1、機械制造裝備設計大連理工大學大連理工大學 馮辛安馮辛安 主編主編主講主講 制造教研室制造教研室 儲開宇儲開宇學時學時 5656第四章第四章 工業機器人的設計工業機器人的設計q 機器人是二十世紀出現的新名詞，可以廣義地把機器人理解為模仿人的機器。隨著機器人的發展，其模仿人的能力逐步在提高。q 工業機器人是用于生產的機器人。本世紀20年代出現了一種附屬在自動機、自動線上，代替人傳遞和裝卸工件的機械手。40年代出現了由作業者直接控制的半自動化操作機，60年代出現了可以自動控制的實現多種操作的工業機器人。q 工業機器人發展非常迅速，模仿人的能力越來越強，已經開始出現具有學習和推理能力的智能機器人。4.

2、1.1 工業機器人及工作原理工業機器人及工作原理q 從模仿能力意義上來看，也可以把機械手、操作機和工業機器人統稱為“工業機器人”。q 目前世界各國對機器人還沒有一個統一的定義。q 我國國家標準GBT1264390將工業機器人定義為“是一種能自動控制、可重復編程、多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業”。q 將操作機定義為“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”p 基本工作原理是通過操作機上各運動構件的運動，自動地實現手部作業的動作功能及技術要求。p 1)二者的末端執行器都有位姿變化要求，如機床在加工過程中，刀具相對工件有位姿變化要

3、求，機器人的手部在作業過程中相對機座也有位姿變化要求；p 2)二者都是通過坐標運動來實現末端執行器的位姿變化要求。p 3)機床以按直角坐標形式運動為主，而機器人以按關節形式運動為主；p 4)機床對剛度、精度要求很高，其靈活性相對較低；而機器人對靈活性要求很高，其剛度、精度相對較低。4.1.24.1.2工業機器人的構成工業機器人的構成(1)操作機 操作機是機器人的機械本體，也可稱為主機通常由末端執行器及機座組成。操作機具有和人手臂相似的動作功能，其運動功能與機床一樣，一般也是由各個運動單元串聯組成。(2)驅動單元 由驅動裝置(如電動機、液壓或氣壓裝置)、減速器和內部檢測元件等組成，為操作機各運動

4、部件提供動力和運動。(3)控制裝置 由檢測和控制兩部分組成，用來控制驅動單元，檢測其運動參數并進行反饋。p 2 2工業機器人的組成工業機器人的組成p 一般由執行機構、控制系統、驅動系統三部分組成：一般由執行機構、控制系統、驅動系統三部分組成：p 執行機構執行機構 p 執行機構是一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空執行機構是一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執行其他操作的機械裝置，通常包括機座間抓放物體或執行其他操作的機械裝置，通常包括機座、手臂、手腕和末端執行器。、手臂、手腕和末端執行器。p 末端執行器末端執行器 末端執行器（或稱手部）是機器人直末端執行器（或稱手部）是機器人

5、直接執行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。接執行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。夾持器可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸夾持器可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。附等。p 手腕手腕 手腕是聯接手臂與末端執行器的部件，用以調手腕是聯接手臂與末端執行器的部件，用以調整末端執行器的方位和姿態。整末端執行器的方位和姿態。p 手臂手臂 手臂是支承手腕與末端執行器的部件。它由動手臂是支承手腕與末端執行器的部件。它由動力關節和連桿組成，用來改變末端執行器的空間位置。力關節和連桿組成，用來改變末端執行器的空間位置。 p 機座機座 機座是工業機器人的基礎部件，并承受相應機座

6、是工業機器人的基礎部件，并承受相應的載荷，機座分為固定式和移動式。的載荷，機座分為固定式和移動式。p 控制系統控制系統 p 控制系統用來控制工業機器人按規定要求動作。可分為控制系統用來控制工業機器人按規定要求動作。可分為開環控制系統和閉環控制系統。大多數工業機器人采用開環控制系統和閉環控制系統。大多數工業機器人采用計算機控制，這類控制系統分為決策級、策略級和執行計算機控制，這類控制系統分為決策級、策略級和執行級三級：決策級的功能是識別環境、建立模型、將作業級三級：決策級的功能是識別環境、建立模型、將作業任務分解為基本動作序列；策略級將基本動作變為關節任務分解為基本動作序列；策略級將基本動作變為

7、關節坐標協調變化的規律，分配給各關節的伺服系統；執行坐標協調變化的規律，分配給各關節的伺服系統；執行級給出各關節伺服系統的具體指令。級給出各關節伺服系統的具體指令。p 驅動系統驅動系統 p 驅動系統是按照控制系統發出的控制指令將信號放大，驅動系統是按照控制系統發出的控制指令將信號放大，驅動執行機構運動的傳動裝置。驅動執行機構運動的傳動裝置。p 除此之外，機器人可以配置多種傳感器（如位置、力、除此之外，機器人可以配置多種傳感器（如位置、力、觸角、視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀觸角、視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀態。態。4.1.3 4.1.3 工業機器人的分類工業機器人的分

8、類(1)關節型機器人(圖a) 所謂關節就是運動副，由于關節型機器人的動作類似人的關節動作，故將其運動副稱為關節。一般的關節指回轉運動副，但關節型機器人中有時也包含有移動運動副，為了方便，可統稱為關節，包括回轉運動關節和直線運動關節。關節型機器人的特點是靈活性好，工作空間范圍大(同樣占地面積情況下)，但剛度和精度較低。(2)球坐標型機器人(圖b)又稱極坐標型，按球坐標形式動作(運動)。其特點是靈活性好，工作空間范圍大，但剛度、精度較差。(3)圓柱坐標型機器人(圖c) 按圓柱坐標形式動作。其特點是靈活性較好，工作空間范圍較大，剛度、精度較好。(4)直角坐標型機器人(圖d) 與機床相似，按直角坐標形

9、式動作。剛度和精度高，但靈活性差，工作空間范圍小。p工業機器人按用途和作業類別劃分：p焊接機器人； 具有三個或三個以上可自由編程的軸，并能將焊接工具按要求送到預定空間位置，按要求軌跡及速度移動焊接工具的機器。包括弧焊機器人、激光焊接機器人、點焊機器人等。 p沖壓機器人、p澆注機器人、p搬運機器人、p裝配機器人、p噴漆機器人、p切削加工機器人、p檢測機器人、p采掘機器人、p水下機器人等。p其它還有按控制方式、機器人的功能水平等分類方式。p 人操作機械手人操作機械手 是一種由操作人員直接進行操作是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。的具有幾個自由度的機械手。p 固定程序機器人固定程

10、序機器人 按預先規定的順序、條件和位置按預先規定的順序、條件和位置，逐步地重復執行給定作業任務的機械手。，逐步地重復執行給定作業任務的機械手。p 可編程序機器人可編程序機器人 它與固定程序機器人基本相同，它與固定程序機器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。但其工作次序等信息易于修改。p 程序控制機器人程序控制機器人 它的作業任務指令是由計算機程它的作業任務指令是由計算機程序向機器人提供的，其控制方式與數控機床一樣。序向機器人提供的，其控制方式與數控機床一樣。p 示教機器人示教機器人 這類機器人能夠按照記憶裝置存儲的這類機器人能夠按照記憶裝置存儲的信息來復現由人示教的動作，其示教動作可自動地

11、重信息來復現由人示教的動作，其示教動作可自動地重復執行。復執行。p 智能機器人智能機器人 采用傳感器來感知工作環境或工作條采用傳感器來感知工作環境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應的工件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應的工作任務。作任務。p 電力驅動電力驅動 電力驅動是目前采用最多的一種。早期多電力驅動是目前采用最多的一種。早期多采用步進電動機驅動，后來發展了直流伺服電動機，現采用步進電動機驅動，后來發展了直流伺服電動機，現在交流伺服電動機的應用也得到了迅速發展。這類驅動在交流伺服電動機的應用也得到了迅速發展。這類驅動單元可以直接驅動機構運動，也可以通過諧波減速器裝單元

12、可以直接驅動機構運動，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅動機構，結構簡單緊湊。置減速后驅動機構，結構簡單緊湊。p 液壓驅動液壓驅動 液壓驅動的機器人具有很大的抓取能力，液壓驅動的機器人具有很大的抓取能力，可抓取質量上百公斤的物體，油壓可達可抓取質量上百公斤的物體，油壓可達7MPa7MPa，液壓傳動，液壓傳動平穩，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或平穩，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或低溫現場工作，需要配備一套液壓系統。低溫現場工作，需要配備一套液壓系統。p 氣動驅動氣動驅動 氣壓驅動的機器人結構簡單，動作迅速、氣壓驅動的機器人結構簡單，動作迅速、價格低廉，由于空氣可壓縮性，導致

13、工作速度穩定性差價格低廉，由于空氣可壓縮性，導致工作速度穩定性差，氣源壓力一般為，氣源壓力一般為0.7 MPa0.7 MPa，因此抓取力小，只能抓取重，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到幾十公斤的物體。量為幾公斤到幾十公斤的物體。4.1.44.1.4工業機器人的特性表示方工業機器人的特性表示方法法坐標系按右手定則確定，如圖所示。絕對坐標系機座坐標系機械接口(與末端執行器相聯接的機械界面)坐標系關節坐標系(1)確定基準狀態 一般可取機器人處于機械原點時的狀態作為基準狀態。也可以取機器人各關節軸線(或大部分關節軸線)與機座直角坐標系軸線平行時的狀態作為基準狀態。(2)關節坐標軸軸線位置的選取(3

14、)關節坐標方向的選取 采用右手坐標系，規定了X、Z軸的方向，y軸方向就自然確定了。各坐標系間的坐標變換簡單。4.1.3 4.1.3 工業機器人的分類工業機器人的分類p 機器人的機械結構類型特征，用它的結構坐標形式和自由度數表示。p 關于結構坐標形式已在機器人分類中作了敘述。自由度是表示工業機器人動作靈活程度的參數，以直線運動和回轉運動的獨立運動數表示。p 機器人的自由度數相當于機床的軸數，都表示運動的個數。例如具有三個自由度的機器人稱為三自由度機器人，從運動功能上看，也可以把它稱為三坐標機器人，或三軸機器人。p 工業機器人的自由度越多，靈活性越好，但結構和控制越復雜。機器人的自由度數與原動件數

15、目相等。4.1.44.1.4工業機器人的特性表示方工業機器人的特性表示方法法p 工作空間指工業機器人正常運行時，手腕參考點(也可以用機械接口坐標系原點)能在空間活動的最大范圍，用它來衡量機器人工作范圍的大小。機床的工作空間(加工空間)一般為長方體或圓柱體空間；而機器人的工作空間形狀復雜(見圖46)。p 包括用途、外形尺寸和質量、負載、速度、驅動方式和動力源、控制、編程方法、性能、分辨率及環境條件等。4.1.54.1.5工業機器人的基本設計方法工業機器人的基本設計方法p 由前述工業機器人工作原理分析可知，工業機器人與機床在基本功能和基本工作原理上有相似之處，但其特征及要求不同。p 從設計方法學上

16、看，工業機器人的設計方法與機床設計方法基本相通，但其具體的設計內容、設計要求及設計技術又有很大差別。p 工業機器人總體方案的設計方法也可以分為分析式設計方法和創成式設計方法。p 1總體設計(1)基本技術參數設計：p 1)用途，如搬運、點焊等等。p 2)額定負載。額定負載是指在機器人規定的性能范圍內，機械接口處所能承受負載的允許值。包括機器人末端執行器的質量、抓取工件的質量及慣性力(矩)，外界的作用力(矩)來確定。p 3)按作業要求確定工作空間，要考慮作業對象對機器人末端執行器的位置和姿態要求，以便為后續方案設計中的自由度設計提供依據。p 4)額定速度。指工業機器人在額定負載、勻速運動過程中，機

17、械接口中心的最大速度。由于機器人的總體結構尚未設計，故該階段只能概略估計。p 5)驅動方式的選擇。p 6)性能指標。p 1總體設計(2)總體方案設計：p 1)運動功能方案設計。該階段的主要設計任務是設計確定機器人的自由度數、各關節運動的性質及排列順序、在基準狀態時各關節軸的方向。p 2)傳動系統方案設計。根據動力及速度參數、驅動方式等選擇傳動方式和傳動元件。p 3)結構布局方案。根據機器人的工作空間、運動功能方案及傳動方案，確定關節的形式、各構件的概略形狀和尺寸。p 4)參數設計。確定在基本技術參數設計階段尚無法考慮的一些參數，如單軸速度、單軸負載、單軸運動范圍等。該項工作應與第3項設計工作交

18、叉進行。p 5)控制系統方案設計。近期設計的工業機器人基本上都是采用計算機控制系統。p 6)總體方案評價。2詳細設計p 詳細設計內容包括 裝配圖設計、零件圖設計和控制系統設計。3總體評價p 總體設計階段所得的設計結果是各構件及關節的概略形狀及尺寸，通過詳細設計將其細化了，而且總體設計階段尚未考慮的細節也具體化了，因此各部分尺寸會有一些變化，需要對設計進行總體評價，檢測其是否能滿足所需設計指標的要求。4.2 4.2 工業機器人傳動功能設計工業機器人傳動功能設計10000mmmPRT 一 工業機器人位資的描述（位置和姿態） （一） 作業功能姿態的描述方法：用末端執行器和機床坐標系之間的齊次坐標變換

19、來實現（202頁圖4-7） 1、末端執行件：可以在XMYMZM坐標系中實現，坐標系OM,原點OM也可以在X0Y0Z0坐標系中表示，坐標系O0,原點O0 2、 末端執行器相對于機床坐標系OM的位姿 X0 Y0 Z0 1T = 0Tm0 0 0 1TXYZ和X0Y0Z0間平移變換注意：原點OM在坐標系OM中的坐標：Xm=Ym=Zm=0【0Tm】：末端執行器位姿變化的矩陣，即O0與OM坐標系間的齊次變換矩陣 【0Rm】：旋轉變換矩陣【0Pm】：平移變換矩陣 機器人運動姿態描述法 1、0坐標系經平移變換到O1點，然后旋轉【0，0，R】與X1Y1Z1重合 2、 運動矩陣運動矩陣 約定：關節的運動量分別用約定：關節的運動量分別用 i（回轉量），（回轉量），Zi（直線運動（直線運動量）表示。量）表示。Oi與與Oi+1坐標間的平移變換坐標量用坐標間的平移變換坐標量用ai bi ciT 表示，表示， 旋轉變換量分別用繞旋轉變換量分別用繞Xi、Yi、Zi軸旋轉的角度軸旋轉的角度 i、 i、 i表表示示 iTi+1 表示表示Oi與與Oi+1坐標間的齊次變換矩陣。