工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)課件

1、第一章 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)-2022/7/27工作空間工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不包括末端操作器）所能掠過的空間，一般不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。目前，單體工業(yè)機(jī)器人本體的工作范圍可達(dá)3.5 m 左右。-2022/7/27MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機(jī)器人，屬于垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。圖2-6 圖2-7 為此種機(jī)器人的工作范圍。-2022/7/272.2.3 額定速度額定速度機(jī)器人在保持運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和位置精度的前提下所能達(dá)到的最大速度合成速度其某一關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度稱為單軸速度，由各軸速度分量合成的速度額定負(fù)載機(jī)器人在額定速度和規(guī)

2、定性能范圍內(nèi)，末端執(zhí)行器所能承受負(fù)載的允許值極限負(fù)載在限制作業(yè)條件下，為了保證機(jī)械結(jié)構(gòu)不損壞，末端執(zhí)行器所能承受負(fù)載的最大值 對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的機(jī)器人，其最大行程為定值，因此額定速度越高，運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間越短，工作效率也越高。而機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過程一般包括啟動(dòng)加速、勻速運(yùn)動(dòng)和減速制動(dòng)三個(gè)階段。如果機(jī)器人負(fù)載過大，則會(huì)產(chǎn)生較大的加速度，造成啟動(dòng)、制動(dòng)階段時(shí)間增長(zhǎng)，從而影響機(jī)器人的工作效率。對(duì)此，就要根據(jù)實(shí)際工作周期來平衡機(jī)器人的額定速度。-2022/7/272.2.3 承載能力D加速度的方向A負(fù)載的質(zhì)量B速度大小和方向C加速度的大小 承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大重量，通常

3、可以用質(zhì)量、力矩或慣性矩來表示。承載能力不僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，而且與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。一般低速運(yùn)行時(shí)，承載能力強(qiáng)。為安全考慮，將承載能力這個(gè)指標(biāo)確定為高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。通常，承載能力不僅指負(fù)載質(zhì)量，還包括機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。-2022/7/27分辨率 機(jī)器人的分辨率由系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)參數(shù)決定，并受到位置反饋檢測(cè)單元性能的影響。分辨率可分為編程分辨率與控制分辨率。是指程序中可以設(shè)定的最小距離單位，又稱為基準(zhǔn)分辨率。 例如：當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.1度，機(jī)器人腕點(diǎn)（手尖端點(diǎn)）移動(dòng)的直線距離為0.01mm時(shí)，其基準(zhǔn)分辨率為0.01mm。 1、編程分辨率-2022/7/27是指位置反

4、饋回路能 檢測(cè)到的最小位移量。 當(dāng)編程分辨率與控制分辨率相等時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)到最高。2、控制分辨率-2022/7/272.2.5 工業(yè)機(jī)器人的精度 指機(jī)器人末端操作器的實(shí)際位置與目標(biāo)位置之間的偏差，由機(jī)械誤差、控制算法誤差與系統(tǒng)分辨率等部分組成。定位精度 指在相同環(huán)境、相同條件、相同目標(biāo)動(dòng)作、相同命令的條件下，機(jī)器人連續(xù)重復(fù)運(yùn)動(dòng)若干次時(shí)，其位置會(huì)在一個(gè)平均值附近變化，變化的幅度代表重復(fù)定位置精度，是關(guān)于精度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因重復(fù)定位精度不受工作載荷變化的影響，所以通常用重復(fù)定位精度這個(gè)指標(biāo)作為衡量示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人水平的重要指標(biāo)。重復(fù)定位精度 機(jī)器人的精度主要體現(xiàn)在定位精度和重復(fù)定位精度兩個(gè)方

5、面。-2022/7/27如圖2-8所示，為重復(fù)定位精度的幾種典型情況：圖a為重復(fù)定位精度的測(cè)定；圖b為合理的定位精度，良好的重復(fù)定位精度；圖c為良好的定位精度，很差的重復(fù)定位精度；圖d為很差的定位精度，良好的重復(fù)定位精度。-2022/7/27此圖涉及到隨機(jī)概率分布函數(shù)的問題，不宜在中職和高職階段過多介紹-2022/7/27可以用扔飛鏢的例子來說明：這叫定位精度差，但重復(fù)定位精度好。這叫定位精度好，但重復(fù)定位精度差。-2022/7/27MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機(jī)器人各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)-2022/7/272.1 工業(yè)機(jī)器人的基本組成 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

6、示教器 。 對(duì)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)。操作機(jī)控制器示教器-2022/7/272.1.1 操作機(jī)（機(jī)器人本體） 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(dòng)裝置、傳動(dòng)單元及內(nèi)部傳感器等部分組成。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作機(jī)基本構(gòu)造 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(dòng) 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(gè)關(guān)節(jié)均 采用 1 個(gè)交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng) -2022/7/27機(jī)器人的六個(gè)軸：J1：腰部電機(jī)J2：肩部電機(jī)J3：肘部俯仰電機(jī)J4：肘部回轉(zhuǎn)電機(jī)J5

7、：碗部俯仰電機(jī)J6：碗部回轉(zhuǎn)電機(jī)-2022/7/272.1.2 控制器（控制柜）工業(yè)機(jī)器人控制器是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號(hào)，支配操作機(jī)完成規(guī)定運(yùn)動(dòng)和功能的裝置。它是機(jī)器人的關(guān)鍵和核心部分。-2022/7/27基本功能：示教、記憶、位置伺服、坐標(biāo)設(shè)定等。開發(fā)程度：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）或者混合型系統(tǒng)（如歐系）控制方式：集中式控制和分布式控制-2022/7/272.1.3 示教器亦稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成?？捎刹僮髡呤殖忠苿?dòng)。它是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，機(jī)器人的所有操作基本上都是通過它來完成的。示教器實(shí)質(zhì)上就是一

8、個(gè)專用的智能終端。 -2022/7/27串口通信模塊示教器S6S0S6S5S1S2S3S4主控制模塊運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)模塊操作機(jī)示教器的數(shù)據(jù)流關(guān)系-2022/7/27 機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計(jì)、應(yīng)用機(jī)器人必須考慮的問題。 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、 工作載荷等。2.2 工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)-2022/7/272.2.1 自由度1.機(jī)器人自由度定義機(jī)器人的自由度是指當(dāng)確定機(jī)器人手部在空間的位置和姿態(tài)時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，不包括手部開合自由度。在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要6個(gè)自由度，但自由度數(shù)目

9、越多，機(jī)器人結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，控制就越困難，所以目前機(jī)器人常用的自由度數(shù)目一般不超過7個(gè)。自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，可用軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來表示。-2022/7/272機(jī)器人自由度的選擇（1）一般自由度的選擇 機(jī)器人的自由度是根據(jù)機(jī)器人的用途來設(shè)計(jì)的，人們希望機(jī)器人能以準(zhǔn)確的方位把它的末端執(zhí)行部件或與它連接的工具移動(dòng)到指定點(diǎn)。如果機(jī)器人的用途是未知的，那么它應(yīng)當(dāng)具有6個(gè)自由度；機(jī)器人自由度數(shù)目越多，動(dòng)作越靈活，通用性越強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)則更復(fù)雜，剛性也差；如果工具本身具有某種特別結(jié)構(gòu)，那么就可能不需要6個(gè)自由度。-2022/7/27（2）冗余自由度 機(jī)器人的自由度多于為完成任務(wù)所

10、必需的自由度時(shí)，多余的自由度稱為冗余自由度。設(shè)置冗余自由度，主要是使機(jī)器人具有一定的避障能力。 從理論上講，具有6個(gè)自由度的機(jī)器人在其工作空間內(nèi)可達(dá)到任意位置和姿態(tài)，但由于奇異位形存在，一些關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，會(huì)使機(jī)器人自由度退化，失去一個(gè)或幾個(gè)自由度；再加上在工作空間可能存在的障礙，機(jī)器人就無法滿足工作要求。具有冗余自由度的機(jī)器人就有能夠克服奇異位形，避開障礙、克服關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)限制和改善動(dòng)態(tài)特性的功能，它能充分提高機(jī)器人的工作能力，在運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)性能方面具有無可比擬的優(yōu)越性。如圖2-5所示，為手臂型七自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人。-2022/7/27-2022/7/272.2.2 工作空間工作空間也稱工作

11、范圍、工作行程。工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（不包括末端操作器）所能掠過的空間，一般不包括末端操作器本身所能到達(dá)的區(qū)域。目前，單體工業(yè)機(jī)器人本體的工作范圍可達(dá)3.5 m 左右。-2022/7/27MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機(jī)器人，屬于垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。圖2-6 圖2-7 為此種機(jī)器人的工作范圍。-2022/7/272.3 坐標(biāo)系 機(jī)器人是由運(yùn)動(dòng)軸和連桿組成的，而其運(yùn)動(dòng)方式是在不同的坐標(biāo)系下進(jìn)行的，為了掌 握機(jī)器人的示教方法，應(yīng)首先了解機(jī)器人的坐標(biāo)系及各運(yùn)動(dòng)軸在不同坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。主要有：關(guān)節(jié)坐標(biāo)系絕對(duì)坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系)圓柱坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系用戶坐標(biāo)系2.3.

12、1 簡(jiǎn)介-2022/7/27 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 機(jī)器人每個(gè)軸均可以獨(dú)立地正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)坐標(biāo)系是機(jī)器人各關(guān)節(jié) 上固定的坐標(biāo)系，用于確定機(jī)器人的關(guān)節(jié)角。 基坐標(biāo)系 基坐標(biāo)系是一個(gè)固定定義的直角坐標(biāo)系，位于位于機(jī)器人基座。它是最便 于機(jī)器人從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的坐標(biāo)系。 世界坐標(biāo)系 世界坐標(biāo)系是固定定義的直角坐標(biāo)系，默認(rèn)世界坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系重合。 世界坐標(biāo)系可定義機(jī)器人單元，所有其他的坐標(biāo)系均與世界坐標(biāo)系直接或 間接相 關(guān)。它適用于微動(dòng)控制、一般移動(dòng)以及處理具有若干機(jī)器人或外軸 移動(dòng)機(jī)器人的工作站 和工作單元。-2022/7/27工具坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系是一個(gè)直角坐標(biāo)系，位于工具上。它是與機(jī)器人工

13、具固連的 笛卡爾坐標(biāo)系，隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而改變。通常是最適于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程的坐標(biāo)系。用戶坐標(biāo)系用戶坐標(biāo)系是一個(gè)直角坐標(biāo)系，用來說明工件的位置。-2022/7/272.3.2 分類介紹關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 機(jī)器人由多個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，機(jī)械手的每一個(gè)軸都可以進(jìn)行獨(dú)立的操作，各個(gè)關(guān)節(jié)都可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，如圖 4-14所示。對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍大且不要求機(jī)器人末端姿態(tài)的情況，建議選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下，每個(gè)軸可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，通過示教器上相應(yīng)的鍵控制機(jī)器人的各個(gè)軸示教，其運(yùn)動(dòng)方式見表 4-1。圖4-14 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)-2022/7/27軸運(yùn)動(dòng)方式主運(yùn)動(dòng)軸軸 1軸 1 本體回轉(zhuǎn)軸 2軸2 下 臂前后擺動(dòng)軸 3軸 3

14、上臂上下擺動(dòng)腕運(yùn)動(dòng)軸軸 4軸 4上臂回轉(zhuǎn)軸 5軸 5手腕上下擺動(dòng)軸 6軸 6 手腕回轉(zhuǎn)表4-1 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式-2022/7/272. 絕對(duì)坐標(biāo)系 如圖4-15所示，絕對(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義為機(jī)器人的安裝面和第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸的交點(diǎn)。 X軸 向前， z軸向上， y軸按右手規(guī)則定義。在絕對(duì)坐標(biāo)系下，機(jī)器人末端軌跡沿定義的 X 、Y 、 Z方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式見表 4-2 。圖4-15工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)坐標(biāo)系-2022/7/27軸運(yùn)動(dòng)方式主運(yùn)動(dòng)軸軸 1沿 X 軸方向運(yùn)動(dòng)軸 2沿 Y 軸方向運(yùn)動(dòng)軸 3沿 Z 軸方向運(yùn)動(dòng)腕運(yùn)動(dòng)軸軸 4未端點(diǎn)位置不變，機(jī)器人分別繞 X 、Y、Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)軸 5軸 6表4-2

15、 絕對(duì)坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式-2022/7/273. 世界坐標(biāo)系 圖4-16所示，世界坐標(biāo)系默認(rèn)與基坐標(biāo)系重合，位于機(jī)器人底部，可通過配置軟件更 改。其運(yùn)動(dòng)方式見表4-30。圖4-16工業(yè)機(jī)器人世界坐標(biāo)系-2022/7/274. 工具坐標(biāo)系 圖4-17所示， 工具坐標(biāo)系定義在工具尖，并且假定工具的有效方向?yàn)?Z軸， x軸垂直于工具平面， y軸 由右手規(guī)則產(chǎn)生，如圖4-17所示。標(biāo)定了工具相對(duì)于法蘭(指的是末端最后第 6軸的法蘭 凸緣盤的位置和姿態(tài)) ，如圖4-18所示。這里特別注意，姿態(tài)一定不能遺漏。 在工具坐標(biāo)系中，機(jī)器人末端軌跡沿工具坐標(biāo)的 X 、Y 、Z軸方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式見表

16、4-40圖4-17 工具坐標(biāo)系及各軸的運(yùn)動(dòng)-2022/7/27軸運(yùn)動(dòng)方式主運(yùn)動(dòng)軸六軸聯(lián)動(dòng)沿 X 軸方向運(yùn)動(dòng)沿 Y 軸方向運(yùn)動(dòng)沿 Z 軸方向運(yùn)動(dòng)腕運(yùn)動(dòng)軸末端點(diǎn)位置不變， 機(jī)器人分別繞 X 、Y、Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)表4-4 工具坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式-2022/7/275. 用戶坐標(biāo)系 用戶坐標(biāo)系是用戶根據(jù)工作的需要，自行定義的坐標(biāo)系，用戶可根據(jù)需要定義多個(gè)坐 標(biāo)系，如圖 4-19所示。用戶自定義可以方便的量測(cè)工作區(qū)間中各點(diǎn)的位置并加以任務(wù)安 排，且更符合人的直觀。在用戶坐標(biāo)系下，機(jī)器人末端軌跡沿用戶自己定義的坐標(biāo)軸方 向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式見表 4-5。圖4-19 用戶坐標(biāo)系及各軸的運(yùn)動(dòng)-2022/7/2

17、7軸運(yùn)動(dòng)方式主運(yùn)動(dòng)軸六軸聯(lián)動(dòng)沿 用戶定義的X 軸方向運(yùn)動(dòng)沿用戶定義的Y 軸方向運(yùn)動(dòng)沿用戶定義的Z 軸方向運(yùn)動(dòng)腕運(yùn)動(dòng)軸末端點(diǎn)位置不變， 機(jī)器人分別繞 X 、Y、Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)表4-5 用戶坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式-2022/7/272.3.3 TCP運(yùn)動(dòng)軌跡 TCP為加上工具后工具的末端點(diǎn)機(jī)器人的工作其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)TCP點(diǎn)在空間中完成預(yù)定或指定的運(yùn)動(dòng)軌跡TCP。 （工具控制點(diǎn)）固定功能: 除了關(guān)節(jié)坐標(biāo)系外，在其他坐標(biāo)系下都有TCP固定功能，即在工具控制點(diǎn)位置保持不變的情況下，只改變工具的方向(姿態(tài))。在TCP固定功能下各軸的運(yùn)動(dòng)方式見下表。 軸運(yùn)動(dòng)方式主運(yùn)動(dòng)軸軸1TCP平移運(yùn)動(dòng)方式取決于坐標(biāo)系軸2軸3

18、腕運(yùn)動(dòng)軸軸4末端點(diǎn)位置不變，機(jī)器人分別繞X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)。軸5軸6-2022/7/272.3.4 奇異點(diǎn)1、奇異位形及其不良影響 也稱特殊位形，是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，它是指機(jī)械手的 工作空間中，手部參考點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)沿任意方向的微小位移或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)機(jī)械手的位形。 當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到奇異位置時(shí)，產(chǎn)生的不良影響主要表現(xiàn)在如下的三個(gè)方面：（1）使機(jī)械手實(shí)際操作自由度減少，從而手部無法實(shí)現(xiàn)沿著某些方向的運(yùn) 動(dòng)，同時(shí)減少了獨(dú)立的內(nèi)部關(guān)節(jié)變量數(shù)目。（2）某些關(guān)節(jié)角速度趨向無窮大，引起機(jī)械手失控，導(dǎo)致執(zhí)行器偏離了規(guī)定的軌跡。（3）使雅克比矩陣退化，從而所有包括雅克比的求逆控制方案無法實(shí)現(xiàn)，因此奇異性是機(jī)器人工作空間一個(gè)不可忽視的問題。-2022/7/272、奇異點(diǎn)的本質(zhì) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)其實(shí)是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵問題在于如何將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人TCP點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)。 從機(jī)器人每個(gè)軸的角度計(jì)算出TCP點(diǎn)的位置坐