工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)課件

《工業(yè)機器人技術(shù)》2015年09月授課指導：謝光輝博士/副教授《工業(yè)機器人技術(shù)》2015年09月授課指導：謝光輝博士/副⊕定義：機器人（Robot）是一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。

⊕任務(wù)：協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。目前在工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。前言⊕

機器人三大定律：

A、機器人不可以傷害人類，人類受傷時，必須拯救人類；

B、機器人要聽從人類的命令，除非違反A定律；

C、機器人應(yīng)能保護自己的生命，與第A、B定律相違背除外。⊕定義：機器人（Robot）是一種可編程和多功能的，用來搬2⊕工業(yè)4.0：中國對應(yīng)的是智能裝備與中國制造2025。

⊕重點發(fā)展領(lǐng)域：高檔數(shù)控機床與機器人?！皺C器人革命”有望成為第三次工業(yè)革命的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局；機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。⊕

機器換人：歐美日工業(yè)機器人使用密度達150-350臺/萬人，世界平均58臺/萬人，中國僅25臺/萬人。如果達到平均水平，可制造380億本體、1140億系統(tǒng)集成市場空間。國際上工業(yè)機器人的主要廠商為法拉科、ABB、安川、庫卡等，其在中國市場占有率達80%以上。主要用于焊接、加工、搬運和物流當中。⊕工業(yè)4.0：中國對應(yīng)的是智能裝備與中國制造2025。3⊕本質(zhì)：是自動化技術(shù)中重要的工具，不是孤立的，加強對作業(yè)目標的工藝過程、操作方法、操作工具以及與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)等技術(shù)的學習是基礎(chǔ)。舉例：焊接>>焊接材料特性、方式選擇、工藝參數(shù)整定、軌跡生成、通風安全系統(tǒng)設(shè)計等；上下料>>機床自動化改造（自動門、自動裝夾、自動啟停）、自動手爪、與數(shù)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作業(yè)等；拋光>>曲面的軌跡生成、拋光參數(shù)整定（力度、時間）、外部傳感器通信、恒力控制、通風粉回收設(shè)計等。

⊕崗位：本體/控制/系統(tǒng)集成設(shè)計工程師助手、試產(chǎn)員、操作員、總裝與調(diào)試、高端維修與銷售、客戶需求分析等。如何學好、用好機器人技術(shù)⊕本質(zhì)：是自動化技術(shù)中重要的工具，不是孤立的，加強對作業(yè)目4第1章緒論1.1機器人分類

1.2工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展

1.3工業(yè)機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)

習題

第1章緒論1.1機器人分類51.1機器人的分類

1.按照應(yīng)用類型分類機器人按應(yīng)用類型可分為工業(yè)機器人、極限作業(yè)機器人和服務(wù)機器人。

(1)工業(yè)機器人。工業(yè)機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢查等機器人,主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中,如圖1.1、圖1.2所示。1.1機器人的分類1.按照應(yīng)用類型分類圖

1.1弧焊機器人

圖1.1弧焊機器人圖

1.2汽車焊接生產(chǎn)線上的機器人

圖1.2汽車焊接生產(chǎn)線上的機器人

(2)極限作業(yè)機器人。極限作業(yè)機器人主要是指在人們難以進入的核電站、海底、宇宙空間進行作業(yè)的機器人,也包括建筑、農(nóng)業(yè)機器人等,如圖1.3、圖1.4所示。圖

1.3排爆機器人

(2)極限作業(yè)機器人。極限作業(yè)機器人主要是指在人們圖

1.4火星探測機器人

圖1.4火星探測機器人

(3)服務(wù)機器人。服務(wù)機器人包括家庭、醫(yī)療、娛樂、玩具機器人等(具有某種程度的通用性),也有根據(jù)環(huán)境而改變動作的機器人,如圖1.5、圖1.6所示。圖1.5(3)服務(wù)機器人。服務(wù)機器人包括家庭、醫(yī)療、娛樂、玩圖

1.6圖1.6

2.按照控制方式分類機器人按控制方式可分為操作機器人、程序機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人和綜合機器人。

(1)操作機器人。操作機器人的典型代表是在核電站處理放射性物質(zhì)時遠距離進行操作的機器人。在這種場合,相當于人手操縱的部分稱為主動機械手,而從動機械手基本上與主動機械手類似,只是從動機械手要比主動機器手大一些,作業(yè)時的力量也更大。2.按照控制方式分類

(2)程序機器人。程序機器人按預(yù)先給定的程序、條件、位置進行作業(yè),目前大部分機器人都采用這種控制方式工作。

(3)示教再現(xiàn)機器人。示教再現(xiàn)機器人同盒式磁帶的錄放一樣,將所教的操作過程自動記錄在磁盤、磁帶等存儲器中,當需要再現(xiàn)操作時,可重復(fù)所教過的動作過程。示教方法有手把手示教、有線示教和無線示教,如圖1.7所示。(2)程序機器人。程序機器人按預(yù)先給定的程序、條件圖1.7機器人示教(a)手把手示教;(b)有線示教;(c)無線示教

圖1.7機器人示教

(4)智能機器人。智能機器人不僅可以進行預(yù)先設(shè)定的動作,還可以按照工作環(huán)境的變化改變動作。

(5)綜合機器人。綜合機器人是由操作機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人組合而成的機器人,如火星機器人。1997年7月4日,“火星探險者(MarsPathfinder)”在火星上著陸,著陸體是四面體形狀,著陸后三個蓋子的打開狀態(tài)如圖1.8所示。它在能上、下、左、右動作的攝像機平臺上裝有兩臺CCD攝像機,通過立體觀測而得到空間信息。整個系統(tǒng)可以看做是由地面指令操縱的操作機器人。(4)智能機器人。智能機器人不僅可以進行預(yù)先設(shè)定的動圖

1.8火星探險者

圖1.8火星探險者1.2工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展

1.2.1工業(yè)機器人的應(yīng)用工業(yè)機器人最早應(yīng)用于汽車制造工業(yè),常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機器人延伸和擴大了人的手足和大腦功能,它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動,提高勞動生產(chǎn)率,保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機器人與數(shù)控加工中心、自動搬運小車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS),實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。1.2工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展1.2.1工業(yè)機器人的應(yīng)用

1)惡劣工作環(huán)境及危險工作

壓鑄車間及核工業(yè)等領(lǐng)域的作業(yè)是一種有害于健康并可能危及生命,或不安全因素很大而不宜于人去從事的作業(yè),此類工作由工業(yè)機器人做是最適合的。圖1.9所示為核工業(yè)上沸騰水式反應(yīng)堆(BWR)燃料自動交換機。1)惡劣工作環(huán)境及危險工作圖

1.9燃料自動交換機

圖1.9燃料自動交換機燃料自動交換機的主要結(jié)構(gòu)如圖1.9所示,它是由機上操作臺、輔助提升機、臺架、空中吊運機、主提升機、燃料夾持器等組成的;采用了計算機控制方式,可依據(jù)操作人員的運轉(zhuǎn)指令,完成自動運轉(zhuǎn)、半自動運轉(zhuǎn)和手動運轉(zhuǎn)模式下的燃料交換。這種裝置的主要特征是:①可以在遠距離的操作室中全自動運轉(zhuǎn);②精密的多重圓筒立柱可提高定位精度;③利用計算機可以控制系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn),防止誤操作。這種交換機的使用不僅提高了效率,降低了對操作人員的輻射,而且由計算機控制的操作自動化可以提高作業(yè)的安全性。燃料自動交換機的主要結(jié)構(gòu)如圖1.9所示,它是由機上操作

2)特殊作業(yè)場合和極限作業(yè)火山探險、深海探密和空間探索等領(lǐng)域?qū)τ谌祟悂碚f是力所不能及的,只有機器人才能進行作業(yè)。如圖1.10所示的航天飛機上用來回收衛(wèi)星的操作臂RMS(RemoteManipulatorSystem),它是由加拿大SPAR航天公司設(shè)計并制造的,是世界上最大的關(guān)節(jié)式機器人。該操作臂額定載荷為15000kg,最大載荷為30000kg;末端操作器的最大速度空載時為0.6m/s,承載15000kg時為0.06m/s,承載30000kg時為0.03m/s;定位精度為±0.05m。這些額定參數(shù)是在外層空間抓放飛行體時的參數(shù)。2)特殊作業(yè)場合和極限作業(yè)圖

1.10航天飛機上的操作臂

圖1.10航天飛機上的操作臂

3)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域早期的工業(yè)機器人在生產(chǎn)上主要用于機床上下料、點焊和噴漆。隨著柔性自動化的出現(xiàn),機器人在自動化生產(chǎn)領(lǐng)域扮演了更重要的角色?，F(xiàn)舉例如下:

(1)焊接機器人。汽車制造廠已廣泛應(yīng)用焊接機器人進行承重大梁和車身結(jié)構(gòu)的焊接。弧焊機器人需要6個自由度,其中3個自由度用來控制焊具跟隨焊縫的空間軌跡,另外3個自由度保持焊具與工件表面有正確的姿態(tài)關(guān)系,這樣才能保證良好的焊縫質(zhì)量。3)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域

(2)材料搬運機器人。材料搬運機器人可用來上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件定向等作業(yè)。一個簡單抓放作業(yè)機器人只需較少的自由度;一個給零件定向作業(yè)的機器人要求有更多的自由度,以增加其靈巧性。

(3)檢測機器人。零件制造過程中的檢測以及成品檢測都是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。檢測機器人主要有兩個工作內(nèi)容:確認零件尺寸是否在允許的公差內(nèi);控制零件按質(zhì)量分類。(2)材料搬運機器人。材料搬運機器人可用來上下料、

(4)裝配機器人。裝配是一個比較復(fù)雜的作業(yè)過程,不僅要檢測裝配作業(yè)過程中的誤差,而且要試圖糾正這種誤差。因此,裝配機器人上應(yīng)用有許多傳感器,如接觸傳感器、視覺傳感器、接近傳感器和聽覺傳感器等。

(5)噴漆和噴涂機器人。一般在三維表面進行噴漆和噴涂作業(yè)時，至少要有5個自由度。由于可燃環(huán)境的存在,驅(qū)動裝置必須防燃防爆。在大件上作業(yè)時,往往把機器人裝在一個導軌上,以便行走。(4)裝配機器人。裝配是一個比較復(fù)雜的作業(yè)過程,不1.2.2工業(yè)機器人的發(fā)展

1.全球機器人的發(fā)展狀況

1954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(shù)控制機器人的關(guān)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,現(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。

1958年,被譽為“工業(yè)機器人之父”的JosephF.EngelBerger創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司——Unimation(UniversalAutomation)公司,并參與設(shè)計了第一臺Unimate機器人,如圖1.11所示。1.2.2工業(yè)機器人的發(fā)展

這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動機器人,手臂的控制由一臺專用計算機完成。它采用分離式固體數(shù)控元件,并裝有存儲信息的磁鼓,能夠記憶完成180個工作步驟。與此同時,另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業(yè)機器人,即Versatran(VersatileTransfer)機器人,如圖1.12所示。它主要用于機器之間的物料運輸,采用液壓驅(qū)動。該機器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn),沿垂直方向升降,也可以沿半徑方向伸縮。一般認為,Unimate和Versatran是世界上最早的工業(yè)機器人。這兩種工業(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。這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動機器人,手臂的控制由圖

1.11Unimate機器人

圖1.11Unimate機器人圖

1.12Versatran機器人

圖1.12Versatran機器人表1.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史

表1.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)課件

2.我國工業(yè)機器人的發(fā)展狀況我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初期,經(jīng)過30多年的發(fā)展,大致經(jīng)歷了3個階段:70年代的萌芽期,80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

20世紀70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑:人類登上了月球,實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機器人的應(yīng)用掀起了一個高潮,尤其在日本發(fā)展更為迅猛,它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下,我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。2.我國工業(yè)機器人的發(fā)展狀況從20世紀90年代初期起,我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期,掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮。我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進了一大步,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(yīng)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(chǔ)。從20世紀90年代初期起,我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根

目前我國機器人研究的主要內(nèi)容如下：

1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究這些研究主要包括:關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)；焊接機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)；焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真；電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；批量生產(chǎn)機器人所需的專用制造、裝配、測試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。目前我國機器人研究的主要內(nèi)容如下：

2)智能機器人開發(fā)研究這些研究主要包括：遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究；智能移動機器人的導航和定位技術(shù)研究；面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；人機交互環(huán)境建模系統(tǒng)；基于計算機屏幕的多機器人遙控技術(shù)。

3)機器人化機械研究開發(fā)這些研究開發(fā)主要包括：并聯(lián)機構(gòu)機床(VMT)與機器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機遙控操作的大型散料輸送設(shè)備。2)智能機器人開發(fā)研究

4)以機器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)這些系統(tǒng)主要包括：開放式模塊化裝配機器人；面向機器人裝配的設(shè)計技術(shù)；機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；裝配力覺、視覺技術(shù)；智能裝配策略及其控制技術(shù)。

5)多傳感器信息融合與配置技術(shù)該技術(shù)主要包括：機器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；機電一體化智能傳感器的設(shè)計應(yīng)用。4)以機器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)1.3工業(yè)機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)

1.3.1工業(yè)機器人的基本組成工業(yè)機器人由3大部分6個子系統(tǒng)組成。3大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。6個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng),可用圖1.13來表示。1.3工業(yè)機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)1.3.1工業(yè)機器圖

1.13機器人系統(tǒng)組成

圖1.13機器人系統(tǒng)組成

6個子系統(tǒng)的作用分述如下:

1.驅(qū)動系統(tǒng)要使機器人運行起來,需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置,這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動,或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng);可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。

6個子系統(tǒng)的作用分述如下:

2.機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成,如圖1.14所示。每一大件都有若干自由度,構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若基座具備行走機構(gòu),則構(gòu)成行走機器人;若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu),則構(gòu)成單機器人臂(Single

Robot

Arm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件,它可以是二手指或多手指的手爪,也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。2.機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

1.14工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

圖1.14工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

3.感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的,然而,對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

3.感受系統(tǒng)

4.機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元,如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然,也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

4.機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

5.人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置，例如,計算機的標準終端,指令控制臺,信息顯示板,危險信號報警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類:指令給定裝置和信息顯示裝置。

5.人機交互系統(tǒng)

6.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機器人不具備信息反饋特征,則為開環(huán)控制系統(tǒng);若具備信息反饋特征,則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理,控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式,控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。圖1.15為三菱裝配機器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成。該機器人由機器人主體、控制器、示教盒和PC機構(gòu)成?？捎檬窘痰姆绞胶陀肞C機編程的方式來控制機器人的動作。

6.控制系統(tǒng)圖

1.15三菱裝配機器人系統(tǒng)

圖1.15三菱裝配機器人系統(tǒng)1.3.2工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。表1.2和表1.3為兩種工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)。盡管各廠商提供的技術(shù)參數(shù)不完全一樣,工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、用途等有所不同,且用戶的要求也不同,但工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)一般應(yīng)有自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大工作速度和承載能力等。

1.3.2工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)表1.2三菱裝配機器人MovemasterEXRV-M1的主要技術(shù)參數(shù)

表1.2三菱裝配機器人MovemasterEXRV-M表1.3PUMA562機器人的主要技術(shù)參數(shù)

表1.3PUMA562機器人的主要技術(shù)參數(shù)表1.4BR-210并聯(lián)機器人的主要技術(shù)參數(shù)表1.4BR-210并聯(lián)機器人的主要技術(shù)參數(shù)

1.自由度(DegreesofFreedom)

自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目,不應(yīng)包括手爪(末端操作器)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)需要六個自由度。但是,工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計的,可能小于六個自由度,也可能大于六個自由度。例如,A4020裝配機器人具有四個自由度,可以在印刷電路板上接插電子器件;PUMA562機器人具有六個自由度,如圖1.16所示,可以進行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運動學的觀點看,在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人,就叫做冗余自由度機器人。例如,PUMA562機器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)時就成為冗余自由度機器人。利用冗余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)共有七個自由度,所以工作起來很靈巧,手部可回避障礙而從不同方向到達同一個目的點。

1.自由度(DegreesofFreedom)圖

1.16PUMA562工業(yè)機器人

圖1.16PUMA562工業(yè)機器人

2.定位精度(PositioningAccuracy)工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機器人重復(fù)定位其手部于同一目標位置的能力,可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示,它是衡量一列誤差值的密集度(即重復(fù)度),如圖1.17所示。2.定位精度(PositioningAccuracy圖1.17工業(yè)機器人定位精度和重復(fù)定位精度的典型情況(a)重復(fù)定位精度的測量；(b)合理定位精度，良好重復(fù)定位精度；(c)良好定位精度,很差重復(fù)定位精度；

(d)很差定位精度，

良好重復(fù)定位精度

圖1.17工業(yè)機器人定位精度和重復(fù)定位精度的典型情況

3.工作范圍(WorkSpace)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,也叫工作區(qū)域。因為末端操作器的尺寸和形狀是多種多樣的,為了真實反映機器人的特征參數(shù),所以,這里是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的,機器人在執(zhí)行作業(yè)時可能會因為存在手部不能到達的作業(yè)死區(qū)(DeadZone)而不能完成任務(wù)。圖1.18和圖1.19所示分別為PUMA機器人和A4020機器人的工作范圍。

3.工作范圍(WorkSpace)圖

1.18PUMA機器人工作范圍

(a)頂視圖;(b)側(cè)視圖圖1.18PUMA機器人工作范圍圖

1.19A4020型SCARA機器人工作范圍

圖1.19A4020型SCARA機器人工作范圍

4.速度(Speed)和加速度

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。說明書中通常提供了主要運動自由度的最大穩(wěn)定速度,但在實際應(yīng)用中單純考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的。這是因為,由于驅(qū)動器輸出功率的限制,從啟動到達最大穩(wěn)定速度或從最大穩(wěn)定速度到停止,都需要一定時間。如果最大穩(wěn)定速度高,允許的極限加速度小,則加減速的時間就會長一些,對應(yīng)用而言的有效速度就要低一些;反之,如果最大穩(wěn)定速度低,允許的極限加速度大,則加減速的時間就會短一些,這有利于有效速度的提高。但如果加速或減速過快,有可能引起定位時超調(diào)或振蕩加劇,使得到達目標位置后需要等待振蕩衰減的時間增加,則也可能使有效速度反而降低。所以,考慮機器人運動特性時,除注意最大穩(wěn)定速度外,還應(yīng)注意其最大允許的加減速度。

4.速度(Speed)和加速度

5.承載能力(Payload)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(zhì)量。承載能力不僅決定于負載的質(zhì)量,而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見,承載能力這一技術(shù)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,而且還包括了機器人末端操作器的質(zhì)量。

5.承載能力(Payload)機器人有效負載的大小除受到驅(qū)動器功率的限制外,還受到桿件材料極限應(yīng)力的限制,因而它又和環(huán)境條件(如地心引力)、運動參數(shù)(如運動速度、加速度以及它們的方向)有關(guān)。如加拿大手臂,它的額定可搬運質(zhì)量為15000kg,在運動速度較低時能達到30000kg。然而，這種負荷能力只是在太空中失重條件下才有可能達到，在地球上,該手臂本身的重量達450kg,它連自重引起的臂桿變形都無法承受,更談不上搬運質(zhì)量了。圖1.20為三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力。圖1.21所示為三菱裝配機器人帶電動手爪時的承載能力。機器人有效負載的大小除受到驅(qū)動器功率的限制外,還受到桿圖

1.20三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力

圖1.20三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力圖

1.21三菱裝配機器人帶電動手爪時的承載能力

圖1.21三菱裝配機器人帶電動手爪時的承載能力1.3.3工業(yè)機器人的坐標如圖1.22所示,工業(yè)機器人的坐標形式有直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)坐標型和平面關(guān)節(jié)型。

1.3.3工業(yè)機器人的坐標圖

1.22工業(yè)機器人的幾種坐標形式

圖1.22工業(yè)機器人的幾種坐標形式

1.直角坐標／笛卡兒坐標／臺架型(3P)

這種機器人由3個線性關(guān)節(jié)組成,這3個關(guān)節(jié)用來確定末端操作器的位置,通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來確定末端操作器的姿態(tài)。這種機器人在x、y、z軸上的運動是獨立的,運動方程可獨立處理,且方程是線性的,因此很容易通過計算機控制實現(xiàn);它可以兩端支撐,對于給定的結(jié)構(gòu)長度,剛性最大;它的精度和位置分辨率不隨工作場合而變化,容易達到高精度。但是,它的操作范圍小,手臂收縮的同時又向相反的方向伸出,既妨礙工作,又占地面積大,運動速度低,密封性不好。圖1.23虛線所示為直角坐標機器人的工作空間示意圖，它是一個立方體形狀。。

1.直角坐標／笛卡兒坐標／臺架型(3P)圖

1.23直角坐標機器人的工作空間示意圖

圖1.23直角坐標機器人的工作空間示意圖

2.圓柱坐標型(R2P)圓柱坐標機器人由兩個滑動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置,再附加一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個角,工作范圍可以擴大,且計算簡單;直線部分可采用液壓驅(qū)動,可輸出較大的動力;能夠伸入型腔式機器內(nèi)部。但是，它的手臂可以到達的空間受到限制,不能到達近立柱或近地面的空間;直線驅(qū)動部分難以密封、防塵;后臂工作時,手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。圓柱坐標機器人的工作范圍呈圓柱形狀,如圖1.24所示。

2.圓柱坐標型(R2P)圖

1.24圓柱坐標機器人的工作范圍

圖1.24圓柱坐標機器人的工作范圍

3.球坐標型(2RP)球坐標機器人采用球坐標系,它用一個滑動關(guān)節(jié)和兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來確定部件的位置,再用一個附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn),中心支架附近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標復(fù)雜,難于控制,且直線驅(qū)動裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問題。球坐標機器人的工作范圍呈球缺狀,如圖1.25所示。

3.球坐標型(2RP)圖

1.25球坐標機器人的工作范圍

圖1.25球坐標機器人的工作范圍

4.關(guān)節(jié)坐標型/擬人型(3R)關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的,類似于人的手臂,是工業(yè)機器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜,圖1.18所示為PUMA機器人的工作范圍。

4.關(guān)節(jié)坐標型/擬人型(3R)

5.平面關(guān)節(jié)型這種機器人可看做是關(guān)節(jié)坐標式機器人的特例,它只有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)軸線共面。如SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)機器人有兩個并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),可以使機器人在水平面上運動,此外,再用一個附加的滑動關(guān)節(jié)做垂直運動。SCARA機器人常用于裝配作業(yè),最顯著的特點是它們在x-y平面上的運動具有較大的柔性,而沿z軸具有很強的剛性,所以,它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間如圖1.26所示。5.平面關(guān)節(jié)型圖

1.26平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間

圖1.26平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間1.3.4工業(yè)機器人的參考坐標系機器人可以相對于不同的坐標系運動,在每一種坐標系中的運動都不相同。通常,機器人的運動在以下三種坐標系中完成(如圖1.27所示)。1.3.4工業(yè)機器人的參考坐標系

圖1.27機器人的參考坐標系(a)全局參考坐標系;(b)關(guān)節(jié)參考坐標系;(c)工具參考坐標系圖1.27機器

1.全局參考坐標系全局參考坐標系是一種通用坐標系,由x、y和z軸所定義。在此情況下,通過機器人各關(guān)節(jié)的同時運動來產(chǎn)生沿三個主軸方向的運動。在這種坐標系中,無論手臂在哪里,x軸的正向運動就總是在x軸的正方向。這一坐標系通常用來定義機器人相對于其他物體的運動、與機器人通信的其他部件以及運動路徑。1.全局參考坐標系

2.關(guān)節(jié)參考坐標系關(guān)節(jié)參考坐標系用來描述機器人每一個獨立關(guān)節(jié)的運動。假設(shè)希望將機器人的手運動到一個特定的位置,可以每次只運動一個關(guān)節(jié),從而把手引導到期望的位置上。在這種情況下,每一個關(guān)節(jié)單獨控制,從而每次只有一個關(guān)節(jié)運動。由于所用關(guān)節(jié)的類型(移動、旋轉(zhuǎn)型)不同,因此,機器人手的動作也各不相同。例如,如果為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動,則機器人手將繞著關(guān)節(jié)的軸旋轉(zhuǎn)。

2.關(guān)節(jié)參考坐標系

3.工具參考坐標系工具參考坐標系描述機器人手相對于固連在手上的坐標系的運動。固連在手上的x′、y′和z′軸定義了手相對于本地坐標系的運動。與通用的全局參考坐標系不同,本地的工具參考坐標系隨機器人一起運動。假設(shè)機器人手的指向如圖1.27所示,相對于本地的工具參考坐標系x′軸的正向運動意味著機器人手沿工具參考坐標系x′軸方向運動。如果機器人的手指向別處,那么同樣沿著工具參考坐標系x′軸的運動將完全不同于前面的運動。如果x′軸指向上,那么沿+x′軸的運動便是向上的;反之,如果x′軸指向下,那么沿+x′軸的運動便是向下的。3.工具參考坐標系1.3.5并聯(lián)機器人并聯(lián)機器人又稱并聯(lián)機構(gòu)（PM,ParallelMechanism），一般結(jié)構(gòu)如圖1.28所示。并聯(lián)機器人可以定義為動平臺和定平臺兩種形式,二者通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。1.3.5并聯(lián)機器人這種機器人有以下幾個特點：

(1)無累積誤差，精度較高；

(2)驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好；

(3)結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大；

(4)完全對稱的并聯(lián)機構(gòu)具有較好的各向同性；

(5)工作空間較小。這種機器人有以下幾個特點：因為這些特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無需很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于以下幾個方面：

(1)運動模擬器。并聯(lián)機器人用作運動模擬器如圖1.29所示。因為這些特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度或者大載圖1.28并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)圖1.28并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)圖1.29并聯(lián)機器人圖1.29并聯(lián)機器人

(2)并聯(lián)機床。并聯(lián)機床具有承載能力強、響應(yīng)速度快、精度高、機械結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好等優(yōu)點，是一種“硬件”簡單、“軟件”復(fù)雜、技術(shù)附加值高的產(chǎn)品。并聯(lián)機床如圖1.30所示。(2)并聯(lián)機床。圖1.30并聯(lián)機床圖1.30并聯(lián)機床

(3)微操作機器人。微操作機器人如圖1.31所示,經(jīng)常用于安裝印刷電路板上的電子元件。圖1.31微操作機器人(3)微操作機器人。微操作機器人如圖1.31所示,并聯(lián)機器人可按并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)分類：

(1)2自由度并聯(lián)機構(gòu)。2自由度并聯(lián)機構(gòu)，如5-R、3-R、2-P平面5桿機構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機構(gòu)，這類機構(gòu)一般具有2個移動運動。并聯(lián)機器人可按并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)分類：

(2)3自由度并聯(lián)機構(gòu)。3自由度并聯(lián)機構(gòu)種類較多，形式較復(fù)雜，一般有以下幾個形式：平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RPR機構(gòu)，它們具有2個轉(zhuǎn)動和1個移動；球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR球面機構(gòu)、3-UPS-1-S球面機構(gòu)，3-RRR球面機構(gòu)所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構(gòu)的中心，而3-UPS-1-S球面機構(gòu)則以S的中心點為機構(gòu)的中心，機構(gòu)上的所有點的運動都是繞該點的轉(zhuǎn)動運動；3維純移動機構(gòu)，如StarLike并聯(lián)機構(gòu)、Tsai并聯(lián)機構(gòu)和DELTA機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學正反解都很簡單，是一種應(yīng)用很廣泛的3維移動空間機構(gòu)；(2)3自由度并聯(lián)機構(gòu)。3自由度并聯(lián)機構(gòu)種類較多空間3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如典型的3-RPS機構(gòu)，這類機構(gòu)屬于欠秩機構(gòu)，在工作空間內(nèi)不同的點的運動形式不同是其最顯著的特點，由于這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構(gòu)在實際中的廣泛應(yīng)用；還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構(gòu)，如德國漢諾威大學研制的并聯(lián)機床采用的3-UPS-1-PU球坐標式3自由度并聯(lián)機構(gòu)，由于輔助桿件和運動副的制約，使得該機構(gòu)的運動平臺具有1個移動和2個轉(zhuǎn)動的運動(也可以說是3個移動運動)?？臻g3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如典型的3-RPS機構(gòu)，這類機構(gòu)屬

(3)4自由度并聯(lián)機構(gòu)。4自由度并聯(lián)機構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機構(gòu)，如2-UPS-1-RRRR機構(gòu)，運動平臺通過3個支鏈與定平臺相連，有2個運動鏈是相同的，各具有1個虎克鉸U，1個移動副P，其中P和1個R是驅(qū)動副，因此這種機構(gòu)不是完全并聯(lián)機構(gòu)。

(4)5自由度并聯(lián)機構(gòu)。現(xiàn)有的5自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)(2個并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)合)。(3)4自由度并聯(lián)機構(gòu)。4自由度并聯(lián)機構(gòu)

(5)6自由度并聯(lián)機構(gòu)。6自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機構(gòu)必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構(gòu)中，也有擁有3個運動鏈的6自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-PRPS和3-URS等機構(gòu)，還有在3個分支的每個分支上附加1個5桿機構(gòu)作驅(qū)動機構(gòu)的6自由度并聯(lián)機構(gòu)等。(5)6自由度并聯(lián)機構(gòu)。6自由度并聯(lián)機構(gòu)是1.3.6工業(yè)機器人的機構(gòu)表示方式為了簡化機器人機構(gòu)的表達過程，常用特定的圖形符號來表示機器人的各種機構(gòu)運動副，常用的工業(yè)機器人的各種圖形符號如表1.5所示。1.3.6工業(yè)機器人的機構(gòu)表示方式表1.5工業(yè)機器人的各種圖形符號表1.5工業(yè)機器人的各種圖形符號幾種常用坐標型機器人機構(gòu)簡圖如圖1.32所示。圖1.32幾種常用坐標型機器人機構(gòu)簡圖(a)直角坐標型;(b)圓柱坐標型;(c)球坐標型;(d)關(guān)節(jié)坐標型幾種常用坐標型機器人機構(gòu)簡圖如圖1.32所示。圖1.32習

題

1.簡述工業(yè)機器人的定義。

2.簡述工業(yè)機器人的主要應(yīng)用場合。這些場合有什么特點？

3.說明工業(yè)機器人的基本組成及各部分之間的關(guān)系。

4.簡述工業(yè)機器人各參數(shù)的定義:自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、工作速度、承載能力。

5.工業(yè)機器人按坐標形式分為哪幾類?各有什么特點？

6.什么是SCARA機器人?應(yīng)用上有何特點？

習題1.簡述工業(yè)機器人的定義?！豆I(yè)機器人技術(shù)》2015年09月授課指導：謝光輝博士/副教授《工業(yè)機器人技術(shù)》2015年09月授課指導：謝光輝博士/副⊕定義：機器人（Robot）是一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。

⊕任務(wù)：協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。目前在工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。前言⊕

機器人三大定律：

A、機器人不可以傷害人類，人類受傷時，必須拯救人類；

B、機器人要聽從人類的命令，除非違反A定律；

C、機器人應(yīng)能保護自己的生命，與第A、B定律相違背除外。⊕定義：機器人（Robot）是一種可編程和多功能的，用來搬98⊕工業(yè)4.0：中國對應(yīng)的是智能裝備與中國制造2025。

⊕重點發(fā)展領(lǐng)域：高檔數(shù)控機床與機器人?！皺C器人革命”有望成為第三次工業(yè)革命的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)格局；機器人是“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。⊕

機器換人：歐美日工業(yè)機器人使用密度達150-350臺/萬人，世界平均58臺/萬人，中國僅25臺/萬人。如果達到平均水平，可制造380億本體、1140億系統(tǒng)集成市場空間。國際上工業(yè)機器人的主要廠商為法拉科、ABB、安川、庫卡等，其在中國市場占有率達80%以上。主要用于焊接、加工、搬運和物流當中。⊕工業(yè)4.0：中國對應(yīng)的是智能裝備與中國制造2025。99⊕本質(zhì)：是自動化技術(shù)中重要的工具，不是孤立的，加強對作業(yè)目標的工藝過程、操作方法、操作工具以及與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)等技術(shù)的學習是基礎(chǔ)。舉例：焊接>>焊接材料特性、方式選擇、工藝參數(shù)整定、軌跡生成、通風安全系統(tǒng)設(shè)計等；上下料>>機床自動化改造（自動門、自動裝夾、自動啟停）、自動手爪、與數(shù)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作業(yè)等；拋光>>曲面的軌跡生成、拋光參數(shù)整定（力度、時間）、外部傳感器通信、恒力控制、通風粉回收設(shè)計等。

⊕崗位：本體/控制/系統(tǒng)集成設(shè)計工程師助手、試產(chǎn)員、操作員、總裝與調(diào)試、高端維修與銷售、客戶需求分析等。如何學好、用好機器人技術(shù)⊕本質(zhì)：是自動化技術(shù)中重要的工具，不是孤立的，加強對作業(yè)目100第1章緒論1.1機器人分類

1.2工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展

1.3工業(yè)機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)

習題

第1章緒論1.1機器人分類1011.1機器人的分類

1.按照應(yīng)用類型分類機器人按應(yīng)用類型可分為工業(yè)機器人、極限作業(yè)機器人和服務(wù)機器人。

(1)工業(yè)機器人。工業(yè)機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢查等機器人,主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中,如圖1.1、圖1.2所示。1.1機器人的分類1.按照應(yīng)用類型分類圖

1.1弧焊機器人

圖1.1弧焊機器人圖

1.2汽車焊接生產(chǎn)線上的機器人

圖1.2汽車焊接生產(chǎn)線上的機器人

(2)極限作業(yè)機器人。極限作業(yè)機器人主要是指在人們難以進入的核電站、海底、宇宙空間進行作業(yè)的機器人,也包括建筑、農(nóng)業(yè)機器人等,如圖1.3、圖1.4所示。圖

1.3排爆機器人

(2)極限作業(yè)機器人。極限作業(yè)機器人主要是指在人們圖

1.4火星探測機器人

圖1.4火星探測機器人

(3)服務(wù)機器人。服務(wù)機器人包括家庭、醫(yī)療、娛樂、玩具機器人等(具有某種程度的通用性),也有根據(jù)環(huán)境而改變動作的機器人,如圖1.5、圖1.6所示。圖1.5(3)服務(wù)機器人。服務(wù)機器人包括家庭、醫(yī)療、娛樂、玩圖

1.6圖1.6

2.按照控制方式分類機器人按控制方式可分為操作機器人、程序機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人和綜合機器人。

(1)操作機器人。操作機器人的典型代表是在核電站處理放射性物質(zhì)時遠距離進行操作的機器人。在這種場合,相當于人手操縱的部分稱為主動機械手,而從動機械手基本上與主動機械手類似,只是從動機械手要比主動機器手大一些,作業(yè)時的力量也更大。2.按照控制方式分類

(2)程序機器人。程序機器人按預(yù)先給定的程序、條件、位置進行作業(yè),目前大部分機器人都采用這種控制方式工作。

(3)示教再現(xiàn)機器人。示教再現(xiàn)機器人同盒式磁帶的錄放一樣,將所教的操作過程自動記錄在磁盤、磁帶等存儲器中,當需要再現(xiàn)操作時,可重復(fù)所教過的動作過程。示教方法有手把手示教、有線示教和無線示教,如圖1.7所示。(2)程序機器人。程序機器人按預(yù)先給定的程序、條件圖1.7機器人示教(a)手把手示教;(b)有線示教;(c)無線示教

圖1.7機器人示教

(4)智能機器人。智能機器人不僅可以進行預(yù)先設(shè)定的動作,還可以按照工作環(huán)境的變化改變動作。

(5)綜合機器人。綜合機器人是由操作機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人組合而成的機器人,如火星機器人。1997年7月4日,“火星探險者(MarsPathfinder)”在火星上著陸,著陸體是四面體形狀,著陸后三個蓋子的打開狀態(tài)如圖1.8所示。它在能上、下、左、右動作的攝像機平臺上裝有兩臺CCD攝像機,通過立體觀測而得到空間信息。整個系統(tǒng)可以看做是由地面指令操縱的操作機器人。(4)智能機器人。智能機器人不僅可以進行預(yù)先設(shè)定的動圖

1.8火星探險者

圖1.8火星探險者1.2工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展

1.2.1工業(yè)機器人的應(yīng)用工業(yè)機器人最早應(yīng)用于汽車制造工業(yè),常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機器人延伸和擴大了人的手足和大腦功能,它可代替人從事危險、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動,提高勞動生產(chǎn)率,保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機器人與數(shù)控加工中心、自動搬運小車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS),實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。1.2工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展1.2.1工業(yè)機器人的應(yīng)用

1)惡劣工作環(huán)境及危險工作

壓鑄車間及核工業(yè)等領(lǐng)域的作業(yè)是一種有害于健康并可能危及生命,或不安全因素很大而不宜于人去從事的作業(yè),此類工作由工業(yè)機器人做是最適合的。圖1.9所示為核工業(yè)上沸騰水式反應(yīng)堆(BWR)燃料自動交換機。1)惡劣工作環(huán)境及危險工作圖

1.9燃料自動交換機

圖1.9燃料自動交換機燃料自動交換機的主要結(jié)構(gòu)如圖1.9所示,它是由機上操作臺、輔助提升機、臺架、空中吊運機、主提升機、燃料夾持器等組成的;采用了計算機控制方式,可依據(jù)操作人員的運轉(zhuǎn)指令,完成自動運轉(zhuǎn)、半自動運轉(zhuǎn)和手動運轉(zhuǎn)模式下的燃料交換。這種裝置的主要特征是:①可以在遠距離的操作室中全自動運轉(zhuǎn);②精密的多重圓筒立柱可提高定位精度;③利用計算機可以控制系統(tǒng)高速運轉(zhuǎn),防止誤操作。這種交換機的使用不僅提高了效率,降低了對操作人員的輻射,而且由計算機控制的操作自動化可以提高作業(yè)的安全性。燃料自動交換機的主要結(jié)構(gòu)如圖1.9所示,它是由機上操作

2)特殊作業(yè)場合和極限作業(yè)火山探險、深海探密和空間探索等領(lǐng)域?qū)τ谌祟悂碚f是力所不能及的,只有機器人才能進行作業(yè)。如圖1.10所示的航天飛機上用來回收衛(wèi)星的操作臂RMS(RemoteManipulatorSystem),它是由加拿大SPAR航天公司設(shè)計并制造的,是世界上最大的關(guān)節(jié)式機器人。該操作臂額定載荷為15000kg,最大載荷為30000kg;末端操作器的最大速度空載時為0.6m/s,承載15000kg時為0.06m/s,承載30000kg時為0.03m/s;定位精度為±0.05m。這些額定參數(shù)是在外層空間抓放飛行體時的參數(shù)。2)特殊作業(yè)場合和極限作業(yè)圖

1.10航天飛機上的操作臂

圖1.10航天飛機上的操作臂

3)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域早期的工業(yè)機器人在生產(chǎn)上主要用于機床上下料、點焊和噴漆。隨著柔性自動化的出現(xiàn),機器人在自動化生產(chǎn)領(lǐng)域扮演了更重要的角色。現(xiàn)舉例如下:

(1)焊接機器人。汽車制造廠已廣泛應(yīng)用焊接機器人進行承重大梁和車身結(jié)構(gòu)的焊接?；『笝C器人需要6個自由度,其中3個自由度用來控制焊具跟隨焊縫的空間軌跡,另外3個自由度保持焊具與工件表面有正確的姿態(tài)關(guān)系,這樣才能保證良好的焊縫質(zhì)量。3)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域

(2)材料搬運機器人。材料搬運機器人可用來上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件定向等作業(yè)。一個簡單抓放作業(yè)機器人只需較少的自由度;一個給零件定向作業(yè)的機器人要求有更多的自由度,以增加其靈巧性。

(3)檢測機器人。零件制造過程中的檢測以及成品檢測都是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。檢測機器人主要有兩個工作內(nèi)容:確認零件尺寸是否在允許的公差內(nèi);控制零件按質(zhì)量分類。(2)材料搬運機器人。材料搬運機器人可用來上下料、

(4)裝配機器人。裝配是一個比較復(fù)雜的作業(yè)過程,不僅要檢測裝配作業(yè)過程中的誤差,而且要試圖糾正這種誤差。因此,裝配機器人上應(yīng)用有許多傳感器,如接觸傳感器、視覺傳感器、接近傳感器和聽覺傳感器等。

(5)噴漆和噴涂機器人。一般在三維表面進行噴漆和噴涂作業(yè)時，至少要有5個自由度。由于可燃環(huán)境的存在,驅(qū)動裝置必須防燃防爆。在大件上作業(yè)時,往往把機器人裝在一個導軌上,以便行走。(4)裝配機器人。裝配是一個比較復(fù)雜的作業(yè)過程,不1.2.2工業(yè)機器人的發(fā)展

1.全球機器人的發(fā)展狀況

1954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(shù)控制機器人的關(guān)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,現(xiàn)有的機器人差不多都采用這種控制方式。

1958年,被譽為“工業(yè)機器人之父”的JosephF.EngelBerger創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司——Unimation(UniversalAutomation)公司,并參與設(shè)計了第一臺Unimate機器人,如圖1.11所示。1.2.2工業(yè)機器人的發(fā)展

這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動機器人,手臂的控制由一臺專用計算機完成。它采用分離式固體數(shù)控元件,并裝有存儲信息的磁鼓,能夠記憶完成180個工作步驟。與此同時,另一家美國公司——AMF公司也開始研制工業(yè)機器人,即Versatran(VersatileTransfer)機器人,如圖1.12所示。它主要用于機器之間的物料運輸,采用液壓驅(qū)動。該機器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn),沿垂直方向升降,也可以沿半徑方向伸縮。一般認為,Unimate和Versatran是世界上最早的工業(yè)機器人。這兩種工業(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。這是一臺用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動機器人,手臂的控制由圖

1.11Unimate機器人

圖1.11Unimate機器人圖

1.12Versatran機器人

圖1.12Versatran機器人表1.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史

表1.1工業(yè)機器人的發(fā)展歷史工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)課件

2.我國工業(yè)機器人的發(fā)展狀況我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初期,經(jīng)過30多年的發(fā)展,大致經(jīng)歷了3個階段:70年代的萌芽期,80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。

20世紀70年代是世界科技發(fā)展的一個里程碑:人類登上了月球,實現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機器人的應(yīng)用掀起了一個高潮,尤其在日本發(fā)展更為迅猛,它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下,我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。2.我國工業(yè)機器人的發(fā)展狀況從20世紀90年代初期起,我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根本轉(zhuǎn)變時期,掀起了新一輪的經(jīng)濟體制改革和技術(shù)進步熱潮。我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進了一大步,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(yīng)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(chǔ)。從20世紀90年代初期起,我國的國民經(jīng)濟進入實現(xiàn)兩個根

目前我國機器人研究的主要內(nèi)容如下：

1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究這些研究主要包括:關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)；焊接機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)；焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真；電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；批量生產(chǎn)機器人所需的專用制造、裝配、測試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。目前我國機器人研究的主要內(nèi)容如下：

2)智能機器人開發(fā)研究這些研究主要包括：遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究；智能移動機器人的導航和定位技術(shù)研究；面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；人機交互環(huán)境建模系統(tǒng)；基于計算機屏幕的多機器人遙控技術(shù)。

3)機器人化機械研究開發(fā)這些研究開發(fā)主要包括：并聯(lián)機構(gòu)機床(VMT)與機器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機遙控操作的大型散料輸送設(shè)備。2)智能機器人開發(fā)研究

4)以機器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)這些系統(tǒng)主要包括：開放式模塊化裝配機器人；面向機器人裝配的設(shè)計技術(shù)；機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；裝配力覺、視覺技術(shù)；智能裝配策略及其控制技術(shù)。

5)多傳感器信息融合與配置技術(shù)該技術(shù)主要包括：機器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過程控制和污水處理自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；機電一體化智能傳感器的設(shè)計應(yīng)用。4)以機器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)1.3工業(yè)機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)

1.3.1工業(yè)機器人的基本組成工業(yè)機器人由3大部分6個子系統(tǒng)組成。3大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。6個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng),可用圖1.13來表示。1.3工業(yè)機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)1.3.1工業(yè)機器圖

1.13機器人系統(tǒng)組成

圖1.13機器人系統(tǒng)組成

6個子系統(tǒng)的作用分述如下:

1.驅(qū)動系統(tǒng)要使機器人運行起來,需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置,這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動,或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng);可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。

6個子系統(tǒng)的作用分述如下:

2.機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成,如圖1.14所示。每一大件都有若干自由度,構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若基座具備行走機構(gòu),則構(gòu)成行走機器人;若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu),則構(gòu)成單機器人臂(Single

Robot

Arm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件,它可以是二手指或多手指的手爪,也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。2.機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

1.14工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

圖1.14工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

3.感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的,然而,對于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

3.感受系統(tǒng)

4.機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元,如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然,也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

4.機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

5.人機交互系統(tǒng)人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置，例如,計算機的標準終端,指令控制臺,信息顯示板,危險信號報警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類:指令給定裝置和信息顯示裝置。

5.人機交互系統(tǒng)

6.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機器人不具備信息反饋特征,則為開環(huán)控制系統(tǒng);若具備信息反饋特征,則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理,控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式,控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。圖1.15為三菱裝配機器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成。該機器人由機器人主體、控制器、示教盒和PC機構(gòu)成?？捎檬窘痰姆绞胶陀肞C機編程的方式來控制機器人的動作。

6.控制系統(tǒng)圖

1.15三菱裝配機器人系統(tǒng)

圖1.15三菱裝配機器人系統(tǒng)1.3.2工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。表1.2和表1.3為兩種工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)。盡管各廠商提供的技術(shù)參數(shù)不完全一樣,工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、用途等有所不同,且用戶的要求也不同,但工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)一般應(yīng)有自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大工作速度和承載能力等。

1.3.2工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)表1.2三菱裝配機器人MovemasterEXRV-M1的主要技術(shù)參數(shù)

表1.2三菱裝配機器人MovemasterEXRV-M表1.3PUMA562機器人的主要技術(shù)參數(shù)

表1.3PUMA562機器人的主要技術(shù)參數(shù)表1.4BR-210并聯(lián)機器人的主要技術(shù)參數(shù)表1.4BR-210并聯(lián)機器人的主要技術(shù)參數(shù)

1.自由度(DegreesofFreedom)

自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目,不應(yīng)包括手爪(末端操作器)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)需要六個自由度。但是,工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計的,可能小于六個自由度,也可能大于六個自由度。例如,A4020裝配機器人具有四個自由度,可以在印刷電路板上接插電子器件;PUMA562機器人具有六個自由度,如圖1.16所示,可以進行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運動學的觀點看,在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人,就叫做冗余自由度機器人。例如,PUMA562機器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)時就成為冗余自由度機器人。利用冗余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)共有七個自由度,所以工作起來很靈巧,手部可回避障礙而從不同方向到達同一個目的點。

1.自由度(DegreesofFreedom)圖

1.16PUMA562工業(yè)機器人

圖1.16PUMA562工業(yè)機器人

2.定位精度(PositioningAccuracy)工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機器人重復(fù)定位其手部于同一目標位置的能力,可以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示,它是衡量一列誤差值的密集度(即重復(fù)度),如圖1.17所示。2.定位精度(PositioningAccuracy圖1.17工業(yè)機器人定位精度和重復(fù)定位精度的典型情況(a)重復(fù)定位精度的測量；(b)合理定位精度，良好重復(fù)定位精度；(c)良好定位精度,很差重復(fù)定位精度；

(d)很差定位精度，

良好重復(fù)定位精度

圖1.17工業(yè)機器人定位精度和重復(fù)定位精度的典型情況

3.工作范圍(WorkSpace)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,也叫工作區(qū)域。因為末端操作器的尺寸和形狀是多種多樣的,為了真實反映機器人的特征參數(shù),所以,這里是指不安裝末端操作器時的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的,機器人在執(zhí)行作業(yè)時可能會因為存在手部不能到達的作業(yè)死區(qū)(DeadZone)而不能完成任務(wù)。圖1.18和圖1.19所示分別為PUMA機器人和A4020機器人的工作范圍。

3.工作范圍(WorkSpace)圖

1.18PUMA機器人工作范圍

(a)頂視圖;(b)側(cè)視圖圖1.18PUMA機器人工作范圍圖

1.19A4020型SCARA機器人工作范圍

圖1.19A4020型SCARA機器人工作范圍

4.速度(Speed)和加速度

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。說明書中通常提供了主要運動自由度的最大穩(wěn)定速度,但在實際應(yīng)用中單純考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的。這是因為,由于驅(qū)動器輸出功率的限制,從啟動到達最大穩(wěn)定速度或從最大穩(wěn)定速度到停止,都需要一定時間。如果最大穩(wěn)定速度高,允許的極限加速度小,則加減速的時間就會長一些,對應(yīng)用而言的有效速度就要低一些;反之,如果最大穩(wěn)定速度低,允許的極限加速度大,則加減速的時間就會短一些,這有利于有效速度的提高。但如果加速或減速過快,有可能引起定位時超調(diào)或振蕩加劇,使得到達目標位置后需要等待振蕩衰減的時間增加,則也可能使有效速度反而降低。所以,考慮機器人運動特性時,除注意最大穩(wěn)定速度外,還應(yīng)注意其最大允許的加減速度。

4.速度(Speed)和加速度

5.承載能力(Payload)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(zhì)量。承載能力不僅決定于負載的質(zhì)量,而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見,承載能力這一技術(shù)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,而且還包括了機器人末端操作器的質(zhì)量。

5.承載能力(Payload)機器人有效負載的大小除受到驅(qū)動器功率的限制外,還受到桿件材料極限應(yīng)力的限制,因而它又和環(huán)境條件(如地心引力)、運動參數(shù)(如運動速度、加速度以及它們的方向)有關(guān)。如加拿大手臂,它的額定可搬運質(zhì)量為15000kg,在運動速度較低時能達到30000kg。然而，這種負荷能力只是在太空中失重條件下才有可能達到，在地球上,該手臂本身的重量達450kg,它連自重引起的臂桿變形都無法承受,更談不上搬運質(zhì)量了。圖1.20為三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力。圖1.21所示為三菱裝配機器人帶電動手爪時的承載能力。機器人有效負載的大小除受到驅(qū)動器功率的限制外,還受到桿圖

1.20三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力

圖1.20三菱裝配機