第四章 机器人的驱动与传动装置
机器人构造传动PPT课件
链传动
组成：主动轮、从动轮、链条 原理：链与链轮轮齿之间的啮合实现平行轴 之间的同向传动。
设计：潘存云
链传动
特点
能获得准确的平均传动比，传动效率高，但瞬 时传动比不恒定 结构紧凑 可在高温、 油污、潮湿等恶劣环境下工作 传动平稳性差，有噪音，磨损后易发生跳齿和 脱链， 急速反向转动的性能差
带传动
适用范围
最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬 楼梯。
机器人的轮式行走机构
三轮式车体
两个驱动轮装在前两侧 从动轮装在后侧 不会出现悬空现象 稳定性不好
三轮行走机器人图例
机器人的轮式行走机构
四轮式车体
两个驱动轮装在前两侧 两个从动轮装在后两侧 不会出现悬空现象 稳定性好
机器人的轮式行走机构
对称四轮式车体
连杆传动
可按照连架杆是曲柄还是摇杆，将铰链四 杆机构分为三种基本型式：
曲柄摇杆机构 双曲柄机构 双摇杆机构
连杆传动
曲柄摇杆机构的应用
雷达天线俯仰角 调整机构
连杆传动
曲柄摇杆机构的应用
缝纫机的踏板 机构
连杆传动
曲柄摇杆机构的应用
契贝谢夫四足机器人
连杆传动
曲柄摇杆机构的应用
连杆传动
曲柄摇杆机构的三个特性
传动功率P (kW)为：
P FV 1000
F：有效拉力 V：带速，(m/s)
松边
F2 F2
n1
n2
F1 F1 主动轮 紧边
从动轮
带传动
摩擦型带传动的受力分析
当有效拉力跟带上总的摩擦力有关系： F>∑Ff
带与带轮之间出现显著的滑动，称为打滑。
经常出现打滑使带的磨
松边
损加剧、传动效率降
第四章__机器人动力学ppt课件
pdii1npzii1opzji1apzk
pi 0i0j0k
§ 4.2 机械手动力学方程
n
Dij Tra(TcpepjIppiTpT) pmai,xj
n
mp piTkppjpdi•pdjprp(pdipjpdjpj)
pmai,xj
其中 kp
kkp2p2xxxy
kp2xz
kp2xy k2
pyy
力矩T1和T2的动力学表达式的一般形式和矩阵表达式为： T 1 D 1 1 1 D 1 2 D 1 1 1 2 1 D 1 2 2 2 2 D 1 1 1 2 2 D 1 2 2 1 1 D 1 （4.1-8) T 2 D 2 1 1 D 2 2 D 2 1 1 2 1 D 2 2 2 2 2 D 2 1 1 2 2 D 2 2 2 1 1 D 2 （4.1-9)
n
D i i m pp i 2 T x k p 2 x p i 2 x T y k p 2 y p i 2 y T z k p 2 zp d z i • p d i 2 p r p • ( p d i p i)
p m i ,jax
如果为旋转关节
n
D i i m p n 2 p T k p 2 x o x 2 p T k x p 2 y a y 2 p T k y p 2 z z p p • z p p 2 p r p • ( p p • n p ) i ( p p • o p ) j ( p p • a p ) k
惯量项和重力项在机器人的控制中特别重要，它们影响到系统的稳定性 和定位精度。向心力和哥氏力仅当机器人高速运动时才有意义。
§ 4.2 机械手动力学方程
4.2.2 动力学方程的简化
1 惯量项Dij的简化
机器人传动原理
机器人传动原理
机器人传动原理是指机器人的所有动作都是通过一些特定的驱动装置来实现的，这些
驱动装置一般是电机、气动装置或者液压装置等。
机器人传动装置的种类有很多，常用的有以下几种：
1.电机驱动
电机驱动是机器人最常用的一种传动方式，其使用电机作为驱动装置，通过变速箱、
减速器、传动链等结构直接传递力量和动能。
电机驱动方式可以分为交流电机驱动和直流
电机驱动两种。
交流电机驱动：交流电机驱动具有速度稳定、转矩大、噪音小等特点，适合于高精度、高速度的机器人应用。
2.气动驱动
气动驱动是指通过气压控制运动的一种机构，一般采用空气压缩机将气体压缩储存，
然后经过气路系统将气体引入到机器人的各个部位，控制执行器完成各种动作。
气动驱动的优点是速度快、响应速度快、重复精度高，但其噪音很大，能耗较大，需
要专门的空压站维护。
3.液压驱动
液压驱动是指通过液体流动的方式传递驱动力量，实现机器人的各种运动。
液压驱动
常用的液体是液压油，通过液压泵将液体压缩，然后通过压力管路将压缩后的液体传送到
机器人的执行机构完成运动。
液压驱动的特点是响应速度快、动力大、调整方便，但其运动惯量大，精度低，维护
困难且成本高昂。
以上几种机器人传动原理方式各有优缺点，可以根据机器人的应用需求选择其中一种
或多种传动方式。
不同的应用场景需要不同的传动方式和控制方法，才能实现机器人的高
效运动和精确控制。
工业机器人课件第四章 机器人动力学
（4.2-2) Dii I ai I ai 为传动装置的等效转动惯量
Dij Dijk
p maxi , j
n
I ai
Trace(
Tp q j
Ip
TpT qi Ip
) TpT qi
（4.n T T p T
n
Trace(
2Tp q j qk rp
把相应的偏导和导数代入拉格朗日方程，可求得力矩T1和T2的动力学表达式 d L L T1 dt 1 1 (m d 2 m d d cos ) [(m m )d 2 m d 2 2m d d cos ]
1 2 1 2 2 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2
（4.1-9)
（4.1-10)
将在关节i上产生 D 的惯性力； Dii—关节i的有效惯量：关节i的加速度 i ii i 将在关节j和i上分别产 和 Dij—关节i和j的耦合惯量：关节i和j的加速度 j i 生一个等于 Diji 和 Dij j 的惯性力；
2 D22 m2 d 2
耦合惯量 向心加速度 系数
2 D12 m2 d2 m2 d1d2 cos2
D111 0 D122 m2 d1d 2 sin 2 D211 m2 d1d 2 sin 2 D222 0
哥氏加速度 系数
重力项
D112 D121 m2 d1d 2 sin 2 D212 D221 0
) （4.2-4)
（4.2-5)
Di m p g
p i
p
qi
惯量项和重力项在机器人的控制中特别重要，它们影响到系统的稳定 性和定位精度。向心力和哥氏力仅当机器人高速运动时才有意义。
工业机器人第四章-工业机器人结构设计
缺点
直接连结传动
直接装在关节上
结构紧凑
需考虑电机自重，转动惯量大，能耗大
远距离连结传动
经远距离传动装置与关节相连
不需考虑电机自重，平衡性良好
额外的间隙和柔性，结构庞大，能耗大
间接传动
经速比远>1的传动装置与关节相连
经济、对载荷变化不敏感、便于制动设计、方便一些运动转换
传动精度低、结构不紧凑、引入误差，降低可靠性
直接驱动
不经中间关节或经速比=1的传动装置与关节相连
传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快
控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高
一 工业机器人总体设计
模块化结构设计 模块化工业机器人 由一些标准化、系列化的模块件通过具有特殊功能的结合部用积木拼搭方式组成的工业机器人系统。 模块化工业机器人的特点 经济性 灵活性 存在的问题 刚度比较差 整体重量偏重 模块针对性待提高
谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。三个构件中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出 ，组成差动传动。
当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2 ，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。
机器人的驱动系统(1)
进电机作为机器人的执行电机，由于电机速度较高，所以需配以 大速比减速装置 ；通常其电机的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以 必须使用带减速器的电机驱动。 但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振 动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸。 由于手臂通常采用悬臂梁结构，所以多自由度机器人关节上安装 减速器会使手臂根部关节驱动器的负荷增大
一、驱动方式
2. 关节直接驱动方式
日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的 DD机器人．美国Adept公司研制出带有视觉功能的 四自由度平面关节型DD机器人．
日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD一 600V机器人．其性能指标为：最大工作范围1.2 m， 可搬重量5 kg，最大运动速度8.2m／s，重复定位 精度0.05 mm
一、驱动方式
（2）远距离驱动 远距离驱动将驱动器与关节分离，目的在于减少关节的
体积、减轻关节重量。 一般来说，驱动器的输出力矩都远远小于驱动关节所需
要的力，因此也需要透过减速机来增大驱动力。 远距离驱动的优点在于 能够将多自由度机器人关节驱动所必需的多个驱动器设
置在合适的场所。 由于机器人手臂都采用悬臂梁结构，远距离驱动是减轻
位于手臂根部关节的驱动器负载的一种措施。
二、驱动元件
机器人关节的驱动元件有： （1）液压元件 （2）气动元件 （3）电动元件
二、驱动元件
1.液压驱动
机器人的驱动系统采用液压驱动， 有以下几个优点：
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；
第四章 工业机器人设计(机械制造装备设计 第四版)
机械制造装备设计
大连理工大学 机械工程学院
机械制造装备设计
目录
第一章 机械制造及装备设计方法 第二章 金属切削机床设计 第三章 典型部件设计 第四章 工业机器人设计 第五章 机床夹具设计 第六章 物流系统设计 第七章 机械加工生产线总体设计
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▪ 坐标系按右手确定（右图）； ▪ 关节坐标系的确定（下图）； ▪ 确定基准状态； ▪ 关节坐标轴轴线位置的选取； ▪ 关节坐标方向的选取。
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4.1.3工业机器人的主要特性表示方法 Ⅳ
❖ （二）机械结构类型 用结构坐标形式和自由度表示。 自由度是表示工业机器人动作灵 活程度的参数，以直线运动和回 转运动的独立运动数表示
机械制造装备设计
4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
操作机 由末端执行器、手腕、 手臂及机座组成。
图4-1工业机器人系统的组成 1—机座 2—控制装置 3—操作机
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4.1.2工业机器人的构成及分类
Ⅳ
图4-2PUMA机器人 操作机
a)结构简图 b)运动功能简图
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4.1.1工业机器人的定义及工作原理 Ⅳ
❖ （一）机器人的定义 ▪ 我国国家标准GB/T12643——90将工业机器人定义为 “是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度 的操作机 ，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各 种作业”。
❖ （二）工业机器人的基本工作原理 ▪ 工业机器人的基本工作原理：通过操作机上各运动构件 的运动，自动的实现手部作业的动作功能及技术要求。
机器人四大系统组成部分
机器人四大系统组成部分机器人由驱动系统、机械系统、感知系统和控制系统等组成。
1、驱动系统驱动系统是驱使机械系统运动的机构,一般由驱动装置和传动机构两个部分组成。
它按照控制系统发出的指令信号,借助动力元件使机器人执行动作。
因驱动方式的不同,驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。
驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连,也可以通过传动机构与执行机构相连。
传动机构通常有齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动等几种类型。
2、机械系统机器人的机械系统是机器人赖以完成作业任务的执行机构,即指机器人本体,一般是一台机械手,也称操作器或操作手。
它可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。
其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常为机器人的自由度数根据关节配置形式和运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。
出于拟人化的考虑,机器人本体的有关部位分别被称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。
3、感知系统感知系统又称传感器,相当于人的感觉器官,能实时检测机器人的运动及工作情况,并根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比狡后,调整执行机构,以保证机器人的动作符合预定的要求。
传感器大致可以分为两类:内部传感器和外部传感器。
内部传感器主要用来检测机器人本身的状态,为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息,如各关节的位置、速度、加速度等,并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器,形成闭环控制,主要有位置传感器、速度传感器等;外部传感器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息,使机器人的动作适应外界情况的变化,达到更高层次的自动化,提高机器人的工作精度,常见的有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等。
4、控制系统控制系统是机器人的指挥中枢,负责处理作业指令信息、内外环境信息,并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策,产生相应的控制信号,通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、确定的轨迹运动,完成特定的作业。
机械装置的精密驱动与传动控制技术
机械装置的精密驱动与传动控制技术1. 引言机械装置的精密驱动与传动控制技术在现代工业领域中扮演着重要的角色。
随着科技的不断进步，人们对于机械装置的要求也越来越高，既要求其能够精确地执行指令，又要求其能够高效地传递和转换能量，因此，精密驱动与传动控制技术的研究与应用显得尤为重要。
2. 精密驱动技术精密驱动技术是指通过各种方法实现对机械装置进行精确控制的技术。
在过去，人们通常采用传统的机械驱动方式，如齿轮传动、链传动等，但是这些方式往往存在传动误差较大的问题。
而随着数控技术的快速发展，人们开始采用电子驱动技术，如伺服驱动、步进驱动等，这些电子驱动技术可以使机械装置的运动更加稳定和精确。
3. 精密传动控制技术精密传动控制技术是指在机械传动过程中，通过各种控制手段对传动过程进行精确控制的技术。
传统的机械传动系统往往存在传动误差较大的问题，特别是在长时间使用后，传动误差会越来越大，这对于一些需要精密控制的机械装置来说是不可接受的。
因此，精密传动控制技术的研究与应用对于实现高精度的机械装置非常重要。
4. 常见的精密驱动与传动控制技术4.1 伺服驱动技术伺服驱动技术是一种通过电子装置控制机械装置运动的技术。
它通过将电子信号转换成机械运动，从而实现对机械装置的高精度驱动。
伺服驱动技术具有响应速度快、定位精度高等优点，因此被广泛应用于需要高精度控制的机械装置中。
4.2 步进驱动技术步进驱动技术是一种通过控制电流来实现机械装置驱动的技术。
与伺服驱动技术相比，步进驱动技术具有成本低、简单、可靠等优点。
但是由于步进驱动技术存在固有的步进角度，因此其应用范围相对有限。
4.3 液压驱动技术液压驱动技术是一种通过液体的力来实现机械装置驱动的技术。
液压驱动技术具有传递功率大、响应速度快等优点，并且可以在大功率密度条件下工作，因此被广泛应用于工程机械等领域。
5. 精密驱动与传动控制技术在工业生产中的应用5.1 机器人技术机器人技术是一种将精密驱动与传动控制技术应用于自动化生产中的技术。
第四章 万向传动装置
•4.2 普通万向节
万向节按其在扭转方向的刚度大小，可分为刚性万向节和挠性万向节。 刚性万向节靠铰链式连接传递动力，挠性万向节靠弹性元件传递动力。刚性 万向节按其速度特性可分为普通(不等角速)万向节和等角速万向节。不等速万 向节有十字轴式万向节，等速万向节有双联式、三销轴式、球叉式和球笼式 等几种。 •4.2.1 普通万向节 汽车传动系广泛使用普通万向节即十字轴式刚性万向节，其结构如图44所示。这种万向节允许相邻两轴在夹角不大于150~200的情况下工作。 • 1．构造 普通十字轴万向节由如图4-4所示，一般有一个十字轴、两个万向节和 四个滚针轴承、油封和油嘴等组成。 万向节叉5与前传动轴后端凸缘盘用四个螺栓相连接。两个万向节的两对孔通 过四个滚针轴承（由滚针3和套筒2组成）分别与十字轴7的两对轴颈相铰接。 这样，当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方 向摆动。为了防止轴承在离心力的作用下被甩出，万向节叉上用螺钉固定有 轴承盖，并用锁紧垫锁紧。为了润滑轴承，十字轴做成中空的，并开有
•润滑油道通向轴颈。在十字轴的轴颈上套着装在金属圈内的毛毡油封4.滚针 •轴承的轴向定位方式为盖板式。安全阀6起着防止油压过高而使密封损坏的 作用。
图4-4十字轴式刚性万向节 1-轴承盖 2-套筒 3-滚针 4-油封 5、9-万向节叉 6-安全阀 7-十字轴 8-油嘴
十字轴式刚性万向节
10
•2．十字轴万向节的工作特性
上述刚性万向节结构简单，传动效率高，因此，在现代 汽车上被广泛采用。但这种刚性万向节，单个使用在两轴之间 有夹角的情况下，其两轴的角速度是不相等的，即主动轴等速 转一周时，从动轴会出现两次周期性的超越或滞后变化，两轴 夹角越大，角速度变化幅度也越大。下面以单个万向节传动情 况来分析其不等速性。在一圈内有两快两慢。从动叉轴出现两 次超越和滞后，而不等速的程度是随α角增大而增大。但两轴 的平均转速是相等的，即主动轴转一圈，从动轴也转一圈。
第04章-机器人动力学剖析
研究机器人动力学的目的
研究机器人动力学的目的是多方面的。 动力学正问题与机器人的仿真有关； 逆问题是为了实时控制的需要，利用动力学模型，实现 最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。在设计中 需根据连杆质量、运动学和动力学参数、传动机构特征和负
载大小进行动态仿真，从而决定机器人的结构参数和传动方
利用前面的虚功原理来推导机器人的静力学关系式。 如图4－2所示的机械手，要产生图（a）所示的虚位 移，推导出图（b）所示各力之间的关系式。这一推导方 法本身也适用于一般的情况。
图4－2 机械手的虚位移和施加的力
假设 ： T m1 手爪的虚位移为 r r1 ,, rm , R 关节的虚位移为 1 ,, n T , R n1 T m1 手爪力为 F f1 ,, f m , R T n1 关节驱动力为 1 ,, n , R 如果施加在机械手上的力作为手爪力的 反力（ F 用来表示）时，机械手的虚功可 表示为： T T （4－5） W (F ) r
下面看一个例子来理解一下实际上如何使用虚 功原理。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 L A ，LB 已知。
图4－1 杠杆及作用在它两端上的力
按照虚功原理，杠杆两端受力所作的虚功应
该是
FAx A FBx B 0
（4 － 1 ）
一、虚功原理 在介绍机器人静力学之前，首先要说明一下 静力学中所需要的虚功原理（principle of virtual work）。 约束力不作功的力学系统实现平衡的必要且 充分条件是对结构上允许的任意位移（虚位移） 施力所作功之和为零。这里所指的虚位移 （virtual displacement）是描述作为对象的系统 力学结构的位移，不同于随时间一起产生的实际 位移。为此用“虚”一词来表示。而约束力 （force of constraint）是使系统动作受到制约的 力。
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
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。
第四章-工业机器人精选全文
从模仿能力意义上来看，也可以把机械手、操作机和工 业机器人统称为“工业机器人”。
目前世界各国对机器人还没有一个统一的定义。 我国国家标准GB／T12643—90将工业机器人定义为“是
一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操 作机，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作 业”。
将操作机定义为“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它操作的机械装置”
似 运 •但 包 方 括 动 ••标 •作 精 •(••工 精 •d•形一 关 又 其 (按 其 (与图)43人 动 关 含 便 回 关 形 度 度 式空 作)节 称 特 圆 特 机)般c圆 直的 副 节 有 ， 转 节 式 较 较 动)间 空型 极 点 柱 点 床的角柱范间关 称 型 移 可 运 。 动 差 好 作关机 坐 是 坐 是 相坐坐围范节为机动统动作。。。节器标灵标灵似标标动关器运称关大围(人型活形活，指运型型作节人动为节，较的，性式性按回动机机，。中副关和但大特按好动较直转)器器故有，节直。刚，点球，作好角运人人度刚将时为，线动是坐工。，坐(、度其也了包运副灵标图、， 活 •刚性度好和，精工度作高空，间但范灵围活大性 (差同，样工占作地空面间积范情围况小下。)， 但刚度和精度较低。
3．总体评价
• 总体设计阶段所得的设计结果是各构件及关节的概略 形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设 计阶段尚未考虑的细节也具体化了，因此各部分尺寸 会有一些变化，需要对设计进行总体评价，检测其是 否能满足所需设计指标的要求。
4.2 工业机器人运动功能设计
一、工业机器人的位姿描述 二、工业机器人运动方程 三、工业机器人的运动功能设计 四、工业机器人的工作空间解释 五、工业机器人的轨迹解析
4.1.4工业机器人的特性表示方法
《机器人传动》课件
安全与可靠性问题
总结词
随着机器人应用领域的不断扩展，其安全与可靠性问 题也日益突出，成为制约其进一步发展的关键因素之 一。
详细描述
在机器人传动系统中，由于高速度、高精度和高可靠性 的要求，对安全与可靠性问题提出了更高的要求。为了 提高安全性和可靠性，需要加强传动系统的动态特性和 热特性研究，优化设计、制造和控制技术。同时，建立 完善的安全标准和规范，加强安全监管和测试评价也是 必不可少的措施。此外，加强技术研发和人才培养，提 高整体技术水平和创新能力也是解决安全与可靠性问题 的关键。
《机器人传动》PPT课件
目录 Contents
• 机器人传动的概述 • 机器人传动的关键技术 • 机器人传动的材料选择 • 机器人传动的维护与保养 • 机器人传动的发展趋势与挑战 • 案例分析：某型机器人传动系统设计
01
机器人传动的概述
机器人传动的定义
机器人传动是指将动力从驱动器传递 到执行器，以实现机器人的各种动作 和运动。
定期更换润滑油
根据需要更换润滑油，以确保润滑效果。
更换磨损件
定期检查易损件
如轴承、链条等，确保其未出现过度磨损。
及时更换磨损件
一旦发现易损件出现过度磨损，应及时更换。
选择合适的配件
确保更换的配件与原设备相匹配，以保证性能和安全性。
05
机器人传动的发展趋势与挑 战
技术创新与突破
总结词
随着科技的不断发展，机器人传动技术也在不断创新和突破，以满足更高的性能要求和 应用需求。
同步带传动技术
同步带传动
01
利用同步带与同步带轮之间的摩擦力传递动力和运动，具有传
动平稳、噪声小式、封闭式等，根据传动方式可分
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步进电机
步进电机驱动放大器
14
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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
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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
气泵
气动三大件
气动控制阀
6
4.2 伺服电机的特点及应用
1．直流伺服电机 直流 (DC)伺服电机转动惯性小，启停反应快，速度变化
范围大，效率高，速度和位置精度都很高。
直流伺服电机有很多优点，具有很高的性价比，一直是机 器人平台的标准电机。但它的电刷易磨损，且易形成火花。
舵机
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舵机的脉冲比例调制（PPM）电路
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4.4 步进电机的特点及应用
步进电机是一种无刷电机，其磁体装在转子上，绕组装在 机壳上。步进电机本质上是一种低速电机，控制方便，可以 实行精确运动，最佳工作转速为50~100r/min。
主要技术参数——
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步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，有 较好的制动效果，但在速度很低或大负载情况下，可能产 生丢步现象，多用于低精度小功率机器人系统。
思考题：
1、机器人常用的驱动方式及其特点 2、电驱动器的主要类型及其特点 3、直流电机的主要技术参数有哪些？
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液压驱动器可分为以下几种类型。
液压缸
液压驱动 液压马达
回转马达 摆动马达
3
液压泵
液压缸
液压控制阀
液压摆动马达
液压马达
4
3．气动驱动器类型及特点 气动驱动器的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作
用。但也需要增设气压源，且与液压驱动器相比，功率较 小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不 高、但有洁净、防爆等要求的点位控制机器人。
效率高，维护方便，在工业机器人中有一定的应用。
交流伺服电机的主要技术参数与直流伺服电机相近。
交流伺服电机
驱动放大器
9
4.3 舵机的特点及应用
舵机是集成了减速器、检测元件和控制板的微小型直流 电机。体积小、成本低，控制方便，但功率较小。
舵机的转动范围一般在60°~180°之间，由于设置了一 个电位器，可随时检测输出轴的位置，因此可以实现闭环 控制，多用于低成本的个人机器人和模型机。
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主要参考文献：
（1）柳洪义，宋伟刚 编著，《机器人技术基础》，冶金工业出版社，2002 （2） [美] John J. Craig著，贠远超译，机器人学导论，机械工业出版社，2006.6 （3） [美] 丹尼斯. 克拉克等著，宗光华等译，机器人设计与控制，科学出版社，
2004.5. （4）龚振邦等， 《机器人机械设计》，电子工业出版社，1995
电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，转 动惯性小，速度和位置精度都很高，但它们多与减速装置 相联，直接驱动比较困难。
电动驱动器的类型很多，可分为以下几种类型。
电驱动
直流伺服电机驱动（包括直线电机） 交流伺服电机驱动 步进电机伺服驱动
有刷 无刷
舵机驱动
力矩电机
2
2．液压驱动器类型和特点
液压驱动器的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被 驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具 有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适 合高、低温及有洁净要求的场合。故液压驱动器目前多用于 特大功率的操作机器人系统或机器人化工程机械。
工作原理
直流伺服电机与驱动放大器
7
直流伺服电机的主要技术参数
额定输入电压 空载转速 堵转转矩 输出功率 空载电流 转矩系数 电枢电阻 电枢感应系数 最大效率 最大径向载荷 最大轴向载荷
直流伺服电机与驱动放大器
8
2．交流伺服电机 交流 (AC)伺服电机较直流伺服电机的功率大，无需电刷，