第4章机器人驱动系统
第4章机器人驱动系统
第4章 机器人的驱动系统
机器人的驱动方式 4.2 液压驱动系统 4.3 气压驱动系统 4.4 电气驱动系统 4.5 新型驱动器
4.1
4.1 机器人的驱动方式
4.1.1 概述
液压驱动的特点及应用
优点: 1）液压容易达到较高的单 位面积压力（常用油压为25～ 63kg/cm2),体积较小，可以获 得较大的推力或转矩。 2）液压系统介质的可压缩 性小，工作平稳可靠，并可得 到较高的位置精度。 3）液压传动中，力、速度 和方向比较容易实现自动控制。 4）液压系统采用油液作介 质，具有防锈性和自润滑性能， 可以提高机械效率，使用寿命 长。 不足之处: 1）油液的粘度随温度 变化而变化，影响工 作性能，高温容易引 起燃烧爆炸等危险。 2）液体的泄漏难于克 服，要求液压元件有 较高的精度和质量， 故造价较高。 3）需要相应的供油系 统，尤其是电液伺服 系统要求严格的滤油 装置，否则会引起故 障。 应用: 液压驱动方式的 输出力和功率更大， 能构成伺服机构， 常用于大型机器人 关节的驱动
应用:
电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性 能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动 逐渐为电动式所代替 。
几种驱动方式的比较
液压驱动 输出功率 很大，压力范围为50～140N/cm2 气动驱动 大，压力范围为48～60N/cm2，最大 可达100N/cm2 气体压缩性大，精度低，阻尼效果 差，低速不易控制，难以实现高速、 高精度的连续轨迹控制 较高 结构适当，执行机构可标准化、模 拟化，易实现直接驱动。功率/质量比 大，体积小，结构紧凑，密封问题较 小 电动驱动 较大
第四章 机器人的驱动与传动装置
步进电机
步进电机驱动放大器
14
15
4.5 其它驱动器
作为特殊的驱动装置，有压电晶体、形状记忆合金等
压电微驱动并联机器人
形状记忆合金驱动机器人手
16
4.6 驱动器的选择及安装
1．驱动器的选择
驱动器的选择应以作业要求、生产环境为先决条件， 以价格高低、技术水平为评价标准。
一般说来，目前负荷为100 kg以下的,可优先考虑电 动驱动器，并根据机器人的用途选择合适的电机。
只须点位控制且功率较小者，或有防暴、清洁等特殊 要求者，可采用气动驱动器。
负荷较大或机器人周围已有液压源的场合，可采用液 压驱动器。
对于驱动器来说，最重要的是要求起动力矩大，调 速范围宽，惯量小，尺寸小，同时还要有性能好的、与 之配套的数字控制系统。
17
2．驱动器的安装 底座安装——较大体积的驱动器。 法兰安装——中小型驱动器。 卡箍安装——微小型驱动器。 临时安装——微小型驱动器。
第四章 机器人的驱动装置及选择
4.1 机器人驱动装置的类型和特点
机器人
执行机构
传动装置
驱动装置
控制系统
感知系统
手腕臂腰 部部部部
（ 固基
定 或
移座
动
）
电 驱 动 装 置
液 压 驱 动 装 置
气 压 驱 动 装 置
关
节
处 理 器
伺 服 控 制
器
内外 部部 传传 感感 器器
1．电动驱动器类型和特点
气动驱动器可分为以下几种类型。
气缸 气动驱动
气动马达
回转马达 摆动马达
5
气缸
气动回转马达
气动摆动马达
(完整版)机器人技术习题集答案
《机器人技术》习题集答案第1章绪论一、选择题（4选1）1—2）；2—1）；3—3）；4—3）；5—2）二、判断题（Y/N）1—Y；2—Y；3—Y；4—N；5—N；6—Y；7—Y；8—Y；9—Y；10—Y三、简答题1．机器人学是关于研究、设计、制造和应用机器人的一门科学。
一般包括：机器人结构、机器人坐标系统、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器感知、机器视觉、机器人语言、决策与规划等。
相比机器人技术研究的更为概括、抽象和理论一些。
2．一般将机器人分为三代。
* 第一代为示教再现型机器人。
由操作人员预先给出（示教）机器人的运动轨迹，然后机器人准确地重复再现这种轨迹。
* 第二代为感觉判断型机器人，亦称为感知融合智能机器人。
机器人带有一些可感知环境的装置，通过反馈控制，使机器人能在一定程度上适应变化的环境。
* 第三代为自主感知型机器人，亦称为自主感知思维智能机器人。
机器人具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑推理、判断及决策，可在作业环境中独立行动；具有发现问题且能自主地解决问题的能力。
3．直角坐标机器人圆柱坐标机器人极坐标机器人多关节型机器人串联关节机器人垂直关节机器人水平关节机器人并联关节机器人串并联关节机器人4．优点：结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好缺点：位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，设计与控制比较复杂5．优点：刚性好，结构稳定，承载能力高，运动精度高缺点：活动空间小。
6．气动机器人液压机器人电动机器人新型驱动方式机器人（如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉及光驱动器等）7．内部传感器是用来检测机器人自身状态（内部信息）的机器人传感器，如检测关节位置、速度的光轴编码器等。
是机器人自身运动与正常工作所必需的；外部传感器是用来感知外部世界、检测作业对象与作业环境状态（外部信息）的机器人传感器。
如视觉、听觉、触觉等。
是适应特定环境，完成特定任务所必需的。
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案
国家开放大学《机器人技术及应用》章节测试参考答案第一章机器人技术与应用一、判断1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。
（√）2.19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。
（×）3.对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。
（√）4.所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
（×）5.机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。
（×）6.机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。
（√）7.为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。
（√）8.轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。
（×）9.为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。
（√）10.履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。
（√）11.腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。
（√）12.机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。
（×）13.球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。
（√）14.可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。
（×）15.感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。
《机器人技术基础》第四章 机器人动力学
人
4.2 机械手动力学方程
动
力
学
4.1.1 拉格朗日方法
机器人是一个具有多输入和多输出的复杂的 运动学系统，存在严重的非线性，需要非常复杂 的方法来处理。
动力学处理方法： Lagrange , Newton-Euler, Gauss,Kane, Screw, Roberson-Wittenburg
2 )
d
dt
L
1
(m1 m2 )l12
m2l22
2m2l1l2
cos
2
1
(
m2
l
2 2
m2l1l2 cos 2 )2
2m2l1l2 si n212 m2l1l2 si n22L1Fra bibliotek(m1
m2 )gl1
s i n1
m2 gl2
s i n (1
2)
4.1.2 拉格朗日方程
⑤求出机器人动力学方程：
)
然后求微分，则其速度就为：
x2 y 2
l1 l1
co s11 sin 11
l2 l2
cos(1 2 )(1 2 ) sin(1 2 )(1 2 )
θ1
关节2
m1
（x1, y1)
l2
θ2 m2
（x2, y2 )
由此可得连杆的速度平方值为：
v22 x22 y22 l1212 l22(12 212 22 ) 2l1l2 cos2(12 12 )
m2 gl2 sin(1 2 )
T2 (m2l22 m2l1l2 cos2 )1 m2l222 m2l1l2 sin 21
m2 gl2 sin(1 2 )
4.1.2 拉格朗日方程
将得到的机器人动力学方程简写为如下形式：
机器人学及其智能控制第4章 机器人的控制系统
2．数字PID控制算法
在连续生产过程控制系统中，通常采用如图1所示的PID控制，其对应 的传递函数表达式为
U(s) E(s)
Kp
1(4T1.i7s)Tds
对应的控制算法表达式为
பைடு நூலகம்
1t
de(t)
u(t)K p e(t)T i
e(t)dtT d
0 (4.8)
dt
式中，K
为比例增益；T
p
为i 积分时间常数；T
2、分解运动控制(笛卡尔空间控制) 分解运动速度控制、分解运动加速度控制、分解运动
力的控制。
3、自适应控制 模型参照自适应控制、自调整自适应控制、有前馈补
偿的自适应扰动控制、分解运动自适应控制；
4、智能控制 递阶控制、模糊控制、神经网络控制等。 5
关节运动控制 关节控制具有多种形式，包括非伺服控制、伺服控制、位
要想在这方面或机器人操作机控制的其它范围获得明显 的性能改进，就必须考虑更有效的动态模型、更高级的控制 方法和计算机体系结构的运用。
4
如果把机器人操作机控制看作路径—轨迹追踪问题，其运 动控制便可分为四大类：
1、关节运功控制 关节伺服机构(如PUMA机器人控制方法)、 计算力
矩方法、最短时间控制、可变结构控制、非线性解耦控制 ；
1．PID控制规律的特点
（1）比例控制器
比例控制器是最简单的控制器，其控制规律为
u(t)Kpe((t4).3) u0
式中，Kp为比例系数；u0为控制量的初值，也就是在启动控制系统时的控制量。图4.2所示 是比例控制器对单位阶跃输入的阶跃响应。
由图4.2可以看到，比例控制器对于偏差是及时反应的，偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。
工业机器人技术基础及其应用没章思考题练习题参考答案
《工业机器人技术基础及其应用》（戴凤智，乔栋主编）的每章思考与练习题及其参考答案第1章工业机器人概述1.机器人系统由哪四部分组成？答：（教材第2页）机器人系统由以下四部分组成：机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统。
2.工业机器人有哪些基本特点？答：（教材第3页）工业机器人主要有以下三个基本特点：可编程、拟人化、通用性。
3.工业机器人的传感部分有哪些子系统组成？答：（教材第12页）机器人的传感部分相当于人类的五官，机器人可以通过传感部分来感觉自身和外部环境状况，帮助机器人工作更加精确。
工业机器人的传感部分主要分为两个子系统：感受（传感）系统、机器人与环境交互系统。
4.工业机器人的机械部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）机械部分是机器人的硬件组成，也称为机器人的本体。
工业机器人的机械部分主要分为两个子系统：驱动系统、机械结构系统。
5.工业机器人的控制部分有哪些子系统组成？答：（教材第11页）控制部分相当于机器人的大脑，可以直接或者通过人工对机器人的动作进行控制。
工业机器人的控制部分分为两个子系统：人机交互系统、控制系统。
6.工业机器人一般有哪些主要技术指标？答：（教材第12页）工业机器人的技术指标是机器人生产厂商在产品供货时所提供的技术数据，反映了机器人的适用范围和工作性能，是选择机器人时必须考虑的问题。
工业机器人的主要技术指标一般包括：自由度、工作精度、工作范围、额定负载、最大工作速度等。
7.工业机器人是如何进行分类的？答：（教材第14页）工业机器人的分类方法有很多，本书主要介绍了以下三种分类方法。
（1）按机械结构可以分为串联机器人和并联机器人。
（2）按机器人的机构特性可以分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人、多关节坐标机器人。
（3）按程序输入方式可以分为编程输入型机器人、示教输入型机器人。
第2章工业机器人的机械结构系统和驱动系统1.工业机器人的机械系统有哪三部分组成？答：（教材第22页）工业机器人的机械系统由手部、手臂、基座三部分组成。
机器人第四章
由于是平面操作臂，其变换形式只能是这种形式：
现在的问题是：已知上述矩阵，并令和上述矩阵相等，如何 求：
1,2,3
19
首先写出矩阵元素对应方程：
最后两行平方相加： 利用下述公式：
20
得到
这要求上式右端的值在-1和1之间（利用这个约束可以检查 解是否存在）。便可求得正弦值：
s2 1c22 这样就得到 下面求 1
49
由于在式（4－64）和式（4－68）中出现了 号 ，因此
这些方程可能有4种解。另外由于操作臂的翻转可得到另 外4种解，由腕关节的翻转可得到
当计算出所有8种答案以后，由于关节运动范围的限制要 将其中的一些解（甚至全部）舍去。在余下的有效解中， 通常选取一个最接近于当前操作臂的解。
50
51
4.8 标准坐标系
为半径为 2 l1 的圆。而灵
巧工作空间仅为单独的一点 （圆心）。
如果 l1 l2 则不存在灵巧
工作空间，而可达空间为半 径为 l1l2, l1l2 的圆环。
qi dii
旋转关节 移动关节
如果 01360，而 02 180 ，则工作空间同上（圆
环）而此时仅有一个方位可以达到工作空间的每一点。
21
首先展开最后两个等式： 其中：
作如下的变换
则有：
——4.1
22
代入 再根据余弦、正弦倍角公式： 再根据带象限的反正切公式：
23
这样就得到 1
利用前两个等式，得到
由于 1, 已2经求出，这样就得到
3
这相当于操作臂的逆运动学逆问题就解决了。
24
几何解法
求解方法是：将操作臂的空间 几何参数分解成平面几何参数。 然后应用平面几何方法进行求解。 本例为3R操作臂，连杆在同一 平面内，可以直接进行求解。
第4章 机器人的动力学初步
图４-４ 质点平移运动 作为回转运动的解析
机器人的静力学
如果Ｉ ＝ｍｒ２，则式（４-１４） 就改写为
式（４-１５）是 质 点 绕 固 定 轴 进 行 回 转 运 动 时 的 运 动 方 程 式 。 与 式 （４⁃ １１）比较，Ｉ相当于平移运动时的质量，在旋转运动中称为惯性矩。
机器人的静力学
对于质量连续分布的物体， 求解其惯性矩， 可以将其分割成假想的微小 物体， 然后再把每个微小物体的惯性矩加在一起。这时， 微小物体的质量ｄ ｍ 及其微小体积ｄＶ 的关系， 可用密度ρ 表示为 所以， 微小物体的惯性矩ｄＩ， 依据Ｉ ＝ｍｒ２， 可以写成
行器在笛卡尔空间的轨迹已确定（轨迹已被规划），求解机器人各执行器的驱
动力或力矩，这称为机器人动力学方程的反面求解，简称为逆动力学问题。
概述
不管是哪一种动力学问题都要研究机器人动力学的数学模型，区别在于问
题的解法。人们研究动力学的重要目的之一是对机器人的运动进行有效控制，
以实现预期的运动轨迹。 常用的方法有牛顿.欧拉法、拉格朗日法、凯恩动力学法等。牛顿·欧拉动
原理。
机器人的静力学
如图４⁃１所示，已知作用在杠杆一端的力ＦＡ，试用虚功原理求作用于另 一端的力ＦＢ。假设杠杆长度ＬＡ和ＬＢ已知。 按照虚功原理，杠杆两端受力所做的虚功应该是
式中，δ ｘＡ 、δ ｘＢ是杠杆两端的虚位移。而就虚位移来讲，下式成立
式中， δθ 是绕杠杆支点的虚位移。 把式（４⁃２）代入式（４⁃１）消 δ ｘＡ 、δ ｘＢ，可得到下式 图４-１ 杠杆及作用在两端上的力
机器人动力学方程式
式中， ｎ 为机器人的关节总数。其次我们来考虑把Ｋ 作为机器人各关节 速度的函数。这里ｖＣｉ与ω ｉ 分别表示为
机器人技术基础复习要点
机器人技术基础复习要点第一章：绪论1.机器人分类：按开发内容与应用分为工业机器人，操纵型机器人，智能机器人；按发展程度分为第一代，第二代和第三代机器人；按性能指标分为超大型，大型。
中型。
小型和超小型机器人；按结构形式分为直角坐标型机器人，圆柱坐标型机器人，球坐标型机器人和关节坐标型机器人；按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制；按驱动方式分为气力驱动式，液力驱动式和电力驱动式。
按机座可动分类分为固定式和移动式。
2.机器人的组成：驱动系统，机械系统，感知系统，控制系统，机器人-环境交互系统，人机交互系统。
3.机器人的技术参数：自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目；精度：主要依存于机械误差，控制算法误差与分辨率系统误差；重复定位精度；是关于精度的统计数据；工作范围：指的是机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所有店的集合；最大工作速度：不同厂家定义不同，通常在技术参数中加以说明；承载能力：指的是机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
第二章：机器人本体结构1.机器人本体基本结构：传动部件，机身及行走机构，臂部，腕部，手部。
2.机器人本体材料的选择：强度高，弹性模量大，质量轻，阻尼大，经济性好。
3.机身设计要注意的问题：刚度和强度大；动灵活，导套不宜过短，避免卡死；驱动方式适宜；结构布置合理。
4.臂部的基本形式：机器人的手臂由大臂，小臂所组成，手臂的驱动方式主要有液压驱动，气动驱动和电动驱动几种形式，其中电动驱动最为通用；臂部的典型机构有臂部伸缩机构，手臂俯仰运动机构，手臂回转与升降机构。
5.臂部设计需要的注意的问题：足够的承载能力；刚度高；导向性能好，运动迅速，灵活，平稳，定位精度高；重量轻，转动惯性小；合理设计与腕部和机身的连接部位。
6.机器人的平稳性和臂杆平衡方法：机身和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载游较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。
这将仅影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运转。
第四章 机器人暨人工智能产业 《产业经济学》PPT课件
4.3 我国机器人产业发展现状及促进发展的政策建议
4.3.1 我国机器人产业发展现状
1.已成为全球最大的工业机器人应用市场，且仍在快速发展
2.初步掌握机器人研发生产技术，并在太空等局部领域领先全球
3.初步形成以企业为主体的市场体系
4.中央、地方各级政府积极出台支持机器人产业发展的政策措施
（1）国家重视。
4.全球主要科技公司大力投资机器人产业
5.发达国家政府重视发展机器人产业和人工智能系统
4.2 全球机器人历史回顾、产业现状及发展趋势
4.2.3 全球机器人产业发展趋势
1.性能不断提高但价格不 断下降
2.机械结构日益向开放式、 模块化、标准化、可重构
化发展
3.各种形态的人工智能成 为未来机器人的发展方向
4.3 我国机器人产业发展现状及促进发展的政策建议
4.3.3 做大做强我国机器人产业的若干措施
1.切实落实国家“十三五”规划、《中国制造2025》、机器 人产业规划各项要求
2.采取“市场开放、充分竞争、全球合作、互利共赢”， 以创造大国后发优势的发展模式
3.充分发挥社会主义国家政府集中资源办大事的优势
2.按互动方式分 按互动方式，机器人可分为人操作机械手、程序控制机器人（分固定程序控制和可变程序 控制）、智能机器人3类。智能机器人可分为专用、通用、超级3种。
4.1 机器人概述
4.1.1 机器人的概念
机器人是一种能模仿人类身体、手足、关节等肢体运动，通过传感器、仪器和仪表、设备 等元器件、部件，能灵敏感知、快速理解外界环境变化，自动、灵活、高效地完成各类重 复性活动的机器。 机器人由零部件、本体、系统集成等构成，可划为控制系统（分决策级、策略级、执行级 三个层级）、执行系统、驱动系统、检测系统等模块。其中，减速器、伺服（电机、驱动 器）、控制器是最主要的三大零部件，分别占机器人成本的30%～50%、20%～30%、 10%～20%。本体由直角坐标、关节型、并联型等组成，系统集成指焊接、喷涂、搬运、装 配、切割、打磨等功能。机器人的平均使用寿命为12～15年。
第4章一阶多智能体机器人系统
(4-19)
并且
因此， = ∈ ℂ: − ≤ 。另一方面，这 个圆盘都被包含
在最大半径 max 的圆盘 中。显而易见，矩阵 − 的所有特征值
都位于圆盘 ′ = ∈ ℂ: + max ≤ max
关于虚轴 (imaginary axis) 的镜像。
无人车的位置达到一致。当位置达到一致后，由于所有无人车之间的相对
位置误差为零，因此所有无人车的控制输入也均为零 1 = 2 = 3 = 0，
无人车系统实现关于位置的一致性控制，即
lim −
→∞
=0
6
4.1 一阶机器人系统模型
不失一般性，针对一阶多智能体系统，系统中单个智能体的状态应满
中，圆盘 ′
是
27
4.2.2 设计控制器
定理4.1
针对由式 (4-12) 所构成的多智能体系统，假设系统的通信拓扑图是无
向连通图或含有生成树的有向图，那么使用如式 (4-14) 的控制器时系统可
实现如定义4.1所描述的一致。系统状态的最终一致性值为
∗ = σ=1 1 0
(4-3)
其中 = 0， = 1。
7
4.1 一阶机器人系统模型
假设多智能体系统中智能体的数量为 ，令 = 1 2 ⋯ T ，
= 1 2 ⋯ T ，那么基于式 (4-3) 的一阶多智能体系统可以表示
为
ሶ 1
0 0
ሶ 2
0 0
=
⋮
⋮ ⋮
ሶ
0 0
⋯ 0 1
ሶ 1 = 1
ሶ 2 = 2
⋮
(4-8)
ሶ =
12
4.1 一阶机器人系统模型
第4章工业机器人动力系统
直流无刷伺服电机的特点：转动惯量小、启动电压低、空载 电流小 弃接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高 达100 000rpm；无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码 器也可实现速度、位置、扭矩等的控制；容易实现智能化， 其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相；不存在 电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无 电磁干扰等特点。
工业机器人丝杠螺母传动的手臂升降机构
第四章 工业机器人动力系统
4.1.2 工业机器人的动力系统的组成
2.工业机器人传动机构的组成
（3）带传动和链传动
带传动和链传动用于 传递平行轴之间的回 转运动，或把回转运 动转换成直线运动。 工业机器人中的带传 动和链传动分别通过 带轮或链轮传递回转 运动
工业机器人技术基础
第四章 工业机器人动力系统
工业机器人技术基础
4.2交流伺服动力系统 4.2.2交流伺服电动机的类型
2.永磁同步交流伺服电机
永磁同步伺服电动机主要由转子和定子两大部分组成。在 转子上装有特殊形状高性能的永磁体，用以产生恒定磁场 ，无需励磁绕组和励磁电流。
永磁同步电机结构图
第四章 工业机器人动力系统
1.功率驱动单元
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或 者市电进行整流，得到相应的直流电。
三相逆变电路
第四章 工业机器人动力系统
工业机器人技术基础
4.2交流伺服动力系统 4.2.4交流永磁同步伺服驱动器
2. 控制单元
控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速 度控制、转矩和电流控制器。
第四章 工业机器人动力系统
4.2交流伺服动力系统 4.2.1 交流伺服系统的分类 3.闭环伺服系统
第四章机器人的动力学
n
1
v Ci
v Ci
1 2
i Ii i )
T
1
[m 2
i 1 n
i
(J L q ) J L q (J A q ) IiJ A q ]
(i) (i) T (i) T T
1
(m 2
i 1
i
q
JL
(i)T
JL q q
(i)
二、机器人静力学关系式推导
以2自由度机械手为例，要产生图a所示的虚位移 , ， r ， 则图b所示各力 , 和 F 之间的关系：
1 2
1
2
由 虚 功 原 理 知 ： 1 1 2 2 F r 0 即： 1
2
1 F 2
当刚体绕过质心的轴线旋转时，角速度ω，角加速度
，惯
性张量
与作用力矩N之间满足欧拉方程：
IC (IC ) N
——欧拉运动方程
Ic R
3 3
是绕重心 c 的惯性矩（转动惯量） N 回转力矩
， I c的各元素表示对应的力
矩元素和加速度元素间
的惯性矩；
回转角速度；
对于对于zz轴轴于是于是12联立可得联立可得对于一般形状连杆对于一般形状连杆除第33分量以外其它分量皆不为分量以外其它分量皆不为00的第1122分量成为改变轴方向的力矩但在固定分量成为改变轴方向的力矩但在固定轴场合与这个力矩平衡的约束力生成轴场合与这个力矩平衡的约束力生成22式中的式中的1122分分量不产生运动
由虚功原理得：
F A x A FB x B 0 即 ： F A L A F B L B 0 ( F A L A F B L B ) 0 F A L A FB L B 0 FB LA LB FA
《机器人技术基础》课程大纲
《机器人技术基础》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：机器人技术基础英文名称：Robotic Technology Foundation二、课程编码及性质课程编码：0801051课程性质：选修课三、学时与学分总学时：32学分：2.0四、先修课程机械原理、机械设计、材料加工工程、工业控制五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供机械科学与工程专业和机电一体化专业学生选修。
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的核心选修课程之一，其教学目的主要包括：1. 系统全面掌握机器人技术专业知识，具备应用这些知识分析、解决机器人应用中的系统集成及其自动化控制等复杂问题的能力；2. 掌握机器人概况、机器人学的数学基础、机器人运动学、机器人动力学、机器人控制原则与方法、机器人在材料成型加工中的应用以及人工智能，具备针对不同需求设计机器人集成制造/加工系统的能力；3. 理解不同机器人系统架构的特点与共性问题，掌握机器人路径规划与离线仿真分析方法，具备机器人集成系统的性能分析与评价能力；4. 了解机器人技术的发展前沿，掌握其在机械制造、材料成型、医疗、电子、航空航天与资源开发等行业的发展特点与动向，具备研发机器人制造/加工的基础与能力。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）机器人应用范围非常广泛，其形式与结构等也多种多样，本课程以介绍机器人系统结构、设计与控制为主体，以讲述机器人集成制造/加工系统为重点；2）在全面了解与掌握机器人系统种类及结构特点的基础上，重点学习机器人系统设计与控制技术、机器人路径规划、离线仿真以及集成系统设计与实现；3）课程将重点或详细介绍机器人在机械制造、材料加工工程、先进制造中的典型应用，而对较普遍应用的系统仅作简要介绍或自学。
4）重点学习的章节内容包括：第3章“机器人运动学与动力学”（4学时）、第4章“机器人的驱动与控制”（4学时）、第5章“机器人轨迹规划及离线仿真”（4学时）第6章“工业机器人应用”（8学时）第7章“机器人系统集成技术”（4学时）。
机器人学-第4章_机器人动力学
机械手系统（包括传动装置）的总动能为：
Kt K Ka
1 2
6 i 1
i j 1
i k 1
Trace
Ti qi
Ii
Ti T qk
qj qk
1 2
6
I ai qi2
i 1
(4.20)
4.2.2 动能和位能的计算
23
4.2.2 动能和位能的计算
位能的计算 一个在高度h处质量m为的物体，其位能为：
对拉格朗日函数求导，以得到动 力学方程式。
O3 连杆2
3rp
连杆3 O2
O1 连杆1 0rp
P
连杆4 O4
O
图4.4 四连杆机械手
第四章 机器人动力学
15
4.2.1 速度的计算
连杆3上点P的速度为：
0vp
d dt
(
0
r
p
)
d dt
(T3
3
rp
)
T3 3rp
对于连杆i上任一点的速度为：
v
dr dt
4
4.1.1 刚体的动能与位能
x0 0, x0和x1均为广义坐标，有下式：
M1 x1 c( x1 x0 ) k( x1 x0 ) M1 g F M 0 x0 c( x1 x0 ) k( x1 x0 ) M 0 g F
或用矩阵形式表示为：
M1
0
0 M0
x1 x0
D212 D221 0
重力项
D1 (m1 m2 )gd1 sin1 m2 gd2 sin(1 2 ) D2 m2 gd2 sin(1 2 )
4.1.2 动力学方程的两种求法
10
拉格朗日功能平衡法
表4.1给出这些系数值及其与位置 2的关系。
机器人学基础第4章
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
④求θ5。 由机械臂关节位姿矩阵推导可知:
由于前文已经求解出θ1 ~ θ3, 可以求解出 则根
据
可以求解出 的数值。令:
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
得
解得
4. 5 典型机器人的逆运动学举例
下面分两种情况讨论θ4 和θ6 的解法。 当θ5≠0°时: ⑤求θ4 。 根据前文得：
4. 6 逆运动学对机器人的设计约束
根据4. 1 节的内容可以知道, 对于6 自由度机器人来 说, 当存在几个正交关节轴或者有多个αi 为0°或90°, 可能得到解析解。所以当设计6 自由度机械臂时, 通常 会有3 根相交轴, 并尽量使αi 为0°或90°。
此外, 为了使机械臂有更大的灵巧工作空间, 通常将机 械臂的末端连杆设计得短一些。
令式(4 -1) 和式(4 -2) 相等, 可以得到: 解得：
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
当θ2≠0 时, 可以解得:
当θ2 =0 时, 可以化作如下形式:
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
即:
可以解得: 同理当θ2 = π 时, 可以解得:
4. 3 逆运动学的几何解法
4.2 三个相邻关节轴线交于一点的 逆运动学求解
逆运动学没有通用的求解算法, 通常将机器人的逆运动学解法 分为数值解法和解析解法两类。数值解法是指通过迭代的方 法对运动学方程进行求解, 此种方法求解速度较慢, 且不能保 证求出全部的解。解析法是指通过代数或者几何的方法, 得到 关节角的数学表达式, 本课程主要讨论解析解法。解析法中几 何法与代数法并不完全区别, 几何法中可以引入代数描述, 代 数法可以通过几何性质来简化求解过程, 二者仅是求解过程不 同。
智能制造装备设计与故障诊断课件第4章-工业机器人基础
4.1.2 工业机器人的基本技术参数
工业机器人的设计与大多数机器设计过程相同，在进行工业机器人选型设 计之前，首先要对工业机器人的作业目的、功能需求、作业空间和生产条 件等做出规划，然后由机器人技术参数可选择机器人机械结构和坐标形式， 这是机器人机械结构设计的基础。工业机器人的主要技术参数有自由度、 精度、作业范围、最大工作速度和承载能力等。
作。
x r
x
r
θ
θ
示意图
柱面坐标机器人—Versatran
4.1.3工业机器人的分类
2）球坐标型：这种机器人像坦克的炮塔一样，机械手能够做里外伸缩移 动、在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面内转动。因此，这种机器人的 工作空间形成球面的一部分，称为球面坐标机器人。球坐标型机器人的臂 部能回转、俯仰和伸缩。
2）示教输入型机器人：示教输入型的示教方法有两种，一种是由操作者 手动操纵示教盒，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺 序和运动轨迹运行。另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作 顺序和运动轨迹运行。在示教过程中工作程序的信息将自动存入程序存储 器中，在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将 指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
机器人。运动耦合性强，控制较复杂，但运动灵活性最好，自身占据空间
最小。多关节型机器人的臂部有多个转动关节。
α
θ4
θ5
θ3
θ6
φ θ
示意图
θ2 θ1
EDUBOT-PUMA 560
4.1.3工业机器人的分类
4）平面关节型：在一个平面上，有两 个平行旋转关节工作的机器人。平面 关节型机器人的轴线相互平行,实现平 面内定位和定向。
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机器人的驱动方式 4.2 液压驱动系统 4.3 气压驱动系统 4.4 电气驱动系统 4.5 新型驱动器
4.1
4.1 机器人的驱动方式
4.1.1 概述
液压驱动的特点及应用
优点: 1）液压容易达到较高的单 位面积压力（常用油压为25～ 63kg/cm2),体积较小，可以获 得较大的推力或转矩。 2）液压系统介质的可压缩 性小，工作平稳可靠，并可得 到较高的位置精度。 3）液压传动中，力、速度 和方向比较容易实现自动控制。 4）液压系统采用油液作介 质，具有防锈性和自润滑性能， 可以提高机械效率，使用寿命 长。 不足之处: 1）油液的粘度随温 度变化而变化，影响 工作性能，高温容易 引起燃烧爆炸等危险。 2）液体的泄漏难于 克服，要求液压元件 有较高的精度和质量， 故造价较高。 3）需要相应的供油 系统，尤其是电液伺 服系统要求严格的滤 油装置，否则会引起 故障。 应用: 液压驱动方式的 输出力和功率更大， 能构成伺服机构， 常用于大型机器人 关节的驱动
控制精度高，功率较大，能精确定 位，反应灵敏，可实现高速、高精度 的连续轨迹控制，伺服特性好，控制 系统复杂
很高 伺服电动机易于标准化，结构性能 好，噪声低，电动机一般需配置减速 装置，除DD电动机外，难以直接驱动， 结构紧凑，无密封问题
响应速度 结构性能及体积
液压驱动 安全性 防爆性能较好，用液压油作传动介 质，在一定条件下有火灾危险 液压系统易漏油，对环境有污染
1. 比例电磁铁
比例电磁铁是一种直流电磁铁， 与普通换向阀用电磁铁的不同主 要在于，比例电磁铁的输出推力 与输入的线圈电流基本成比例。 这一特性使比例电磁铁可作为液 压阀中的信号给定元件。如图为 比例电磁铁结构图 。
1—轭铁 2—线圈 3—限位环 4—隔磁环 5—壳体 6—内盖 7—盖 8—调节螺钉9—弹簧 10—衔铁 11—(隔磁)支承环 12—导向套
4.2 液压驱动系统
4.2.1 液压伺服服系统有液压源、驱动器、伺服阀、传感器和控制器等组成。如图所示。
2. 液压伺服控制系统的工作特点 1）在系统的输出和输入之间存在反馈连接，从而组成闭环控制系统。 2）系统的主反馈是负反馈。 3）系统的输入信号的功率很小，而系统的输出功率可以达到很大。
机械手手臂伸缩运动伺服系统方框图
2. 电液伺服阀的工作原理
（1） 原理图 如图为喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理图。喷嘴挡板式电液 伺服由电磁和液压两部分组成，电磁部分是一个动铁式力矩马达，液压部分为两 级。第一级是双喷嘴挡板阀，称前置级（先导级）；第二级是四边滑阀，称功率 放大级（主阀）。
1-永久磁铁 2、4-导磁体 3-衔铁 5-挡板 6-喷嘴 7-固定节流孔 8-滤油器 9-滑阀 10-阀体 11-反馈弹簧杆 12-弹簧管 13-线圈
驱动系统的重量以及功率-重量比至关重要，例如电子系 统的功率-重量比属中等水平。在同样功率情况下，步进机通 常比伺服电机要重，因此它具有较低的功率-重量比。电机的 电压越高，功率-重量比越高。气动功率-重量比最低，而液压 系统具有最高的功率-重量比。
4.1.3 驱动系统驱动方式
1．直线驱动方式
机器人采用的直线驱动包括直角坐标机构的X、Y、Z向驱动，圆柱坐标结构 的径向驱动和垂直升降驱动，以及球坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以 直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动方 式把旋转运动转换成直线运动。
效率低（0.15～0.2）气源方便，结 构简单，成本低 方便
适用于中小负载、要求具有较高的 位置控制精度和轨迹控制精度、速度 较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、 点焊机器人、弧焊机器人、装配机器 人等
效率较高（0.5左右）成本高 较复杂
效率与成本 维修及使用
效率中等（0.3～0.6）；液压元件成 本较高 方便，但油液对环境温度有一定要 求
（3）喷嘴挡板阀特点
喷嘴挡板阀的优点是结构简单，加工方便，运动部件惯性小，反应快，精度和灵敏度高； 缺点是无功损耗大，抗污染能力较差。喷嘴挡板阀常用作多级放大伺服控制元件中的前置级。
4.2.3 电液比例控制阀
电液比例阀是一种按输入的电气信号连续地、按比例地对油液的压力、流量或方向进 行远距离控制的阀。电液比例控制阀可以分为电液比例压力阀（如比例溢流阀、比例减压 阀等）、电液比例流量阀（如比例调速阀）和电液比例方向阀（如比例换向阀）三大类。
2．电液比例溢流阀
用比例电磁铁取代先导型溢流阀导阀的手调装置（调压手柄），便成为先导 型比例溢流阀，如图所示。
a）结构图 b）符号 1-阀座 2-先导锥阀 3-轭铁 4-衔铁 5-弹簧 6-推杆 7-线圈；8-弹簧 9-先导阀
先导型比例溢流阀的工作原理简图
3. 比例方向节流阀
用比例电磁铁取代电磁换向阀中的普通电磁铁，便构成直动型比例方向节流 阀，如图 所示。由于使用了比例电磁铁，阀芯不仅可以换位，而且换位的行程可 以连续地或按比例地变化，因而连通油口间的通流面积也可以连续地或按比例地变 化，所以比例方向节流阀不仅能控制执行元件的运动方向，而且能控制其速度。 部分比例电磁铁前端还附有位移传感器（或称差动变压器），这种比例电磁 铁称为行程控制比例电磁铁。位移传感器能准确地测定电磁铁的行程，并向放大器 发出电反馈信号。电放大器将输入信号和反馈信号加以比较后，再向电磁铁发出纠 正信号以补偿误差，因此阀芯位置的控制更加精确。
气动驱动的特点及应用
优点: 1）以空气为工作介质，不仅易于取 得，而且用后可直接排入大气，处理方 便，也不污染环境。 2）因空气的粘度很小（约为油的万 分之一），在管道中流动时的能量损失 很小，因而便于集中供气和远距离输送， 气动动作迅速，调节方便，维护简单， 不存在介质变质及补充等问题。 3）工作环境适应性好，无论在易燃、 易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶 劣环境中，还是在食品加工、轻工、纺 织、印刷、精密检测等高净化、无污染 场合，都具有良好的适应性，且工作安 全可靠，过载时能自动保护。 4）气动元件结构简单，成本低，寿 命长，易于实现标准化、系列化和通用 化。 不足之处: 1）由于空气具有较大的可压缩 性，因而运动平稳性较差。 2）因工作压力低（一般为 0.3～1MPa），不易获得较大 的输出力或力矩。 3）有较大的排气噪声。 4）由于湿空气在一定的温度和 压力条件下能在气动系统的局 部管道和气动元件中凝结成水 滴，促使气动管道和气动元件 腐蚀和生锈，导致气动系统工 作失灵。 应用: 多用于开关控制和顺序控 制的机器人中。
很高 结构适当，执行机构可标准化、模 拟化，易实现直接驱动。功率/质量比 大，体积小，结构紧凑，密封问题较 大
气体压缩性大，精度低，阻尼效果 差，低速不易控制，难以实现高速、 高精度的连续轨迹控制
较高 结构适当，执行机构可标准化、模 拟化，易实现直接驱动。功率/质量比 大，体积小，结构紧凑，密封问题较 小
电气驱动的特点及应用
优点: 电气驱动是利用各种电 动机产生力和力矩，直接或 经过减速机构去驱动机器人 的关节，从而获得机器人的 位置、速度和加速度。因省 去中间的能量转换过程，因 此比液压和气压驱动的效率 高，且具有无环境污染、易 于控制、运动精度高、成本 低等优点。应用最广泛。 分类特点: 1）普通交、直流电动机驱动需加减速装 置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大， 适用于中型或重型机器人。伺服电动机和 步进电动机输出力矩相对小，控制性能好， 可实现速度和位置的精确控制，适用于中 小型机器人。 2）交、直流伺服电动机一般用于闭环控 制系统，而步进电动机则主要用于开环控 制系统，一般用于速度和位置精度要求不 高的场合。功率在1KW以下的机器人多采 用电机驱动。
2. 旋转驱动方式
多数普通电机和伺服电机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所需要 的力矩小，转速比所需要的转速高。因此，需要采用各种传动装置把较高的转 速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用直线液压缸或直线气缸 作为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。这种运动的传递和转换必 须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、 重复精度和可靠性。运动的传递和转换可以选择齿轮链传动、同步皮带传动和 谐波齿轮等传动方式。
4.1.2 驱动系统性能
1．刚度和柔性
刚度是材料对抗变形的阻抗，他可以是梁在负载作用下抗 弯曲的刚度，或汽缸中气体在负载作用下抗压缩的阻抗，甚 至是瓶中的酒在木塞作用下抗压缩的阻抗。系统的刚度越大， 则使它变形所须的负载也越大。相反，系统柔性越大，则在 负载作用下就越容易变形。 2. 重量、功率-重量比和工作压强
应用:
电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性 能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动 逐渐为电动式所代替 。
几种驱动方式的比较
液压驱动 输出功率 很大，压力范围为50～140N/cm2 气动驱动 大，压力范围为48～60N/cm2，最大 可达100N/cm2 电动驱动 较大
控制性能
利用液体的不可压缩性，控制精度 较高，输出功率大，可无级调速，反 应灵敏，可实现连续轨迹控制
4.2.2 电液伺服系统
1、电液伺服系统的组成
电液伺服系统通过电气传动方式，将电气信号输入系统来操纵有关的液压控制 元件动作，控制液压执行元件，使其跟随输入信号而动作。这类伺服系统中，电 液两部分都采用电液伺服阀作为转换元件。 下图所示为机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统原理图
1－电放大器 2－电液伺服阀 3－液压缸 4－机械手手臂 5－齿轮齿条机构 6－电位器 7－步进电机
带位移传感器的直动型比例方向节流阀
4.2.4 摆动缸
摆动式液压缸也称摆动马达。当它通入压力油时，它的主轴输出小于360° 的摆动运动。图（a）所示为单叶片式摆动缸,它的摆动角度较大,可达300°，当 摆动缸进出油口压力为P1和P2,输入流量为q时,它的输出转矩T和角速度ω为： （4.1） （4.2） 式中b—叶片的宽度；R1、 R2—叶片底部、顶部的回转半径 图4.10（b）所示为双叶片式 摆动缸,它的摆动角度和角速度为单 叶片式的一半,而输出角度是单叶片 式的两倍。