工業(yè)機器人的機構(gòu)及其設(shè)計的詳細資料概述

機器人是近40年來發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)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(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器人各自的優(yōu)點，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機器作業(yè)的準確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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機器人技術(shù)涉及力學、機械學、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計算機等學科領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù)。而機器人機構(gòu)學乃是機器人的主要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機械原理研究的主要內(nèi)容。

工業(yè)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(yè)。

1、工業(yè)機器人的組成

工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動-傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及智能系統(tǒng)部分組成。

2、機器人各部分關(guān)系

3、機器人各部分功能

執(zhí)行機構(gòu)：是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分。通常為開式空間連桿機構(gòu)。

驅(qū)動-傳動機構(gòu)：由驅(qū)動器和傳動機構(gòu)組成。傳動有機械式、電氣式、液壓式、氣動式和復(fù)合式等。而驅(qū)動器有步進電機、伺服電機、液壓馬達和液壓缸等。

控制系統(tǒng)：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(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動器之間的運動，同時要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其它環(huán)境狀況（傳感器信號）、工藝要求。外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。而后者是控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動器使各桿能按預(yù)定運動規(guī)律運動。

智能系統(tǒng)：則由感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)組成，它分別由傳感器及軟件來實現(xiàn)。

4、機器人操作機

工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機。它由機座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。即由手臂機構(gòu)和手腕機構(gòu)組成。

5、工業(yè)機器人的發(fā)展過程

第一代為示教/再現(xiàn)型機器人。它主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。當前工業(yè)中應(yīng)用最多。

第二代機器人為感覺型機器人。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(diào)整的能力。目前已進入應(yīng)用階段。

第三代為智能型機器人。其尚處于完全研究階段。

6、操作機的主要類型：直角坐標型；圓柱坐標型；球坐標型；關(guān)節(jié)型。

7、操作機的主要技術(shù)指標

（1）自由度

自由度為用來確定手部相對機座的位置和姿態(tài)的獨立參數(shù)的數(shù)目，它等于操作機獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)數(shù)目。由下式來計算。

自由度是反映操作機的通用性和適應(yīng)性的一項重要指標。目前一般通用工業(yè)機器人大多為 5 自由度左右，已能滿足多種作業(yè)的要求。

（2）工作空間：即操作機的工作范圍。

（3）靈活度：靈活度是指操作機末端執(zhí)行器在工作（如抓取物件）時，所能采取的姿態(tài)的多少。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。

8、操作機位置與姿態(tài)的確定

（1）操作機位置和姿態(tài)的描述

構(gòu)件的空間位置和姿態(tài)是用該構(gòu)件的位置列陣rij和姿態(tài)矩陣Rij來描述，或用該構(gòu)件的位置矩陣Mij來描述。

（2）兩桿間的位置矩陣

桿i相對與桿i-1的位姿矩陣Mi-1,i，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。

9、操作機位置方程建立及求解

（1）操作機位姿方程的建立

操作機i的位姿矩陣方程為：M0i＝M01M02…Mi-1,i，即為操作機的運動方程。

（2）操作機位姿方程的求解

機器人操作機末端執(zhí)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(guān)節(jié)的運動參數(shù)，求末端執(zhí)行器相對參考坐標系的位置和姿態(tài)。

2）位姿方程的逆解

根據(jù)已給定的滿足工作要求的末端執(zhí)行器相對參考坐標系的位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)的運動參數(shù)。

這是對機器進行控制的關(guān)鍵，因此只有使各關(guān)節(jié)按逆解中求得的運動，才能使末端執(zhí)行器獲得所需的位置和姿態(tài)。

10、工業(yè)機器人操作機構(gòu)的設(shè)計

工業(yè)機器人操作機是由機座、手臂、手腕及末端執(zhí)行器等組成的機械裝置。而從機器人完成作業(yè)的方式來看，操作機個是由手臂機構(gòu)、手腕機構(gòu)及末端執(zhí)行器等組成的機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)方案及其運動設(shè)計是整個機器人設(shè)計的關(guān)鍵。

（1）操作機手臂機構(gòu)的設(shè)計

手臂機構(gòu)一般為2～3個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、仰俯、升降或伸縮三種運動形式。手臂機構(gòu)設(shè)計時，先要確定其結(jié)構(gòu)型式和尺寸，還需考慮各種構(gòu)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(gòu)的設(shè)計

手腕機構(gòu)一般為1～3個自由度，要求可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、偏擺或擺轉(zhuǎn)和仰俯三種運動形式。

手腕機構(gòu)的設(shè)計時，要確定其結(jié)構(gòu)型式及持續(xù)尺寸，并要注意誘導(dǎo)運動。為使其機構(gòu)緊湊，要減少其重量和體積，以利于驅(qū)動傳動的布置和提高手腕動作的精確性。

（3）末端執(zhí)行器的設(shè)計

根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)的要求，先確定其類型和機構(gòu)形式，并盡可能使其類型和機構(gòu)形式，盡可能使其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕，以減輕手臂的負載。