机器人学导论第6章1PPT课件
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我们必须在这两个矛盾的性能之间进行平衡。
（三）减速齿轮的使用
液压活塞只做很小的移动便可输出全部的力。因此没 有必要用减速齿轮链来增大力矩并使操作速度降低。因此， 将驱动装置直接安装在机器人连赶上，就能简化设计、降 低系统重量和成本、降低关节的转动惯量和间隙、提高系 统的可靠性和降低噪声。
电机通常以很高速度旋转，显然人们不希望机器臂的 速度也这么高，因此必须设置减速齿轮。同时也增加了成 本和零件数，以及间隙和旋转体的转动惯量。而且因为连 杆可以转动很小的角度，因此使用齿轮也增加了系统的分 辨率。
式中 bm 和 b l 分别为电机和负载的粘性摩擦系数。 从方程可以看出，负载在电机轴上的有效转动惯量 与减速比的平方成反比，即：
3 常用驱动器
电动机、伺服电机、步进电机、直接驱动电动机、液压 驱动器、气动驱动器、形状记忆金属驱动器、磁致伸缩驱 动器。
6.2.1 驱动系统的性能
（一）重量、功率-重量比和工作压强
驱动系统的重量及功率-重量比至关重要，我们可以利用功 率/重量来评价一个驱动系统。
气动系统的功率-重量比最低
电子系统的功率-重量比属中等水平
齿轮齿条平行手爪夹持器
柔性工具连接器
末端执行器关键部件：
（1）末端工具； （2）手爪快速更换装置； （3）控制功能部分。
§ 6.2 驱动器
1 驱动器的概念
如果连杆及关节相当于人的骨骼，那么驱动器相当于人 体肌肉，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。
2 驱动器的特征
足够的功率、轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维 护。
由于手腕设计的复杂
性，许多低价值的机器人 手腕只有两个自由度。典 型两个自由度的手腕由圆 锥差动齿轮组成，它可以 完成ROLL(滚动)、PITCH (俯仰)两个动作。
Mini-Mover 5机器人臂的2自由度腕
Hobert Motoman 机器人腕
Cincinnati Milacron 机器人腕T3
同样功率情况下，步进电机通常比伺服电机重，具有较低 的功率-重量比（电机压力越高，功率-重量比也越高）。
液压系统具有最高的
注意：对液压系统，重量由液压驱动器和液压功率源两部 分（驱动器起到驱动机器人关节的作用，而后者起到提供能量 的作用）组成。同时对于液压系统来说，工作压强越高，功率 越大，维护越困难，越易产生危险。
关节臂中所有的关节都
是转动关节。
如图所示的PUMA机器 人就是一种最为普通的关 节臂。
（二）腕部结构
机器人手臂具有3个自由度以到达 空间任意位置，为了描述完整的空 间姿态，要求手腕也要有3个自由度 以实现空间任意姿态。典型的3自由 度旋转式机器人手腕类似于人的手， 通常用航海术语描述：ROLL(滚动)； PITCH(俯仰)；YAW(偏转)。手腕中 很少采用滑动关节。
IBM 7665机器人腕结构 Cincinnati Milacron 机器人腕 Puma 机器人腕
（三）末端执行器
工业机器人的夹持器（末端执行器）可以 粗略地比作人的手，最简单的夹持器是一个 带有绕一个公共轴转动的两个手爪的钳子， 当这样两个手爪相距较近且当（1）所夹持 的物体要求一定压力以保持物体不致掉落下 来；（2）对于多指手爪，每一个与物体接 触的关节与物体间都要产生一个作用力，所 有作用于夹持物体上的合力等于零—多指手 爪夹持物体的基本判断准则。
我们假设通过一组减速比为N的减速齿轮将惯量为 I l 的 负载连在惯量 I m（包括减速齿轮的惯量)的电机上，如 下图所示：
电机及负载上的力矩及速度比为：
Tl NTm
l N1 m以及l N1 m
列出系统的力矩平衡方程，可得： TmImmbmmN 1Tl ImmbmmN 1(Ill bll)
ImmbmmN 12 Ilmblm
电机、计算机、接口、传感器、动力源等；
5 机械子系统
机械臂、手爪、腕、移动车、驱动器、连杆、关节、齿 轮、齿条、链条等；
6 传感子系统
内部的：位置、速度、加速度、力、力矩等； 外部的：视觉、接触觉、声觉、化学等。
机器人各子系统主要功能为：
1 处理子系统
将机器人执行的任务细化成一系列机器人所能够执行的 步骤。
第6章 驱动控制
机器人的子系统主要包括： 1 处理子系统
工作环境、人、将执行的任务环境、其它机器人及工作 运动单元；
2 规划子系统
概念的形成、传感信息处理及集成、世界模型的建立、 任务模型建立及规划、轨迹规划、避碰、夹持规划等。
3 控制子系统
力学模型、处理模型、坐标传百度文库、开闭环控制等。
4 电气子系统
2 规划子系统
包含建模、理解处理和规划智能处理过程。在建模阶段， 来自传感器的数据用该任务的数学模型融合并形成一个参 考模型。使用这个参考模型，理解处理阶段选择策略以执 行该任务。规划阶段将这些策略转换成机器人控制程序。
3 控制子系统
执行上述转换的程序。
4 电气子系统
对于电动驱动器，将来自控制子系统的驱动器数据输入 给电气子系统。而一般的液压和气动驱动器一般是由电动 控制阀控制，也可以用电动驱动器控制方法实现。这个子 系统也包含计算机、接口和动力源。
由于手腕设计的复杂
性，许多低价值的机器人 手腕只有两个自由度。典 型两个自由度的手腕由圆 锥差动齿轮组成，它可以 完成ROLL(滚动)、PITCH (俯仰)两个动作。
Mini-Mover 5机器人臂的2自由度腕
Hobert Motoman 机器人腕
Cincinnati Milacron 机器人腕T3
5 机械子系统
这些驱动器驱动机械子系统中的机构以使该机器人在一 定环境下工作并完成给定的任务。
6 传感子系统
机器人和环境参数由传感子系统监测。传感器信息被用 于控制回路的反馈控制，探测危险环境、确定任务是否被 正确执行等。
§6.1 机器人机械系统及构成
（一）机器人操作臂
模仿人类手臂运动的操
作器叫做关节臂。
（二）刚度和柔性
定义
刚度是材料对抗变形的阻抗，柔度正好与之相对。刚度越 大，使它变形所需的负载越大，柔性越大，在负载作用下越 容易变形。
影响刚度和柔度的因素
弹性模量越大，刚度越大。如液压系统弹性模量大，刚性 好；气动系统很容易压缩，柔性好。
对系统的影响
刚性系统对变化负载和压力响应快，精度高，在负载作用 下弯曲或变形小，对位置保持精度高。但刚性系统易损坏。
（三）减速齿轮的使用
液压活塞只做很小的移动便可输出全部的力。因此没 有必要用减速齿轮链来增大力矩并使操作速度降低。因此， 将驱动装置直接安装在机器人连赶上，就能简化设计、降 低系统重量和成本、降低关节的转动惯量和间隙、提高系 统的可靠性和降低噪声。
电机通常以很高速度旋转，显然人们不希望机器臂的 速度也这么高，因此必须设置减速齿轮。同时也增加了成 本和零件数，以及间隙和旋转体的转动惯量。而且因为连 杆可以转动很小的角度，因此使用齿轮也增加了系统的分 辨率。
式中 bm 和 b l 分别为电机和负载的粘性摩擦系数。 从方程可以看出，负载在电机轴上的有效转动惯量 与减速比的平方成反比，即：
3 常用驱动器
电动机、伺服电机、步进电机、直接驱动电动机、液压 驱动器、气动驱动器、形状记忆金属驱动器、磁致伸缩驱 动器。
6.2.1 驱动系统的性能
（一）重量、功率-重量比和工作压强
驱动系统的重量及功率-重量比至关重要，我们可以利用功 率/重量来评价一个驱动系统。
气动系统的功率-重量比最低
电子系统的功率-重量比属中等水平
齿轮齿条平行手爪夹持器
柔性工具连接器
末端执行器关键部件：
（1）末端工具； （2）手爪快速更换装置； （3）控制功能部分。
§ 6.2 驱动器
1 驱动器的概念
如果连杆及关节相当于人的骨骼，那么驱动器相当于人 体肌肉，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型。
2 驱动器的特征
足够的功率、轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维 护。
由于手腕设计的复杂
性，许多低价值的机器人 手腕只有两个自由度。典 型两个自由度的手腕由圆 锥差动齿轮组成，它可以 完成ROLL(滚动)、PITCH (俯仰)两个动作。
Mini-Mover 5机器人臂的2自由度腕
Hobert Motoman 机器人腕
Cincinnati Milacron 机器人腕T3
同样功率情况下，步进电机通常比伺服电机重，具有较低 的功率-重量比（电机压力越高，功率-重量比也越高）。
液压系统具有最高的
注意：对液压系统，重量由液压驱动器和液压功率源两部 分（驱动器起到驱动机器人关节的作用，而后者起到提供能量 的作用）组成。同时对于液压系统来说，工作压强越高，功率 越大，维护越困难，越易产生危险。
关节臂中所有的关节都
是转动关节。
如图所示的PUMA机器 人就是一种最为普通的关 节臂。
（二）腕部结构
机器人手臂具有3个自由度以到达 空间任意位置，为了描述完整的空 间姿态，要求手腕也要有3个自由度 以实现空间任意姿态。典型的3自由 度旋转式机器人手腕类似于人的手， 通常用航海术语描述：ROLL(滚动)； PITCH(俯仰)；YAW(偏转)。手腕中 很少采用滑动关节。
IBM 7665机器人腕结构 Cincinnati Milacron 机器人腕 Puma 机器人腕
（三）末端执行器
工业机器人的夹持器（末端执行器）可以 粗略地比作人的手，最简单的夹持器是一个 带有绕一个公共轴转动的两个手爪的钳子， 当这样两个手爪相距较近且当（1）所夹持 的物体要求一定压力以保持物体不致掉落下 来；（2）对于多指手爪，每一个与物体接 触的关节与物体间都要产生一个作用力，所 有作用于夹持物体上的合力等于零—多指手 爪夹持物体的基本判断准则。
我们假设通过一组减速比为N的减速齿轮将惯量为 I l 的 负载连在惯量 I m（包括减速齿轮的惯量)的电机上，如 下图所示：
电机及负载上的力矩及速度比为：
Tl NTm
l N1 m以及l N1 m
列出系统的力矩平衡方程，可得： TmImmbmmN 1Tl ImmbmmN 1(Ill bll)
ImmbmmN 12 Ilmblm
电机、计算机、接口、传感器、动力源等；
5 机械子系统
机械臂、手爪、腕、移动车、驱动器、连杆、关节、齿 轮、齿条、链条等；
6 传感子系统
内部的：位置、速度、加速度、力、力矩等； 外部的：视觉、接触觉、声觉、化学等。
机器人各子系统主要功能为：
1 处理子系统
将机器人执行的任务细化成一系列机器人所能够执行的 步骤。
第6章 驱动控制
机器人的子系统主要包括： 1 处理子系统
工作环境、人、将执行的任务环境、其它机器人及工作 运动单元；
2 规划子系统
概念的形成、传感信息处理及集成、世界模型的建立、 任务模型建立及规划、轨迹规划、避碰、夹持规划等。
3 控制子系统
力学模型、处理模型、坐标传百度文库、开闭环控制等。
4 电气子系统
2 规划子系统
包含建模、理解处理和规划智能处理过程。在建模阶段， 来自传感器的数据用该任务的数学模型融合并形成一个参 考模型。使用这个参考模型，理解处理阶段选择策略以执 行该任务。规划阶段将这些策略转换成机器人控制程序。
3 控制子系统
执行上述转换的程序。
4 电气子系统
对于电动驱动器，将来自控制子系统的驱动器数据输入 给电气子系统。而一般的液压和气动驱动器一般是由电动 控制阀控制，也可以用电动驱动器控制方法实现。这个子 系统也包含计算机、接口和动力源。
由于手腕设计的复杂
性，许多低价值的机器人 手腕只有两个自由度。典 型两个自由度的手腕由圆 锥差动齿轮组成，它可以 完成ROLL(滚动)、PITCH (俯仰)两个动作。
Mini-Mover 5机器人臂的2自由度腕
Hobert Motoman 机器人腕
Cincinnati Milacron 机器人腕T3
5 机械子系统
这些驱动器驱动机械子系统中的机构以使该机器人在一 定环境下工作并完成给定的任务。
6 传感子系统
机器人和环境参数由传感子系统监测。传感器信息被用 于控制回路的反馈控制，探测危险环境、确定任务是否被 正确执行等。
§6.1 机器人机械系统及构成
（一）机器人操作臂
模仿人类手臂运动的操
作器叫做关节臂。
（二）刚度和柔性
定义
刚度是材料对抗变形的阻抗，柔度正好与之相对。刚度越 大，使它变形所需的负载越大，柔性越大，在负载作用下越 容易变形。
影响刚度和柔度的因素
弹性模量越大，刚度越大。如液压系统弹性模量大，刚性 好；气动系统很容易压缩，柔性好。
对系统的影响
刚性系统对变化负载和压力响应快，精度高，在负载作用 下弯曲或变形小，对位置保持精度高。但刚性系统易损坏。