第1章 工業(yè)機(jī)器人-3

1、1第一章工業(yè)(gngy)機(jī)器人共五十六頁(yè)2 國(guó)際上，關(guān)于機(jī)器人的定義主要有以下幾種： （1）美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)的定義：機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手(manipulator)”。 （2）日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)(JIRA)的定義：工業(yè)機(jī)器人是“一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(end effector)的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)(lodng)的通用機(jī)器”。一、工業(yè)(gngy)機(jī)器人的定義共五十六頁(yè)3 （3）美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操

2、作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。 （4） 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義：“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用(zhunyng)裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。一、工業(yè)(gngy)機(jī)器人的定義共五十六頁(yè)4（5）我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器(j q)，所不同的是這種機(jī)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(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。 一、工業(yè)(gngy)機(jī)器人的定義共五十六頁(yè)5機(jī)器人的四大(s d)特征仿生特征(tzhng)：模仿人

3、的肢體動(dòng)作自動(dòng)特征：自動(dòng)完成作業(yè)任務(wù)柔性特征：對(duì)作業(yè)具有廣泛適應(yīng)性智能特征：具有對(duì)外界的感知能力共五十六頁(yè)6一、工業(yè)(gngy)機(jī)器人的定義 在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的機(jī)器人我們稱為工業(yè)機(jī)器人。 通常對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義是：工業(yè)機(jī)器人是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作, 按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求(yoqi), 實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操作工具的自動(dòng)化裝置。共五十六頁(yè)7工業(yè)機(jī)器人以剛性高的機(jī)械手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)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(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的替代人進(jìn)行工作的高度自動(dòng)化系統(tǒng)，是典型的機(jī)電一體化的產(chǎn)品。工

4、業(yè)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)(shxin)智能化、多功能化、柔性自動(dòng)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)(gngy)機(jī)器人的定義共五十六頁(yè)8二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成共五十六頁(yè)9二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1、3）控制系統(tǒng)(kn zh x tn)（2） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（液壓缸、電機(jī)等） 檢測(cè)系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人共五十六頁(yè)10 各組成部分(z chn b fn)關(guān)系控制系統(tǒng)(kn zh x tn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作對(duì)象檢測(cè)系統(tǒng)共五十六頁(yè)11二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)：一種具有和人手臂(shu b)相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操

5、作的機(jī)械裝置，通常包括：機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器；共五十六頁(yè)12二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成(1)末端執(zhí)行器（或稱手部）是機(jī)器人直接(zhji)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(jī)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。共五十六頁(yè)13二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成(2)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)。(3)手臂 手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連桿組成，用來(lái)改變末端執(zhí)行器的空間位置。(4)機(jī)座(j zu) 機(jī)座是工

6、業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，承受相應(yīng)的載荷，機(jī)座分為固定式和移動(dòng)式兩類。 共五十六頁(yè)14二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成2、控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，支配著機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度(sd)等)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定要求動(dòng)作。共五十六頁(yè)15二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成 采用計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人，控制系統(tǒng)分成(fn chn)決策級(jí)、策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)。決策級(jí)的功能是識(shí)別環(huán)境、建立模型、將作業(yè)任務(wù)分解為基本動(dòng)作序列；策略級(jí)將基本動(dòng)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(jí)給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。共五十

7、六頁(yè)16二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成3.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。常用的有電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械等四種(s zhn)驅(qū)動(dòng)方式。有些機(jī)器人采用這些驅(qū)動(dòng)方式的組合, 如電液混合驅(qū)動(dòng)和氣液混合驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。共五十六頁(yè)17二、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的組成4、位置(wi zhi)檢測(cè)系統(tǒng) 主要檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置、狀態(tài)，并隨時(shí)將執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使執(zhí)行系統(tǒng)以一定放入精度達(dá)到設(shè)定位置狀態(tài)。 常用力、位置、觸覺(jué)、視覺(jué)等傳感器共五十六頁(yè)18工業(yè)機(jī)器人的性能特征影響

8、(yngxing)著機(jī)器人的工作效率和可靠性。在設(shè)計(jì)和選用機(jī)器人時(shí)應(yīng)考慮如下幾個(gè)性能指標(biāo)：(1) 自由度。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各關(guān)節(jié)在三維空間對(duì)于固定坐標(biāo)系具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。各關(guān)節(jié)自由度的總和就是工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。三、 工業(yè)機(jī)器人的性能(xngnng)特征共五十六頁(yè)19共五十六頁(yè)20共五十六頁(yè)21共五十六頁(yè)22自由度數(shù)越高，機(jī)器人可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣。每個(gè)自由度需要一個(gè)伺服軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)地帶來(lái)的技術(shù)(jsh)困難也越大。一般情況下，通用工業(yè)機(jī)器人有36個(gè)自由度。共五十六頁(yè)23(2) 工作空間。工作空間是指機(jī)器人應(yīng)用手爪進(jìn)行工作的空間范圍。機(jī)器人的工作空間主

9、要取決于臂部的自由度 和每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。腕部的自由度主要用來(lái)調(diào)整手部在空間的方位。手指的開(kāi)閉動(dòng)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(wi zhi)和方位，所一般不計(jì)入機(jī)器人的自由度數(shù)。共五十六頁(yè)24直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是一個(gè)矩形(jxng)空間，圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是一圓柱體，而球坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是一個(gè)球體。共五十六頁(yè)25(3) 提取重力。提取的重力是反映機(jī)器人負(fù)載能力的一個(gè)參數(shù)，根據(jù)提取重力的不同(b tn)，可將機(jī)器人分為： 微型機(jī)器人，提取重力在10 N以下； 小型機(jī)器人， 提取重力為1050 N； 中型機(jī)器人， 提取重力為50300 N； 大型機(jī)器

10、人， 提取重力為300500 N； 重型機(jī)器人，提取重力在500N以上。 目前實(shí)際應(yīng)用機(jī)器人一般為中、小型機(jī)器人。共五十六頁(yè)26 (4) 運(yùn)動(dòng)速度。 運(yùn)動(dòng)速度影響機(jī)器人的工作效率，它與機(jī)器人所提取(tq)的重力和位置精度均有密切的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)速度高，機(jī)器人所承受的動(dòng)載荷增大，必將在加減速時(shí)承受較大的慣性力，影響機(jī)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(jī)器人的最大直線運(yùn)動(dòng)速度大多在1000 mm/s以下。共五十六頁(yè)27 (5) 位置精度。 位置精度是衡量機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件本身的精度和剛度(n d)，此外還與提取重力和運(yùn)動(dòng)

11、速度等因素有密切的關(guān)系。 共五十六頁(yè)28四、工業(yè)(gngy)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類方法(fngf)： 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(dòng)方式 按用途 共五十六頁(yè)291.按坐標(biāo)(zubio)形式分（1）直角坐標(biāo)機(jī)器人 機(jī)器人的末端執(zhí)行器（或手部）在空間位置的改變是通過(guò)三個(gè)互相垂直(chuzh)的軸線移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。特點(diǎn)：位置精度最高，控制無(wú)耦合，比較簡(jiǎn)單，避障性好，但結(jié)構(gòu)龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差。坐標(biāo)形式是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。共五十六頁(yè)30共五十六頁(yè)31（2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人 機(jī)器人是通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)（升降運(yùn)動(dòng)及手臂伸縮(shn su)運(yùn)動(dòng)）

12、 和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（腰轉(zhuǎn)）來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變。腰部轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及升降運(yùn)動(dòng)通常由機(jī)身來(lái)實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：位置(wi zhi)精度高、控制簡(jiǎn)單、避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大共五十六頁(yè)32共五十六頁(yè)33（3）極坐標(biāo)機(jī)器人 機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)組成(z chn)，即手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)和繞垂直軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、繞水平軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（俯仰運(yùn)動(dòng)）。通常把回轉(zhuǎn)及俯仰運(yùn)動(dòng)歸屬于機(jī)身。特點(diǎn)：占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、位置(wi zhi)精度尚可，但避障性差、有平衡問(wèn)題共五十六頁(yè)34共五十六頁(yè)35（4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人 關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人主要(zhyo)由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞Z 軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成腰關(guān)節(jié)

13、，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(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)：工作范圍(fnwi)大，動(dòng)作靈活，避障性好，但位置精度較低，有平衡問(wèn)題，控制耦合較復(fù)雜共五十六頁(yè)36三個(gè)回轉(zhuǎn)軸(zhunzhu)關(guān)節(jié)共五十六頁(yè)372.按控制(kngzh)方式分（1）點(diǎn)位控制(Point to Point) 機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng)，不涉及兩點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡，只在目標(biāo)點(diǎn)處控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)(zti)。特點(diǎn)：控制方式簡(jiǎn)單，適用于上下料、點(diǎn)焊等作業(yè)。 共五十六頁(yè)38（2）連續(xù)軌跡控制（Continuous Path） 機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)

14、過(guò)程都要控制，末端(m dun)執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。共五十六頁(yè)393.按信息輸入(shr)方式分 （1）人操作機(jī)械手 是一種由操作人員直接進(jìn)行操作的具有幾個(gè)自由度的機(jī)械手。（2）固定程序機(jī)器人 按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步(zhb)地重復(fù)執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)的機(jī)械手。（3）可變程序機(jī)器人它與固定程序機(jī)器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。共五十六頁(yè)40特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)，造價(jià)低廉，如附設(shè)在加工中心機(jī)床上的自動(dòng)換刀機(jī)械手。（4）程序控制機(jī)器人 具有 獨(dú)立的控制系統(tǒng)，作業(yè)任務(wù)指令(zhlng)是由計(jì)算機(jī)程序向機(jī)器人提供的，其控制方式與數(shù)控機(jī)床一樣。特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)

15、復(fù)雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的柔性制造系統(tǒng)。共五十六頁(yè)41（5）示教再現(xiàn)機(jī)器人 這類機(jī)器人能夠按照記憶裝置存儲(chǔ)的信息來(lái)復(fù)現(xiàn)由人示教的動(dòng)作。其示教動(dòng)作可自動(dòng)地重復(fù)執(zhí)行。 （6）智能機(jī)器人 采用傳感器來(lái)感知工作環(huán)境或工作條件(tiojin)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)。flash共五十六頁(yè)42五、 工業(yè)(gngy)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)（1）提高工作速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少自身重量和占地面積。（2）加快機(jī)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(dòng)等）機(jī)械模塊與控制模塊、檢測(cè)模塊組合成結(jié)構(gòu)和用途不同(b tn)的機(jī)器人。（3）采用新型結(jié)

16、構(gòu)，如微動(dòng)機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)手臂、類人手指、新型行走機(jī)構(gòu)等，以適應(yīng)各種作業(yè)需要。共五十六頁(yè)43（4）研制各種傳感檢測(cè)裝置，如視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和測(cè)距傳感器等，來(lái)獲取有關(guān)工作對(duì)象和外部環(huán)境的信息，使其具有模式識(shí)別的能力(nngl)。（5）利用人工智能的推理和決策技術(shù)，使機(jī)器人具有問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃等功能。共五十六頁(yè)44第二節(jié) 機(jī)械與驅(qū)動(dòng)(q dn)系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)又稱機(jī)械操作臂，它主要(zhyo)由 末端執(zhí)行器、 手腕、 手臂 機(jī)座組成；共五十六頁(yè)451. 末端(m dun)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(lái)設(shè)計(jì)的，從而形成了多種多樣的

17、結(jié)構(gòu)形式。末端執(zhí)行器安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手腕或手臂的機(jī)械接口上。根據(jù)用途可分為 機(jī)械式夾持器、 吸附(xf)式末端執(zhí)行器 專用工具三類。共五十六頁(yè)46（1）機(jī)械式夾持(ji ch)器機(jī)械式夾持器組成：手爪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)(q dn)裝置等。通過(guò)手爪的開(kāi)、合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的夾持。夾持圓柱形物料的機(jī)械式夾持器1-手爪2-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-驅(qū)動(dòng)裝置4-支架5-物料共五十六頁(yè)471）手爪 手爪是直接與物料接觸的部件，夾持器松開(kāi)和夾緊物料是通過(guò)手爪的張開(kāi)(zhn ki)和閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是向手爪傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。 傳

18、動(dòng)機(jī)構(gòu)按其運(yùn)動(dòng)方式分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，回轉(zhuǎn)型又分為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。3）驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)裝置是向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置，它一般有液壓、氣動(dòng)、機(jī)械等驅(qū)動(dòng)方式。共五十六頁(yè)48共五十六頁(yè)49共五十六頁(yè)50（2）吸附(xf)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(tngchng)吸盤(pán)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(chǎng)力吸取具有磁性物質(zhì)的小五金工件。共五十六頁(yè)51（2）吸附(xf)式末端執(zhí)行器抓取物料時(shí)，碟形橡膠吸盤(pán)與物料表面接觸，橡膠吸盤(pán)起到密封(mfng)和緩沖兩個(gè)作用，真空泵進(jìn)行真空抽氣，在吸盤(pán)內(nèi)前形成負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)物料的抓取。 放料時(shí)，吸盤(pán)內(nèi)通入大氣，失去真空后，物料放下。共五十六頁(yè)52（3）多指靈巧(ln qio)手共五十六頁(yè)532. 手腕手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部件(bjin)，作用：是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器方位，組成：三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。繞小臂軸線X旋轉(zhuǎn)的臂轉(zhuǎn)相對(duì)于小臂擺動(dòng)(bidng)的腕擺繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的手轉(zhuǎn)共五