工業(yè)機器人課件

山東大學創(chuàng)新教育通識核心課程

人工智能與機器人

山東大學ArtificialIntelligenceandRobotics

1標題添加點擊此處輸入相關文本內容點擊此處輸入相關文本內容總體概述點擊此處輸入相關文本內容標題添加點擊此處輸入相關文本內容2第十章工業(yè)機器人ArtificialIntelligenceandRobotics

3第十章工業(yè)機器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/15410.1工業(yè)機器人定義及特點10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)10.3工業(yè)機器人的分類及應用

10.4工業(yè)機器人操作機機構10.5工業(yè)機器人的控制技術10.6各類工業(yè)機器人介紹4第十章機器人的分類ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/15510.1工業(yè)機器人定義及特點10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)10.3工業(yè)機器人的分類及應用10.4工業(yè)機器人操作機機構10.5工業(yè)機器人的控制技術10.6各類工業(yè)機器人介紹5

工業(yè)機器人誕生于20世紀60年代,在20世紀90年代得到迅速發(fā)展。它是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術,是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領域。它的出現(xiàn)是為了適應制造業(yè)規(guī)?；a,解決單調、重復的體力勞動和提高生產質量而代替人工作業(yè)。10.1工業(yè)機器人的定義和特點10.1.1工業(yè)機器人概述6

工業(yè)機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。工業(yè)機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。10.1工業(yè)機器人的定義和特點7

工業(yè)機器人技術涉及力學、機械學、電氣液壓技術、自控技術、傳感技術和計算機技術等學科領域，是一門跨學科綜合技術。而機器人機構學乃是機器人的主要基礎理論和關鍵技術，也是現(xiàn)代機械原理研究的重要內容。

10.1工業(yè)機器人的定義和特點8

美國機器人工協(xié)會提出的工業(yè)機器人定義為：“工業(yè)機器人是用來進行搬運材料、零件、工具等可再編程的多功能機械手，或通過不同程序的調用來完成各種工作任務的特種裝置?！眹H標準化（ISO）曾于1987年對工業(yè)機器人給出了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能夠完成各種作業(yè)的可編程操作機?！?0.1.2工業(yè)機器人的定義10.1工業(yè)機器人的定義和特點9

（ISO8373）對工業(yè)機器人給出了定更具體的解釋：“機器人具備自動控制及可在編程、多用途功能，機器人操作機具有三個或三個以上的可編程軸，在工業(yè)自動化應用中，機器人的底座可固定也可移動?！?/p>

10.1工業(yè)機器人的定義和特點10

工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。10.1工業(yè)機器人的定義和特點11

工業(yè)機器人最顯著特點：（1）可編程（2）擬人化（3）通用性（4）機電一體化10.1.3工業(yè)機器人的特點10.1工業(yè)機器人的定義和特點12

工業(yè)機器人是一種可以搬運物料、零件、工具或完成多種操作功能的專用機械裝置；由計算機控制，是無人參與的自主自動化控制系統(tǒng)；他是可編程、具有柔性的自動化系統(tǒng)，可以允許進行人機聯(lián)系?？梢酝ㄋ椎睦斫鉃椤皺C器人是技術系統(tǒng)的一種類別，它能以其動作復現(xiàn)人的動作和職能；它與傳統(tǒng)的自動機的區(qū)別在于有更大的萬能性和多目的用途，可以反復調整以執(zhí)行不同的功能。”

10.1工業(yè)機器人的定義和特點1310.1.4工業(yè)機器人的發(fā)展與未來

機器人作為現(xiàn)代制造業(yè)主要的自動化裝備，已廣泛應用于汽車、摩托車、工程機械、電子信息、家電、化工等行業(yè)，進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業(yè)。國際上生產機器人的主要廠家有：日本的安川電機、OTC、川崎重工、松下、不二越、日立、法那克；歐洲的CLOOS（德國）、ABB（瑞典）、COMAU（意大利）、IGM（奧地利）、KUKA（德國）等。10.1工業(yè)機器人的定義和特點14未來發(fā)展：

1.高性能：高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修，單機價格不斷下降。

2.機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展：例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問巿。10.1工業(yè)機器人的定義和特點15

3.機器人本體結構更新加快：隨著技術的進步，機器人本體結構近十年來發(fā)展變化很快。以安川MOTOMAN機器人產品為例，L系列機器人持續(xù)10年，K系列持續(xù)5年時間，SK系列持續(xù)3年時間，1998年底安川公司推出了最新的UP系列，其突出的特點是：大臂釆用新型的非平行四邊形的單連桿機構，工作空間有所增加，本體自重進一步減少，變得更加輕巧。10.1工業(yè)機器人的定義和特點164.機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧。安川公司的UP系列機器人釆用了新開發(fā)的控制器YASNACXRC，主要特點是具有網絡通信功能。目前，比較引人注目還有DENSO公司的“NetwoRC”（NewTechnologyWorldwideOpenRobotController）控制器，其特點是：釆用板卡式PC結構，約為臺式PC大?。挥?個ISA總線擴展槽，可安裝Ethernet卡、DeviceNet卡和圖像處理卡；NetwoRC是開放式機器人控制器技術發(fā)展的典型代表。機器人控制網絡化已成為發(fā)展趨勢；

10.1工業(yè)機器人的定義和特點175.機器人中的傳感器作用日益重要，除釆用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則釆用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用；

6.多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。10.1工業(yè)機器人的定義和特點187.當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納（Sojanor）”機器人就是成功應用的最著名實例；*8.虛擬現(xiàn)實技術在機器人的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠程作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人；機器人化機械開始興起。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。10.1工業(yè)機器人的定義和特點19

9.多智能體（multi-agent）調控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多機器人協(xié)作、多機器人通訊、多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。10.1工業(yè)機器人的定義和特點2010.微型和微小機器人技術（micro/miniaturerobotics）:這是機器人研究的一個新的領域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統(tǒng)結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。

11.機器人遙控及監(jiān)控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協(xié)調控制，通過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。

10.1工業(yè)機器人的定義和特點2112.軟機器人技術（softrobotics）:主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。

13.仿人和仿生技術：這是機器人技術發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎研究。比如：雙足機器人、機器魚、仿生恐龍、仿生蜻蜓等等。10.1工業(yè)機器人的定義和特點2210.1.5國內外機器人應用情況

1.日本：全世界投入使用的機器人數(shù)量近年來快速增加，目前，日本實際裝配的機器人總量占世界總量的一半。裝配是日本機器人的最大應用領域，它擁有的機器人占總數(shù)的42%；焊接是應用的第二大領域，占機器人總數(shù)的19%；注塑是第三大應用領域，占機器人總數(shù)約12%，機加工次之為8%。日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術，1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人。80年代中期，日本機器人的產量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位，成為“機器人王國”。10.1工業(yè)機器人的定義和特點232.美國

美國是機器人的誕生地，1962年研制出世界上第一臺機器人，由于美國從60年代到70年代期間，只在幾所大學和少數(shù)公司開展研究工作；70年代后期，美國在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發(fā)上，使日本的機器人后來居上。進入80年代后，美國開始研制帶有視覺、力覺的第二代機器人，目前美國的機器人技術特點是：性能可靠，功能全面，精確度高；機器人語言類型多、應用廣，水平高居世界之首；智能技術發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業(yè)廣泛應用；高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，在國際上處于領先地位。10.1工業(yè)機器人的定義和特點243.德國德國機器人的總數(shù)占世界第三位。70年代中后期，政府在“改善勞動條件計劃”中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替人的勞動。這個計劃推動了機器人技術的發(fā)展。德國除了將機器人應用在汽車工業(yè)外，還在紡織工業(yè)使用機器人，使紡織業(yè)重新振興。目前其智能機器人的研究和應用方面，在世界上處于公認的領先地位。10.1工業(yè)機器人的定義和特點25

4.前蘇聯(lián)(主要是在俄羅斯)。機器人技術研究是從50年代后半期開始。1968年成功地試制出一臺深水作業(yè)機器人；1971年研制出工廠用的機器人；到1975年，已研制出30個型號的120臺機器人。前蘇聯(lián)的機器人在數(shù)量、質量和技術水平上均處于世界前列地位。10.1工業(yè)機器人的定義和特點265.中國中國在“七五”計劃中把機器人列為國家重點科研規(guī)劃內容，在沈陽建立了全國第一個機器人研究示範工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十多年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。中國自行研制的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠已投入運行。10.1工業(yè)機器人的定義和特點27

目前，中國已開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人，其中有130多臺/套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線。沈陽新松機器人自動化股份有限公司為上海匯眾汽車制造有限公司設計制造12臺弧焊機器人組成的焊接生產線，用于為上海汽車工業(yè)公司配套生產桑塔納轎車轉向器、減振器、別克轎車減振器等部件。10.1工業(yè)機器人的定義和特點28

北京機械工業(yè)自動化研究所研制出大型龍門式仿形噴涂機器人，長春客車廠釆用該機器人對火車客車廂體進行噴漆，可以在20分鐘內為一輛火車車廂噴上均勻的油漆，遇到車門和車窗時，噴槍會立即停止噴漆。哈爾濱工業(yè)大學歷經二十余年的基礎理論與應用研究，已開發(fā)管內補口噴涂作業(yè)機器人、激光內表面淬火機器人、管內X射線檢測機器人。這幾種機器人已分別應用于“陜－京”天然氣管線工程X射線檢測、上海浦東國際機場內防腐補口、大慶油田內防腐及抽油泵內表面處理等重要的管道工程。10.1工業(yè)機器人的定義和特點29

中國智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了顯著的成果。其中6,000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，該機器人在1995年深海試驗獲得成功，使中國能夠對大洋海底進行精確、高效、全覆蓋的觀察、測量、儲存和進行實時傳輸，并能精確繪制深海礦區(qū)的二維、三維海底地形地貌圖，推動了中國海洋科技的發(fā)展。10.1工業(yè)機器人的定義和特點30第十章工業(yè)機器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/153110.1工業(yè)機器人定義及特點10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)10.3工業(yè)機器人的分類及應用

10.4工業(yè)機器人操作機機構10.5工業(yè)機器人的控制技術10.6各類工業(yè)機器人介紹31

工業(yè)機器人通常由執(zhí)行機構、驅動—傳動機構、控制系統(tǒng)（含智能系統(tǒng)）三大部分組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，通常為空間連桿機構。驅動—傳動裝置由驅動器和傳動機構組成，它們通常與執(zhí)行機構聯(lián)成一體。驅動—傳動裝置有機械式、電氣式、液壓式、氣動式和復合式等。控制系統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。智能系統(tǒng)則由感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)組成，它分別由傳感器及軟件來實現(xiàn)。10.2.1工業(yè)機器人的組成10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)32

主體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；

驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產生相應的動作；

控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)33工業(yè)機器人系統(tǒng)由三大部分六個子系統(tǒng)組成。

六個子系統(tǒng)10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)34

機身手臂末端操作器

三大部分：機械部分傳感器部分控制部分

機械結構三大件10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)35

一個工業(yè)機器人所具有的功能在本質上是由其機械部分.傳感部分.控制部分內部集成所決定的.但是,工業(yè)機器人的作業(yè)能力還決定于與外部環(huán)境的聯(lián)系和配合,即工業(yè)機器人與環(huán)境的交互能力.

工業(yè)機器人與外部環(huán)境的交互包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境:(1)與硬件環(huán)境的交互主要是與外部設備的通信.工作域中障礙和自由空間的描述.操作對象物的描述.(2)與軟件環(huán)境的交互主要是與生產單元監(jiān)控計算機所提供的管理信息的通信.

10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)3610.2.2工業(yè)機器人技術參數(shù)

技術參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在產品供貨時所提供的技術數(shù)據。工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)一般都應有：自由度，重復定位精度、工作范圍、最大工作速度、承載能力等。

10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)371.自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不應包括手爪的開合自由度。10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)38

自由度：即用來確定手部相對機座的位置和姿態(tài)的獨立參變數(shù)的數(shù)目，它等于操作機獨立驅動的關節(jié)數(shù)目。自由度是反映操作機的通用性和適應性的一項重要指標。自由度較多，就更能接近人手的動作機能，通用性更好，但結構也更復雜。目前，一般的通用工業(yè)機器人大多為5個自由度左右，已能滿足多種作業(yè)的要求。

10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)39

工業(yè)機器人精度是指定位精度和重復定位精度。定位精度只指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人重復定位其手部與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，即重復度。2重復定位精度（a）重復定位精度的測定（b）合理定位精度，良好重復定位精度（c）良好定位精度，很差重復定位精度（d）很差定位精度。良好重復定位精度10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)40

3.最大工作范圍有的廠家指工業(yè)機器人工作手臂末端所能到達的點,有的廠家指手臂末端或手腕中心到達所有點的集合也叫工作區(qū)域。通常都在技術參數(shù)中加以說明。工作范圍：即操作機的工作范圍，通常以手腕中心點在操作機運動時所占有的體積來表示。我們把操作機能對操縱對象完成操作的那一部分空間稱為看管區(qū)域或工作區(qū)域，10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)414.最大工作速度有的廠家指工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度,有的廠家指手臂末端最大的合成速度,通常都在技術參數(shù)中加以說明。10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)425.承載能力承載能力是指機器人在工作范圍內的任何位置上所能承受的最大質量。承載能力不僅決定于負載的質量,而且還與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)43

另外：還有靈活度：是指操作機末端執(zhí)行器在工作(如抓取物體)時，所能采取的姿態(tài)的多少。若能從各個方位抓取物體，則其靈活度最大；若只能從一個方位抓取物體，則其靈活度最小。10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)44第十章工業(yè)機器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/154510.1工業(yè)機器人定義及特點10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)10.3工業(yè)機器人的分類及應用

10.4工業(yè)機器人操作機機構10.5工業(yè)機器人的控制技術10.6各類工業(yè)機器人介紹4510.3.1工業(yè)機器人的分類

(一)按工業(yè)機器人的結構分類（五種基本坐標式機器人）10.3工業(yè)機器人的分類及應用1.直角坐標式機器人462.圓柱坐標式機器人10.3工業(yè)機器人的分類及應用473.球坐標式機器人10.3工業(yè)機器人的分類及應用484.關節(jié)坐標式機器人10.3工業(yè)機器人的分類及應用495.平面關節(jié)坐標式機器人

平面關節(jié)式機器人可以看成是關節(jié)坐標式機器人的特例,它只有平行的肩關節(jié)和肘關節(jié),關節(jié)軸線共面,如圖10.3工業(yè)機器人的分類及應用50（二）兩種冗余自由度結構機器人(1)整體控制的柔軟臂機器人,也叫象鼻子機器人,如左下下圖所示。(2)每一關節(jié)獨立控制的冗余自由度機器人,如圖所示。10.3工業(yè)機器人的分類及應用51（三）模塊化結構機器人

工業(yè)機器人模塊化的主要含義是機器人由一些可供選擇的標準化模塊拼裝而成的,標準化模塊是具有標準化接口的機械結構模塊、驅動模塊、控制模塊、傳感器模塊,并已經系列化。（四）并聯(lián)機器人

從機構學角度可將機器人機構分為開環(huán)機構和閉環(huán)機構兩大類:以開環(huán)機構為機器人機構原型的叫串聯(lián)機器人;以閉環(huán)機構為機器人原型的叫并聯(lián)機器人。10.3工業(yè)機器人的分類及應用5210.3.2工業(yè)機器人的應用領域

(一)工業(yè)機器人的應用領域

1.惡劣工作環(huán)境,危險工作場合這個領域的作業(yè)是一種有害于健康,并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作業(yè),用工業(yè)機器人去干是最適宜的。

在工業(yè)生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上。10.3工業(yè)機器人的分類及應用532.特殊作業(yè)場合在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。

1969年，美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成了焊接轎車車身的自動生產線。此后，各工業(yè)發(fā)達國家都很重視研制和應用工業(yè)機器人。

10.3工業(yè)機器人的分類及應用543.自動化生產領域早期工業(yè)機器人在生產上主要用于:機床上下料、點焊和噴漆。隨著柔性自動化的出現(xiàn),機器人扮演了更重要的角色,如:焊接機器人,材料搬運機器人,檢測機器人,裝配機器人,噴漆和噴涂,其他諸如密封和粘接、清砂和拋光、熔模鑄造和壓鑄、鍛造等等也有廣泛的應用。10.3工業(yè)機器人的分類及應用55第十章工業(yè)機器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/155610.1工業(yè)機器人定義及特點10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)10.3工業(yè)機器人的分類及應用

10.4工業(yè)機器人操作機機構10.5工業(yè)機器人的控制技術10.6各類工業(yè)機器人介紹56

工業(yè)機器人的機械結構部分稱為操作機

操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能。

從機器人完成作業(yè)的方式來看，操作機是由手臂機構(即位置機構)、手腕機構(即姿態(tài)機構)及末端執(zhí)行器等組成的機構。對于要完成空間任意位姿進行作業(yè)的多關節(jié)操作機，需要具有6個自由度，而對于要回避障礙進行作業(yè)的操作機，其自由度數(shù)則需超過6個。

10.4

工業(yè)機器人操作機機構

10.4.1操作機57通常由下列部分組成：

a.末端執(zhí)行器

又稱手部，是機器人直接執(zhí)行工作的裝置，并可設置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工作對象接觸以完成作業(yè)的機構。

b.手腕

是支承和調整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般有2～3個回轉自由度以調整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。

10.4

工業(yè)機器人操作機機構

58c.手臂

它由機器人的動力關節(jié)和連接桿件等構成，是用于支承和調整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時包括肘關節(jié)和肩關節(jié)，即手臂與手臂間。手臂與機座間用關節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。

d.機座

有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構中相對固定并承受相應的力的基礎部件?？煞止潭ㄊ胶鸵苿邮絻深?。10.4

工業(yè)機器人操作機機構

592024/8/1560

機器人的操作機構10.4

工業(yè)機器人操作機機構

6010.4.2操作機手臂機構

手臂機構一般具有2～3個自由度(當操作機需要回避障礙進行作業(yè)時，其自由度可多于3個)，可實現(xiàn)回轉、俯仰、升降或伸縮三種運動形式。

首先，要確定操作機手臂機構的結構形式。通常根據其將完成的作業(yè)任務所需要的自由度數(shù)、運動形式、承受的載荷和運動精度要求等因素來確定。

其次，是確定手臂機構的尺寸。即確定出其手臂的長度及手臂關節(jié)的轉角范圍。

10.4

工業(yè)機器人操作機機構

6110.4.3.操作機手腕機構

操作機的手腕機構一般為1～3個自由度，要求可實現(xiàn)回轉、偏轉或擺轉和俯仰三種運動形式。

在作手腕機構的運動設計時，要注意大、小手臂的關節(jié)轉角對末端操作器的俯仰角均可能產生誘導運動。此外，手腕機構的設計還要注意減輕手臂的載荷，應力求手腕部件的結構緊湊，減小其重量和體積，以利于手腕驅動傳動裝置的布置和提高手腕動作的精確性。10.4

工業(yè)機器人操作機機構

62機器人的腕部結構常見三種幾種結構10.4

工業(yè)機器人操作機機構

6310.4.4.操作機的末端執(zhí)行器

根據其用途和結構的不同可分為機械式夾持器，吸附式執(zhí)行器和專用工具(如焊槍、噴嘴、電磨頭等)三類。按其手爪的運動方式又可分為平移型和回轉型。按其夾持方式又可分為外夾式和內撐式。此外，按驅動方式則有電動、液壓和氣動三種。

根據不同作業(yè)任務的要求，先確定其類型和機構型式，并應盡可能使其結構簡單，緊湊、重量輕，以減輕手臂的負荷。

10.4

工業(yè)機器人操作機機構

回轉式夾持器機構

6410.4.5六軸關節(jié)機器人機械結構圖7-4-5為常見的六軸關節(jié)機器人的機械結構,六個伺服電機直接通過諧波減速器、同步帶輪等驅動六個關節(jié)軸的旋轉,注意觀察一、二、三、四軸的結構，關節(jié)一至關節(jié)四的驅動電機為空心結構，關節(jié)機器人的驅動電機采用空心軸結構應該不常見，空心軸結構的電機一般較大。

10.4

工業(yè)機器人操作機機構

65RV減速器的拆解圖片

10.4

工業(yè)機器人操作機機構

66二、傳動原理

它由漸開線圓柱齒傳輸線行星減速機構和擺線針輪行星減速機構兩部分組成。漸開線行星齒輪3與曲柄軸2連成一體，作為擺線針輪傳動部分的輸入。

10.4

工業(yè)機器人操作機機構

67第十章工業(yè)機器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/156810.1工業(yè)機器人定義及特點10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)10.3工業(yè)機器人的分類及應用

10.4工業(yè)機器人操作機機構10.5工業(yè)機器人的控制技術10.6各類工業(yè)機器人介紹68

機器人的控制方法有位置控制、軌跡控制、力控制、力矩控制、柔順控制、力／位置混合控制、分解運動控制、變結構控制、自適應控制以及遞階控制、模糊控制、學習控制、神經控制和進化控制等智能控制。其中，有些控制方法已比較熟悉，另一些控制方法則較為新穎，并有待進一步開發(fā)與完善。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

69

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機器人控制技術的主要任務就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點10.5.1機器人的基本控制原則10.5

工業(yè)機器人的控制技術

70關鍵技術包括：

(1)開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結構：采用分布式CPU計算機結構，分為機器人控制器(RC)，運動控制器(MC)，光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器(RC)和編程示教盒通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器(RC)的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。

10.5

工業(yè)機器人的控制技術

71(2)模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結構設計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)該層次所提供的功能。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

72(3)機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。

(4)網絡化機器人控制器技術：目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網技術變得越來越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場總線及以太網的聯(lián)網功能。可用于機器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便于對機器人生產線進行監(jiān)控、診斷和管理。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

731、控制器分類機器人控制器具有多種結構形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反饋控制、力(力矩)控制、基于傳感器的控制、非線性控制、分解加速度控制、滑?？刂?、最優(yōu)控制、自適應控制、遞階控制以及各種智能控制等。

10.5

工業(yè)機器人的控制技術

74

工業(yè)機器人常用控制器的基本控制原則及控制器的設計問題。從關節(jié)(或連桿)角度看，可把工業(yè)機器人的控制器分為單關節(jié)(連桿)控制器和多關節(jié)(連桿)控制器兩種。機器人的控制取決于其“腦子”，即處理器的研制。隨著實際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡單的編程自動化、小型計算機控制到微處理機控制等。機器人控制系統(tǒng)的結構也可以大為不同，從單處理機控制到多處理機分級分布式控制。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

75機器人控制的分類及其分析方法10.5

工業(yè)機器人的控制技術

762、主要控制變量圖7-5-1表示一臺機器人的各關節(jié)控制變量。如果要機器人去抓起工件A，那么就必須知道末端執(zhí)行裝置(如夾手)在任何時刻相對于A的狀態(tài)，包括位置、姿態(tài)和開閉狀態(tài)等。圖7-5-1機械手各關節(jié)的控制變量10.5

工業(yè)機器人的控制技術

773、主要控制層次圖7-5-2表示機器人的主要控制層次。從圖可見，它主要分為三個控制級，即人工智能級、控制模式級和伺服系統(tǒng)級。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

78圖7-5-2機器人的主要控制層次2)第二級：控制模式級這一級能夠建立起X(t)和T(t)之間的雙向關系。必須注意到，有多種可供采用的控制模式。

1)第一級:人工智能級如果命令一臺機器人去“把工件A取過來”，那么如何執(zhí)行這個任務呢？首先必須確定，該命令的成功執(zhí)行至少是由于機器人能為該指令產生矢量X(t)。X(t)表示末端執(zhí)行裝置相對工件A的運動

10.5

工業(yè)機器人的控制技術

7910.5.2機器人驅動技術1機器人關節(jié)驅動概述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型。工業(yè)機器人出現(xiàn)的初期，由于其運動大多采用曲柄機構和連桿機構等，所以大多使用液壓與氣壓驅動方式。但隨著對作業(yè)高速度的要求，以及作用日益復雜化，目前電氣驅動的機器人所占有的比例越來越大。但在需要出力很大的應用場合，或運動精度不高、有防爆要求的場合，液壓、氣壓驅動仍獲得滿意的應用。

10.5

工業(yè)機器人的控制技術

80現(xiàn)將各種驅動的主要特點及應用場合簡述如下。氣動：成本低，出力小，噪聲大，控制簡單，常用可編程控制器(PC)控制。但難以準確地控制位置和速度，用于簡單的非伺服型機器入。液壓傳動：功率重量比大(液壓傳動以強度為工作極限，而電驅動以電磁飽和為工作極限)，低速平穩(wěn)，需液壓動力源，漏油和油性變化影響系統(tǒng)特性，成本較高，可用于易爆環(huán)境。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

81電驅動依電機的類型又分為幾種方式。步進電機驅動：功率小，開環(huán)控制，控制簡單，但可能失步（步進電機也可用于閉環(huán)控制，但系統(tǒng)較復雜）。直流電機驅動：調速性能好，功率較大，效率較高，但換向器需要維護，不宜用于易爆、多粉塵環(huán)境。交流電機驅動：維護簡單，使用環(huán)境不受限制，成本較低，調速性能隨著交流驅動技術的發(fā)展趕上并超越了直流電機，逐漸成為機器人電氣驅動中的主要方式。目前常用的電機有交流永磁伺服電機（PMSM）、感應異步電機（IM）、無刷直流電機（BLDC）等。直線式電機由于其特殊的性能特點在某些特定的場合也有很好的應用。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

822機器人關節(jié)伺服驅動控制機器人電氣驅動的三種主要方式：1.步進電機驅動步進電機是機電一體化的關鍵產品之一,作為執(zhí)行元件廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)包括機器人系統(tǒng)中，隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增。上個世紀就出現(xiàn)了步進電動機，它是一種可以自由回轉的電磁鐵，動作原理和今天的反應式步進電動機沒有什么區(qū)別，也是依靠氣隙磁導的變化來產生電磁轉矩。在本世紀初，步進電動機的技術得到了長足的進步。到了80年代后，由于廉價的微型計算機以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進電動機的控制方式更加靈活多樣。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

832．直流伺服電機驅動在80年代中期以前的一些自動化設備，如機器人、數(shù)控機床等，廣泛采用直流伺服電動機作為執(zhí)行機構。這是因為直流伺服電動機易于控制（在磁場恒定時，電流正比于輸出轉矩等），有較理想的機械特性。但它們也有一些缺點，如需要定期維護，轉速不能太高，功率不能太大，它們的功率體積比和功率質量比不高等。近年來，新發(fā)展起來的交、直流伺服電動機克服了上述缺點，并保留了直流伺服電動機的優(yōu)點，因此在一些現(xiàn)代化設備中，無刷電動機取代了直流伺服電動機，但直流伺服電動機原理是新技術的基礎，它們的良好特性，曾使它們獨領風騷。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

84圖10-5-1直流伺服電機原理圖10.5

工業(yè)機器人的控制技術

853、交流伺服電機驅動1）無刷電動機驅動（BLDC）直流伺服電動機有三大缺點，如需維護、轉速低(通常低于2000r／min)、功率體積(質量)比不高等。這是由于其結構特點造成的。其熱慣性也大，埋在轉子槽中線圈熱量只能通過轉子軸、軸承傳導出去，以及通過轉子、定子之間狹小氣隙以對流方式散熱。總之，發(fā)熱元件(繞組)所處的幾何位置不利散熱，所以與同功率無刷電動機相比，它必須選用更粗的繞組導線，導致了更大的體積。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

862）永磁同步電機驅動永磁同步電動機(PMSM)特別是稀土永磁同步電機結構簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高，近年來得到迅速發(fā)展。與三相異步電機相比，永磁同步電動機有其自身的優(yōu)點。三相稀土永磁同步電動機定子一般與三相異步電動機定子相同，必要時可以借用異步電機的機座和定子沖片。但為減小稀土永磁同步電動機的雜散損耗，定子繞組常采用雙層短繞或正弦繞組形式。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

873）感應異步電機驅動（IM）用于機器人伺服驅動的感應異步電機與普通的感應電機相比，結構上要做一些改進，成本要高一些，但仍然交流伺服驅動中最經濟的驅動電機。但是只有與矢量控制（VectorControl）和直接轉矩控制（DTC）這些先進的電機控制理論結合，才有可能用在伺服系統(tǒng)中，并且達到甚至超越直流電機的性能。電機的基本原理與普通感應電機并無任何不同。10.5

工業(yè)機器人的控制技術

8810.1工業(yè)機器人定義及特點10.2工業(yè)機器人基本組成及技術參數(shù)10.3工業(yè)機器人的分類及應用

10.4工業(yè)機器人操作機機構10.5工業(yè)機器人的控制技術10.6各類工業(yè)機器人介紹第十章工業(yè)機器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/15898910.6.1移動機器人（AGV）移動機器人（AGV）是工業(yè)機器人的一種類型，它由計算機控制，具有移動、自動導航、多傳感器控制、網絡交互等功能，它可廣泛應用于機械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運、傳輸?shù)裙δ?，也用于自動化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)（以AGV作為活動裝配平臺）；同時可在車站、機場、郵局的物品分撿中作為運輸工具。

10.6

各類工業(yè)機器人介紹

90

AGV（AutomatedGuidedVehicle）是指裝有自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的路徑行馳，在車體上還具有編程和停車選擇裝置、安全保護裝置以及各種物料移載功能的搬運車輛。自動搬運車系統(tǒng)(AGVS)是由若干輛沿導行路徑行馳，在計算機的交通管制下有條不紊地運行，并通過物流系統(tǒng)軟件集成在物流系統(tǒng)、生產系統(tǒng)中。

10.6

各類工業(yè)機器人介紹

9110.6.2點焊機器人焊接機器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等。特點，焊接質量明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高了點焊作業(yè)的生產率。

點焊機器人主要用于汽車整車的焊接工作，生產過程由各大汽車主機廠負責完成。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產企業(yè)提供各類點焊機器人單元產品并以焊接機器人與整車生產線配套形式進入中國，在該領域占據市場主導地位。10.6

各類工業(yè)機器人介紹

9210.6.3弧焊機器人

弧焊機器人主要應用于各類汽車零部件的焊接生產。在該領域，國際大型工業(yè)機器人生產企業(yè)主要以向成套裝備供應商提供單元產品為主。本公司主要從事弧焊機器人成套裝備的生產，根據各類項目的不同需求，自行生產成套裝備中的機器人單元產品，也可向大型工業(yè)機器人企業(yè)采購并組成各類弧焊機器人成套裝備。在該領域，本公司與國際大型工業(yè)機器人生產企業(yè)既是競爭亦是合作關系。10.6

各類工業(yè)機器人介紹

9320公斤點焊機器人點焊機器人在工作中6公斤弧焊機器人工業(yè)機器人弧焊機器人在工作中10.6

各類工業(yè)機器人介紹

9410.6.4激光加工機器人