工業(yè)機(jī)器人ppt課件

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第二節(jié) 機(jī)器人的定義與分類(lèi),一、定義 工業(yè)機(jī)器人是用來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)材料、零件、工具等可再編程的多功能機(jī)械手，或通過(guò)不同程序的調(diào)用來(lái)完成各種工作任務(wù)的特種裝置。 二、特點(diǎn) 1、可編程：根據(jù)工作環(huán)境變化的需要可再編程； 2、擬人化：類(lèi)似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪； 3、通用性：更換手部末端可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)； 4、機(jī)電一體化；光機(jī)電液的任意組合； 5、自適應(yīng)性：與外界環(huán)境的交互能力。 三、優(yōu)點(diǎn) 1、減少勞動(dòng)力費(fèi)用； 2、提高生產(chǎn)率； 3、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量； 4、增加制造過(guò)程的柔性； 5、降低生產(chǎn)成本； 6、消除危險(xiǎn)和惡劣的勞動(dòng)崗位。,1,工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的三大件,2,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能常用圖形符號(hào),3,四、分類(lèi) 1、按結(jié)構(gòu)分類(lèi),4,2、按發(fā)展進(jìn)程分類(lèi),5,3、按控制方法分類(lèi),6,4、按功能分類(lèi),7,五、應(yīng)用領(lǐng)域 1、惡劣、危險(xiǎn)的工作場(chǎng)合 如：爬壁機(jī)器人 沖床上、下料 采礦 水下作業(yè) 2、特殊作業(yè)場(chǎng)合：對(duì)人來(lái)說(shuō)力所不能及的地點(diǎn) 如：外太空航天飛機(jī) 3、自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域 如：焊接機(jī)器人--汽車(chē)制造廠承重大梁、車(chē)身結(jié)構(gòu)的焊接； 材料搬運(yùn)—碼垛、卸貨； 檢測(cè)機(jī)器人—零件制造過(guò)程中的檢測(cè) 裝配機(jī)器人—較復(fù)雜的作業(yè)過(guò)程，即要檢測(cè)裝配作業(yè)過(guò)程中的誤 差，又要試圖糾正這種誤差 噴漆、噴涂機(jī)器人,8,第三節(jié) 機(jī)器人的組成及運(yùn)動(dòng),一、機(jī)器人的基本組成 三大部分： 機(jī)械部分—執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感部分—信息交互 控制部分—處理中心,9,二、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)（制造商在供貨時(shí)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)） 1、自由度：機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目；,10,2、精度：定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力。,11,3、工作范圍：機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫工作區(qū)域；,12,4、最大工作速度 1）工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度； 2）工業(yè)機(jī)器人手臂末端最大的合成速度。 5、承載能力：機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。其大小取決于： 1）負(fù)載的質(zhì)量； 2）機(jī)器人運(yùn)行的速度、加速度的大小、方向。 通常指高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。,13,第二章 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)裝置是帶動(dòng)臂部到達(dá)指定位置的動(dòng)力源，目前常用的主要有四種驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),14,第一節(jié) 液壓驅(qū)動(dòng),液壓驅(qū)動(dòng)是以高壓油作為工作介質(zhì)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是閉環(huán)的，也可以是開(kāi)環(huán)的；可以是直線(xiàn)的，也可以是旋轉(zhuǎn)的。其工作原理都是基于高壓油對(duì)活塞或葉片的作用。,15,一、直線(xiàn)液壓缸,16,二、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行元件,17,三、電液伺服閥,18,四、采用液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)、缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1、易達(dá)到較高的單位面積壓力（通常2.5~6.3MPa），可獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩； 2、壓力油可壓縮性小，可得到較高的位置精度； 3、液壓傳動(dòng)中，力、速度和方向易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； 4、具有防銹性和自潤(rùn)滑的性能。 缺點(diǎn)： 1、油液粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能； 2、液體的泄露難以克服，這就要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，從而提高了造價(jià)； 3、要提供濾油裝置。,19,第二節(jié) 氣壓驅(qū)動(dòng),一、氣動(dòng)執(zhí)行元件 1、直線(xiàn)氣缸 2、旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)馬達(dá) 二、工作介質(zhì)：高壓空氣 三、應(yīng)用場(chǎng)合：完成擋塊間運(yùn)動(dòng) 四、氣壓驅(qū)動(dòng)優(yōu)、缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1、易達(dá)到高速； 2、無(wú)環(huán)境污染； 3、工作壓力低，因而制造精度要求低。 缺點(diǎn)： 1、壓縮空氣常用壓力在0.4~0.6MPa，要想獲得較大的出力，其結(jié)構(gòu)也要增大； 2、空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，難以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制； 3、除水問(wèn)題：處理不好易引起鋼類(lèi)零件生銹； 4、排氣問(wèn)題：噪聲污染。,20,第三節(jié) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),一、直流電機(jī)工作原理(視頻） 二、對(duì)直流伺服電機(jī)的要求 1、直流伺服電機(jī)定義： 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是平滑且連續(xù)不斷的，因而要實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，必須加入位置反饋；機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要過(guò)到一定的速度要求，還要加入速度反饋。這樣，一個(gè)直流電機(jī)和位置反饋、速度反饋形成一個(gè)整體，即直流伺服電機(jī)。 2、要求： 1）調(diào)速范圍要寬； 2）負(fù)載特性要硬（抗干擾性強(qiáng)）； 3）反應(yīng)速度要快（動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好）。,21,3、直流伺服電機(jī)的種類(lèi)：,22,三、直流伺服電機(jī)的選擇 （一）初選電機(jī) 選擇電機(jī)，首先要考慮電機(jī)必須能夠 提供負(fù)載所需要的瞬間轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，就是能夠提供克服峰值所需要的功率。其次，當(dāng)電機(jī)的工作周期可以與其發(fā)熱時(shí)間常數(shù)相比較時(shí)，必須考慮電機(jī)的熱定額問(wèn)題，通常以負(fù)載的均方根功率作為確定電機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。,23,如果要求電機(jī)在峰值下以峰值轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)負(fù)載，則電機(jī)功率可按下式估算：,24,如果電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)地工作在變載荷之下時(shí)，比較合理的是按負(fù)載均方根功率估算電機(jī)功率：,25,（發(fā)熱校核、轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核略） 初選電機(jī)后，一系列的技術(shù)數(shù)據(jù)，如額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、額定電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，均可由產(chǎn)品目錄直接查得或經(jīng)過(guò)計(jì)算求得。 值得注意的是，電機(jī)的選擇不僅取決于功率，還取決于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求、穩(wěn)定精度、低速平穩(wěn)性、電源是直流還是交流等因素。,26,（二）電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性,27,四、總傳動(dòng)比的選擇 （一）負(fù)載力矩特性 要考慮兩種情況： 1、峰值力矩：經(jīng)常在機(jī)器人關(guān)節(jié)處電機(jī)起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)，也是電機(jī)最嚴(yán)重的工作情況；,28,2、均方根力矩：電機(jī)在長(zhǎng)期連續(xù)變載荷工作下的情況。,29,（二）折算最佳總傳動(dòng)比 1、折算峰值力矩最小的最佳總傳動(dòng)比 2、折算均方根力矩最小的最佳總傳動(dòng)比,30,第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),一、工作原理 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換成角位移（或線(xiàn)位移）的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。 下面以三相步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)明其工作原理。 1、三相三拍運(yùn)行方式 由于每次只有一相繞組通電，在繞組電流切換的瞬間，電機(jī)將失去自鎖力矩，容易造成失步。此外，因?yàn)橹挥幸幌嗬@組吸引轉(zhuǎn)子，易在平衡位置附近發(fā)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故單三拍運(yùn)行方式很少采用。,31,2、三相六拍運(yùn)行方式,32,二、步進(jìn)電機(jī)的選擇,1、類(lèi)型 1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 定義：轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。 特點(diǎn)：步距角小，運(yùn)行頻率高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 2）激磁式步進(jìn)電機(jī) 定義：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組（或轉(zhuǎn)子采用永久磁鋼），由電磁力矩 實(shí) 現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。 特點(diǎn)：永磁式：控制功率小，電磁阻尼大，斷電時(shí)具有定位轉(zhuǎn)矩； 電磁式：輸出轉(zhuǎn)矩大，輸入脈沖電流小，低頻工作時(shí)穩(wěn)定可靠， 高頻工作時(shí)矩頻特性好； 3）永磁反應(yīng)式：兼具反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)與永磁式步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)。,33,2、步距角 定義：每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度（指機(jī)械角度）。 步進(jìn)電機(jī)就是為了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有固定的步進(jìn)位置而設(shè)計(jì)的。步進(jìn)電機(jī)的步距角范圍很廣，從0.75~30度不等。 步距角的大小是如何確定的： 1）齒距角：轉(zhuǎn)子相鄰兩齒間的夾角。 2）步距角：轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過(guò)的空間角度,34,三、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng),兩種驅(qū)動(dòng)方式： 1、硬件：環(huán)形分配器。其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式分配給步進(jìn)電機(jī)各相繞組，使其各相繞組按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間順序通、斷電。環(huán)形分配器是由晶體管或集成電路的邏輯門(mén)、觸發(fā)器等邏輯單元構(gòu)成。 2、軟件：以軟件編程的方式按照環(huán)形分配的原則對(duì)步進(jìn)電機(jī)各相繞組通、斷電相序進(jìn)行控制。,35,第三章 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),36,第一節(jié) 總體設(shè)計(jì),一、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是選擇由連桿件和運(yùn)動(dòng)副組成的坐標(biāo)形式。比較廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)形式有：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式（極坐標(biāo)式）、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式。,37,1、直角坐標(biāo)式機(jī)器人 主要用于生產(chǎn)設(shè)備的上下料，也可用于高精度的裝配和檢測(cè)作業(yè)。其主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度，通常要求手臂能垂直上下移動(dòng)，并可沿滑架和橫梁上的導(dǎo)軌進(jìn)行水平面內(nèi)二維移動(dòng)。手腕的自由度多少視用途而定。,38,2、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人 主體結(jié)構(gòu)具有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、升降、手臂伸縮。手腕通常采用兩個(gè)自由度：繞手臂縱向軸向轉(zhuǎn)動(dòng)、與手臂垂直的水平軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。,39,3、球面坐標(biāo)式機(jī)器人,主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度：繞柱身的轉(zhuǎn)動(dòng)、繞水平軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)、手臂伸縮。機(jī)器人實(shí)際工作范圍的形狀是個(gè)不完全的球缺。手腕應(yīng)具有三個(gè)自由度。當(dāng)機(jī)器人主體運(yùn)動(dòng)時(shí)，裝在手腕上的末端操作器才能維持應(yīng)有的姿態(tài)。,40,4、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人 主體結(jié)構(gòu)有三個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)。全部是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。手腕上三個(gè)自由度（俯仰、偏轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)）也都是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。,41,各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型特點(diǎn),42,二、材料的選擇,結(jié)構(gòu)件材料選擇是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題之一。正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可降低工業(yè)機(jī)器人的成本價(jià)格，更重要的是可適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的高速化、高載荷化及高精度化，滿(mǎn)足其靜力及動(dòng)力特性要求。,43,1、材料選擇的基本要求 與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是十分重要的，這是材料選擇的出發(fā)點(diǎn)。 1）強(qiáng)度高：機(jī)器人的臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿(mǎn)足機(jī)器人臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少臂桿的截面尺寸，減輕重量； 2）彈性模量大：構(gòu)件的剛度（或變形量）與材料的彈性模量E、G有關(guān)，彈性模量越大，變形量越小，剛度越大； 3）重量輕：在機(jī)器人手臂構(gòu)件中產(chǎn)生的變形很大程度上是由于慣性力引起的，與構(gòu)件的質(zhì)量有關(guān)； 4）阻尼大：機(jī)器人的臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)地停下來(lái)。由于構(gòu)件終止運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，加上構(gòu)件自身的彈性，會(huì)產(chǎn)生“殘余振動(dòng)”。從提高定位精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性來(lái)考慮，應(yīng)采用大阻尼材料來(lái)吸收能量。,44,2、結(jié)構(gòu)件材料介紹 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增大了4~5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料； 2）鋁、鋁合金及其它輕合金材料：重量輕、彈性模量E并不大，但材料密度小。 故E/P仍可與鋼材相比； 3）纖維增強(qiáng)合金：硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金，都有極高的E/P比； 4）陶瓷：脆性大，但具有良好的品質(zhì)（防磁、防電、防水）； 5）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：這類(lèi)材料肯有極好的E/P比，但存在老化、蠕變、高溫?zé)崤蛎?、與金屬件連接困難等問(wèn)題。這種材料不但重要輕、剛度大，而且還具有十分突出的阻尼大的優(yōu)點(diǎn)，在高速機(jī)器人上的應(yīng)用較廣泛； 6）粘彈性大阻尼材料。,45,第二節(jié) 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì),,46,一、移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承 （一）移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌 1、工業(yè)機(jī)器人對(duì)移動(dòng)導(dǎo)軌的要求 移動(dòng)關(guān)節(jié)導(dǎo)軌的目的是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保證位置精度和導(dǎo)向，其要求如下： 1）間隙小或能消除間隙； 2）在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上的剛度要高； 3）摩擦系數(shù)低且不隨速度變化； 4）高阻尼； 5）移動(dòng)導(dǎo)軌和其輔助元件尺寸小、慣量低；,47,2、移動(dòng)關(guān)節(jié)種類(lèi)及其特點(diǎn),48,(二)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸承,球軸承是機(jī)器人和機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承,它能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對(duì)軸和軸承座的剛度不敏感，這里以普通四點(diǎn)接觸球軸承為例。,49,基本耐磨球軸承 a)普通向心球軸承 b)向心推力球軸承 c)四點(diǎn)接觸球軸承,50,機(jī)器人專(zhuān)用四點(diǎn)接觸球軸承 采用四點(diǎn)接觸式設(shè)計(jì)以及高精度加工工藝的機(jī)器人專(zhuān)用軸承，比同等軸徑的常規(guī)四點(diǎn)接觸球軸承輕25倍。另外，減輕軸承重量的另一種方法是采用特殊材料，目前常用的是氮化硅陶瓷材料制成球和滾道。,51,二、傳動(dòng)件的定位及消隙,52,（一）傳動(dòng)件的定位 1、電氣開(kāi)關(guān)定位 電氣開(kāi)關(guān)定位是利用電氣開(kāi)關(guān)作行程檢測(cè)元件。當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到定位點(diǎn)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，切斷動(dòng)力源或接通制動(dòng)器，從而使機(jī)械手獲得定位。 液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手運(yùn)行至定位點(diǎn)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，電控系統(tǒng)使電磁換向閥關(guān)閉油路而實(shí)現(xiàn)定位。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手需要定位時(shí)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)，電氣系統(tǒng)激勵(lì)電磁制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)而定位。 使用電氣開(kāi)關(guān)定位的機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維修方便，但由于受慣性力、油溫波動(dòng)和電控系統(tǒng)誤差等因素的影響，重復(fù)定位精度比較低，一般為,53,2、機(jī)械擋塊定位 機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊，當(dāng)機(jī)械手減速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。若定位前緩沖較好，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在驅(qū)動(dòng)壓力下將運(yùn)動(dòng)件壓在機(jī)械擋塊上，或驅(qū)動(dòng)壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達(dá)到較高的定位精度，最高可達(dá),54,3、伺服定位系統(tǒng) 電氣開(kāi)關(guān)定位與機(jī)械擋塊定位這兩種定位方法只適用于兩點(diǎn)或多點(diǎn)定位。而在任意點(diǎn)定位時(shí)，要使用伺服定位系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)可以輸入指令來(lái)控制位移的變化，從而獲得良好的運(yùn)動(dòng)特性。它不僅適用于點(diǎn)位控制，也適用于連續(xù)軌跡控制。 1）開(kāi)環(huán)伺服定位系統(tǒng)沒(méi)有行程檢測(cè)及反饋，是一種直接用脈沖頻率變化和脈沖數(shù)來(lái)控制機(jī)器人速度和位移的定位方式。這種定位方式抗干擾能力差，定位精度較低。如果需要較高的定位精度，則一定要降低機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的平均速度。 2）閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)具有反饋環(huán)節(jié)，其抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)定位。,55,（二）傳動(dòng)件的消隙 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在有間隙，也叫側(cè)隙。傳動(dòng)的間隙，影響了機(jī)器人的重復(fù)定位精度和平穩(wěn)性。對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳動(dòng)間隙導(dǎo)致顯著的非線(xiàn)性變化、振動(dòng)和不穩(wěn)定。 產(chǎn)生的主要原因有： 1）由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙； 2）為適應(yīng)熱膨脹而特意留出的間隙。 消除間隙的主要途徑有： 1）提高制造和裝配精度； 2）設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)； 3）設(shè)置彈性補(bǔ)償零件。,56,消隙齒輪,57,柔性齒輪消隙,58,對(duì)稱(chēng)傳動(dòng)消隙,59,偏心機(jī)構(gòu)消隙,60,齒廓彈性覆層消隙,61,三、主要傳動(dòng)部件,1、諧波減速器 電機(jī)是高轉(zhuǎn)速、低力矩的驅(qū)動(dòng)器，在機(jī)器人中要用減速器變成低轉(zhuǎn)速、高力矩的驅(qū)動(dòng)器。機(jī)器人對(duì)減速器的要求如下： 1）運(yùn)動(dòng)精度高、間隙小，以實(shí)現(xiàn)較高的定位精度； 2）回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，無(wú)波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副間摩擦小，效率高； 3）體積小，重時(shí)輕，傳動(dòng)扭矩大。 在工業(yè)機(jī)器人中，比較合乎要求且常用的減速器是諧波減速器。諧波傳動(dòng)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上是一種具有柔性齒圈的行星傳動(dòng)，它在機(jī)器人上獲得了比行星齒輪傳動(dòng)更加廣泛的應(yīng)用。,62,諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個(gè)主要零件組成。其工作原理是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起的相對(duì)錯(cuò)齒來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，與一般齒輪傳動(dòng)有本質(zhì)上的差別。諧波發(fā)生器是主動(dòng)件，剛輪或柔輪為從動(dòng)件。,63,剛性齒輪各齒均布于圓周內(nèi)圈，具有外齒形的柔性齒輪沿剛性齒輪的內(nèi)齒轉(zhuǎn)動(dòng)。諧波發(fā)生器具有橢圓形輪廓，裝在諧波發(fā)生器上的滾珠用于支承柔性齒輪。具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：諧波發(fā)生器4的轉(zhuǎn)動(dòng)使柔輪6上的齒7與圓形花鍵輪（剛輪）上的齒2相嚙合。3為輸入軸，如果剛輪1固定，則軸5為輸出軸；如果軸5固定，則1為輸出軸。,64,前沿科技發(fā)展介紹,1、液壓靜壓波發(fā)生器的諧波傳動(dòng)：因?yàn)橛途哂泻芎玫睦鋮s作用，能提高傳動(dòng)速度； 2、電磁波發(fā)生器的諧波傳動(dòng)也已問(wèn)世。,65,滾珠絲杠的基本組成,66,2、絲杠螺母副及滾珠絲杠傳動(dòng),67,第三節(jié) 臂部設(shè)計(jì),一、臂部設(shè)計(jì)的基本要求 臂部設(shè)計(jì)必須根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取的重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來(lái)確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮手臂的受力情況，油缸（氣缸）及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。 1、臂部的自由度 通常為2-3個(gè)：伸縮、回轉(zhuǎn)或俯仰。 2、剛度要求高 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的變形，手臂的截面形狀要合理選擇。如： 1）工字形截面彎曲剛度比圓截面大； 2）空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度比實(shí)心軸大，所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 3、導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中沿運(yùn)動(dòng)軸線(xiàn)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)該設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置，或者設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 4、重量要輕 為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減小整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 5、運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，定位精度要高,68,二、手臂的常用結(jié)構(gòu),1、手臂的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)器人手臂的伸縮、橫向移動(dòng)均屬直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。常用的有活塞油(氣)缸，齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)。其中由于活塞油(氣)缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。 2、手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。,69,,70,三、臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算,計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)器人工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。,,,,,71,1、臂部水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 臂部作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力，包括油（氣）缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算：,72,2、臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來(lái)計(jì)算。由于升速過(guò)程一般不是等加速運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍，驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：,,,,,73,第四節(jié) 手腕設(shè)計(jì),工業(yè)機(jī)器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個(gè)自由度。通常把手腕的翻轉(zhuǎn)叫Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫Pitch，用P表示；把手腕的偏轉(zhuǎn)叫Yaw，用Y表示。腕部實(shí)際所需要的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來(lái)確定。 由于手腕是安裝在手臂的末端，所以手腕的大小和重要是手腕設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。希望能采用緊湊的結(jié)構(gòu)，合理的自由度。,74,75,76,一、手腕的分類(lèi) 1、按自由度數(shù)目來(lái)分類(lèi) 1）單自由度手腕,77,2）二自由度手腕,78,3）三自由度手腕,79,2、按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi) 1）直接驅(qū)動(dòng)手腕,80,2）遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕,81,第五節(jié) 手部設(shè)計(jì),一、手部特點(diǎn) 1、手部是一個(gè)獨(dú)立的部件，與手腕相連處可拆卸； 2、手部是工業(yè)機(jī)器人末端操作器； 3、手部通用性較差，通常都是專(zhuān)用裝置。 二、手部的分類(lèi) 1、按用途分 1）手爪：具有一定的通用性，它的主要功能是：抓住工件、握持工件、釋放工件。 抓住—在給定的目標(biāo)位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件在手爪內(nèi)必須具有可靠的定位和準(zhǔn)確的位姿； 握持—確保工件在搬運(yùn)或裝配過(guò)程中定義勇了的位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性； 釋放—在指定點(diǎn)上除去手爪和工件之間的約束關(guān)系。 2）工具；是進(jìn)行某種作業(yè)的專(zhuān)用工具，如噴漆槍、焊具等。,82,2、按夾持原理分 1）機(jī)械類(lèi)：有靠摩擦力夾持和吊鉤承重兩類(lèi)； 2）磁力類(lèi)：有電磁吸盤(pán)和永磁吸盤(pán)兩種； 3）真空類(lèi)：真空吸盤(pán)、氣流負(fù)壓吸盤(pán)、擠氣負(fù)壓吸盤(pán)。 3、按手指或吸盤(pán)數(shù)目分 機(jī)械手爪可分為：二指手爪、多指手爪； 機(jī)械手爪按手指關(guān)節(jié)分：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)手指手爪、多關(guān)節(jié)手指手爪； 吸盤(pán)式手爪按吸盤(pán)數(shù)目分：?jiǎn)挝P(pán)式手爪、多吸盤(pán)式手爪。 4、按智能化分 1）普通式手爪：手爪不具備傳感器； 2）智能化手爪：手爪具備一種或多種傳感器，如力傳感器、觸覺(jué)傳感器等。,83,三、手爪設(shè)計(jì)舉例 機(jī)械式手爪設(shè)計(jì),84,滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部,85,雙支點(diǎn)連桿杠桿式手部,86,齒輪齒條杠桿式手部,87,第六節(jié) 機(jī)身與行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),一、機(jī)身設(shè)計(jì) 機(jī)身的設(shè)計(jì)要有足夠的剛度和穩(wěn)定性；運(yùn)動(dòng)要靈活；結(jié)構(gòu)布置要合理。 1、回轉(zhuǎn)與升降機(jī)身,88,2、回轉(zhuǎn)與俯仰機(jī)身,89,二、行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人可以分成固定式和行走式兩種。一般的工業(yè)機(jī)器人大多為固定式的。但隨著海洋科學(xué)、原子能工業(yè)及宇宙空間事業(yè)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人、自動(dòng)行走機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多了。,90,行走機(jī)構(gòu)按其行走軌跡可分為固定軌跡式和無(wú)固定軌跡式。 1、固定軌道可移動(dòng)機(jī)器人,91,無(wú)軌行走機(jī)器人,92,步行機(jī)器人,93,94,95,第四章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,96,第一節(jié) 機(jī)器人位姿描述,齊次坐標(biāo),97,一、直角坐標(biāo)與向量運(yùn)算 1、向量的表示法 該向量的表示法,設(shè)空間兩向量分別為： 標(biāo)量與向量的乘積： 兩向量的和： 兩向量的數(shù)量積： 兩向量的矢量積：,98,二、齊次坐標(biāo) 用 來(lái)表示三維空間的直角坐標(biāo)的點(diǎn) ， 它們的關(guān)系為,99,第三節(jié) 齊次變換,一、平移變換,100,101,二、旋轉(zhuǎn)變換,102,,103,,104,三、坐標(biāo)系綜合齊次變換 四、齊次變換的幾何意義 1、變換陣的塊分解及其幾何意義 2、方向余弦陣的幾個(gè)性質(zhì) 1）矩陣中每行和每列中元素的平方和為1； 2）矩陣中兩個(gè)不同列或不同行中對(duì)應(yīng)元素的乘積之和為0； 3）逆陣與轉(zhuǎn)置陣相等。,105,第四節(jié) 變換方程的建立,,106,第五節(jié) 廣義轉(zhuǎn)動(dòng)變換,,107,第六節(jié) RPY角與歐拉角,一、RPY角（繞固定軸X-Y-Z旋轉(zhuǎn)）,108,二、歐拉角（繞運(yùn)動(dòng)系Z-Y-X轉(zhuǎn)動(dòng)）,109,第七節(jié) D—H坐標(biāo)系的確定及A矩陣,110,111,,112,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)A矩陣,113,移動(dòng)關(guān)節(jié)A矩陣,114,第八節(jié) 建立機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的實(shí)例,,X----n：正交向量 Y----o：方位向量 Z----a：接近向量（手接近物體的方向） 上述向量構(gòu)成右手矢量積 即：n=o×a,115,例1,116,例2,117,第五章 機(jī)器人力學(xué)分析,118,第一節(jié) 機(jī)器人速度雅可比與速度分析,一、雅可比矩陣的引入 數(shù)學(xué)上雅可比矩陣是一個(gè)多無(wú)函數(shù)的偏導(dǎo)矩陣，設(shè)有六個(gè)函數(shù)，每個(gè)函數(shù)有六個(gè)變量，即： 可寫(xiě)成：Y=F（X）,119,將其微分得： 可簡(jiǎn)寫(xiě)成： ，其中矩陣 叫做雅可比矩陣。,120,,左圖為二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人。端點(diǎn)位置 與 的關(guān)系為： 即：,二、機(jī)器人速度雅可比,121,將其微分得： 將上式寫(xiě)成矩陣形式： 令,我們可以把它的矩陣形式簡(jiǎn)寫(xiě)成： ，其中 ， 我們將 稱(chēng)為上圖中所示二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的速度雅可比，它反映了關(guān)節(jié)空間微小運(yùn)動(dòng) 與手部作業(yè)空間微小位移 的關(guān)系。,122,對(duì)該雅可比公式進(jìn)行運(yùn)算，可得出： 從中可以看出， 陣的值是 及 的函數(shù)。 廣義關(guān)節(jié)變量的表示： ， 1）當(dāng)關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)， ； 2）當(dāng)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)， 。,123,三、工業(yè)機(jī)器人的速度分析 對(duì)于 ，左、右兩邊同時(shí)除以 ， 有： 或： 對(duì)于上圖所示的二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，則可寫(xiě)出它的速度雅可比公式：,124,上式中，右邊第一項(xiàng)表示僅由第一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)引起的端點(diǎn)速度；右邊第二項(xiàng)表示僅由第二個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)引起的端點(diǎn)速度；總的端點(diǎn)速度為這兩個(gè)速度矢量的合成。 因此，機(jī)器人速度雅可比的每一列表示其它關(guān)節(jié)不動(dòng)而某一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的端點(diǎn)速度。,125,圖示機(jī)器人的手部速度：,126,四、機(jī)器人的逆速度雅可比 假如已知機(jī)器人關(guān)節(jié) 是時(shí)間的函數(shù)， ， ， 則可求出該機(jī)器人手部在某一時(shí)刻的速度，即手部瞬時(shí)速度。 反之，假如給定機(jī)器人手部速度，則可解出相應(yīng)的關(guān)節(jié)速度： ， 稱(chēng)為機(jī)器人逆速度雅可比。,127,例：如圖所示的二自由度平面機(jī)械手，手部沿固定坐標(biāo)系 軸正向以1.0m/s速度移動(dòng)，桿長(zhǎng)為 ，設(shè)在某瞬時(shí) ， 求相應(yīng)瞬時(shí)的關(guān)節(jié)速度。,128,第二節(jié) 機(jī)器人力雅可比與靜力計(jì)算,129,機(jī)器人作業(yè)時(shí)與外界環(huán)境的接觸會(huì)在機(jī)器人與環(huán)境之間引起相互的作用力和力矩。機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置提供關(guān)節(jié)力矩（或力），通過(guò)連桿傳遞到末端操作器，克服外界作用力和力矩。各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩（或力）與末端操作器施加的力之間的關(guān)系是機(jī)器人操作臂力控制的基礎(chǔ)。我們假設(shè)各關(guān)節(jié)“鎖定”，機(jī)器人成為一個(gè)機(jī)構(gòu)。這種“鎖定”的關(guān)節(jié)力矩與手部所支持的載荷或受到外界環(huán)境作用的力取得靜力平衡。求解這種“鎖定”的關(guān)節(jié)力矩或求解在已知驅(qū)動(dòng)力矩作用下手部的輸出力就是對(duì)機(jī)器人操作臂的靜力計(jì)算。,130,一、操作臂中的靜力 如圖所示，桿件通過(guò)關(guān)節(jié)i和i+1分別與桿件i-1和i+1相連接，兩個(gè)坐標(biāo)系{i-1}和{i}分別如圖。,131,假如已知外界環(huán)境對(duì)機(jī)器人最末桿的作用力和力矩，那么可以由最后一個(gè)連桿向零連桿（機(jī)座）依次遞推，從而計(jì)算出每個(gè)連桿上的受力情況。,132,為便于表示機(jī)器人手部端點(diǎn)的力和力矩（簡(jiǎn)稱(chēng)為端點(diǎn)力F），可將 和 合并寫(xiě)成一個(gè)六維矢量： 各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力或力矩可寫(xiě)成一個(gè) 維矢量的形式，即,133,二、機(jī)器人的力雅可比 假定關(guān)節(jié)無(wú)摩擦，并忽略各桿件的重力，則廣義關(guān)節(jié)力矩 與機(jī)器人手部端點(diǎn)力 的關(guān)系可表示為： 三、機(jī)器人靜力計(jì)算的兩類(lèi)問(wèn)題 1）已知外界環(huán)境對(duì)機(jī)器人手部作用力 （即手部端點(diǎn)力 ），求相應(yīng)的滿(mǎn)足靜力平衡條件的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩 。 2）已知關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩 ，求機(jī)器人手部對(duì)外界環(huán)境的作用力 或載荷的質(zhì)量。,134,例 如圖示的一個(gè)二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)械手，已知手部端點(diǎn)力 ，求相應(yīng)于端點(diǎn)力 的關(guān)節(jié)力矩。,135,第三節(jié) 工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析,機(jī)器人是一個(gè)非線(xiàn)性的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的求解比較困難，而且需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間。因此，簡(jiǎn)化解的過(guò)程，最大限度地減少工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)在線(xiàn)計(jì)算的時(shí)間是一個(gè)受到關(guān)注的研究課題。,136,動(dòng)力學(xué)研究物體的運(yùn)動(dòng)和作用力之間的關(guān)系。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問(wèn)題有兩類(lèi)： 1、給出已知軌跡點(diǎn)上的 、 、 即機(jī)器人關(guān)節(jié)位置、速度、加速度，求相應(yīng)的關(guān)節(jié)力矩向量 ，這對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)態(tài)控制相當(dāng)有用。 2、已知關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，求機(jī)器人系統(tǒng)相應(yīng)的各瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，給出關(guān)節(jié)力矩向量 ，求機(jī)器人所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng) 、 、 ，這對(duì)模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)非常有用。,137,一、拉格朗日方程 1、拉格朗日函數(shù) 拉格朗日函數(shù) 的定義是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)能 和勢(shì)能 之差，即： 2、拉格朗日方程 式中， 稱(chēng)為廣義關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力。如果是移動(dòng)關(guān)節(jié)，則 為驅(qū)動(dòng)力，如果是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，則 為驅(qū)動(dòng)力矩。,138,用拉格朗日法建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的步驟： 1、選取坐標(biāo)系，選定完全而獨(dú)立的廣義關(guān)節(jié)變量 ， 。 2、選定相應(yīng)的關(guān)節(jié)上的廣義力 ，當(dāng) 是位移變量時(shí)，則 為力；當(dāng) 是角度變量時(shí)，則 為力矩。 3、求出機(jī)器人各構(gòu)件的動(dòng)能和勢(shì)能，構(gòu)造拉格朗日函。 4、代入拉格朗日方程，求得機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。,139,二、二自由度平面關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程 廣義關(guān)節(jié)變量及廣義力的選定,140,第六章 機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng),141,人類(lèi)具有五種感覺(jué)：視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)。機(jī)器人需要通過(guò)傳感器得到這些感覺(jué)信息。目前機(jī)器人只具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和觸覺(jué)，這些感覺(jué)是通過(guò)相應(yīng)的傳感器得到的。傳感器是機(jī)器人必不可少的關(guān)鍵部分。其上各部裝置都要先經(jīng)過(guò)信息檢測(cè)才能實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換、處理和顯示，而后達(dá)到調(diào)節(jié)、控制的目的。,142,第一節(jié) 機(jī)器人傳感器的選擇要求,機(jī)器人最需要的感覺(jué)能力 簡(jiǎn)單觸覺(jué)：確定工作對(duì)象是否存在； 復(fù)合觸覺(jué)：確定工作對(duì)象是否存在以及它的尺寸和形狀； 簡(jiǎn)單力覺(jué)：沿一個(gè)方向測(cè)量力； 復(fù)合力覺(jué)：沿一個(gè)以上方向測(cè)量力； 接近覺(jué)：對(duì)工作對(duì)象的非接觸探測(cè)； 簡(jiǎn)單視覺(jué)：孔、邊、拐角等的檢測(cè)； 復(fù)合視覺(jué)：識(shí)別工作對(duì)象的形狀。 溫度、濕度、壓力、滑動(dòng)量、化學(xué)性質(zhì)等的感覺(jué)能力。,143,機(jī)器人用傳感器的選擇包括三個(gè)方面 1、傳感器類(lèi)型的選擇 2、傳感器性能指標(biāo)的確定 3、傳感器物理特征的選擇,144,1、傳感器類(lèi)型的選擇 1）機(jī)器人對(duì)傳感器的一般要求 a.精度高，重復(fù)性好 b.穩(wěn)定性好，可靠性高 c.抗干擾能力強(qiáng) d.重量輕，體積小，安裝方便 e.價(jià)格便宜 2）按加工任務(wù)的要求來(lái)選擇 3）從機(jī)器人控制的要求來(lái)選擇 4）從安全方面的要求來(lái)選擇,145,2、傳感器性能指標(biāo)的確定 1）靈敏度：傳感器的輸出信號(hào)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出信號(hào)變化與傳感器輸入信號(hào)變化的比值。 假如傳感器的輸出與輸入呈線(xiàn)性關(guān)系，有 假如傳感器的輸出與輸入呈曲性關(guān)系，有 2）線(xiàn)性度：衡量傳感器的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之比值是否保持為常數(shù)的指標(biāo)。 3）測(cè)量范圍：傳感器被測(cè)量范圍的最大允許值和最小允許值之差。 4）精度：傳感器的測(cè)量輸出值與實(shí)際被測(cè)值之間的誤差。,146,5）重復(fù)性：當(dāng)傳感器的輸入信號(hào)按同一方向進(jìn)行全量程連續(xù)多次測(cè)量時(shí)，其相應(yīng)測(cè)試結(jié)果的變化程度。 6）分辨率：傳感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)，所能辨別的被測(cè)量的最小變化量，或者說(shuō)所能辨別的不同被測(cè)量的個(gè)數(shù)。 7）響應(yīng)時(shí)間：傳感器的輸入信號(hào)變化以后，其輸出信號(hào)變化到一個(gè)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。 8）可靠性,147,3、傳感器物理特征的選擇 1）尺寸和重量 2）輸出形式 3）可插接性,148,第二節(jié) 傳感器的基本組成及分類(lèi),1、傳感器的組成： 敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路 敏感元件是直接感受被測(cè)量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量的元件。如彈性敏感元件可將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變；轉(zhuǎn)換元件可將敏感元件輸出的非電物理量轉(zhuǎn)換成電量；基本轉(zhuǎn)換電路將由轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電量轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電信號(hào)，如電壓、電流、頻率等。,149,2、傳感器的分類(lèi),150,第三節(jié) 位置傳感器和位移傳感器,一、電位器式位移傳感器 組成：由一個(gè)繞線(xiàn)電阻（或薄膜電阻）和一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)組成。其中滑動(dòng)觸點(diǎn)通過(guò)機(jī)械裝置受被檢測(cè)量的控制。 分類(lèi)：1）直線(xiàn)型電位器：滑動(dòng)觸點(diǎn)沿電阻軸線(xiàn)方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)； 2）旋轉(zhuǎn)型電位器：電阻元件呈圓弧狀，滑動(dòng)觸點(diǎn)作圓周運(yùn)動(dòng)。,151,優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：輸入輸出特性可根據(jù)需要進(jìn)行選?。?輸出信號(hào)選擇范圍大； 具有記憶性； 性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高。 缺點(diǎn)：易磨損,152,二、光電編碼器 1、絕對(duì)型光電編碼器 1）構(gòu)成：多路光源 光敏元件 光電碼盤(pán),153,2）工作原理 3）分辨率： 4）特點(diǎn)：具有記憶性,154,2、相對(duì)型光電編碼器（增量碼盤(pán)） 1）構(gòu)成：一路或兩路光源 光敏元件 光電碼盤(pán) 2） 工作原理 3）分辨率： 4）特點(diǎn)：無(wú)記憶性,155,第四節(jié) 機(jī)器人接觸覺(jué)傳感器,機(jī)器人觸覺(jué)傳感器是用來(lái)判斷機(jī)器人是否接觸物體的測(cè)量傳感器或大致判斷物體的形狀。傳感器輸出信號(hào)常為0或1。 經(jīng)濟(jì)形：各種微動(dòng)開(kāi)關(guān)； 其它形：碳素纖維及聚氨基甲酸酯為基本材料的觸覺(jué)傳感器。 通常接觸覺(jué)傳感器的安裝部位在機(jī)械手的曲面手掌上。,156,一、簡(jiǎn)單觸覺(jué)傳感器 以陣列形式排列組合成觸覺(jué)傳感器，它以特定次序向控制器發(fā)送接觸和形狀信息。 1、組成：觸覺(jué)傳感器的兩側(cè)各有一個(gè)由六個(gè)接觸覺(jué)傳感器組成的陣列。每個(gè)陣列由觸桿、發(fā)光二極管和光傳感器組成。,157,2、工作原理：接近物體時(shí)，觸桿隨之縮進(jìn)，遮擋了發(fā)光二極管向光傳感器發(fā)射的光線(xiàn)，光傳感器輸出與觸桿的位移成正比的信號(hào)。相當(dāng)于位移傳感器。 接觸覺(jué)傳感器可提供的物體信息,158,二、類(lèi)皮膚傳感器,159,第五節(jié) 機(jī)器人接近覺(jué)傳感器,一、電磁式接近覺(jué)傳感器,160,二、光學(xué)接近覺(jué)傳感器 1、組成：光源（發(fā)射器）； 接收器 2、工作原理：光源可在內(nèi)部，也可在外部，接收器能夠感知光線(xiàn)的有無(wú)。接收器通常是光電晶體管，發(fā)射器通常是發(fā)光二極管，兩者結(jié)合成為一個(gè)光傳感器。,161,三、超聲波接近覺(jué)傳感器,162,第六節(jié) 機(jī)器人力覺(jué)傳感器,1、力—力矩傳感器,163,2、應(yīng)變片,164,3、多維力傳感器,165,第七節(jié) 機(jī)器人視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)傳感器,一、視覺(jué)傳感器,166,,167,二、聽(tīng)覺(jué)傳感器 1、人的聽(tīng)覺(jué) 人的聽(tīng)覺(jué)的外周感受器官是耳，耳的適宜刺激是一定頻率范圍內(nèi)的聲波振動(dòng)，耳內(nèi)器官和其中所含的毛細(xì)胞是真正的聲音感受裝置。聽(tīng)神經(jīng)纖維就分布在毛細(xì)胞下方的基底膜中，對(duì)聲音信息進(jìn)行編碼，傳送到大腦皮層的聽(tīng)覺(jué)中樞，產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué)。 2、機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué) 從應(yīng)用的目的來(lái)看，可分為兩大類(lèi)； 1）發(fā)聲人識(shí)別系統(tǒng) 2）語(yǔ)義識(shí)別系統(tǒng)。機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中的聽(tīng)覺(jué)傳感器的基本形態(tài)與傳聲器相同，多為利用壓電效應(yīng)、磁電效應(yīng)等。,168,三、嗅覺(jué)傳感器 1、人的嗅覺(jué) 人的嗅覺(jué)感受器是位于上鼻道及鼻中隔后上部的嗅上皮，兩側(cè)總面積約為5平方厘米。嗅上皮含有3種細(xì)胞，即主細(xì)胞、支持細(xì)胞和基底細(xì)胞。不同性質(zhì)的氣味刺激有其相對(duì)專(zhuān)用的感受位點(diǎn)和傳輸線(xiàn)路。非基本氣味則由它們?cè)诓煌€(xiàn)路上引起的不同數(shù)量沖動(dòng)的組合，在中樞引起特有的主觀嗅覺(jué)感受。 2、機(jī)器人的嗅覺(jué) 嗅覺(jué)傳感器主要是采用氣體傳感器、射線(xiàn)傳感器等。機(jī)器人的嗅覺(jué)傳感器主要用于： 1）檢測(cè)空氣中的化學(xué)成分及濃度； 2）檢測(cè)放射線(xiàn)、可燃?xì)怏w及有毒氣體； 3）了解環(huán)境污染、預(yù)防火災(zāi)和毒氣泄露報(bào)警。,169,第七章 機(jī)器人控制系統(tǒng),170,一、機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu) 大部分工業(yè)機(jī)器人都采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制。這種控制方案可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高運(yùn)算速度，保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。第一級(jí)負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控、作業(yè)管理和實(shí)時(shí)插補(bǔ)任務(wù)。第一級(jí)的運(yùn)算結(jié)果作為伺服位置信號(hào)，控制第二級(jí)。第二級(jí)為各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)，有兩種可能的方案。,171,1、采用一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制高速脈沖發(fā)生器,172,2、使用幾個(gè)單片機(jī)分別控制幾個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),173,