《机器人机构学课件》PPT课件.ppt
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.,1,第二章机器人机构学,第一节概述第二节机身和臂部机构第三节手腕部机构第四节行走部机构第五节机器人关节的驱动、传动机构第六节机器人的各种性能指标第七节并联机器人,.,2,第一节概述,1机器人机构的分类2机器人机构的运动3机器人工作空间,.,3,直角坐标型,圆柱坐标型,球坐标型,关节型,图1四种坐标机器人,第一节,.,4,沿着三个互相垂直的轴线移动来改变手部的空间位置。
其前三关节为移动关节(PPP)运动形式如图:
1)直角坐标型机器人,1、机器人机构的分类,.,5,该类操作机是通过两个移动和一个转动(RPP)来实现手部的空间位置的变化,运动形式如图所示:
2)圆柱坐标型机器人,.,6,该类操作机用两个转动和一个移动(RRP)来改变手部的空间位置,运动形式如图所示:
3)球坐标型机器人,.,7,这类操作机是模拟人的上臂而构成的。
它的前三个关节都是转动关节(RRR),运动形式如图所示:
4)关节型机器人,.,8,2、机器人机构的运动,1)机器人的运动自由度运动自由度的定义以自由度分类的机器人自由度的分布,.,9,机器人自由度的定义,定义:
用来确定手部相对于机身位置的每个独立变化的参数,称为机器人的自由度。
.,10,以自由度分类的机器人,任一自由的空间物体,须有六个自由度描述其在空间的位置和姿态,三个正交移动轴,决定物体的位置;三个绕坐标轴的转动,决定物体的姿态变化。
称六个自由度机器人为满自由度机器人,少于六个自由度机器人为欠自由度机器人,多于六个自由度机器人为冗余自由度机器人。
第一节,.,11,自由度的分布,一般机器人的机身和手臂构成前三个关节,具有三个自由度,可确定手部在空间的位置,所构成的机构称位置机构;手腕和手部构成后三个关节,具有三个自由度,可确定手部在空间的姿态,所构成的机构称之为姿态机构。
位置机构确定机器人的空间工作范围,其运动称为主运动。
.,12,图2-3PUMA操作机的各个自由度1机座2腰部3臂部4腕部5手部,.,13,2)机器人的运动范围,指机器人手腕在空间运动图形及其大小,运动范围取决于臂部的自由度。
.,14,3)机器人的各种运动形式,
(1)直移型:
直线运动L伸缩运动E
(2)回转型:
扭角运动T摆角运动R,第一节,.,15,3、机器人工作空间,1)定义:
手腕部坐标系原点PW能在空间活动的最大活动范围。
又称可达空间,或总工作空间,记W(PW)。
.,16,直角坐标机器人的工作空间示意图,.,17,圆柱坐标机器人的工作空间示意图,.,18,球坐标机器人的工作空间示意图,.,19,PUMA机器人工作空间示意图,.,20,2)灵活工作空间,灵活工作空间:
末端执行器可以任意姿态达到的工作空间,记作WP(P)。
类灵活工作空间以全方位到达,类灵活工作空间只能以有限个方位到达。
次灵活工作空间:
总工作空间去掉灵活工作空间的部分,WS(P)。
.,21,3)奇异形位,W(P)总工作空间的边界点所对应的机器人的位置和姿态,及机器人工作空间内部使机械产生干涉的位置和姿态。
.,22,4)两个基本问题,1)正问题:
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,称工作空间分析。
2)逆问题:
给出某一限定的工作空间,求操作机的结构形式,参数和关节变量的变化范围,称工作空间的综合。
.,23,5)确定工作空间的方法,
(1)解析法用数学模型计算工作空间的边界
(2)图解法国标规定了工作空间的几何作图法结构限制分析画出工作空间的主剖面(xoz剖面)画出工作空间的俯视剖面(xoy剖面),.,24,第二节机身和臂部机构,1、机身和臂部的作用2、机身和臂部机构设计的特点3、机身结构4、臂部结构,.,25,1、机身和臂部的作用,1)机身定义:
机身是连接、支承手臂及行走机构的部件作用:
臂部的驱动装置或传动装置安装在机身上。
类型:
机身有固定式和行走式两种。
2)手臂定义:
手臂部件是连接机身和手腕的部件。
作用:
支承腕部和手部,带动手及腕在空间运动。
特点:
结构类型多、受力复杂。
.,26,2、机身和臂部机构设计的特点,1)刚度:
为了得到较高的精度,机器人机身和手臂的机械结构刚度比强度更重要。
刚度可分为结构刚度、支承刚度、伺服刚度等。
根据受力情况,合理选择截面形状与尺寸;提高支承刚度和接触刚度;合理布置作用力的位置和方向;,.,27,2)精度:
机器人的精度可分为绝对精度和重复定位精度。
机器人终端执行器(手部)的精度与臂和机身的位置精度密切相关。
影响机器人精度的因素有:
刚度制造和装配精度手腕部在手臂上的连接和定位方式运动部件的导向精度,.,28,3)平稳性:
机身和臂部的运动多、质量较大、当负荷大且高速运行时,由于运动状态变化,将产生冲击和振动。
应采取有效的缓冲装置以吸收冲击能量。
运动部件力求结构紧凑、重量轻;减少重心布置不当而造成的偏心附加力矩;4)其他:
对特殊要求的要有相应措施,如防爆、防尘、防水、防真空、防辐射、防腐蚀等。
.,29,3、机身和臂的配置形式及结构,机身是支承手、臂且带其运动的部件,由于机器人的运动形式、使用条件、负荷能力各不相同,所采用的驱动装置,传动机构、导向装置亦不同,使机器人机身有很大差异,结构十分复杂。
分类:
1)横梁式2)立柱式3)屈伸式4)类人型;,垂直平面屈伸水平平面屈伸(SCARA)空间屈伸,.,30,基座与立柱结构图,.,31,PUMA-262型机器人,.,32,4、臂部结构,臂部主要包括臂杆,以及自身屈伸、伸缩、自转等运动有关的传动、驱动、导向定位、支录、位置检测元件等,主要结构有:
伸缩型伸缩与旋转型屈伸型弹性手臂柔性手臂,.,33,手臂的结构形式(a)、(b)单臂式;(c)双臂式;(d)悬挂式,.,34,双臂机器人的手臂结构,.,35,手臂俯仰驱动缸安置示意图,.,36,铰接活塞缸实现手臂俯仰运动结构示意图,.,37,第三节手腕部机构,1、概述2、手部机构3、腕部机构,.,38,1、概述,
(1)手部:
是最重要的执行机械,工业机器人手部可分为:
1.夹持类2.吸附类
(2)腕部:
1.完成手部的俯仰,摆动和旋转;2.智能机器人腕部具有力、力矩传感器。
.,39,2、手部机构,1)夹钳式手部的组成手指传动机构驱动装置,.,40,夹钳式手部的组成,.,41,斜楔杠杆式手部,.,42,双支点连杆杠杆式手部,.,43,齿条齿轮杠杆式手部,.,44,直线平移型手部,.,45,四连杆机构平移型手部结构,.,46,真空吸附取料手,.,47,2)设计要点,开闭范围;夹紧力;定位精度;结构紧凑,重量轻,效率高;通用性和可换性;,第三节,.,48,气动换接器与专用末端操作器库,.,49,专用末端操作器库,.,50,多工位末端操作器换接装置(a)棱锥型;(b)棱柱型,.,51,3)手指,手指形状V型手指尖、薄、长型手指平面型手指特型手指指面形状光滑柔性齿形手指材料,.,52,4)传动机构,设计要点传力比;传动效率;传动比;精度;动作范围;回转型斜楔杠杆式连杆杠杆式滑槽杠杆式齿轮、齿条杠杆式平移型平面平行移动机构直线往复移动机构,第三节,.,53,5)其他结构形式的手部,钩托式弹簧式气吸式磁吸式挠性,第三节,.,54,6)类人机器人手部关节式手指,贝尔格莱德手指,第三节,.,55,这是一个典型的类人手指,第三节,.,56,3、腕部、关节部结构,1)关节的作用和分类作用:
关节将机器人的各构件连接起来,机器人各构件间的相对运动,通过驱动、传动装置在各关节上实现的。
主要有运动传递和力传递。
分类:
旋转型关节和直线移动型关节腕关节在机器人中很重要,以下主要讨论腕关节。
第五节,.,57,2)关节设计要点,力求结构紧凑,重量轻:
关节的结构、重量、动力载荷直接影响机器人的结构、重量和性能。
尤其是腕关节,处于手臂的末端有2-3个自由度和驱动装置需较大的力矩和尽量轻的重量综合考虑,合理布局:
需要考虑强度、刚度、制造、装配、精度和、控制可靠性。
须考虑腕部的工作条件如高低温、腐蚀性、防暴、防尘、防渗。
.,58,3)关节部结构,单自由度手腕二自由度手腕三自由度手腕,.,59,单自由度手腕,SCARA机器人,.,60,二自由度手腕,r=(AB)/2p=(A+B)/2,Pitch-Roll球形二自由度手腕,.,61,汇交式两自由度手腕,.,62,偏置式两自由度手腕,.,63,三自由度手腕,垂直相交三自由度手腕,.,64,汇交型三自由度手腕,.,65,球形汇交型三自由度手腕,.,66,偏交型三自由度手腕,.,67,回形偏交型三自由度手腕,.,68,PT-600型弧焊机器人手腕结构图,.,69,KUKAIR-662/100型机器人手腕装配图,.,70,第四节行走部机构,1概述2运行车式行走机构,.,71,1概述,机器人可分为固定型和行走型两种。
工业机器人一般为固定式,而目前在开发研制的海洋水下机器人,原子能工业、空间机器人、军用机器人,都将是可移动的。
.,72,海洋水下机器人核工业原子能反应唯用机器人空间机器人军用机器人医疗福利机器人服务机器人移动式搬运机器人,移动式,固定式工业机器人,焊接喷漆上下料,机器人,.,73,轮式移动(包括履带式)机器人步行移动(多足)机器人推进器或喷射式移动机器人,可移动机器人,驱动装置传动装置位置检测传感器,行走部机构包括,.,74,2运行车式行走机构,
(1)车轮式行走机构
(2)履带式行走机构(3)步行式行走机构,.,75,
(1)车轮式行走机构,1)车轮式动作稳定,自动操纵简单,在FMS或自动仓库中作搬运小车用得较多,适合室内平地行走。
2)车轮式行走机构有3轮,4轮,或6轮等3)车轮式行走机构采用的转向机构:
采用自位轮和主动轮差动转向将会有角度误差。
采用驱动转向轮,静止状态阻力大。
.,76,三轮车型移动机器人机构,.,77,三组轮,.,78,四轮车的驱动机构和运动,.,79,三角轮系的机构图,.,80,全方位移动车的移动方式(a)全方位方式;(b)转弯方式;(c)旋转方式;(d)制动方式,.,81,
(2)履带式行走机构,履带式行走机构适合于野外作业,军用机器人,及各种勘探及探险,适应各种地形,爬坡可达45,可以爬楼梯。
.,82,适应地形的履带,.,83,(3)步行式行走机构,1)概述2)四脚和多脚步行机构3)脚-车混合行走机构4)两脚步行式行走机构,.,84,
(1)步行式行走机构的优点,可在高低不平的地段上行走。
脚的主动性可保持平衡,不随地面晃动。
在柔软的地面上运动、效率不显著降低。
1)概述,.,85,火星探测用小漫游车,.,86,
(2)动步行与静步行,静步行:
机器人重心始终落在支持于地面的几只脚所圈成的多边形面积内。
动步行:
有时重心落在支撑面积外,利用重力和惯性力,作为步行的动力,步行速度快、耗能少。
(3)脚数与关节自由度数,步行机器人的脚数从两脚到七脚,静步行须四脚以上,各脚的自由度数不少于3个。
.,87,2)四脚和多脚步行机构,对于四脚以上的步行机构,若脚摆动机构的速度为V,则脚落地时间与离地时间比为:
为脚占定因数k:
为机器人脚数故四脚的最大行走速度(静步行)而六脚的最大行走速度则为,.,88,四脚步行机器人步态,21,34,21,34,21,34,21,34,.,89,3)两脚步行式行走机构,1)优点:
有最好的适应性,与人类相似的优越性。
人类幻想的高级智能机器人的行走机构。
2)控制:
无论是静步行或动步行,控制都困难,犹如倒摆测出各物理量,控制机构连杆的相对角利用脚尖在地面上的反作用力测重心的位置3)静、动步行,第四节,.,90,八自由度两脚步行机器人步行特征,.,91,八自由度两脚步行机器人步行特征,.,92,第五节机器人关节的驱动、传动机构,1、机器人的驱动机构2、机器人的传动机构,.,93,1.机器人的驱动机构,驱动装置是使机器人各部件动作的动力源,目前常见的有:
(1)液压驱动
(2)气压驱
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