-1,i 即为操作机的运动方程
即为坐标系i相对于坐标系i-1 的变换矩阵，此法称为D-H法。 §13-3 机器人操作的运动分析 1．操作机位置与姿态的确定 （1）操作机位置和姿态的描述 构件的空间位置和姿态是用该构件的位置列阵rij和姿态矩阵 Rij来描述，或用该构件的位置矩阵Mij来描述。 （2）两杆间的位置矩阵 杆i相对与杆i-1的位姿矩阵Mi-1,i， 2．操作机位置方程建立及求解 M0i＝M01M02…Mi-1,i 即为操作机的运动方程。 操作机i的位姿矩阵方程为 （1）操作机位姿方程的建立
机景人操作的运动分析(2/2) (2)操作机位姿方程的求解 机器人操作机末端执行器的位姿分析有两类基本问题: 1)位姿方程的正解 已知各关节的运动参数,求末端执行器相对参考坐标系的位 置和姿态。 2)位姿方程的逆解 根据已给定的满足工作要求的末端执行器相对参考坐标系的 位置和姿态,求各关节的运动参数。 这是对机器进行控制的关键,因此只有使各关节按逆解中求 得的运动,才能使末端执行器获得所需的位置和姿态。 例1RRPR型操作机的正解 例2RRPR型操作机的逆解
（2）操作机位姿方程的求解 机器人操作机末端执行器的位姿分析有两类基本问题： 1）位姿方程的正解 已知各关节的运动参数，求末端执行器相对参考坐标系的位 置和姿态。 2）位姿方程的逆解 根据已给定的满足工作要求的末端执行器相对参考坐标系的 位置和姿态，求各关节的运动参数。 这是对机器进行控制的关键，因此只有使各关节按逆解中求 得的运动，才能使末端执行器获得所需的位置和姿态。 例1 RRPR型操作机的正解 例2 RRPR型操作机的逆解 机器人操作的运动分析(2/2)
§13-5工业机器人操作机构的设计 工业机器人操作机是由机座、手臂、手腕及末端执行器等组 成的机械装置。而从机器人完成作业的方式来看,操作机个是由 手臂机构、手腕机构及末端执行器等组成的机构。其结构方案及 其运动设计是整个机器人设计的关键。 1.操作机手臂机构的设让 手臂机构一般为2~3个自由度,要求可实现回转、仰俯、升 降或伸缩三种运动形式。 手臂机构设计时,先要确定其结构型式和尺寸,还需考虑各 种构件的重量对其运动速度、精度及刚度的影响
§13-5 工业机器人操作机构的设计 工业机器人操作机是由机座、手臂、手腕及末端执行器等组 成的机械装置。而从机器人完成作业的方式来看，操作机个是由 手臂机构、手腕机构及末端执行器等组成的机构。其结构方案及 其运动设计是整个机器人设计的关键。 1．操作机手臂机构的设计 手臂机构一般为2～3个自由度，要求可实现回转、仰俯、升 降或伸缩三种运动形式。 手臂机构设计时，先要确定其结构型式和尺寸，还需考虑各 种构件的重量对其运动速度、精度及刚度的影响