工業(yè)機器人分類及應用

1、工業(yè)機器人的分類及應用 所 處 位 置 1 、按機器人的技術等級劃分 【 課 （ 1 ） 示教再現(xiàn)機器人 第一代工業(yè)機器人能夠按照人類預先示教的軌跡、行為、順序和速度重復作業(yè)，示教可由操作員手把手進行或通過示教器完成 。 堂 認 知 】 返回 目錄 （ 2 ） 感知機器人 第二代工業(yè)機器人程具有環(huán)境感知裝置，能在一定度上適應環(huán)境的變化，目前已經(jīng)進入應用階段。（ 3 ） 智能機器人 第三代工業(yè)機器人具有發(fā)現(xiàn)問題，并且能自主地解決問題的能力，尚處于實驗研究階段。 課前回顧 第一頁，共四十二頁。按機器人結構坐標系特點方式分類1）直角坐標型機器人 2）圓柱坐標型機器人 3）極坐標型機器人4）關節(jié)型機器

2、人通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實現(xiàn)機器人手部空間位置的改變通過兩個移動和一個轉動實現(xiàn)位置的改變運動由一個直線運動和兩個轉動組成運動由前后的俯仰及立柱的回轉組成第二頁，共四十二頁。章節(jié)目錄 思考練習 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 2.1.2 控制器 2.1.3 示教器 2.2 工業(yè)機器人的技術指標 學習目標 導入案例 擴展與提高 本章小結 課堂認知 2.3 工業(yè)機器人的運動控制 2.3.1 機器人運動學問題 2.3.2 機器人的點位運動 2.3.3 機器人的位置控制 第三頁，共四十二頁。學習目標 所 處 位 置 能夠正確識別工業(yè)機器人的基本組成 【 學 掌握工業(yè)機器人的機

3、構組成及各部分的功能能夠正確判別工業(yè)機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動 習 目 標 】 返回 目錄 認知目標能力目標第四頁，共四十二頁。導入案例 國產(chǎn)機器人競爭力缺失 關鍵技術是瓶頸 眾所周知，中國機器人產(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)達國家。雖然中國機器人產(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，但與發(fā)達國家相比，仍存在較大差距，產(chǎn)業(yè)基礎依然薄弱，關鍵零部件嚴重依賴進口。 【 導 入 案 】 整個機器人產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游核心零部件（主要是機器人三大核心零部件 伺服電機、減速器和控制系統(tǒng)，相當于機器人的“大腦”）、中游機器人本體（機器人的“身體”）和下游系統(tǒng)集

4、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 第五頁，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 第一代工業(yè)機器人主要由以下幾部分組成： 操作機、控制器和示教器 。 示教器 是機器人的人機交互接口，操作者可通過它對機器人進行編程或手動操縱機器人移動。 操作機 用于完成各種作業(yè)任務的機械主體，主要包含機械臂、驅動裝置、傳動單元以及內(nèi)部傳感器等部分。 控制器 是完成機器人控制功能的結構實現(xiàn)，是決定機器人功能和水平的關鍵部分。 工業(yè)機器人系統(tǒng)組成 對于第二代及第三代工業(yè)機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現(xiàn)。第六頁，共四十二頁。關節(jié)型機器人操作機基本構造

5、 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構。它主要由機械臂、驅動裝置、傳動單元及內(nèi)部傳感器等部分組成。 伺服電機 減速器 腕關節(jié) 小臂 肘關節(jié) 手腕 大臂 連接法蘭 皮帶傳動 腰部 肩關節(jié) 腰關節(jié) 基座 機器人操作機的每個關節(jié)均采用 1 個交流伺服馬達驅動 返回 目錄 第七頁，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 所 處 機器人操作機最后一個軸的機械接口通常為一連接法蘭，可接裝不同的機械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等。 位 置 【 課 堂 認 知 】 吸盤 焊槍 夾緊爪 返回 目錄 第八頁，共四十二頁。

6、夾緊爪 第九頁，共四十二頁。夾緊爪 第十頁，共四十二頁。夾緊爪 第十一頁，共四十二頁。吸盤 第十二頁，共四十二頁。第十三頁，共四十二頁。焊槍 第十四頁，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 (1) 機械臂 位 置 關節(jié)型工業(yè)機器人的機械臂是由關節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體 。實質(zhì)上是一個擬人手臂的空間開鏈式機構，一端固定在基座上，另一端可自由運動，由關節(jié) - 連桿結構所構成的機械臂大體可分為 基座 、 腰部 、 臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。 課 堂 認 知 返回 目錄 第十五頁，共四十二頁。機械部分1 手部2 手腕（次軸）3 臂部（主軸）5 基座末端

7、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座起到支承作用4 腰部腰部是機器人手臂的支承部分 。基座 腰部 大臂 小臂 手腕 第十六頁，共四十二頁。1、手臂的運動垂直移動徑向移動回轉運動機器人手臂的上下運動手臂的伸縮運動機器人繞鉛垂軸的轉動第十七頁，共四十二頁。2、手腕的運動手腕旋轉 手腕彎曲手腕側擺手腕繞小臂軸線的轉動手腕的上下擺動手腕的水平擺動第十八頁，共四十二頁。最小的三指手 BHII 三指手 四指靈巧手 靈巧的雙手 DLR多指手哈工大多指手第十九頁，共四十二頁。Super Robust Robot

8、 Hand 超級 機器人靈巧手 DLR_標清第二十頁，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 所 處 (2) 驅動裝置 位 置 驅使工業(yè)機器人機械臂運動的機構。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器人產(chǎn)生動作，相當于人的肌肉、筋絡。 【 課 機器人常用的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動三種基本類型。 堂 認 知 目前，除個別運動精度不高、重負載或有防爆要求的機器人采用液壓、氣壓驅動外，工業(yè)機器人大多采用電氣驅動，而其中屬交流伺服電機應用最廣，且驅動器布置大都采用一個關節(jié)一個驅動器。 】 返回 目錄 第二十一頁，共四十二頁。優(yōu)點:(1) 可以獲得較大的推力或轉矩。(2)

9、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, 可以提高機械效率, 使用壽命長。 液壓驅動第二十二頁，共四十二頁。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) 需要相應的供油系統(tǒng),尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴格的濾油裝置,否則會引起故障。 第二十三頁，共四十二頁。 液壓驅動方式的輸出力和功率更大，能構成伺服機構，常用于大

10、型機器人關節(jié)的驅動。 第二十四頁，共四十二頁。 氣動機械手氣壓驅動第二十五頁，共四十二頁。與液壓驅動相比, 氣壓驅動的特點是: (1) 壓縮空氣粘度小, 容易達到高速(1 ms)。 (2) 利用工廠集中的空氣壓縮機站供氣, 不必添加動力設備。(3) 空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染,使用安全,可直接應用于高溫作業(yè)。 (4) 氣動元件工作壓力低, 故制造要求也比液壓元件低。第二十六頁，共四十二頁。氣壓驅動的不足: (1) 壓縮空氣常用壓力為0.40.6 MPa, 若要獲得較大的壓力,其結構就要相對增大。 (2) 空氣壓縮性大,工作平穩(wěn)性差, 速度控制困難,要達到準確的位置控制很困難。 (3) 壓縮空氣的除水

11、問題是一個很重要的問題,處理不當會使鋼類零件生銹, 導致機器人失靈.此外,排氣還會造成噪聲污染。 第二十七頁，共四十二頁。電動機驅動1）普通交流電動機驅動2）交、直流伺服電動機驅動3）步進電動機驅動輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機器人用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型機器人用于開環(huán)控制，一般用于對速度和位置要求不高的場合電動機使用簡單，且隨著材料性能的提高，電機性能也逐漸提高。所以總的看來，目前機器人關節(jié)驅動逐漸為電動式所代替。第二十八頁，共四十二頁。所 處 三種驅動方式特點比較 位 置 【 課 堂 認 知 】 特點 使用

12、范 制造成 輸出力 控制性能 維修使用 結構體積 驅動方式 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，反應靈敏 敏感，油液泄 型機器 壓驅動方式 油路比 ，可實現(xiàn)連續(xù)軌 漏易著火 人 小 較復雜 跡控制 可高速，沖擊較 氣體壓力低， 嚴重，精確定位 維修簡單，能 結構簡 輸出力較小， 困難。氣體壓縮 在高溫、粉塵 中、小 單，能 氣壓驅動如需輸出力大 性大，阻尼效果 等惡劣環(huán)境中 體積較大 型機器 源方便 時，其結構尺 差，低速不易控

13、使用，泄露無 人 ，成本 寸過大 制，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 電氣驅動輸出力較小或 維修使用較復 、運動 成本較 應快，可精確定 置，體積較 較大 雜 軌跡要 高 位，但控制系統(tǒng) 小 求嚴格 復雜 第二十九頁，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 所 處 (3) 傳動單元 位 置 目前工業(yè)機器人廣泛采用的機械傳動單元是減速器，應用在關節(jié)型機器人上的 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 、大臂等重負載的位置 ( 主要用于 20kg 以上的機器人關節(jié) ) ；將諧波減速器

14、放置在小 【 臂、腕部或手部等輕負載的位置 ( 主要用于 20kg 以下的機器關節(jié) ) 。 此外，機器人還 課 采用齒輪傳動、鏈條（帶）傳動、直線運動單元等。 堂 認 知 】 諧 RV 波 減 減 速 速 器 器 皮 帶 傳 動 返回 目錄 機器人關節(jié)傳動單元 第三十頁，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(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 個基本結構中可任意固定一個，其余一個為主動件一個從動件。 【 課 堂 認 知 柔輪 】

15、 波發(fā)生器 剛輪 諧波減速器原理圖 第三十一頁，共四十二頁。諧波減速器_XB諧波減速機_機器人_印刷機_機床_諧波傳動減速器第三十二頁，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 所 處 位 置 2) RV 減速器 主要由 太陽輪（中心輪）、行星輪、轉臂（曲柄軸）、轉臂軸承、擺線輪（RV 齒輪）、針齒、剛性盤與輸出盤 等零部件組成。具有較高的疲勞強度和剛度以及較長的壽命，回差精度穩(wěn)定，高精度機器人傳動多采用 RV 減速器。 【 課 堂 針齒 認 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 轉臂 輸出軸 針齒殼 RV 減速器原理圖 第三十三頁

16、，共四十二頁。2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.2 控制器 所 處 機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統(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、位置伺服功能、坐標設定功 。位 置 【 課 堂 認 知 】 依據(jù)控制系統(tǒng)的開放程度，機器人控制器分 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)（如日系機器人）或混合型系統(tǒng)（如歐系機器人）。 按計算機結構、控制方式和控制算法的處理方法，機器人控制器又可分為 集中式控制 和 分布式控制 兩種方式。 第三十四頁，共四十二頁。所 處

17、 (1) 集中式控制器 位 置 優(yōu)點：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(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)硬件擴展較為方便。 缺點：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，后果嚴重；大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性?！?課 堂 認 知 】 機器人關節(jié) 1 機器人關節(jié) 1 機器人關節(jié) 2 機器人關節(jié) 2 機器人關節(jié) n 機器人關節(jié) n +1 運動接口卡 1 驅動器 1 運動接口卡 2 驅動器 2 機器人控制計算機 運動接口卡 n 驅動器 n 機器人關節(jié) n 驅動器

18、 1 多軸 驅動器 2 運動控制卡 1 驅動器 n 機器人控制計算機 多軸 驅動器 n +1 運動控制卡 2 驅動器 n +2 機器人關節(jié) n +2 a) 單獨接口卡驅動 b) 多軸運動控制卡驅動 集中式機器人控制器結構 第三十五頁，共四十二頁。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、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式，由上位機和下位機組成。 優(yōu)點：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，縮短響應時間。 【 課 堂 認 知 】 關節(jié)控制器 1 （下位機） 驅動器 1 機器人關節(jié) 1 關節(jié)控制器 2 （下位機） 驅動器 2 機器人關節(jié) 2 通訊總線 關節(jié)控制器 n 機器人主控制器 （下位機） （上位機） 驅動器 n 機器人關節(jié) n 分布式機器人控制器結構 第三十六頁，共四十二頁。2.1.3 示教器 所 處 亦