工業(yè)自動化控制工業(yè)機器人.ppt

第六章,工業(yè)機器人,國際上，關(guān)于機器人的定義主要有以下幾種：（1）美國機器人協(xié)會(RIA)的定義：機器人是“一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手(manipulator)”。,一、工業(yè)機器人的定義,第一節(jié)概述,3,（2）日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)的定義：工業(yè)機器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。,（3）美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義：機器人是“一種能夠進行編程并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置”。（4）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。,（5）我國科學(xué)家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。,機器人的四大特征,仿生特征：模仿人的肢體動作自動特征：自動完成作業(yè)任務(wù)柔性特征：對作業(yè)具有廣泛適應(yīng)性智能特征：具有對外界的感知能力,在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的機器人我們稱為工業(yè)機器人。通常對工業(yè)機器人的定義是：工業(yè)機器人是一種能模擬人的手、臂的部分動作,按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求,實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。,工業(yè)機器人以剛性高的機械手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高。它可以很據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。工業(yè)機器人是應(yīng)用計算機進行控制的替代人進行工作的高度自動化系統(tǒng)，是典型的機電一體化的產(chǎn)品。工業(yè)機器人在實現(xiàn)智能化、多功能化、柔性自動化生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、代替人在惡劣環(huán)境條件下工作中發(fā)揮重大作用。,一、工業(yè)機器人的定義,二、工業(yè)機器人的組成,執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)（液壓缸、電機等）檢測系統(tǒng),工業(yè)機器人,各組成部分關(guān)系,控制系統(tǒng),驅(qū)動系統(tǒng),執(zhí)行機構(gòu),操作對象,檢測系統(tǒng),二、工業(yè)機器人的組成,執(zhí)行機構(gòu)：一種具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機械裝置，通常包括：機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器；,二、工業(yè)機器人的組成,(1)機座機座是工業(yè)機器人的基礎(chǔ)部件，承受相應(yīng)的載荷，機座分為固定式和移動式兩類。(2)手臂手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動力關(guān)節(jié)和連桿組成，用來改變末端執(zhí)行器的空間位置。(3)手腕手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。,二、工業(yè)機器人的組成,(4)末端執(zhí)行器（或稱手部）是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。夾持器可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。,在手部安裝的某些專用工具，如焊槍、噴槍、電鉆、螺釘螺帽擰緊器等，可視為專用的特殊手部。,二、工業(yè)機器人的組成,2、控制系統(tǒng)是機器人的大腦，支配著機器人按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度等)，同時按其控制系統(tǒng)的信息控制執(zhí)行機構(gòu)按規(guī)定要求動作。,二、工業(yè)機器人的組成,采用計算機控制的工業(yè)機器人，控制系統(tǒng)分成決策級、策略級和執(zhí)行級三級。決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將作業(yè)任務(wù)分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。,二、工業(yè)機器人的組成,3.驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。常用的有電氣、液壓、氣動和機械等四種驅(qū)動方式。有些機器人采用這些驅(qū)動方式的組合,如電液混合驅(qū)動和氣液混合驅(qū)動等驅(qū)動方式。,二、工業(yè)機器人的組成,4、位置檢測系統(tǒng)主要檢測工業(yè)機器人執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置、狀態(tài)，并隨時將執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，使執(zhí)行系統(tǒng)以一定放入精度達到設(shè)定位置狀態(tài)。常用力、位置、觸覺、視覺等傳感器,工業(yè)機器人的性能特征影響著機器人的工作效率和可靠性。在設(shè)計和選用機器人時應(yīng)考慮如下幾個性能指標(biāo)：(1)自由度。工業(yè)機器人的運動自由度是指各關(guān)節(jié)在三維空間對于固定坐標(biāo)系具有的獨立運動。各關(guān)節(jié)自由度的總和就是工業(yè)機器人的自由度數(shù)。,三、工業(yè)機器人的性能特征,自由度數(shù)越高，機器人可以完成的動作越復(fù)雜，通用性越強，應(yīng)用范圍也越廣。每個自由度需要一個伺服軸進行驅(qū)動，相應(yīng)地帶來的技術(shù)困難也越大。一般情況下，通用工業(yè)機器人有36個自由度。,(2)工作空間。工作空間是指機器人應(yīng)用手爪進行工作的空間范圍。機器人的工作空間主要取決于臂部的自由度和每個關(guān)節(jié)的運動范圍。腕部的自由度主要用來調(diào)整手部在空間的方位。手指的開閉動作，僅用于夾放工件或工夾具，它不改變工件或工夾具的空間位置和方位，所一般不計入機器人的自由度數(shù)。,直角坐標(biāo)機器人的工作空間是一個矩形空間，圓柱坐標(biāo)機器人的工作空間是一圓柱體，而球坐標(biāo)機器人的工作空間是一個球體。,(3)提取重力。提取的重力是反映機器人負(fù)載能力的一個參數(shù)，根據(jù)提取重力的不同，可將機器人分為：微型機器人，提取重力在10N以下；小型機器人，提取重力為1050N；中型機器人，提取重力為50300N；大型機器人，提取重力為300500N；重型機器人，提取重力在500N以上。目前實際應(yīng)用機器人一般為中、小型機器人。,(4)運動速度。運動速度影響機器人的工作效率，它與機器人所提取的重力和位置精度均有密切的關(guān)系。運動速度高，機器人所承受的動載荷增大，必將在加減速時承受較大的慣性力，影響機器人的工作平穩(wěn)性和位置精度。目前的技術(shù)水平而言，通用機器人的最大直線運動速度大多在1000mm/s以下。,(5)位置精度。位置精度是衡量機器人工作質(zhì)量的又一技術(shù)指標(biāo)。位置精度的高低取決于位置控制方式以及機器人運動部件本身的精度和剛度，此外還與提取重力和運動速度等因素有密切的關(guān)系。,四、工業(yè)機器人的分類,工業(yè)機器人的分類方法：按坐標(biāo)形式、按控制方式按信息輸入方式按系統(tǒng)功能按驅(qū)動方式按用途,1.按坐標(biāo)形式分,（1）直角坐標(biāo)機器人機器人的末端執(zhí)行器（或手部）在空間位置的改變是通過三個互相垂直的軸線移動來實現(xiàn)的。特點：位置精度最高，控制無耦合，比較簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，動作范圍小，靈活性差。,坐標(biāo)形式是指執(zhí)行機構(gòu)的手臂在運動時所取的參考坐標(biāo)系的形式。,（2）圓柱坐標(biāo)機器人機器人是通過兩個移動（升降運動及手臂伸縮運動）和一個轉(zhuǎn)動（腰轉(zhuǎn)）來實現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。腰部轉(zhuǎn)運動及升降運動通常由機身來實現(xiàn)。,特點：位置精度高、控制簡單、避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大,（3）極坐標(biāo)機器人機器人手臂的運動由一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即手臂的伸縮運動和繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運動（回轉(zhuǎn)運動）、繞水平軸線的回轉(zhuǎn)運動（俯仰運動）。通常把回轉(zhuǎn)及俯仰運動歸屬于機身。,特點：占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、位置精度尚可，但避障性差、有平衡問題,（4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)機器人主要由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞Z軸做旋轉(zhuǎn)運動，形成腰關(guān)節(jié)，立柱和大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂形成肘關(guān)節(jié)，大臂和小臂做俯仰運動。,特點：工作范圍大，動作靈活，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合較復(fù)雜,2.按控制方式分,（1）點位控制(PointtoPoint)機器人運動為空間點到點之間的直線運動，不涉及兩點之間的移動軌跡，只在目標(biāo)點處控制機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。特點：控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業(yè)。,（2）連續(xù)軌跡控制（ContinuousPath）機器人運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制，末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。,3.按信息輸入方式分,（1）人操作機械手是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。（2）固定程序機器人按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)的機械手。（3）可變程序機器人它與固定程序機器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。,特點：結(jié)構(gòu)簡單，無獨立控制系統(tǒng)，造價低廉，如附設(shè)在加工中心機床上的自動換刀機械手。（4）程序控制機器人具有獨立的控制系統(tǒng)，作業(yè)任務(wù)指令是由計算機程序向機器人提供的，其控制方式與數(shù)控機床一樣。特點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的柔性制造系統(tǒng)。,（5）示教再現(xiàn)機器人這類機器人能夠按照記憶裝置存儲的信息來復(fù)現(xiàn)由人示教的動作。其示教動作可自動地重復(fù)執(zhí)行。（6）智能機器人采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。,五、工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域,弧焊機器人,激光焊機器人,電阻焊機器人,自動化焊接機器人,點焊機器人,等離子切割機器人,清潔機器人,上料機器人,物料輸送機器人,材料去除機器人,包裝機器人,噴漆機器人,部件移動機器人,裝配機器人,打保險機器人,自動鉆孔機器人,設(shè)備維護機器人,包裝機器人,堆跺機器人,涂層機器人,去毛刺機器人,磨銷機器人,高溫噴涂機器人,六桿并聯(lián)機床,六、工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢,（1）提高工作速度和運動精度，減少自身重量和占地面積。（2）加快機器人部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將各種功能（回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰、擺動等）機械模塊與控制模塊、檢測模塊組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的機器人。（3）采用新型結(jié)構(gòu)，如微動機構(gòu)、多關(guān)節(jié)手臂、類人手指、新型行走機構(gòu)等，以適應(yīng)各種作業(yè)需要。,（4）研制各種傳感檢測裝置，如視覺、觸覺、聽覺和測距傳感器等，來獲取有關(guān)工作對象和外部環(huán)境的信息，使其具有模式識別的能力。（5）利用人工智能的推理和決策技術(shù)，使機器人具有問題求解、動作規(guī)劃等功能。,第二節(jié)機械與驅(qū)動系統(tǒng),工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)又稱機械操作臂，它主要由末端執(zhí)行器、手腕、手臂機座組成；,1.末端執(zhí)行器,末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置；末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸是依據(jù)其不同作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計的，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)形式。末端執(zhí)行器安裝在執(zhí)行機構(gòu)的手腕或手臂的機械接口上。根據(jù)用途可分為機械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器專用工具三類。,（1）機械式夾持器,機械式夾持器組成：手爪、傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置等。通過手爪的開、合動作實現(xiàn)對物料的夾持。,夾持圓柱形物料的機械式夾持器,1-手爪2-傳動機構(gòu)3-驅(qū)動裝置4-支架5-物料,1）手爪手爪是直接與物料接觸的部件，夾持器松開和夾緊物料是通過手爪的張開和閉合來實現(xiàn)的。機械式夾持器的結(jié)構(gòu)形式取決于被夾持物料的形狀和特性。2）傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)是向手爪傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。傳動機構(gòu)按其運動方式分為回轉(zhuǎn)型和移動型，回轉(zhuǎn)型又分為單支點回轉(zhuǎn)型和雙支點回轉(zhuǎn)型。3）驅(qū)動裝置驅(qū)動裝置是向傳動機構(gòu)提供動力的裝置，它一般有液壓、氣動、機械等驅(qū)動方式。,（2）吸附式末端執(zhí)行器,吸附式手部又分為氣吸式和磁吸式：氣吸式手部利用真空吸力及負(fù)壓吸力吸持工件，它適用于抓取薄片、易碎工件，通常吸盤由橡膠或塑料制成；磁吸式手部利用電磁鐵和永久磁鐵的磁場力吸取具有磁性物質(zhì)的小五金工件。,抓取物料時，碟形橡膠吸盤與物料表面接觸，橡膠吸盤起到密封和緩沖兩個作用，真空泵進行真空抽氣，在吸盤內(nèi)前形成負(fù)壓，實現(xiàn)物料的抓取。放料時，吸盤內(nèi)通入大氣，失去真空后，物料放下。,氣吸式,（3）多指靈巧手,2.手腕,手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部件，作用：是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器方位，組成：三個獨立的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。,繞小臂軸線X旋轉(zhuǎn)的臂轉(zhuǎn)相對于小臂擺動的腕擺繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的手轉(zhuǎn),設(shè)計機器人的手腕結(jié)構(gòu)的時候要注意：可以由手臂完成的動作，盡量不設(shè)置手腕；手腕結(jié)構(gòu)盡可能簡化，對不需要三個自由度的手腕，可采用兩個或一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；手腕處的結(jié)構(gòu)要求緊湊，重量輕，驅(qū)動裝置多用分離式,3.手臂,手臂：是支持末端執(zhí)行器和手腕的部件，是機械操作臂中的重要部件。組成：大臂和小臂功能：完成伸縮運動、回轉(zhuǎn)、升降或上下擺動運動。作用：是把物料運送到工作范圍內(nèi)的給定位置上。手臂結(jié)構(gòu)形式的選取需考慮機器人的抓取物料重量、運動方式、速度、自由度數(shù)等。手臂的驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電力驅(qū)動及復(fù)合驅(qū)動等。,機器人手部結(jié)構(gòu),1手部與手腕相連處可拆卸：,手部與手腕處有可拆卸的機械接口：根據(jù)夾持對象的不同，手部結(jié)構(gòu)會有差異，通常一個機器人配有多個手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。手部可能還有一些電、氣、液的接口：由于手部的驅(qū)動方式不同造成。對這些部件的接口一定要求具有互換性。,一、手部的特點,2手部是末端操作器：,可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。,末端操作器圖例（1）：,每個手指有三個或四個關(guān)節(jié)。技術(shù)關(guān)鍵是手指之間的協(xié)調(diào)控制。,末端操作器圖例（2）：,3手部是一個獨立的部件：,工業(yè)機器人通常分為三個大的部件：機身、手臂（含手腕）、手部。手部對整個機器人完成任務(wù)的好壞起著關(guān)鍵的作用，它直接關(guān)系著夾持工件時的定位精度、夾持力的大小等。,4手部的通用性比較差：,工業(yè)機器人的手部通常是專用裝置：一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執(zhí)行一種作業(yè)任務(wù)。,二、手部的設(shè)計要求,具有足夠的夾持力。保證適當(dāng)?shù)膴A持精度：手指應(yīng)能順應(yīng)被夾持工件的形狀，應(yīng)對被夾持工件形成所要求的約束。考慮手部自身的大小、形狀、機構(gòu)和運動自由度：主要是根據(jù)作業(yè)對象的大小、形狀、位置、姿態(tài)、重量、硬度和表面質(zhì)量等來綜合考慮。智能化手部還應(yīng)配有相應(yīng)的傳感器：由于感知手爪和物體之間的接觸狀態(tài)、物體表面狀況和夾持力的大小等，以便根據(jù)實際工況進行調(diào)整等。,三、手部的構(gòu)成,主要有手指、驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)組成。,1按用途分：,手爪：具有一定的通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、釋放工件。抓?。涸诮o定的目標(biāo)位置和期望姿態(tài)上抓住工件，工件必須有可靠的定位，保持工件和手爪之間的準(zhǔn)確的相對位置關(guān)系，以保持機器人后續(xù)作業(yè)的準(zhǔn)確性。握住：確保工件在搬運過程中或零件裝配過程中定義了的位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性。釋放：在指定位置結(jié)束手部和工件之間的約束關(guān)系。工具：進行作業(yè)的專用工具。,四、手部的分類,工件的定位和夾緊：,F,2按夾持方式分：,外夾式手部與被夾件的外表面相接觸。內(nèi)撐式：手部與工件的內(nèi)表面相接觸。內(nèi)外夾持式：手部與工件的內(nèi)、外表面相接觸。,夾持方式圖例：,Z,X,Y,3按手爪的運動形式分：,回轉(zhuǎn)型當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)被抓物體的直徑大小變化時，需要調(diào)整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型手指由平行四桿機構(gòu)傳動，當(dāng)手爪夾緊和松開物體時，手指姿態(tài)不變，作平動。平移型當(dāng)手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心的固定不變，不受工件直徑變化的影響。,回轉(zhuǎn)型圖例：,壓縮彈簧,拉伸彈簧,平動型圖例：,平移型圖例：,該絲桿的螺紋具有什么特點？,此時手部是張開還是合攏？,4按夾持原理分：,手指式：外夾式、內(nèi)撐式、內(nèi)外夾持式。平移式、平動式、旋轉(zhuǎn)式。二指式、多指式。單關(guān)節(jié)式、多關(guān)節(jié)式。吸盤式：負(fù)壓吸盤：真空式、噴氣式、擠氣式。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。,1機械式手爪結(jié)構(gòu)：,氣動驅(qū)動手抓：氣缸驅(qū)動活塞平移齒條移動扇形齒輪擺動連桿機構(gòu)擺動手爪平動其它四種機械式手爪機構(gòu)：,五、典型結(jié)構(gòu),氣動手爪圖例：,重力式手爪,滑槽式手爪,撥桿杠桿式手爪,機械手爪圖例：,齒輪齒條式手爪,2電磁吸盤(1)：,電磁吸盤的結(jié)構(gòu)：主要由磁盤、防塵蓋、線圈、殼體等組成。工作原理：夾持工件：線圈通電空氣間隙的存在線圈產(chǎn)生大的電感和啟動電流周圍產(chǎn)生磁場（通電導(dǎo)體一定會在周圍產(chǎn)生磁場）吸附工件放開工件：線圈斷電磁吸力消失工件落位,2電磁吸盤(2)：,適用范圍：適用于用鐵磁材料做成的工