第二章 机器人结构

§2.3机器人的机械结构与运动
一、机器人机械结构的组成 1. 手 部 2. 手 腕
3. 臂 部
4. 机 身
一、机器人机械结构的组成
１．手部
机器人为了进行作业，在手腕上配置了操作机构，有时也称为 手爪或末端操作器． ２．手腕 联接手部和手臂的部分，主要作用是改变手部的空间方向和将 作业载荷传递到手臂． ３．臂部
图2-4给出了分辨率精 度和重复精度的关系。 工业机器人的精度、重 复精度和分辨率要求是根据 其使用要求确定的。机器人 本身所能达到的精度取决于 机器人结构的刚度、运动速 度控制和驱动方式、定位和 缓冲等因素。 由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因 此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般难测定，通常工业机 器人只给出重复精度。
机座式：机身设计成机 座式，这种机器人可以 是独立的、自成系统的 完整装置，可以随意安 放和搬动。也可以具有 行走机构，如沿地面上 的专用轨道移动，以扩 大其活动范围。各种运 动形式均可设计成机座 式。
３．机身和臂部的配置形式
圆柱坐标型机器人的结构 如右图所示，R、θ 和x为 坐标系的三个坐标，其中R、 是手臂的径向长度，θ是手 臂的角位置，x是垂直方向 上手臂的位置。如果机器 人手臂的径向坐标R保持 不变，机器人手臂的运动 将形成一个圆柱表面。
２、按机器人结构坐标系特点方式分类
(3) 极坐标型机器人
极坐标型机器人又称为球 坐标型机器人，其结构如 右图所示，R， θ和β为坐 标系的坐标。其中θ是绕 手臂支撑底座垂直的转动 角， β是手臂在铅垂面内 的摆动角。这种机器人运 动所形成的轨迹表面是半 球面。
２．臂部结构
根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装 置的不同可分为：
１）伸缩型臂部结构
２）转动伸缩型臂部结构
３）驱伸型臂部结构
４）其他专用的机械传动臂部结构
３．机身和臂部的配置形式
机身和臂部的配置形式基本上反映了机器 人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作 对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了 各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种 形式：
４．工作载荷
机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承 受的最大负载量(包括手部)。用质量、力矩、惯性矩 来表示。
负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和 力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由 运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般低 速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速 运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。
３．机身和臂部的配置形式
立柱式：立柱式机器人多采用回转型、俯仰型或屈伸型的运动 型式，是一种常见的配置形式。一般臂部都可在水平面内回转， 具有占地面积小而工作范围大的特点。立柱可固定安装在空地 上，也可以固定在床身上。立主式结构简单，服务于某种主机， 承担上、下料或转运等工作。
３．机身和臂部的配置形式
右表 总结 了不 同坐 标结 构机 器人 的特 点。
３、机器人常见的图形符号
３、机器人常见的图形符号
３、机器人常见的图形符号
§2.2 机器人的主要技术参数
１．自由度 ２．工作空间 ３．工作速度 ４．工作载荷 ５．控制方式 ６．驱动方式
７．精度、重复精度和分辨率
１．自由度
自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机 器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的 直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作 不包括在内。 机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能， 通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器 人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。 工业机器人一般多为４～６个自由度，７个以上的 自由度是冗余自由度，是用来避障碍物的。
２、按机器人结构坐标系特点方式分类 (1) (2) 直角坐标机器人； 圆柱坐标型机器人；
(3)
(4)
极坐标机器人；
多关节机器人。
２、按机器人结构坐标系特点方式分类
(1) 直角坐标系机器人
直角坐标型机 器人结构如图 所示，它在 x,y,z轴上的运 动是独立的。
２、按机器人结构坐标系特点方式分类 (2) 圆柱坐标机器人
第二章 机器人结构
§2.1机器人的组成和分类
一、机器人的组成 (1) 机械部分； (2) 传感器(一个或多个)； (3) 控制器； (4) 驱动源。
第二章 机器人结构
二、机器人的分类 １、按机器人的控制方式分类 ２、按机器人结构坐标系特点方式分类
３、机器人常见的图形符号
１、按机器人的控制方式分类
７．精度、重复精度和分辨率
表2-3为不同作业机器人要求的重复精度。
７．精度、重复精度和分辨率
图2-5为一台持重 30Kg,供搬运、 检测、装配用的 圆柱坐标型工业 机器人，这台机 器人的主要技术 指标如下页：
７．精度、重复精度和分辨率
自由度：如图a所示，共有三个基本关节1,2,3和两 个选用关节4,5； 工作范围：见图b所示意； 关节移动范围及速度： A1 3000 2.10r/s A2 500mm 600mm/s A3 500mm 1200mm/s A4 3600 2.10r/s A5 1900 1.05r/s 重复定位误差 +/-0.05mm 控制方式：五轴同时可控，点位控制； 持重（最大伸长、最高速度下）：30kg 驱动方式：三个基本关节由交流伺服电动机驱动， 并采用增量式角位移检测装置。
(2)径向移动
(3)回转运动
(3)手腕侧摆
三、机身和臂部机构
１．机身结构
机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部 件。它是由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及 有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动 型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动 装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有 很大差异。 一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等 运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运 动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固 定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行 走的机构，可沿地面或架空轨道运行。
（１）横梁式 （２）立柱式 （３）机座式 （４）驱伸式
３．机身和臂部的配置形式
横梁式：机身设计成横梁式，用于悬挂手臂部件，这类机器人 的运动形式大多为移动式。它具有占地面积小，能有效利用空 间，直观等优点。横梁可设计成固定的或行走的，一般横梁安 装在厂房原有建筑的柱梁或有关设备上，也可从地面架设。
２、按机器人结构坐标系特点方式分类 (4) 多关节机器人
如右图所示，它是以其各相邻 运动部件之间的相对角位移作 为坐标系的。θ 、α和Φ 为坐 标系的坐标，其中θ是绕底座 铅垂轴的转角， Φ是过底座的 水平线与第一臂之间的夹角， α是第二臂相对于第一臂的转 角。这种机器人手臂可以达到 球形体积内绝大部分位置，所 能达到区域的形状取决于两个 臂的长度比例。
１、按机器人的控制方式分类
(2) 伺服控制机器人
伺服控制机器人比非伺服机器人有更强的工作能 力。伺服系统的被控量可为机器人手部执行装置 的位置、速度、加速度和力等。通过传感器取得 反馈信号与来自给定装置的综合信号，用比较器 加以比较后，得到误差信号，经过放大后用以激 发机器人的驱动装置，进而带动手部执行装置以 一定规律运动，到达规定的位置或速度等，这是 一个反馈控制系统。
１、按机器人的控制方式分类
伺服控制机器人分为：
(1)点位伺服控制；
(2)连续轨迹伺服控制。
１、按机器人的控制方式分类
点位伺服控制机器人的受控运动方式为从一 个点位目标移向另一个点位目标，只在目标 点上完成操作。机器人可以以最快的和最直 接的路径从一个端点移到另一端点。通常， 点位伺服控制机器人能用于只有终端位置是 重要而对编程点之间的路径和速度不做主要 考虑的场合。点位控制主要用于点焊、搬运 机器人。
联接机身和手腕的部分，主要作用是改变手部的空间位置，满 足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到机座．
４．机身
机器人的基础部分，起支承作用．对固定式机器人，直接联接 在地面基础上，对移动式机器人，则安装在移动机构上．
二、机器人机构的运动
１．手臂的运动 (1)垂直移动 ２．手腕的运动
(1)手腕旋转
(2)手腕弯曲
７．精度、重复精度和分辨率 分辨率：指机器人每根轴能够实现的最小移动 距离或最小转动角度。精度和分辨率不一定相 关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动 位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位 置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运 动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。
７．精度、重复精度和分辨率
１、按机器人的控制方式分类
连续轨迹伺服控制机器人能够平滑地跟随某 个规定的路径，其轨迹往往是某条不在预编 程端点停留的曲线路径。连续轨迹伺服控制 机器人具有良好的控制和运行特性，由于数 据是依时间采样的，而不是依预先规定的空 间采样，因此机器人的运行速度较快、功率 较小、负载能力也较小。连续轨迹伺服控制 机器人主要用于弧焊、喷涂、打飞边毛刺和 检测机器人。
目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大， 最大可大9KN。
５．控制方式
机器人用于控制轴的方式，是伺服还 是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹 还是点到点的运动。
６．驱动方式
驱动方式是指关节执行器的动力源形 式。
７．精度、重复精度和分辨率
精度：一个位置相对于其参照系的绝对度量，指机 器人手部实际到达位置与所需要到达的理想位置之 间的差距。 重复精度：在相同的运动位置命令下，机器人连续 若干次运动轨迹之间的误差度量。如果机器人重复 执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同， 而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而 变化的幅度代表重复精度。
按照机器人的控制类型和结机器人；
(2)
伺服控制机器人。
１、按机器人的控制方式分类