工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計課件.ppt

第2章 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ),2.1 本體基本結(jié)構(gòu) 2.2 手部設(shè)計 2.3 腕部設(shè)計 2.4 臂部設(shè)計 2.5 緩沖與定位 2.6 行走機構(gòu),一、機器人本體基本結(jié)構(gòu)組成：,1、傳動部件 2、機身及行走機構(gòu) 3、臂部 4、腕部 5、手部,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),KUKA公司的工業(yè)機器人在工作,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點：,1、可以簡化成各連桿首尾相接、末端無約束的開式連桿系，連桿系末端自由且無支承，這決定了機器人的結(jié)構(gòu)剛度不高，并隨連桿系在空間位姿的變化而變化。,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點：,2、開式連桿系中的每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器，屬于主動連桿系，連桿的運動各自獨立，不同連桿的運動之間沒有依從關(guān)系，運動靈活。,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點：,3、連桿驅(qū)動扭矩的順態(tài)過程在時域中的變化非常復雜，且和執(zhí)行器反饋信號有關(guān)。連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型，因而對機械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙和運動精度都有較高的要求。,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點：,4、連桿系的受力狀態(tài)、剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的，因此，極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象。,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),二、機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點：,工作負載與自重的比值 靜、動態(tài)剛度 定位精度、跟蹤精度 控制系統(tǒng)的要求、造價 機械系統(tǒng)設(shè)計的靈活性 固有頻率 避開工作頻率 系統(tǒng)的穩(wěn)定性,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),1、材料選擇的基本要求： 強度高 彈性模量大 重量輕 阻尼大 材料經(jīng)濟性,三、機器人本體材料的選擇：,三、機器人本體材料的選擇：,1、機器人常用材料： 碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼（廣泛采用） 鋁、鋁合金及其他輕合金材料（重量輕） 纖維增強合金（較高的 E/比） 陶瓷 纖維增強復合材料（高阻尼） 粘彈性大阻尼材料,2.1 機器人本體的基本結(jié)構(gòu),SIWR-型和型水下作業(yè)機械手模擬試驗裝置,2.2 手部設(shè)計,2.2 手部設(shè)計,新松的裝配機器人,2.2 手部設(shè)計,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計 2.2.2 吸盤式手部的設(shè)計 2.2.3 類人機器人的手部 關(guān)節(jié)式手指,2.2 手部設(shè)計,習題：設(shè)計一手部結(jié)構(gòu)，用來抓取盤中的蘋果。 要求：畫出結(jié)構(gòu)，并給出關(guān)鍵尺寸。說明其驅(qū)動方式及計算增力比N/P。,機器人的手部是重要的執(zhí)行機構(gòu)。從其功能和形態(tài)上看，它可分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部。前者應(yīng)用較多，也比較成熟，后者正處于深入研究階段。 工業(yè)機器人的手部是用來抓取工件或工具的部件。由于被抓取的工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)等的不同，手部的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的。各種手部的工作原理不同，結(jié)構(gòu)型式各異。常用的手部按其握持原理的不同可分為兩類，即鉗爪式和吸附式。,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,2.2 手部設(shè)計,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,鉗爪式手部的組成 一般的鉗爪式手部由以下三部分組成： 手指： 傳動機構(gòu)： 驅(qū)動裝置： 此外，還有連接和支撐元件，將上述各部分連接成一個整體，以及實現(xiàn)手部與機器人的腕部的連接。,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,一、手指,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,二、傳動機構(gòu)回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu),2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,斜楔杠桿式手部,二、傳動機構(gòu)回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu),2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,滑槽杠桿式手部,二、傳動機構(gòu)回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu),2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,雙支點連桿杠桿式手部,二、傳動機構(gòu)回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu),2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,齒條齒輪杠桿式手部,二、傳動機構(gòu)平移型傳動機構(gòu),2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,直線平移型手部,二、傳動機構(gòu)平移型傳動機構(gòu),2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,四連桿機構(gòu)平移型手部,1-齒條 2-齒輪 3-工件 齒輪齒條移動式手爪,1,3,2,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,二、傳動機構(gòu)其它結(jié)構(gòu)型式,重力式手爪,二、傳動機構(gòu)其它結(jié)構(gòu)型式,撥桿杠桿式鉗爪,二、傳動機構(gòu)其它結(jié)構(gòu)型式,內(nèi)撐式三指鉗爪,二、傳動機構(gòu)其它結(jié)構(gòu)型式,三、鉗爪式手部的設(shè)計要點,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,應(yīng)具有足夠的夾緊力 應(yīng)具有足夠的張開角 應(yīng)能保證工件的可靠定位 應(yīng)具有足夠的強度和剛度 應(yīng)適應(yīng)被抓取對象的要求 應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 應(yīng)具有一定的通用性和可互換性,四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)舉例以及夾緊力的分析計算,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,手部機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式不同，其特點也各不相同，下面僅舉幾個結(jié)構(gòu)實例及其夾緊力的計算公式供設(shè)計時參考。鉗爪式手部機構(gòu)夾持工件的夾緊力是通過驅(qū)動裝置(液壓、氣動或電動)所產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)過手部機構(gòu)的傳遞而產(chǎn)生的。,四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例,齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu),注：兩手指平移 增力比（N/P）小,N=P/2,N,N,P,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例,平行連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu),N=PLcos(+)/(2lsincos),注：ABDE，DBAE，LBC桿長，lAB桿長； 兩手指保持平行；當角較小時，可獲得較大的力比。,N,N,P,A,B,C,E,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例,連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu),P,N,N,c,b,N=Pcsin(+)/2bsinsin,注：手指開閉角較小；當取較小的時，可獲得較大的增力比（即NP）,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例,斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu),P,c,b,P,N,N=Pcctg/2,N,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,四、鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例,滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu),P,N,N,b,NPc/2b,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,吸附類手部也主要分為兩種，即氣吸式和磁吸式兩種。 氣吸式是指用負壓吸盤吸附工件，按負壓產(chǎn)生的方式不同，可分為擠壓式和真空式兩種。 磁吸式手部是在手腕部裝上電磁鐵，通過電磁吸力把工件吸住。,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,一、氣吸式手部的種類,真空吸盤系統(tǒng),2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,一、氣吸式手部的種類,1,2,3,4,5,4,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,一、氣吸式手部的種類,氣流負壓噴嘴吸盤結(jié)構(gòu)原理圖 擠壓負壓式吸盤,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,吸力大小與吸盤的直徑大小，吸盤內(nèi)的真空度(或負壓大小)以及吸盤的吸附面積的大小有關(guān)。工件被吸附表面的形狀和表面不平度也對其有一定的影響，設(shè)計時要充分考慮上述各種因素，以保證有足夠的吸附力。 應(yīng)根據(jù)被抓取工件的要求確定吸盤的形狀。由于氣吸式手部多吸附薄片狀的工件，故可用耐油橡膠壓制不同尺寸的盤狀吸頭。,二、氣吸式手部的設(shè)計要素,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,三、氣吸式手部的吸力計算,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,吸盤吸力的大小主要取決于真空度(或負壓的大小)與吸附面積的大小。 真空吸盤吸力F計算公式：,磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力來吸取工件。 磁吸式手部只能對鐵磁物體起作用；另外，對某些不允許有剩磁的零件要禁止使用。所以，磁吸式手部的使用有一定的局限性。,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,四、磁吸式手部的原理與應(yīng)用,五、磁吸式手部,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,電磁鐵工作原理,五、磁吸式手部,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,盤狀磁吸附手部結(jié)構(gòu),五、磁吸式手部,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,幾種電磁式吸盤工作示意圖,應(yīng)具有足夠的電磁吸引力。 應(yīng)根據(jù)被吸附工件的形狀、大小來確定電磁吸盤的形狀、大小，吸盤的吸附面應(yīng)與工件的被吸附表面形狀一致。 電磁吸力的計算 a.直流電磁鐵的吸力計算： b.交流電磁鐵的吸力計算：,2.2.2 吸附式手部的設(shè)計,六、磁吸式手部的設(shè)計要點及計算,磁盤；2防塵蓋；3線圈；4外殼體； 5螺母；6防塵螺母；7，9墊圈； 8螺母；10軸承；11出導線孔,2.2.1 鉗爪式手部的設(shè)計,帶“眼睛”（機器視覺系統(tǒng)）的件箱拆垛手爪；工料定位精度mm，負載能力100kg；物料最大尺寸：1000mm600mm,可2件或3件一起抓取。,帶“眼睛”（機器視覺系統(tǒng)）的輔料堆垛手爪;工料識別準確率：100%，工料定位精度1mm，負載能力125kg;物料最大尺寸：600mm500mm,件箱堆垛手爪：負載能力100kg,物料最大尺寸：1000mm600mm,帶傳感器識別、抓取薄膜的拆包手爪：識別定位精度0.5mm，帶抓取、剪斷鋼質(zhì)捆扎帶機構(gòu)。,煙包搬運機械手：搬運負載能力300kg,帶取夾板輔助功能。,大部分的工業(yè)機器人的手部只有兩個手指，而且手指上一般沒有關(guān)節(jié)。為了使機器人的手臂能完成各種不同的工作，有更大的適應(yīng)性和通用性，除了要使臂部具有更大的空間活動范圍外，還要在其上安裝一個更靈巧的手，即類人手。這種手是由若干帶有關(guān)節(jié)的手指構(gòu)成。,2.2.3 類人機器人的手部關(guān)節(jié)式手指,類人機器人的手部,具有多關(guān)節(jié)的三指手,類人機器人的手部,1,9-適應(yīng)彈簧 2,3,8-連桿 4食指 5中指 6無名指 7小指 10蝸輪 11驅(qū)動桿 貝爾格萊德手,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,在張啟先院士的主持下，北京航空航天大學機器人研究所于80年代末開始靈巧手的研究與開發(fā)。 靈巧手有三個手指，每個手指有3個關(guān)節(jié)，3個手指共9個自由度，微電機放在靈巧手的內(nèi)部，各關(guān)節(jié)裝有關(guān)節(jié)角度傳感器，指端配有三維力傳感器，采用兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng)。,北航研制的BH-3靈巧手,北航研制的BH-4靈巧手,BH-4型靈巧手有四個手指，每個手指有4個關(guān)節(jié)，4個手指共16個自由度，其關(guān)節(jié)由齒輪傳動，包括直流伺服電機、行星減速器和光碼盤在內(nèi)的電機單元驅(qū)動。光碼盤用于測量電機軸相對轉(zhuǎn)角，關(guān)節(jié)軸絕對轉(zhuǎn)角由電位計測量。,四指 每個手指三個自由 度，末端兩關(guān)節(jié)耦合 腱和滑輪傳動 直線電機驅(qū)動 指端力/力矩傳感器 位置傳感器 關(guān)節(jié)力矩傳感器,哈爾濱工業(yè)大學研制的HIT-1手,哈爾濱工業(yè)大學研制的HIT/DLR手,四指 每個手指三個自由 度，基關(guān)節(jié)兩個，上面兩個關(guān)節(jié)通過連桿耦合 齒輪系、諧波齒輪 傳動 無刷直流電機驅(qū)動 指端力/力矩傳感器 位置傳感器 關(guān)節(jié)力矩傳感器 傳感器處理電路，電機驅(qū)動電路實現(xiàn)手指集成化,我校研制的三指靈巧手,三指 手指三自由度 斜齒輪傳動 直流電機驅(qū)動 位置傳感器 指端三維力傳感器,美國麻省理工學院Utah/MIT靈巧手,Utah/MIT型靈巧手外形與人手更接近。該手包括3個具有4自由度的手指和一個拇指，其幾何尺寸和人手接近。 該手由4個具有4自由度的手指模塊組成，每個模塊由腱、滑輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動。,Stanford/JPL靈巧手,Stanford/JPL型靈巧手有三個手指，每個手指有3個自由度和4根控制線，整個手由12個直流伺服電機組成的驅(qū)動塊驅(qū)動。該手的控制實驗主要集中在手指尖的抓取。,德國宇航中心研制的DLR手,DLR-II手,DLR-I手,DLR-II手的精確操作,DLR-II手的強力抓取,“海溝號”無人潛水器 “海溝號”無人潛水器在大海中,摘西紅柿機器人,2.3 腕部設(shè)計,2.3.1 概述 2.3.2 腕部的設(shè)計要點 2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),2.3.1 概述,機器人操作臂將末端工具置于其工作的三維空間內(nèi)的任意點需要三個自由度。為了進行實際操作，它還應(yīng)該能夠?qū)⒐ぞ咧糜谌我獾姆轿?，這還需要一個腕部，它一般還需要有三個自由度，即回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度。,2.3.1 概述,具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度的手腕,回轉(zhuǎn),擺動,手腕,俯仰,2.3.1 概述,(a)是一種翻轉(zhuǎn)(Roll)關(guān)節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸線形式，這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大，可達到360以上。 (b)(c)是一種折曲(Bend)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直。這種B關(guān)節(jié)因為受到結(jié)構(gòu)上的干涉，轉(zhuǎn)角度小，大大限制了方向角。這和人的手腕差不多. （d）所示為移動關(guān)節(jié)，也叫T關(guān)節(jié),2.3.1 概述,二自由度手腕可以由一個R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)節(jié)組成BR手腕(a),也可以由兩個B關(guān)節(jié)組成BB手腕(b)。但是，不能由兩個R關(guān)節(jié)組成RR手腕，因為兩個R關(guān)節(jié)共軸線，所以退化了一個自由度，實際只構(gòu)成了單自由度手腕(c).,2.3.1 概述,三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式。此外，B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同，也會產(chǎn)生不同的效果，也產(chǎn)生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊，通常把兩個B關(guān)節(jié)安裝在一個十字接頭上，這對于BBR手腕來說大大減小了手腕縱向尺寸。,2.3.1 概述,2.3.1 概述,2.3.1 概述,2.3.2 腕部的設(shè)計要點,結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊、重量輕 要適應(yīng)工作環(huán)境的要求 要綜合考慮各方面要求，合理布局,2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu),A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu),具有回轉(zhuǎn)缸的腕部結(jié)構(gòu),2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu) B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu),B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu),具有回轉(zhuǎn)與擺動的腕部結(jié)構(gòu),2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu) B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu) 二、具有機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) A.具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) a.腕部的俯仰運動；b.手部的回轉(zhuǎn)運動； c.腕部的俯仰運動引起的誘起運動,A.具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu),具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)原理,2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) A.具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu) B.具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu) 二、具有機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) A.具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) a.腕部的俯仰運動；b.手部的回轉(zhuǎn)運動； c.腕部的俯仰運動引起的誘起運動 B.具有三個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) a.腕部俯仰運動及其誘起運動；b.腕部回轉(zhuǎn)運動 及其誘起運動；c.手部回轉(zhuǎn)運動,B.具有三個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu),具有三個自由度機械傳動的腕部機構(gòu)原理圖,1,2,3,B2,T,S,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,19,18,B1,B,2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),一、直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu) 二、具有機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) 三、柔順手腕結(jié)構(gòu),2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),2.3.3 典型的腕部結(jié)構(gòu),柔順手腕結(jié)構(gòu),2.3 臂部設(shè)計,2.3.1 概述 2.3.2 臂部設(shè)計要點 2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,2.3.1 概述,臂部是機器人的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，并改變手部的空間位置。機器人的臂部一般有23個自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降；臂部的總重量較大，受力一般比較復雜，在運動時，直接承受腕部，手部和工件(或工具)的靜、動載荷。,2.3.2 臂部設(shè)計要點,手臂應(yīng)具有足夠的承載能力和剛性,2.3.2 臂部設(shè)計要點,導向性好,2.3.2 臂部設(shè)計要點,運動要平穩(wěn)、定位精度要高，應(yīng)注意減輕重量和運動慣量,PUMA-262關(guān)節(jié)型機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu),2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,工業(yè)機器人的臂部結(jié)構(gòu)一般包括臂部的伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降等運動結(jié)構(gòu)以及與其有關(guān)的構(gòu)件，如傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置、導向定位裝置、支承連接件和位置檢測元件等，此外還有與腕部(或手部)連接的有關(guān)構(gòu)件及配管、線等。,2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,1-升降 2回轉(zhuǎn) 3伸縮 4升降位置檢測器 5控制器 6液壓源 7回轉(zhuǎn)機構(gòu) 8機身 9回轉(zhuǎn)位置檢測器 10升降缸 圓柱坐標機器人的臂部結(jié)構(gòu),2,1,3,4,5,6,7,8,9,10,2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,1-回轉(zhuǎn)用齒輪齒條副 2回轉(zhuǎn)齒條缸 3接控制柜 4液壓源 5手腕彎曲油缸 6手腕回轉(zhuǎn)用油缸 7俯仰回轉(zhuǎn)軸 8花鍵軸 9伸縮缸 10伸縮 11回轉(zhuǎn) 12上下彎曲 13俯仰 14臂回轉(zhuǎn) 15俯仰缸 16機身 極坐標型機器人的臂部結(jié)構(gòu),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,PUMA-262關(guān)節(jié)型機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu),2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,1臂回轉(zhuǎn) 2回轉(zhuǎn)用油缸 3液壓源 4控制柜 5連桿 6臂前后運動 7臂俯仰 8腕擺動 9腕彎曲 10示教手柄 11臂俯仰缸 關(guān)節(jié)式臂部結(jié)構(gòu),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,1機座 2示教盒 3控制柜 4水平回轉(zhuǎn)M1 5回轉(zhuǎn)軸 6水平回轉(zhuǎn)M2 7腕回轉(zhuǎn)M3 8腕上下運動M4 水平多關(guān)節(jié)式臂部結(jié)構(gòu),1,2,3,4,5,6,7,8,M4,M2,M1,M3,2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,1-肩回轉(zhuǎn) 2肩彎曲 3肘彎曲 4腕回轉(zhuǎn) 5腕彎曲 678手指彎曲 多關(guān)節(jié)型仿人手臂,1,2,3,4,5,6,7,8,2.3.3 臂部的結(jié)構(gòu)形式,PUMA-262關(guān)節(jié)型機器人傳動原理,2.4 緩沖與定位,2.4.1 概述 2.4.2 工業(yè)機器人的運動特性 2.4.3 工業(yè)機器人的定位方法 2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,2.4.1 概述,慣性沖擊的影響 定位方法的影響 結(jié)構(gòu)剛性的影響 控制及驅(qū)動系統(tǒng)的影響,對于在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機器人，一般要求它速度快、運動平穩(wěn)，重復定位精度高。因此運動平穩(wěn)性和重復定位精度是衡量機器人性能的重要指標，影響這些指標的主要因素如下：,2.4.2 工業(yè)機器人的運動特性,工業(yè)機器人的運動特性就是指其運動行程、運動速度和運動加速度隨時間變化的規(guī)律。分析機器人運動特性的目的在于根據(jù)工作條件來選擇適當?shù)倪\動特性。下圖是工業(yè)機器人常用的幾種特性曲線。,2.4.2 工業(yè)機器人的運動特性,工業(yè)機器人的幾種典型運動特性曲線,1,2,3,s,O,T,T,t,t,t,1,2,3,1,v,a,O,2,3,2.4.3 工業(yè)機器人的定位方法,在機械加工、裝配等的作業(yè)中，對機器人的定位精度要求比較高。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體的要求選擇適當?shù)亩ㄎ环椒?。目前常用的定位方法有：電氣開關(guān)定位、機械擋塊定位和伺服定位。,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,工業(yè)機器人與機械手常用的緩沖裝置有彈性緩沖元件、油(氣)缸端部緩沖裝置、緩沖回路和液壓緩沖器等幾種結(jié)構(gòu)形式。,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,按照它們在機器人或(機械手)結(jié)構(gòu)中的設(shè)置可以分為內(nèi)部緩沖和外部緩沖兩類。在驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的緩沖環(huán)節(jié)屬于內(nèi)部緩沖，例如油(氣)缸端部節(jié)流緩沖環(huán)節(jié)與緩沖回路均屬于此類。彈性緩沖環(huán)節(jié)和液壓緩沖器一般設(shè)置在驅(qū)動系統(tǒng)之外，故屬于外部緩沖。,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,內(nèi)部緩沖裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等優(yōu)點，但安裝位置受到限制。 外部緩沖具有安裝簡便、靈活、容易調(diào)整等優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)較龐大一些。,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,1.彈性緩沖元件 水平?jīng)_擊時緩沖元件吸收的能量為：,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,2.油(氣)缸端部緩沖裝置 當活塞運動到距離油(氣)缸端蓋某一距離時，能在活塞與端蓋之間形成一緩沖室，利用節(jié)流原理使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力，使運動速度降低至定位處停止，這種避免硬性沖擊的裝置稱為油(氣)缸端部緩沖裝置。,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,2.1 油缸端部緩沖裝置,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,2.1 油缸端部緩沖裝置,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,2.2 氣缸端部緩沖裝置,A,B,C,D,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,3.緩沖回路,2.4.4 工業(yè)機器人的定位緩沖裝置,4.液壓緩沖器 液壓緩沖器也是利用液壓節(jié)流產(chǎn)生阻力原理制造的，其結(jié)構(gòu)比較簡單，緩沖、制動性能可調(diào)，是氣動機械手常用的一種緩沖方法。,2.5 行走機構(gòu),2.5.1 概述 2.5.2 車輪式行走機構(gòu) 2.5.3 履帶式行走機構(gòu) 2.5.4 步行式行走機構(gòu) 2.5.5 特種移動機器人,2.5.1 概述,機器人可以分為固定式和行走式兩種。對機器人的行走機構(gòu)，可根據(jù)不同的行走環(huán)境情況，提出不同的要求，根據(jù)機器人的行走環(huán)境，將機器人所具有的移動機能分為以下幾個方面：地面移動機能、水中移動機能、空中移動機能和地中移動機能等四個方面。,2.5.1 概述,具有地面行走機能的行走機構(gòu)按其特點可以分為車輪式、履帶式和關(guān)節(jié)式行走機構(gòu)。它們在行走過程中，前兩者與地面連續(xù)接觸，后者為間斷接觸。前者的形態(tài)為運行車式，后者則為類人或動物的腿腳式。,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),車輪式行走機構(gòu)具有移動平穩(wěn)、能耗小以及容易控制移動速度和方向等優(yōu)點，因此得到普遍的應(yīng)用，但這些優(yōu)點只能在平坦的地面上才能發(fā)揮出來。目前取得應(yīng)用的主要是三輪式和四輪式。,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),車輪的形式 a）充氣球輪 b）半球形輪 c）傳統(tǒng)車輪 d）無緣輪,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),日本火星探測機器人,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),“機遇號”美國火星探路者機器人,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),利用陀螺儀的兩輪車,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),日本騎車機器人,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),一個驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)來轉(zhuǎn)彎 兩個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速差和另一個支撐輪來轉(zhuǎn)彎 圖242 三個輪的行走和轉(zhuǎn)彎機構(gòu),2.5.2 車輪式行走機構(gòu),(a)二個驅(qū)動輪和二個自位輪 (b)二個驅(qū)動輪二個自位輪 (c)一個驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向 輪 (d)一個驅(qū)動系統(tǒng)和二個轉(zhuǎn)向輪 (e)全部輪都裝有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，能減少轉(zhuǎn)彎半徑 圖243 四個輪的行走和轉(zhuǎn)彎機構(gòu),2.5.2 車輪式行走機構(gòu),全方位移動機構(gòu),2.5.2 車輪式行走機構(gòu),2.5.2 車輪式行走機構(gòu),這臺機器人配備有GPS、6臺攝影機，一雙強力的機械手臂（最大可舉起75kg的物體）。其六個獨立輪可以適應(yīng)各種地形，最大爬坡能力高達45度。,2.5.2 車輪式行走機構(gòu),2.5.2 車輪式行走機構(gòu),2.5.2 車輪式行走機構(gòu),2.5.3 履帶式行走機構(gòu),德國 排爆機器人,TALON 被稱為世界上第一個武裝機器人。它基于SWORDS（特殊武器觀測勘查探測系統(tǒng)）。他能夠讓士兵在一千米開外遠程開火。這個機器人能裝備一系列的武器，包括M16步槍，M82巴雷特步槍和一個40毫米的榴彈發(fā)射器。,2.5.3 履帶式行走機構(gòu),容易上下臺階的履帶式機器人,2.5.3 履帶式行走機構(gòu),履帶式機器人的移動作業(yè),2.5.3 履帶式行走機構(gòu),履帶式機器人的移動作業(yè),2.5.3 履帶式行走機構(gòu),適應(yīng)地形的履帶,2.5.4 步行式行走機構(gòu),用類似于動物那樣，利用腳部關(guān)節(jié)機構(gòu)，用步行方式，實現(xiàn)移動的機械，稱作步行機構(gòu)。步行機器人采用步行機構(gòu)，其特征是不僅能夠在凸凹不平的地上行走、跨越溝壑、上下臺階，因而具有廣泛的適應(yīng)性，但控制上確有相當?shù)碾y度。 足式行走可以選擇最優(yōu)的支撐點，具有主動隔振能力，運動平穩(wěn)，運動速度高，能耗較少。,2.5.4 步行式行走機構(gòu),1. 足的 數(shù)目,2.5.4 步行式行走機構(gòu),2.足的配置,a）正向?qū)ΨQ分布 b）前后向?qū)ΨQ分布,2.5.4 步行式行走機構(gòu),2.足的配置,足的相對方位,2.5.4 步行式行走機構(gòu),3.足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性 靜態(tài)穩(wěn)定的多足機 速度較慢 步態(tài)為爬行或步行 動態(tài)穩(wěn)定 速度較快 步態(tài)為小跑或跳躍 消耗能量小,2.5.4 步行式行走機構(gòu),兩足步行機器人五軸步行模型和10剛體17自由度結(jié)構(gòu)模型,腰關(guān)節(jié),股關(guān)節(jié),膝關(guān)節(jié),足尖關(guān)節(jié),踝關(guān)節(jié),L6,L2,L1,L3,L4,L5,2.5.4 步行式行走機構(gòu),四足機器人步行圖,2.5.4 步行式行走機構(gòu),玩具 小狗,2.5.4 步行式行走機構(gòu),四足步行機器人的機構(gòu)舉例,2.5.4 步行式行走機構(gòu),美軍研制戰(zhàn)地機器狗翻山越嶺如履平地,2.5.4 步行式行走機構(gòu),六足步行機構(gòu)的靜穩(wěn)定步行圖,2.5.4 步行式行走機構(gòu),18個自由度的六足步行機器人,2.5.4 步行式行走機構(gòu),軍用昆蟲機器人,美國宇航局研制月球六足機器人,演化過程,一型,二型,三型,四型,原型,下水,越障,早稻田大學,WL-1,WL-3,WABOT_1,WABIAN_RII,早稻田大學,WABIAN-2/LL,高1224.5mm,重50kg,踝關(guān)節(jié): 32 膝關(guān)節(jié): 12 髖關(guān)節(jié): 32 腰 : 2,足底六維力力矩傳感器,直流伺服電機驅(qū)動和諧波減速器，實時皮帶滑輪,自帶電池,早稻田大學,WABIAN-2R,早稻田大學,WL-15,奔騰III 850MHz驅(qū)動的雙腿行走機械裝置WL-15來演示一種新的并行連桿行走機制,一條腿由三套雙缸機械裝置 組成，骨盆的六個缸體匯聚在足部,WL-15可以在兩步或兩秒內(nèi)完成90度旋轉(zhuǎn),早稻田大學,WL-16R III,東京大學,H7,2001推出的具備了人的雛形，這個機器人總58Kg，身高147cm,能夠在一定程度上模擬人類的行為方式,30個模擬自由度，其中腿部分為：髖關(guān)節(jié)3個、膝關(guān)節(jié)1個、踝關(guān)節(jié)2個、足趾關(guān)節(jié)1個,電機采用瑞士MAXON公司生產(chǎn)的，采用諧波減速器驅(qū)動,兩個PIII750CPU，運行RTLinux操作系統(tǒng),“2000系列”和“6000系列”的鋁合金板材料 ，骨架本身僅重約4kg,日本本田公司,從1986年至1993年先后研制了E系列(Experimental Model)試驗樣機E0_E6，都屬于雙足機器人，主要目的是為了對步行機制進行基礎(chǔ)性研究，主要綜合采用地面反力控制、目標ZMP控制和擺動腿落地位置控制所組成的步行穩(wěn)定控制技術(shù)完成行走。 1993年至1997年進行完全自主型仿人形機器人原型樣機的研究，研制了P系列(Prototype Model)的樣機P1、P2和P3。,E系列和P系列機器人,日本本田公司,ASIMO,Asimo高120cm，重43kg；,采用I-WALK的智能實時柔性行走技術(shù)，預測移動控制功能使機器人能夠?qū)崟r預測下一步運動，并按照預測來移動重心；,平滑地改變調(diào)節(jié)步幅來改變行走的快慢，能夠改變它的行走坡度，擁有動態(tài)行走能力。,可以由步行直接到奔跑，并達到時速3公里。,本田的ASIMO類人機器人 機器人P2,日本本田公司,SDR-4xII,64位的RISC處理器，三條64M的內(nèi)存，搭載Aperios操作系統(tǒng),機器人本體尺寸為580190270mm，重7kg,跌倒前校正運動姿勢,專門的傳感器檢驗關(guān)節(jié)處是否存在其他物體，能提高其安全性,不依靠外部微機，獨立識別對方語意，與之交談,日本索尼公司,比利時,Lucy,氣動肌肉驅(qū)動，身高150cm，重30kg，每條腿6個自由度，采用12個氣動肌肉控制，總共擁有23個自由度,德國慕尼黑技術(shù)大學,Johnnie,足部裝有六維力力矩傳感器,上身裝有陀螺儀和加速度傳感器,基于ZMP穩(wěn)定控制,具有17個自由度，高1.8m，重40kg，每條腿有6個自由度,韓國,HUBO,美國MIT,M2,實現(xiàn)3維空間步態(tài)行走,12個自由度（髖關(guān)節(jié)3，膝關(guān)節(jié)1，踝關(guān)節(jié)2）,多種步態(tài)運算,采用虛擬模型控制,力控制技術(shù)，特別是連續(xù)彈性沖擊控制,自動學習能力,新加坡國立大學,NUSBIP-II,總28Kg，身高115cm，共有22個自由度 踝關(guān)節(jié):32 膝關(guān)節(jié): 12 髖關(guān)節(jié) : 32 手 : 52,腿部采用直流電機和行星齒輪減速器，手臂采用數(shù)字伺服電機,傳感器有加速度計，測壓元件，陀螺儀，關(guān)節(jié)編碼器,國防科技大學,先行者,國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀,有17個關(guān)節(jié)，第三代兩足步行機器人類人型機器人,機器人下肢、軀體、手臂和頭部采用相應(yīng)的分布式機器人控制系統(tǒng),原地扭動、平地前進、后退、左右側(cè)行和左右轉(zhuǎn)彎等動作，手臂可以前后擺動，與下肢動作協(xié)調(diào)配合，同時頭部可以左右轉(zhuǎn)動；機器人眼睛可以演示各種眨眼動作,哈爾濱工業(yè)大學,HIT-III,2001推出的HIT-III型雙足步行機器人,機器人上身和腳掌安裝了三維微型加速傳感器，足底有兩維力矩傳感器,采用直流電機經(jīng)諧波減速器實現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，腿部采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，且關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸不相交,哈爾濱工業(yè)大學,足球機器人,身高0.5米，具有17個自由度,主控計算機；負責實時提供環(huán)境信息的視覺系統(tǒng)；運動系統(tǒng)；無線通信系統(tǒng)；電源系統(tǒng),不帶電纜，可以像人一樣直立行走、爬樓梯和避讓障礙,北京理工大學,BRH-1,身高1.58m，體重76kg，具有32個自由度，每小時能夠行走1公里，步幅0.33m,能夠感知自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，并隨時進行調(diào)節(jié),標志著我國仿人機器人研究已經(jīng)跨入世界先進行列,北理工和中科院沈陽自動化所,匯童,2005年推出了高1.6m，體重63kg，具有視覺、語音對話、力覺等功能，達到了國際先進水平,在國際上首次實現(xiàn)了模仿太極拳，刀術(shù)等人類復雜動作，能實現(xiàn)前進，后退、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺階及未知地面情況下的穩(wěn)定行走，,采用直流電機經(jīng)諧波減速器轉(zhuǎn)動，由同步齒形帶實現(xiàn)關(guān)節(jié)傳動，腿部采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，每條腿有6個自由度,2.5.4 步行式行走機構(gòu),“蜘蛛” 機器人,2.5.4 步行式行走機構(gòu),機 器 人 舞 伴,爬纜索機器人,爬纜索機器人,該機器人系統(tǒng)由機器人本體和機器人小車組成。本體可以沿各種傾斜度的纜索爬升，在高空纜索上自動完成檢查、打磨、清洗、去靜電、底涂和面涂及一系列的維護工作。地面小車用于安裝機器人本體并向機器人本體供應(yīng)水、涂料，同時監(jiān)控機器人的高空工作情況。,2.5.5 特種移動機器人,壁面清洗機器人,壁面清洗機器人,大樓清洗機器人是以爬壁機器人為基礎(chǔ)開發(fā)出來的，它只是爬壁機器人的用途之一。爬壁機器人有負壓吸附和磁吸附兩種吸附方式，大樓擦窗機器人采用的是負壓吸附方式。,2.5.5 特種移動機器人,微型機器人和微操作系統(tǒng),細小工業(yè)管道機器人移動探測系統(tǒng),“細小工業(yè)管道機器人移動探測器集成系統(tǒng)”由上海大學研制，包含：20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機器人機構(gòu)和控制技術(shù)、機器人管內(nèi)位置檢測技術(shù)、渦流檢測和視頻檢測應(yīng)用技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動探測機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動探測。,2.5.5 特種移動機器人,