《機器人技術基礎》Chpt

機電工程學院第二章機器人機構學14/33邏輯功能組成執行系統驅動系統控制系統人-機接口傳感系統環境四個子系統和一個界面本章只考慮機械系統（執行和驅動子系統）組成部分：機座－(腰關節)-腰部－(肩關節)-大臂－(肘關節)-小臂－

(腕關節)-腕部－(腕關節)-末端執行器機電工程學院機械結構第二章機器人機構學驅動方式

各運動部件（移動機構、關節和執行器等）的動力來源和方式，使各種機械部件產生運動的裝置。電機驅動(電動)直流伺服電機：交流伺服電機力矩電機步進電機機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的驅動方式電機驅動(電動)

普通交直流電機和伺服電機驅動需要減速裝置(減速增力)。普通交直流電機輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型低精度機器人。伺服電機輸出力矩相對小，控制性能好，一般用于閉環控制系統，可實現速度和位置的精確控制，常用于中小型機器人。步進電機則主要用于開環控制系統，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。功率在1kw以下的機器人多采用電機驅動。電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，驅動性能也逐漸提高。所以目前機器人關節驅動絕大部分為電機驅動。機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的驅動方式液壓驅動(液動)組成：液壓泵馬達＋液壓缸＋液壓閥＋油管（傳遞介質一般是油）液壓驅動有以下幾個優點：液壓容易達到較高的單位面積壓力(常用油壓為25～63kg/cm2)，體積較小,可以獲得較大的推力或轉矩；響應性能好，液壓系統介質的可壓縮性小，工作平穩可靠，并可得到較高的位置精度；液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現自動控制；采用油液作介質，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。

液壓驅動的輸出力和功率較大，能構成伺服機構，故常用于大型機器人關節的驅動。機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的驅動方式液壓驅動(液動)液壓驅動的不足之處包括：油液的粘度隨溫度而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質量，故造價較高；液壓驅動有一定的噪音，加上泄漏，造成環境污染；需要相應的供油系統，尤其是電液伺服系統要求嚴格的濾油裝置，否則會引起故障；機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的驅動方式氣壓驅動(氣動)組成：氣泵＋氣缸＋氣閥＋氣管（傳遞介質為空氣）氣壓驅動的特點：壓縮空氣粘度小，容易達到高速(1m/s)；利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣時不需要添加動力設備；空氣介質對環境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業；氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。氣動多用于開關控制、末端執行器驅動和順序控制的機器人中。

機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的驅動方式氣壓驅動(氣動)其不足之處在于：壓縮空氣常用壓力為4～6kg/cm2，較大的出力要求結構相對增大；空氣壓縮性大，工作平穩性差，速度控制和準確的位置控制很困難；壓縮空氣的除水是一個很重要的問題，處理不當會使鋼類零件生繡，導致機器人失靈；排氣還會造成噪聲污染。機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的驅動方式：比較驅動方式輸出力控制性能維修使用結構體積使用范圍制造成本液壓驅動壓力高，可獲得大的輸出力油液不可壓縮，壓力、流量均容易控制，可無級調速，反應靈敏，可實現連續軌跡控制維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火。在輸出力相同的情況下，體積比氣壓驅動方式小中小型及重型機器人液壓元件成本較高，油路比較復雜氣壓驅動氣壓壓力低，輸出力較小，如需要輸出力大時，其結構尺寸過大可高速，沖擊較嚴重，定位精度低。氣體壓縮性大，阻尼效果差，低速不易控制，不易與CPU連接維修簡單，能在高溫、粉塵等惡劣環境中使用，泄漏無影響。體積較大中小型機器人結構簡單，能源方便，成本低電機驅動異步電機直流電機輸出力較大控制性能較差，慣性大，不易精確定位維修使用方便需要減速裝置，體積較大速度低，持重大的機器人成本低步進電機伺服電機輸出力較小或較大容易與CPU連接，控制性能好，響應快，可精確定位，但控制系統復雜維修使用較復雜體積效小程序復雜、運動軌跡要求嚴格的機器人成本較高機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的傳動方式直線移動應用場合：直角坐標結構的X、Y、Z軸運動圓柱坐標結構的徑向運動球坐標結構的徑向伸縮運動SCARA機器人末端關節的升降輸出運動有兩種：直線移動、旋轉運動實現方式：直接由氣缸或液壓缸和活塞產生也可以采用齒輪齒條、絲杠或螺母等傳動方式把旋轉運動進行轉換直線電機直接輸出機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的傳動方式旋轉運動除直線電機外，所有的電機都直接產生旋轉運動。但其輸出力矩往往比所需要的力矩小，額定轉速所需要的轉速高。因此，需要采用各種傳動裝置把較高的轉速轉換成較低的轉速，并獲得較大的力矩（減速增力）。有時也采用直線液壓缸或直線氣缸作為動力源，這就需要把直線運動轉換成旋轉運動。這種運動的傳遞和轉換必須高效率地完成，并且不能有損于機器人系統所需要的特性，特別是定位精度、重復精度和可靠性。運動的傳遞和轉換可以選擇齒輪傳動、鏈傳動、同步齒形帶傳動和諧波減速器等傳動方式。機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的傳動方式：比較傳動方式簡圖特點運動形式傳動距離應用部位絲桿螺母傳動比大，摩擦大，磨損大轉移遠臂、腕、手爪滾珠絲桿傳動比大，精度高，可靠性高，價格高轉移遠臂、腕、手爪齒輪齒條精度高，可靠性高，價格低轉移遠臂、手爪液壓氣缸輸出力大、響應快，有噪音、易泄漏移移遠臂、腕、手爪機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的傳動方式：比較傳動方式簡圖特點運動形式傳動距離應用部位四桿機構傳動可靠，結構簡單但不緊湊轉轉轉移遠臂、手爪曲柄滑塊機構傳動效率和平穩性不高，結構不緊湊轉移遠臂、手爪鋼絲繩傳動結構簡單，遠程傳動好，有摩擦非線性，難精確轉轉轉移很遠臂、腕爪、多指手、醫療鏈傳動結構簡單，遠程傳動好，平穩性不佳，難精確轉轉很遠腕、移動關節機電工程學院第二章機器人機構學14/33機器人的傳動方式：比較傳動方式簡圖特點運動形式傳動距離應用部位同步齒形帶傳動傳動可靠，結構簡單輕巧轉轉轉移很遠臂、碗齒輪傳動傳動可靠，平穩性好，但間隙難消轉移近臂、碗手爪蝸輪蝸桿傳動傳動比大，可改變傳動方向，摩擦磨損大轉轉近臂、腕手爪、諧波傳動傳動比很大，效率高，結構緊湊，但價格高轉轉近畢、腕類型DoF剛性關節柔性關節符號移動(滑動)1轉動(旋轉)1螺旋1圓柱2虎克鉸2球面關節3機電工程學院機器人的關節形式第二章機器人機構學直角坐標

直角坐標~

圓柱坐標~串聯~

球面坐標~SCARA~

關節坐標~并聯~圓柱坐標機電工程學院機器人的構型（工業機器人）第二章機器人機構學球面坐標機電工程學院機器人的構型（工業機器人）第二章機器人機構學關節坐標Stewart機構SCARA機電工程學院機器人的構型（工業機器人）第二章機器人機構學并聯機器人Delta機構構型固定→可重構（人工重構、自重構）機電工程學院機器人的構型（模塊化）第二章機器人機構學由有限的幾種模塊構建多種機器人系統機電工程學院機器人的構型（模塊化）第二章機器人機構學機電工程學院主要技術參數第二章機器人機構學自由度對串聯機器人而言，DOF＝關節的數目（不計末端執行器部分，若有閉鏈，需去掉閉鏈部分）

對并聯機器人而言，DOF＝動平臺的自由度,需計算一般，DOF＝2～6冗余度機器人，DOF≥７，平面冗余DOF≥4一般機器人，DOF＝5～6，SCARADOF＝4機電工程學院主要技術參數第二章機器人機構學工作空間機器人運動時末端參考點（通常為腕點，或機械接口中心／工具中心點）所能達到的所有空間區域，又稱可達空間或工作范圍。

工作空間的大小取決于機器人的總體構型、各連桿的長度、各關節的運動范圍等因素。負載（承載能力）通常指機器人在正常運行速度下所能承載工件的重量，體現機器人承載重物的能力。負載大小取決于機器人的連桿的尺寸大小和驅動器的容量等因素，與機器人運行速度有關。

作用在驅動系統上的載荷與機器人的結構、乘載時間和有慣性引起的動載有關。機電工程學院主要技術參數第二章機器人機構學速度一般指機器人在空載情況下末端能達到的最大線速度(m/s)，相關的是單個關節能達到的最大角速度(rad/s)。速度越大意味著生產效率越高。在某些作業中，工藝過程(例如焊接、噴涂、拋光、打磨)而非機器人本身限制速度的提高精度定位精度：在空載情況下末端實際達到的位置與要求到達的理想位置之間的差距，是一個位置量相對于其參考坐標系的絕對度量(±mm)。重復(定位)精度：在相同的運動指令下，機器人連續重復運動到測量點若干次