工業(yè)機器人技術及應用

章節(jié)目錄2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機2.1.2控制器2.1.3示教器2.2工業(yè)機器人的技術指標思考練習學習目標導入案例擴展與提高本章小結課堂認知2.3工業(yè)機器人的運動控制2.3.1機器人運動學問題2.3.2機器人的點位運動…2.3.3機器人的位置控制返回目錄1/30當前1頁，總共31頁。課前回顧所處位置————何為工業(yè)機器人？工業(yè)機器人具有幾個顯著特點，分別是什么？【課工業(yè)機器人的常見分類有哪些，簡述其行業(yè)應用。前回顧】返回目錄2/30當前2頁，總共31頁。學習目標所處位置————

熟悉工業(yè)機器人的常見技能夠正確識別工業(yè)機器人術指標的基本組成【學

掌握工業(yè)機器人的機構組能夠正確判別工業(yè)機器人習成及各部分的功能目的點位運動和連續(xù)路徑運標動了解工業(yè)機器人的運動控】制返回目錄3/30認知目標能力目標當前3頁，總共31頁。導入案例國產(chǎn)機器人競爭力缺失關鍵技術是瓶頸所處位置————眾所周知，中國機器人產(chǎn)業(yè)由于先天因素，在單體與核心零部件仍【然落后于日、美、韓等發(fā)達國家。雖導然中國機器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過30年的發(fā)展，入案形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)基礎，但與發(fā)例達國家相比，仍存在較大差距，產(chǎn)業(yè)】基礎依然薄弱，關鍵零部件嚴重依賴進口。整個機器人產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游核心零部件（主要是機器人三大核心零部件——伺服電機、減速器和控制系統(tǒng)，相當于機器人的“大腦”）、中游機器人本體（機器人的“身體”）和下游系統(tǒng)集成商（國內95%的企業(yè)都集中在這個環(huán)節(jié)上）三個層面。返回目錄4/30當前4頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成第一代工業(yè)機器人主要由以下幾部分組成：操作機、控制器和示教器。所處對于第二代及第三代工業(yè)機器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別位由傳感器及軟件實現(xiàn)。置————示教器是機器人的人機交互接口，操作者【可通過它對機器人進行編程或手動課操縱機器人移動。堂認知】操作機控制器是完成機器人控制功能的結構實現(xiàn)用于完成各種作業(yè)任務的機械主，是決定機器人功能和水平的關鍵體，主要包含機械臂、驅動裝置、部分。傳動單元以及內部傳感器等部分。返回目錄工業(yè)機器人系統(tǒng)組成5/30當前5頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作位置業(yè)的執(zhí)行機構。它主要由機械臂、驅動裝置、傳動單元及內部傳感器等部分組————成。伺服電機減速器腕關節(jié)小臂【課堂肘關節(jié)認知】手腕大臂連接法蘭皮帶傳動腰部肩關節(jié)腰關節(jié)基座▲機器人操作機的每個關節(jié)均采用1個交流伺服馬達驅動返回目錄關節(jié)型機器人操作機基本構造6/30當前6頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處機器人操作機最后一個軸的機械接口通常為一連接法蘭，可接裝不同的機位置械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等?！菊n堂認知】吸盤焊槍夾緊爪返回目錄7/30當前7頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處(1)機械臂位置關節(jié)型工業(yè)機器人的機械臂是由關節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體。實————質上是一個擬人手臂的空間開鏈式機構，一端固定在基座上，另一端可自由運動，由關節(jié)-連桿結構所構成的機械臂大體可分為基座、腰部、臂部（大臂和小臂）【課和手腕4部分。堂認1)基座基座是機器人的基礎部分，起支撐作用。知】2)腰部腰部是機器人手臂的支承部分。3)手臂手臂是連接機身和手腕的部分，是執(zhí)行結構中的主要運動部件，亦稱主軸，主要用于改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置。4)手腕手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部分，亦稱次軸，主要用于改變末端執(zhí)行器的空間姿態(tài)。返回目錄8/30當前8頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處(2)驅動裝置位置————驅使工業(yè)機器人機械臂運動的機構。它按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人產(chǎn)生動作，相當于人的肌肉、筋絡。【課機器人常用的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動三種基本類堂型。認知目前，除個別運動精度不高、重負載或有防爆要求的機器人采用液壓、】氣壓驅動外，工業(yè)機器人大多采用電氣驅動，而其中屬交流伺服電機應用最廣，且驅動器布置大都采用一個關節(jié)一個驅動器。返回目錄9/30當前9頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處(2)驅動裝置三種驅動方式特點比較位置————特點使用范制造成輸出力控制性能維修使用結構體積驅動方式圍本油液不可壓縮，【在輸出力相液壓元課壓力、流量均容維修方便，液中、小同的情況下件成本堂液壓壓力高，可獲易控制，可無級體對溫度變化型及重，體積比氣較高，認驅動得大的輸出力調速，反應靈敏敏感，油液泄型機器知壓驅動方式油路比，可實現(xiàn)連續(xù)軌漏易著火人】小較復雜跡控制可高速，沖擊較氣體壓力低，嚴重，精確定位維修簡單，能結構簡輸出力較小，困難。氣體壓縮在高溫、粉塵中、小單，能氣壓如需輸出力大性大，阻尼效果等惡劣環(huán)境中體積較大型機器源方便驅動時，其結構尺差，低速不易控使用，泄露無人，成本寸過大制，不易與CPU連影響低接容易與CPU連接，高性能控制性能好，響需要減速裝電氣輸出力較小或維修使用較復、運動成本較應快，可精確定置，體積較返回驅動較大雜軌跡要高位，但控制系統(tǒng)小目錄求嚴格復雜10/30當前10頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處(3)傳動單元位置目前工業(yè)機器人廣泛采用的機械傳動單元是減速器，應用在關節(jié)型機器人上的————減速器主要有兩類：RV減速器和諧波減速器。一般將RV減速器放置在基座、腰部、大臂等重負載的位置(主要用于20kg以上的機器人關節(jié))；將諧波減速器放置在小【臂、腕部或手部等輕負載的位置(主要用于20kg以下的機器關節(jié))。此外，機器人還課采用齒輪傳動、鏈條（帶）傳動、直線運動單元等。堂認知】諧RV波減減速速器器皮帶傳動返回目錄機器人關節(jié)傳動單元11/30當前11頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處(3)傳動單元位置1)諧波減速器————通常由3個基本構件組成，包括一個有內齒的剛輪，一個工作時可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動軸承的【課波發(fā)生器，在這3個基本結構中可任意固定一個，其余一個為主動件一個從動件。堂認知柔輪】波發(fā)生器剛輪返回諧波減速器原理圖目錄12/30當前12頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1操作機所處(3)傳動單元位置2)RV減速器————主要由太陽輪（中心輪）、行星輪、轉臂（曲柄軸）、轉臂軸承、擺線輪（RV齒輪）、針齒、剛性盤與輸出盤等零部件組成。具有較高的疲勞強度和剛度以及【較長的壽命，回差精度穩(wěn)定，高精度機器人傳動多采用RV減速器。課堂針齒認知2級減速1級減速行星輪】太陽輪Z2輸入Z1Z4輸出Z3擺線輪轉臂輸出軸返回針齒殼目錄RV減速器原理圖13/30當前13頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.2控制器所處機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務位置————的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分，其基本功能有：示教功能、記憶功能、位置伺服功能、坐標設定功【能、與外圍設備聯(lián)系功能、傳感器接口、故障診斷安全保護功能等。

課堂認知】依據(jù)控制系統(tǒng)的開放程度，機器人控制器分3類：封閉型、開放型和混合型。目前基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系機器人）或混合型系統(tǒng)（如歐系機器人）。按計算機結構、控制方式和控制算法的處理方法，機器人控制器又可分為集中式控制和分布式控制兩種方式。返回目錄14/30當前14頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.2控制器所處(1)集中式控制器位置優(yōu)點：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，————整體性與協(xié)調性較好，基于PC的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。缺點：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面【廣，后果嚴重；大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也課堂會與系統(tǒng)的實時性相沖突；系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。認知】驅動器1機器人關節(jié)1運動接口卡1驅動器1機器人關節(jié)1多軸驅動器2機器人關節(jié)2運動控制卡1……運動接口卡2驅動器2機器人關節(jié)2機器人關節(jié)n驅動器n………機器人控制計算機機器人控制計算機多軸驅動器n+1機器人關節(jié)n+1運動接口卡n驅動器n機器人關節(jié)n運動控制卡2驅動器n+2機器人關節(jié)n+2返回a)單獨接口卡驅動b)多軸運動控制卡驅動目錄集中式機器人控制器結構15/30當前15頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.2控制器所處(2)分布式控制器位置主要思想為“分散控制，集中管理”，為一個開放、實時、精確的機器人控————制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式，由上位機和下位機組成。優(yōu)點：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，【有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。課堂認知關節(jié)控制器1（下位機）】驅動器1機器人關節(jié)1關節(jié)控制器2（下位機）驅動器2機器人關節(jié)2通訊總線………關節(jié)控制器n機器人主控制器（下位機）（上位機）驅動器n機器人關節(jié)n返回分布式機器人控制器結構目錄16/30當前16頁，總共31頁。2.1工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.3示教器所處亦稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成。可由操作者手位持移動。它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都是通過它來完置————成的。示教器實質上就是一個專用的智能終端。控制器【課相關模塊相關模塊堂認?知操作機?S4S3】S2示教器S5S2串口指令解S0通S1釋模塊信模S5S2S2塊?S4S3?相關模塊相關模塊返回示教時的數(shù)據(jù)流關系目錄17/30當前17頁，總共31頁。2.2工業(yè)機器人的技術指標機器人的技術指標反映機器人的適用范圍和工作性能。一般都有：自由所處度、工作空間、額定負載、最大工作度速和工作精度等。

位置————自由度物體能夠對坐標系進行獨立運動的數(shù)目，末端執(zhí)行器的動作不包括在內。通常作為機器人的技術指標，反映機器人動作的靈活性，可用軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(shù)目來表示，目前，焊接和涂裝作業(yè)機器【課人多為6或7自由度，而搬運、碼垛和裝配機器人多為4~6自由度。堂認知額定負載也稱持重。正常操作條件下，作用于機器人手腕末端，不會使】機器人性能降低的最大載荷，目前，使用的工業(yè)機器人負載范圍可從0.5kg直至800kg。工作精度機器人的工作精度主要指定位精度和重復定位精度。定位精度（也稱絕對精度）是指機器人末端執(zhí)行器實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度（簡稱重復精度）是指機器人重復定位其末端執(zhí)行器于同一目標位置的能力，目前，工業(yè)機器人的重復精度可達±0.01~±0.5mm。依據(jù)作業(yè)任務和末端持重不同，機器人重復精度亦不同。返回目錄18/30當前18頁，總共31頁。2.2工業(yè)機器人的技術指標工業(yè)機器人典型行業(yè)應用的工作精度所處位額定負載（kg）重復定位精度（mm）作業(yè)任務置————搬運±0.2~±0.55~200碼垛±0.550~800【點焊±0.2~±0.3課50~350堂弧焊±0.08~±0.1認3~20知噴涂±0.2~±0.55~20】±0.02~±0.032~5裝配±0.06~±0.086~10±0.06~±0.110~20工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務時，其手腕參考點所能掠過的空間，常用圖形表示。目前，單體工業(yè)機器人本體的工作范圍可達3.5m左右。最大工作速度在各軸聯(lián)動情況下，機器人手腕中心所能達到的最大線速度。返回這在生產(chǎn)中是影響生產(chǎn)效率的重要指標。目錄19/30當前19頁，總共31頁。2.2工業(yè)機器人的技術指標所處位置————【課堂認知】b)水平串聯(lián)多關節(jié)機器人MOTOMANMPP3Sa)垂直串聯(lián)多關節(jié)機器人MOTOMANMH3F返回c)并聯(lián)多關節(jié)機器人MOTOMANMYS650L目錄不同本體結構YASKAWA機器人工作范圍20/30當前20頁，總共31頁。2.3工業(yè)機器人的運動控制2.3.1機器人運動學問題所處工業(yè)機器人操作機可看作是一個開鏈式多連桿機構，始端連桿就是機器人的位基座，末端連桿與工具相連，相鄰連桿之間用一個關節(jié)（軸）連接在一起。置————對于一個6自由度工業(yè)機器人，它由6個連桿和6個關節(jié)（軸）組成。編號時，基座稱為連桿0，不包含在這6個連桿內，連桿1與基座由關節(jié)1相連，連桿2通過關節(jié)2與連桿1相連，依此類推。【課堂連桿4連桿6連桿5連桿3認知】關節(jié)6關節(jié)5關節(jié)4關節(jié)3連桿2關節(jié)2連桿1關節(jié)1連桿0a)實物圖b)機構簡圖返回工業(yè)機器人操作機目錄21/30當前21頁，總共31頁。2.3工業(yè)機器人的運動控制2.3.1機器人運動學問題所處(1)運動學正問題對給定的機器人操作機，己知各關節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相位置對于參考坐標系的位姿，稱之為正向運動學（運動學正解或Where問題），機器人————示教時，機器人控制器即逐點進行運動學正解運算。(2)運動學逆問題對給定的機器人操作機，已知末端執(zhí)行器在參考坐標系中的【初始位姿和目標（期望）位姿，求各關節(jié)角矢量，稱之為逆向運動學（運動學逆解課堂或How問題），機器人再現(xiàn)時，機器人控制器即逐點進行運動學逆解運算，并將矢認量分解到操作機各關節(jié)。知】Whereismyhand?HowdoIputmy返回handhere?目錄運動學正問題（示教）運動學逆問題（再現(xiàn)）22/30當前22頁，總共31頁。2.3工業(yè)機器人的運動控制2.3.2機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動所處位(1)點位運動（PointtoPoint,PTP）PTP運動只關心機器人末端執(zhí)行器運動的置起點和目標點位姿，不關心這兩點之間的運動軌跡。————(2)連續(xù)路徑運動（ContinuousPath,CP）CP運動不僅關心機器人末端執(zhí)行器【達到目標點的精度，而且必須保證機器人能沿所期望的軌跡在一定精度范圍內重課堂復運動。認知】ZYAX①②③EDBC返回工業(yè)機器人PTP運動和CP運動目錄23/30當前23頁，總共31頁。2.3工業(yè)機器人的運動控制2.3.2機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動所機器人CP運動的實現(xiàn)是以點到點運動為基礎，通過在相鄰兩點之間采用滿處位足精度要求的直線或圓弧軌跡插補運算即可實現(xiàn)軌跡的連續(xù)化。機器人再現(xiàn)時置主控制器（上位機從）存儲器中逐點取出各示教點空間位姿坐標值，通過對其進————行直線或圓弧或插補運算，生成相應路徑規(guī)劃，然后把各插補點的位姿坐標值通過運動學逆解運算轉換成關節(jié)角度值，分送機器人各關節(jié)或關節(jié)控制器（下位機【）。課堂關節(jié)控制器1認（下位機）知機器人主控制器】（上位機）關節(jié)控制器2（下位機）機器人關節(jié)軌跡角度值θi示教點位姿中間位姿直線/圓弧插補運動學逆問題…關節(jié)控制器n（下位機）返回工業(yè)機器人的連續(xù)路徑運動目錄24/30當前24頁，總共31頁。2.3工業(yè)機器人的運動控制2.3.3機器人的位置控制所處位實現(xiàn)機器人的位置控制是工業(yè)機器人的基本控制任務。關節(jié)控制器（下位機）置是執(zhí)行計算機，負責伺服電機的閉環(huán)控制及實現(xiàn)所有關節(jié)的動作協(xié)調?！娟P節(jié)控制器位置調節(jié)器速度調節(jié)器轉矩調節(jié)器功率放大課堂認給定+期望++M知位置位置】---電流反饋光電碼盤位置反饋速度反饋工業(yè)機器人的位置控制返回目錄25/30當前25頁，總共31頁。運動控制電機及驅動機器人的核心技術是運動控制技術，目前工業(yè)機器人采用的電氣驅動主要所有步進電動機和伺服電動機兩類。處位1．步進電動機系統(tǒng)置————步進電機是一種將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制精密驅動元件，分為反應式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機三種，其中混合式【步進電機的應用最為廣泛，是一種精度高、控制簡單、成本低廉的驅動方案。擴展與提高】返回步進電機與步進驅動器目錄26/30當前26頁，總共31頁。運動控制電機及驅動2．伺服電動機系統(tǒng)所處伺服電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電機位軸上的角位移或角速度輸出，可分為直流和交流伺服電機兩大類。置————特點：當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。優(yōu)點：①無電刷和換向器，工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低；②定子繞組散熱【比較方便；③慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；④適應于高速大力矩工作狀態(tài)；擴展⑤同功率下有較小的體積和重量。與提高】返回伺服電機與伺服驅動器目錄27/30當前27頁，總共31頁。本章小結所工業(yè)機器人的機械結構部分稱為操作機。通常用自由度、處位工作空間、額定負載、定位精度、重復定位精度和最大工置————作速度等技術指標來表征工業(yè)機器人操作機的性能。工業(yè)機器人通常由操作機、控制器和示教器三部分組成?！静僮鳈C是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，一般由機本章械臂、驅動-傳動裝置以及內部傳感器等組成?？刂破魇峭晷〗Y成機器人控制功能的結構實現(xiàn)，一般由控制計算機和伺服】控制器組成。示教器是機器人的人機交互接口，主要由顯示屏和按鍵組成。工業(yè)機器人的運動控制是指工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器從一點移動到另一點的過程中，常采用點位（PTP）控制和連續(xù)路徑（CP