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第2章機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ) 2 1本體基本結(jié)構(gòu)2 2手部設(shè)計2 3腕部設(shè)計2 4臂部設(shè)計2 5緩沖與定位2 6行走機構(gòu) 一 機器人本體基本結(jié)構(gòu)組成 1 傳動部件2 機身及行走機構(gòu)3 臂部4 腕部5 手部 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) KUKA公司的工業(yè)機器人在工作 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) 二 機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點 1 可以簡化成各連桿首尾相接 末端無約束的開式連桿系 連桿系末端自由且無支承 這決定了機器人的結(jié)構(gòu)剛度不高 并隨連桿系在空間位姿的變化而變化 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) 二 機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點 2 開式連桿系中的每根連桿都具有獨立的驅(qū)動器 屬于主動連桿系 連桿的運動各自獨立 不同連桿的運動之間沒有依從關(guān)系 運動靈活 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) 二 機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點 3 連桿驅(qū)動扭矩的順態(tài)過程在時域中的變化非常復(fù)雜 且和執(zhí)行器反饋信號有關(guān) 連桿的驅(qū)動屬于伺服控制型 因而對機械傳動系統(tǒng)的剛度 間隙和運動精度都有較高的要求 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) 二 機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點 4 連桿系的受力狀態(tài) 剛度條件和動態(tài)性能都是隨位姿的變化而變化的 因此 極容易發(fā)生振動或出現(xiàn)其他不穩(wěn)定現(xiàn)象 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) 二 機器人本體基本結(jié)構(gòu)特點 工作負(fù)載與自重的比值 靜 動態(tài)剛度 定位精度 跟蹤精度 控制系統(tǒng)的要求 造價 機械系統(tǒng)設(shè)計的靈活性 固有頻率 避開工作頻率 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) 1 材料選擇的基本要求 強度高彈性模量大重量輕阻尼大材料經(jīng)濟性 三 機器人本體材料的選擇 三 機器人本體材料的選擇 1 機器人常用材料 碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 廣泛采用 鋁 鋁合金及其他輕合金材料 重量輕 纖維增強合金 較高的E 比 陶瓷纖維增強復(fù)合材料 高阻尼 粘彈性大阻尼材料 2 1機器人本體的基本結(jié)構(gòu) SIWR 型和 型水下作業(yè)機械手模擬試驗裝置 2 2手部設(shè)計 2 2手部設(shè)計 新松的裝配機器人 2 2手部設(shè)計 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計2 2 2吸盤式手部的設(shè)計2 2 3類人機器人的手部 關(guān)節(jié)式手指 2 2手部設(shè)計 習(xí)題 設(shè)計一手部結(jié)構(gòu) 用來抓取盤中的蘋果 要求 畫出結(jié)構(gòu) 并給出關(guān)鍵尺寸 說明其驅(qū)動方式及計算增力比N P 機器人的手部是重要的執(zhí)行機構(gòu) 從其功能和形態(tài)上看 它可分為工業(yè)機器人的手部和類人機器人的手部 前者應(yīng)用較多 也比較成熟 后者正處于深入研究階段 工業(yè)機器人的手部是用來抓取工件或工具的部件 由于被抓取的工件的形狀 尺寸 重量 材質(zhì)等的不同 手部的結(jié)構(gòu)也是多種多樣的 大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計的 各種手部的工作原理不同 結(jié)構(gòu)型式各異 常用的手部按其握持原理的不同可分為兩類 即鉗爪式和吸附式 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 2 2手部設(shè)計 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 鉗爪式手部的組成一般的鉗爪式手部由以下三部分組成 手指 傳動機構(gòu) 驅(qū)動裝置 此外 還有連接和支撐元件 將上述各部分連接成一個整體 以及實現(xiàn)手部與機器人的腕部的連接 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 一 手指 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 二 傳動機構(gòu) 回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu) 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 斜楔杠桿式手部 二 傳動機構(gòu) 回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu) 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 滑槽杠桿式手部 二 傳動機構(gòu) 回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu) 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 雙支點連桿杠桿式手部 二 傳動機構(gòu) 回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu) 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 齒條齒輪杠桿式手部 二 傳動機構(gòu) 平移型傳動機構(gòu) 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 直線平移型手部 二 傳動機構(gòu) 平移型傳動機構(gòu) 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 四連桿機構(gòu)平移型手部 1 齒條2 齒輪3 工件齒輪齒條移動式手爪 1 3 2 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 二 傳動機構(gòu) 其它結(jié)構(gòu)型式 重力式手爪 二 傳動機構(gòu) 其它結(jié)構(gòu)型式 撥桿杠桿式鉗爪 二 傳動機構(gòu) 其它結(jié)構(gòu)型式 內(nèi)撐式三指鉗爪 二 傳動機構(gòu) 其它結(jié)構(gòu)型式 三 鉗爪式手部的設(shè)計要點 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 應(yīng)具有足夠的夾緊力應(yīng)具有足夠的張開角應(yīng)能保證工件的可靠定位應(yīng)具有足夠的強度和剛度應(yīng)適應(yīng)被抓取對象的要求應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 效率高應(yīng)具有一定的通用性和可互換性 四 鉗爪式手部結(jié)構(gòu)舉例以及夾緊力的分析計算 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 手部機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式不同 其特點也各不相同 下面僅舉幾個結(jié)構(gòu)實例及其夾緊力的計算公式供設(shè)計時參考 鉗爪式手部機構(gòu)夾持工件的夾緊力是通過驅(qū)動裝置 液壓 氣動或電動 所產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)過手部機構(gòu)的傳遞而產(chǎn)生的 四 鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例 齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu) 注 兩手指平移 增力比 N P 小 N P 2 N N P 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 四 鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例 平行連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu) N PLcos 2lsin cos 注 AB DE DB AE L BC桿長 l AB桿長 兩手指保持平行 當(dāng) 角較小時 可獲得較大的力比 N N P A B C E 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 四 鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例 連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu) P N N c b N Pcsin 2bsin sin 注 手指開閉角較小 當(dāng)取較小的 時 可獲得較大的增力比 即N P 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 四 鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例 斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu) P c b P N N Pcctg 2 N 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 四 鉗爪式手部結(jié)構(gòu)及其夾緊力的計算公式舉例 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu) P N N b N Pc 2b 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 吸附類手部也主要分為兩種 即氣吸式和磁吸式兩種 氣吸式是指用負(fù)壓吸盤吸附工件 按負(fù)壓產(chǎn)生的方式不同 可分為擠壓式和真空式兩種 磁吸式手部是在手腕部裝上電磁鐵 通過電磁吸力把工件吸住 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 一 氣吸式手部的種類 真空吸盤系統(tǒng) 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 一 氣吸式手部的種類 1 2 3 4 5 4 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 一 氣吸式手部的種類 氣流負(fù)壓噴嘴吸盤結(jié)構(gòu)原理圖擠壓負(fù)壓式吸盤 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 吸力大小與吸盤的直徑大小 吸盤內(nèi)的真空度 或負(fù)壓大小 以及吸盤的吸附面積的大小有關(guān) 工件被吸附表面的形狀和表面不平度也對其有一定的影響 設(shè)計時要充分考慮上述各種因素 以保證有足夠的吸附力 應(yīng)根據(jù)被抓取工件的要求確定吸盤的形狀 由于氣吸式手部多吸附薄片狀的工件 故可用耐油橡膠壓制不同尺寸的盤狀吸頭 二 氣吸式手部的設(shè)計要素 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 三 氣吸式手部的吸力計算 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 吸盤吸力的大小主要取決于真空度 或負(fù)壓的大小 與吸附面積的大小 真空吸盤吸力F計算公式 磁吸式手部是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力來吸取工件 磁吸式手部只能對鐵磁物體起作用 另外 對某些不允許有剩磁的零件要禁止使用 所以 磁吸式手部的使用有一定的局限性 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 四 磁吸式手部的原理與應(yīng)用 五 磁吸式手部 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 電磁鐵工作原理 五 磁吸式手部 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 盤狀磁吸附手部結(jié)構(gòu) 五 磁吸式手部 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 幾種電磁式吸盤工作示意圖 應(yīng)具有足夠的電磁吸引力 應(yīng)根據(jù)被吸附工件的形狀 大小來確定電磁吸盤的形狀 大小 吸盤的吸附面應(yīng)與工件的被吸附表面形狀一致 電磁吸力的計算a 直流電磁鐵的吸力計算 b 交流電磁鐵的吸力計算 2 2 2吸附式手部的設(shè)計 六 磁吸式手部的設(shè)計要點及計算 磁盤 2 防塵蓋 3 線圈 4 外殼體 5 螺母 6 防塵螺母 7 9 墊圈 8 螺母 10 軸承 11 出導(dǎo)線孔 2 2 1鉗爪式手部的設(shè)計 帶 眼睛 機器視覺系統(tǒng) 的件箱拆垛手爪 工料定位精度 mm 負(fù)載能力 100kg 物料最大尺寸 1000mm 600mm 可2件或3件一起抓取 帶 眼睛 機器視覺系統(tǒng) 的輔料堆垛手爪 工料識別準(zhǔn)確率 100 工料定位精度 1mm 負(fù)載能力 125kg 物料最大尺寸 600mm 500mm 件箱堆垛手爪 負(fù)載能力 100kg 物料最大尺寸 1000mm 600mm 帶傳感器識別 抓取薄膜的拆包手爪 識別定位精度 0 5mm 帶抓取 剪斷鋼質(zhì)捆扎帶機構(gòu) 煙包搬運機械手 搬運負(fù)載能力 300kg 帶取夾板輔助功能 大部分的工業(yè)機器人的手部只有兩個手指 而且手指上一般沒有關(guān)節(jié) 為了使機器人的手臂能完成各種不同的工作 有更大的適應(yīng)性和通用性 除了要使臂部具有更大的空間活動范圍外 還要在其上安裝一個更靈巧的手 即類人手 這種手是由若干帶有關(guān)節(jié)的手指構(gòu)成 2 2 3類人機器人的手部 關(guān)節(jié)式手指 類人機器人的手部 具有多關(guān)節(jié)的三指手 類人機器人的手部 1 9 適應(yīng)彈簧2 3 8 連桿4 食指5 中指6 無名指7 小指10 蝸輪11 驅(qū)動桿貝爾格萊德手 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 在張啟先院士的主持下 北京航空航天大學(xué)機器人研究所于80年代末開始靈巧手的研究與開發(fā) 靈巧手有三個手指 每個手指有3個關(guān)節(jié) 3個手指共9個自由度 微電機放在靈巧手的內(nèi)部 各關(guān)節(jié)裝有關(guān)節(jié)角度傳感器 指端配有三維力傳感器 采用兩級分布式計算機實時控制系統(tǒng) 北航研制的BH 3靈巧手 北航研制的BH 4靈巧手 BH 4型靈巧手有四個手指 每個手指有4個關(guān)節(jié) 4個手指共16個自由度 其關(guān)節(jié)由齒輪傳動 包括直流伺服電機 行星減速器和光碼盤在內(nèi)的電機單元驅(qū)動 光碼盤用于測量電機軸相對轉(zhuǎn)角 關(guān)節(jié)軸絕對轉(zhuǎn)角由電位計測量 四指每個手指三個自由度 末端兩關(guān)節(jié)耦合腱和滑輪傳動直線電機驅(qū)動指端力 力矩傳感器位置傳感器關(guān)節(jié)力矩傳感器 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT 1手 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT DLR手 四指每個手指三個自由度 基關(guān)節(jié)兩個 上面兩個關(guān)節(jié)通過連桿耦合齒輪系 諧波齒輪傳動無刷直流電機驅(qū)動指端力 力矩傳感器位置傳感器關(guān)節(jié)力矩傳感器傳感器處理電路 電機驅(qū)動電路實現(xiàn)手指集成化 我校研制的三指靈巧手 三指手指三自由度斜齒輪傳動直流電機驅(qū)動位置傳感器指端三維力傳感器 美國麻省理工學(xué)院Utah MIT靈巧手 Utah MIT型靈巧手外形與人手更接近 該手包括3個具有4自由度的手指和一個拇指 其幾何尺寸和人手接近 該手由4個具有4自由度的手指模塊組成 每個模塊由腱 滑輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動 Stanford JPL靈巧手 Stanford JPL型靈巧手有三個手指 每個手指有3個自由度和4根控制線 整個手由12個直流伺服電機組成的驅(qū)動塊驅(qū)動 該手的控制實驗主要集中在手指尖的抓取 德國宇航中心研制的DLR手 DLR II手 DLR I手 DLR II手的精確操作 DLR II手的強力抓取 海溝號 無人潛水器 海溝號 無人潛水器在大海中 摘西紅柿機器人 2 3腕部設(shè)計 2 3 1概述2 3 2腕部的設(shè)計要點2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 2 3 1概述 機器人操作臂將末端工具置于其工作的三維空間內(nèi)的任意點需要三個自由度 為了進行實際操作 它還應(yīng)該能夠?qū)⒐ぞ咧糜谌我獾姆轿?這還需要一個腕部 它一般還需要有三個自由度 即回轉(zhuǎn) 俯仰和擺動三個自由度 2 3 1概述 具有回轉(zhuǎn) 俯仰和擺動三個自由度的手腕 回轉(zhuǎn) 擺動 手腕 俯仰 2 3 1概述 a 是一種翻轉(zhuǎn) Roll 關(guān)節(jié) 它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸線形式 這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大 可達到360 以上 b c 是一種折曲 Bend 關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直 這種B關(guān)節(jié)因為受到結(jié)構(gòu)上的干涉 轉(zhuǎn)角度小 大大限制了方向角 這和人的手腕差不多 d 所示為移動關(guān)節(jié) 也叫T關(guān)節(jié) 2 3 1概述 二自由度手腕可以由一個R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)節(jié)組成BR手腕 a 也可以由兩個B關(guān)節(jié)組成BB手腕 b 但是 不能由兩個R關(guān)節(jié)組成RR手腕 因為兩個R關(guān)節(jié)共軸線 所以退化了一個自由度 實際只構(gòu)成了單自由度手腕 c 2 3 1概述 三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式 此外 B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同 也會產(chǎn)生不同的效果 也產(chǎn)生了其它形式的三自由度手腕 為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊 通常把兩個B關(guān)節(jié)安裝在一個十字接頭上 這對于BBR手腕來說大大減小了手腕縱向尺寸 2 3 1概述 2 3 1概述 2 3 1概述 2 3 2腕部的設(shè)計要點 結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊 重量輕要適應(yīng)工作環(huán)境的要求要綜合考慮各方面要求 合理布局 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 一 直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)A 具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu) A 具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu) 具有回轉(zhuǎn)缸的腕部結(jié)構(gòu) 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 一 直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)A 具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)B 具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu) B 具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu) 具有回轉(zhuǎn)與擺動的腕部結(jié)構(gòu) 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 一 直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)A 具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)B 具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu)二 具有機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)A 具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)a 腕部的俯仰運動 b 手部的回轉(zhuǎn)運動 c 腕部的俯仰運動引起的誘起運動 A 具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) 具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)原理 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 一 直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)A 具有回轉(zhuǎn)運動的腕部結(jié)構(gòu)B 具有回轉(zhuǎn)和擺動運動的腕部結(jié)構(gòu)二 具有機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)A 具有兩個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)a 腕部的俯仰運動 b 手部的回轉(zhuǎn)運動 c 腕部的俯仰運動引起的誘起運動B 具有三個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)a 腕部俯仰運動及其誘起運動 b 腕部回轉(zhuǎn)運動及其誘起運動 c 手部回轉(zhuǎn)運動 B 具有三個自由度機械傳動的腕部結(jié)構(gòu) 具有三個自由度機械傳動的腕部機構(gòu)原理圖 1 2 3 B2 T S 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 18 B1 B 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 一 直接驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)二 具有機械傳動的腕部結(jié)構(gòu)三 柔順手腕結(jié)構(gòu) 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 2 3 3典型的腕部結(jié)構(gòu) 柔順手腕結(jié)構(gòu) 2 3臂部設(shè)計 2 3 1概述2 3 2臂部設(shè)計要點2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 2 3 1概述 臂部是機器人的主要執(zhí)行部件 其作用是支撐手部和腕部 并改變手部的空間位置 機器人的臂部一般有2 3個自由度 即伸縮 回轉(zhuǎn) 俯仰或升降 臂部的總重量較大 受力一般比較復(fù)雜 在運動時 直接承受腕部 手部和工件 或工具 的靜 動載荷 2 3 2臂部設(shè)計要點 手臂應(yīng)具有足夠的承載能力和剛性 2 3 2臂部設(shè)計要點 導(dǎo)向性好 2 3 2臂部設(shè)計要點 運動要平穩(wěn) 定位精度要高 應(yīng)注意減輕重量和運動慣量 PUMA 262關(guān)節(jié)型機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu) 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 工業(yè)機器人的臂部結(jié)構(gòu)一般包括臂部的伸縮 回轉(zhuǎn) 俯仰或升降等運動結(jié)構(gòu)以及與其有關(guān)的構(gòu)件 如傳動機構(gòu) 驅(qū)動裝置 導(dǎo)向定位裝置 支承連接件和位置檢測元件等 此外還有與腕部 或手部 連接的有關(guān)構(gòu)件及配管 線等 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 1 升降2 回轉(zhuǎn)3 伸縮4 升降位置檢測器5 控制器6 液壓源7 回轉(zhuǎn)機構(gòu)8 機身9 回轉(zhuǎn)位置檢測器10 升降缸圓柱坐標(biāo)機器人的臂部結(jié)構(gòu) 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 1 回轉(zhuǎn)用齒輪齒條副2 回轉(zhuǎn)齒條缸3 接控制柜4 液壓源5 手腕彎曲油缸6 手腕回轉(zhuǎn)用油缸7 俯仰回轉(zhuǎn)軸8 花鍵軸9 伸縮缸10 伸縮11 回轉(zhuǎn)12 上下彎曲13 俯仰14 臂回轉(zhuǎn)15 俯仰缸16 機身極坐標(biāo)型機器人的臂部結(jié)構(gòu) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 PUMA 262關(guān)節(jié)型機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu) 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 1 臂回轉(zhuǎn)2 回轉(zhuǎn)用油缸3 液壓源4 控制柜5 連桿6 臂前后運動7 臂俯仰8 腕擺動9 腕彎曲10 示教手柄11 臂俯仰缸關(guān)節(jié)式臂部結(jié)構(gòu) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 1 機座2 示教盒3 控制柜4 水平回轉(zhuǎn)M15 回轉(zhuǎn)軸6 水平回轉(zhuǎn)M27 腕回轉(zhuǎn)M38 腕上下運動M4水平多關(guān)節(jié)式臂部結(jié)構(gòu) 1 2 3 4 5 6 7 8 M4 M2 M1 M3 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 1 肩回轉(zhuǎn) 2 肩彎曲 3 肘彎曲 4 腕回轉(zhuǎn) 5 腕彎曲 6 7 8 手指彎曲多關(guān)節(jié)型仿人手臂 1 2 3 4 5 6 7 8 2 3 3臂部的結(jié)構(gòu)形式 PUMA 262關(guān)節(jié)型機器人傳動原理 2 4緩沖與定位 2 4 1概述2 4 2工業(yè)機器人的運動特性2 4 3工業(yè)機器人的定位方法2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 2 4 1概述 慣性沖擊的影響定位方法的影響結(jié)構(gòu)剛性的影響控制及驅(qū)動系統(tǒng)的影響 對于在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機器人 一般要求它速度快 運動平穩(wěn) 重復(fù)定位精度高 因此運動平穩(wěn)性和重復(fù)定位精度是衡量機器人性能的重要指標(biāo) 影響這些指標(biāo)的主要因素如下 2 4 2工業(yè)機器人的運動特性 工業(yè)機器人的運動特性就是指其運動行程 運動速度和運動加速度隨時間變化的規(guī)律 分析機器人運動特性的目的在于根據(jù)工作條件來選擇適當(dāng)?shù)倪\動特性 下圖是工業(yè)機器人常用的幾種特性曲線 2 4 2工業(yè)機器人的運動特性 工業(yè)機器人的幾種典型運動特性曲線 1 2 3 s O T T t t t 1 2 3 1 v a O 2 3 2 4 3工業(yè)機器人的定位方法 在機械加工 裝配等的作業(yè)中 對機器人的定位精度要求比較高 設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體的要求選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ环椒?目前常用的定位方法有 電氣開關(guān)定位 機械擋塊定位和伺服定位 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 工業(yè)機器人與機械手常用的緩沖裝置有彈性緩沖元件 油 氣 缸端部緩沖裝置 緩沖回路和液壓緩沖器等幾種結(jié)構(gòu)形式 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 按照它們在機器人或 機械手 結(jié)構(gòu)中的設(shè)置可以分為內(nèi)部緩沖和外部緩沖兩類 在驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的緩沖環(huán)節(jié)屬于內(nèi)部緩沖 例如油 氣 缸端部節(jié)流緩沖環(huán)節(jié)與緩沖回路均屬于此類 彈性緩沖環(huán)節(jié)和液壓緩沖器一般設(shè)置在驅(qū)動系統(tǒng)之外 故屬于外部緩沖 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 內(nèi)部緩沖裝置具有結(jié)構(gòu)簡單 緊湊等優(yōu)點 但安裝位置受到限制 外部緩沖具有安裝簡便 靈活 容易調(diào)整等優(yōu)點 但結(jié)構(gòu)較龐大一些 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 1 彈性緩沖元件水平?jīng)_擊時緩沖元件吸收的能量為 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 2 油 氣 缸端部緩沖裝置當(dāng)活塞運動到距離油 氣 缸端蓋某一距離時 能在活塞與端蓋之間形成一緩沖室 利用節(jié)流原理使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力 使運動速度降低至定位處停止 這種避免硬性沖擊的裝置稱為油 氣 缸端部緩沖裝置 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 2 1油缸端部緩沖裝置 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 2 1油缸端部緩沖裝置 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 2 2氣缸端部緩沖裝置 A B C D 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 3 緩沖回路 2 4 4工業(yè)機器人的定位緩沖裝置 4 液壓緩沖器液壓緩沖器也是利用液壓節(jié)流產(chǎn)生阻力原理制造的 其結(jié)構(gòu)比較簡單 緩沖 制動性能可調(diào) 是氣動機械手常用的一種緩沖方法 2 5行走機構(gòu) 2 5 1概述2 5 2車輪式行走機構(gòu)2 5 3履帶式行走機構(gòu)2 5 4步行式行走機構(gòu)2 5 5特種移動機器人 2 5 1概述 機器人可以分為固定式和行走式兩種 對機器人的行走機構(gòu) 可根據(jù)不同的行走環(huán)境情況 提出不同的要求 根據(jù)機器人的行走環(huán)境 將機器人所具有的移動機能分為以下幾個方面 地面移動機能 水中移動機能 空中移動機能和地中移動機能等四個方面 2 5 1概述 具有地面行走機能的行走機構(gòu)按其特點可以分為車輪式 履帶式和關(guān)節(jié)式行走機構(gòu) 它們在行走過程中 前兩者與地面連續(xù)接觸 后者為間斷接觸 前者的形態(tài)為運行車式 后者則為類人或動物的腿腳式 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 車輪式行走機構(gòu)具有移動平穩(wěn) 能耗小以及容易控制移動速度和方向等優(yōu)點 因此得到普遍的應(yīng)用 但這些優(yōu)點只能在平坦的地面上才能發(fā)揮出來 目前取得應(yīng)用的主要是三輪式和四輪式 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 車輪的形式a 充氣球輪b 半球形輪c 傳統(tǒng)車輪d 無緣輪 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 日本火星探測機器人 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 機遇號 美國火星探路者機器人 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 利用陀螺儀的兩輪車 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 日本騎車機器人 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 一個驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向機構(gòu)來轉(zhuǎn)彎兩個驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速差和另一個支撐輪來轉(zhuǎn)彎圖2 42三個輪的行走和轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 2 5 2車輪式行走機構(gòu) a 二個驅(qū)動輪和二個自位輪 b 二個驅(qū)動輪二個自位輪 c 一個驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向輪 d 一個驅(qū)動系統(tǒng)和二個轉(zhuǎn)向輪 e 全部輪都裝有轉(zhuǎn)向機構(gòu) 能減少轉(zhuǎn)彎半徑圖2 43四個輪的行走和轉(zhuǎn)彎機構(gòu) 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 全方位移動機構(gòu) 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 這臺機器人配備有GPS 6臺攝影機 一雙強力的機械手臂 最大可舉起75kg的物體 其六個獨立輪可以適應(yīng)各種地形 最大爬坡能力高達45度 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 2 5 2車輪式行走機構(gòu) 2 5 3履帶式行走機構(gòu) 德國排爆機器人 TALON被稱為世界上第一個武裝機器人 它基于SWORDS 特殊武器觀測勘查探測系統(tǒng) 他能夠讓士兵在一千米開外遠(yuǎn)程開火 這個機器人能裝備一系列的武器 包括M16步槍 M82巴雷特步槍和一個40毫米的榴彈發(fā)射器 2 5 3履帶式行走機構(gòu) 容易上下臺階的履帶式機器人 2 5 3履帶式行走機構(gòu) 履帶式機器人的移動作業(yè) 2 5 3履帶式行走機構(gòu) 履帶式機器人的移動作業(yè) 2 5 3履帶式行走機構(gòu) 適應(yīng)地形的履帶 2 5 4步行式行走機構(gòu) 用類似于動物那樣 利用腳部關(guān)節(jié)機構(gòu) 用步行方式 實現(xiàn)移動的機械 稱作步行機構(gòu) 步行機器人采用步行機構(gòu) 其特征是不僅能夠在凸凹不平的地上行走 跨越溝壑 上下臺階 因而具有廣泛的適應(yīng)性 但控制上確有相當(dāng)?shù)碾y度 足式行走可以選擇最優(yōu)的支撐點 具有主動隔振能力 運動平穩(wěn) 運動速度高 能耗較少 2 5 4步行式行走機構(gòu) 1 足的數(shù)目 2 5 4步行式行走機構(gòu) 2 足的配置 a 正向?qū)ΨQ分布b 前后向?qū)ΨQ分布 2 5 4步行式行走機構(gòu) 2 足的配置 足的相對方位 2 5 4步行式行走機構(gòu) 3 足式行走機構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定的多足機速度較慢步態(tài)為爬行或步行動態(tài)穩(wěn)定速度較快步態(tài)為小跑或跳躍消耗能量小 2 5 4步行式行走機構(gòu) 兩足步行機器人五軸步行模型和10剛體17自由度結(jié)構(gòu)模型 腰關(guān)節(jié) 股關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié) 足尖關(guān)節(jié) 踝關(guān)節(jié) L6 L2 L1 L3 L4 L5 2 5 4步行式行走機構(gòu) 四足機器人步行圖 2 5 4步行式行走機構(gòu) 玩具小狗 2 5 4步行式行走機構(gòu) 四足步行機器人的機構(gòu)舉例 2 5 4步行式行走機構(gòu) 美軍研制戰(zhàn)地機器狗翻山越嶺如履平地 2 5 4步行式行走機構(gòu) 六足步行機構(gòu)的靜穩(wěn)定步行圖 2 5 4步行式行走機構(gòu) 18個自由度的六足步行機器人 2 5 4步行式行走機構(gòu) 軍用昆蟲機器人 美國宇航局研制月球六足機器人 演化過程 一型 二型 三型 四型 原型 下水 越障 早稻田大學(xué) WL 1 WL 3 WABOT 1 WABIAN RII 早稻田大學(xué) WABIAN 2 LL 高1224 5mm 重50kg 踝關(guān)節(jié) 3 2膝關(guān)節(jié) 1 2髖關(guān)節(jié) 3 2腰 2 足底六維力 力矩傳感器 直流伺服電機驅(qū)動和諧波減速器 實時皮帶滑輪 自帶電池 早稻田大學(xué) WABIAN 2R 早稻田大學(xué) WL 15 奔騰III850MHz驅(qū)動的雙腿行走機械裝置WL 15來演示一種新的并行連桿行走機制 一條腿由三套雙缸機械裝置組成 骨盆的六個缸體匯聚在足部 WL 15可以在兩步或兩秒內(nèi)完成90度旋轉(zhuǎn) 早稻田大學(xué) WL 16RIII 東京大學(xué) H7 2001推出的具備了人的雛形 這個機器人總58Kg 身高147cm 能夠在一定程度上模擬人類的行為方式 30個模擬自由度 其中腿部分為 髖關(guān)節(jié)3個 膝關(guān)節(jié)1個 踝關(guān)節(jié)2個 足趾關(guān)節(jié)1個 電機采用瑞士MAXON公司生產(chǎn)的 采用諧波減速器驅(qū)動 兩個PIII750CPU 運行RTLinux操作系統(tǒng) 2000系列 和 6000系列 的鋁合金板材料 骨架本身僅重約4kg 日本本田公司 從1986年至1993年先后研制了E系列 ExperimentalModel 試驗樣機E0 E6 都屬于雙足機器人 主要目的是為了對步行機制進行基礎(chǔ)性研究 主要綜合采用地面反力控制 目標(biāo)ZMP控制和擺動腿落地位置控制所組成的步行穩(wěn)定控制技術(shù)完成行走 1993年至1997年進行完全自主型仿人形機器人原型樣機的研究 研制了P系列 PrototypeModel 的樣機P1 P2和P3 E系列和P系列機器人 日本本田公司 ASIMO Asimo高120cm 重43kg 采用I WALK的智能實時柔性行走技術(shù) 預(yù)測移動控制功能使機器人能夠?qū)崟r預(yù)測下一步運動 并按照預(yù)測來移動重心 平滑地改變調(diào)節(jié)步幅來改變行走的快慢 能夠改變它的行走坡度 擁有動態(tài)行走能力 可以由步行直接到奔跑 并達到時速3公里 本田的ASIMO類人機器人機器人P2 日本本田公司 SDR 4xII 64位的RISC處理器 三條64M的內(nèi)存 搭載Aperios操作系統(tǒng) 機器人本體尺寸為580 190 270mm 重7kg 跌倒前校正運動姿勢 專門的傳感器檢驗關(guān)節(jié)處是否存在其他物體 能提高其安全性 不依靠外部微機 獨立識別對方語意 與之交談 日本索尼公司 比利時 Lucy 氣動肌肉驅(qū)動 身高150cm 重30kg 每條腿6個自由度 采用12個氣動肌肉控制 總共擁有23個自由度 德國慕尼黑技術(shù)大學(xué) Johnnie 足部裝有六維力 力矩傳感器 上身裝有陀螺儀和加速度傳感器 基于ZMP穩(wěn)定控制 具有17個自由度 高1 8m 重40kg 每條腿有6個自由度 韓國 HUBO 美國MIT M2 實現(xiàn)3維空間步態(tài)行走 12個自由度 髖關(guān)節(jié)3 膝關(guān)節(jié)1 踝關(guān)節(jié)2 多種步態(tài)運算 采用虛擬模型控制 力控制技術(shù) 特別是連續(xù)彈性沖擊控制 自動學(xué)習(xí)能力 新加坡國立大學(xué) NUSBIP II 總28Kg 身高115cm 共有22個自由度踝關(guān)節(jié) 3 2膝關(guān)節(jié) 1 2髖關(guān)節(jié) 3 2手 5 2 腿部采用直流電機和行星齒輪減速器 手臂采用數(shù)字伺服電機 傳感器有加速度計 測壓元件 陀螺儀 關(guān)節(jié)編碼器 國防科技大學(xué) 先行者 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 有17個關(guān)節(jié) 第三代兩足步行機器人 類人型機器人 機器人下肢 軀體 手臂和頭部采用相應(yīng)的分布式機器人控制系統(tǒng) 原地扭動 平地前進 后退 左右側(cè)行和左右轉(zhuǎn)彎等動作 手臂可以前后擺動 與下肢動作協(xié)調(diào)配合 同時頭部可以左右轉(zhuǎn)動 機器人眼睛可以演示各種眨眼動作 哈爾濱工業(yè)大學(xué) HIT III 2001推出的HIT III型雙足步行機器人 機器人上身和腳掌安裝了三維微型加速傳感器 足底有兩維力矩傳感器 采用直流電機經(jīng)諧波減速器實現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 腿部采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式 且關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸不相交 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 足球機器人 身高0 5米 具有17個自由度 主控計算機 負(fù)責(zé)實時提供環(huán)境信息的視覺系統(tǒng) 運動系統(tǒng) 無線通信系統(tǒng) 電源系統(tǒng) 不帶電纜 可以像人一樣直立行走 爬樓梯和避讓障礙 北京理工大學(xué) BRH 1 身高1 58m 體重76kg 具有32個自由度 每小時能夠行走1公里 步幅0 33m 能夠感知自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化 并隨時進行調(diào)節(jié) 標(biāo)志著我國仿人機器人研究已經(jīng)跨入世界先進行列 北理工和中科院沈陽自動化所 匯童 2005年推出了高1 6m 體重63kg 具有視覺 語音對話 力覺等功能 達到了國際先進水平 在國際上首次實現(xiàn)了模仿太極拳 刀術(shù)等人類復(fù)雜動作 能實現(xiàn)前進 后退 側(cè)行 轉(zhuǎn)彎 上下臺階及未知地面情況下的穩(wěn)定行走 采用直流電機經(jīng)諧波減速器轉(zhuǎn)動 由同步齒形帶實現(xiàn)關(guān)節(jié)傳動 腿部采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式 每條腿有6個自由度 2 5 4步行式行走機構(gòu) 蜘蛛 機器人 2 5 4步行式行走機構(gòu) 機器人舞伴 爬纜索機器人 爬纜索機器人 該機器人系統(tǒng)由機器人本體和機器人小車組成 本體可以沿各種傾斜度的纜索爬升 在高空纜索上自動完成檢查 打磨 清洗 去靜電 底涂和面涂及一系列的維護工作 地面小車用于安裝機器人本體并向機器人本體供應(yīng)水 涂料 同時監(jiān)控機器人的高空工作情況 2 5 5特種移動機器人 壁面清洗機器人 壁面清洗機器人 大樓清洗機器人是以爬壁機器人為基礎(chǔ)開發(fā)出來的 它只是爬壁機器人的用途之一 爬壁機器人有負(fù)壓吸附和磁吸附兩種吸附方式 大樓擦窗機器人采用的是負(fù)壓吸附方式 2 5 5特種移動機器人 微型機器人和微操作系統(tǒng) 細(xì)小工業(yè)管道機器人移動探測系統(tǒng) 細(xì)小工業(yè)管道機器人移動探測器集成系統(tǒng) 由上海大學(xué)研制 包含 20mm內(nèi)徑的垂直排列工業(yè)管道中的機器人機構(gòu)和控制技術(shù) 機器人管內(nèi)位置檢測技術(shù) 渦流檢測和視頻檢測應(yīng)用技術(shù) 在此基礎(chǔ)上構(gòu)成管內(nèi)自動探測機器人系統(tǒng) 該系統(tǒng)可實現(xiàn)20mm管道內(nèi)裂紋和缺陷的移動探測 2 5 5特種移動機器人