工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成[文字可編輯]

1、課前回顧,所,處,位,置,何為工業(yè)機(jī)器人,工業(yè)機(jī)器人具有幾個顯著特,點(diǎn)，分別是什么,課,工業(yè)機(jī)器人的常見分類有哪些,簡述其行業(yè)應(yīng)用,前,回,顧,章節(jié)目錄,思考練習(xí),2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,2.1.1,操作機(jī),2.1.2,控制器,2.1.3,示教器,2.2,工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo),學(xué)習(xí)目標(biāo),導(dǎo)入案例,擴(kuò)展與提高,本章小結(jié),課堂認(rèn)知,2.3,工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制,2.3.1,機(jī)器人運(yùn)動學(xué)問題,2.3.2,機(jī)器人的點(diǎn)位運(yùn)動,2.3.3,機(jī)器人的位置控制,學(xué)習(xí)目標(biāo),所,處,位,置,能夠正確識別工業(yè),機(jī)器人的基本組成,學(xué),掌握工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu),組成及各部分的功能,能夠正確判別工業(yè),機(jī)器人的點(diǎn)位運(yùn)動和

2、,連續(xù)路徑運(yùn)動,習(xí),目,標(biāo),返回,目錄,導(dǎo)入案例,國產(chǎn)機(jī)器人競爭力缺失,關(guān)鍵技術(shù)是瓶頸,眾所周知，中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)由于先,天因素，在單體與核心零部件仍然落,后于日、美、韓等發(fā)達(dá)國家。雖然中,國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過,30,年的發(fā)展，形成,了較為完善的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),但與發(fā)達(dá)國,家相比，仍存在較大差距，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),依然薄弱，關(guān)鍵零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口,導(dǎo),入,案,整個機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游核,心零部件（主要是機(jī)器人三大核心零部,件,伺服電機(jī)、減速器和控制系統(tǒng),相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”）、中游機(jī)器,人本體（機(jī)器人的“身體”）和下游系,統(tǒng)集成商（國內(nèi),95,的企業(yè)都集中在這,個環(huán)節(jié)上）三個層面,返回,目錄,2.1,工業(yè)機(jī)

3、器人的系統(tǒng)組成,第一代工業(yè)機(jī)器人主要由以下幾部分組成,操作機(jī)、控制器,和,示教器,示教器,是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，操作者可通過它,對機(jī)器人,進(jìn)行編程,或手動操縱機(jī)器人,移動,操作機(jī),用于完成各種作業(yè)任務(wù)的機(jī)械主體，主,要包含,機(jī)械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元,以,及,內(nèi)部傳感器,等部分,控制器,是完成機(jī)器人控制功能的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),是決定機(jī)器人,功能和水平的關(guān)鍵部分,工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成,對于第二代及第三代工業(yè)機(jī)器人還包括,感知系統(tǒng),和,分析決策系統(tǒng),它們分別,由傳感器及軟件實(shí)現(xiàn),關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作機(jī)基本構(gòu)造,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,2.1.1,操作機(jī),操作機(jī)（或稱機(jī)器人本體）是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是

4、用來完成各,種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它主要由,機(jī)械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元及內(nèi)部傳感器,等部分組成,伺服電機(jī),減速器,腕關(guān)節(jié),小臂,肘關(guān)節(jié),手腕,大臂,連接法蘭,皮帶傳動,腰部,肩關(guān)節(jié),腰關(guān)節(jié),基座,機(jī)器人操作機(jī)的每個關(guān)節(jié)均,采用,1,個交流伺服馬達(dá)驅(qū)動,返回,目錄,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,所,處,機(jī)器人操作機(jī)最后一個軸的機(jī)械接口通常為一連接法蘭,可接裝不同的機(jī)械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等,位,置,課,堂,認(rèn),知,吸盤,焊槍,夾緊爪,返回,目錄,夾緊爪,夾緊爪,夾緊爪,夾緊爪,吸盤,吸盤,焊槍,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,2.1.1,操作機(jī),所,處,1,機(jī)械臂,位,置,關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的

5、機(jī)械臂是由,關(guān)節(jié),連在一起,的許多,機(jī)械連桿,的集合體,實(shí)質(zhì)上,是一個擬人手臂,的空間開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，一端固定在基座上，另一端可,自由運(yùn)動，由關(guān)節(jié),連桿結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的機(jī)械臂大體,可分為,基座,腰部,臂部（大臂和小臂）和手腕,4,部分,課,堂,認(rèn),知,返回,目錄,機(jī)械部分,1,手部,2,手腕,次軸,3,臂部,主軸,5,基座,末端執(zhí)行器,聯(lián)接,手部,和,手臂,的部分,主要改變手部的空間方,向和將作業(yè)載荷傳遞到,手臂,聯(lián)接機(jī)身和手,腕的部分,改,變手部的空間,位置,并將各,種載荷傳遞到,機(jī)座,起到支,承作用,4,腰部,腰部是機(jī)器人手臂的,支承部分,基座,腰部,大臂,小臂,手腕,1,手臂的運(yùn)動,垂直移動,徑

6、向移動,回轉(zhuǎn)運(yùn)動,機(jī)器人手臂的,上下運(yùn)動,手臂的伸,縮運(yùn)動,機(jī)器人繞鉛,垂軸的轉(zhuǎn)動,2,手腕的運(yùn)動,手腕旋轉(zhuǎn),手腕彎曲,手腕側(cè)擺,手腕繞小,臂軸線的,轉(zhuǎn)動,手腕的上,下擺動,手腕的水,平擺動,最小的三指手,BH,II,三指手,四指靈巧手,靈巧的雙手,DLR,多指手,哈工大多指手,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,所,處,2,驅(qū)動裝置,位,置,驅(qū)使工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。它按照控制系統(tǒng)發(fā),出的指令信號，借助于動力元件使機(jī)器人產(chǎn)生動作，相當(dāng)于,人的肌肉、筋絡(luò),課,機(jī)器人常用的驅(qū)動方式主要有,液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動,和,電氣驅(qū)動,三種基本類型,堂,認(rèn),知,目前，除個別運(yùn)動精度不高、重負(fù)載或有防爆要求,的

7、機(jī)器人采用液壓、氣壓驅(qū)動外,工業(yè)機(jī)器人大多采用,電氣驅(qū)動，而其中屬交流伺服電機(jī)應(yīng)用最廣，且驅(qū)動器,布置大都采用一個關(guān)節(jié)一個驅(qū)動器,返回,目錄,優(yōu)點(diǎn),1,可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩,2,液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小,工作平穩(wěn)可靠,并可得到較高的位置精度,3,液壓傳動中,力,速度和方向比較容易實(shí),現(xiàn)自動控制,4,液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì),具有防銹性和自,潤滑性能,可以提高機(jī)械效率,使用壽命長,液壓驅(qū)動,存在的不足,1,油液的粘度隨溫度變化而變化,這將影,響工作性能。高溫容易引起燃燒、爆炸等危險,2,液體的泄漏難于克服,要求液壓元件有較,高的精度和質(zhì)量,故造價較高,3,需要相應(yīng)的供油系統(tǒng),尤其是電液伺服系,

8、統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置,否則會引起故障,液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更,大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu),常用于大型機(jī),器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動,氣動機(jī)械手,氣壓驅(qū)動,與液壓驅(qū)動相比,氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)是,1,壓縮空氣粘度小,容易達(dá)到高速,1 m,s,2,利用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣,不必添加動力設(shè)備,3,空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染,使用安全,可,直接應(yīng)用于高溫作業(yè),4,氣動元件工作壓力低,故制造要求也,比液壓元件低,氣壓驅(qū)動的不足,1,壓縮空氣常用壓力為,0.4,0.6 MPa,若,要獲得較大的壓力,其結(jié)構(gòu)就要相對增大,2,空氣壓縮性大,工作平穩(wěn)性差,速度控制,困難,要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難,3,壓縮空氣的除水問題是一個很重

9、要的問,題,處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹,導(dǎo)致機(jī)器人失靈,此外,排氣還會造成噪聲污染,電動機(jī)驅(qū)動,1,普通交流電動機(jī)驅(qū)動,2,交、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動,3,步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動,輸出力矩大，但,控制性能差,慣,性大,適用于中,型或重型機(jī)器人,用于閉環(huán)控制系統(tǒng),輸出力矩相對小,控制性能好,可實(shí),現(xiàn)速度和位置的精,確控制,適用于中,小型機(jī)器人,用于開環(huán)控制，一般用于,對,速度和位置,要求不高,的場合,電動機(jī)使用簡單，且隨著材料性能的提高，電,機(jī)性能也逐漸提高。所以總的看來,目前機(jī)器,人關(guān)節(jié)驅(qū)動逐漸為電動式所代替,所,處,三種驅(qū)動方式特點(diǎn)比較,位,置,課,堂,認(rèn),知,特點(diǎn),使用范,制造成,輸出力,控制性能,維修

10、使用,結(jié)構(gòu)體積,驅(qū)動方式,圍,本,油液不可壓縮,在輸出力相,液壓元,壓力、流量均容,維修方便，液,中、小,同的情況下,件成本,液壓,驅(qū)動,壓力高，可,獲得大的輸,出力,易控制，可無級,體對溫度變化,型及重,體積比氣,較高,調(diào)速，反應(yīng)靈敏,敏感，油液泄,型機(jī)器,壓驅(qū)動方式,油路比,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌,漏易著火,人,小,較復(fù)雜,跡控制,可高速，沖擊較,氣體壓力低,嚴(yán)重，精確定位,維修簡單，能,結(jié)構(gòu)簡,輸出力較小,困難。氣體壓縮,在高溫、粉塵,中、小,單，能,氣壓,驅(qū)動,如需輸出力大,性大，阻尼效果,等惡劣環(huán)境中,體積較大,型機(jī)器,源方便,時，其結(jié)構(gòu)尺,差，低速不易控,使用，泄露無,人,成本,寸過大,制，

11、不易與,CPU,連,影響,低,接,容易與,CPU,連接,高性能,控制性能好，響,需要減速裝,電氣,驅(qū)動,輸出力較小或,維修使用較復(fù),運(yùn)動,成本較,應(yīng)快，可精確定,置，體積較,較大,雜,軌跡要,高,位，但控制系統(tǒng),小,求嚴(yán)格,復(fù)雜,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,所,處,3,傳動單元,位,置,目前工業(yè)機(jī)器人廣泛采用的機(jī)械傳動單元是,減速器,應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的,減速器主要有兩類,RV,減速器,和,諧波減速器,一般將,RV,減速器放置在基座、腰部,大臂等重負(fù)載的位置,主要用于,20kg,以上的機(jī)器人關(guān)節(jié),將諧波減速器放置在小,臂、腕部或手部等輕負(fù)載的位置,主要用于,20kg,以下的機(jī)器關(guān)節(jié),此外，

12、機(jī)器人還,課,采用齒輪傳動、鏈條（帶）傳動、直線運(yùn)動單元等,堂,認(rèn),知,諧,RV,波,減,減,速,速,器,器,皮,帶,傳,動,返回,目錄,機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動單元,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,所,處,位,置,1,諧波減速器,通常由,3,個基本構(gòu)件組成，包括一個有內(nèi)齒的,剛輪,一個工作時,可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的,柔輪,和一個裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓,形、外圈帶有柔性滾動軸承的,波發(fā)生器,在這,3,個基本結(jié)構(gòu)中可任意,固定一個，其余一個為主動件一個從動件,課,堂,認(rèn),知,柔輪,波發(fā)生器,剛輪,諧波減速器原理圖,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,所,處,位,置,2) RV,減速器,主要由,太陽輪,中心輪

13、,行星輪、轉(zhuǎn)臂,曲柄軸,轉(zhuǎn)臂軸承,擺線輪,RV,齒輪）,針齒,剛性盤,與,輸出盤,等零部件組成。具有較高,的疲勞強(qiáng)度和剛度以及較長的壽命，回差精度穩(wěn)定，高精度機(jī)器人傳動,多采用,RV,減速器,課,堂,針齒,認(rèn),知,2,級減速,1,級減速,行星輪,太陽輪,Z 2,輸入,Z 1,Z 4,輸出,Z 3,擺線輪,轉(zhuǎn)臂,輸出軸,針齒殼,RV,減速器原理圖,2.1,工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成,2.1.2,控制器,所,處,機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定,動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因,素，也是機(jī)器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分,其基本功能,有,示教功能,記憶功能、位置伺服

14、功能、坐標(biāo)設(shè)定功,位,置,課,堂,認(rèn),知,依據(jù)控制系統(tǒng)的開放程度，機(jī)器人控制器分,3,類,封閉,型、開放型,和,混合型,目前基本上都是,封閉型系統(tǒng),如,日系機(jī)器人）或,混合型系統(tǒng),如歐系機(jī)器人,按計算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機(jī),器人控制器又可分為,集中式控制,和,分布式控制,兩種,方式,所,處,1,集中式控制器,位,置,優(yōu)點(diǎn)：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控,制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于,PC,的系統(tǒng)硬件擴(kuò)展較為方便,缺點(diǎn)：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影,響面廣，后果嚴(yán)重；大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實(shí)時性，系統(tǒng)對多任務(wù),的響應(yīng)能力也

15、會與系統(tǒng)的實(shí)時性相沖突；系統(tǒng)連線復(fù)雜，會降低系統(tǒng)的,可靠性,課,堂,認(rèn),知,機(jī)器人關(guān)節(jié),1,機(jī)器人關(guān)節(jié),1,機(jī)器人關(guān)節(jié),2,機(jī)器人關(guān)節(jié),2,機(jī)器人關(guān)節(jié),n,機(jī)器人關(guān)節(jié),n +1,運(yùn)動接口卡,1,驅(qū)動器,1,運(yùn)動接口卡,2,驅(qū)動器,2,機(jī)器人控制計算機(jī),運(yùn)動接口卡,n,驅(qū)動器,n,機(jī)器人關(guān)節(jié),n,驅(qū)動器,1,多軸,驅(qū)動器,2,運(yùn)動控制卡,1,驅(qū)動器,n,機(jī)器人控制計算機(jī),多軸,驅(qū)動器,n +1,運(yùn)動控制卡,2,驅(qū)動器,n +2,機(jī)器人關(guān)節(jié),n +2,a,單獨(dú)接口卡驅(qū)動,b,多軸運(yùn)動控制卡驅(qū)動,集中式機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu),所,處,2,分布式控制器,位,置,主要思想為,分散控制，集中管理,，為一個開放、實(shí)時、精確的機(jī)器人,控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式，由上位機(jī)和下位機(jī)組成,優(yōu)點(diǎn),系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控,制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時間,課,堂,認(rèn),知,關(guān)節(jié)控制器,1,下位機(jī),驅(qū)動器,1,機(jī)器人關(guān)節(jié),1,關(guān)節(jié)控制器,2,下位機(jī),驅(qū)動器,2,機(jī)器人關(guān)節(jié),2,通訊總線,關(guān)節(jié)控制器,n,機(jī)器人主控制器,下位機(jī),上