機(jī)器人是近40年來發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。
工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的特點(diǎn)是可通過編程完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其是體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)器作業(yè)的準(zhǔn)確性和在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。
機(jī)器人技術(shù)涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自控技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。而機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)乃是機(jī)器人的主要基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，也是現(xiàn)代機(jī)械原理研究的主要內(nèi)容。
工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制并可重新編程予以變動(dòng)的多功能機(jī)器。它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物料、零件和握持工具，以完成各種不同的作業(yè)。
1、工業(yè)機(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及智能系統(tǒng)部分組成。
2、機(jī)器人各部分關(guān)系
3、機(jī)器人各部分功能
執(zhí)行機(jī)構(gòu):是機(jī)器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分。通常為開式空間連桿機(jī)構(gòu)。
驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu):由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。傳動(dòng)有機(jī)械式、電氣式、液壓式、氣動(dòng)式和復(fù)合式等。而驅(qū)動(dòng)器有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、液壓馬達(dá)和液壓缸等。
控制系統(tǒng):一般由示教操作盤或控制計(jì)算機(jī)和伺服控制裝置組成。前者作用是發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要完成編程、示教/再現(xiàn)以及和其它環(huán)境狀況(傳感器信號(hào))、工藝要求。外部相關(guān)設(shè)備之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。而后者是控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器使各桿能按預(yù)定運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。
智能系統(tǒng):則由感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)組成，它分別由傳感器及軟件來實(shí)現(xiàn)。
4、機(jī)器人操作機(jī)
工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機(jī)。它由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部及手部組成。即由手臂機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)組成。
5、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展過程
第一代為示教/再現(xiàn)型機(jī)器人。它主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多。
第二代機(jī)器人為感覺型機(jī)器人。如有力覺、觸覺和視覺等，它具有對(duì)某些外界信號(hào)進(jìn)行反饋調(diào)整的能力。目前已進(jìn)入應(yīng)用階段。
第三代為智能型機(jī)器人。其尚處于完全研究階段。
6、操作機(jī)的主要類型:直角坐標(biāo)型;圓柱坐標(biāo)型;球坐標(biāo)型;關(guān)節(jié)型。
7、操作機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)
(1)自由度
自由度為用來確定手部相對(duì)機(jī)座的位置和姿態(tài)的獨(dú)立參數(shù)的數(shù)目，它等于操作機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目。由下式來計(jì)算。
自由度是反映操作機(jī)的通用性和適應(yīng)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前一般通用工業(yè)機(jī)器人大多為5自由度左右，已能滿足多種作業(yè)的要求。
(2)工作空間:即操作機(jī)的工作范圍。
(3)靈活度:靈活度是指操作機(jī)末端執(zhí)行器在工作(如抓取物件)時(shí)，所能采取的姿態(tài)的多少。若能從各個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最大;若只能從一個(gè)方位抓取物體，則其靈活度最小。
7、操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定
(1)操作機(jī)位置和姿態(tài)的描述
構(gòu)件的空間位置和姿態(tài)是用該構(gòu)件的位置列陣rij和姿態(tài)矩陣Rij來描述，或用該構(gòu)件的位置矩陣Mij來描述。
(2)兩桿間的位置矩陣
桿i相對(duì)與桿i-1的位姿矩陣Mi-1,i，即為坐標(biāo)系i相對(duì)于坐標(biāo)系i-1的變換矩陣，此法稱為D-H法。
8、操作機(jī)位置方程建立及求解
(1)操作機(jī)位姿方程的建立
操作機(jī)i的位姿矩陣方程為:M0i=M01M02…Mi-1,i，即為操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。
(2)操作機(jī)位姿方程的求解
機(jī)器人操作機(jī)末端執(zhí)行器的位姿分析有兩類基本問題:
1)位姿方程的正解
已知各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，求末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。
2)位姿方程的逆解
根據(jù)已給定的滿足工作要求的末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
這是對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制的關(guān)鍵，因此只有使各關(guān)節(jié)按逆解中求得的運(yùn)動(dòng)，才能使末端執(zhí)行器獲得所需的位置和姿態(tài)。
9、工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)是由機(jī)座、手臂、手腕及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)械裝置。而從機(jī)器人完成作業(yè)的方式來看，操作機(jī)個(gè)是由手臂機(jī)構(gòu)、手腕機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行器等組成的機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)方案及其運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
(1)操作機(jī)手臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
手臂機(jī)構(gòu)一般為2~3個(gè)自由度，要求可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、仰俯、升降或伸縮三種運(yùn)動(dòng)形式。手臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，先要確定其結(jié)構(gòu)型式和尺寸，還需考慮各種構(gòu)件的重量對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度、精度及剛度的影響。
(2)操作機(jī)手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
手腕機(jī)構(gòu)一般為1~3個(gè)自由度，要求可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、偏擺或擺轉(zhuǎn)和仰俯三種運(yùn)動(dòng)形式。
手腕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要確定其結(jié)構(gòu)型式及持續(xù)尺寸，并要注意誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。為使其機(jī)構(gòu)緊湊，要減少其重量和體積，以利于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)的布置和提高手腕動(dòng)作的精確性。
(3)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)
根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)的要求，先確定其類型和機(jī)構(gòu)形式，并盡可能使其類型和機(jī)構(gòu)形式，盡可能使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、重量輕，以減輕手臂的負(fù)載。
