第1章机器人概论.ppt

1、机器人及其控制原理,机电工程学院机械与电子工程系,联系信息教师：祁广利单位：机电工程学院机电系办公室：2B-408电话： 13720590165E-mail：,第1章 机器人概论第2章 机器人运动学第3章 机器人动力学第4章 机器人控制技术,课 程 内 容,1.2 机器人的组成与分类,1.3 机器人的操作机,1.1 机器人的起源与发展,第1章 机器人概论,1.1 机器人的起源与发展,古代机器人,西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我

2、国劳动人民的聪明智慧。1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。,1.1 机器人的起源与发展,古代机器人,公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像，它可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶，并在大阪的道顿堀演出。 1738年，法国天才技师杰克戴瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水。1773年，瑞士的

3、钟表匠杰克道罗斯和他的儿子利路易道罗斯连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等，现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里制作于二百年前的少女玩偶，现在还定期演奏供参观者欣赏。,古代机器人,1.1 机器人的起源与发展,19世纪中叶自动玩偶分为2个流派，即科学幻想派和机械制作派，并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。 科学幻想派： 1831年歌德发表了浮士德，塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”；1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品葛蓓莉娅；1883年科洛迪的木偶奇遇记问世；1886年未来的夏娃问世。 机械制作派： 1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动

4、。,古代机器人,1.1 机器人的起源与发展,进入20世纪后，一些适用化的机器人相继问世。 1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。 随后第一台工业机器人（可编程、圆坐标）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。,现代机器人,现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。 自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。 另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代

5、替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。大批量工业化生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。,1.1 机器人的起源与发展,现代机器人,1.1 机器人的起源与发展,1954年，美国人George C. Devol 提出了第一个工业机器人方案并在1956年获得美国专利。1960年，Conder公司购买专利并制造了样机。1961年，Unimation公司（通用机械公司）成立，生产和销售了第一台工业机器“U

6、nimate”，即万能自动之意。1962年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取名“Versatran”，即多用途搬运之意，并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统。,现代机器人,1.1 机器人的起源与发展,1967年，Unimation公司第一台喷涂用机器人出口到日本川崎重工业公司。同年，日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），并召开了日本首届机器人学术会。1968年，第一台智能机器人Shakey在斯坦福研究所诞生。1970年在美国召开了第一届

7、国际工业机器人学术会议。此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1972年，IBM公司开发出直角坐标机器人。1973年，Cincinnati Milacron（辛辛那提米拉克隆）公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人T3型机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。,现代机器人,1.1 机器人的起源与发展,1978年，第一台PUMA机器人在Unimation公司诞生。1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。,现代

8、机器人,1.1 机器人的起源与发展,现在，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新活力。,现代机器人,1.1 机器人的起源与发展,20世纪6070年代是机

9、器技术获得巨大发展的阶段。日本、西欧各国、前苏联也相断引进或自行研制工业机器人。,20世纪80年代，机器人在发达国家的工业中大量普及应用，如焊接、喷漆、搬运、装配。并向各个领域拓展，如航天、水下、排险、核工业等，机器人的感知技术得到相应的发展，产生第二代机器人。,机器人发展历程：,20世纪90年代，机器人技术在发达国家应用更为广泛，如军用、医疗、服务、娱乐等领域，并开始向智能型（第三代）机器人发展。,现代机器人,1.1 机器人的起源与发展,随着机器人技术的发展形成了新学科 机器人学。建立了相应学术组织，定期举办学术活动。 国际会议：ISIP、IEEEIROS、ICR&A 等。 国际杂志： Ro

10、btics Research Robotica Robotics and Automation 等。,现代机器人,1.1 机器人的起源与发展,我国机器人技术起步于70年代末，一些院校和企业开始研制专用机械手。80年代初，开发小型的教育机器人。1985年哈工大研制出国内第一台弧焊机器人（华宇号）。,国家“863”计划把机器人技术作为重点发展技术来支持。建立了“机器人示范工程中心”和机器人国家开放实验室（沈阳自动化所、哈工大、合肥机械所、上海交大、南开大学）。,我国也建立了机器人学的学术组织，定期举办学术活动。 学术会议：每两年左右去办一次大型全国性会议。 学术刊物： 机器人 、机器人技术与应用

11、等。,1、机器人的定义,1.1 机器人的起源与发展,在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年，机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。,1、机器人的定义,1.1 机器人的起源与发展,1886年法国作家利尔亚当在他的小说未来夏娃中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：（1）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）

12、；（2）造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；（3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；（4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。,1、机器人的定义,1.1 机器人的起源与发展,1920年捷克剧作家KarelCapek（卡雷尔卡佩克）的剧本Rossums Universal Robota（罗萨姆的万能机器人）最早出现了“机器人”一词。 在剧本中，卡佩克把“Robota”写成了“Robot”，捷克语“Robota”是奴隶、仆人的意思。“Robot”被当成了机器人一词的起源。 该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛

13、关注。,1、机器人的定义,1.1 机器人的起源与发展,1950年，美国著名科幻小说家IsaacAsimov（伊塞克亚西莫夫）在他的小说我是个机器人中首次使用了“Robotics”一词，意思是研究机器人技术的一门学问，译作“机器人学”。他还提出了有名的“机器人三原则”： （1）机器人不可伤害人； （2）机器人必须服从人给它的与原则不矛盾的指令； （3）在与前两个原则不矛盾的情况下，机器人可维护自身不受伤害。 这三条原则，给机器人赋以新的社会伦理性，并使机器人的概念通俗化，更易于为人类社会所接受。至今，它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和机器人用户，提供了十分有意义的指导方针。,1、机器人的定义,

14、1.1 机器人的起源与发展,目前，对机器人的定义主要是指工业机器人：美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机（Manipulator）。美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。,1、机器人的定义,1.1 机器人的起源与发展,国际标准化组织(ISO)1987年对工业机器人的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。,日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作功能。,英国：貌似人的自动机，具有智力

15、的和顺从于人的但不具有人格的机器。,1、机器人的定义,1.1 机器人的起源与发展,在我国，国家标准GB/T12643-90对工业机器人的定义是：“工业机器人是一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。” 定义中的操作机是指“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。”,中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,最早的

16、工业机器人是应用在汽车制造业中，常用于焊接、喷漆、搬运和上下料。世界工业机器人应用领域如图：,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,2005年亚洲地区各主要行业对工业机器人需求比例图：,2、机器人的应用,2001-2005年欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有工业对工业机器人需求比例变化图：,1.1 机器人的起源与发展,2、机器人的应用,2004-2005年美洲地区各主要行业对工业机器人需求情况变化图：,1.1 机器人的起源与发展,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,工农业生产服务行业海空探索军事领域 仿人形机器人,随着机器人技术的发展，其应用领域也在不断的扩大，主要表现在

17、以下几个方面：,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,工业中的制造业是最先使用机器人的领域，如第一台机器人就配备在汽车生产线上。柔性制造系统FMS，它是由机器人和加工中心组成的一个自适应生产系统，是工厂自动化的最小构成单元。现在的机器人在工业上主要应用在汽车工业、机电工业、通用机械工业、建筑业、金属加工业、铸造业以及其它重型工业和轻工业领域。在农业方面，已经把机器人用于水果和蔬菜的嫁接、收获、检验与分类以及像喷洒农药、施肥、剪羊毛、挤牛奶等这样的工作上。,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与

18、发展,机器人在装配生产线上,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,搬运机器人工作视频,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,日本：稻田插秧机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,插秧机器人视频,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,树木护理机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,服务行业：服务行业应用的机器人是与人类最接近的机器人，是用来协助人或代替人去做一些日常生活的事情或与人类有密切关系的事情。例如家用机器人、医用机器人、导盲机器人、娱乐机器人等。,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展

19、,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,sony公司：AIBO机器狗,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,清洗墙壁的机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,做家务的机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,跳舞的机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,海空探索：机器人除了在工农业、服务行业上广泛应用外，还用于进行海空探索，即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性、有毒或高温等环境中进行作业。,“探索者号”水下机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,火星探测机器人,2、机器人的应用,1

20、.1 机器人的起源与发展,火星探测机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,微型无人机,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,军事领域：同任何其它先进技术一样，机器人技术也可用于军事目的。开发最早，应用也较为普遍的是地面军用机器人，海洋军用机器人和太空军用机器人近年来也得到了极大的发展。,地面军用机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,防爆、侦查机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,各种军事机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,军用运输机器人,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与

21、发展,仿人形机器人：仿人形机器人是指具有人类外观特征、可模拟人类行走与其基本操作功能的机器人。,1997年中国国务院总理李鹏前往日本本田公司总部参观时，机器人P3接待了李鹏总理。,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,SONY公司的QRIO机器人。,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,长沙国防科技大学研制成功了先行者人形机器人。,2、机器人的应用,1.1 机器人的起源与发展,北京航空航天大学研制成的多指灵巧手。,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,操作机驱动装置控制系统,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,操作机：它是机器人的机械本体，它具有和人手臂相似的

22、功能，是可在空间产生动作或进行其他操作的机械装置。,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,机器人的操作机就是通过活动关节（转动关节或移动关节）连接在一起的空间开链机构，主要由手部、腕部、臂部和机座构成。,1-手部 2-腕部 3-臂部 4-机座,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,驱动装置：是用来驱动机器人的操作机工作的动力装置。根据动力源不同分为电动、液动和气动驱动器三种，其对应的执行元件通过传动机构与机器人操作机的各个活动关节相连。,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,电动驱动器是利用电能来实现旋转运动的驱动器，常见主要有： 步进电机（stepping motor

23、) 直流（DC）伺服电机 交流（AC）伺服电机 直接驱动（Direct Drive）电机,转动型DD电机 直线型DD电机 平面型DD电机,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,液动驱动器主要由液压源、驱动器、伺服阀、传感器、控制器等构成。液压传动的特点是转矩与惯性比大，单位重量的输出功率高。,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,气动驱动器由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,控制系统：是控制机器人按要求动作的装置。控制系统的作用是根据用户的指令对机器人操作机进行操作和控制，完成作业的各种动作。现在的机器人都采

24、用计算机两级伺服控制。,1、机器人的组成,1.2 机器人的组成与分类,机器人的控制系统主要是由控制器（处理器）、传感器、控制软件等构成。 硬件包括控制器、传感器。 软件包括编制的各种控制算法的程序。,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,第一代机器人可以追溯到70年代，那时的机器人是由固定的、非程序控制的、无感应器的电子机械设备，主要以示教再现方式工作,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,第二代机器人诞生于80年代，内置了感应器和由程序控制的控制器，通过反馈控制，使机器人能在一定程度上适应环境的变化。,2、机器人的分类,1.2 机

25、器人的组成与分类,第三代机器人即智能机器人。这种机器人带有多种传感器，可以进行复杂的逻辑推理、判断及决策。在作业环境中能自我决策，独立工作，目前还处于实验阶段。,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,直角坐标式 直角坐标形式的机器人手臂是通过沿x-y-z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现手部空间位置的改变。（PPP）,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,圆柱坐标式 圆柱坐标形式的机器人手臂是通过一个转动和两个移动来实现手部空间位置的改变。（RPP）,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,球坐标式 球坐标式又称为极坐标式，这种坐标形式的机器人手臂是通过两个转动和一个移动

26、来实现手部空间位置的改变。（RRP）,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,关节坐标式 关节坐标式又称回转坐标式，机器人手部空间位置的改变是通过手臂的三个转动来实现的，又分为垂直关节坐标和水平（平面）关节坐标式。（RRR）,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,2、机器人的分类,1.2 机器人的组成与分类,点位控制（PTP，Point to Point） 采用点位控制时，只要求机器人的手部处于正确的空间目标点上，而不管从一目标点到另一目标点的移动路径。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊、卸运及在电路板上插接元器件等工作。连续轨迹控

27、制（CP，Continuous Path） 连续轨迹控制方式不仅要求机器人手部要以一定的精度到达空间目标点处，而且对运动的轨迹也有一定的精度要求。这种控制方式常用于电弧焊、喷漆等工作。,1.3 机器人的操作机,机器人的操作机就是通过活动关节（转动关节或移动关节）连接在一起的空间开链机构，主要由手部、腕部、臂部和机座构成。,1-手部 2-腕部 3-臂部 4-机座,1.3 机器人的操作机,手部的作用与分类换接器,1、手部,1.3 机器人的操作机,1、手部,手部的作用与分类 作用：机器人的手部又称为末端执行器，它是机器人 直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或操持专 用工具（如喷枪、扳手、砂轮、焊枪等）

28、进行 操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并 安装于机器人手臂的最前端。 分类： 机械夹持式手 吸附式手 专用手 灵巧手,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（1）组成 机械夹持式手由手指（或手爪）、传动机构、驱动机构及连接与支承元件组成，它通过手指的开、合动作实现对物体的夹持操作。,1-手指 2-传动机构 3-驱动机构 4-支承元件 5-工件,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（1）组成 有时，手指的形状与表面形式取决于工件及操作要求。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（2）分类 按手爪的运动方式分为回转型和平移型。 按夹持工件的方式分为外夹式和内撑式。

29、 按驱动方式分为电动、液动、气动和弹性力驱动。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 弹性力手 弹性力手的特点是其夹持工件的抓力是由弹性元件提供的，不需要专门的驱动装置，在抓取工件时需要一定的压入力，而在取下时，则需要一定的拉力。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 回转型手 楔块杠杆式 楔块杠杆式回转型手当驱动器推动楔块前进时，通过楔块的斜面与杠杆作用，使手爪产生夹紧动作和夹紧力，当楔块后退时，靠弹簧的拉力使手爪松开。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 回转型手 滑槽杠杆式 滑槽杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆向上

30、运动时，圆柱销在两杠杆的滑槽中移动，迫使与支架相铰接的手爪产生夹紧动作和夹紧力，当中心杆向下运动时，手抓松开。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 回转型手 c.连杆杠杆式 连杆杠杆式回转型手当驱动器推动中心杆上下运动时，由中心杆、连杆、手爪和支架就构成四杆机构，从而迫使手爪完成夹紧和松开动作。 注意：当中心杆向下运动，两个连杆处于一条水平线时，手爪已闭合到最小极限位置，当中心杆继续向下运动时，手爪不但不会闭合的更紧，反而会松开。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 回转型手 d.齿轮齿条式 齿轮齿条式回转型手中心杆的端部两侧有齿条，与固定在

31、手爪上的齿轮相啮合，当中心杆上下运动时，在齿轮齿条的啮合作用下就带动两个手爪回转从而产生夹紧和松开动作。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 回转型手 自重杠杆式 自重杠杆式回转型手手爪的开合是由铰接活塞油缸实现的。当手爪闭合抓住工件时，由于工件对手爪的作用力方向位于手爪回转轴垂直线的外侧，所以手爪的夹紧是由工件自重产生的，工件越重，夹紧力越大。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 平移型手 平移型手的特点是两个手爪做相对的往复平移运动，从而实现对工件的夹紧和松开动作，它分为： 直线式 圆弧式,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（

32、3）典型结构 平移型手（直线式）a.齿轮齿条式 齿轮齿条式平移型手两个手爪上都有齿条与过渡齿轮啮合。当拉动一个手爪时，另一个手爪就反向运动，如此反复运动，即可完成手爪的夹紧与松开动作，也可使过渡齿轮正、反旋转来完成手爪的夹紧与松开动作。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 平移型手（直线式）b.螺母丝杠式 螺母丝杠式平移型手螺杆分成左右两段，其上螺纹旋向相反，两手爪上有与其配合的螺纹孔（即为螺母）。当螺杆正、反旋转时，两手爪就产生相对平移运动，从而实现加紧和松开动作。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 平移型手（直线式）c.凸轮式 凸轮式平

33、移型手在与手爪连接的滑块上有导向槽和凸轮槽。当中心杆上下运动时，通过滚子对凸轮槽的作用使滑块沿导向滚子做相对平移运动，从而实现手爪的夹紧和松开动作。,1.3 机器人的操作机,1、手部,机械夹持式手（3）典型结构 平移型手（圆弧式）d.平行连杆式 平行连杆式平移型手属于圆弧式平移型式手，其原理是采用平行四边形平动机构，使手爪在加紧和松开的过程中保持方向不变，从而实现平行移动，但手爪上任一点的运动轨迹为圆弧摆动。 注意：这种手爪在夹持工件的瞬时，对工件表面有一个切向分力。,1.3 机器人的操作机,1、手部,吸附式手 吸附式手靠吸附力抓取工件，特别适用于大平面（单面接触无法抓取）、易碎（玻璃制品）、

34、微小（不易抓取）的工件或物体，与机械夹持式手相比，具有结构简单、重量轻、抓取力分布均匀的优点，适用面较广。 根据吸附力的产生方法不同，将其分为：气吸式磁吸式,1.3 机器人的操作机,1、手部,吸附式手（1）气吸式 气吸式手是利用吸盘内的压力与外界大气压之间形成的压力差来工作的。 根据压力差形成的原理不同，可分为： 挤压排气式 气流负压式 真空抽气式,1.3 机器人的操作机,1、手部,吸附式手（1）气吸式挤压排气式 挤压排气式吸附式手当抓取工件时，橡胶吸盘压紧工件从而发生变形，挤出腔内多余的空气，当手上升时，靠橡胶吸盘的恢复力是其腔内与外界气压之间形成负压，从而将工件吸住。释放工件时，压下拉杆，

35、使吸盘腔与大气相连通而失去负压。挤压排气式吸附式手结构简单，但吸附力有限，吸附状态不易长期保持。,1.3 机器人的操作机,1、手部,吸附式手（1）气吸式气流负压式 气流负压式吸附式手利用流体力学中射流的原理，当需要抓取工件时，高速高压空气流经喷嘴时，其出口处的气压低于吸盘腔内的气压，于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压，由此产生吸力，完成抓取工件的动作，当需要释放工件时，切断高速高压空气即可。气流负压式吸附式手容易取得高速高压空气，故成本低，且吸附可靠，控制简单。,1.3 机器人的操作机,1、手部,吸附式手（1）气吸式气流负压式 真空抽气式吸附式手其真空是由真空泵抽气产生的，真空度较高，所以

36、吸附力最大。当需要抓取工件时，碟形橡胶吸盘与工件表面接触，然后真空泵抽气，吸盘腔内形成真空，产生吸力，从而完成抓取工件动作，当需要释放工件时，管路接通大气，吸盘腔内失去真空即可。真空抽气式吸附式手工作可靠，吸附力大，但需要真空系统，成本较高。,1.3 机器人的操作机,1、手部,吸附式手（2）磁吸式 磁吸式手是利用磁场产生的磁吸力来抓取工件的，因此只能对铁磁性工件起作用（钢、铁等材料在温度超过723时就会失去磁性），另外，对不允许有剩磁的工件要禁止使用，所以磁吸式手的使用有一定的局限性。 根据磁场产生的方法不同，磁吸式手可分为： 永磁式 励磁式,1.3 机器人的操作机,1、手部,吸附式手（2）磁

37、吸式永磁式 永磁式磁吸式手是利用永久磁铁的磁吸力来工作的，通过移动隔磁物体来通断吸盘内的磁力线回路，从而达到吸住和释放工件的目的（也可用外力强迫取下工件）。它具有不需电源，结构简单，安全可靠等优点。缺点是长时间使用后会出现磁吸力减弱的现象，而且对同样重量的吸盘来讲，其吸力不及励磁式。,吸附式手（2）磁吸式励磁式 励磁式磁吸式手是用接通和切断电磁线圈中的电流（直流或交流），产生和消除磁吸力的方法来吸住和释放工件的，当衔铁接触铁磁性工件时，工件被磁化形成磁力线回路并受到电磁吸力而被吸住。,1.3 机器人的操作机,1、手部,专用手 机器人的专用手是指用来完成某一特定操作的、具有特殊功能的末端执行器，

38、其实质就是各种各样的专用工具，例如焊接机器人的焊枪、喷涂机器人的喷枪等。 目前常用的机器人专用手有焊枪、喷枪、砂轮、拧螺母机、激光切割机等。,1.3 机器人的操作机,1、手部,灵巧手 机器人的灵巧手是为了适应被抓取工件的不规则外形变化，并可使工件表面承受到比较均匀的抓取力。机器人常用的灵巧手有柔性手和多指灵巧手。柔性手,1.3 机器人的操作机,1、手部,灵巧手多指灵巧手手,1.3 机器人的操作机,1、手部,1.3 机器人的操作机,1、手部,换接器 换接器一般由两部分组成：换接器插座换接器插头 它们分别装在机器人的手部和机器人的腕部，能够使机器人快速自动的更换手部。,1.3 机器人的操作机,2、

39、腕部,腕部的作用与自由度腕部的典型结构柔顺腕部结构,1.3 机器人的操作机,2、腕部,腕部的作用与自由度,作用：改变或调整机器人手部在空间的姿态 (方向)，并连接机器人的手部和臂部。自由度： 分别为回转（x） 俯仰（y） 偏摆（z） 由三个回转关节组合而成。,1.3 机器人的操作机,2、腕部,腕部的典型结构,液压摆动缸,1.3 机器人的操作机,2、腕部,腕部的典型结构,轮系机构-2自由度（诱导运动）,1.3 机器人的操作机,2、腕部,腕部的典型结构,轮系机构-2自由度（差动式）,1.3 机器人的操作机,2、腕部,腕部的典型结构,轮系机构-3自由度（正交）,1.3 机器人的操作机,2、腕部,腕部

40、的典型结构,轮系机构-3自由度（正交）,1.3 机器人的操作机,2、腕部,腕部的典型结构,轮系机构 -3自由度（斜交）,1.3 机器人的操作机,2、腕部,柔顺腕部结构,作用：消除机器人在进行装配作业时的装配误差。装配误差：角度误差 位置误差,1.3 机器人的操作机,2、腕部,柔顺腕部结构,解决办法 主动柔顺 边检测，边修正。,1.3 机器人的操作机,2、腕部,柔顺腕部结构,解决办法 被动柔顺 角度误差回转运动 -回转机构 位置误差平移运动 -平移机构,1.3 机器人的操作机,2、腕部,柔顺腕部结构,解决办法 被动柔顺典型结构,1.3 机器人的操作机,3、臂部,臂部的作用与关节类型 臂部的平移运

41、动机构 臂部的回转运动机构,1.3 机器人的操作机,3、臂部,臂部的作用与关节类型,作用：改变机器人手在空间的位置，并连接腕与机座。关节类型：平移关节和回转关节。,1.3 机器人的操作机,3、臂部,臂部的平移运动机构,机器人臂部的伸缩、升降和纵（横）向的移动均属于平移运动，其实现的机构有： （1）活塞油缸、活塞气缸 （2）齿轮齿条机构 （3）丝杠螺母机构 （4）曲柄滑块机构 （5）凸轮机构,1.3 机器人的操作机,3、臂部,臂部的平移运动机构,机器人臂部回转运动常用的典型机构有： （1）油（气）马达、摆动缸 （2）各种轮系机构 （3）齿条齿轮机构 （4）滑块曲柄机构 （5）活塞缸加连杆机构 （

42、机器人臂部的俯仰运动）,1.3 机器人的操作机,4、机座,机座的作用与分类 固定式机座 移动式机座,1.3 机器人的操作机,4、机座,机座的作用与分类,作用：支承着机器人自身重量及作业时的负载。 分类：固定式和移动式,1.3 机器人的操作机,4、机座,机座的作用与分类,固定式,固定式机座一般直接联接在地面基础上，或与机身固定在一起，它通过活动关节与机器人臂部相连。,1.3 机器人的操作机,4、机座,机座的作用与分类,移动式,机器人的移动式机座是一个由驱动装置、传动机构和检测元件等组成可以移动的平台。按其运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式；按其运动实现的方式可分为轮式、履带式和行走式。,1.

43、3 机器人的操作机,操作机机构简图,机器人的机构运动简图是为了用简洁的线条和符号来表达机器人的各种运动及结构特征。在国标GB/T12643-90中规定了机器人有关的各种运动功能的图形符号。,1.3 机器人的操作机,操作机机构简图,1.3 机器人的操作机,操作机自由度,机器人的自由度是指确定机器人手在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目。 机器人的自由度数等于关节数目。,1.3 机器人的操作机,操作机自由度,机器人常用的自由度数一般不超过56个。 注意：机器人手部的夹持动作不计入机器人的自由度数，因为这个动作并没有改变机器人手部在空间的位置和姿态。 机器人的每一个自由度（活动关节）都需要相应的配置一个原动件（如各种电机、油缸、气缸等驱动装置），这样才能使机器人手部在空间具有确定的运动。,1.3 机器人的操作机,操作机工作空间,机器人的工作空间是指机器人手部在空间所能达到的最大范围，其形状取决于机器人的自由度数和各运动关节的类型与配置。 机器人的工作空间表示法：图解法、解析法。,1.3 机器人的操作机,操作机工作空间,典型坐标型机器人工作空间：,第1章完！,