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1、*第十三章第十三章 工業機器人機構工業機器人機構 及其設計及其設計13-1 概述概述13-2 工業機器人操作機的分類及主要技術指標工業機器人操作機的分類及主要技術指標13-3 機器人操作機的運動分析機器人操作機的運動分析13-4 機器人操作機的靜力和動力分析機器人操作機的靜力和動力分析(沒有內容沒有內容)13-5 工業機器人操作機機構的設計工業機器人操作機機構的設計返回返回13-1 概概 述述 機器人是近40年來發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機器人是機器人的一個重要分支，它的特點是可通過編程完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器人各自的優點，尤其是體現了人的智能和適應性，
2、機器作業的準確性和在各種環境中完成作業的能力。因而在國民經濟各個領域中具有廣闊的應用前景。機器人技術涉及力學、機械學、電氣液壓技術、自控技術、傳感技術和計算機等學科領域，是一門跨學科綜合技術。而機器人機構學乃是機器人的主要基礎理論和關鍵技術，也是現代機械原理研究的主要內容。工業機器人的應用實例：l焊接作業l清洗作業l裝配作業l搬運作業13-2 工業機器人操作機的分類及主要技術指標工業機器人操作機的分類及主要技術指標1工業機器人及操作機 工業機器人是一種能自動控制并可重新編程予以變動的多功能機器。它有多個自由度，可用來搬運物料、零件和握持工具，以完成各種不同的作業。（1）工業機器人的組成5自由度
3、焊接機器人機器人本體部分執行機構驅動電機傳動機構齒輪傳動同步帶傳動控制裝置2）機器人各部分關系3）機器人各部分功能 執行機構 是機器人賴以完成各種作業的主體部分。通常為開式空間連桿機構。驅動-傳動機構執行機構工作系統控制系統位行檢測智能系統工業機器人操作機的分類及主要技術指標工業機器人操作機的分類及主要技術指標(2/5)1）工業機器人通常由執行機構、驅動-傳動系統、控制系統 及智能系統部分組成。它由機座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。則由感知系統和分析決策系統組成，它分別由傳感器及軟件來實現。控制系統 一般由示教操作盤或控制計算機和伺服控制裝置組成。前者作用是發出指令協調各有關驅動器之間的
4、運動，同時要完成編程、示教/再現以及和其它環境狀況（傳感器信號）、工藝要求，外部相關設備之間的信息傳遞和協調工作。而后者是控制各關節驅動器使各桿能按預定的運動規律運動。智能系統（2）機器人操作機工業機器人的機械結構部分稱為操作機。即由手臂機構和手腕機構組成。傳動有機械式、電氣式、液壓式、氣動式和復合式等。而驅動器有步進電機、伺服電機、液壓馬達和液壓缸等。驅動-傳動機構 由驅動器和傳動機構組成。工業機器人操作機的分類及主要技術指標工業機器人操作機的分類及主要技術指標(3/5)第二代為感覺型機器人。如有力覺、觸覺和視覺等，它具有對某些外界信號進行反饋調整的能力。目前已進入應用階段。第三代為智能型機
5、器人。其尚處于實驗研究階段。2操作機的主要類型（1）直角坐標型（PPP型)（2）圓柱坐標型（PPR型）（3）球坐標型（RRP型）（4）關節型 (RRR型）（3）工業機器人的發展過程 可分為以下三代：第一代為示教/再現型機器人。它主要由機械系統和控制系統組成。當前工業中應用最多。工業機器人操作機的分類及主要技術指標工業機器人操作機的分類及主要技術指標(4/5)靈活度是指操作機末端執行器在工作（如抓取物件）時，所能采取的姿態的多少。自由度是用來確定手部相對機座的位置和姿態的獨立參數的數目。它等于操作機獨立驅動的關節數目。由下式來計算。3操作機的主要技術指標（1）自由度 自由度是反映操作機的通用性和
6、適應性的一項重要指標。目前一般通用工業機器人大多為 5 自由度左右，已能滿足多種作業的要求。（2）工作空間即操作機的工作范圍。（3）靈活度 若能從各個方位抓取物體，則其靈活度最大；若只能從一個方位抓取物體，則其靈活度最小。工業機器人操作的分類及主要技術指標工業機器人操作的分類及主要技術指標(5/5)即為坐標系 i 相對于坐標系i-1的變換矩陣，此法稱為D-H法。13-3 機器人操作機的運動分析機器人操作機的運動分析1操作機位置與姿態的確定（1）操作機位置和姿態的描述 構件的空間位置和姿態是用該構件的位置列陣rij和姿態矩陣Rij來描述，或用該構件的位姿矩陣Mij來描述。（2）兩桿間的位置矩陣
7、桿i 相對與桿 i-1的位姿矩陣Mi-1,i，2操作機位置方程建立及求解M0iM01M02Mi-1,i即為操作機的運動方程。操作機的位姿矩陣方程為（1）操作機位姿方程的建立（2）操作機位姿方程的求解機器人操作機末端執行器的位姿分析有兩類基本問題：1）位姿方程的正解 已知各關節的運動參數，求末端執行器相對參考坐標系的位置和姿態。2）位姿方程的逆解 根據已給定的滿足工作要求的末端執行器相對參考坐標系的位置和姿態，求各關節的運動參數。這是對機器進行控制的關鍵。因此只有使各關節按逆解中求得的運動，才能使末端執行器獲得所需的位置和姿態。例13-1 RRPR型操作機的正解例13-2 RRPR型操作機的逆解
8、機器人操作的運動分析機器人操作的運動分析(2/2)13-5 工業機器人操作機機構的設計工業機器人操作機機構的設計 工業機器人操作機是由機座、手臂、手腕及末端執行器等組成的機械裝置。而從機器人完成作業的方式來看，操作機是由手臂機構、手腕機構及末端執行器等組成的機構。其結構方案及其運動設計是整個機器人設計的關鍵。1操作機手臂機構的設計 手臂機構一般有23個自由度，要求可實現回轉、仰俯、升降或伸縮三種運動形式。手臂機構設計時，先要確定其結構型式和尺寸，還需考慮各種構件的重量對其運動速度、精度及剛度的影響。2操作機手腕機構的設計 手腕機構一般為13個自由度，要求可實現回轉、偏擺或擺轉和仰俯三種運動形式。手腕機構的設計時，要確定其結構型式及機構尺寸，并要注意誘導運動。為使其機構緊湊，要減少其重量和體積，以利于驅動傳動的布置和提高手腕動作的精確性。3末端執行器的設計 根據不同作業任務的要求，先確定末端執行器的類型及其機構的型式，并盡可能使其結構簡單、緊湊、重量輕，以減輕手臂的負載。工業機器人操作機構的設計工業機器人操作機構的設計(2/2)
機械原理 第十三章工業機器人機構及其設計
