工業(yè)機器人的基本知識

1、工業(yè)機器人的基本知識主要內(nèi)容機器人的發(fā)展概況機器人的定義國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家機器人的應(yīng)用領(lǐng)域機器人的分類機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)機器人的技術(shù)參數(shù)機器人運動學(xué)機器人動力學(xué)機器人的控制

1920年，捷克劇作家卡里洛·奇別克在其科幻劇本《羅薩姆萬能機器人制造公司》(Rossum’sUniversalRobots)首次使用了ROBOT這個名詞，意思是“人造的人”。現(xiàn)在已被人們作為機器人的專用名詞。“機器人”一詞的由來第一部分—機器人的發(fā)展概況第一代機器人19世紀(jì)50、60年代，隨著機構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機器人進入了實用階段。1954年美國的G.C.Devol發(fā)表了“通用機器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機器人，可進行點位和軌跡控制，這是世界上第一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人。

70年代，隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機器人也得到了迅速的發(fā)展。1974年CincinnatiMilacron公司成功開發(fā)了多關(guān)節(jié)機器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA機器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電機驅(qū)動、多CPU二級控制的機器人，采用VAL專用語言，可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時是技術(shù)最先進的工業(yè)機器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機器人在結(jié)構(gòu)上大體都以此為基礎(chǔ)。這一時期的機器人屬于“示教再現(xiàn)”（Teach-in/Playback）型機器人，只具有記憶、存儲能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，對周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。

機器人的發(fā)展概況第二代機器人進入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)了第二代機器人——有感覺的機器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分相關(guān)信息，進行一定的實時處理，引導(dǎo)機器人進行作業(yè)。第二代機器人已進入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

機器人的發(fā)展概況第三代機器人目前正在研究的“智能機器人”，它不僅具有比第二代機器人更加完善的環(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)境信息自主地進行工作。

美國機器人協(xié)會(RIA):機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機?？梢?，這里的機器人是指工業(yè)機器人。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA):工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的、能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO):機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各類材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。第二部分—機器人的定義機器人集中了機械工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制原理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。工程技術(shù)人員了解和學(xué)習(xí)機器人學(xué)具有重要的意義。第三部分—國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家MotomanUP500有效載荷500kg，最大可達(dá)長度2542mm，6軸驅(qū)動，高可靠性52000小時MTBF，重復(fù)定位精度±0.5mmABBIRB340專為快速的拾取和放置動作而設(shè)計，適用于包裝工業(yè)中快速而準(zhǔn)確地移動物體國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家多功能，6軸驅(qū)動，可應(yīng)用于焊接、等離子切割、物料輸送，64位的CPU，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍廣。PanasonicVR-006ALIIFanucArcMate50iB6軸驅(qū)動，安裝靈活方便，與主要品牌的焊接設(shè)備兼容，先進的運動控制減少了機械磨損。國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家NachiSH133

高速，重量1260kg，最大載荷133kg，最大可達(dá)長度2654mm，6軸驅(qū)動，適用于拾取和放置操作。PIM-840HexaLight6軸驅(qū)動，低慣量，動態(tài)特性好，剛度高，無位置累計誤差，高重復(fù)定位精度和可靠性。第四部分—機器人的應(yīng)用領(lǐng)域弧焊機器人

激光焊機器人

電阻焊機器人

自動化焊接機器人

點焊機器人

等離子切割機器人

機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域清潔機機器人人上料機機器人人物料輸輸送機機器人人材料去去除機機器人人包裝機機器人人噴漆機機器人人機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域部件移移動機機器人人裝配機機器人人打保險險機器器人自動鉆鉆孔機機器人人設(shè)備維維護機機器人人包裝機機器人人堆跺機機器人人機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域涂層機機器人人去毛刺刺機器器人磨銷機機器人人高溫噴噴涂機機器人人機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域醫(yī)用并并聯(lián)機機器人人機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域天文望望遠(yuǎn)鏡鏡繩索機機器人人機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域三桿并并聯(lián)機機床機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域Tricept1005機機器人人機構(gòu)簡簡圖固定平平臺（框架架）萬向鉸鉸鏈伸縮桿桿動平臺臺高速銑銑頭機機構(gòu)簡簡圖框架架Tricept1005機器人人及主軸部部件高速銑銑頭伸縮桿桿伺服電電動機機機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域六桿并并聯(lián)機機床機器人人的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域六足行行走機機器人人第五部部分——機器器人的的分類類串聯(lián)機機器人人和并并聯(lián)機機器人人串聯(lián)機機器人人———直角角坐標(biāo)標(biāo)系機機器人人兩種基基本關(guān)關(guān)節(jié)形形式移動關(guān)關(guān)節(jié)（（Prismaticjoint））旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（（Revolutejoint）（（回轉(zhuǎn)和和旋轉(zhuǎn)）典型的關(guān)節(jié)節(jié)自由度種種類和圖形形符號移動關(guān)節(jié)P回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R機器人的分分類串聯(lián)機器人人——圓柱柱坐標(biāo)系機機器人機器人的分分類串聯(lián)機器人人——水平平多關(guān)節(jié)機機器人機器人的分分類并聯(lián)機器人人25并聯(lián)機構(gòu)在在1965年由Stewart提出．．原是作為為飛行模擬擬器用于訓(xùn)訓(xùn)練飛行員員的。機艙艙由6個液液壓缸支撐撐和驅(qū)動，，可以使機機艙獲得任任何需要的的位姿。澳大利亞著著名機構(gòu)學(xué)學(xué)教授Hunt在在1978年提出。?？梢詰?yīng)用用6自由度度的Stewart平臺機構(gòu)構(gòu)作為機器器人機構(gòu)。。到80年年代末，特特別是90年代以來來，并聯(lián)式式機器人才才被廣為主主意，并成成為了新的的熱點。262728293—RPS機構(gòu)構(gòu)6—RSS機構(gòu)構(gòu)6—SPS機構(gòu)構(gòu)6—SPS雙三三角機構(gòu)構(gòu)306—RSS機構(gòu)構(gòu)6—PSS機構(gòu)構(gòu)6—SPS單三三角機構(gòu)構(gòu)3—RRR球面面機構(gòu)31機器人本本體的材材料制作機器器人的材材料是多多種多樣樣的。選選擇制作作材料時時，主要要考慮以以下幾個個方面：：1）材料料要能滿滿足機器器人的強強度和剛剛度要求求；2）材料料的加工工工藝性性好；3）材料料的穩(wěn)定定性好；；4）材料料的密度度盡量小?。?）材料料的成本本盡可能能低；6）機器器人的用用途。此外，對對于一些些特殊環(huán)環(huán)境下的的機器人人，還要要考慮環(huán)環(huán)境對材材料性能能的要求求和影響響。32關(guān)節(jié)是空空間機械械臂運動動的執(zhí)行行部件,一個個空間機機械臂少少則3～4個個關(guān)節(jié)節(jié),多則則十幾個個關(guān)節(jié)，，每個關(guān)關(guān)節(jié)要完完成產(chǎn)生生與傳遞遞動力、、運動感感知、機機械連接接三個任任務(wù)。它它通常包包括：驅(qū)驅(qū)動器（（多為電電機）、、傳動裝裝置、傳傳感器、、線束管管理裝置置、數(shù)據(jù)據(jù)采集處處理電路路等部分分。每個關(guān)節(jié)上還還有熱控需要要的溫度傳感感器、主動控控溫裝置等,以及涂層、、包覆、導(dǎo)熱熱、絕熱等措措施；也要有有抗輻照加固固和電磁性能能控制手段。。在有限的體積積和重量下集集成如此繁復(fù)復(fù)的功能，多多學(xué)科一體化化設(shè)計是解決決關(guān)節(jié)設(shè)計與與制造問題的的關(guān)鍵，需要要將電機、減減速器、測量量元件等集成成在一起并保保證其相互協(xié)協(xié)調(diào)與匹配。?？臻g機械臂的的結(jié)構(gòu)特點空間機械臂的的關(guān)節(jié)33臂桿是機械臂臂的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)部分，用來來連接與支撐撐關(guān)節(jié)以及機機械臂端部的的手爪、視覺覺的負(fù)載。電電纜網(wǎng)通常沿沿臂桿布置，，有的在臂桿桿內(nèi)部穿過,有的沿臂桿桿外壁布置。。空間機械臂的的臂桿常常采采用復(fù)合材料料制作，以滿滿足輕量化要要求。另外在在滿足強度、、剛度要求的的前提下，各各部件材料在在溫度變化下下的延伸率也也是要考慮的的重要因素。?？臻g機械臂的的臂桿34手爪是完成抓抓握動作的主主要工具,由由動力源、傳傳動副（常采采用連桿傳動動、齒輪傳動動、絲杠螺母母傳動等）、、手指機構(gòu)構(gòu)等主要部分分構(gòu)成?？臻g機械臂的的手爪常常根根據(jù)作業(yè)需要要而設(shè)計為多多套組合形式式?？臻g機械臂的的手爪35模塊化的空間間機械臂模塊化設(shè)計是是未來空間機機械臂設(shè)計的的一個發(fā)展方方向。第六部分—機機器人系統(tǒng)的的基本結(jié)構(gòu)機械本體：機機器人的機械械本體機構(gòu)基基本上分為兩兩大類，一類類是操作本體體機構(gòu)，它類類似人的手臂臂和手腕，另另一類為移動動型本體結(jié)構(gòu)構(gòu)，主要實現(xiàn)現(xiàn)移動功能。。驅(qū)動伺服單元元：伺服單元元的作用是使使驅(qū)動單元驅(qū)驅(qū)動關(guān)節(jié)并帶帶動負(fù)載按預(yù)預(yù)定的軌跡運運動。已廣泛泛采用的驅(qū)動動方式有：液液壓伺服驅(qū)動動、電機伺服服驅(qū)動，氣動動伺服驅(qū)動。。3.計計算機控控制系統(tǒng)：各各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)驅(qū)動的指令值值由主計算機機計算后，在在各采樣周期期給出。機器器人通常采用用主計算機與與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺伺服計算機兩兩級計算機控控制。傳感系統(tǒng)：除除了關(guān)節(jié)伺服服驅(qū)動系統(tǒng)的的位置傳感器器（稱作內(nèi)部部傳感器）外外，還配備視視覺、力覺、、觸覺、接近近覺等多種類類型的傳感器器（稱作外部部傳感器）。。5.輸輸入/輸輸出系統(tǒng)接口口：為了與周周邊系統(tǒng)及相相應(yīng)操作進行行聯(lián)系與應(yīng)答答，還應(yīng)有各各種通訊接口口和人機通信信裝置。第七部分—機機器人的技術(shù)術(shù)參數(shù)自由度：機器器人所具有的的獨立運動坐坐標(biāo)軸的數(shù)目目，有時海包包括手爪（末末端操作器））的開合自由由度。在三維維空間中描述述一個物體的的位姿（位置置和姿態(tài)）需需要6個自由由度。工業(yè)機機器人的自由由度是根據(jù)其其用途而設(shè)計計的，可能小小于6個自由由度，也可能能大于6個自自由度。例如如，A4020裝配機器器人具有4個個自由度，可可以在印刷電電路板上接插插電子器件，，PUMA562機器人人具有6個自自由度，可以以進行復(fù)雜空空間曲面的弧弧焊作業(yè)。精度：包括定定位精度和重重復(fù)定位精度度。定位精度度是指機器人人手部實際到到達(dá)位置與目目標(biāo)位置之間間的差異。重重復(fù)定位精度度是指機器人人手部重復(fù)定定位于同一目目標(biāo)位置的能能力（用標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)偏差表示））。工作空間：機機器人手臂末末端或手腕中中心所能達(dá)到到的所有點的的集合（包括括形狀和大小?。?。最大工作速度度：指工業(yè)機機器人主要自自由度上最大大的穩(wěn)定速度度，或手臂末末端的最大合合成速度。承載能力：指指機器人在工工作范圍內(nèi)的的任何位姿上上所能承受的的最大重量。。承載能力不不僅不僅決定定于負(fù)載的質(zhì)質(zhì)量，還與機機器人運行的的速度和加速速度有關(guān)。第八部分—機機器人運動學(xué)學(xué)運動學(xué)正問題題：已知機器器人各桿件的的幾何參數(shù)和和關(guān)節(jié)變量，，求末端執(zhí)行行器相對于笛笛卡兒坐標(biāo)系系的位置和姿姿態(tài)。運動學(xué)逆問題題：已知機器器人各桿件的的幾何參數(shù)，，給定末端執(zhí)執(zhí)行器相對于于笛卡兒坐標(biāo)標(biāo)系的位置和和姿態(tài)，確定定關(guān)節(jié)變量的的大小。一個剛剛體在在三維維空間間中具具有6個自自由度度，即即3個個移動動自由由度和和3個個轉(zhuǎn)動動自由由度。。齊次變換矩陣旋轉(zhuǎn)矩陣平移坐標(biāo)機器人人運動動學(xué)雅可比比矩陣陣在機機器人人技術(shù)術(shù)中占占有重重要地地位：：利用用雅可可比矩矩陣可可以建建立機機器人人末端端執(zhí)行行器在在笛卡卡兒坐坐標(biāo)系系中的的速度度與各各關(guān)節(jié)節(jié)速度度間的的關(guān)系系，以以及外外界環(huán)環(huán)境對對末端端執(zhí)行行器的的作用用力/力矩矩與各各關(guān)節(jié)節(jié)力/力矩矩間的的關(guān)系系。對于n自由度度的機機器人人，其其關(guān)節(jié)節(jié)變量量為,機機器人人末端端執(zhí)行行器在在笛卡卡兒坐坐標(biāo)系系中的的位姿姿求導(dǎo)可可得機器人人運動動學(xué)雅可比比矩陣陣的應(yīng)應(yīng)用之之一：：分離離速度度控制制當(dāng)采用用計算算機控控制時時，把把速度度表示示為位位置增增量的的形式式當(dāng)n≠6時時，J不是方方陣，，雅可比比矩陣陣的逆逆用其其偽逆逆雅可比矩陣的應(yīng)用之二：靜力學(xué)分析機器人末端執(zhí)行器與外界環(huán)境的接觸力為n個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力為則當(dāng)要求求機器器人沿沿某軌軌跡運運動時時，△△P為為已知知，由由上式式求得得關(guān)節(jié)節(jié)變量量的增增量△Q，，于是是可以以確定定各關(guān)關(guān)節(jié)的的變量量值，，由伺伺服系系統(tǒng)實實現(xiàn)位位置控控制。。第九部部分——機器器人動動力學(xué)學(xué)機器人人動力力學(xué)是是研究究機器器人各各關(guān)節(jié)節(jié)的驅(qū)驅(qū)動力力/力力矩與與機器器人末末端執(zhí)執(zhí)行器器的位位姿、、速度度和加加速度度之間間的動動態(tài)關(guān)關(guān)系。。由于于機器器人的的復(fù)雜雜性，，其動動力學(xué)學(xué)模型型通常常是一一個多多自由由度、、多變變量、、高度度非線線性、、多參參數(shù)耦耦合的的復(fù)雜雜系統(tǒng)統(tǒng)。建立機機器人人動力力學(xué)模模型的的方法法主要要有拉拉格朗朗日法法和牛牛頓－－歐拉拉法。。機器器人人動動力力學(xué)學(xué)拉格格朗朗日日法法拉格格朗朗日日函函數(shù)數(shù)L定定義義為為系系統(tǒng)統(tǒng)動動能能K和和位位能能P之之差差，，即即由拉拉格格朗朗日日函函數(shù)數(shù)L描描述述的的系系統(tǒng)統(tǒng)動動力力學(xué)學(xué)方方程程為為i=1,2,……,n其中中n為連連桿桿數(shù)數(shù)目目；；qi為廣廣義義坐坐標(biāo)標(biāo)；；為廣廣義義速速度度；；為作作用用在在第第i個關(guān)關(guān)節(jié)節(jié)上上的的廣廣義義力力用拉拉格格朗朗日日法法推推導(dǎo)導(dǎo)機機器器人人的的動動力力學(xué)學(xué)模模型型可可按按以以下下步步驟驟進進行行：：a.計計算算任任一一連連桿桿上上任任一一點點的的速速度度；；b.計計算算各各連連桿桿的的動動能能和和機機器器人人的的總總動動能能；；c.計計算算各各連連桿桿的的位位能能和和機機器器人人的的總總位位能能；；d.建建立立機機器器人人系系統(tǒng)統(tǒng)的的拉拉格格朗朗日日函函數(shù)數(shù)；；e.對對拉拉格格朗朗日日函函數(shù)數(shù)求求導(dǎo)導(dǎo)，，得得到到機機器器人人的的動動力力學(xué)學(xué)方方程程機器器人人動動力力學(xué)學(xué)牛頓頓－－歐歐拉拉法法剛體體的的一一般般運運動動可可以以分分解解為為隨隨質(zhì)質(zhì)心心的的平平動動和和繞繞質(zhì)質(zhì)心心的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動隨質(zhì)心心平動動的動動力學(xué)學(xué)特性性可用用牛頓頓定理理來描描述繞質(zhì)心心轉(zhuǎn)動動的動動力學(xué)學(xué)特性性可用用歐拉拉定理理來描描述用牛頓頓－歐歐拉法法和拉拉格朗朗日法法建立立機器器人動動力學(xué)學(xué)模型型的最最大不不同之之處在在于：：牛頓頓－歐歐拉方方程描描述的的是機機器人人系統(tǒng)統(tǒng)中每每一個個剛體體的動動力學(xué)學(xué)特性性，得得出的的動力力學(xué)模模型為為聯(lián)立立方程程組，，而拉拉格朗朗日方方程可可以描描述機機器人人系統(tǒng)統(tǒng)中多多剛體體的動動力學(xué)學(xué)特性性，可可以得得到封封閉形形式的的動力力學(xué)模模型。。機器人人動力力學(xué)動力學(xué)學(xué)模型型的一一般形形式慣性力項與離心加速度和哥氏加速度有關(guān)的項重力項廣義力項第十部部分——機器器人的的控制制—軌軌跡控控制運動控控制動態(tài)控控制“運動動控制制”完完全不不考慮慮機器器人的的動力力學(xué)特特性，，只是是按照照機器器