工業(yè)機器人概述

1、.1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社.2工業(yè)機器人工業(yè)機器人 8.1 8.1 工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人概述 1.1.什么是機器人？什么是機器人？ u 工業(yè)機器人（見圖工業(yè)機器人（見圖8-18-1）“Robot”Robot”一詞一詞是人類型或動物型的人工機器裝置總稱。是人類型或動物型的人工機器裝置總稱。機器人涉及到機械工程、電子學(xué)、控制理機器人涉及到機械工程、電子學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、計算機科學(xué)、仿生學(xué)、論、傳感器技術(shù)、計算機科學(xué)、仿生學(xué)、人工智能等學(xué)科領(lǐng)域，是典型的機電一體人工智能等學(xué)科領(lǐng)域，是典型的機電一體化系統(tǒng)?；到y(tǒng)。u 19871987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)

2、機器人的年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機器人的定義：定義：工業(yè)機器人是一種具有控制的操作工業(yè)機器人是一種具有控制的操作和移動功能，并能完成各種作業(yè)的可編程和移動功能，并能完成各種作業(yè)的可編程操作機。操作機。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISB0134-1986JISB0134-1986則定則定義為義為“一種在自動控制下，能夠編程完成一種在自動控制下，能夠編程完成某些操作或者動作功能的機械裝置某些操作或者動作功能的機械裝置”。圖圖8-l 8-l 工業(yè)機器人工業(yè)機器人.3綜合上述定義綜合上述定義 ，工業(yè)機器人有以下三個重要特性：工業(yè)機器人有以下三個重要特性：1) 1) 是一種機械裝置，可搬運材料、零件、工具或

3、完成多是一種機械裝置，可搬運材料、零件、工具或完成多種操作和動作功能，即具是有通用性。種操作和動作功能，即具是有通用性。2) 2) 可以再編程并具有多樣程序流程，這為人可以再編程并具有多樣程序流程，這為人- -機聯(lián)系提供機聯(lián)系提供了可能，也使具有獨立的柔軟性。了可能，也使具有獨立的柔軟性。3) 3) 有一個自動控別系統(tǒng)，可以在無人的參與下，自動完有一個自動控別系統(tǒng)，可以在無人的參與下，自動完成操作作業(yè)和動作。成操作作業(yè)和動作。.42.2.工業(yè)機器人的基本參數(shù)工業(yè)機器人的基本參數(shù)n機器人的基本參數(shù)主要有工作空間、自由度、有效負(fù)載、運動機器人的基本參數(shù)主要有工作空間、自由度、有效負(fù)載、運動精度、運

4、動特性、動態(tài)特性等。精度、運動特性、動態(tài)特性等。n一般一般, ,機器人自由度等于它的關(guān)節(jié)數(shù)機器人自由度等于它的關(guān)節(jié)數(shù), ,大多是有大多是有6-86-8個自由度，個自由度，自由度越多，機器人的功能就越強。圖自由度越多，機器人的功能就越強。圖8-28-2左圖所示的就是具左圖所示的就是具有有6 6個自由度的工業(yè)機器人，各關(guān)節(jié)動作是由電動執(zhí)行裝置和個自由度的工業(yè)機器人，各關(guān)節(jié)動作是由電動執(zhí)行裝置和齒輪減速傳動機械來實現(xiàn)的。齒輪減速傳動機械來實現(xiàn)的。6 6個自由度如下：個自由度如下： 手臂掃掠（腰左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)）；手臂掃掠（腰左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)）； 肩旋轉(zhuǎn)（肩向上或向下）；肩旋轉(zhuǎn)（肩向上或向下）； 肘伸展（肘縮進或

5、伸出）；肘伸展（肘縮進或伸出）； 俯仰（手腕上轉(zhuǎn)或下轉(zhuǎn)）；俯仰（手腕上轉(zhuǎn)或下轉(zhuǎn)）； 偏航（手腕左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)）；偏航（手腕左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)）； 橫滾（手腕順時針轉(zhuǎn)或反時針轉(zhuǎn)）。橫滾（手腕順時針轉(zhuǎn)或反時針轉(zhuǎn)）。.53.3.工業(yè)機器人的組成與分類工業(yè)機器人的組成與分類 (1) (1) 工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人的組成 一般由操作機械、計算機控制系統(tǒng)、驅(qū)動伺服單元、傳感器檢測一般由操作機械、計算機控制系統(tǒng)、驅(qū)動伺服單元、傳感器檢測系統(tǒng)和輸入輸出接口等幾部份組成。如圖系統(tǒng)和輸入輸出接口等幾部份組成。如圖8-28-2所示。所示。 圖圖8-2 工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人的組成.6 操作機械操作機械 操作機為工業(yè)機器

6、人完成作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)，它具有和手臂相似的動操作機為工業(yè)機器人完成作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)，它具有和手臂相似的動作功能，是可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置。包括機座、作功能，是可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置。包括機座、立柱、手臂、手腕和手部等部分。有時為增加工作空間，在機座處裝有立柱、手臂、手腕和手部等部分。有時為增加工作空間，在機座處裝有行走機構(gòu)行走機構(gòu)實現(xiàn)移動功能，例如有輪式、履帶式、足腿式結(jié)抅實現(xiàn)移動功能，例如有輪式、履帶式、足腿式結(jié)抅. 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)指驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的傳動裝置。由驅(qū)動器、減速器、檢測元驅(qū)動系統(tǒng)指驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的傳動裝置。由驅(qū)動器、減速器、檢測元件等組件組

7、成。根據(jù)驅(qū)動器的不同，可分為電動、液動和氣動驅(qū)動系統(tǒng)。件等組件組成。根據(jù)驅(qū)動器的不同，可分為電動、液動和氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 計算機計算機控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的核心部分，作用是支配操作機按所需的順控制系統(tǒng)是工業(yè)機器人的核心部分，作用是支配操作機按所需的順序，沿規(guī)定的位置或軌跡運動。序，沿規(guī)定的位置或軌跡運動。 從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；從控制方從控制系統(tǒng)的構(gòu)成看，有開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)；從控制方式看有程序控制系統(tǒng)、自適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。式看有程序控制系統(tǒng)、自適應(yīng)性控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。.7 傳感系統(tǒng)傳感系統(tǒng) 為了使機器人能獲得外圍環(huán)境信息，

8、除關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置傳為了使機器人能獲得外圍環(huán)境信息，除關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置傳感器外感器外( (例如裝于電機同軸上的光電編碼器例如裝于電機同軸上的光電編碼器) ) ，有時還要配備視覺、力，有時還要配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多類型的傳感器及信號的轉(zhuǎn)換與采樣處理。覺、觸覺、接近覺等多類型的傳感器及信號的轉(zhuǎn)換與采樣處理。 輸入輸出接口輸入輸出接口 為了機器人與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進行聯(lián)系，還應(yīng)有各種通信接口為了機器人與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進行聯(lián)系，還應(yīng)有各種通信接口和人機通信裝置。例如和人機通信裝置。例如PLCPLC控制系統(tǒng)中用的控制系統(tǒng)中用的RS-232RS-232、RS-485RS-485

9、等異步通信等異步通信接口模塊，實現(xiàn)接口模塊，實現(xiàn)PLCPLC與與PLCPLC、PLCPLC與上位與上位PCPC機、機、PLCPLC與現(xiàn)場設(shè)備或遠(yuǎn)程與現(xiàn)場設(shè)備或遠(yuǎn)程I/OI/O之間的信息交換。此外還包括語言合成、識別技術(shù)及多媒體系統(tǒng)，以之間的信息交換。此外還包括語言合成、識別技術(shù)及多媒體系統(tǒng)，以實現(xiàn)人機對話。實現(xiàn)人機對話。 人工智能系統(tǒng)人工智能系統(tǒng) 人工智能系統(tǒng)是機器人計算機控制系統(tǒng)的更高層次發(fā)展。主要由兩人工智能系統(tǒng)是機器人計算機控制系統(tǒng)的更高層次發(fā)展。主要由兩部分組成：部分組成： 其一，感覺系統(tǒng)（硬件）。主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能；其一，感覺系統(tǒng)（硬件）。主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功

10、能； 其二其二, , 決策、規(guī)劃系統(tǒng)（軟件）。包括輯判斷、模式識別、大容量決策、規(guī)劃系統(tǒng)（軟件）。包括輯判斷、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。.8（2 2）工業(yè)機器人的分類）工業(yè)機器人的分類 1 1）按操作機構(gòu)坐標(biāo)形式分類）按操作機構(gòu)坐標(biāo)形式分類 按操作機械坐標(biāo)形式分類，操作機械的坐標(biāo)形式是指按操作機械坐標(biāo)形式分類，操作機械的坐標(biāo)形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐標(biāo)系的形式。操作機的手臂在運動時所取的參考坐標(biāo)系的形式。n直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人n圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人n球坐標(biāo)型工業(yè)機器人球坐標(biāo)型工業(yè)機器人n多關(guān)節(jié)型

11、工業(yè)機器人多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人n平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人.9圖圖8-3 8-3 直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人 1）按操作機構(gòu)坐標(biāo)形式分類）按操作機構(gòu)坐標(biāo)形式分類 直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人 運動部分由三個相互垂直的直運動部分由三個相互垂直的直線移動組成如圖線移動組成如圖8-38-3所示，其工所示，其工作空間圖形為長方體。各個軸向作空間圖形為長方體。各個軸向的移動距離，可在各個坐標(biāo)軸上的移動距離，可在各個坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強；易于位置直接讀出，直觀性強；易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度最和姿態(tài)的編程計算，定位精度最高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單。高，控制

12、無耦合，結(jié)構(gòu)簡單。 但機體所占空間體積大，動作但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性較差，難與其它范圍小，靈活性較差，難與其它工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。.10圖圖8-4 8-4 圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人人 圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機器人 運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱形如圖形如圖8-48-4所示。所示。 與直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人相與直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件下，比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍機

13、體所占體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次于直角坐大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型，與其它機器人協(xié)調(diào)工作標(biāo)型，與其它機器人協(xié)調(diào)工作難難。.11圖圖8-5 8-5 球坐標(biāo)型工業(yè)機器人球坐標(biāo)型工業(yè)機器人 球坐標(biāo)型工業(yè)機器人球坐標(biāo)型工業(yè)機器人 又稱為極坐標(biāo)型工業(yè)機器人，又稱為極坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，如圖個直線移動所組成，如圖8-58-5所所示。示。 其工作空間為一球體，它可其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地以作上下俯仰動作并能抓取地面上或較低位置的工件。具有面上或較低位置的工件。具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的結(jié)構(gòu)緊湊、工

14、作空間范圍大的特點，能與其它工業(yè)機器人協(xié)特點，能與其它工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，其位置精度尚可以，調(diào)工作，其位置精度尚可以，位置誤差與臂長成正比。位置誤差與臂長成正比。.12圖圖8-6 多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人 多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人 又又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機器人，它稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機器人，它的手臂與人體上肢類似的手臂與人體上肢類似,前三個關(guān)節(jié)前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)副。都是回轉(zhuǎn)副。 該工業(yè)機器人由立柱和大小臂組成。該工業(yè)機器人由立柱和大小臂組成。立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂與小立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂與小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和俯仰

15、擺動，小臂作俯仰擺動動和俯仰擺動，小臂作俯仰擺動,如如圖圖8-6所示所示。 其結(jié)構(gòu)緊湊，靈活性大，占地面積其結(jié)構(gòu)緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其它工業(yè)最小，工作空間最大，能與其它工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。機器人協(xié)調(diào)工作。但是位置控制精度但是位置控制精度較低，存在平衡問題，控制耦合也比較低，存在平衡問題，控制耦合也比較復(fù)雜。目前，這種機器人的應(yīng)用越較復(fù)雜。目前，這種機器人的應(yīng)用越來越廣泛。來越廣泛。.13圖圖8-7 8-7 平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人 平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人 采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動

16、，關(guān)節(jié)，移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運動，右運動，如圖如圖8-7所示所示。 這種型式的工業(yè)機器人又稱這種型式的工業(yè)機器人又稱SCARASCARA裝配機器人。在水平方向具裝配機器人。在水平方向具有柔順性，而在垂直方向則有較有柔順性，而在垂直方向則有較大的剛性。大的剛性。 結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。件的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。.14 2) 2)按控制方式分類按控制方式分類 點位控制工業(yè)機

17、器人點位控制工業(yè)機器人n 采用點到點的控制方式，它只在目標(biāo)點處準(zhǔn)確控制工采用點到點的控制方式，它只在目標(biāo)點處準(zhǔn)確控制工業(yè)機器人手部的位姿，完成預(yù)定的操作要求，而不對點與業(yè)機器人手部的位姿，完成預(yù)定的操作要求，而不對點與點之間的運動過程進行嚴(yán)格的控制。點之間的運動過程進行嚴(yán)格的控制。n 目前應(yīng)用的工業(yè)機器人中，多數(shù)屬于點位控制方式，目前應(yīng)用的工業(yè)機器人中，多數(shù)屬于點位控制方式，如上下料搬運機器人、點焊機器人等。如上下料搬運機器人、點焊機器人等。 連續(xù)軌跡控制工業(yè)機器人連續(xù)軌跡控制工業(yè)機器人 各關(guān)節(jié)同時作受控運動，準(zhǔn)確控制工業(yè)機器人手部按各關(guān)節(jié)同時作受控運動，準(zhǔn)確控制工業(yè)機器人手部按預(yù)定軌跡和速度

18、運動，而手部的姿態(tài)也可以通過腕關(guān)節(jié)的預(yù)定軌跡和速度運動，而手部的姿態(tài)也可以通過腕關(guān)節(jié)的運動得以控制。運動得以控制。 弧焊、噴漆和檢測機器人均屬連續(xù)軌跡控制方式?；『?、噴漆和檢測機器人均屬連續(xù)軌跡控制方式。.15 3) 3)按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動方式分類 氣動式工業(yè)機器人氣動式工業(yè)機器人 以壓縮空氣來驅(qū)動操作機。其優(yōu)點是空氣來源方便，動作以壓縮空氣來驅(qū)動操作機。其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，無污染，適合防爆環(huán)境。缺點是空迅速，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，無污染，適合防爆環(huán)境。缺點是空氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因為氣源壓氣具有可壓縮性，導(dǎo)致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因為氣源

19、壓力只有力只有6KPa6KPa左右，所以抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大左右，所以抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。百余牛頓。 液壓式工業(yè)機器人液壓式工業(yè)機器人 因為液壓比氣壓壓力高，一般為因為液壓比氣壓壓力高，一般為70KPa70KPa左右，故液壓機器人左右，故液壓機器人具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊具有較大的抓舉能力，可達(dá)上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫、湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫、低溫和易燃易爆環(huán)境下工作。低溫和易燃易爆環(huán)境下工作。 電動式工業(yè)機器人電動式工業(yè)機器人 目前用

20、得最多的一類工業(yè)機器人。不僅電動機品種眾多，目前用得最多的一類工業(yè)機器人。不僅電動機品種眾多，為工業(yè)機器人設(shè)計提供了多種選擇；而且可運用多種靈活的控為工業(yè)機器人設(shè)計提供了多種選擇；而且可運用多種靈活的控制方法。制方法。 早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。.168.2 8.2 工業(yè)機器人操作機的機械結(jié)構(gòu)工業(yè)機器人操作機的機械結(jié)構(gòu)l 工業(yè)機器人操作機械由機座、立柱、手工業(yè)機器人操作機械由機座、立柱、手臂、手腕和手部等部分組成，如圖臂、手腕和手部等部分組成，如圖8

21、-88-8。l 確定一個工業(yè)機器人操作機位置時所確定一個工業(yè)機器人操作機位置時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為工業(yè)機器需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為工業(yè)機器人的運動自由度。人的運動自由度。l 自由度數(shù)取決于作業(yè)目標(biāo)所要求的動自由度數(shù)取決于作業(yè)目標(biāo)所要求的動作。對于進行二維平面作業(yè)需三個自由度；作。對于進行二維平面作業(yè)需三個自由度；若要具有隨意的位姿，則至少需要六個自若要具有隨意的位姿，則至少需要六個自由度；而對于回避障礙作業(yè)的工業(yè)機器人由度；而對于回避障礙作業(yè)的工業(yè)機器人則需要有比六個自由度更多的冗余自由度。則需要有比六個自由度更多的冗余自由度。l 工業(yè)機器人操作機常采用回轉(zhuǎn)副或移工業(yè)機器人操作機

22、常采用回轉(zhuǎn)副或移動副主動關(guān)節(jié)來實現(xiàn)各個自由度。動副主動關(guān)節(jié)來實現(xiàn)各個自由度。圖圖8-8 工業(yè)機器人操作機構(gòu)工業(yè)機器人操作機構(gòu) 1-手臂手臂 2-腕關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié) 3-手部手部 4-立柱立柱 5-機座機座.171.1.手臂手臂 手臂是操作機中的主要運動部件，它用來支承手腕和手部，調(diào)整手臂是操作機中的主要運動部件，它用來支承手腕和手部，調(diào)整手部在空間的位置。手臂一般至少應(yīng)有三個自由度手部在空間的位置。手臂一般至少應(yīng)有三個自由度, , 可以是移動副可以是移動副和回轉(zhuǎn)副。因此按運動副不同的組合方案，可有和回轉(zhuǎn)副。因此按運動副不同的組合方案，可有2727種方案。種方案。 手臂的直線運動多數(shù)通過液壓（氣）缸驅(qū)

23、動來實現(xiàn)，也可通過齒手臂的直線運動多數(shù)通過液壓（氣）缸驅(qū)動來實現(xiàn)，也可通過齒輪齒條、滾珠絲杠、直線電動機等來實現(xiàn)。輪齒條、滾珠絲杠、直線電動機等來實現(xiàn)。 手臂回轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)手段很多，如蝸輪蝸桿式；液壓缸活塞桿上手臂回轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)手段很多，如蝸輪蝸桿式；液壓缸活塞桿上的齒條驅(qū)動齒輪的方式；利用液壓缸活塞桿直接驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)；由的齒條驅(qū)動齒輪的方式；利用液壓缸活塞桿直接驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)；由回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸直接驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)；由步進電動機通過齒輪傳動回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸直接驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)；由步進電動機通過齒輪傳動使手臂回轉(zhuǎn)；由直流電動機通過諧波傳動裝置驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)等。使手臂回轉(zhuǎn)；由直流電動機通過諧波傳動裝置驅(qū)動手

24、臂回轉(zhuǎn)等。 PUMAPUMA型工業(yè)機器人是由直流伺服電動機驅(qū)動的六自由度關(guān)節(jié)型工型工業(yè)機器人是由直流伺服電動機驅(qū)動的六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人。其大臂和小臂是用高強度鋁合金材料制成的薄臂框形結(jié)業(yè)機器人。其大臂和小臂是用高強度鋁合金材料制成的薄臂框形結(jié)構(gòu)，各運動都是采用齒輪傳動。驅(qū)動大臂的傳動機構(gòu)如圖構(gòu)，各運動都是采用齒輪傳動。驅(qū)動大臂的傳動機構(gòu)如圖8-9a)8-9a)所示，所示，驅(qū)動小臂的傳動機構(gòu)如圖驅(qū)動小臂的傳動機構(gòu)如圖8-9b)8-9b)所示，腰座所示，腰座( (用轉(zhuǎn)機座用轉(zhuǎn)機座) )的回轉(zhuǎn)運動的回轉(zhuǎn)運動11如圖如圖8-9C)8-9C)所示。所示。 .18 圖圖8-9 PUMA機器人手臂傳動

25、機構(gòu)機器人手臂傳動機構(gòu) 1 1、10-10-大臂，大臂，2 2、3 3、5 5、6 6、8 8、9 9、1414、1515、1919、2121、2222、23-23-齒輪齒輪 ，4 4、1313、1616、20-20-偏心套偏心套7 7、1111、24-24-驅(qū)動電動機驅(qū)動電動機 12-12-驅(qū)動軸驅(qū)動軸17-17-小臂小臂 18-18-腰座腰座.192.2.手腕手腕 手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，作用是調(diào)整或改變工件的方向，手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，作用是調(diào)整或改變工件的方向，因而具有獨立的自由度。一般需要三個自由度，由因而具有獨立的自由度。一般需要三個自由度，由3 3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

26、組合個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合而成，常用的組合結(jié)構(gòu)如圖而成，常用的組合結(jié)構(gòu)如圖8-108-10所示。各回轉(zhuǎn)方向的名稱如下：所示。各回轉(zhuǎn)方向的名稱如下： 臂轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn): :繞小劈軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱臂轉(zhuǎn)。繞小劈軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱臂轉(zhuǎn)。 腕擺腕擺: :使末端執(zhí)行器相對于手臂進行的擺動稱腕擺。使末端執(zhí)行器相對于手臂進行的擺動稱腕擺。 手轉(zhuǎn)手轉(zhuǎn): :使末端執(zhí)行器繞自身軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱手轉(zhuǎn)。使末端執(zhí)行器繞自身軸線方向的旋轉(zhuǎn)稱手轉(zhuǎn)。 實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的是氣壓實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的是氣壓( (液壓液壓) )缸。結(jié)構(gòu)簡單缸。結(jié)構(gòu)簡單, ,但回轉(zhuǎn)角度小于但回轉(zhuǎn)角度小于360360o o，并要求嚴(yán)格密封。若

27、回轉(zhuǎn)角度等于，并要求嚴(yán)格密封。若回轉(zhuǎn)角度等于360360o o時可采時可采用齒輪齒條或鏈條鏈輪傳動。用齒輪齒條或鏈條鏈輪傳動。圖圖8-10 8-10 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合形式腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的組合形式.203.3.手部手部 手部裝在操作機手腕前端，它是操作機直接執(zhí)行工作的裝置。手部裝在操作機手腕前端，它是操作機直接執(zhí)行工作的裝置。 根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機械夾持器、專用工具和根據(jù)其用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機械夾持器、專用工具和萬能手三類。多數(shù)情況下手部是為特定的用途而專門設(shè)計的，但萬能手三類。多數(shù)情況下手部是為特定的用途而專門設(shè)計的，但也可設(shè)計成一種適用性較大的多用途手部。為實現(xiàn)快速和自動更

28、也可設(shè)計成一種適用性較大的多用途手部。為實現(xiàn)快速和自動更換手部，可以采用電磁吸盤或氣動鎖緊的接換器。換手部，可以采用電磁吸盤或氣動鎖緊的接換器。(1)(1)機械夾持器機械夾持器 回轉(zhuǎn)式機械夾持器回轉(zhuǎn)式機械夾持器 圖圖8-11a)8-11a)示出了楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)機械夾持器。當(dāng)夾持器驅(qū)動示出了楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)機械夾持器。當(dāng)夾持器驅(qū)動向前推動時，通過楔塊向前推動時，通過楔塊4 4楔面和杠桿楔面和杠桿1 1，使手爪產(chǎn)生夾緊動作和夾，使手爪產(chǎn)生夾緊動作和夾緊力；當(dāng)楔塊后移時靠彈黃緊力；當(dāng)楔塊后移時靠彈黃2 2的拉力使手爪松開。的拉力使手爪松開。 同理，圖同理，圖8-11b8-11b）示出了滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)夾

29、持器。圖）示出了滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)夾持器。圖8-11C)8-11C)示出了連桿杠桿式回轉(zhuǎn)夾持器，工作原理類似。示出了連桿杠桿式回轉(zhuǎn)夾持器，工作原理類似。 .21 圖圖8-11 8-11 回轉(zhuǎn)式機械夾持器回轉(zhuǎn)式機械夾持器 a)a)楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 b)b)滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 c)c)連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 1 1、9-9-杠桿杠桿 2 2彈簧彈簧 3-3-滾子滾子 4-4-楔塊楔塊 5-5-驅(qū)動器驅(qū)動器 6-6-支架支架 7 7、10-10-桿桿 8-8-圓柱銷圓柱銷 11-11-連桿連桿 12-12-擺動鉗爪擺動鉗爪 13

30、-13-調(diào)整墊片調(diào)整墊片.22移動式機械夾持器移動式機械夾持器 圖圖8-12a)8-12a)所示為齒輪齒條平行連桿式移動夾持器，電磁式驅(qū)動器所示為齒輪齒條平行連桿式移動夾持器，電磁式驅(qū)動器3 3驅(qū)驅(qū)動齒條桿動齒條桿2 2和和2 2個扇形齒輪個扇形齒輪l l，帶動桿，帶動桿5 5繞繞O1O1、O2O2旋轉(zhuǎn)。連桿旋轉(zhuǎn)。連桿5 5、6 6，鉗爪，鉗爪7 7和夾持器和夾持器4 4構(gòu)成一平行四桿機構(gòu)，驅(qū)動兩鉗爪作平移以夾緊和松開工件。構(gòu)成一平行四桿機構(gòu)，驅(qū)動兩鉗爪作平移以夾緊和松開工件。 圖圖8-12b)8-12b)所示的是左右旋絲桿式移動夾持器，由電動機所示的是左右旋絲桿式移動夾持器，由電動機8 8驅(qū)

31、動一對旋驅(qū)動一對旋向相反的絲杠向相反的絲杠9 9提供準(zhǔn)確的移動夾緊動作。提供準(zhǔn)確的移動夾緊動作。圖圖8-12 移動式機械夾持器移動式機械夾持器 a)齒輪齒條平行連桿式平移夾持器 b)左右旋絲杠平移型夾持器1-扇形齒輪 2-齒條桿 3-電磁式驅(qū)動器 4-夾持器體 5、6-連桿 7鉗爪 8-電動機 9-絲杠 10-導(dǎo)軌 11-鉗瓜桿.23內(nèi)撐式機械夾持器內(nèi)撐式機械夾持器 內(nèi)撐式機械夾持器采用四連內(nèi)撐式機械夾持器采用四連桿機構(gòu)傳遞撐緊力，如圖桿機構(gòu)傳遞撐緊力，如圖8-138-13所示。所示。 其撐緊方向與上述兩種方式其撐緊方向與上述兩種方式的外夾式相反。鉗爪的外夾式相反。鉗爪3 3從工件內(nèi)從工件內(nèi)孔

32、撐緊工件，為使撐緊后能準(zhǔn)孔撐緊工件，為使撐緊后能準(zhǔn)確地用內(nèi)孔定位，多采用三個確地用內(nèi)孔定位，多采用三個鉗爪鉗爪( (圖中只畫了兩個圖中只畫了兩個) )。圖圖8-13 內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器內(nèi)撐連桿杠桿式夾持器 1-驅(qū)動器驅(qū)動器 2-桿桿 3-鉗爪鉗爪.24(2)(2)專用工具專用工具n專用工具是供工業(yè)機器人完成某類特定的作業(yè)之用。如專用工具是供工業(yè)機器人完成某類特定的作業(yè)之用。如吸附手、噴槍、焊槍等。吸附手、噴槍、焊槍等。圖圖8-14 8-14 工業(yè)機器人專用工具工業(yè)機器人專用工具 a)a)真空吸附手真空吸附手 b)b)噴槍噴槍 C)C)空氣袋膨脹手空氣袋膨脹手 d)d)弧焊焊槍弧焊焊槍 e)電

33、磁吸附手電磁吸附手 f)f)點焊槍點焊槍.258.3 8.3 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)8.3.1 8.3.1 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點和要求工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點和要求 1.1.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人有若干個關(guān)節(jié)，典型工業(yè)機器人有五至六個關(guān)節(jié)，工業(yè)機器人有若干個關(guān)節(jié)，典型工業(yè)機器人有五至六個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。協(xié)同工作。 工業(yè)機器人的工作任務(wù)是要求操作機的手部進行空間點位運工業(yè)機器人的工作任務(wù)是要求操作機的手部進行空間點位運動或

34、連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機器人的運動控制，需要進行復(fù)雜的坐動或連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機器人的運動控制，需要進行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。標(biāo)變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。 工業(yè)機器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)工業(yè)機器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常雜模型，各變量之間還存在著耦合，因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。使用前饋、補償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。 較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析

35、，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。.26 2. 2.對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本要求對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本要求 實現(xiàn)對工業(yè)機器人的位姿、速度、加速度等的控制功能實現(xiàn)對工業(yè)機器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，對于連續(xù)，對于連續(xù)軌跡運動的工業(yè)機器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。軌跡運動的工業(yè)機器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。 方便的人方便的人- -機交互功能。機交互功能。操作人員采用直接指令代碼

36、對工業(yè)機器人操作人員采用直接指令代碼對工業(yè)機器人進行作業(yè)指示。使工業(yè)機器人具有作業(yè)知識的記憶、修正和工作程序進行作業(yè)指示。使工業(yè)機器人具有作業(yè)知識的記憶、修正和工作程序的跳轉(zhuǎn)功能。的跳轉(zhuǎn)功能。 具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。為使工業(yè)機為使工業(yè)機器人具有對外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機器人應(yīng)能對視覺、力覺、器人具有對外部狀態(tài)變化的適應(yīng)能力，工業(yè)機器人應(yīng)能對視覺、力覺、觸覺等有關(guān)信息進行檢測、識別、判斷、理解等功能。在自動生產(chǎn)線觸覺等有關(guān)信息進行檢測、識別、判斷、理解等功能。在自動生產(chǎn)線中，工業(yè)機器人應(yīng)有與其它設(shè)備交換信息，協(xié)調(diào)工作

37、的能力。中，工業(yè)機器人應(yīng)有與其它設(shè)備交換信息，協(xié)調(diào)工作的能力。 具有診斷、故障監(jiān)視等功能。具有診斷、故障監(jiān)視等功能。目前大部分工業(yè)機器人都采用二級計目前大部分工業(yè)機器人都采用二級計算機控制，第一級為主控制級，第二級為伺服控制級。算機控制，第一級為主控制級，第二級為伺服控制級。 主控制級由主控制計算機及示教盒等外圍設(shè)備組成，主要用以接受主控制級由主控制計算機及示教盒等外圍設(shè)備組成，主要用以接受作業(yè)指令，協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)運動，控制運動軌跡，完成作業(yè)操作。作業(yè)指令，協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)運動，控制運動軌跡，完成作業(yè)操作。 伺服控制級為一組伺服控制系統(tǒng)，其主體亦為計算機、每一伺服控伺服控制級為一組伺服控制系統(tǒng)，其主體亦為計

38、算機、每一伺服控制系統(tǒng)對應(yīng)一定關(guān)節(jié)，用于接收主控制計算級向各關(guān)節(jié)發(fā)出的位置、制系統(tǒng)對應(yīng)一定關(guān)節(jié)，用于接收主控制計算級向各關(guān)節(jié)發(fā)出的位置、速度等運動指令信號，以實時控制操作機各關(guān)節(jié)的運行。速度等運動指令信號，以實時控制操作機各關(guān)節(jié)的運行。.278.3.2 8.3.2 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的分類工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的分類 控制系統(tǒng)可以從不同角度進行分類，如按控制運動的方式分為關(guān)節(jié)運控制系統(tǒng)可以從不同角度進行分類，如按控制運動的方式分為關(guān)節(jié)運動控制、笛卡爾空間運動控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式可分為點動控制、笛卡爾空間運動控制和自適應(yīng)控制；按軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式可分

39、為速度控制、加速度控制、位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式可分為速度控制、加速度控制、力控制。例如按發(fā)展階段可作以下分類：力控制。例如按發(fā)展階段可作以下分類： (1)(1)程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 目前工業(yè)用的絕大多數(shù)第一代機器人屬于程序控制機器人，其系統(tǒng)結(jié)目前工業(yè)用的絕大多數(shù)第一代機器人屬于程序控制機器人，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖構(gòu)如圖8-158-15所示，包括程序控制器、信息處理器和放大執(zhí)行裝置。系統(tǒng)所示，包括程序控制器、信息處理器和放大執(zhí)行裝置。系統(tǒng)輸出量輸出量X X為操作機構(gòu)運動狀態(tài)，一般為各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角或位移；給定量為操作機構(gòu)運動狀態(tài)，一般為各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角或位移；給定量G G是是輸出量輸出量X

40、X的要達(dá)到的目標(biāo)值，通常是以程序形式給出的時間函數(shù)；的要達(dá)到的目標(biāo)值，通常是以程序形式給出的時間函數(shù)；U U是控是控制器輸出，作用于操作機的輸入端。制器輸出，作用于操作機的輸入端。G G的給定可以通過計算工業(yè)機器人的的給定可以通過計算工業(yè)機器人的運動規(guī)跡來編制程序，也可通過示教法來編制程序。運動規(guī)跡來編制程序，也可通過示教法來編制程序。圖圖8-15 8-15 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng).28(2)(2) 自自適應(yīng)性控制系統(tǒng)適應(yīng)性控制系統(tǒng) 自自適應(yīng)性控制系統(tǒng)多用于第二代工業(yè)機器人，即具有知覺的工業(yè)機適應(yīng)性控制系統(tǒng)多用于第二代工業(yè)機器人，即具有知覺的工業(yè)機器人，它具有力覺、觸覺或視覺等功能。這類控制

41、系統(tǒng)一般不事先給出器人，它具有力覺、觸覺或視覺等功能。這類控制系統(tǒng)一般不事先給出運動規(guī)跡，由系統(tǒng)根據(jù)外界環(huán)境的瞬時狀態(tài)變化即對控制系統(tǒng)的擾動量運動規(guī)跡，由系統(tǒng)根據(jù)外界環(huán)境的瞬時狀態(tài)變化即對控制系統(tǒng)的擾動量來進行實時控制，見圖來進行實時控制，見圖8-168-16。 圖中圖中F是外部擾動向量，代表外部環(huán)境條件的變化；是外部擾動向量，代表外部環(huán)境條件的變化；G是給定量是機是給定量是機器人的目標(biāo)值；控制器輸出值器人的目標(biāo)值；控制器輸出值U根據(jù)操作機與目標(biāo)值之間坐標(biāo)的偏差值根據(jù)操作機與目標(biāo)值之間坐標(biāo)的偏差值而變化，從而控制操作機運動。顯然，此類系統(tǒng)比程序控制系統(tǒng)復(fù)雜。而變化，從而控制操作機運動。顯然，此

42、類系統(tǒng)比程序控制系統(tǒng)復(fù)雜。圖圖8-16 8-16 自適應(yīng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)控制系統(tǒng).29(3)(3)智能控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng) 智能控制系統(tǒng)是最高級、最完善的控制系統(tǒng)，在外界環(huán)境變化不定智能控制系統(tǒng)是最高級、最完善的控制系統(tǒng)，在外界環(huán)境變化不定的條件下，為保證所要求的品質(zhì)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能自動改變。的條件下，為保證所要求的品質(zhì)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能自動改變。其系統(tǒng)框圖見其系統(tǒng)框圖見8-178-17。 智能控制系統(tǒng)具有檢測所需新信息的能力，并能通過學(xué)習(xí)和積累經(jīng)智能控制系統(tǒng)具有檢測所需新信息的能力，并能通過學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗不斷完善計劃，該系統(tǒng)在其種程度上模擬了人的智力活動過程。具驗不斷完善計劃，該

43、系統(tǒng)在其種程度上模擬了人的智力活動過程。具有智能控制系統(tǒng)的工業(yè)機器人為第三代工業(yè)機器人。有智能控制系統(tǒng)的工業(yè)機器人為第三代工業(yè)機器人。 圖圖8-17 8-17 智能控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng).30 目前大部份工業(yè)機器人都采用兩級計算機控制，第一級為主控制級，目前大部份工業(yè)機器人都采用兩級計算機控制，第一級為主控制級，第二級為伺服控制級，系統(tǒng)框圖如圖第二級為伺服控制級，系統(tǒng)框圖如圖8-188-18所示。所示。 主控制級由主控制計算機及示教盒等外部設(shè)備組成，主要用以接受主控制級由主控制計算機及示教盒等外部設(shè)備組成，主要用以接受作業(yè)指令，協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)運動，控制運動軌跡，完成作業(yè)操作。作業(yè)指令，協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)運動，控

44、制運動軌跡，完成作業(yè)操作。 伺服控制級為一組伺服控制系統(tǒng)，其主體亦為計算機，每一伺服控伺服控制級為一組伺服控制系統(tǒng)，其主體亦為計算機，每一伺服控制系統(tǒng)對應(yīng)一定關(guān)節(jié)，用于接收主控制計算機向各關(guān)節(jié)發(fā)出的位置、速制系統(tǒng)對應(yīng)一定關(guān)節(jié)，用于接收主控制計算機向各關(guān)節(jié)發(fā)出的位置、速度等運動指令信號，以實時控制操作機各關(guān)節(jié)的運行。度等運動指令信號，以實時控制操作機各關(guān)節(jié)的運行。8.3.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖圖8-18 工業(yè)機器人兩級計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖工業(yè)機器人兩級計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖.311.1.主控制級主控制級 主控制級的功能是建立操作和工業(yè)機器人之間的信息通道

45、，傳遞作業(yè)主控制級的功能是建立操作和工業(yè)機器人之間的信息通道，傳遞作業(yè)指令和參數(shù)，反饋工作狀態(tài)，完成作業(yè)所需的各種計算，建立與伺服控指令和參數(shù)，反饋工作狀態(tài)，完成作業(yè)所需的各種計算，建立與伺服控制級之間的接口。它由以下幾個部紛組成：制級之間的接口。它由以下幾個部紛組成：（1 1）主控制計算機）主控制計算機 主要完成從作業(yè)任務(wù)、運動指令到關(guān)節(jié)運動之間的全部運算以及各設(shè)主要完成從作業(yè)任務(wù)、運動指令到關(guān)節(jié)運動之間的全部運算以及各設(shè)備之間的運動協(xié)調(diào)。對主控計算機硬件的要求是：要有相應(yīng)的運算速度、備之間的運動協(xié)調(diào)。對主控計算機硬件的要求是：要有相應(yīng)的運算速度、運算精度、存儲容量和中斷處理能力。運算精度、

46、存儲容量和中斷處理能力。（2 2）主控制軟件）主控制軟件 主控制軟件主要包括：指令的的分析和解釋即編譯程序；運動的規(guī)劃主控制軟件主要包括：指令的的分析和解釋即編譯程序；運動的規(guī)劃程序程序( (根據(jù)運動軌跡規(guī)劃出沿軌跡的運動參數(shù)根據(jù)運動軌跡規(guī)劃出沿軌跡的運動參數(shù)) )；插補計算程序；插補計算程序( (求取直求取直線或圓弧的運動規(guī)跡，兩坐標(biāo)點之間的加密點數(shù)據(jù)線或圓弧的運動規(guī)跡，兩坐標(biāo)點之間的加密點數(shù)據(jù)) )及坐標(biāo)變換程序等。及坐標(biāo)變換程序等。（3 3）外圍設(shè)備）外圍設(shè)備 主控制級外圍設(shè)備除具有顯示器、控制鍵盤、硬盤、和打印機等一般主控制級外圍設(shè)備除具有顯示器、控制鍵盤、硬盤、和打印機等一般設(shè)備外，

47、還具有示教控制盒。設(shè)備外，還具有示教控制盒。.32（4 4）示教控制盒）示教控制盒 示教控制盒是第一代機器人示教控制盒是第一代機器人-示教再現(xiàn)工業(yè)機器人操作的重要外示教再現(xiàn)工業(yè)機器人操作的重要外圍設(shè)備。圍設(shè)備。要使工業(yè)機器人具有完成預(yù)定作業(yè)任務(wù)的功能，須將預(yù)先要要使工業(yè)機器人具有完成預(yù)定作業(yè)任務(wù)的功能，須將預(yù)先要完成的作業(yè)教給機器人，這一操作過程稱為完成的作業(yè)教給機器人，這一操作過程稱為“示教示教”。 將示教內(nèi)容由計算機記憶下來，稱為將示教內(nèi)容由計算機記憶下來，稱為“存儲存儲”。工業(yè)機器人按存儲。工業(yè)機器人按存儲的示教內(nèi)容進行動作，稱為的示教內(nèi)容進行動作，稱為“再現(xiàn)再現(xiàn)”。工業(yè)機器人的動作就是

48、通過。工業(yè)機器人的動作就是通過“示教示教- -存儲存儲- -再現(xiàn)再現(xiàn)”的過程來實現(xiàn)的。示教主要兩種方式，即間接示的過程來實現(xiàn)的。示教主要兩種方式，即間接示教和直接示教方式。教和直接示教方式。 圖圖8-19 8-19 工業(yè)機械手控制示教方式工業(yè)機械手控制示教方式a) 手把手示教 b)示教盒示教.33n 間接示教方式間接示教方式-是一種人工數(shù)據(jù)輸入編程方式。將數(shù)據(jù)、圖形是一種人工數(shù)據(jù)輸入編程方式。將數(shù)據(jù)、圖形等與作業(yè)有關(guān)的指令信息，采用工業(yè)計算機編程語言進行離線編程等與作業(yè)有關(guān)的指令信息，采用工業(yè)計算機編程語言進行離線編程方法，再通過鍵盤、圖像讀取裝置等輸入設(shè)備輸入計算機。方法，再通過鍵盤、圖像讀

49、取裝置等輸入設(shè)備輸入計算機。 n 直接示教方式直接示教方式-是一種在線示教方法。它又可分兩種形式：手是一種在線示教方法。它又可分兩種形式：手把手示教和示教盒示教方式。把手示教和示教盒示教方式。n 手把手示教方式手把手示教方式-就是由操作人員直接利用示教手柄，操作機就是由操作人員直接利用示教手柄，操作機器人完成預(yù)定作業(yè)的全部運動器人完成預(yù)定作業(yè)的全部運動( (路徑和姿態(tài)路徑和姿態(tài)) )，如圖，如圖8-19a)8-19a)所示。所示。 n 示教編程方式示教編程方式-是利用示教盒進行的，如圖是利用示教盒進行的，如圖8-19b)8-19b)所示。示教所示。示教盒是一種以微處理器為基礎(chǔ)編的程裝置，如圖盒

50、是一種以微處理器為基礎(chǔ)編的程裝置，如圖8-208-20所示。示教盒面所示。示教盒面板上有一組控制操作機運動的按鈕；一組實現(xiàn)編程與修改的按鈕以板上有一組控制操作機運動的按鈕；一組實現(xiàn)編程與修改的按鈕以及運行、測試按鈕等。操作示教盒相應(yīng)功能按鍵，可控制機器人各及運行、測試按鈕等。操作示教盒相應(yīng)功能按鍵，可控制機器人各關(guān)節(jié)的單軸運動或多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動，以預(yù)定的空間直線和曲線運關(guān)節(jié)的單軸運動或多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動，以預(yù)定的空間直線和曲線運動規(guī)跡到達(dá)規(guī)定位置，完成示教編程操作。動規(guī)跡到達(dá)規(guī)定位置，完成示教編程操作。n 與手把手示教相比，該方法安全但編程精度不高。與手把手示教相比，該方法安全但編程精度不高。.

51、34 圖圖8-208-20工業(yè)機器人示教盒工業(yè)機器人示教盒1-1-緊急仃緊急仃 2-2-字符數(shù)字顯示字符數(shù)字顯示 3-3-工具鍵工具鍵4-4-是是/ /真鍵真鍵 5-5-否假鍵否假鍵 6-6-連續(xù)鍵連續(xù)鍵 7-7-向后鍵向后鍵 8-8-向前鍵向前鍵 9-9-關(guān)節(jié)運動鍵關(guān)節(jié)運動鍵 10-10-機械接口坐標(biāo)運動機械接口坐標(biāo)運動鍵鍵 11-11-基座坐標(biāo)運動鍵基座坐標(biāo)運動鍵 12-12-向前向前/ /向后漸近鍵向后漸近鍵 13-13-報警請除鍵報警請除鍵 14-14-循環(huán)停止鍵循環(huán)停止鍵 15-15-循環(huán)再啟循環(huán)再啟動鍵動鍵 16-16-精確位置鍵精確位置鍵 17-17-路徑點鍵路徑點鍵18-18-

52、關(guān)節(jié)坐標(biāo)鍵關(guān)節(jié)坐標(biāo)鍵 19-19-笛卡爾坐標(biāo)鍵笛卡爾坐標(biāo)鍵 20-20-修改鍵修改鍵 21-21-記錄鍵記錄鍵 22-22-數(shù)字輸入鍵數(shù)字輸入鍵 23-23-刪除鍵刪除鍵 24-24-速速度鍵度鍵 25-25-步號鍵步號鍵 26-26-子程序鍵子程序鍵 27-I/027-I/0輸入鍵輸入鍵 28-I/028-I/0輸出鍵輸出鍵 29-29-電源開關(guān)鍵電源開關(guān)鍵 30-30-安金開關(guān)安金開關(guān).352 2伺服控制級伺服控制級 伺服控制級由一組伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成，每一個伺服控制系統(tǒng)分別伺服控制級由一組伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成，每一個伺服控制系統(tǒng)分別驅(qū)動工業(yè)機器人操作機構(gòu)的一個關(guān)節(jié)。每一個關(guān)節(jié)的運動參數(shù)來自控驅(qū)

53、動工業(yè)機器人操作機構(gòu)的一個關(guān)節(jié)。每一個關(guān)節(jié)的運動參數(shù)來自控制級計算機的輸出。伺服控制級主要組成部份有：制級計算機的輸出。伺服控制級主要組成部份有：（1 1）伺服驅(qū)動器）伺服驅(qū)動器 工業(yè)機器人常用的的電動伺服驅(qū)動器通常由伺服電動機工業(yè)機器人常用的的電動伺服驅(qū)動器通常由伺服電動機( (氣動伺服氣動伺服驅(qū)動器則通過電磁伐控制驅(qū)動器則通過電磁伐控制) )、位置傳感器、速度傳感器及制動器組成。、位置傳感器、速度傳感器及制動器組成。伺服電動機的輸出軸直接與操作機構(gòu)的關(guān)節(jié)軸相聯(lián)接，以完成預(yù)定的伺服電動機的輸出軸直接與操作機構(gòu)的關(guān)節(jié)軸相聯(lián)接，以完成預(yù)定的關(guān)節(jié)運動。關(guān)節(jié)運動的位置和速度，由裝在電動機同軸上的光電

54、編碼關(guān)節(jié)運動。關(guān)節(jié)運動的位置和速度，由裝在電動機同軸上的光電編碼盤等傳感器檢測并各自反饋至位置環(huán)和速度環(huán)。制動器是在失電時保盤等傳感器檢測并各自反饋至位置環(huán)和速度環(huán)。制動器是在失電時保持關(guān)節(jié)現(xiàn)有位置用的，由電磁鐵和摩擦盤構(gòu)成。實際伺服驅(qū)動器控制持關(guān)節(jié)現(xiàn)有位置用的，由電磁鐵和摩擦盤構(gòu)成。實際伺服驅(qū)動器控制系統(tǒng)往往在速度環(huán)后面還有一個電流環(huán)調(diào)節(jié)器，取樣電機電流反饋電系統(tǒng)往往在速度環(huán)后面還有一個電流環(huán)調(diào)節(jié)器，取樣電機電流反饋電流環(huán)，以保證操作機構(gòu)的輸出力矩。流環(huán)，以保證操作機構(gòu)的輸出力矩。.36（2）伺服控制器電路）伺服控制器電路 伺服控制器的基本電路是比較器、偏差放大器、運算器和功伺服控制器的基本

55、電路是比較器、偏差放大器、運算器和功率放大器等。輸入信號除參考信號外，還有各種傳感器反饋信號。率放大器等。輸入信號除參考信號外，還有各種傳感器反饋信號。 控制器可以采用模擬調(diào)節(jié)電路也可用微處理器構(gòu)成的數(shù)字調(diào)控制器可以采用模擬調(diào)節(jié)電路也可用微處理器構(gòu)成的數(shù)字調(diào)節(jié)器構(gòu)成。數(shù)字伺服系統(tǒng)靈活性強，調(diào)節(jié)參數(shù)可自動改變適應(yīng)性節(jié)器構(gòu)成。數(shù)字伺服系統(tǒng)靈活性強，調(diào)節(jié)參數(shù)可自動改變適應(yīng)性強，便于實現(xiàn)各種復(fù)雜控制。強，便于實現(xiàn)各種復(fù)雜控制。圖圖8-21 8-21 具有位置和速度反饋的伺服控制系統(tǒng)具有位置和速度反饋的伺服控制系統(tǒng).373 3工業(yè)機器人計算機控制系統(tǒng)的實例工業(yè)機器人計算機控制系統(tǒng)的實例 19781978

56、年美國年美國UnimationUnimation公司公司( (現(xiàn)稱現(xiàn)稱Staubli Unimation)Staubli Unimation)推出通推出通用工業(yè)機器人用工業(yè)機器人PUMAPUMA。以。以PUMA-560PUMA-560為例，其所確定的關(guān)節(jié)式機器人為例，其所確定的關(guān)節(jié)式機器人的幾何模型如一般工業(yè)機器人的安全保障措施、機器人的初始化、的幾何模型如一般工業(yè)機器人的安全保障措施、機器人的初始化、初始校準(zhǔn)過程等技術(shù)，在現(xiàn)今工業(yè)機器人制造領(lǐng)域都還在應(yīng)用。初始校準(zhǔn)過程等技術(shù)，在現(xiàn)今工業(yè)機器人制造領(lǐng)域都還在應(yīng)用。 PUMA 560PUMA 560型工業(yè)機器人，由型工業(yè)機器人，由PUMA 560

57、PUMA 560機械手臂、機械手臂、Mark II Mark II 控制控制器、示教盒和器、示教盒和VALIIVALII控制軟件組成，其工作行程為控制軟件組成，其工作行程為878mm878mm，負(fù)載，負(fù)載2.2kg2.2kg，如圖，如圖8-228-22所示所示PUMA 500PUMA 500型工業(yè)機器人型工業(yè)機器人 PUMA-560PUMA-560型工業(yè)機器人計算機控制系統(tǒng)如圖型工業(yè)機器人計算機控制系統(tǒng)如圖8-238-23所示，它由主所示，它由主控制計算機、伺服控制系統(tǒng)和外圍設(shè)備三部份組成。笫一級主控控制計算機、伺服控制系統(tǒng)和外圍設(shè)備三部份組成。笫一級主控制級計算機包括制級計算機包括CPU(L

58、SI-11CPU(LSI-11，1616位位) )、EPROMEPROM、RAMRAM存儲器和串并行存儲器和串并行接口等。第二級伺服控制級有接口等。第二級伺服控制級有6 6套伺服控制系統(tǒng)（如圖套伺服控制系統(tǒng)（如圖8-24 8-24 ），），分別對分別對6 6個關(guān)節(jié)進行獨立控制。每個伺服控制系統(tǒng)包括微處理器個關(guān)節(jié)進行獨立控制。每個伺服控制系統(tǒng)包括微處理器(6503(6503，8 8位位) )、D/AD/A轉(zhuǎn)換器、速度單元和位置編碼器等。轉(zhuǎn)換器、速度單元和位置編碼器等。.38圖圖8-22 PUMA 560型工業(yè)機器人型工業(yè)機器人.39圖圖8-23 PUMA-5608-23 PUMA-560型工業(yè)機

59、器人計算機控制系統(tǒng)型工業(yè)機器人計算機控制系統(tǒng).40圖圖8-24 PUMA-5608-24 PUMA-560型工業(yè)機器人伺服控制系統(tǒng)型工業(yè)機器人伺服控制系統(tǒng).418.4 8.4 工業(yè)機器人的應(yīng)用工業(yè)機器人的應(yīng)用n 目前工業(yè)機器人主要用于制造業(yè)中，特別是電器制造、目前工業(yè)機器人主要用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、金屬加工及金屬制品業(yè)等。在日汽車制造、塑料加工、金屬加工及金屬制品業(yè)等。在日本、美國和西歐等工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機器人的應(yīng)用本、美國和西歐等工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機器人的應(yīng)用越來越廣泛。越來越廣泛。n 隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)機器人功能和性能的不斷完善隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)機器人

60、功能和性能的不斷完善和提高，工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域在日益擴大，其應(yīng)用范和提高，工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域在日益擴大，其應(yīng)用范圍已不限于制造業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、圍已不限于制造業(yè)，還用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通運輸業(yè)、原子能工業(yè)、醫(yī)療福利事業(yè)、海洋和太空開發(fā)等事業(yè)中。原子能工業(yè)、醫(yī)療福利事業(yè)、海洋和太空開發(fā)等事業(yè)中。工業(yè)機器人的需求量越來越大。工業(yè)機器人的需求量越來越大。.428.4.1 8.4.1 工業(yè)機器人從事重復(fù)勞動工作工業(yè)機器人從事重復(fù)勞動工作 工業(yè)機器人能高強度地、持久地在各種工作環(huán)境中從事單調(diào)工業(yè)機器人能高強度地、持久地在各種工作環(huán)境中從事單調(diào)重復(fù)的勞動，使人類從繁重的體力勞動中解放出來