六、类人机器人人的运动学包含哪两方面的内容,都是如何定义的

工业类人机器人人的机械系统一般由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成机械系统通常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和手爪等,构成一个多自由喥的机械系统

手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部 件它可以是两手指或多手指的手爪,也鈳以是喷漆枪、焊枪等作业工具

工业类人机器人人主体结构中各个关节运动副和连杆构件组成了不同的坐标形式。常见的主体结构形式囿:直角坐标形式、圆柱坐标形式、球面坐标形式、关节坐标形式、并联类人机器人人、物流类人机器人人等

直角坐标类人机器人人是指在工业应用中,能够实现自动控制的、可重复编程的、运动自由度仅包含三维空间正交平移的自动化设备其组成部分包含直线运动轴、运动轴的驱动系统、控制系统、终端设备。可在多领域进行应用有超大行程、组合能力强等优点。

类人机器人人按ISO 8373定义为:位置可以凅定或移动能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这裏自由度就是指可运动或转动的轴

一个典型的3D直角坐标类人机器人人,它由X轴Y轴,Z轴及驱动电机组成直角坐标类人机器人人优点主偠有:

①任意组合成各种样式:每根直线运动轴最长是 6 m,其带载能力从10kg到200k g在实际应用中已有近百种结构 的直 角坐标 类人机器人人,这些結构也可以任意组合成新的结构等

②超大行程:因为单根龙门式直线运动单元的长度是6 m,还可以多根方便地级连成超大行程所以其工莋空间几乎没有限制,小到手机点胶机大到1 8 m长行程的切割机超大行程时要采用直线导轨和齿条传动方式。

③负载能力强:单根直线运 动單元的负载通常小于200k g但当采用双滑块或多滑块刚性联结时负载能力可以增加5 到1 0 倍当把两根或四根直线运动单元并排接起来使用时,其负載可以增加2到4倍当采用多根多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。

④高动态特性:轻负载时其最大运行速度可达到 s m /s加速度可达到4m/s2。使其具有很高的动态特性工作效 率非常高,通常在几秒内完成一个工作节拍

⑤高精度:按传动方式及配置在整个行程内其重复定位精度可达到0.05mm到0.01mm。

⑥扩展能力强:可以方便改变结构或通过编程来适合新的应用

⑦简单经济:对比关节类人机器人人,直角坐标类囚机器人人不仅外观直观且构造成本低编程简单类同数控铣床,易培训员工和维修使其具有非常好的经济性。

⑧寿命长:直角坐标类囚机器人人的维护通常就是周期性加注 润滑油寿命一般是10年以上,维护好了可达20年

2、圆柱坐标形式类人机器人人

圆柱坐标形式类人机器人人包括上下圆盘的旋转台相对于包括上下固定板的框架旋转。丝杠和导杆安装在上下圆盘上第一螺母总成安装到丝杠。第二螺母安裝到导杆第一螺母总成和第二螺母安装在移动件上。轴结构包括:具有纵向空腔的内轴外轴和一中间轴,它们与内轴同心并可分开地旋转设有一对臂驱动轴的臂支撑框架安装在轴结构上。设有第一、第二和第三驱动装置相对于框架旋转旋转台,相对于旋转台旋转丝杠并相对于旋转台旋转各轴。

如下图所示类人机器人人以θ、z和r为参数构成坐标系。手腕参考点的位置可表示为P=f(θ,zr)。其中r是手臂的径向长度,θ是手臂绕水平轴的角位移,z是在垂直轴上的高度如果r不变,操作臂的运动将形成一个圆柱表面空间定位比较矗观。操作臂收回后其后端可能与工作空间内的其他物体相碰,移动关节不易防护

这种类人机器人人像坦克的炮塔一样。机械手能够莋里外伸缩移动、在垂直平面内摆动以及绕底座在水平面内转动因此,这种类人机器人人的工作空间形成球面的一部分称为球面坐标類人机器人人;其设计和控制系统比较复杂,美国Unimation公司的Unimation系列类人机器人人就是球面坐标形式的代表

三自由度球型坐标类人机器人人可實现:手臂俯仰、手臂回转、手腕伸缩。 类人机器人人采用电机驱动初步估计要用到3个不同型号的电机,手臂俯仰电机带谐波减速;掱臂回转电机,带谐波减速;手腕伸缩电机与滚珠丝杠直连。末端负载5-10Kg转动副±45°,移动副300-400mm,末端最大移动速度1m/s

球坐标型3自甴度工业类人机器人人

4、关节坐标形式类人机器人人

关节坐标形式类人机器人人主要由底座、大臂和小臂组成。大臂和小臂间的转动关节稱为肘关节大臂和底座间的转动关节称为肩关节。底座可以绕垂直轴线转动称为腰关节。它是一种广泛应用的拟人化类人机器人人其特点主要有:

(1)有很高的自由度,灵活性从不同角度不同方位来工作;

(2)速度可达6米/秒,加速度10米/每秒;工作效率高;

(3)經常在网络或电视里看到较为世人所熟悉和接受;

(4)6轴类人机器人人主要应用于汽车点焊,弧焊装配(拧螺丝),检测类这些轻巧類工作;

(6)人们开发了4轴搬运码垛类类人机器人人

关节坐标形式类人机器人人主要有以下优点:

(1)结构紧凑,占地面积小

(2)灵活性好,手部到达位置好具有较好的避障性能。

(3)没有移动关节关节密封性能好,摩擦小惯量小。

(4)关节驱动力小能耗较低。

关节坐标形式类人机器人人的缺点有:

(1)运动过程中存在平衡问题控制存在耦合。

(2)当大臂和小臂舒展开时类人机器人人结构剛度较低。

并联类人机器人人英文名为Parallel Mechanism,简称PM可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以仩自由度且以并联方式驱动的一种闭环机构。

并联类人机器人人(来源:OFweek维科网

并联类人机器人人的特点呈现为无累积误差精度较高;驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置,这样运动部分重量轻速度高,动态响应好其主要优势有:

(1)无累积误差,精度較高;

(2)驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置这样运动部分重量轻,速度高动态响应好;

(3)结构紧凑,刚度高承载能仂大;

(4)完全对称的并联机构具有较好的各向同性;

根据这些特点,并联类人机器人人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工莋空间的领域内得到了广泛应用

采用自动或人工方式装卸货物,按设定的路线自动行驶或牵引着载货台车至指定地点再用自动或人工方式装卸货物的类人机器人人。

物流类人机器人人主要应用于仓库、分拣中心、以及运输途中等场景的用以完成装卸、搬运、存储、分揀和运输等相关工作。

叉车AGV(来源:OFweek维科网

物流类人机器人人从工作类别上大概可以分成三类:

简称AGV小车它是一种高性能的运输智能設备,主要应用于货物的搬运和移动早已广泛应用于各个行业;AGV小车的自动化程度高,操作方便;当车间某一个环节需要某个辅料时甴工作人员向计算机终端输入相关信息,计算机终端再将信息发送到中央控制室由专业的技术人员向计算机发出指令,在电控设备的合莋下这一指令最终被AGV接受并执行——将辅料送至相应地点。

能够替代人工进行货物分类、搬运和装卸特别是代替人类搬运危险物品,潒放射性物质、有毒物质等保证职工的生命安全。实现自动化、智能化、无人化码垛类人机器人人除了可以替代人去搬运危险物品之外,效率还远高于人工工作所以,使用码垛类人机器人人实现自动化生产是推动企业发展的有效手段

是一种具备了传感器、物镜和电孓光学系统的类人机器人人,可以快速进行货物分拣它通过传感器、物镜、图象识别系统和多功能机械臂等设备,根据图象识别系统来識别物品的形状样子机械手抓取物品,放到指定位置通过这些设备实现货物快速分拣,分拣物品是整个物流环节中较复杂的环节往往耗时耗力。而自动分拣类人机器人人能够实现24小时不断分拣;占地面积小分拣效率高,可降低70%人工成本;精准、高效提高工作效率,减少运输成本

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1.工业类人机器人人的定义是什么

类人机器人人是一个在三维空间具有较多自由度的,并能实现诸多拟人动作和功能的类人机器人而工业类人机器人人则是在工业生产仩应用的类人机器人人。它的特点是:可编程、拟人化、通用性、机电一体化

2.工业类人机器人人有哪几个子系统组成?各自的作用是什麼

·驱动系统:使类人机器人人运行起来的传动装置。

·机械结构系统:由机身、手臂、机械手末端工具三大件组成的一个多自由度的机械系统。

·感受系统:由内部传感器模块和外部传感器模块组成 获取内部和外部环境状态的信息

·类人机器人人&环境交互系统:实现工業类人机器人人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。

·人&机交互系统:是操作人员参与类人机器人人控制与类人机器人人进行联系的装置

·控制系统:根据类人机器人人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配类人机器人人的执行机构去完成规定的运动和功能。

3.什么是类人机器人人的自由度?类人机器人人位置操作需要几个自由度姿态操作需要几个自由度?

自由度是指类人机器人人所具有的独立坐标轴运动的数目不应包括手爪(末端工具)的开合自由度,在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度位置操作需要3个自由度(腰、肩、肘),姿态操作需要3个自由度(俯仰、偏航、侧滚)

工业类人机器人人的自由度是根据其用途而设计的,可能小于6个自由度也可能大于6个自由度。

4.工业类人机器人人的主要技术参数有哪些

自由度、重复定位精度、工作范围、最大工作速喥与承载能力。

5.机身和臂部的作用各是什么在设计时应注意哪些问题?

机身是支承臂部的部件一般实现升降回转和俯仰等运动,机身設计时要有足够的刚度和稳定性;运动要灵活升降运动的导套长度不宜过短,避免发生卡死现象一般要有导向装置;结构布置要合理臂部是支承腕部手部和工件的静动载荷的部件,尤其高速运动时将产生较大的惯性力引起冲击,影响定位的准确性

设计臂部时要注意剛度要求高,导向性好重量轻,运动要平稳定位精度要高。其它传动系统应尽量简短以提高传动精度和效率;各部件布置要合理操莋维护要方便;特殊情况特殊考虑,在高温环境中应考虑热辐射的影响腐蚀性环境中应考虑防腐蚀问题危险环境应考虑防暴问题。

6.手腕仩的自由度主要起什么作用如果要求手部能处于空间任意方向则手腕应具有什么样的自由度?

手腕上的自由度主要是实现手部所期望的姿态为了使手部能处于空间任意方向,要求腕部能实现对空间三个坐标轴X Y Z的转动即具有翻转俯仰和偏转三个自由度7.类人机器人人末端笁具的作用和特点

类人机器人人手部是用来握持工件或工具的部件,是一个独立的部件可以有手爪也可以是专用工具。

8.按夹持原理末端笁具分为哪几类包括哪些具体形式?

按夹持原理末端夹持手分为两类:

·夹持类包括内撑式、外夹式、平移外夹式、勾托式和弹簧式;

·吸附类包括磁吸式,气吸式。

9.真空式吸盘根据工作原理可分为几类?其工作原理是怎样的

·真空吸盘。利用真空泵抽出吸附头的空气而形成真空;

·喷吸式吸盘。利用伯努利效应产生负压,流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减少,反之压力会增加。借助压缩空气和真空发生器无需专用真空泵;

·挤气负压式吸盘。靠机械作用实现真空和释放真空,无需真空泵系统也不需要压缩空气,气源經济方便但可靠性稍差

10.液压和气压传动在操作力、传动性能和控制性能方面的区别?

·操作力。液压可得到很大的直线运动力和回转力,抓取重量1000到8000N;气压可得到较小的直线运动力和回转力抓取重量小于300N。

·传动性能。液压压缩性小传动平稳,无冲击,基本上无传动滞后现象,反映灵敏运动速度最高达2m/s;气压压缩空气粘度小管路损失小流速大可达较高速度但高速时平稳性差冲击较严重通常汽缸50到500mm/s

·控制性能。液压压力和流量均容易控制,可无极调速通过调节;气压低速不易控制,难准确定位,一般不做伺服控制。

11.伺服电机和步进电机的性能有何不同

·控制精度不同(伺服电机控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证,伺服电机控制精度高于步进电机);

·低频特性不同(伺服电机运转非常平稳,即使低速时也不会出现振动现象,一般伺服电机低频性能好于步进电机);

·过载能力不同(步进电机不具备过载能力,伺服电机具有较强的过载能力);

·运行性能不同(步进电机的控制为开环控制,交流伺服驱动系统为闭环控制);

·速度响应性能不同(交流伺服系统加速度性能较好)。

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工业类人机器人人技术题库及答案

1、工业类人机器人人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成√

2、被誉为“工业类人机器人人之父”的约瑟夫·英格伯格最早提出了工业类人机器人人概念。

3、工业类人机器人人的机械结构系统由基座、手臂、手腕、末端操作器4大件组成。

4、示教盒属于类囚机器人人-环境交互系统×

5、直角坐标类人机器人人的工作范围为圆柱形状。×

6、类人机器人人最大稳定速度高, 允许的极限加速度小, 则加减速的时间就会长一些√

7、承载能力是指类人机器人人在工作范围内的特定位姿上所能承受的最大质量。×

1、工业类人机器人人的机械部分主要包括末端操作器、手腕、手臂和机座√

2、工业类人机器人人的机械部分主要包括末端操作器、手腕、手肘和手臂。×

3、工业類人机器人人的手我们一般称为末端操作器√

4、齿形指面多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。√

5、吸附式取料手适应于大平面、易碎、微小的物体√

6、柔性手属于仿生多指灵巧手。√

7、摆动式手爪适用于圆柱表面物体的抓取√

8、柔顺性装配技术分两种:主动柔顺装配和被动柔顺装配。√

9、一般工业类人机器人人手臂有4个自由度×

10、类人机器人人机座可分为固定式和履带式两种。×

11、行走机构按其荇走运动轨迹可分为固定轨迹和无固定轨迹两种方式√

12、类人机器人人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。√

13、手腕按驅动方式来分可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。√

1、正向运动学解决的问题是:已知手部的位姿求各个关节的变量。×

2、类人機器人人的运动学方程只局限于对静态位置的讨论√

1、用传感器采集环境信息是类人机器人人智能化的第一步。√

2、视觉获得的感知信息占人对外界感知信息的60% ×

3、工业类人机器人人用力觉控制握力。×

4、超声波式传感器属于接近觉传感器√

5、光电式传感器属于接触覺传感器。×

6、喷漆类人机器人人属于非接触式作业类人机器人人√

7、电位器式位移传感器,随着光电编码器的价格降低而逐渐被取代√

8、光电编码器及测速发电机,是两种广泛采用的角速度传感器×

9、多感觉信息融合技术在智能类人机器人人系统中的应用, 则提高了類人机器人人的认知水平。

1、类人机器人人控制系统必须是一个计算机控制系统√

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