第7章工業(yè)機(jī)器人1

2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院1/45一、概述二、工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)三、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)第七章工業(yè)機(jī)器人四、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)分析五、工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人軌跡規(guī)劃2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院2/45一、概述1、工業(yè)機(jī)器人的定義2、工業(yè)機(jī)器人的組成3、工業(yè)機(jī)器人的分類4、工業(yè)機(jī)器人的特性參數(shù)5、工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)6、工業(yè)機(jī)器人的用途2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院3/451、工業(yè)機(jī)器人的定義美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)：“機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多自由度的操作機(jī)，用于搬運(yùn)材料、工件、工具的專用裝置?！?/p>

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)：機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。

中國(guó)：機(jī)器人是一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院4/45

機(jī)器人是從初級(jí)到高級(jí)逐步完善起來的，它的發(fā)展過程可以分為三代。第一代機(jī)器人：示教再現(xiàn)型機(jī)器人。

通過示教－>記憶－>再現(xiàn)過程完成作業(yè)。第二代機(jī)器人：數(shù)控機(jī)器人。

具有對(duì)外部信息進(jìn)行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。第三代機(jī)器人：智能機(jī)器人。

具有發(fā)現(xiàn)問題并能自主解決問題的能力。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院5/452、工業(yè)機(jī)器人的組成

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化的系統(tǒng)，它一般由以下幾個(gè)部分組成：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（3）控制系統(tǒng)（4）檢測(cè)系統(tǒng)2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院6/45組成部分關(guān)系圖2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院7/45（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

一種具有與人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機(jī)械裝置，通常包括：機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。1）機(jī)座——機(jī)器人承受載荷的基礎(chǔ)部件。可分為固定式和移動(dòng)式(平移和旋轉(zhuǎn))。旋轉(zhuǎn)的機(jī)座也稱“腰”。2）手臂——支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連桿組成，用來改變末端執(zhí)行器的空間位置。3）手腕——連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用來調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。4）末端執(zhí)行器——又稱“手”，是直接執(zhí)行工作的裝置，可以是擬人的手掌、手指和夾持器等，也可以是各種作業(yè)工具，如焊槍、噴漆槍等。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院8/45

末端執(zhí)行器可分為:機(jī)械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院9/45機(jī)械式夾持器機(jī)械式夾持器組成：手爪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等。通過手爪的開、合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的夾持。

夾持圓柱形物料的機(jī)械式夾持器1-手爪2-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-驅(qū)動(dòng)裝置4-支架5-物料2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院10/45吸附式末端執(zhí)行器吸附式手部又分為氣吸式和磁吸式：氣吸式手部利用真空吸力及負(fù)壓吸力吸持工件，它適用于抓取薄片、易碎工件，通常吸盤由橡膠或塑料制成；磁吸式手部利用電磁鐵和永久磁鐵的磁場(chǎng)力吸取具有磁性物質(zhì)的小五金工件。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院11/45多指靈巧手

仿人多指靈巧手是一個(gè)高度集成、高度智能化的機(jī)電一體化系統(tǒng)，對(duì)仿人多指靈巧手及其操作控制的研究不僅對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)和理論的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對(duì)仿人多指靈巧手在空間機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、殘疾人假肢等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院12/45（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。

根據(jù)不同的動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式分為機(jī)械液壓氣動(dòng)電動(dòng)2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院13/45（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的程序動(dòng)作。可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。按內(nèi)部功能劃分的不同，控制系統(tǒng)分成決策級(jí)、策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)。決策級(jí)——識(shí)別環(huán)境、建立模型、將作業(yè)任務(wù)分解為基本動(dòng)作序列；策略級(jí)——將基本動(dòng)作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級(jí)——給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院14/45（4）檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位姿，并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位姿及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。并與設(shè)定的位姿進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)規(guī)定的位姿。常用傳感器：力、位置、觸覺、視覺等傳感器。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院15/453、機(jī)器人的分類

分類方法：按坐標(biāo)形式按控制方式按信息輸入方式

按系統(tǒng)功能按驅(qū)動(dòng)方式按用途2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院16/45直角坐標(biāo)型；圓柱坐標(biāo)型；球坐標(biāo)型。（1）按坐標(biāo)形式分類2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院17/45結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；定位精度高；空間因數(shù)低；用于印刷電路基板的元件插入、緊固螺絲等。直角坐標(biāo)機(jī)器人2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院18/45圓柱坐標(biāo)型（R2P）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；剛性好；空間利用率低；用于重物的裝卸和搬運(yùn)，例如Versatran機(jī)器人Versatran機(jī)器人2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院19/45極坐標(biāo)、球坐標(biāo)型（2RP）結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間較小。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院20/45（2）按控制方式分類

點(diǎn)位控制(PointtoPoint)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng)，不涉及兩點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡；只在目標(biāo)點(diǎn)處控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。特點(diǎn)：控制方式簡(jiǎn)單，適用于上下料、點(diǎn)焊等作業(yè)。

2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院21/45連續(xù)軌跡控制（ContinuousPath）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都要控制；末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院22/45（3）按信息輸入方式分類

1）人操作機(jī)械手

是一種由操作人員直接進(jìn)行操作的具有幾個(gè)自由度的機(jī)械手。

2）固定程序機(jī)器人按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)的機(jī)械手。

3）可變程序機(jī)器人它與固定程序機(jī)器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。

特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無獨(dú)立控制系統(tǒng)，造價(jià)低廉，如附設(shè)在加工中心機(jī)床上的自動(dòng)換刀機(jī)械手。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院23/454）程序控制機(jī)器人具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，作業(yè)任務(wù)指令是由計(jì)算機(jī)程序向機(jī)器人提供的，其控制方式與數(shù)控機(jī)床一樣。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的柔性制造系統(tǒng)。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院24/455）示教再現(xiàn)機(jī)器人這類機(jī)器人能夠按照記憶裝置存儲(chǔ)的信息來復(fù)現(xiàn)由人示教的動(dòng)作。其示教動(dòng)作可自動(dòng)地重復(fù)執(zhí)行。

6）智能機(jī)器人采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院25/45（4）按用途分類

我國(guó)從應(yīng)用環(huán)境上把機(jī)器人分為兩大類：工業(yè)機(jī)器人 指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。如：機(jī)械手。特種機(jī)器人指除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人。包括：服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、微操作機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院26/45工業(yè)機(jī)器人按用途分類焊接機(jī)器人噴漆機(jī)器人裝配機(jī)器人采礦機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人食品工業(yè)機(jī)器人2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院27/45典型機(jī)器人1——平面雙關(guān)節(jié)型機(jī)器人(SCARA)垂直方向上的剛性好，適于裝配工作（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院28/45典型機(jī)器人2——可編程通用裝配操作手(PUMA)動(dòng)作范圍寬；結(jié)構(gòu)剛度低；精度較低；裝配、搬運(yùn)、弧焊、噴涂、點(diǎn)焊等（ProgrammableUniversalManipulatorforAssembly）2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院29/454、工業(yè)機(jī)器人的特性參數(shù)

工業(yè)機(jī)器人的特性參數(shù)影響著機(jī)器人的工作效率和可靠性。在設(shè)計(jì)和選用機(jī)器人時(shí)應(yīng)考慮如下特性參數(shù)：自由度工作空間提取重力運(yùn)動(dòng)速度位置精度2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院30/45（1）自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各關(guān)節(jié)在三維空間對(duì)于固定坐標(biāo)系具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。各關(guān)節(jié)自由度的總和就是工業(yè)機(jī)器人的自由度數(shù)。自由度數(shù)越高，機(jī)器人可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣。每個(gè)自由度需要一個(gè)伺服軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)地帶來的技術(shù)困難也越大。一般情況下，通用工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)自由度。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院31/45(2)工作空間

指機(jī)器人應(yīng)用手爪進(jìn)行工作的空間范圍。機(jī)器人的工作空間主要取決于臂部的自由度和每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。腕部的自由度主要用來調(diào)整手部在空間的方位。手指的開閉動(dòng)作，僅用于夾放工件或工夾具，它不改變工件或工夾具的空間位置和方位，所一般不計(jì)入機(jī)器人的自由度數(shù)。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院32/45直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是一個(gè)矩形空間；圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是一圓柱體；而球坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間是一個(gè)球體。2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院33/45

提取的重力是反映機(jī)器人負(fù)載能力的一個(gè)參數(shù)，根據(jù)提取重力的不同，可將機(jī)器人分為：①微型機(jī)器人，提取重力在10N以下；②小型機(jī)器人，提取重力為10～50N；③中型機(jī)器人，提取重力為50～300N；

④大型機(jī)器人，提取重力為300～500N；⑤重型機(jī)器人，提取重力在500N以上。目前實(shí)際應(yīng)用機(jī)器人一般為中、小型機(jī)器人。(3)提取重力2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院34/45

運(yùn)動(dòng)速度影響機(jī)器人的工作效率，它與機(jī)器人所提取的重力和位置精度均有密切的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)速度高，機(jī)器人所承受的動(dòng)載荷增大，必將在加減速時(shí)承受較大的慣性力，影響機(jī)器人的工作平穩(wěn)性和位置精度。目前的技術(shù)水平而言，通用機(jī)器人的最大直線運(yùn)動(dòng)速度大多在1000mm/s以下。(4)運(yùn)動(dòng)速度2023/2/4武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院35/45

位置精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的又一技術(shù)指標(biāo)。位置精度的高低取決于位置控制方式以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件本身的精度和剛度，此外還與提取重力和運(yùn)動(dòng)速度等因素有密切的關(guān)系。(5)位置精度工業(yè)機(jī)器人的用途與發(fā)展

用于一切可替代人操作的場(chǎng)合，尤其是勞動(dòng)強(qiáng)度大、重復(fù)性高、環(huán)境惡劣的地方。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、科研

1)焊接：主要是指利用機(jī)器人進(jìn)行點(diǎn)焊和弧焊。點(diǎn)焊時(shí)要求機(jī)器人手腕握持焊接工具準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)所要求的焊點(diǎn)，焊槍不與部件的其它部位接觸。通常，這些機(jī)器人所夾持的焊接工具大而重，同時(shí)還要求機(jī)器人有一個(gè)比較大的活動(dòng)范圍。弧焊是對(duì)材料進(jìn)行連續(xù)焊接，焊接前首先要將復(fù)雜的運(yùn)行軌跡示教給機(jī)器人，在需要處理較寬的焊縫時(shí)，可以編程使機(jī)器人作編織狀的橫擺運(yùn)動(dòng)。汽車工業(yè)運(yùn)用這種類型的機(jī)器人最多。本田車廠焊接機(jī)器人

三維激光切割與焊接2)噴漆：噴漆易引發(fā)火災(zāi)，同時(shí)有害于身體健康，因此，噴漆作業(yè)是機(jī)器人特有的用途。使用噴漆機(jī)器人的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是涂層比人工噴涂的更加均勻。

機(jī)器人噴漆視頻

機(jī)器人噴脫模劑視頻

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