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工業機器人結構及其設計概述

時間 : 2021-07-01 15:09 瀏覽量 : 13

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,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

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。

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:由驅動器和傳動機構組成。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。

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運動規律運動。

智能系統: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。

4、機器人操作機

工業機器人的機械結構部分稱為操作機。它由機座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。即由手臂機構和手腕機構組成。

5、工業機器人的發展過程

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。

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整的能力。目前已進入應用階段。

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;關節型。

7、操作機的主要技術指標

(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。

自由度是反映操作機的通用性和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: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。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。

7、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。

8、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。

9、工業機器人操作機構的設計

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,操作機個是由手臂機構、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

手臂機構一般為2~3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1~3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持續尺寸,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,先確定其類型和機構形式,并盡可能使其類型和機構形式,盡可能使其結構簡單、緊湊、重量輕,以減輕手臂的負載。


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