工业机器人的分类—按机械结构分类教学设计

工业机器人的分类及功能 工业机器人的分类及功能 ABB IRB1410机器人、多媒体课件、相关配套工量具 借助于多媒体课件、微课视频讲授操作过程，通过操作工业机器人，让学生进一步了解常用机器人的分类方法及适用领域。

教学设计 教学过程 任务引入 教师活动预设 （知识点预设） 观看视频 学生活动预设 仔细观看 积极思考 小组交流 介绍运动 指令 示范操作 1、观看项目演示操作视频。 讲解指令格式、指令特点 仔细听讲 师生互动 仔细听讲 积极思考 师生互动 分工协作 强化安全意识 明确操作要领 设计意图 引入任务 明确任务 激发兴趣 相关知识 （三角编程） 2、学生分小组讨论。 3、操作要点讲解。 分组准备 1、相关设备准备 2、讲解安全规范 学生实操 完成任务 1、指导学生操作 2、安全要点提醒 课堂评价 教师点评 规范操作 师生互动 小组协作 学生自评 学生互评 学以致用 检查成果 师生互动 评价交流 总结提高 课堂小结 小结本节课知识点，布置下节课内容 认真听讲 积极思考 课后作业

巩固知识 补缺补差 任务引入 备注 知识链接 工业机器人的分类—按机械结构分类 一、工业机器人的分类 以下是按照设备的机械结构（坐标形式）和用途对机器人进行分类。 二、根据机械结构（坐标形式）分类 工业机器人按其机械结构形式来分，可归为两大类：串联机器人与并联机器人。 1.串联机器人 串联机器人是开式运动链，它是由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联而成。关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，使手爪到达一定的位姿。 串联机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按基本动作机构，工业机器人通常可分为柱坐标机器人、球坐标机器人、笛卡尔坐标机器人和多关节型机器人。 （1）柱坐标机器人 当水平臂或杆架安装在一垂直柱上，而该柱又安装在一个旋转基座上，这种结构可称为柱坐标机器人。柱坐标机器人具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱体。其运动特点如下： ● 手臂可伸缩（沿r方向） ● 滑动架（或托板）可沿柱上下移动（z轴方向） ● 水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕z轴） ⑵球坐标机器人 球坐标机器人的空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定。由于机械和驱动连线的限制，机器人的工作包络范围是球体的一部分 其工作特点如下： ● 手臂可伸出缩回范围R，类似于可伸缩的望远镜套筒 ● 在垂直面内绕β轴旋转 ● 在基座水平内转动角度为θ ⑶笛卡尔坐标机器人 笛卡尔坐标机器人也称为直角坐标机器人，这是一种最简单的结构，其机械手的连杆按线性方式移动，这类机器人的运动轴称为“棱柱形”，按其结构样式可分为两类：悬臂笛卡尔式和门形笛卡尔式。 ①悬臂笛卡尔式机器人 悬臂笛卡尔式机器人 这种机器人的机械手构件受到约束，只在平行于笛卡尔坐标轴X、Y、Z的方向上移动。 ②门形笛卡尔式机器人 门形笛卡尔式机器人 门形笛卡尔式机器人也称为桁架机器人。它一般在需要精确移动及负载较大的场合使用，这类机器人常常安装在顶板（天花板）上。 ⑷多关节机器人 多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对涂装、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。依据其动作空间的形状可分为三种：纯球状、平面四边形球状、圆柱状。 ①纯球状 这类结构的机器人的工作包络范围大体上是球状的。 优点： 机械臂可以够得着机器人基座附近的地方，并越过其工作范围内的人和障碍物。 ②平行四边形球状 优点： 允许关节驱动器位置靠近机器人的基座或装在机器人的基座上。 这种结构的机器人刚度比其它大多数机械手大。 缺点： 平行四边形结构的机器人与相应的球状关节坐标机器人的工作范围相比，受到较大限制。 ③圆柱状 优点： 机器人精密且快速。 缺点： 一般垂直作用范围有限（Z方向）。 2.并联机器人 并联机器人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上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机器人 按照并联机构的自由度来分，有以下几类：两自由度并联机构、三自由度并联机构、四自由度并联机构、五自由度并联机构、六自由度并联机构。 （1）两自由度并联机构 如图所示，是球面2自由度5R对称并联机构，由5个转动副首尾相连，5个转动副的轴线汇交于一点（转动中心），这种机构的输出参考点具有沿球面移动的2个自由度。 （2）三自由度并联机构 ①平面三自由度并联机构，如3-RPR机构。 ②球面三自由度并联机构，如3-RRR球面机构、3-UPS-1-S球面机构。其中3-RRR球面机构所有运动副的轴线汇交于空间一点，这点称为机构的中心点；而3-UPS-1-S球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动。 ③三自由度移动并联机构，如Star Like并联机构、T阿斯并联机构和DELTA机构，该类机构的运动学正、反解都很简单，是一种应用很广泛的三维移动空间机构。 ④空间三自由度并联机构，如典型的3-RPS机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内，不同的点其运动形式不同是最显著的特点。由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用。 ⑤还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS-1-PU球坐标式三自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1个移动和2个转动的运动。 （3）四自由度并联机构 四自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR机构，运动平台通过3个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1个虎克铰U、1个移动副P，其中P和其中一个的R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。 （4）五自由度并联机构 国际上一直认为不存在全对称五自由度并联机器人机构。相对而言，非对称五自由度并联机构比较容易综合。Lee和Park在1999年提出一种结构复杂的双层5自由度并联机构，Jin等在2001年综合出具有三个移动自由度和两个转动自由度的非对称5自由度并联机构，高峰等在2002年通过给六自由度并联机构添加一个五自由度约束分支的方法，综合出两种5自由度并联机构。 （5）六自由度并联机构 六自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究的最多的并联机构，如图1- 14所示，为六自由度并联机器人中的一种，它们广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。 任务小结 回顾本次任务所学知识，强调本节课的重点与难点，加深理解与记忆。 学习评价 回顾本次任务所学知识，强调本节课的重点与难点，加深理解与记忆。 课后作业