機(jī)電一體化技術(shù)模塊六工業(yè)機(jī)器人

模塊目標(biāo)

1.掌握工業(yè)機(jī)器人的組成和分類；

2.掌握串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、檢測機(jī)器人、搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人等四種典型工業(yè)機(jī)器人的工作原理；

3.熟悉工業(yè)機(jī)器人的定義、運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析；

4.了解幾種典型工業(yè)機(jī)器人的編程方式。重點(diǎn):1.工業(yè)機(jī)器人的組成和分類；

2.串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人的工作原理。難點(diǎn):1.串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、檢測機(jī)器人、搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的工作原理；

2.典型工業(yè)機(jī)器人的編程方式。模塊6工業(yè)機(jī)器人

模塊導(dǎo)學(xué)

模塊6

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，是一種高度自動(dòng)化的機(jī)電一體化設(shè)備。作為工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的設(shè)備之一，在其中起著舉足輕重的作用，對(duì)于提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平、勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件等方面的作用尤為顯著。本模塊內(nèi)容為串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、檢測機(jī)器人、搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人等四個(gè)單獨(dú)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，學(xué)生主要從機(jī)電如何結(jié)合方面來分析這四個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。項(xiàng)目6-1 串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人模塊6項(xiàng)目思考一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人的組成？串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人的分類？典型串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的動(dòng)作過程？工業(yè)機(jī)器人的定義與發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的組成與分類工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)基本原理項(xiàng)目實(shí)施相關(guān)設(shè)備項(xiàng)目實(shí)踐知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)光伏電池片搬運(yùn)領(lǐng)域PCBA測試行業(yè)的應(yīng)用知識(shí)拓展實(shí)施步驟工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)分析工業(yè)機(jī)器人的控制方式工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)項(xiàng)目知識(shí)機(jī)器手與小型焊接、切割設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)模塊66.1.1項(xiàng)目思考（思）

機(jī)器人(Robot)一詞來源于1920年捷克作家卡雷爾·查培克(Kapelcapek)所編寫的戲劇中的人造勞動(dòng)者，在那里機(jī)器人被描寫成像奴隸那樣進(jìn)行勞動(dòng)的機(jī)器。現(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞。目前，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，通過可編程序動(dòng)作來執(zhí)行任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)器人按照用途可分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人，本項(xiàng)目中，主要介紹在自動(dòng)搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場中有廣泛應(yīng)用的串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人。問題思考：1.一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人的組成？2.工業(yè)機(jī)器人的分類？3.典型串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的動(dòng)作過程？模塊66.1.2項(xiàng)目知識(shí)（學(xué)）知識(shí)點(diǎn)1工業(yè)機(jī)器人的定義與發(fā)展：機(jī)器人是一個(gè)在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動(dòng)作和功能的機(jī)器；而工業(yè)機(jī)器人（IndustrialRobot）則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器，是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。

(1)美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（RIA）提出的工業(yè)機(jī)器人定義;(2)日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）的定義;(3)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643——90將工業(yè)機(jī)器人定義。

綜合上述，可知工業(yè)機(jī)器人具有以下幾個(gè)最顯著的特點(diǎn):（1）可以再編程。（2）擬人化。（3）通用性。（4）機(jī)電一體化。模塊6工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展通?？蓜澐譃槿＃?）第一代機(jī)器人

19世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了實(shí)用階段。1954年美國G.C.Devol發(fā)表了“通用機(jī)器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可進(jìn)行點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人。

（2）第二代機(jī)器人進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人——有感覺的機(jī)器人。（3）第三代機(jī)器人目前正在研究的“智能機(jī)器人”，它不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。模塊6知識(shí)點(diǎn)2工業(yè)機(jī)器人的組成：

工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)機(jī)電一體化的設(shè)備。從控制觀點(diǎn)來看，一個(gè)較完善的機(jī)器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)，如圖6-1所示。圖6-1工業(yè)機(jī)器人的組成模塊6工業(yè)機(jī)器人的分類：

1）按機(jī)械結(jié)構(gòu)類型分類機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可以看作是由一些連桿和關(guān)節(jié)組裝起來的。連桿和關(guān)節(jié)按照不同的坐標(biāo)形式組裝，機(jī)器人可分為五種：

（1）直角坐標(biāo)式機(jī)器人（2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人（3）球坐標(biāo)式機(jī)器人（4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人（5）平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人模塊62）按驅(qū)動(dòng)方式分類（1)氣力驅(qū)動(dòng)式（2）液力驅(qū)動(dòng)式（3）電力驅(qū)動(dòng)式（4）新型驅(qū)動(dòng)方式3）按幾何結(jié)構(gòu)分類從機(jī)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)角度可將機(jī)器人機(jī)構(gòu)分為開環(huán)機(jī)構(gòu)和閉環(huán)機(jī)構(gòu)兩大類：以開環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人機(jī)構(gòu)原型的叫串聯(lián)機(jī)器人；以閉環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人原型的叫并聯(lián)機(jī)器人。模塊6圖6-4幾種常見串聯(lián)機(jī)器人a)6自由度并聯(lián)機(jī)器人b)新型3自由度機(jī)器人圖6-5兩種并聯(lián)機(jī)器人模塊64）按控制方式分類（1）點(diǎn)位控制（2）連續(xù)軌跡控制5）按機(jī)器人的性能指標(biāo)分類（1）超大型機(jī)器人，負(fù)載能力為107N以上；（2）大型機(jī)器人，負(fù)載能力為106～107N，作業(yè)空間為10m3以上；（3）中型機(jī)器人，負(fù)載能力為105～106N，作業(yè)空間為1～10m3；（4）小型機(jī)器人，負(fù)載能力為1～104N，作業(yè)空間為0.1～1m3；（5）超小型機(jī)器人，負(fù)載能力為1N以下，作業(yè)空間為0.1m3以下。6）按用途和作業(yè)類別分類工業(yè)機(jī)器人分為焊接機(jī)器人、沖壓機(jī)器人、澆注機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、切削加工機(jī)器人、檢測機(jī)器人、采掘機(jī)器人、水下機(jī)器人等。模塊6知識(shí)點(diǎn)3

工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)：自由度自由度是指機(jī)器人具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，一般不包括末端操作器的自由度（如手爪的開合）。關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可以看作是由一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的，如圖6-6所示。由關(guān)節(jié)完成連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。圖6-6T3型工業(yè)機(jī)器人模塊6精度精度：包括定位精度和重復(fù)定位精度。工作空間工作空間：指工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，其手腕參考點(diǎn)在空間所能達(dá)到的區(qū)域，用來衡量機(jī)器人工作范圍的大小。最大工作速度最大工作速度：廠家不同對(duì)最大工作速度規(guī)定的內(nèi)容亦有不同，有的廠家定義為工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度，通常在技術(shù)參數(shù)中加以說明。承載能力承載能力：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。模塊6知識(shí)點(diǎn)4工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)分析：串聯(lián)機(jī)器人是一開式運(yùn)動(dòng)鏈，它是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的。已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位移值，求其手部的位姿，這稱為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正問題；其逆問題則是：已知手部位姿，求解各關(guān)節(jié)變量的位移值。圖6-7工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題模塊6知識(shí)點(diǎn)5工業(yè)機(jī)器人的控制方式：1）“示教再現(xiàn)”方式它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機(jī)械手如何動(dòng)作，控制器將示教過程記憶下來，然后機(jī)器人就按照記憶周而復(fù)始地重復(fù)示教動(dòng)作，。

2）“可編程控制”方式工作人員事先根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和運(yùn)動(dòng)軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機(jī)器人的控制器，起動(dòng)控制程序，機(jī)器人就按照程序所規(guī)定的動(dòng)作一步一步地去完成，如果任務(wù)變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。

3）“遙控”方式由人用有線或無線遙控器控制機(jī)器人在人難以到達(dá)或危險(xiǎn)的場所完成某項(xiàng)任務(wù)。

4）“自主控制”方式它要求機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識(shí)別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。模塊6知識(shí)點(diǎn)6工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)：機(jī)械設(shè)計(jì)步驟（1）作業(yè)分析作業(yè)分析包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，（2）方案設(shè)計(jì)確定動(dòng)力源；確定機(jī)型；確定自由度；確定動(dòng)力容量和傳動(dòng)方式；優(yōu)化運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)；確定平衡方式和平衡質(zhì)量；繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，走線及電器接口設(shè)計(jì)等。（4）動(dòng)特性分析估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，確定其結(jié)構(gòu)固有頻率和響應(yīng)特性。（5）施工設(shè)計(jì)完成施工圖設(shè)計(jì)，編制相關(guān)技術(shù)文件。模塊6機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。（1）集中控制方式（2）主從控制方式（3）分散控制方式工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）驅(qū)動(dòng)—傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器通過聯(lián)軸器帶動(dòng)傳動(dòng)裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)。（2）驅(qū)動(dòng)器的類型和特點(diǎn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。液壓驅(qū)動(dòng)器液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。

模塊6（3）機(jī)器人的常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求：結(jié)構(gòu)緊湊；傳動(dòng)剛度大；回差?。粔勖L、價(jià)格低。機(jī)器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中最常用的為諧波傳動(dòng)、RV擺線針輪行星傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。1）諧波傳動(dòng)諧波傳動(dòng)是利用一個(gè)構(gòu)件的可控制的彈性變形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞。2）RV擺線針輪傳動(dòng)RV擺線針輪傳動(dòng)裝置，是由一級(jí)行星輪系再串聯(lián)一級(jí)擺線針輪減速器組合而成的。3）滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當(dāng)?shù)臐L珠。使絲杠與螺母之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種螺旋傳動(dòng)。模塊6工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1．工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動(dòng)裝置組成。

1）設(shè)計(jì)要求（1)手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求（2)機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求2）典型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂和機(jī)座結(jié)構(gòu)，如圖6-12所示。圖6-12圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂和機(jī)座結(jié)構(gòu)模塊63）工業(yè)機(jī)器人的手腕手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，如圖6-13所示。圖6-13手腕的三個(gè)自由度（1）設(shè)計(jì)要求①力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，為減輕其質(zhì)量和體積；②自由度愈多，運(yùn)動(dòng)范圍愈大，動(dòng)作靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力愈強(qiáng)；③提高傳動(dòng)剛度，盡量減少反轉(zhuǎn)誤差；④對(duì)手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機(jī)械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。模塊6（2）手腕的結(jié)構(gòu)用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)，如圖6-14所示。圖6-14用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)模塊6（3）工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器①分類和設(shè)計(jì)要求根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，要求：滿足作業(yè)需要的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度；盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，以減輕手臂的負(fù)荷。②機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運(yùn)動(dòng)方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型，圖6-15滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器③吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），有氣吸式和磁吸式兩種。模塊66.1.3項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)目要求1.了解串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成；2.掌握串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作原理；3.熟悉串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的性能指標(biāo)；4.掌握串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的基本功能及示教運(yùn)動(dòng)過程。項(xiàng)目實(shí)施

1.基本原理本項(xiàng)目所使用的機(jī)器人為蘇州博實(shí)機(jī)器人技術(shù)有限公司開發(fā)的6自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人RBT-6T/S02S，其軸線相互平行或垂直，能夠在空間內(nèi)進(jìn)行定位，采用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，主要傳動(dòng)部件采用可視化設(shè)計(jì)，控制簡單，編程方便，它是一個(gè)多輸入多輸出的動(dòng)力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)，是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)。它具有高度的能動(dòng)性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想對(duì)象。整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)器人1臺(tái)、控制柜1臺(tái)、控制卡2塊、實(shí)驗(yàn)附件1套（包括軸、套）和機(jī)器人控制軟件1套（實(shí)驗(yàn)設(shè)備用戶可選）。機(jī)器人采用串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，即機(jī)器人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)連接，機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，并通過Windows環(huán)境下的軟件編程和運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，使機(jī)器人能夠在工作空間內(nèi)任意位置精確定位。模塊6圖6-16機(jī)器人結(jié)構(gòu)模塊6機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如表6-1所示。表6-1機(jī)器人技術(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)關(guān)節(jié)式驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)伺服混合驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力6Kg重復(fù)定位精度±0.08mm動(dòng)作范圍關(guān)節(jié)Ⅰ-150°～150°關(guān)節(jié)Ⅱ-150°～-30°關(guān)節(jié)Ⅲ-70°～50°關(guān)節(jié)Ⅳ-150°～150°關(guān)節(jié)Ⅴ-90°～90°關(guān)節(jié)Ⅵ-180°～180°最大速度關(guān)節(jié)Ⅰ60o/S關(guān)節(jié)Ⅱ60o/S關(guān)節(jié)Ⅲ60o/S關(guān)節(jié)Ⅳ60o/S關(guān)節(jié)Ⅴ60o/S關(guān)節(jié)Ⅵ120o/S最大展開半徑870mm高度1150mm本體重量≤100Kg操作方式示教再現(xiàn)/編程電源容量單相220V50Hz4A模塊62．項(xiàng)目實(shí)施相關(guān)設(shè)備

1.RBT-6T/S02S機(jī)器人一臺(tái)；

2.RBT-6T/S02S機(jī)器人控制柜一臺(tái)；

3.裝有運(yùn)動(dòng)控制卡和控制軟件的計(jì)算機(jī)一臺(tái)；

4.軸和軸套各一個(gè)。3.實(shí)施步驟（1）連接好氣路，啟動(dòng)氣泵到預(yù)定壓力；（2）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行機(jī)器人軟件，出現(xiàn)如圖6-17所示主界面；（3）接通控制柜電源，按下“啟動(dòng)”按鈕；圖6-17主界面模塊6

（4）點(diǎn)擊主界面“機(jī)器人復(fù)位”按鈕，機(jī)器人進(jìn)行回零運(yùn)動(dòng)。觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，六個(gè)關(guān)節(jié)全部運(yùn)動(dòng)完成后，機(jī)器人處于零點(diǎn)位置；（5）點(diǎn)擊“關(guān)節(jié)示教”按鈕，出現(xiàn)如圖6-18所示界面，按下“打開”按鈕，在機(jī)器人軟件安裝目錄下選擇示教文件BANYUN.RBT6，示教數(shù)據(jù)會(huì)在示教列表中顯示；（6）裝配操作演示，在2個(gè)支架的相應(yīng)位置上分別放置軸和軸套，然后按下“再現(xiàn)”按鈕，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)裝配動(dòng)作；（7）運(yùn)動(dòng)完畢后，按下“復(fù)位”按鈕，機(jī)器人回到零點(diǎn)位置，關(guān)閉對(duì)話框；（8）如果想再做一次裝配動(dòng)作，把軸放回相應(yīng)位置，按下“再現(xiàn)”按鈕即可；（9）點(diǎn)擊“機(jī)器人復(fù)位”按鈕，使機(jī)器人回到零點(diǎn)位置；（10）按下控制柜上的“停止”按鈕，斷開控制柜電源；（11）退出機(jī)器人軟件，關(guān)閉計(jì)算機(jī)。圖6-18關(guān)節(jié)示教界面模塊6項(xiàng)目總結(jié)

通過本項(xiàng)目使學(xué)生了解串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成，掌握其工作原理、基本功能以及示教運(yùn)動(dòng)過程。通過項(xiàng)目實(shí)施步驟，熟悉RBT-6T/S02S機(jī)器人的控制形式，及其控制軟件的“機(jī)器人復(fù)位”、“關(guān)節(jié)示教”、“復(fù)位”等基本操作。項(xiàng)目評(píng)價(jià)表6-2項(xiàng)目評(píng)價(jià)表項(xiàng)目目標(biāo)分值評(píng)分得分機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)1.正確認(rèn)識(shí)機(jī)械手各關(guān)節(jié)組成2.熟悉各關(guān)節(jié)技術(shù)參數(shù)50不正確，扣5～10分機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件連接將機(jī)器人與控制計(jì)算機(jī)正確連接20不正確，扣5～10分實(shí)驗(yàn)動(dòng)作的運(yùn)行正確完成實(shí)施步驟要求的動(dòng)作30不正確，扣5～10分總分100模塊66.1.4知識(shí)拓展（拓）工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用行業(yè)與案例1.光伏電池片搬運(yùn)領(lǐng)域2.PCBA測試行業(yè)的應(yīng)用3.機(jī)器手與小型焊接、切割設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)模塊6項(xiàng)目6-2并聯(lián)機(jī)器人項(xiàng)目思考并聯(lián)機(jī)器人的類型？并聯(lián)機(jī)器人一個(gè)完整的并聯(lián)機(jī)器人的組成？典型DELTA機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程？并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析與控制定平臺(tái)的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)桿的設(shè)計(jì)項(xiàng)目知識(shí)項(xiàng)目實(shí)踐知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)模擬運(yùn)動(dòng)對(duì)接動(dòng)作裝置知識(shí)拓展從動(dòng)桿的設(shè)計(jì)DELTA機(jī)構(gòu)介紹動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)床模塊66.2.1項(xiàng)目思考（思）

近年來并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，在某些方面它具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)所無法相比的優(yōu)點(diǎn)，因而擴(kuò)大了機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有剛度大、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越、誤差小、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，眾多研究機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)都看好其在制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景。目前多種并聯(lián)機(jī)器人已經(jīng)被設(shè)計(jì)和開發(fā)出來，應(yīng)用的領(lǐng)域涉及機(jī)床、定位裝置、娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生等。本項(xiàng)目主要對(duì)并聯(lián)機(jī)器人分類和應(yīng)用做了簡要分析和概括，對(duì)其機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、系統(tǒng)控制策略等關(guān)鍵技術(shù)做了概括性分析，并以三自由度并聯(lián)機(jī)器人-DELTA機(jī)構(gòu)平臺(tái)為例，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用作了重點(diǎn)介紹。問題思考：

1.并聯(lián)機(jī)器人的類型？

2.一個(gè)完整的并聯(lián)機(jī)器人的組成？

3.典型DELTA機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程？模塊66.2.2項(xiàng)目知識(shí)（學(xué)）知識(shí)點(diǎn)1并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況：并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)（ParallelMechanism）是一組由兩個(gè)或兩個(gè)以上的分支機(jī)構(gòu)通過運(yùn)動(dòng)副按一定的方式連接而成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是所有分支機(jī)構(gòu)可以同時(shí)接受驅(qū)動(dòng)器輸入，而最終共同給出輸出。組成并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副可分為簡單運(yùn)動(dòng)副和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)副兩大類。

圖6-22Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)模塊6并聯(lián)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其動(dòng)平臺(tái)或稱末端執(zhí)行器通過至少2個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)架相聯(lián)接，必備的要素如下：①末端執(zhí)行器必須具有運(yùn)動(dòng)自由度；②這種末端執(zhí)行器通過幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)鏈或分支與機(jī)架相聯(lián)接；③每個(gè)分支或運(yùn)動(dòng)鏈由惟一的移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺(tái)大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成。除了在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中更是有串聯(lián)機(jī)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）剛度質(zhì)量比大。（2）動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越。（3）運(yùn)動(dòng)精度高。（4）多功能靈活性強(qiáng)。（5）使用壽命長。模塊6并聯(lián)機(jī)構(gòu)種類從已經(jīng)問世的并聯(lián)機(jī)構(gòu)來看，其中2自由度的占有10.5%，3、6自由度的各占40%，4自由度的占6%，5自由度的占3.5%。圖6-23天津大學(xué)研制的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)——Diamond機(jī)器人圖6-24Delta三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊6知識(shí)點(diǎn)2并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論：運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題可分成兩個(gè)子問題：正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。當(dāng)給定并聯(lián)機(jī)器人上平臺(tái)的位姿參數(shù)，求解各輸入關(guān)節(jié)的位置參數(shù)是并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)位置反解問題；當(dāng)給定并聯(lián)機(jī)器人各輸入關(guān)節(jié)的位置參數(shù)求解上平臺(tái)的位姿參數(shù)是并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解問題。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置正解的難度較大，其中一種比較有效的方法是采用數(shù)值方法求解一組非線性方程，從而求得與輸入對(duì)應(yīng)的動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)。解析法是通過消元法消去機(jī)構(gòu)約束方程中的未知數(shù)，從而獲得輸入輸出方程中僅含一個(gè)未知數(shù)的高次多項(xiàng)式。為了克服非線性方程組數(shù)值解法的復(fù)雜性，有一些學(xué)者應(yīng)用遺傳算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用這些非數(shù)值并行算法來解決6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解問題。模塊6奇異位形奇異位形是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究的又一項(xiàng)重要內(nèi)容，同串聯(lián)機(jī)器人一樣，并聯(lián)機(jī)器人也存在奇異位形，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于奇異位形時(shí)其Jacobian矩陣為奇異陣，行列式值為零，此時(shí)機(jī)構(gòu)速度反解不存在，存在某些不可控的自由度。另外當(dāng)機(jī)構(gòu)處于奇異位形附近時(shí)，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力將趨于無窮大從而造成并聯(lián)機(jī)器人的損壞，因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用并聯(lián)機(jī)器人時(shí)應(yīng)避開奇異位形。工作空間工作空間分析是設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)器人操作器的首要環(huán)節(jié)，機(jī)器人的工作空間是機(jī)器人操作器的工作區(qū)域，它是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，并聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)最大的弱點(diǎn)就是空間小，應(yīng)該說這是一個(gè)相對(duì)的概念。同樣的機(jī)構(gòu)尺寸，串聯(lián)機(jī)器人工作空間大，并聯(lián)機(jī)構(gòu)??；具備同樣的工作空間，串聯(lián)機(jī)構(gòu)小，并聯(lián)機(jī)構(gòu)大，由此可見開發(fā)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間是非常重要的。根據(jù)操作器工作時(shí)的位姿特點(diǎn)，工作空間又可分為可達(dá)工作空間和靈活工作空間。模塊6知識(shí)點(diǎn)3并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析與控制：動(dòng)力學(xué)分析并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)及動(dòng)力學(xué)建模是并聯(lián)機(jī)器人研究的一個(gè)重要分支，其中動(dòng)力學(xué)模型是并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，因而在研究中占有重要的地位。動(dòng)力學(xué)是研究物體的運(yùn)動(dòng)和作用力之間的關(guān)系。并聯(lián)機(jī)器人的控制分析在并聯(lián)機(jī)器人控制領(lǐng)域，目前主要有PID控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂啤ＤK6知識(shí)點(diǎn)4DELTA機(jī)構(gòu)介紹：

DELTA機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一種，它屬于少自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，于1985年首次由瑞士洛桑工學(xué)院（EPEL）的ReymondClavel博士提出，由于該機(jī)構(gòu)的上下兩個(gè)平臺(tái)均呈三角形狀而得名。

DELTA機(jī)構(gòu)是由三組擺動(dòng)桿機(jī)構(gòu)連接靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)的空間機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖6-25所示。圖6-25Delta機(jī)構(gòu)示意圖模塊66.2.3項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)目要求1.對(duì)DELTA機(jī)構(gòu)各組成部件的演示，掌握并聯(lián)機(jī)器人組裝過程；2.熟悉并聯(lián)機(jī)械人的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。項(xiàng)目實(shí)施1．定平臺(tái)的設(shè)計(jì)

定平臺(tái)又稱基座，在結(jié)構(gòu)中屬于固定的，具體的參數(shù)見圖6-27，厚度20cm。圖6-27定平臺(tái)設(shè)計(jì)圖模塊62．驅(qū)動(dòng)桿的設(shè)計(jì)具體參數(shù)為長×厚×寬：880mm×10mm×20mm?？椎膮?shù)為φ10×10mm。材料用鋁合金，設(shè)計(jì)為桿式，質(zhì)量小，經(jīng)濟(jì)，同時(shí)也滿足載荷條件。圖6-28驅(qū)動(dòng)桿的設(shè)計(jì)圖3．從動(dòng)桿的設(shè)計(jì)具體參數(shù)為長×寬×高：620×20×10mm?？讌?shù)為φ10×10mm。材料選用鋁合金。圖6-29從動(dòng)桿的設(shè)計(jì)圖模塊64．動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下圖，考慮到重量因素，采用鋁合金，切削加工。動(dòng)平臺(tái)的等效圓半徑為50mm，分布角為21.5°。圖6-30動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)圖5．鏈接銷的設(shè)計(jì)

45號(hào)鋼，為主動(dòng)桿和定平臺(tái)的連接銷：φ9×66mm。模塊66．球鉸鏈的選型本項(xiàng)目選用球鉸鏈設(shè)計(jì)，是主要因?yàn)榍蜚q鏈的可控性，以及結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配，且有很好的可維護(hù)性。本項(xiàng)目選用了伯納德的SD系列球鉸鏈，相對(duì)運(yùn)動(dòng)角為60°。圖6-31SD系列球鉸鏈7．墊圈的選型此處我們選用標(biāo)準(zhǔn)件。GB/T

97.110‐140HV，10.5*1.6mm。模塊68．電機(jī)的選型本項(xiàng)目的Delta機(jī)器人，主要面向工業(yè)中輕載的場合。由于需要對(duì)角度的精確控制，因此決定選用伺服電機(jī)。在本項(xiàng)目中，電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算如下：機(jī)構(gòu)的最高速度不超過2m/s，考慮到運(yùn)動(dòng)桿件重量，摩擦力等，綜合載重5kg。則，P=FV=5kg×10m/s2×2m/s=100W。取安全因子為1.2，則每個(gè)電機(jī)的功率為1.2×100W/3=40W。故初步選用表6-3中兩款：表6-3選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)

考慮到經(jīng)濟(jì)原因，在其它參數(shù)相似的情況下，我們在這里選擇三菱的HC-MFS/kfso53k。9．執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與選型考慮選用電控吸盤或機(jī)械手。模塊6項(xiàng)目總結(jié)

本項(xiàng)目以DELTA機(jī)構(gòu)為例，訓(xùn)練學(xué)生按照定平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)桿及從動(dòng)桿圖紙進(jìn)行實(shí)物制作，合理選用合適連接件、墊圈及電動(dòng)機(jī)等。在實(shí)驗(yàn)過程中，使學(xué)生對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，以及電動(dòng)機(jī)選用等方面有較為清晰的認(rèn)識(shí)和了解。項(xiàng)目評(píng)價(jià)表6-4項(xiàng)目評(píng)價(jià)表項(xiàng)目目標(biāo)分值評(píng)分得分DELTA機(jī)構(gòu)定、動(dòng)平臺(tái)等部分的制作正確認(rèn)識(shí)DELTA機(jī)構(gòu)各組成部分50不正確，扣5～10分DELTA機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝正確組裝各連接件30不正確，扣5～10分實(shí)驗(yàn)動(dòng)作的運(yùn)行正確完成DELTA機(jī)構(gòu)的正常動(dòng)作20不正確，扣5～10分總分100模塊66.2.4知識(shí)拓展（拓）

并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于其本身特點(diǎn),一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需很大空間的場合。主要應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：（1）模擬運(yùn)動(dòng)①飛行員三維空間訓(xùn)練模擬器駕駛模擬器②工程模擬器,如船用搖擺臺(tái)等③檢測產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動(dòng)下的運(yùn)行可靠性④娛樂運(yùn)動(dòng)模擬臺(tái)。（2）對(duì)接動(dòng)作①宇宙飛船的空間對(duì)接②汽車裝配線上的車輪安裝③醫(yī)院中的假肢接骨。（3）金屬切削加工，可應(yīng)用于各類銑床、磨床鉆床或點(diǎn)焊機(jī)、切割機(jī)。（4）并聯(lián)機(jī)構(gòu)還可用作機(jī)器人的關(guān)節(jié)，爬行機(jī)構(gòu)，食品、醫(yī)藥包裝和移載機(jī)械手等。模塊6項(xiàng)目6-3檢測機(jī)器人

項(xiàng)目思考一個(gè)完整的管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成？檢測機(jī)器人管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式？管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理？管道檢測機(jī)器人的發(fā)展管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)方式的選擇移動(dòng)方式的選擇項(xiàng)目實(shí)踐知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)管道檢測機(jī)器人的技術(shù)要點(diǎn)知識(shí)拓展控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案管道檢測機(jī)器人的移動(dòng)方式管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理管道檢測機(jī)器人中的控制技術(shù)項(xiàng)目知識(shí)模塊66.3.1項(xiàng)目思考（思）

城市的污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運(yùn)輸、給排水和建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)等，均使用大量復(fù)雜隱蔽的管道。對(duì)管道進(jìn)行定期維護(hù)，提高管道的壽命、保持管道通暢、防止泄漏等故障的發(fā)生，就必須對(duì)管道進(jìn)行有效的檢測。長期以來，如何對(duì)管道進(jìn)行經(jīng)濟(jì)方便、快捷有效地檢測和故障的準(zhǔn)確定位，是管道系統(tǒng)維護(hù)和檢修面臨的難題。本項(xiàng)目介紹的管道檢測機(jī)器人是一種可在管道內(nèi)、外行走的機(jī)電一體化裝置，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置(如CCD攝像機(jī)位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置)，在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下進(jìn)行一系列的管道檢測維修作業(yè)。問題思考：

1.一個(gè)完整的管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成？

2.管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式？

3.管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理？

模塊66.3.2項(xiàng)目知識(shí)（學(xué)）知識(shí)點(diǎn)1管道檢測機(jī)器人的發(fā)展：1.國外研究現(xiàn)狀從20世紀(jì)50年代起，為滿足長距離管道運(yùn)輸、檢測的需要，美、英、法等國相繼展開了管道檢測機(jī)器人的研究，其最初成果就是一種無動(dòng)力的管內(nèi)檢測設(shè)備，一般譯名稱“管道豬”。日本在管道微型檢測機(jī)器人方面的研究最為活躍和富有代表性，日本通產(chǎn)省的“微機(jī)械技術(shù)”十年計(jì)劃要制造出能進(jìn)管道檢修的智能微型機(jī)器人和能進(jìn)入人體診斷和手術(shù)的微機(jī)器人。美國加州理工學(xué)院研制了一種主動(dòng)內(nèi)窺檢查微型機(jī)器人。法國在1995年已研制出直徑10mm，長度為30mm的醫(yī)用管道微型機(jī)器人。意大利開發(fā)了用于結(jié)腸檢查的攜帶主動(dòng)內(nèi)窺鏡的微型機(jī)器人，機(jī)器入由母體微型手臂和人機(jī)接口組成。2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)在管道檢測機(jī)器人方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代末。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、大慶石油管理局、中原油田以及勝利油田等先后參與了這方面的研究工作。模塊6知識(shí)點(diǎn)2管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；一個(gè)完整的管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)由移動(dòng)載體（行走機(jī)構(gòu)）、管道內(nèi)部環(huán)境識(shí)別檢測系統(tǒng)（操作系統(tǒng)）、信號(hào)傳遞和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。移動(dòng)載體按移動(dòng)方式分，可分為輪式、履帶式、輪腿式、蠕動(dòng)式等不同結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型的管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成如圖6-37所示，由電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、采樣裝置、攝像機(jī)、傳感器、控制板等幾部分組成。圖6-37管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框圖模塊6知識(shí)點(diǎn)3管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式：驅(qū)動(dòng)器的選擇在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)。現(xiàn)在使用的驅(qū)動(dòng)方式主要有：（1）電磁驅(qū)動(dòng)。（2）壓電驅(qū)動(dòng)。（3）形狀記憶合金。（4）超聲波驅(qū)動(dòng)。（5）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。（6）人工肌肉。模塊6知識(shí)點(diǎn)4管道檢測機(jī)器人的移動(dòng)方式：管道檢測機(jī)器人的移動(dòng)方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動(dòng)式、螺旋式和流體推動(dòng)式等，如圖6-39所示。圖6-39管道檢測機(jī)器人的移動(dòng)方式a—輪式b—履帶式c—足式d—螺旋式e—張緊式f—流體推動(dòng)式g—蠕動(dòng)式模塊6知識(shí)點(diǎn)5管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理：當(dāng)今國內(nèi)外管道檢測常用的技術(shù)手段有超聲檢測、渦流檢測、漏磁檢測、遠(yuǎn)場渦流檢測及磁記憶檢測等。漏磁檢測管道漏磁檢測的工作原理如圖6-40所示。

漏磁檢測局限于材料表面和近表面的檢測，因此，適用于薄壁的檢測，而不適于厚壁管的檢測。圖6-40管道漏磁檢測原理模塊6遠(yuǎn)場渦流檢測遠(yuǎn)場渦流檢測的理論基礎(chǔ)為渦流檢測，兩者的區(qū)別在于，遠(yuǎn)場渦流探頭的激勵(lì)線圈與檢測線圈必須相距約2倍以上的管徑長度，如圖6-41所示。圖6-41遠(yuǎn)場渦流檢測原理磁記憶檢測磁記憶檢測是利用金屬磁記憶效應(yīng)進(jìn)行檢測的，其原理是：處于地磁環(huán)境下的鐵制工件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場Hp的變化。模塊6知識(shí)點(diǎn)6管道檢測機(jī)器人中的控制技術(shù)：近十年來，嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)帶來了重大變革，產(chǎn)生了利用數(shù)字通訊的開放的分布式控制結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外的許多機(jī)器人系統(tǒng)一般都采用了分布式控制結(jié)構(gòu)。即上一級(jí)主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)管理、坐標(biāo)變換和軌跡插補(bǔ)運(yùn)算等，下一級(jí)由許多微處理器組成，每一個(gè)微處理器控制一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，它們并行的完成控制任務(wù)，因而提高了工作速度和處理能力。機(jī)器人越來越復(fù)雜，人們對(duì)其控制的要求越來越高。機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①數(shù)學(xué)模型難建立、擾動(dòng)有界但未知；②僅含有控制對(duì)象的輸入／輸出數(shù)據(jù)或在操作過程中積累起來的經(jīng)驗(yàn)信息。模塊66.3.3項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)目要求1.熟悉履帶式管道檢測機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案；2.掌握其驅(qū)動(dòng)方式、移動(dòng)方式、控制系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)過程。項(xiàng)目實(shí)施

1.驅(qū)動(dòng)方式的選擇本項(xiàng)目的管道檢測機(jī)器人選用電磁驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，采用微型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用充電電池作為電源。2.移動(dòng)方式的選擇由于管道內(nèi)避的情況復(fù)雜，會(huì)有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機(jī)器人的移動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)如圖6-42所示。圖6-42管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖模塊6本項(xiàng)目的履帶式機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：

1）履帶式移動(dòng)機(jī)器人支撐面積大，接地比壓小。

2）履帶式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。

4）履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有良好的自復(fù)位和越障能力。當(dāng)然，履帶式移動(dòng)機(jī)器人也存在一些不足之處，比如在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)大彎，往往要采用較大的牽引力，在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象，所以在轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)地面有較大的剪切破壞作用。模塊63.控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖6-43所示。設(shè)計(jì)的思路及其方案如下：

1）控制器采用ATMEL系列的AT90CANl28單片機(jī)，內(nèi)部集成了CAN控制器，支持CAN2.0B和CAN2.0A協(xié)議。能完成運(yùn)動(dòng)控制算法，數(shù)據(jù)采集處理；

2）自動(dòng)升降的云臺(tái)滿足不同管徑采集圖像的需要，兩舵機(jī)運(yùn)動(dòng)通過單片機(jī)PWM控制來實(shí)現(xiàn)0o-180o的兩個(gè)自由度線性運(yùn)動(dòng)；

3）利用溫度傳感器和漏水檢測電路實(shí)現(xiàn)安全檢測措施；

4）LED燈光用于CCD攝像頭的照明，實(shí)現(xiàn)光線強(qiáng)弱可控制功能，這里采用的是PWM控制方式，輸出電壓的不同調(diào)節(jié)燈光的強(qiáng)弱；

5）電子羅盤把收集到數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理改變控制的方向，實(shí)現(xiàn)位姿平穩(wěn)的實(shí)時(shí)控制；

6）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)采取四輪驅(qū)動(dòng)的方式，能很好的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)等控制命令。圖6-43管道檢測機(jī)器人的控制系統(tǒng)圖模塊6項(xiàng)目總結(jié)

本項(xiàng)目以履帶式管道機(jī)器人為例，訓(xùn)練學(xué)生按照要求合理選用合適的驅(qū)動(dòng)、移動(dòng)方式等，并且能掌握該類型機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生能夠?qū)艿罊z測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成有較為清晰的認(rèn)識(shí)和了解。項(xiàng)目評(píng)價(jià)表6-5項(xiàng)目評(píng)價(jià)表項(xiàng)目目標(biāo)分值評(píng)分得分驅(qū)動(dòng)方式選擇正確選擇管道檢測檢測機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式30不正確，扣5～10分移動(dòng)方式選擇正確選擇管道檢測檢測機(jī)器人的移動(dòng)方式為履帶式30不正確，扣5～10分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)控制系統(tǒng)圖嘗試機(jī)器人控制系統(tǒng)連接40不正確，扣5～10分總分100模塊66.3.4知識(shí)拓展（拓）管道檢測機(jī)器人的技術(shù)要點(diǎn)：1.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)2.數(shù)據(jù)處理3.電源4.機(jī)體

模塊6項(xiàng)目6-4工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人項(xiàng)目思考工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類有哪些？搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)類型？典型DELTA機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程？工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人研究現(xiàn)狀工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)備組成機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配項(xiàng)目知識(shí)項(xiàng)目實(shí)踐知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢知識(shí)拓展電氣接線工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域模塊66.4.1項(xiàng)目思考（思）

在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。目前，專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法，數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5％。這說明零件在加工過程中，除了切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，搬運(yùn)機(jī)械人就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。搬運(yùn)機(jī)械人可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線、自動(dòng)化倉庫等場合的物料搬運(yùn)工作。問題思考：

1.工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類有哪些？

2.工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)類型？

3.工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域？模塊66.4.2項(xiàng)目知識(shí)（學(xué)）知識(shí)點(diǎn)1工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人研究現(xiàn)狀：我國工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人是從二十世紀(jì)八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機(jī)器人。

目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。知識(shí)點(diǎn)2工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類：1.機(jī)床上下料搬運(yùn)機(jī)器人目前在機(jī)床加工行業(yè)中，要求加工精度高、批量加工速度快導(dǎo)致生產(chǎn)線體自動(dòng)化程度要有很大的提升，首先一點(diǎn)就是針對(duì)機(jī)床方面進(jìn)行全方位自動(dòng)化處理，使人力從中解放出來，直角坐標(biāo)機(jī)器人目前在機(jī)床行業(yè)內(nèi)正在逐步大量使用，包括數(shù)控車床上下料機(jī)器人、數(shù)控沖床上下料機(jī)器人、數(shù)控加工中心上下料機(jī)器人等等。2.物料搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。模塊6知識(shí)點(diǎn)3工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)：1.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和基本要求工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)有：

1）工業(yè)機(jī)器人有若干個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制。

2）工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的手部進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。

3）工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合。

4）較高級(jí)的工業(yè)機(jī)器人要求對(duì)環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求有：

1）實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，對(duì)于連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。

2）方便的人一機(jī)交互功能，操作人員采用直接指令代碼對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)指示。

3）具有對(duì)外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。

4）具有診斷、故障監(jiān)視等功能。模塊62.工業(yè)機(jī)器人控制的分類工業(yè)機(jī)器人控制的分類，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如按運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制的方式來分，有關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)控制、直角坐標(biāo)空間運(yùn)動(dòng)控制；按控制系統(tǒng)對(duì)工作環(huán)境變化的適應(yīng)程度來分，有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)、人工智能控制系統(tǒng)；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。這里主要介紹按發(fā)展階段的分類方法。（1）程序控制系統(tǒng)目前工業(yè)用的絕大多數(shù)第一代機(jī)器人屬于程序控制機(jī)器人，其程序控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6-44所示，包括程序裝置、信息處理器和放大執(zhí)行裝置。圖6-44程序控制系統(tǒng)模塊6（2）適應(yīng)性控制系統(tǒng)適應(yīng)性控制系統(tǒng)多用于第二代工業(yè)機(jī)器人，即具有知覺的工業(yè)機(jī)器人，它具有力覺、觸覺或視覺等功能。系統(tǒng)框圖如圖6-45所示。圖6-45適應(yīng)控制系統(tǒng)模塊6

（3）人工智能控制系統(tǒng)人工智能控制系統(tǒng)是最高級(jí)、最完善的控制系統(tǒng)，在外界環(huán)境變化不定的條件下，為了保證所要求的品質(zhì)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能自動(dòng)改變，其框圖如圖6-46所示。圖6-46人工智能控制系統(tǒng)模塊63.工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)目前大部分工業(yè)機(jī)器人都采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制，第一級(jí)為主控制級(jí)，第二級(jí)為伺服控制級(jí)。（1）主控制級(jí)主控制級(jí)的主要功能是建立操作和工業(yè)機(jī)器人之間的信息通道，傳遞作業(yè)指令和參數(shù)，反饋工作狀態(tài)，完成作業(yè)所需的各種計(jì)算，建立于伺服控制級(jí)之間的接口。它由以下幾個(gè)主要部分組成①主控制計(jì)算機(jī)②主控制軟件③外圍設(shè)備（2）伺服控制級(jí)伺服控制級(jí)是由一組伺服控制系統(tǒng)組成，每一個(gè)伺服控制系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)操作機(jī)的一個(gè)關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)來自主控制級(jí)的輸出。主要組成部分有①伺服驅(qū)動(dòng)器②伺服控制器模塊6圖6-47示教方式（a）手把手示教（b）示教盒示教模塊6知識(shí)點(diǎn)4工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域：國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械人主要應(yīng)用于以下幾方面：（1）熱加工方面的應(yīng)用（2）冷加工方面的應(yīng)用（3）拆修裝