*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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
*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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
§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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
§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 l焊接作业 l清洗作业 l装配作业 l搬运作业 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
§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 传动机构 驱动电桃 控制装置 执行机构盘 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
§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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
工业机幕人振作机的分夹及主要技术指标(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。 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
工业机票人操作机的分夹及主要技术指标(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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
工业机幕人最作机的分夹及主要技术指标(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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
工业机悬人操作的分夹及主要技术指标（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-∑ip,=∑fp, i=l i=l 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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 = - å = å = = 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) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
§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和姿态矩阵 Rj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 杆相对与杆i-1的位姿矩阵M,即为坐标系相对于坐标系i-1 的变换矩阵，此法称为D-H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 Mo=MoMo2.M 即为操作机的运动方程。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
机意人振作的适动分析(22) (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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
（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) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
§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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
§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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com