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1、机器人的组成,机器人的组成系统,机器人系统组成,人机交互系统,控制系统,驱动系统,机械机构系统,机器人环境交互系统,概念：要使机器人运行起来,需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置,1、驱动系统,作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力,驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动,或者把它们结合起来应用的综合系统;可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。,2、机械结构系统,3、感受系统,感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。,智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。,对于一些特殊的
2、信息,传感器比人类的感受系统更有效。,4、机器人环境交互系统,5、人机交互系统,人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置。,该系统归纳起来分为两大类:指令给定装置和信息显示装置。,6、控制系统,是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。,机器人的基本工作原理是示教再现；示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作；,冗余自由度机器人 利用冗余
3、自由度可以增加机器人的灵活性、躲避障碍物和改善动力性能。人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有七个自由度,所以工作起来很灵巧,手部可回避障碍而从不同方向到达同一个目的点。,2工作精度,可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。,定位精度（Positioning accuracy）：指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。,重复性（Repeatability）或重复精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。或在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。,3工作范围:,指机器人末端操作器所能到达的区域。,工作空间（W
4、orking space）：机器人手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能到达的所有空间区域，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。,4工作速度：,指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。,5承载能力：,指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。,表1.3 PUMA 562机器人的主要技术参数,图 1.17 PUMA 562工业机器人,工业机器人的驱动与传动系统结构,在机器人机械系统中，驱动器通过联轴器带动传动装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。机器人一般有两种运动关节转动关节和移(直)动关节。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包
5、括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。,驱动传动系统的构成,1电动驱动器 电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动器又可分为直流(DC)、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，多用
6、于低精度小功率机器人系统。,驱动器的类型和特点,2.液压驱动器 液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的机器人系统。,3气动驱动器 气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。,液压驱动,优点：1)液压容易达到较高的压力(常用液压为2.56.3MPa)，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得
7、到较高的位置精度；3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；4)液压系统采用油作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。,液压驱动,液压传动系统的不足：1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高；3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则会引起故障。,气压驱动,与液压驱动相比，气压驱动的特点：1)压缩空气粘度小，容易达到高速(1m/s)；2)利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备；3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作
8、业；4)气动元件工作压力低，故制造要求比液压元件低。,气压驱动,不足：1)压缩空气常用压力为0.40.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大；2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难；3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。,电动机驱动,电动机驱动分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机和步进电动机驱动。普通交、直流电动机驱动需要加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进电动机输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于
9、中小型机器人。交、直流伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开换控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。,如何选取驱动器 驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件，以价格高低、技术水平为评价标准。一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电动驱动器；只须点位控制且功率较小者，可采用气动驱动器；负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液压驱动器。对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与之配套的数字控制系统。,制动器,许多机器人的机械臂都需要在各关节处安装制动器，其作用是：在机器人停止工作时，保持机械臂的位
10、置不变；在电源发生故障时，保护机械臂和它周围的物体不发生碰撞。制动器通常是按照失效抱闸方式工作的，即要放松制动器就必须接通电源，否则，各关节不能产生相对运动。它的主要目的是在电源出现故障时起保护作用。缺点是：工作期间不断花费电力使制动器放松。,机器人手部分类,功能形态,工业机器人手部,仿人机器人手部,握持原理,夹钳式,吸附式,手指,传动机构,V型指,平面指,尖指,特形指,回转型,平移型,平面平移,直线往复,磁吸,气吸,真空吸,负压吸,挤压吸,机械手的坐标形式,1.直角坐标笛卡儿坐标台架型(3P),优点：很容易通过计算机控制实现，容易达到高精度。,缺点：妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性
11、不好。,直角坐标机器人的工作空间示意图,2.圆柱坐标型(R2P),优点：且计算简单;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;能够伸入型腔式机器内部。,缺点：它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。,3.球坐标型(2RP),特点：中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。,4.关节坐标型/拟人型(3R),关节机器人的关节全都是旋转的,类似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。,关节型
12、工业机器人,5.平面关节型,SCARA机器人常用于装配作业,最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性,而沿z轴具有很强的刚性,所以,它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。,平面关节机器人的工作空间,小结,注意：不同的书上，运动简图的符号表示可能不一样。,（a）表示手指（末端执行器）；（b）表示垂直、升降运动；（c）表示水平伸缩运动；（d）表示回转运动；（e）表示俯仰运动。,附：工业机器人的结构,机构运动简图,关节坐标式,机器人手部特点与分类,手部特点：与手腕相连可拆卸，电、气、液接口，根据对象不同可以方便拆卸更换；末端执行器，手，爪，工具；通用性差，专用装置，
13、某类工件某项作业任务；独立部件，机身、手臂和手部，完成作业好坏以及柔性作业好坏的关键部件；,机器人的手部是是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。,常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。,（一）夹钳式手部,常用形式，由手指（手爪）、驱动装置、传动机构和承接支架组成，通过手爪开闭动作实现夹持；,手指,直接与物件接触，张开与闭合实现了对物件的松开和夹紧；适当的开闭范围，足够握力，相应精度；通常两个手指，或三个，结构形式取决于被夹持工件的形状和特性；V形指：圆柱形，平面指：方形工件；尖指：小型或柔性工件；专用：形状不规则工件；,手指面,根据工件
14、形状、大小、及被夹持部位材质软硬、表面性质不同，有光滑值面、齿形指面和柔性指面；光滑指面：指面平整光滑，已加工表面受损齿形指面：指面有齿纹，毛坯或半成品，增加摩擦力，确保夹紧可靠；柔性指面：指面镶衬橡胶、泡沫、石棉等，夹持已加工表面、炽热件，或薄壁件或脆性工件，增加摩擦，保护工件表面，隔热等；,（二）吸附式手部,依靠吸附力取料，分气吸附和磁吸附两种，适用于爪取大平面、易碎、微小物体；气吸式手部是常用的一种吸持式装置，利用吸盘内压力和大气压力差工作，由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，结构简单、重量轻、使用方便；应用于非金属材料（板材、纸张、玻璃等）或不可有剩磁的材料吸附；要求物体表面平整光滑，无透
15、气空隙；形成压力差方式：真空吸附、气流负压吸附、挤压吸附；,（1）真空吸附式手部,真空泵产生真空，真空度高，吸力大，工作可靠，成本高；橡胶盘，靠近物体表面，抽真空，吸附；接通大气，放下；,（2）气流负压气吸式手部,压缩空气高速流经喷嘴，腔内气体被高速气流带走形成负压，完成取物；切断压缩空气即可释放；压缩空气取来方便，成本低；,（3）挤压排气式手部,取料时吸盘压紧物体，吸盘变形，挤出多余气体，手部上升靠吸盘恢复力形成负压将物体吸住；压下推杆连同大气释放；结构简单，吸附力小，防止漏气，不宜长期保持；,磁吸式手部,依靠永磁体或电磁铁的磁力吸附，单位面积吸力大，对工件表面粗糙度、通孔、沟槽无特殊要求，但只对铁磁物体起作用，被吸工件存在剩磁，铁屑；,仿人机器人的手部,目前，大部分工业机器人的手部只有个手指，而且手指上一般没有关节。因此取料不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手部和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，就必须有一个运动灵活、动作多样的灵巧手，即仿人手。,仿人机器人手部,柔性手：多关节串联，钢丝绳牵引，凹凸不平的物体受力均匀；多指灵活手：多手指组成，每个手指三个回转关节，每个关节独立控制；,仿人机器人手部,
