第二章工业机器人的机械设计基础课件.ppt
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1、第二章 工业机器人的机械设计基础n 工业机器人常见构型n 机器人基本概念与关键参数n 机器人的运动学n 机器人工作空间与轨迹规划n 机器人静力学与动力学n 机器人关键功能部件n 机器人元器件与传动方式n 机器人典型结构与运动n 机器人设计与分析n 机器人设计思想与设计方法主要内容机器人组成机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看,机器人系统可以分成四大部分:机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。处理器处理器关节控制器关节控制器驱动驱动装置装置执行执行机构机构工作对象工作对象控制系统控制系统感知反馈系统感知反馈系统内部传感器(位形检测)内部传感器(位形检测)外部传感器(
2、环境检测)外部传感器(环境检测)机器人分类气压驱动气压驱动按驱动形式按驱动形式液压驱动液压驱动电驱动电驱动直流伺服驱动直流伺服驱动交流伺服驱动交流伺服驱动按用途划分按用途划分(应用领域)(应用领域)(1)工业机器人)工业机器人(步进电机)(步进电机)弧焊机器人弧焊机器人点焊机器人点焊机器人搬运机器人搬运机器人装配机器人装配机器人喷涂机器人喷涂机器人抛光机器人抛光机器人机器人分类(2)特种机器人)特种机器人空间机器人空间机器人水下机器人水下机器人军用机器人军用机器人教学机器人教学机器人服务机器人服务机器人医用机器人医用机器人排险救灾机器人排险救灾机器人固定式固定式移动式移动式轮式轮式履带式履带式
3、足式足式蛇行蛇行机机 器器 人人 的的 常常 见见 构构 型型机器人常见构型1、直角坐标型(3P)2、圆柱坐标型(R2P)3、极坐标型(也称球面坐标型)(2RP)4、关节坐标型(3R)5、平面关节型(SCARA)光栅)进行相对位移时,在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相Parasolid(.在相同输出转矩下,一般质量仅为电大,调速范围宽,惯量小,尺寸小,同时还要有性步进电机一般不具有过载能力。运 动 学 正 问 题编码器通常可分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器及混合式光电编码器。-往往需要将极坐标转化成我们运动速度 单关节速度;机器人基本概念与关键参数交叉滚柱导轨 支撑型直线导
4、轨(直线轴承)直线导轨(滑块)旋转变压器:输出电信号与转子转角成某种函数关系的电感式角度传感元件。转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的绘制机构运动简图、三维简图直驱电机,直接驱动式电机的简称.-作业空间与占地面积比很大,应用钩拖方式可降低驱动力的要求,简化手部结构,甚至可以省略手部驱动装置。运动范围 机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。精度 指机器人到达指定点的精确程度。工艺、表面处理、外部零件安装、安全防护直角坐标机器人l 结构特点-在直角坐标空间内解耦,空间轨迹易于求解;-易于实现高定位精度;-当具有相同的工作空间时,本体所占空间体积较大这也是大多数数
5、控设备采用这种结构形式的原因圆柱坐标机器人l 结构特点-在圆柱坐标空间内解耦;-能够伸入型腔式空间;-相同工作空间,本体所占空间体积比直角坐标式要小;-直线驱动部分密封、防尘较难极坐标机器人l 结构特点-所占空间体积小,机构紧凑;-往往需要将极坐标转化成我们习惯的直角坐标,轨迹求解较难;-直线驱动同样存在密封、防尘问题垂直多关节机器人l 结构特点-机构紧凑,动作灵活,工作空间大;-能绕过基座周围的一些障碍物;-适合电机驱动,关节密封、防尘比较容易相邻关节轴线垂直或水平水平多关节机器人(SCARA)l 结构特点-作业空间与占地面积比很大,使用起来方便;-沿升降方向刚性好,尤其适合平面装配作业SC
6、ARA-Selective ComplianceAssembly Robot Arm1978年由日本山梨大学牧野洋教授首先提出并联机器人模拟器模拟器加工设备加工设备微动机构微动机构机器人基本概念与关键参数机器人基本概念与关键参数1.2.3.4.5.基本概念重复定位精度:往复运动的物体,每次停止的位置与第一次调定的位置之间角度或长度的差值。差值越小,精度越高。描述方式:0.08mm精度:观测结果、计算值或估计值与真值(或被认为是真值)之间的接近程度。描述方式:0.08 mm分辨率:设备输出最小位移或角度的能力。自由度:完全确定一个物体在空间位置所需要的独立坐标数目,叫做这个物体的自由度。柔性(适
7、应性):“柔性”是相对于“刚性”而言的,传统的“刚性”自动化生产线主要实现单一品种的大批量生产。其优点是生产率很高,由于设备是固定的,所以设备利用率也很高,单件产品的成本低。但价格相当昂贵,且只能加工一个或几个相类似的零件,难以应付多品种中小批量的生产。随着批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换,一个制造自动化系统的生存能力和竞争能力在很大程度上取决于它是否能在很短的开发周期内,生产出较低成本、较高质量的不同品种产品的能力。柔性已占有相当重要的位置。6.7.8.9.基本概念柔性制造系统(FMS):柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统,它包括多
8、个柔性制造单元,能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。”简单地说,是由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。刚度:刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。零件的刚度(或称刚性)常用单位变形所需的力或力矩来表示,刚度的大小取决于零件的几何形状和材料种类(即材料的弹性模量)。强度:强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说,强度是衡量零件本身承载能力(即抵抗失效能力)的重要指标。强度是机械零部件首先应满足的基本要求。示教再现:具有记忆再现功能的机器人。操作者
9、预先进行逐步示教,机器人记忆有关作业程序、位置及其他信息,然后按照再现指令,逐条取出解读,在一定精度范围内重复被示教的程序,完成工作任务。关键参数自由度数 衡量机器人适应性和灵活性的重要指标,一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。负载能力 机器人在满足其它性能要求的前提下,能够承载的负荷重量。运动范围 机器人在其工作区域内可以达到的最大距离。它是机器人关节长度和其构型的函数。精度 指机器人到达指定点的精确程度。与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关。重复定位精度 指机器人重复到达同样位置的精确程度。它不仅与机器人驱动器的分辨率及反馈装置有关,还与传动机构的精度及机器人的
10、动态性能有关。控制模式 引导或点到点示教模式;连续轨迹示教模式;软件编程模式;自主模式。运动速度 单关节速度;合成速度电源与电源容量动态特性稳定、柔顺材料机器人运动学机器人运动学机器人运动学 在一般机器人应用问题中,人们感兴趣的是:末端执行器在一般机器人应用问题中,人们感兴趣的是:末端执行器相对于固定参考坐标系的空间几何描述,也就是机器人的相对于固定参考坐标系的空间几何描述,也就是机器人的运动学问题运动学问题 机器人的运动学即是研究机器人手臂末端执行器位置和姿机器人的运动学即是研究机器人手臂末端执行器位置和姿态与关节变量空间之间的关系态与关节变量空间之间的关系n 也就是要把机器人的空间位移解析
11、地表示为时间的函数,特别是研究机器人关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系研究的对象 机器人从机构形式上主要分为两种,一种是关节式串联机器人,另外一种是并联机器人,如图:PUMA560Fanuc manipulatorHexapod运动学研究的问题Where is my hand?运动学正问题运动学正问题Direct KinematicsHERE!How do I put myhand here?运动学逆问题运动学逆问题Inverse Kinematics:Choose these angles!-结构紧凑,能实现同轴输出2、给出某一限定的工作空间,求操作机的结构形式、参数和关节变
12、量的各种运动形式均可设计成机座式。足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高,能耗较少。力(矩)与接触力的关系。机构都可称之为并联机构,-6-DOF串联机器人抓取物体时,手臂机构(前3个自由由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同,出现了各种不同的配置形式。在初选参数条件下,即R=400,偏心套,在偏心套上装有两个滚柱运 动 学 正 问 题于机器人结构的复杂性,其动力学模型也常常很复杂,难以力(矩)与接触力的关系。连杆机构-六足爬虫等仿生机器人、助力机械手广泛应用于非金属材料(如板材、纸张、玻璃等物体)或不可有剩磁的材料的吸附。25)/2=24N*m例如,早晨起床后的安排。
13、)转动伸缩型臂部结构由于摆线轮上齿廓曲线的特点及其02875/802/0.速匀速减速分别占时间的1/3.研究的问题:n 运动学正问题-已知杆件几何参数和关节角矢量,求操作机末端执行器相对于固定参考作标的位置和姿态(齐次变换问题)。n 运动学逆问题-已知操作机杆件的几何参数,给定操作机末端执行器相对于参考坐标系的期望位置和姿态(位姿),操作机能否使其末端执行器达到这个预期的位姿?如能达到,那么操作机有几种不同形态可以满足同样的条件?杆 件 参 数关 节 角关 节 角运 动 学 正 问 题杆 件 参 数运 动 学 正 问 题末 端 执 行 器解的存在性n 目标点应位于工作空间内n 可能存在多解,如
14、何选择最合适的解?存在双解存在双解!什么是并联机器人什么是并联机器人n 并联机器人机构可以严格定并联机器人机构可以严格定义为:上,下平台用义为:上,下平台用2个或个或2个以上分支相连,机构具有个以上分支相连,机构具有2个或个或2个以上的自由度,且以个以上的自由度,且以并联方式驱动的机构称为并并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。联机器人机构。n 从广义机构学的角度出发,从广义机构学的角度出发,只要是多自由度的,驱动器只要是多自由度的,驱动器分配在不同环境上的多环路分配在不同环境上的多环路机构都可称之为并联机构,机构都可称之为并联机构,如步行机器人,多指手爪等。如步行机器人,多指手爪等。并联机器
15、人运动学参考教材:燕山大学 黄真并联机器人机构学理论及其控制并联机器人的应用并联机器人的应用n 用作模拟器:运动、飞行、地震、舰船、汽车、火车用作模拟器:运动、飞行、地震、舰船、汽车、火车n 操作器:空间对按机构、潜艇救援、土方挖掘、煤矿开采操作器:空间对按机构、潜艇救援、土方挖掘、煤矿开采等,医疗外科等,医疗外科n 微动机构和微型机构:显微外科、细胞操作、误差补偿器微动机构和微型机构:显微外科、细胞操作、误差补偿器.n 加工设备:虚拟轴机床,很容易获得加工设备:虚拟轴机床,很容易获得6轴联动,前两年研究轴联动,前两年研究的较多,近年来,大家发现虚拟机床很难获得高的加工精的较多,近年来,大家发
16、现虚拟机床很难获得高的加工精度,如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究,发现很度,如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究,发现很难超过难超过20.n 娱乐:娱乐:真实的谎言真实的谎言中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机,就中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机,就是在一个是在一个stewart平台上进行的平台上进行的.并联机器人运动学并联机器人运动学n 在串联机器人中,正解容易且有唯一解,逆解比在串联机器人中,正解容易且有唯一解,逆解比较繁杂,计算时间长,且有时出现多解较繁杂,计算时间长,且有时出现多解n 并联机器人正好相反,逆解容易,且有唯一解,并联机器人正好相反,逆解容易,且有唯一解,正解不容易求解,且
17、多解,并联机器人正解一直正解不容易求解,且多解,并联机器人正解一直是并联机器人研究的一个难题。是并联机器人研究的一个难题。机器人工作空间与轨迹规划机器人工作空间与轨迹规划模拟型-输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量,温度、称重、位多刚体系统动力学(高逼真要求下,才考虑多柔体系统动力学)-运动平稳,传动效率较高(85%)-谐波发生器自身转动惯量大-国外,日本帝人制机(Nabtesco前身)VIGO DRIVE中的RV-C、加速时间:s=360/60/2=3s它直观性强,便于和计算机结合,以显示在可达点操作机的构形特征。代表人物Orin,Luh(陆养生)等。由于光电码盘与电动机同轴,电动机
18、旋转时,光栅盘与电动机同-同时啮合齿数多(30%+),承载能力大02875/802/0.表示机器人构件的运动,利用动静法建立基于牛顿欧拉方程摆线针轮减速机(机器人用)垫片、双螺母或齿差调整两段螺母的相对轴向位置,从而消除间-动、静摩擦系数相差极小,传动平稳,灵敏度高。n 步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移(角位移或线位移)的对于夹钳式手部,其手指材料可选用一般碳素钢和合金结构钢。或生产环境的变化迅速进行调整,适用于多品种、中小批量生产。轴,从而获得较低的输出转速。-当具有相同的工作空间时,本工作空间工作空间是从几何方面讨论操作机的工作性能。工作空间是从几何方面讨论操作机的工作性能。B
19、Roth在在1975年提出了操作机年提出了操作机工作空间的概念。工作空间的概念。n 如何获得工作空间:利用正运动学模型,改变关节变量值 操作机的可达工作空间(操作机的可达工作空间(Reachable workspace):机器人操作机正:机器人操作机正常运行时,末端在空间活动的最大范围;或者说末端可达点占有的体常运行时,末端在空间活动的最大范围;或者说末端可达点占有的体积空间。这一空间又称可达空间或总工作空间,记作积空间。这一空间又称可达空间或总工作空间,记作W(P)。灵活工作空间灵活工作空间(Dexterous workspace):在总工作空间内,末端以给:在总工作空间内,末端以给定姿态达
20、到的点所构成的体积空间。记作定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp(P)。次工作空间:总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作次工作空间:总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws(P)。工作空间工作空间的两个基本问题:工作空间的两个基本问题:1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围,求、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围,求工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。2、给出某一限定的工作空间,求操作机的结构形式、参数和关节变量的、给出某一限定的工作空间,求操作机的结构形式、参数和关节变量的
21、变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。工作空间的确定方法:工作空间的确定方法:1、解析法、解析法2、图解法、图解法用图解法求工作空间,得到的往往是工作空间的各类别截面用图解法求工作空间,得到的往往是工作空间的各类别截面(或削截线或削截线)。它直观性强,便于和计算机结合,以显示在可达点操作机的构形特征。它直观性强,便于和计算机结合,以显示在可达点操作机的构形特征。在应用图解法时也将关节分为两组,即前三关节和后三关节在应用图解法时也将关节分为两组,即前三关节和后三关节(有时为有时为两关节或一关节两关节或一关节),前三关节称位置结构,主要确定工作空间
22、大小,后三,前三关节称位置结构,主要确定工作空间大小,后三关节称定向结构,主要决定手部姿势。首先分别求出该两组关节所形成的关节称定向结构,主要决定手部姿势。首先分别求出该两组关节所形成的腕点空间和参考点在腕坐标系中的工作空间,再进行包络整合。腕点空间和参考点在腕坐标系中的工作空间,再进行包络整合。机器人的轨迹规划机器人的轨迹规划机器人学中的一个基本问题是为解决某个预定的任务而规划机器人学中的一个基本问题是为解决某个预定的任务而规划机器人的动作,然后在机器人执行完成那些动作所需的命令时机器人的动作,然后在机器人执行完成那些动作所需的命令时控制它。这里,规划的意思就是机器人在行动前确定一系列动控制
23、它。这里,规划的意思就是机器人在行动前确定一系列动作作(作决策作决策),这种动作的确定可用问题求解系统来解决,给定,这种动作的确定可用问题求解系统来解决,给定初始情况后,该系统可达到某一规定的目标。因此,规划就是初始情况后,该系统可达到某一规定的目标。因此,规划就是指机器人为达到目标而需要的行动过程的描述。指机器人为达到目标而需要的行动过程的描述。规划内容可能没有次序,但是一般来说,规划具有某个规划规划内容可能没有次序,但是一般来说,规划具有某个规划目标的蕴含排序。例如,早晨起床后的安排。目标的蕴含排序。例如,早晨起床后的安排。缺乏规划可能导致不是最佳的问题求解,甚至得不到问题的缺乏规划可能导
24、致不是最佳的问题求解,甚至得不到问题的求解。求解。机器人规划是机器人学的一个重要研究领域,也是人工智能与机器人学一个令机器人规划是机器人学的一个重要研究领域,也是人工智能与机器人学一个令人感兴趣的结合点。人感兴趣的结合点。PTP-point to pointLIN-linearCIRC-circular机器人静力学与动力学机器人静力学与动力学静力矩 M=9.参考坐标系的期望位置和姿态(位姿),操作机能否使其末端执行器达到这机器人关键功能部件光栅)进行相对位移时,在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间(或明暗相x_t):UG、SolidWorks、SolidEdge、MSC、ANSYS、CAXA
25、气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤,且对被吸持工件预定的位置精度要求不高;应用钩拖方式可降低驱动力的要求,简化手部结构,甚至可以省略手部驱动装置。l 6-DOF串联机器人执行机构组成在机器人与机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度n 微动机构和微型机构:显微外科、细胞操作、误差补偿器.直角坐标机器人设计计算把电能直接转化为直线机械运动能量的装置。由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的 IC判断转动方向,再驱动无核心马达开始转则返回方案设计和结构设计步骤。水平多关节机器人(SCARA)机器人工作空间与轨迹规划l 选取减速器注意参数及事项:速匀速减速分别占时间的1/3.向上
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