关节型机器人的结构设计(1)

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1、万方数据第5期总第207期2010年3月内蒙古科技与经济InnerMongoliaScienceTechnology&EconomyNo．5，the207thissue’Mar．2010关节型机器人的结构设计鼠彦云(包头轻工职业技术学院．内蒙古包头014035)摘要：文章主要介绍了串联关节型机器人的机械结构设计、运动学分析和控制系统设计，并以五自由度关节型机器人为例，就机械结构、运动学分析、硬件驱动结构、软件控制系统、伺服通信协议等内容作了详细分析设计．关键词：关节型；机器人，结构；运动学；控制中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1007--6921(2010)

2、05一0082一03机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行任务的，并具有编程能力的多功能机械手，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化设备。机器人学是一门跨学科的综合性技术。动力学、机械设计、传感技术、模式识别、电气液压驱动、控制工程、智能控制、计算机科学技术、人工智能、仿生学、微机电系统以及计算机集成制造系统(CIMS)等学科都与机器人技术有着密切的关系。正是由于技术的这种复杂性导致了机器人形式多种多样，适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品

3、的快速更新换代起着重要的作用．1串联机器人的机械结构设计工业机器人的总体结构类型可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型四种。其中，由于关节型结构动作灵活，操作机占地面积小，具有较大的操作空间，应用比较广泛，因此，本文也以多关节工业机器人作为研究对象。从常规体系结构的角度来看，多关节机器人应该由机器人执行机构(操作机)、电气控制系统、作业环境以及人机接口等部分组成。由于关节型机器人在相同条件下比非关节型机器人具有大得多的相对空间和绝对空间，因此串联机器人的机械结构采用关节型结构．其结构见图1。本图例的机器人有五个自由度，腰部转动关节实现机器人本体除基座以外的机构的转

4、动；肩关节是个直移关节，可以带动肘关节、腕关节、指关节及工件的上下移动。以满足机器人工作空间上高度的要求。可以在小范围内调整小臂、手爪和工件的位姿。手腕包括两个转腕和旋腕关节，分别可以实现手爪的俯仰和摆动。机器人的结构布局，对其综合性能有很大影响。首先看一下机器人本体主要部件的布局。按照设备安装、拆卸和检修方便的原则，把驱动腰部关节转动的电机1就安装到机座上l但是对于驱动肩关节上下移动的电机2则应该放置到上边。如果把电机2同样安装到机座上，那么它的传动则是一个问题，因为电机1、2均在机座上，并且都要传动到腰部和肩关节，无疑会增加机座和腰部的体积，AdeptOne工业机器人

5、的直接驱动结构就是一个很明显的例子。而且在丝杠的传动中可以达到很高的速度，故把电机2安装到机器人的顶部，直接驱动丝杠。机器人的肘关节和腕部的摆动关节均是通过同步带传动，由于大臂、小臂、手腕等均是悬空的，所以把二者驱动电机3、4均配置到大臂的末端，以便来平衡机器人的重量。对于手腕的转动，则因为其需要的扭矩较小，故电机的体积小、重量小，按照就近的原则，把其放在手腕的末端。综合考虑机器人机械设计各方面的问题，拟该机器人总体结构布局如图1所示。图1机械人结构布局和传动系统2串联机器人运动学正解与反解机器人运动轨迹可分为点位控制方式、轮廓控制方式和柔顺控制方式。但无论哪一种类型都是

6、要求控制机器人末端作用器的位姿、轨迹、速度。1．腰部关节2．肩关节3．肘关节4．腕关节图2五自由度机器人方案为了对机器人进行运动模拟和控制，需对机器人进行运动学分析。从机构学角度来看．关节型非移动机器人操作机是由一系列用关节连在一起的构件所组成的具有多个自由度的开链型空间连杆机构。所以对机器人进行运动学、动力学分析时，可将机器人简化成由各连杆和末端执行器首尾相接，并通过收稿日期：2009—10--11作者简介：周彦云(197l一)，女，硕士研究生．工程师，讲师，主要研究方向：机械设计。·82·万方数据周彦云·关节型机器人的结构设计2010年第5期关节相连而构成的一个开式连

7、杆系。据此将机器人简化为连杆机构，并在底座上建立基坐标系，每个关节上建立一相对运动坐标系。连杆系统坐标系如图2所示。当机器人操作机的结构参数和运动参数确定后，便可由机器人运动学方程来确定机器人末端执行器在机座坐标系中的位姿。根据连杆系统变换矩阵T的通式，将连杆参数代人通式中，可得到连杆变换矩阵，然后将连杆变换矩阵代入运动方程中，即可解得机器人末端参考点在基坐标系中的位姿矩阵T，完成整解。若已知机器人操作机的末端位姿(n，0。a，p)。通过齐次坐标变换，即可求出末端执行器在基坐标系中的位置和方向。经推导可求出其五个关节变量的运算