第四章 工业机器人设计

第四章 工业机器人设计

1.工业机器人是一种生产装备，其基本功能是提供作业所需的运动和动力，其基本工作原理是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。

2.工业机器人与机床相同之处：末端执行器都有位姿变化要求。
工业机器人与机床不同之处：
1）机床按直角坐标形式运动为主；而机器人按关节形式运动为主。
2）机床对刚度，精度要求很高，灵活性相对较低；而机器人对灵活性很高，其刚度，精度相对较低。

3.工业机器人由操作机，驱动单元，控制装置（检测和控制两部分）等组成。

4.工业机器人的机械结构可分为四类
1）关节型机器人，其特点是灵活性好，工作空间范围大，但刚度和精度较低。
2）球坐标型机器人，其特点是灵活性好，工作空间范围大，但刚度和精度较差。
3）圆柱坐标型机器人，其特点是灵活性好，工作空间范围大，但刚度和精度较好。
4）直角坐标型机器人，其特点是刚度和精度较高，但灵活性差，工作空间范围小。

5.机器人的机械结构类型特征，用它的结构坐标形式和自由度数表示。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。一般来说，机器人的自由度与原动件数目相等。

6.工作空间指工业机器人正常工作是时，手腕参考点（或机械接口坐标原点）能在空间活动的最大范围，用它来衡量机器人工作范围的大小。

7.额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口处所能承受载荷的允许值。

8.额定速度是指工业机器人在额定负载，匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。

9.工业机器人的位姿是指其末端执行器在指定坐标中的位置和姿态。有两种描述方式，其一是用动作功能的要求来描述；其二是用机器人的运动来描述。

10.工业机器人从机座到末端执行器各关节的位姿不断变换，为分析方便，往往用末端执行器和机座之间的齐次坐标变换矩阵来描述。

11.由各关节的运动量，求机器人末端执行器的位置及姿态，称为机器人的正运动解析；由机器人的末端执行器的位姿求关节运动量，称为机器人的逆运动学解析。

12.与运动学位姿问题类似，动力学分析也可分正问题和逆问题。已知在操作机各驱动关节上作用的驱动关节上作用的驱动力或力矩，求机器人末端执行器的运动轨迹，速度和加速度，这是动力学正问题；已知末端执行器上某一点的运动轨迹及各轨迹点的速度。加速度，求驱动器应向主动关节提供的驱动力，这是动力学逆问题。

13.谐波齿轮

传动装置是由三个基本构件组成的，即具有内齿的刚轮G，具有外齿容易变形的，薄壁圆筒状柔轮R和波发生器H。

14.谐波减速器在机器人中应有的优点有；传动比大。承载能力强，传动精度高，传动平稳，效率高，体积小，质量小等。

15.手臂结构设计要求；
1）手臂的结构和尺寸满足工作空间要求。
2）根据载荷和结构特点，选择手臂截面形状和高强度轻质材料。常用空心的薄壁矩形体或圆管。
3）尽量减少手臂质量和转动惯量，偏重力矩，以便减小驱动装置的负载，减少运转的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度
4）设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位提高定位精度。

16.机座结构设计要求；
1）要有足够大的安装基面，保证工作稳定性。
2）保证足够的强度，刚度和承载能力。
3）机座与手臂的连接要有可靠的定位基准面，要有轴承间隙和传动间隙的调整机构。

17.手腕设计要求；
1)应力求手腕部件的结构紧凑。
2）根据作业实际需求，可减少手腕部件自由度数，甚至可以不设置手腕，以简化结构。
3）提高手腕动作的精确性。
4）对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止超限。

18.位姿控制是机器人最基本的控制任务。这种控制需要操作机动力学的精确建模，并且忽略作业负载的变化。

19.工业机器人控制系统的构成形式取决于机器人所有执行的任务及描述任务的层次。控制系统的功能是根据描述的任务来执行任务。其控制变量的选取依赖于任务描述的层次。