1、,、按机器人结构坐标系特点方式分类,（1）直角坐标机器人；（2）圆柱坐标型机器人；（3）极坐标机器人；（4）多关节机器人。,、按机器人结构坐标系特点方式分类,直角坐标型机器人结构如图所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的。,（1）直角坐标系机器人,、按机器人结构坐标系特点方式分类,（2）圆柱坐标机器人,圆柱坐标型机器人的结构如右图所示，R、和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果机器人手臂的径向坐标R保持不变，机器人手臂的运动将形成一个圆柱表面。,、按机器人结构坐标系特点方式分类,（3）极坐标型机器人,极坐标型机器人又称为球坐标型机器人，
2、其结构如右图所示，R，和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直的转动角，是手臂在铅垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。,、按机器人结构坐标系特点方式分类,（4）多关节机器人,如右图所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、和为坐标系的坐标，其中是绕底座铅垂轴的转角，是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。,右表总结了不同坐标结构机器人的特点。,、机器人常见的图形符号,、机器人常见的图形符号,、机器人常见的图形符号,2.2 机器人的主要技术参数,
3、自由度工作空间工作速度工作载荷控制方式驱动方式精度、重复精度和分辨率,自由度,自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作不包括在内。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。工业机器人一般多为个自由度，个以上的自由度是冗余自由度，是用来避障碍物的。,自由度,图2-3所示的机器人，臂部在xO1y面内有三个独立运升降（L1）、伸缩（L2）、和转动（1），腕部在xO1y面内有一个独立的运动转动（2）。机器
4、人手部位置需要一个独立变量手部绕自身轴线O3C的旋转3。,工作空间,机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量（即直线运动的距离和回转角度的大小）则决定着运动图形的大小。,工作速度,工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。确定机器人手臂的最大行程后，根据循环时间安排每个动作的时间，并确定各动作同时进行或顺序进行，就可确定各动作的运动速度。分配动作时间除考虑工艺动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、驱
5、动和控制方式、定位和精度要求。为了提高生产效率，要求缩短整个运动循环时间。运动循环包括加速度起动，等速运行和减速制动三个过程。过大的加减速度会导致惯性力加大，影响动作的平稳和精度。为了保证定位精度，加减速过程往往占去较长时间。,工作载荷,机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。用质量、力矩、惯性矩来表示。负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般低速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大，最大可大9
6、KN。,控制方式,机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。,驱动方式,驱动方式是指关节执行器的动力源形式。,精度、重复精度和分辨率,精度：一个位置相对于其参照系的绝对度量，指机器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之间的差距。重复精度：在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。如果机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而变化的幅度代表重复精度。,精度、重复精度和分辨率,分辨率：指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。精度和分辨率不一定相关。一台设备的运
7、动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。,精度、重复精度和分辨率,图2-4给出了分辨率精度和重复精度的关系。工业机器人的精度、重复精度和分辨率要求是根据其使用要求确定的。机器人本身所能达到的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度控制和驱动方式、定位和缓冲等因素。,由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般难测定，通常工业机器人只给出重复精度。,精度、重复精度和分辨率,表2-3为不同作业机器人要求的重复精度。,精度、重复精度和分辨率,图
8、2-5为一台持重30Kg,供搬运、检测、装配用的圆柱坐标型工业机器人，这台机器人的主要技术指标如下页：,自由度：如图a所示，共有三个基本关节1,2,3和两个选用关节4,5；工作范围：见图b所示意；关节移动范围及速度：A1 3000 2.10r/s A2 500mm 600mm/sA3 500mm 1200mm/s A4 3600 2.10r/sA5 1900 1.05r/s重复定位误差+/-0.05mm控制方式：五轴同时可控，点位控制；持重（最大伸长、最高速度下）：30kg驱动方式：三个基本关节由交流伺服电动机驱动，并采用增量式角位移检测装置。,精度、重复精度和分辨率,2.3机器人的机械结构与
9、运动,一、机器人机械结构的组成,1.手 部2.手 腕3.臂 部4.机 身,一、机器人机械结构的组成,手部机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为手爪或末端操作器手腕联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂臂部联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座机身机器人的基础部分，起支承作用对固定式机器人，直接联接在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上,二、机器人机构的运动,手臂的运动垂直移动径向移动回转运动,手腕的运动（1）手腕旋转（2）手腕弯曲（3）手腕侧摆,三、机身和臂部机构,机身结构,机
10、身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。,机身结构,常用的机身结构：）升降回转型机身结构）俯仰型机身结构）直移型机身结构）类人机器人机身结构,臂部结构,手臂部件（简称臂部）是机器人的主要
11、执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件、配管配线等。,臂部结构,根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：,）伸缩型臂部结构）转动伸缩型臂部结构）驱伸型臂部结构）其他专用的机械传动臂部结构,机身和臂部的配置形式,机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。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。目前常用的有如下几种形式：,（）横梁
12、式（）立柱式（）机座式（）驱伸式,机身和臂部的配置形式,横梁式：机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效利用空间，直观等优点。横梁可设计成固定的或行走的，一般横梁安装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。,机身和臂部的配置形式,立柱式：立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动型式，是一种常见的配置形式。一般臂部都可在水平面内回转，具有占地面积小而工作范围大的特点。立柱可固定安装在空地上，也可以固定在床身上。立主式结构简单，服务于某种主机，承担上、下料或转运等工作。,机身和臂部的配置形式,机座式：机身设计成机座式，这种机器人
13、可以是独立的、自成系统的完整装置，可以随意安放和搬动。也可以具有行走机构，如沿地面上的专用轨道移动，以扩大其活动范围。各种运动形式均可设计成机座式。,机身和臂部的配置形式,屈伸式：屈伸式机器人的臂部由大小臂组成，大小臂间有相对运动，称为屈伸臂。屈伸臂与机身间的配置形式关系到机器人的运动轨迹，可以实现平面运动，也可以作空间运动。（图见下页）,四、手腕结构,手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：）臂转绕小臂轴线方向的旋转。）手转使手部绕自身的轴线方向旋转。
14、）腕摆使手部相对于臂进行摆动。,手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式如下图所示：,腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。,柔顺手腕,在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件的不一致、工件的定位夹具、机器人的定位精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。柔顺装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。一种是从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺
15、装配的要求。柔顺手腕示意图如下页,柔顺手腕,五、手部机构,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。,.夹持类,夹持类手部除常用的夹钳式外，还有脱钩式和弹簧式。此类手部按其手指夹持工件时的运动方式不同又可分为手指回转型和指面平移型。,（1）夹钳式,夹钳式是工业机器人最常用的一种手部形式,一般夹钳式（见图2-13所示）由以下几部分组成:1）手指2）传动机构3）驱动装置4）支架,（1）夹钳式,手指:它是直接与工件5接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开和闭合来实现的。一般情况下，
16、机器人的手部只有两个手指，少数有三个或多个手指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。,（1）夹钳式,）指端的形状,（1）夹钳式,）指面形式根据工件形状、大小及其被夹持部位材料质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面和柔性指面种形式。）手指的材料手指材料选用恰当与否，对机器人的使用效果有很大的影响。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。,（1）夹钳式,传动机构：它是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。,）回转型传动机构夹钳式手部中较多的是回转型手部，其手指就是一队（或几对）杠杆，再同斜楔、滑槽、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠
17、杆传动机构，来改变传力比、传动比及运动方向等。,（1）夹钳式,回转型传动机构,（1）夹钳式,）平移型传动机构平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作的，常用于夹持具有平行平面的工件（如箱体等）。其结构较复杂，不如回转型应用广泛。平移型传动机构据其结构，大致可分平面平行移动机构和直线往复移动机构两种类型。,（1）夹钳式,平移型传动机构,（1）夹钳式,驱动装置：它是向传动机构提供动力的装置。按驱动方式不同有液压、气动、电动和机械驱动之分。支架：使手部与机器人的腕或臂相联接。,（2）钩拖式手部,主要特征是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、拖、捧等动作来拖
18、持工件。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。它适用于在水平面内和垂直面内作低速移动的搬运工作，尤其对大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的工件更为有利。,（2）钩拖式手部,无驱动装置有驱动装置,无驱动装置,（2）钩拖式手部,工作原理：手部在臂的带动下向下移动，当手部下降到一定位置时齿条下端碰到撞块，臂部继续下移，齿条便带动齿轮旋转，手指即进入工件钩拖部位。手指拖持工件时，销子在弹簧力作用下插入齿条缺口，保持手指的钩拖状态并可使手臂携带工件离开原始位置。在完成钩拖任务后，由电磁铁将销子向外拔出，手指又呈自由状态，可继续下个工作循环程序。,（2）钩拖式手部
19、,有驱动装置,工作原理：依靠机构内力来平衡工件重力而保持拖持状态。驱动液压缸以较小的力驱动杠杆手指和回转，使手指闭合至拖特工件的位置。手指与工件的接触点均在其回转支点O1、O2的外侧，因此在手指拖持工件后，工件本身的重量不会使手指自行松脱。,（2）钩拖式手部,弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单。它的使用特点是工件进入手指和从手指中取下工件都是强制进行的。由于弹簧力有限，故只适用于夹持轻小工件。,吸附类,（1）气吸式,气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸盘（一个或几个）、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等优点。广泛应
20、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。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；但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。按形成压力差的方法，可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸。,（1）气吸式,（2）磁吸式,磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工件的，其应用较广。磁吸式手部与气吸式手部相同，不会破坏被吸收表面质量。磁吸收式手部比气吸收式手部优越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面粗糙度及通孔、沟槽等无
21、特殊要求。,.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。,.仿人机器人的手部,（）柔性手（）多指灵活手,六、行走机构,行走机构是行走机器人的重要执行部件,它由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动
22、机器人实现在更广阔的空间内运动。一般而言，行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构，此外，还有不进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等，以适合于各种特别的场合。,.车轮式行走机构,轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。（）车轮的形式车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。,.车轮式行走机构,（）车轮的培植和转向机构车轮行走机构依据车轮的多少分为1轮、2轮、3轮、4轮以及多轮机构。1轮和2轮行走机构在实现上的主要障碍是稳定性问题，实际应用的车轮式行走机构多为3轮和4轮。
23、,.车轮式行走机构,.足式行走机构,履带式行走机构虽然可在高低不平的地面上运动，但它的适应性不够，行走时候晃动太大，在软地面上行驶运动效率低。根据调查，在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走。但是一般多足动物却能在这些地方行动自如，显然足式与轮式和履带式行走方式相比具有独特的优势。足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力一，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳；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。,
24、.足式行走机构,（）足的数目现有的步行机器人的足数分别为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多。足的数目多，适合于重载和慢速运动。双足和四足具有最好的适应性和灵活性，也最接近人类和动物。下页图显示了单足、双足、三足、四足和六足行走结构。,.足式行走机构,（）足的配置足的配置指足相对于机体的位置和方位的安排，这个问题对于多于两足时尤为重要。就二足而言，足的配置或者是一左一右，或者是一前一后。后一种配置因容易引起腿间的干涉而实际上很少用到。,（）足的配置,几何构型弯曲方向,（）足式行走机构的平衡和稳定性,静态稳定的多足机动态稳定,（）足式行走机构的平衡和稳定性,静态稳定的多足机,其机身的稳定通
25、过足够数量的足支撑来保证。在行走过程中，机身重心的垂直投影始终落在支撑足着落地点的垂直投影所形成的凸多边形内。这样，即使在运动中的某一瞬时将运动“凝固”，机体也不会有倾覆的危险。这类行走机构的速度较慢，它的步态为爬行或步行。,（）足式行走机构的平衡和稳定性,动态稳定,典型的例子是踩高跷。高跷与地面只是单点接触，两根高跷在地面不动时站稳是非常困难的，要想原地停留，必须不断踏步，不能总是保持步行中的某种瞬间姿态。在动态稳定中，机体重心有时不在支撑图形中，利用这种重心超出面积外而向前产生倾倒的分力作为行走的动力并不停地调整平衡点以保证不会跌倒。这类机构一般运动速度较快，消耗能量小。其步态可以是小跑和
26、跳跃。,2.4 机器人的驱动机构,一、驱动方式,机器人关节的驱动方式：液压驱动气动式电动式,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
27、，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
28、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。,二、驱动机构,驱动机构分为旋转驱动方式和直线驱动方式。由于旋转驱动的旋转轴强度高、摩擦小、可靠性好等优点，在结构设计中应尽量多采用。但是在行走机构关节中，完全采用旋转驱动实现关节伸缩有如下缺点：1）旋转运动虽然也能转
29、化的到直线运动，但在高速运动时，关节伸缩的加速度不能忽视，它可能产生振动。2）为了提高着地点选择的灵活性，还必须增加直线驱动系统。,二、驱动机构,直线驱动机构机器人采用的直线驱动包括直角坐标结构的x、y、z向驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方式把旋转运动转换成直线运动。,二、驱动机构,旋转驱动机构,多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必须高效率的完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步带传动和谐波齿轮等传动方式。,三、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。,
