机械电子工程原理 教学课件 作者 王孙安 等编著 Ch17 第十七章 关节式机器人系统设计.ppt

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1、机械电子工程原理第十七章关节式机器人设计17.1关节式机器人简介机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体，传感器，控制器和功率驱动器组成。机械本体是机器人的执行机构；传感器用于提供机器人本身或其所处环境的信息，从而对机械本体进行精确控制；控制器用来产生指令信号，控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置；功率驱动器是将控制器输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作。现代机器人系统还包括由许多精巧的传感器以及各种各样的控制策略软件。2反映机器人特性的基本参数反映机器

2、人特性的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性以及动态特性等。工作空间通常指末端执行器中心点在空间所能达到的范围。机器人的自由度数一般就等于它的关节数，工业机器人大多具有4～6个自由度。机器人的运动自由度数越多，它的功能就越强，结构也越复杂。对于关节式机器人，在工作空间的边缘，可能存在自由度退化现象。3机器人的运动精度机器人的运动精度涉及位置精度h、重复位置精度B和系统分辨率。位置精度h指机械本体的手臂端点实际到达的位置分布曲线的中心和目标点之间坐标距离的大小。重复位置精度B是指手臂端点实际到达点分布曲线的宽

3、度。系统分辨率是在机械系统设计时确定的。417.2总体设计系统分析系统分析的主要目的是确定机器人系统的使用场合、工作环境和工作要求。本机器人系统主要作为教学研究用，其工作环境为教学实验室，要求它能够进行连续轨迹控制，同时应具有行程控制功能，在异常情况时能够人工制动，保护电机、减速器以及手臂等。5技术设计机器人基本参数的确定末端负载质量1kg允许转矩腰关节（S轴）6Nm肩关节（L轴）6Nm肘关节（U轴）3Nm工作范围S轴-170°~+170°L轴-45°~+150°U轴-170°~+170°最大运动速度S轴（旋转）210°/sL轴（

4、旋转）170°/sU轴（旋转）225°/s定位精度末端重复定位精度±0.1mm6机器人运动形式的选择机器人的运动形式常见有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型和SCARA型。运动形式的选择原则是，在满足需要的情况下，使自由度最少，结构最简单。7机器人运动形式的选择本章设计的机器人系统采用关节型三自由度的运动形式。关节型结构形式的机器人动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对部位容易密封防尘。两台同型号的伺服电机对称布置在腰座上，一台驱动L臂，一台驱动L臂上的同步齿轮，经同步带传动

5、U臂，系统容易获得静态平衡，惯量减小，稳定性得到提高。8确定控制系统总体方案本机器人系统的控制系统采用PC+DSP运动卡的控制模式，利用了以DSP为核心的多轴运动控制技术，实现对多轴伺服作业系统的直接控制，构成了新一代的开放式机器人通用控制系统。9确定控制系统总体方案PMAC（ProgrammableMulti-AxisController）是美国DELTATAU公司九十年代推出的基于DSP的开放式可编程多轴运动控制器，提供多轴插补计算、运动控制、用户辅助PLC编程以及数据采集处理等功能。设计的基于PC+PMAC运动卡的开放式三关

6、节机械手控制器采用标准工业PC机作为硬件平台，处理机械手控制中的非实时任务；实时任务由PMAC运动控制卡处理。运动控制卡可控制伺服电机驱动机械手的各个关节，使机械手末端按预定的轨迹运动。10机械结构设计机械结构设计的目的是确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要部件零件图。各关节上采用的电机及驱动器型号如下表所示伺服驱动系统关节部位电机驱动器腰关节MSMA022C1HMSDA023D1A肩关节、肘关节MSMA5AZC1HMSDA5A3D1A谐波减速器腰关节XB3-80-100I肩关节、肘关节XB3-50-1

7、00I11机器人系统本体装配图与传统的机械机构相比，机器人的本体集支撑、连接和执行三大功能于一身，它是机器人设计的重要部分。1-基座2-电机3-减速器4-轴承5-腰关节6-腰部7-肩关节8-电机9-法兰10-同步带11-臂板12-小臂主体13-小臂扩展体12仿真分析仿真分析的目的是：（1）运动学计算。分析是否能够达到要求的速度、加速度和位置；（2）动力学计算。计算关节驱动力的大小，分析驱动装置是否满足要求；（3）运动的动态仿真。将每一位姿用三维图形连续显示出来，实现机器人的运动仿真；（4）性能分析。建立机器人数学模型，对机器人动态

8、性能进行仿真计算；（5）方案和参数修改。运用仿真分析的结果对所设计的方案、结构、尺寸和参数进行修改，加以完善。13仿真分析机器人的本体可以看作由几个独立运动杆件以旋转或位移的关节组成的机构，每一个关节上安装有传感器检测各个关节的位移qi(t)。机器