機器人基礎緒論課件

機器人技術基礎

（工業(yè)機器人）

廣西大學機械學院機電系---林義忠

機器人技術基礎

（工業(yè)機器人）

廣西大學機械學院機電系-1緒論本章將主要介紹機器人的由來與發(fā)展、機器人的定義、機器人技術的研究領域與學科范圍以及機器人的分類、應用、組成與技術參數(shù)等。緒論本章將主要介紹機器人的由來與發(fā)展、機器人的定義20.1概述0.1.1機器人的由來與發(fā)展1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞。劇中機器人(Robot)這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞力。0.1概述3機器人一詞雖出現(xiàn)得較晚，然而這一概念在人類的想象中卻早已出現(xiàn)。制造機器人是機器人技術研究者的夢想，代表了人類重塑自身、了解自身的一種強烈愿望。自古以來，就有不少科學家和杰出工匠制造出了具有人類特點或具有模擬動物特征的機器人雛形。1，西周時期，偃師---能歌善舞的伶人；2，春秋后期，魯班---木鳥，能在空中飛行“三日而不下”。3，地動儀、計里鼓車，指南車，木牛流馬，4，1662年，日本的竹田近江---自動機器玩偶；5，1738年，法國技師杰克·戴·瓦克遜---機器鴨；…...機器人一詞雖出現(xiàn)得較晚，然而這一概念在人類的想象中4現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。自1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術的進展，其結果之一便是1952年數(shù)控機床的誕生。與數(shù)控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手?，F(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化51954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。

1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念6機器人基礎緒論課件7目前，對全球機器人技術發(fā)展最有影響的國家應該是美國和日本。美國在機器人技術的綜合研究水平上仍處于領先地位，而日本生產(chǎn)的機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機器人技術的發(fā)展推動了機器人學的建立，許多國家成立了機器人協(xié)會，美國、日本、英國、瑞典等國家設立了機器人學學位。20世紀70年代以來，許多大學開設了機器人課程，開展了機器人學的研究工作，如美國的MIT、RPI（美國倫斯勒理工學院RENSSELAERPOLYTECHNICINSTITUTE）、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、UnivofCalifornia等大學都是研究機器人學富有成果的著名學府。隨著機器人學的發(fā)展，相關的國際學術交流活動也日漸增多，目前最有影響的國際會議是IEEE每年舉行的機器人學及自動化國際會議，此外還有國際工業(yè)機器人會議(ISIR)和國際工業(yè)機器人技術會議(CIRT)等。出版的相關期刊有“RobotToday”、“RoboticsResearch”、“RoboticsandAutomation”等多種。目前，對全球機器人技術發(fā)展最有影響的國家應該是美國8我國的機器人技術起步較晚，約于20世紀70年代末、80年代初開始。20世紀90年代中期，6000m以下深水作業(yè)機器人試驗成功，目前已經(jīng)達到7000米。以后的近10年中，在步行機器人、精密裝配機器人、多自由度關節(jié)機器人的研制等國際前沿領域逐步縮小了與世界先進水平的差距，國內(nèi)機器人方面的主要學術刊物《機器人》、《機器人技術與應用》等。我國的機器人技術起步較晚，約于20世紀70年代9中國工業(yè)機器人進展我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。進入80年代后，我國機器人技術的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從90年代初期起，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎。中國工業(yè)機器人進展我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。10我國機器人發(fā)展的瓶頸主要是基礎零部件的技術不過關：伺服電機，高精度減速器、高精度位置編碼器、先進的運動控制系統(tǒng)；制約了我國的裝備制造業(yè)的發(fā)展；所以，國家在基礎部件的研究和開發(fā)方面投入的力量比較大---國家的重大科研項目。我國機器人發(fā)展的瓶頸主要是基礎零部件的技術不過關：110.1.2機器人的定義機器人現(xiàn)在雖然已被廣泛應用，且越來越受到人們的重視，而機器人這一名詞卻還沒有一個統(tǒng)一、嚴格、準確的定義。不同國家、不同研究領域的學者給出的定義不盡相同，雖然定義的基本原則大體一致，但仍有較大區(qū)別。歐美國家的定義限定多一些，日本給出的定義寬松一些，這樣就使得機器人的定義范圍大小不同，以至在統(tǒng)計機器人的數(shù)量時，由于定義限定的差異，各種統(tǒng)計數(shù)字會有很大出入，故經(jīng)常要給予特殊說明。0.1.2機器人的定義機器人現(xiàn)在雖然已被廣泛應12目前部分國家傾向于美國機器人協(xié)會所給出的定義：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務并具有編程能力的多功能機械手。這個定義實際上指的是工業(yè)機器人。一般地說，可以定義機器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進行工作的機器。應該說國際標準化組織(ISO)給出的機器人定義較為全面和準確，其定義涵蓋如下內(nèi)容：(1)機器人的動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官(肢體、感官等)的功能。(2)機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。(3)機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學習等。(4)機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預。目前部分國家傾向于美國機器人協(xié)會所給出的定義：機器130.1.3機器人技術的研究領域與學科范圍一、研究領域經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，機器人技術已經(jīng)發(fā)展成為一門新的綜合性交叉科學——機器人學(robotics)，它包括基礎研究與應用研究兩方面的內(nèi)容，其主要研究領域有：①機械手設計；②機器人運動學與動力學；③機器人軌跡規(guī)劃；④機器人驅動技術；⑤機器人傳感器；⑥機器人視覺；⑦機器人控制語言與離線編程；⑧機器人本體結構；⑨機器人控制系統(tǒng)；⑩智能機器人等。0.1.3機器人技術的研究領域與學科范圍一、研究領域14二、學科范圍機器人學所涉及的學科范圍主要有：①力學，主要包括工程力學、彈塑性力學、結構力學等；②機器人拓撲學，包括結構拓撲學即拓撲結構類型綜合與優(yōu)選；③機械學；④電子學與微電子學；⑤控制論；⑥計算機；⑦生物學；⑧人工智能；⑨系統(tǒng)工程等。這些多學科領域知識的交叉和融入是機器人技術得以發(fā)展、拓寬和延伸的基礎，也是學習和運用機器人技術的基礎。隨著機器人技術不斷向新的領域拓展，其學科范圍亦將更加寬闊。二、學科范圍150.2機器人的分類應用于不同領域的機器人可按照不同的功能、目的、用途、規(guī)模、結構、坐標、驅動方式等分成很多類型，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的分類標準。參考國內(nèi)外有關資料，本書將對機器人分類問題進行探討。0.2機器人的分類應用于不同領域的機器人可按照160.2.1按機器人的開發(fā)內(nèi)容與應用分類按開發(fā)內(nèi)容與應用，機器人可分為三大類：一、工業(yè)機器人(industrialrobot)工業(yè)機器人是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機器人的總稱，主要用于完成工業(yè)生產(chǎn)中的某些作業(yè)。依據(jù)具體應用目的的不同，又常常以其主要用途命名。焊接機器人是到現(xiàn)在為止應用最多的工業(yè)機器人；裝配機器人比較多地用于電子部件或電器的裝配；噴涂機器人代替人進行各種噴涂作業(yè)；搬運、上料、下料及碼垛機器人的功能都是根據(jù)工況要求的速度和精度，將物品從一處運到另一處；還有很多其他用途的機器人。0.2.1按機器人的開發(fā)內(nèi)容與應用分類按開發(fā)內(nèi)容與應用，17工業(yè)機器人的優(yōu)點：在于它可以通過更改程序，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，以滿足生產(chǎn)要求的變化，例如改變焊縫軌跡及噴涂位置，變更裝配部件或位置等。隨著對工業(yè)生產(chǎn)線越來越高的柔性要求，對各種工業(yè)機器人的需求也越來越廣泛。工業(yè)機器人的優(yōu)點：18二、操縱型機器人(teleoperatorrobot)操縱型機器人主要用于非工業(yè)生產(chǎn)的各種作業(yè)，又可分為服務機器人與特種作業(yè)機器人等。服務機器人通常是可移動的，在多數(shù)情況下，可由一個移動平臺構成，平臺上裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人完成為人類提供服務和安全保障的各種工作，如清潔、護理、娛樂和執(zhí)勤等。除以上服務機器人外，還有一些其他種類的特種作業(yè)機器人。如水下機器人，又稱水下無人深潛器，代替人在水下危險的環(huán)境中作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘已有很長的歷史，人類已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而，由于危險很大，而且費用極高，所以人類積極尋找可以代替人類進行危險作業(yè)的技術，水下機器人變成了十分受關注的發(fā)展方向。還有一些特種作業(yè)機器人，如墻壁清洗機器人(圖0.3)、爬纜索機器人(圖0.4)以及管內(nèi)移動機器人(圖0.5)等。這些機器人都是根據(jù)某種特殊目的設計的特種作業(yè)機器人，為幫助人類完成一些高強度、高危險或無法完成的工作提供了很大方便。二、操縱型機器人(teleoperatorrobot)19機器人基礎緒論課件20機器人基礎緒論課件21三、智能機器人(intelligentrobot)智能機器人具有多種由內(nèi)、外部傳感器組成的感覺系統(tǒng)，不僅可以感知內(nèi)部關節(jié)的運行速度、力的大小等參數(shù)，還可以通過外部傳感器(如視覺傳感器、觸覺傳感器等)，對外部環(huán)境信息進行感知、提取、處理并做出適當?shù)臎Q策，在結構或半結構化環(huán)境中自主完成某項任務。目前，智能機器人尚處于研究和發(fā)展階段。智能機器人的發(fā)展方向大致有兩種，一種是類人型智能機器人，這是人類夢想的機器人；另一種外形并不像人，但具有機器智能。本書將主要按照這一分類方法逐次介紹，且著重介紹工業(yè)機器人技術基礎，其他機器人技術則僅予以簡介。三、智能機器人(intelligentrobot)220.2.2按機器人的發(fā)展程度分類按照從低級到高級的發(fā)展程度機器人可分為：一、第一代機器人第一代機器人主要指只能以示教-再現(xiàn)方式工作的工業(yè)機器人，稱為示教-再現(xiàn)型。示教內(nèi)容為機器人操作結構的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。所謂示教，即由人教機器人運動的軌跡、停留點位、停留時間等。然后，機器人依照教給的行為、順序和速度重復運動，即所謂的再現(xiàn)。示教可由操作員手把手地進行。例如，操作人員抓住機器人上的噴槍把噴涂時要走的位置走一遍，機器人記住了這一連串運動，工作時自動重復這些運動，從而完成給定位置的噴涂工作。這種方式是手把手示教，但是比較普遍的示教方式是通過控制面板完成的。操作人員利用控制面板上的開關或鍵盤控制機器人一步一步地運動，機器人自動記錄下每一步，然后重復。目前在工業(yè)現(xiàn)場應用的機器人大多采用這一方式。0.2.2按機器人的發(fā)展程度分類按照從低級到高級的發(fā)展程23二、第二代機器人第二代機器人帶有一些可感知環(huán)境的裝置，通過反饋控制，使機器人能在一定程度上適應變化的環(huán)境。這樣的技術現(xiàn)在正越來越多地應用在機器人上，例如焊縫跟蹤技術。在機器人焊接的過程中，一般通過示教方式給出機器人的運動曲線，機器人攜帶焊槍走這個曲線進行焊接。這就要求工件的一致性好，也就是說工件被焊接的位置必須十分準確，否則，機器人行走的曲線和工件上的實際焊縫位置將產(chǎn)生偏差。焊縫跟蹤技術是在機器人上加一個傳感器，通過傳感器感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機器人自動跟蹤焊縫，從而對示教的位置進行修正。即使實際焊縫相對于原始設定的位置有變化，機器人仍然可以很好地完成焊接工作。二、第二代機器人24三、第三代機器人第三代機器人是智能機器人，它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯推理、判斷及決策，可在作業(yè)環(huán)境中獨立行動；它具有發(fā)現(xiàn)問題且能自主地解決問題的能力。這類機器人帶有多種傳感器，使機器人可以知道其自身的狀態(tài)，例如在什么位置，自身的系統(tǒng)是否有故障等；且可通過裝在機器人身上或者工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)，例如發(fā)現(xiàn)道路與危險地段，測出與協(xié)作機器的相對位置與距離以及相互作用的力等。機器人能夠根據(jù)得到的這些信息進行邏輯推理、判斷、決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類機器人具有高度的適應性和自治能力，這是人們努力使機器人達到的目標。經(jīng)過科學家多年來不懈的研究，已經(jīng)出現(xiàn)了很多各具特點的試驗裝置和大量的新方法、新思想。但是，在已應用的機器人中，機器人的自適應技術仍十分有限，該技術是機器人今后發(fā)展的方向。三、第三代機器人250.2.3按機器人的性能指標分類機器人按照負載能力和作業(yè)空間等性能指標可分為5種。一、超大型機器人超大型機器人的負載能力為107N以上。二、大型機器人大型機器人的負載能力為106～107N，作業(yè)空間為10m2以上。三、中型機器人中型機器人的負載能力為105～106N，作業(yè)空間為1～10m2。四、小型機器人小型機器人的負載能力為1～104N，作業(yè)空間為0.1～1m2。五、超小型機器人超小型機器人的負載能力為1N以下，作業(yè)空間為0.1m2以下。0.2.3按機器人的性能指標分類機器人按照負載能力和作業(yè)260.2.4按機器人的結構形式分類按結構形式機器人可分為關節(jié)型機器人和非關節(jié)型機器人兩大類，其中關節(jié)型機器人的機械本體部分一般為由若干關節(jié)與連桿串聯(lián)組成的開式鏈機構。0.2.4按機器人的結構形式分類270.2.5按坐標形式分類通常關節(jié)機器人依據(jù)坐標形式的不同可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型以及關節(jié)坐標型。一、直角坐標型機器人這一類機器人其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實現(xiàn)，即沿著X軸的縱向移動，沿著Y軸的橫向移動及沿著Z軸的升降(圖0.6)。該形式機器人的位置精度高，控制無耦合、簡單，避障性好，但結構較龐大，動作范圍小，靈活性差，難與其他機器人協(xié)調(diào)；移動軸的結構較復雜，且占地面積較大。0.2.5按坐標形式分類28機器人基礎緒論課件29二、圓柱坐標型機器人這種機器人通過兩個移動和—個轉動實現(xiàn)手部空間位置的改變，VERSATRAN機器人是該型機器人的典型代表(圖0.7)。VERSATRAN機器人手臂的運動系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉動復合而成。圓柱坐標型機器人的位置精度僅次于直角坐標型，控制簡單，避障性好，但結構也較龐大，難與其他機器人協(xié)調(diào)工作，兩個移動軸的設計較復雜。二、圓柱坐標型機器人這種機器人通過兩個移動和—個轉動實現(xiàn)手部30機器人基礎緒論課件31三、球坐標型機器人這類機器人手臂的運動由一個直線運動和兩個轉動所組成，如圖0.8所示，即沿手臂方向X的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉。UNIMATE機器人是其典型代表。這類機器人占地面積較小，結構緊湊，位置精度尚可，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長有關。三、球坐標型機器人32機器人基礎緒論課件33四、關節(jié)坐標型機器人關節(jié)坐標型機器人主要由立柱、前臂和后臂組成(圖0.9)，PUMA機器人是其代表。機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉構成，其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復雜，這種機器人目前應用得最多。四、關節(jié)坐標型機器人34機器人基礎緒論課件350.2.6按控制方式分類一、點位控制按點位方式進行控制的機器人，其運動為空間點到點之間的直線運動，在作業(yè)過程中只控制幾個特定工作點的位置，不對點與點之間的運動過程進行控制。在點位控制的機器人中，所能控制點數(shù)的多少取決于控制系統(tǒng)的復雜程度。目前部分工業(yè)機器人是點位控制的。二、連續(xù)軌跡控制按連續(xù)軌跡方式控制的機器人，其運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都處于控制之下，能同時控制二個以上的運動軸，使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運動，而手部的姿態(tài)也可以通過腕關節(jié)的運動得以控制，這對于焊接和噴涂作業(yè)是十分有利的。0.2.6按控制方式分類360.2.7按驅動方式分類一、氣力驅動式機器人以壓縮空氣來驅動執(zhí)行機構。這種驅動方式的優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單，造價低，缺點是空氣具有可壓縮性，致使工作速度的穩(wěn)定性較差。因氣源壓力一般只有60?MPa左右，故此類機器人適宜抓舉力要求較小的場合。二、液力驅動式相對于氣力驅動，液力驅動的機器人具有大得多的抓舉能力，可高達上百千克。液力驅動式機器人結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。三、電力驅動式目前越來越多的機器人采用電力驅動式，這不僅是因為電動機品種眾多可供選擇，更因為可以運用多種靈活的控制方法。電力驅動可分為步進電動機驅動、直流伺服電動機驅動、無刷伺服電動機驅動等。四、新型驅動方式伴隨著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新的工作原理制造的新型驅動器，如靜電驅動器、壓電驅動器、形狀記憶合金驅動器、人工肌肉及光驅動器等，具體內(nèi)容詳見本書的9.2節(jié)。0.2.7按驅動方式分類370.2.8按機器人工作時的機座可動性分類根據(jù)機器人工作時機座的可動性又可將機器人分為機座固定式機器人和機座移動式機器人兩大類，分別簡稱為固定式機器人和移動機器人。前面提到的各個關節(jié)型機器人均為固定式機器人。固定式機器人根據(jù)工作需要也可作某個方向上的移動，但不是以移動作業(yè)為主的機器人，移動中其上各運動件對機座的相對運動關系不變。移動機器人主要有輪式移動機器人、履帶式機器人、多足移動機器人、特種移動機器人等。0.2.8按機器人工作時的機座可動性分類380.3機器人的應用0.3.1工業(yè)機器人的應用在發(fā)達國家，機器人已廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。工業(yè)部門應用最多的當推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在機械制造行業(yè)也有普遍的應用，并逐漸向纖維加工、食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。0.3機器人的應用0.3.1工業(yè)機器人的應用39一、焊接機器人焊接作業(yè)包括點焊和弧焊，是使用工業(yè)機器人最多的作業(yè)類型之一。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，焊接質量也較好，但它適宜少品種、大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化。而點焊機器人可通過重新編程調(diào)整空間點位，以滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量、多品種的生產(chǎn)環(huán)境?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復雜曲線，多由人工完成。連續(xù)軌跡控制的機器人亦可以勝任此任務，故廣泛用于各種復雜結構和容器的焊接。UNIMATE、MOTOMAN、點焊機器人等都是典型的焊接機器人，這幾種機器人分別如圖0.10、圖0.11及圖0.12所示。一、焊接機器人40機器人基礎緒論課件41二、噴涂機器人噴涂作業(yè)由于工作環(huán)境惡劣，特別是對人體有害，故發(fā)達國家大量使用了噴涂機器人。噴涂機器人如圖0.13所示。挪威生產(chǎn)的TRALLFA機器人是目前世界上用得最多的噴涂機器人，該機器人為關節(jié)型機器人，6自由度，電液或全電動伺服驅動，采用示教-再現(xiàn)方式，既可實行點位控制，也可實行連續(xù)軌跡控制。二、噴涂機器人42機器人基礎緒論課件43三、搬運機器人搬運物料的作業(yè)包括為機床上、下料，為自動生產(chǎn)線轉運工件。搬運機器人和數(shù)控機床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人。典型的搬運機器人有T3(如圖0.14所示)和FUNAC機器人等。三、搬運機器人44機器人基礎緒論課件45四、裝配機器人裝配機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的。裝配機器人在電子工業(yè)用得最多，主要用于電路板的裝配以及電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA700機器人(圖0.15)是一種典型的裝配用關節(jié)型機器人，由直流伺服電動機驅動，微機控制點位或連續(xù)軌跡，用VAL語言示教編程，其手腕機構具有順應性，可克服裝配中的誤差。四、裝配機器人46機器人基礎緒論課件47五、其他工業(yè)機器人國外航空航天工業(yè)中機器人應用得也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了鉚接機器人(圖0.16)，此外如電氣插頭的裝配、發(fā)動機風扇外殼和高壓渦輪的焊接、飛機座艙蓋和風擋鉆孔作業(yè)、飛機機身和垂直尾翼鉆孔等都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業(yè)以及發(fā)動機零部件等離子噴涂、外觀去毛刺也采用了機器人(圖0.17)。五、其他工業(yè)機器人48機器人基礎緒論課件49機器人基礎緒論課件500.3.2操縱型機器人的應用一、導盲機器人0.3.2操縱型機器人的應用一、導盲機器人51二、護士助手機器人二、護士助手機器人52三、排雷機器人

三、排雷機器人

53四、特種機器人除以上三種移動機器人外，根據(jù)具體的應用目的，還出現(xiàn)了一些其他種類的移動機器人。如前所述的墻壁清洗機器人、爬纜索機器人以及管內(nèi)移動機器人等。這些機器人都是根據(jù)某種特殊目的設計的特種機器人。四、特種機器人540.3.3智能機器人的應用0.3.3智能機器人的應用55機器人基礎緒論課件56機器人基礎緒論課件570.4機器人的組成與技術參數(shù)0.4.1機器人的基本組成作為一個系統(tǒng)機器人，一般由三部分、六個子系統(tǒng)組成，如圖0.26所示。這三部分是機械部分、傳感部分、控制部分；六個子系統(tǒng)是驅動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。0.4機器人的組成與技術參數(shù)0.4.1機器人的基本組58機器人基礎緒論課件590.4.2機器人的主要技術參數(shù)機器人的技術參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是選擇、設計、應用機器人所必須考慮的問題。機器人的主要技術參數(shù)一般有自由度、分辨率、精度、重復定位精度、工作范圍、承載能力及最大速度等。0.4.2機器人的主要技術參數(shù)機器人的技術參數(shù)反60一、自由度自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不包括手爪(末端執(zhí)行器)的開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)(簡稱位姿)需要6個自由度。從運動學的觀點看，完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人稱為冗余自由度機器人，亦稱冗余度機器人。利用冗余的自由度可以增加機器人的靈活性，躲避障礙物和改善動力性能。人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有7個自由度，所以工作起來很靈巧，可回避障礙物從不同方向到達同一個目的點。一、自由度61二、分辨率在機器人學中，精度常常容易和分辨率、重復定位精度相混淆。機器人的分辨率由系統(tǒng)設計檢測參數(shù)決定，并受到位置反饋檢測單元性能的影響。分辨率分為編程分辨率與控制分辨率，統(tǒng)稱為系統(tǒng)分辨率。編程分辨率是指程序中可以設定的最小距離單位，又稱基準分辨率。例如：當電動機旋轉0.1°，機器人腕點即手臂尖端點移動的直線距離為0.01mm時，其基準分辨率為0.01mm?？刂品直媛适俏恢梅答伝芈纺軌驒z測到的最小位移量。例如：若每周(轉)1?000個脈沖的增量式編碼盤與電動機同軸安裝，則電動機每旋轉0.36°(360°，1?000r/min)，編碼盤就發(fā)出一個脈沖，0.36°以下的角度變化無法檢測，該系統(tǒng)的控制分辨率為0.36°。顯然，當編程分辨率與控制分辨率相等時，系統(tǒng)性能達到最高。二、分辨率62三、精度機器人的精度主要依存于機械誤差、控制算法誤差與分辨率系統(tǒng)誤差。機械誤差主要產(chǎn)生于傳動誤差、關節(jié)間隙與連桿機構的撓性。傳動誤差是由輪齒誤差、螺距誤差等所引起的；關節(jié)間隙是由關節(jié)處的軸承間隙、諧波齒隙等引起的；連桿機構的撓性隨機器人位形、負載的變化而變化?？刂扑惴ㄕ`差主要指算法能否得到直接解和算法在計算機內(nèi)的運算字長所造成的BIT(比特)誤差。作為控制系統(tǒng)的設計者，因為16位以上CPU進行浮點運算，精度可達到82位以上，所以BIT誤差與機構誤差相比基本可以忽略不計。分辨率系統(tǒng)誤差可取基準分辨率。其理由是基準分辨率以下的變位既無法編程又無法檢測，故誤差的平均值可取基準分辨率。機器人的精度可認為是基準分辨率與機構誤差之和，即：機器人的精度=基準分辨率+機構誤差如能夠做到使機構的綜合誤差達到基準分辨率，則精度等于分辨率。但是，就目前的水平而言，除納米領域的機構以外，工業(yè)機器人尚難以實現(xiàn)這一點。三、精度63四、重復定位精度重復定位精度是關于精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。任何一臺機器人即使在同一環(huán)境、同一條件、同一動作、同一命令之下，每一次動作的位置也不可能完全一致，如北京科技大學機器人研究所的測試結果為：在20mm/s、200mm/s的速度下分別重復10次，其重復精度為0.04?mm。如圖0.27所示，重復定位精度是指各次不同位置平均值的偏差。若重復定位精度為0.2mm，則指所有的動作位置停止點均在以A為中心的左右0.2mm以內(nèi)。在測試機器人的重復定位精度時，不同速度、不同方位下，反復試驗的次數(shù)越多，重復定位精度的評價就越準確。四、重復定位精度64機器人基礎緒論課件65機器人基礎緒論課件66五、工作范圍工作范圍是指機器人手臂末端或手腕中心所能到達的所有點的集合，也叫做工作區(qū)域。由于末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實反映機器人的特征參數(shù)，故工作范圍是指不安裝末端執(zhí)行器時的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的，機器人在執(zhí)行某作業(yè)時可能會因存在手部不能到達的作業(yè)死區(qū)(deadzone)而不能完成任務。圖0.29和圖0.30所示分別為MOTOMANUP6機器人和A4020型SCARA機器人的工作范圍。五、工作范圍67機器人基礎緒論課件68機器人基礎緒論課件69機器人基礎緒論課件70七、承載能力承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質量。承載能力不僅決定于負載的質量，且與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。為安全起見，承載能力這一技術指標是指高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅指負載質量，且包括機器人末端執(zhí)行器的質量。七、承載能力承載能力是指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承71機器人基礎緒論課件72機器人基礎緒論課件73機器人基礎緒論課件74機器人基礎緒論課件75機器人技術基礎

（工業(yè)機器人）

廣西大學機械學院機電系---林義忠

機器人技術基礎

（工業(yè)機器人）

廣西大學機械學院機電系-76緒論本章將主要介紹機器人的由來與發(fā)展、機器人的定義、機器人技術的研究領域與學科范圍以及機器人的分類、應用、組成與技術參數(shù)等。緒論本章將主要介紹機器人的由來與發(fā)展、機器人的定義770.1概述0.1.1機器人的由來與發(fā)展1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞。劇中機器人(Robot)這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞力。0.1概述78機器人一詞雖出現(xiàn)得較晚，然而這一概念在人類的想象中卻早已出現(xiàn)。制造機器人是機器人技術研究者的夢想，代表了人類重塑自身、了解自身的一種強烈愿望。自古以來，就有不少科學家和杰出工匠制造出了具有人類特點或具有模擬動物特征的機器人雛形。1，西周時期，偃師---能歌善舞的伶人；2，春秋后期，魯班---木鳥，能在空中飛行“三日而不下”。3，地動儀、計里鼓車，指南車，木牛流馬，4，1662年，日本的竹田近江---自動機器玩偶；5，1738年，法國技師杰克·戴·瓦克遜---機器鴨；…...機器人一詞雖出現(xiàn)得較晚，然而這一概念在人類的想象中79現(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。自1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術的進展，其結果之一便是1952年數(shù)控機床的誕生。與數(shù)控機床相關的控制、機械零件的研究又為機器人的開發(fā)奠定了基礎。另一方面，原子能實驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機械代替人處理放射性物質。在這一需求背景下，美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手?，F(xiàn)代機器人的研究始于20世紀中期，其技術背景是計算機和自動化801954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節(jié)，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機器人?，F(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機器人的控制方式與數(shù)控機床大致相似，但外形特征迥異，主要由類似人的手和臂組成。1965年，MIT的Roborts演示了第一個具有視覺傳感器的、能識別與定位簡單積木的機器人系統(tǒng)。

1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念81機器人基礎緒論課件82目前，對全球機器人技術發(fā)展最有影響的國家應該是美國和日本。美國在機器人技術的綜合研究水平上仍處于領先地位，而日本生產(chǎn)的機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機器人技術的發(fā)展推動了機器人學的建立，許多國家成立了機器人協(xié)會，美國、日本、英國、瑞典等國家設立了機器人學學位。20世紀70年代以來，許多大學開設了機器人課程，開展了機器人學的研究工作，如美國的MIT、RPI（美國倫斯勒理工學院RENSSELAERPOLYTECHNICINSTITUTE）、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、UnivofCalifornia等大學都是研究機器人學富有成果的著名學府。隨著機器人學的發(fā)展，相關的國際學術交流活動也日漸增多，目前最有影響的國際會議是IEEE每年舉行的機器人學及自動化國際會議，此外還有國際工業(yè)機器人會議(ISIR)和國際工業(yè)機器人技術會議(CIRT)等。出版的相關期刊有“RobotToday”、“RoboticsResearch”、“RoboticsandAutomation”等多種。目前，對全球機器人技術發(fā)展最有影響的國家應該是美國83我國的機器人技術起步較晚，約于20世紀70年代末、80年代初開始。20世紀90年代中期，6000m以下深水作業(yè)機器人試驗成功，目前已經(jīng)達到7000米。以后的近10年中，在步行機器人、精密裝配機器人、多自由度關節(jié)機器人的研制等國際前沿領域逐步縮小了與世界先進水平的差距，國內(nèi)機器人方面的主要學術刊物《機器人》、《機器人技術與應用》等。我國的機器人技術起步較晚，約于20世紀70年代84中國工業(yè)機器人進展我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。進入80年代后，我國機器人技術的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國家投入資金，對工業(yè)機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術的前沿，經(jīng)過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。從90年代初期起，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎。中國工業(yè)機器人進展我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。85我國機器人發(fā)展的瓶頸主要是基礎零部件的技術不過關：伺服電機，高精度減速器、高精度位置編碼器、先進的運動控制系統(tǒng)；制約了我國的裝備制造業(yè)的發(fā)展；所以，國家在基礎部件的研究和開發(fā)方面投入的力量比較大---國家的重大科研項目。我國機器人發(fā)展的瓶頸主要是基礎零部件的技術不過關：860.1.2機器人的定義機器人現(xiàn)在雖然已被廣泛應用，且越來越受到人們的重視，而機器人這一名詞卻還沒有一個統(tǒng)一、嚴格、準確的定義。不同國家、不同研究領域的學者給出的定義不盡相同，雖然定義的基本原則大體一致，但仍有較大區(qū)別。歐美國家的定義限定多一些，日本給出的定義寬松一些，這樣就使得機器人的定義范圍大小不同，以至在統(tǒng)計機器人的數(shù)量時，由于定義限定的差異，各種統(tǒng)計數(shù)字會有很大出入，故經(jīng)常要給予特殊說明。0.1.2機器人的定義機器人現(xiàn)在雖然已被廣泛應87目前部分國家傾向于美國機器人協(xié)會所給出的定義：機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務并具有編程能力的多功能機械手。這個定義實際上指的是工業(yè)機器人。一般地說，可以定義機器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進行工作的機器。應該說國際標準化組織(ISO)給出的機器人定義較為全面和準確，其定義涵蓋如下內(nèi)容：(1)機器人的動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官(肢體、感官等)的功能。(2)機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。(3)機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學習等。(4)機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人的干預。目前部分國家傾向于美國機器人協(xié)會所給出的定義：機器880.1.3機器人技術的研究領域與學科范圍一、研究領域經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，機器人技術已經(jīng)發(fā)展成為一門新的綜合性交叉科學——機器人學(robotics)，它包括基礎研究與應用研究兩方面的內(nèi)容，其主要研究領域有：①機械手設計；②機器人運動學與動力學；③機器人軌跡規(guī)劃；④機器人驅動技術；⑤機器人傳感器；⑥機器人視覺；⑦機器人控制語言與離線編程；⑧機器人本體結構；⑨機器人控制系統(tǒng)；⑩智能機器人等。0.1.3機器人技術的研究領域與學科范圍一、研究領域89二、學科范圍機器人學所涉及的學科范圍主要有：①力學，主要包括工程力學、彈塑性力學、結構力學等；②機器人拓撲學，包括結構拓撲學即拓撲結構類型綜合與優(yōu)選；③機械學；④電子學與微電子學；⑤控制論；⑥計算機；⑦生物學；⑧人工智能；⑨系統(tǒng)工程等。這些多學科領域知識的交叉和融入是機器人技術得以發(fā)展、拓寬和延伸的基礎，也是學習和運用機器人技術的基礎。隨著機器人技術不斷向新的領域拓展，其學科范圍亦將更加寬闊。二、學科范圍900.2機器人的分類應用于不同領域的機器人可按照不同的功能、目的、用途、規(guī)模、結構、坐標、驅動方式等分成很多類型，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的分類標準。參考國內(nèi)外有關資料，本書將對機器人分類問題進行探討。0.2機器人的分類應用于不同領域的機器人可按照910.2.1按機器人的開發(fā)內(nèi)容與應用分類按開發(fā)內(nèi)容與應用，機器人可分為三大類：一、工業(yè)機器人(industrialrobot)工業(yè)機器人是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機器人的總稱，主要用于完成工業(yè)生產(chǎn)中的某些作業(yè)。依據(jù)具體應用目的的不同，又常常以其主要用途命名。焊接機器人是到現(xiàn)在為止應用最多的工業(yè)機器人；裝配機器人比較多地用于電子部件或電器的裝配；噴涂機器人代替人進行各種噴涂作業(yè)；搬運、上料、下料及碼垛機器人的功能都是根據(jù)工況要求的速度和精度，將物品從一處運到另一處；還有很多其他用途的機器人。0.2.1按機器人的開發(fā)內(nèi)容與應用分類按開發(fā)內(nèi)容與應用，92工業(yè)機器人的優(yōu)點：在于它可以通過更改程序，方便迅速地改變工作內(nèi)容或方式，以滿足生產(chǎn)要求的變化，例如改變焊縫軌跡及噴涂位置，變更裝配部件或位置等。隨著對工業(yè)生產(chǎn)線越來越高的柔性要求，對各種工業(yè)機器人的需求也越來越廣泛。工業(yè)機器人的優(yōu)點：93二、操縱型機器人(teleoperatorrobot)操縱型機器人主要用于非工業(yè)生產(chǎn)的各種作業(yè)，又可分為服務機器人與特種作業(yè)機器人等。服務機器人通常是可移動的，在多數(shù)情況下，可由一個移動平臺構成，平臺上裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人完成為人類提供服務和安全保障的各種工作，如清潔、護理、娛樂和執(zhí)勤等。除以上服務機器人外，還有一些其他種類的特種作業(yè)機器人。如水下機器人，又稱水下無人深潛器，代替人在水下危險的環(huán)境中作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘已有很長的歷史，人類已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而，由于危險很大，而且費用極高，所以人類積極尋找可以代替人類進行危險作業(yè)的技術，水下機器人變成了十分受關注的發(fā)展方向。還有一些特種作業(yè)機器人，如墻壁清洗機器人(圖0.3)、爬纜索機器人(圖0.4)以及管內(nèi)移動機器人(圖0.5)等。這些機器人都是根據(jù)某種特殊目的設計的特種作業(yè)機器人，為幫助人類完成一些高強度、高危險或無法完成的工作提供了很大方便。二、操縱型機器人(teleoperatorrobot)94機器人基礎緒論課件95機器人基礎緒論課件96三、智能機器人(intelligentrobot)智能機器人具有多種由內(nèi)、外部傳感器組成的感覺系統(tǒng)，不僅可以感知內(nèi)部關節(jié)的運行速度、力的大小等參數(shù)，還可以通過外部傳感器(如視覺傳感器、觸覺傳感器等)，對外部環(huán)境信息進行感知、提取、處理并做出適當?shù)臎Q策，在結構或半結構化環(huán)境中自主完成某項任務。目前，智能機器人尚處于研究和發(fā)展階段。智能機器人的發(fā)展方向大致有兩種，一種是類人型智能機器人，這是人類夢想的機器人；另一種外形并不像人，但具有機器智能。本書將主要按照這一分類方法逐次介紹，且著重介紹工業(yè)機器人技術基礎，其他機器人技術則僅予以簡介。三、智能機器人(intelligentrobot)970.2.2按機器人的發(fā)展程度分類按照從低級到高級的發(fā)展程度機器人可分為：一、第一代機器人第一代機器人主要指只能以示教-再現(xiàn)方式工作的工業(yè)機器人，稱為示教-再現(xiàn)型。示教內(nèi)容為機器人操作結構的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。所謂示教，即由人教機器人運動的軌跡、停留點位、停留時間等。然后，機器人依照教給的行為、順序和速度重復運動，即所謂的再現(xiàn)。示教可由操作員手把手地進行。例如，操作人員抓住機器人上的噴槍把噴涂時要走的位置走一遍，機器人記住了這一連串運動，工作時自動重復這些運動，從而完成給定位置的噴涂工作。這種方式是手把手示教，但是比較普遍的示教方式是通過控制面板完成的。操作人員利用控制面板上的開關或鍵盤控制機器人一步一步地運動，機器人自動記錄下每一步，然后重復。目前在工業(yè)現(xiàn)場應用的機器人大多采用這一方式。0.2.2按機器人的發(fā)展程度分類按照從低級到高級的發(fā)展程98二、第二代機器人第二代機器人帶有一些可感知環(huán)境的裝置，通過反饋控制，使機器人能在一定程度上適應變化的環(huán)境。這樣的技術現(xiàn)在正越來越多地應用在機器人上，例如焊縫跟蹤技術。在機器人焊接的過程中，一般通過示教方式給出機器人的運動曲線，機器人攜帶焊槍走這個曲線進行焊接。這就要求工件的一致性好，也就是說工件被焊接的位置必須十分準確，否則，機器人行走的曲線和工件上的實際焊縫位置將產(chǎn)生偏差。焊縫跟蹤技術是在機器人上加一個傳感器，通過傳感器感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機器人自動跟蹤焊縫，從而對示教的位置進行修正。即使實際焊縫相對于原始設定的位置有變化，機器人仍然可以很好地完成焊接工作。二、第二代機器人99三、第三代機器人第三代機器人是智能機器人，它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯推理、判斷及決策，可在作業(yè)環(huán)境中獨立行動；它具有發(fā)現(xiàn)問題且能自主地解決問題的能力。這類機器人帶有多種傳感器，使機器人可以知道其自身的狀態(tài)，例如在什么位置，自身的系統(tǒng)是否有故障等；且可通過裝在機器人身上或者工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)，例如發(fā)現(xiàn)道路與危險地段，測出與協(xié)作機器的相對位置與距離以及相互作用的力等。機器人能夠根據(jù)得到的這些信息進行邏輯推理、判斷、決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類機器人具有高度的適應性和自治能力，這是人們努力使機器人達到的目標。經(jīng)過科學家多年來不懈的研究，已經(jīng)出現(xiàn)了很多各具特點的試驗裝置和大量的新方法、新思想。但是，在已應用的機器人中，機器人的自適應技術仍十分有限，該技術是機器人今后發(fā)展的方向。三、第三代機器人1000.2.3按機器人的性能指標分類機器人按照負載能力和作業(yè)空間等性能指標可分為5種。一、超大型機器人超大型機器人的負載能力為107N以上。二、大型機器人大型機器人的負載能力為106～107N，作業(yè)空間為10m2以上。三、中型機器人中型機器人的負載能力為105～106N，作業(yè)空間為1～10m2。四、小型機器人小型機器人的負載能力為1～104N，作業(yè)空間為0.1～1m2。五、超小型機器人超小型機器人的負載能力為1N以下，作業(yè)空間為0.1m2以下。0.2.3按機器人的性能指標分類機器人按照負載能力和作業(yè)1010.2.4按機器人的結構形式分類按結構形式機器人可分為關節(jié)型機器人和非關節(jié)型機器人兩大類，其中關節(jié)型機器人的機械本體部分一般為由若干關節(jié)與連桿串聯(lián)組成的開式鏈機構。0.2.4按機器人的結構形式分類1020.2.5按坐標形式分類通常關節(jié)機器人依據(jù)坐標形式的不同可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型以及關節(jié)坐標型。一、直角坐標型機器人這一類機器人其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實現(xiàn)，即沿著X軸的縱向移動，沿著Y軸的橫向移動及沿著Z軸的升降(圖0.6)。該形式機器人的位置精度高，控制無耦合、簡單，避障性好，但結構較龐大，動作范圍小，靈活性差，難與其他機器人協(xié)調(diào)；移動軸的結構較復雜，且占地面積較大。0.2.5按坐標形式分類103機器人基礎緒論課件104二、圓柱坐標型機器人這種機器人通過兩個移動和—個轉動實現(xiàn)手部空間位置的改變，VERSATRAN機器人是該型機器人的典型代表(圖0.7)。VERSATRAN機器人手臂的運動系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉動復合而成。圓柱坐標型機器人的位置精度僅次于直角坐標型，控制簡單，避障性好，但結構也較龐大，難與其他機器人協(xié)調(diào)工作，兩個移動軸的設計較復雜。二、圓柱坐標型機器人這種機器人通過兩個移動和—個轉動實現(xiàn)手部105機器人基礎緒論課件106三、球坐標型機器人這類機器人手臂的運動由一個直線運動和兩個轉動所組成，如圖0.8所示，即沿手臂方向X的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉。UNIMATE機器人是其典型代表。這類機器人占地面積較小，結構緊湊，位置精度尚可，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，重量較輕，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長有關。三、球坐標型機器人107機器人基礎緒論課件108四、關節(jié)坐標型機器人關節(jié)坐標型機器人主要由立柱、前臂和后臂組成(圖0.9)，PUMA機器人是其代表。機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉構成，其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但位置精度較低，有平衡問題，控制存在耦合，故比較復雜，這種機器人目前應用得最多。四、關節(jié)坐標型機器人109機器人基礎緒論課件1100.2.6按控制方式分類一、點位控制按點位方式進行控制的機器人，其運動為空間點到點之間的直線運動，在作業(yè)過程中只控制幾個特定工作點的位置，不對點與點之間的運動過程進行控制。在點位控制的機器人中，所能控制點數(shù)的多少取決于控制系統(tǒng)的復雜程度。目前部分工業(yè)機器人是點位控制的。二、連續(xù)軌跡控制按連續(xù)軌跡方式控制的機器人，其運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都處于控制之下，能同時控制二個以上的運動軸，使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運動，而手部的姿態(tài)也可以通過腕關節(jié)的運動得以控制，這對于焊接和噴涂作業(yè)是十分有利的。0.2.6按控制方式分類1110.2.7按驅動方式分類一、氣力驅動式機器人以壓縮空氣來驅動執(zhí)行機構。這種驅動方式的優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單，造價低，缺點是空氣具有可壓縮性，致使工作速度的穩(wěn)定性較差。因氣源壓力一般只有60?MPa左右，故此類機器人適宜抓舉力要求較小的場合。二、液力驅動式相對于氣力驅動，液力驅動的機器人具有大得多的抓舉能力，可高達上百千克。液力驅動式機器人結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。三、電力驅動式目前越來越多的機器人采用電力驅動式，這不僅是因為電動機品種眾多可供選擇，更因為可以運用多種靈活的控制方法。電力驅動可分為步進電動機驅動、直流伺服電動機驅動、無刷伺服電動機驅動等。四、新型驅動方式伴隨著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新的工作原理制造的新型驅動器，如靜電驅動器、壓電驅動器、形狀記憶合金驅動器、人工肌肉及光驅動器等，具體內(nèi)容詳見本書的9.2節(jié)。0.2.7按驅動方式分類1120.2.8按機器人工作時的機座可動性分類根據(jù)機器人工作時機座的可動性又可將機器人分為機座固定式機器人和機座移動式機器人兩大類，分別簡稱為固定式機器人和移動機器人。前面提到的各個關節(jié)型機器人均為固定式機器人。固定式機器人根據(jù)工作需要也可作某個方向上的移動，但不是以移動作業(yè)為主的機器人，移動中其上各運動件對機座的相對運動關系不變。移動機器人主要有輪式移動機器人、履帶式機器人、多足移動機器人、特種移動機器人等。0.2.8按機器人工作時的機座可動性分類1130.3機器人的應用0.3.1工業(yè)機器人的應用在發(fā)達國家，機器人已廣泛地應用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領域。工業(yè)部門應用最多的當推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在機械制造行業(yè)也有普遍的應用，并逐漸向纖維加工、食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。0.3機器人的應用0.3.1工業(yè)機器人的應用114一、焊接機器人焊接作業(yè)包括點焊和弧焊，是使用工業(yè)機器人最多的作業(yè)類型之一。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，焊接質量也較好，但它適宜少品種、大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化。而點焊機器人可通過重新編程調(diào)整空間點位，以滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量、多品種的生產(chǎn)環(huán)境?；『缸鳂I(yè)由于其焊縫多為空間復雜曲線，多由人工完成。連續(xù)軌跡控制的機器人亦可以勝任此任務，故廣泛用于各種復雜結構和容器的焊接。UNIMATE、MOTOMAN、點焊機器人等都是典型的焊接機器人，這幾種機器人分別如圖0.10、圖0.11及圖0.12所示。一、焊接機器人115機器人基礎緒論課件116二、噴涂機器人噴涂作業(yè)由于工作環(huán)境惡劣，特別是對人體有害，故發(fā)達國家大量使用了噴涂機器人。噴涂機器人如圖0.13所示。挪威生產(chǎn)的TRALLFA機器人是目前世界上用得最多的噴涂機器人，該機器人為關節(jié)型機器人，6自由度，電液或全電動伺服驅動，采用示教-再現(xiàn)方式，既可實行點位控制，也可實行連續(xù)軌跡控制。二、噴涂機器人117機器人基礎緒論課件118三、搬運機器人搬運物料的作業(yè)包括為機床上、下料，為自動生產(chǎn)線轉運工件。搬運機器人和數(shù)控機床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人。典型的搬運機器人有T3(如圖0.14所示)和FUNAC機器人等。三、搬運機器人119機器人基礎緒論課件120四、裝配機器人裝配機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的。裝配機器人在電子工業(yè)用得最多，主要用于電路板的裝配以及電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA700機器人(圖0.15)是一種典型的裝配用關節(jié)型機器人，由直流伺服電動機驅動，微機控制點位或連續(xù)軌跡，用VAL語言示教編程，其手腕機構具有順應性，可克服裝配中的誤差。四、裝配機器人121機器人基礎緒論課件122五、其他工業(yè)機器人國外航空航天工業(yè)中機器人應用得也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了鉚接機器人(圖0.16)，此外如電氣插頭的裝配、發(fā)動機風扇外殼和高壓渦輪的焊接、飛機座艙蓋和風擋鉆孔作業(yè)、飛機機身和垂直尾翼鉆孔等都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業(yè)以及發(fā)動機零部件等離子噴涂、外觀去毛刺也采用了機器人(圖0.17)。五、其他工業(yè)機器人123機器人基礎緒論課件124機器人基礎緒論課件1250.3.2操縱型機器人的應用一、導盲機器人0.3.2操縱型機器人的應用一、導盲機器人126二、護士助手機器人二、護士助手機器人127三、排雷機器人

三、排雷機器人

128四、特種機器人