《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課件第1章

第1章緒論1.1機(jī)器人的分類(lèi)1.2工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展1.3工業(yè)機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)

“機(jī)器人”一詞不僅可以在科幻小說(shuō)、動(dòng)畫(huà)片中看到和聽(tīng)到，在電視中我們也可以看到在工廠進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，在實(shí)際生活中同樣有機(jī)會(huì)看到機(jī)器人的展示。

“機(jī)器人”一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家KarelCapek的劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中。在劇本中，作家塑造了一個(gè)具有人的外表、特征和功能，愿意為人類(lèi)服務(wù)的機(jī)器人奴仆“Robota”，在該劇中機(jī)器人被描寫(xiě)成像奴隸那樣進(jìn)行勞動(dòng)的機(jī)器。

在現(xiàn)實(shí)生活中，機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置。這種裝置既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說(shuō)，機(jī)器人是機(jī)器進(jìn)化過(guò)程的產(chǎn)物，是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。有關(guān)機(jī)器人的定義隨著時(shí)代的進(jìn)步在發(fā)生著變化。簡(jiǎn)單地說(shuō)，把具有下述性質(zhì)的機(jī)械看做是機(jī)器人：

(1)代替人進(jìn)行工作。機(jī)器人能像人那樣使用工具和機(jī)械，因此，數(shù)控機(jī)床和汽車(chē)不是機(jī)器人。

(2)具有通用性。機(jī)器人既可簡(jiǎn)單地變換所進(jìn)行的作業(yè)，又能按照工作狀況的變化相應(yīng)地進(jìn)行工作。一般的玩具機(jī)器人不具有通用性。

(3)直接對(duì)外界工作。機(jī)器人不僅能像計(jì)算機(jī)那樣進(jìn)行計(jì)算，而且能依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)外界產(chǎn)生作用。

1984年，ISO(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)的建議，給機(jī)器人下了定義，即“機(jī)器人是一種可反復(fù)編程和多功能的用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作工具，為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程的動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)

(areprogrammableandmultifunctionalmanipulator，devisedforthetransportofmaterials，parts，toolsorspecializedsystems,withvariedandprogrammedmovements，withtheaimofcarringoutvariedtasks)”。

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多種學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。而且，機(jī)器人應(yīng)用情況是反映一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。

1.1機(jī)器人的分類(lèi)

1.按照應(yīng)用類(lèi)型分類(lèi)

機(jī)器人按應(yīng)用類(lèi)型可分為工業(yè)機(jī)器人、極限作業(yè)機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人。

(1)工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人有搬運(yùn)、焊接、裝配、噴漆、檢查等機(jī)器人，主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中，如圖1.1、圖1.2所示。圖1.1弧焊機(jī)器人圖1.2汽車(chē)焊接生產(chǎn)線上的機(jī)器人

(2)極限作業(yè)機(jī)器人。極限作業(yè)機(jī)器人主要是指在人們難以進(jìn)入的核電站、海底、宇宙空間進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，也包括建筑、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等，如圖1.3、圖1.4所示。圖1.3排爆機(jī)器人圖1.4火星探測(cè)機(jī)器人

(3)娛樂(lè)機(jī)器人。娛樂(lè)機(jī)器人包括彈奏樂(lè)器的機(jī)器人、舞蹈機(jī)器人、玩具機(jī)器人等(具有某種程度的通用性)，也有根據(jù)環(huán)境而改變動(dòng)作的機(jī)器人，如圖1.5、圖1.6所示。圖1.5寵物機(jī)器狗圖1.6機(jī)器男孩

2.按照控制方式分類(lèi)

機(jī)器人按控制方式可分為操作機(jī)器人、程序機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、智能機(jī)器人和綜合機(jī)器人。

(1)操作機(jī)器人。操作機(jī)器人的典型代表是在核電站處理放射性物質(zhì)時(shí)遠(yuǎn)距離進(jìn)行操作的機(jī)器人。在這種場(chǎng)合，相當(dāng)于人手操縱的部分稱(chēng)為主動(dòng)機(jī)械手，而從動(dòng)機(jī)械手基本上與主動(dòng)機(jī)械手類(lèi)似，只是從動(dòng)機(jī)械手要比主動(dòng)機(jī)器手大一些，作業(yè)時(shí)的力量也更大。

(2)程序機(jī)器人。程序機(jī)器人按預(yù)先給定的程序、條件、位置進(jìn)行作業(yè)，目前大部分機(jī)器人都采用這種控制方式工作。

(3)示教再現(xiàn)機(jī)器人。示教再現(xiàn)機(jī)器人同盒式磁帶的錄放一樣，將所教的操作過(guò)程自動(dòng)記錄在磁盤(pán)、磁帶等存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要再現(xiàn)操作時(shí)，可重復(fù)所教過(guò)的動(dòng)作過(guò)程。示教方法有手把手示教、有線示教和無(wú)線示教，如圖1.7所示。圖1.7機(jī)器人示教

(4)智能機(jī)器人。智能機(jī)器人不僅可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作，還可以按照工作環(huán)境的變化改變動(dòng)作。

(5)綜合機(jī)器人。綜合機(jī)器人是由操作機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、智能機(jī)器人組合而成的機(jī)器人，如火星機(jī)器人。1997年7月4日，“火星探險(xiǎn)者(MarsPathfinder)”在火星上著陸，著陸體是四面體形狀，著陸后三個(gè)蓋子的打開(kāi)狀態(tài)如圖1.8所示。它在能上、下、左、右動(dòng)作的攝像機(jī)平臺(tái)上裝有兩臺(tái)CCD攝像機(jī)，通過(guò)立體觀測(cè)而得到空間信息。整個(gè)系統(tǒng)可以看做是由地面指令操縱的操作機(jī)器人。圖1.8火星探險(xiǎn)者圖1.8所示的火星機(jī)器人既可按地面上的指令移動(dòng)，也能自主地移動(dòng)。地面上的操縱人員通過(guò)電視可以了解火星地形，但由于電波往返一次大約需40分鐘，因此不能一邊觀測(cè)一邊進(jìn)行操縱。所以，要考慮火星機(jī)器人的動(dòng)作程序，可用這個(gè)程序先在地面進(jìn)行移動(dòng)實(shí)驗(yàn)，如果沒(méi)有問(wèn)題，再把它傳送到火星上，火星機(jī)器人就可再現(xiàn)同樣的動(dòng)作。該機(jī)器人不僅能移動(dòng)，而且能在到達(dá)指定目標(biāo)后用自身的傳感器一邊檢測(cè)障礙物一邊安全移動(dòng)。

1.2工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展

1.2.1工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

目前，工業(yè)機(jī)器人主要用于以下幾個(gè)方面。

1)惡劣工作環(huán)境及危險(xiǎn)工作

壓鑄車(chē)間及核工業(yè)等領(lǐng)域的作業(yè)是一種有害于健康并可能危及生命，或不安全因素很大而不宜于人去從事的作業(yè)，此類(lèi)工作由工業(yè)機(jī)器人做是最適合的。圖1.9所示為核工業(yè)上沸騰水式反應(yīng)堆(BWR)燃料自動(dòng)交換機(jī)。BWR的燃料是把濃縮的鈾丸放在長(zhǎng)4m的護(hù)套內(nèi)，把它們集中在一起作為燃料的集合體，裝入反應(yīng)堆的堆心。每隔一定時(shí)期要變更已裝入燃料的位置，以提高鈾的燃燒效率，并把已充分燃燒的燃料集合體與新的燃料集合體進(jìn)行交換。這些作業(yè)都在定期檢查時(shí)完成，并且為了冷卻使用過(guò)的燃料和遮蔽放射線，這種燃料交換的作業(yè)是在水中進(jìn)行的。從作業(yè)人員到被處理的燃料之間的距離約為17m～18m，過(guò)去作業(yè)人員是靠手動(dòng)進(jìn)行操作的，難免會(huì)產(chǎn)生誤操作；另外，如果為了盡可能縮短距離而靠近操作，則容易受到輻射的危害。燃料自動(dòng)交換機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1.9所示，它是由機(jī)上操作臺(tái)、輔助提升機(jī)、臺(tái)架、空中吊運(yùn)機(jī)、主提升機(jī)、燃料夾持器等組成的；采用了計(jì)算機(jī)控制方式，可依據(jù)操作人員的運(yùn)轉(zhuǎn)指令，完成自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)、半自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的燃料交換。這種裝置的主要特征是：①可以在遠(yuǎn)距離的操作室中全自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；②精密的多重圓筒立柱可提高定位精度；③利用計(jì)算機(jī)可以控制系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，防止誤操作。這種交換機(jī)的使用不僅提高了效率，降低了對(duì)操作人員的輻射，而且由計(jì)算機(jī)控制的操作自動(dòng)化可以提高作業(yè)的安全性。圖1.9沸騰水式反應(yīng)堆燃料自動(dòng)交換機(jī)

2)特殊作業(yè)場(chǎng)合和極限作業(yè)

火山探險(xiǎn)、深海探密和空間探索等領(lǐng)域?qū)τ谌祟?lèi)來(lái)說(shuō)是力所不能及的，只有機(jī)器人才能進(jìn)行作業(yè)。如圖1.10所示的航天飛機(jī)上用來(lái)回收衛(wèi)星的操作臂RMS(RemoteManipulatorSystem)，它是由加拿大SPAR航天公司設(shè)計(jì)并制造的，是世界上最大的關(guān)節(jié)式機(jī)器人。該操作臂額定載荷為15000kg，

最大載荷為30000kg；末端操作器的最大速度空載時(shí)為0.6m/s，承載15000kg時(shí)為0.06m/s，承載30000kg時(shí)為0.03m/s；定位精度為±0.05m。這些額定參數(shù)是在外層空間

抓放飛行體時(shí)的參數(shù)。圖1.10航天飛機(jī)上的操作臂

3)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域

早期的工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)上主要用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和噴漆。隨著柔性自動(dòng)化的出現(xiàn)，機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域扮演了更重要的角色?，F(xiàn)舉例如下：

(1)焊接機(jī)器人。汽車(chē)制造廠已廣泛應(yīng)用焊接機(jī)器人進(jìn)行承重大梁和車(chē)身結(jié)構(gòu)的焊接?；『笝C(jī)器人需要6個(gè)自由度，其中3個(gè)自由度用來(lái)控制焊具跟隨焊縫的空間軌跡，另外3個(gè)自由度保持焊具與工件表面有正確的姿態(tài)關(guān)系，這樣才能保證良好的焊縫質(zhì)量。

(2)材料搬運(yùn)機(jī)器人。材料搬運(yùn)機(jī)器人可用來(lái)上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件定向等作業(yè)。一個(gè)簡(jiǎn)單抓放作業(yè)機(jī)器人只需較少的自由度；一個(gè)給零件定向作業(yè)的機(jī)器人要求有更多的自由度，以增加其靈巧性。

(3)檢測(cè)機(jī)器人。零件制造過(guò)程中的檢測(cè)以及成品檢測(cè)都是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。檢測(cè)機(jī)器人主要有兩個(gè)工作內(nèi)容：確認(rèn)零件尺寸是否在允許的公差內(nèi)；控制零件按質(zhì)量分類(lèi)。

(4)裝配機(jī)器人。裝配是一個(gè)比較復(fù)雜的作業(yè)過(guò)程，不僅要檢測(cè)裝配作業(yè)過(guò)程中的誤差，而且要試圖糾正這種誤差。因此，裝配機(jī)器人上應(yīng)用有許多傳感器，如接觸傳感器、視覺(jué)傳感器、接近傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器等。

(5)噴漆和噴涂機(jī)器人。一般在三維表面進(jìn)行噴漆和噴涂作業(yè)時(shí)，至少要有5個(gè)自由度。由于可燃環(huán)境的存在，驅(qū)動(dòng)裝置必須防燃防爆。在大件上作業(yè)時(shí)，往往把機(jī)器人裝在一個(gè)導(dǎo)軌上，以便行走。

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用給人類(lèi)帶來(lái)了許多好處，如：減少勞動(dòng)力費(fèi)用；提高生產(chǎn)率；改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量；增加制造過(guò)程的柔性；減少材料浪費(fèi)；控制和加快庫(kù)存的周轉(zhuǎn)；降低生產(chǎn)成本；消除危險(xiǎn)和惡劣的勞動(dòng)崗位。1.2.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展

1.全球機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r

1954年，美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該專(zhuān)利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教，機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人，現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。

1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的JosephF.EngelBerger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司——Unimation(UniversalAutomation)公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺(tái)Unimate機(jī)器人，如圖1.11所示。這是一臺(tái)用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，手臂的控制由一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)完成。它采用分

離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲(chǔ)信息的磁鼓，能夠記憶完成180個(gè)工作步驟。與此同時(shí)，另一家美國(guó)公司——AMF公司也開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人，即Versatran(VersatileTransfer)機(jī)器人，如圖1.12所示。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸，采用液壓驅(qū)動(dòng)。圖1.11

Unimate機(jī)器人圖1.12

Versatran機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史可用表1.1來(lái)說(shuō)明。表1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺(jué)和觸覺(jué)等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。20世紀(jì)80年代，將具有感覺(jué)、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱(chēng)為智能機(jī)器人。這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間。水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世，許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。將機(jī)器人的技術(shù)(如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等)擴(kuò)散和滲透到各個(gè)領(lǐng)域，便形成了各式各樣的新機(jī)器——機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前，與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”的名稱(chēng)，這也說(shuō)明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。

美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。在1967～1974年的幾年時(shí)間里，因?yàn)檎畬?duì)機(jī)器人發(fā)展的重視程度不夠，且機(jī)器人處于發(fā)展初期，價(jià)格昂貴，適用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。此后，由于美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)、制造工程師協(xié)會(huì)積極主動(dòng)地進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)推廣工作，且美國(guó)為了高效生產(chǎn)，適應(yīng)市場(chǎng)多變的需要，以機(jī)器人為核心的柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線恰好具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以機(jī)器人技術(shù)得以迅猛發(fā)展。美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，雖然在機(jī)器人發(fā)展史上美國(guó)走過(guò)一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究的曲折道路，但是美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上仍一直處于領(lǐng)先地位，其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)，具體表現(xiàn)在：

(1)性能可靠，功能全面，精確度高；

(2)機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快，語(yǔ)言類(lèi)型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；

(3)智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在航天、汽車(chē)工業(yè)中廣泛應(yīng)用；

(4)高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面。日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了20世紀(jì)60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用化時(shí)期以及80年代的普及、提高期3個(gè)基本階段。在1967年，日本東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國(guó)AMF公司引進(jìn)Versatran機(jī)器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國(guó)Unimation公司締結(jié)國(guó)際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)Unimation機(jī)器人。1970年，日本機(jī)器人實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。從此，日本進(jìn)入了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)時(shí)期。幾年后，美國(guó)反而要從日本進(jìn)口機(jī)器人。1983年，美國(guó)從日本進(jìn)口的機(jī)器人占美國(guó)進(jìn)口機(jī)器

人總數(shù)的78%。日本政府和企業(yè)一直充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。在解決勞動(dòng)力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，機(jī)器人發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的一支不可缺少的隊(duì)伍。日本在汽車(chē)、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使日本汽車(chē)及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低，從而使日本生產(chǎn)的汽車(chē)能夠以?xún)r(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱(chēng)“汽車(chē)王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年日本機(jī)器人的銷(xiāo)售額為5850億日元，其中出口額達(dá)到3730億日元。日本推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的主要原因是向海外發(fā)展的日本企業(yè)數(shù)量逐漸增加，

同時(shí)海外的汽車(chē)制造商也開(kāi)始積極地引進(jìn)日本的機(jī)器人?，F(xiàn)在，日本機(jī)器人主要用于汽車(chē)制造業(yè)和電子機(jī)械產(chǎn)業(yè)，而電子機(jī)械產(chǎn)業(yè)中的電子零部件封裝、半導(dǎo)體封裝、無(wú)塵室、組裝等領(lǐng)域占了日本機(jī)器人銷(xiāo)售額的一半?，F(xiàn)在日本擁有機(jī)器人的總量為美國(guó)的7倍。

2.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70年代的萌芽期、80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。

20世紀(jì)70年代是世界科技發(fā)展的一個(gè)里程碑：人類(lèi)登上了月球，實(shí)現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國(guó)也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用掀起了一個(gè)高潮，尤其在日本發(fā)展更為迅猛，它補(bǔ)充了日本日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下，我國(guó)于1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著改革開(kāi)放的不斷深入，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究得到了政府的重視與支持?！捌呶濉逼陂g，國(guó)家投入資金，對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)，研制出了噴涂、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。1986年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)開(kāi)始實(shí)施，經(jīng)過(guò)幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機(jī)器人。從20世紀(jì)90年代初期起，我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變時(shí)期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步，先后研制出了裝配、噴漆、切割、包裝、碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。

目前我國(guó)機(jī)器人研究的主要內(nèi)容如下。

(1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。

(2)智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)研究。

(3)機(jī)器人化機(jī)械研究開(kāi)發(fā)。

(4)以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)。

(5)多傳感器信息融合與配置技術(shù)。另外，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人仍將保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)勢(shì)頭，2011年新安裝各類(lèi)工業(yè)機(jī)器人9500臺(tái)，市場(chǎng)保有量達(dá)了到48600臺(tái)?？傊?，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，機(jī)器人產(chǎn)品的生產(chǎn)成本會(huì)大大降低，性能會(huì)愈加完善，因此工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)中將得到飛速發(fā)展。據(jù)美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)統(tǒng)計(jì)，至2008年底，世界各地已經(jīng)部署了100萬(wàn)臺(tái)各種工業(yè)機(jī)器人，其中日本工業(yè)機(jī)器人密度居世界首位，每萬(wàn)名工人擁有制造機(jī)器人的臺(tái)數(shù)達(dá)到了世界平均水平的10倍，比排在第二位的新加坡多出了一倍。其中日本每萬(wàn)名工人擁有295臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，新加坡169臺(tái)，韓國(guó)164臺(tái)，德國(guó)163臺(tái)。雖然排在前三位的國(guó)家都在亞洲，不過(guò)歐洲卻是世界上工業(yè)機(jī)器人密度最大的地區(qū)。歐洲國(guó)家工業(yè)機(jī)器人密度為每萬(wàn)名工人50臺(tái)，

美洲平均為31臺(tái)，亞洲平均為27臺(tái)。

1.3工業(yè)機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)

1.3.1工業(yè)機(jī)器人的基本組成

工業(yè)機(jī)器人由3大部分6個(gè)子系統(tǒng)組成。3大部分是機(jī)械部分、傳感部分和控制部分。6個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可用圖1.13來(lái)表示。圖1.13工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

6個(gè)子系統(tǒng)的作用分述如下。

1.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安裝傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；也可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器3大件組成，如圖1.14所示。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若基座具備行走機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂(SingleRobotArm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。圖1.14工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

3.感受系統(tǒng)

感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。人類(lèi)的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對(duì)于一些特殊的信息，傳感器比人類(lèi)的感受系統(tǒng)更有效。

4.機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)

機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。

當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

5.人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端、指令控制臺(tái)、信息顯示板、危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器、示教盒等。該系統(tǒng)歸納起來(lái)分為兩大類(lèi)：指令給定裝置和信息顯示裝置。

6.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。

圖1.15為三菱裝配機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成。該機(jī)器人由機(jī)器人主體、控制器、示教盒和PC機(jī)等構(gòu)成?？捎檬窘痰姆绞胶陀肞C機(jī)編程的方式來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。圖1.15三菱裝配機(jī)器人系統(tǒng)1.3.2工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)

工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是各工業(yè)機(jī)器人制造商在產(chǎn)品供貨時(shí)所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。表1.2、表1.3和表1.4分別為3種工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。盡管各廠商提供的技術(shù)參數(shù)不完全一樣，工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、用途等有所不同，且用戶(hù)的要求也不同，但工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)一般應(yīng)有自由度、定位精度、工作范圍、最大工作速度和承載能力等。表1.2三菱裝配機(jī)器人MovemasterEXRV-M1的主要技術(shù)參數(shù)表1.3

PUMA562機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)表1.4

BR-210并聯(lián)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)

1.自由度(DegreesofFreedom)

自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括手爪(末端操作器)的開(kāi)合自由度。在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)(簡(jiǎn)稱(chēng)位姿)需要6個(gè)自由度。但是，工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能小于6個(gè)自由度，也可能大于6個(gè)自由度。例如，A4020裝配機(jī)器人具有4個(gè)自由度，可以在印刷電路板上接插電子器件；PUMA562機(jī)器人具有6個(gè)自由度，如圖1.16所示，可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，在完成某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人，就叫做冗余自由度機(jī)器人。圖1.16

PUMA562機(jī)器人

2.定位精度(PositioningAccuracy)

工業(yè)機(jī)器人精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)表示，它是衡量一列誤差值的密集度(即重復(fù)度)，如圖1.17所示。圖1.17工業(yè)機(jī)器人定位精度和重復(fù)定位精度的典型情況

3.工作范圍(WorkSpace)

工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，也叫工作區(qū)域。因?yàn)槟┒瞬僮髌鞯某叽绾托螤钍嵌喾N多樣的，為了真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù)，所以這里是指不安裝末端操作器時(shí)的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的，機(jī)器人在執(zhí)行作業(yè)時(shí)可能會(huì)因?yàn)榇嬖谑植坎荒艿竭_(dá)的作業(yè)死區(qū)(DeadZone)而不能完成任務(wù)。圖1.18和圖1.19所示分別為PUMA機(jī)器人和A4020型SCARA機(jī)器人的工作范圍。圖1.18

PUMA機(jī)器人工作范圍圖1.19

A4020型SCARA機(jī)器人工作范圍

4.速度(Speed)和加速度

速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。說(shuō)明書(shū)中通常提供了主要運(yùn)動(dòng)自由度的最大穩(wěn)定速度，但在實(shí)際應(yīng)用中單純考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的。這是因?yàn)?，由于?qū)動(dòng)器輸出功率的限制，從啟動(dòng)到最大穩(wěn)定速度或從最大穩(wěn)定速度到停止，都需要一定時(shí)間。如果最大穩(wěn)定速度高，允許的極限加速度小，則加減速的時(shí)間就會(huì)長(zhǎng)一些，對(duì)應(yīng)用而言的有效速度就要低一些；反之，如果最大穩(wěn)定速度低，允許的極限加速度大，則加減速的時(shí)間就會(huì)短一些，這有利于有效速度的提高。但如果加速或減速過(guò)快，有可能引起定位時(shí)超調(diào)或振蕩加劇，使得到達(dá)目標(biāo)位置后需要等待振蕩衰減的時(shí)間增加，則也可能使有效速度反而降低。所以，考慮機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，除注意最大穩(wěn)定速度外，還應(yīng)注意其最大允許的加減速度。

5.承載能力(Payload)

承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量，而且還與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見(jiàn)，承載能力這一技術(shù)指標(biāo)是指機(jī)器人高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。通常，承載能力不僅指負(fù)載，而且還包括了機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。機(jī)器人有效負(fù)載的大小除受到驅(qū)動(dòng)器功率的限制外，還受到桿件材料極限應(yīng)力的限制，因而它又和環(huán)境條件(如地心引力)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及它們的方向)有關(guān)。如加拿大手臂，它的額定可搬運(yùn)質(zhì)量為15000kg，在運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)能達(dá)到30000kg。然而，這種負(fù)荷能力只是在太空中失重條件下才有可能達(dá)到，在地球上，該手臂本身的重量達(dá)450kg，它連自重引起的臂桿變形都無(wú)法承受，更談不上搬運(yùn)質(zhì)量了。

圖1.20所示為三菱裝配機(jī)器人不帶電動(dòng)手爪時(shí)的承載能力。圖1.20三菱裝配機(jī)器人不帶電動(dòng)手爪時(shí)的承載能力圖1.21所示為三菱裝配機(jī)器人帶電動(dòng)手爪時(shí)的承載能力。圖1.21三菱裝配機(jī)器人帶電動(dòng)手爪時(shí)的承載能力1.3.3工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)

如圖1.22所示，工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。圖1.22工業(yè)機(jī)器人的幾種坐標(biāo)形式

1.直角坐標(biāo)型／笛卡兒坐標(biāo)型／臺(tái)架型(3P)

這種機(jī)器人由3個(gè)線性關(guān)節(jié)組成，這3個(gè)關(guān)節(jié)用來(lái)確定末端操作器的位置，通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來(lái)確定末端操作器的姿態(tài)。這種機(jī)器人在x、y、z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理，且方程是線性的，因此很容易通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)；它可以?xún)啥酥?，?duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)

度，剛性最大；它的精度和位置分辨率不隨工作場(chǎng)合而變化，容易達(dá)到高精度。但是，它的操作范圍小，手臂收縮的同時(shí)又向相反的方向伸出，既妨礙工作，又占地面積大，運(yùn)動(dòng)速度低，密封性不好。

圖1.23虛線所示為直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間示意圖，它是一個(gè)立方體形狀。圖1.23直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間示意圖

2.圓柱坐標(biāo)型(R2P)

圓柱坐標(biāo)機(jī)器人由兩個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的位置，再附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的姿態(tài)。這種機(jī)器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角，工作范圍可以擴(kuò)大，且計(jì)算簡(jiǎn)單；直線部分可采用液壓驅(qū)動(dòng)，可輸出較大的動(dòng)力；能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部。但是，它的手臂可以到達(dá)的空間受到限制，不能到達(dá)近立柱或近地面的空間；直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵；后臂工作時(shí)，手臂后端會(huì)碰到工作范圍內(nèi)的其他物體。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍呈圓柱形狀，如圖1.24所示。圖1.24圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍

3.球坐標(biāo)型(2RP)

球坐標(biāo)機(jī)器人采用球坐標(biāo)系，它用一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的位置，再用一個(gè)附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機(jī)器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)，中心支架附近的工作范圍大，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封，覆蓋工作空間較大。但該坐標(biāo)復(fù)雜，難于控制，且直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問(wèn)題。球坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍呈球缺狀，如圖1.25所示。圖1.25球坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍

4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)型/擬人型(3R)

關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的，類(lèi)似于人的手臂，是工業(yè)機(jī)器人中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜，如圖1.18所示為PUMA機(jī)器人的工作范圍。

5.平面關(guān)節(jié)型

這種機(jī)器人可看做是關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人的特例，它只有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸線共面。如SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)機(jī)器人有兩個(gè)并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以使機(jī)器人在水平面上運(yùn)動(dòng)，此外，再用一個(gè)附加的滑動(dòng)關(guān)節(jié)做垂直運(yùn)動(dòng)。SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè)，最顯著的特點(diǎn)是它們?cè)趚－y平面上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性，而沿z軸具有很強(qiáng)的剛性，所以它具有選擇性的柔性。這種機(jī)器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作空間如圖1.26所示。圖1.26平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作空間1.3.4工業(yè)機(jī)器人的參考坐標(biāo)系

機(jī)器人可以相對(duì)于不同的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，在每一種坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)都不相同。通常，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)在以下3種坐標(biāo)系中完成(如圖1.27所示)。圖1.27機(jī)器人的參考坐標(biāo)系

1.全局參考坐標(biāo)系

全局參考坐標(biāo)系是一種通用坐標(biāo)系，由x、y和z軸所定義。在此情況下，通過(guò)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的同時(shí)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生沿三個(gè)主軸方向的運(yùn)動(dòng)。在這種坐標(biāo)系中，無(wú)論手臂在哪里，x軸的正向運(yùn)動(dòng)總是在x軸的正方向。這一坐標(biāo)系通常用來(lái)定義機(jī)器人相對(duì)于其他物體的運(yùn)動(dòng)、與機(jī)器人通信的其他部件以及運(yùn)動(dòng)路徑。

2.關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系

關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系用來(lái)描述機(jī)器人每一個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。假設(shè)希望將機(jī)器人的手運(yùn)動(dòng)到一個(gè)特定的位置，可以每次只運(yùn)動(dòng)一個(gè)關(guān)節(jié)，從而把手引導(dǎo)到期望的位置上。在這種情況下，每一個(gè)關(guān)節(jié)單獨(dú)控制，從而每次只有一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。由于所用關(guān)節(jié)的類(lèi)型(移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)型)不同，因此機(jī)器人手的動(dòng)作也各不相同。例如，如果為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，則機(jī)器人手將繞著關(guān)節(jié)的軸旋轉(zhuǎn)。

3.工具參考坐標(biāo)系

工具參考坐標(biāo)系描述機(jī)器人手相對(duì)于固連在手上的坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。固連在手上的x′、y′和z′軸定義了手相對(duì)于本地坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。與通用的全局參考坐標(biāo)系不同，本地的工具參考坐標(biāo)系隨機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)。假設(shè)機(jī)器人手的指向如圖1.27所示，相對(duì)于本地的工具參考坐標(biāo)系x′軸的正向運(yùn)動(dòng)意味著機(jī)器人手沿工具參考坐標(biāo)系x′軸方向運(yùn)動(dòng)。如果機(jī)器人的手指向別處，那么同樣沿著工具參考坐標(biāo)系x′軸的運(yùn)動(dòng)將完全不同于前面的運(yùn)動(dòng)。如果x′軸指向上，那么沿+x′軸的運(yùn)動(dòng)便是向上的；反之，如果x′軸指向下，那么沿+x′軸的運(yùn)動(dòng)便是向下的?？傊?，工具參考坐標(biāo)系是一個(gè)活動(dòng)的坐標(biāo)系，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)它也隨之不斷改變，因

此隨之產(chǎn)生的相對(duì)于它的運(yùn)動(dòng)也不相同，這取決于手臂的位置以及工具參考坐標(biāo)系的姿態(tài)。機(jī)器人所有的關(guān)節(jié)必須同時(shí)運(yùn)動(dòng)才能產(chǎn)生關(guān)于工具參考坐標(biāo)系的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。在機(jī)器人編程中，工具參考坐標(biāo)系是一個(gè)極其有用的坐標(biāo)系，使用它便于對(duì)機(jī)器人靠近、離開(kāi)物體或安裝零件進(jìn)行編程。1.3.5工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)副

在空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，兩相鄰的桿件之間有一個(gè)公共的軸線Sj，兩桿之間允許沿Sj軸線或繞Sj軸線做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副。組成空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、螺旋副、圓柱副、球面副、平面副和萬(wàn)向鉸等，其中常用的有

轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、圓柱副和球面副。

1.轉(zhuǎn)動(dòng)副(revolutepair，簡(jiǎn)記為R)

轉(zhuǎn)動(dòng)副也稱(chēng)為回轉(zhuǎn)副，通常用字母R表示，它允許兩構(gòu)件繞Sj軸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角為θj，如圖1.28所示。兩構(gòu)件之間的垂直距離為Sjj，稱(chēng)為偏距，且為常數(shù)。這種運(yùn)動(dòng)副具有一個(gè)相對(duì)自由度(f=1)，轉(zhuǎn)角及偏距完全表示了空間兩桿之間的相對(duì)關(guān)系。圖1.28轉(zhuǎn)動(dòng)副

2.移動(dòng)副(prismaticpair，簡(jiǎn)記為P)

移動(dòng)副允許兩構(gòu)件沿軸線做相對(duì)移動(dòng)，如圖1.29所示，位移為Sj，而兩構(gòu)件之間的夾角θjj為常數(shù)，稱(chēng)為偏角。這種運(yùn)動(dòng)副具有一個(gè)自由度(f=1)的連接。圖1.29移動(dòng)副

3.螺旋副(helicalpair，簡(jiǎn)記為H)

螺旋副允許做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩構(gòu)件在繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，沿軸線做與轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)的相對(duì)移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)副的自由度仍等于1(f=1)。螺旋副運(yùn)動(dòng)的位移與螺旋節(jié)距Pjj有關(guān)，即當(dāng)Sd=Pjjθjj為正時(shí)，表示右旋螺紋，反之為左旋螺紋。

4.圓柱副(cylindricpair，簡(jiǎn)記為C)

圓柱副同時(shí)允許兩構(gòu)件做繞軸線的獨(dú)立相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和沿軸線的獨(dú)立相對(duì)移動(dòng)，具有兩個(gè)自由度(f=2)。圓柱副的運(yùn)動(dòng)等效于共軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副(C=PR)。它是用兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副連接兩個(gè)桿件的運(yùn)動(dòng)，其中一個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，另一個(gè)為移動(dòng)副。圖1.30表示了由一個(gè)圓柱副連接的兩桿一副運(yùn)動(dòng)鏈。該運(yùn)動(dòng)副的軸線為Sj，偏轉(zhuǎn)角為θj、偏距Sjj都是獨(dú)立變量。圖1.30圓柱副

5.球面副(sphericalpair，簡(jiǎn)記為S)

球面副允許兩構(gòu)件間具有三個(gè)獨(dú)立的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1.31所示，具有三個(gè)相對(duì)自由度(f=3)。桿aij與ajk的相對(duì)位置可以由三個(gè)歐拉角α、β、γ給定。桿aij固定，桿ajk上的任意點(diǎn)做以O(shè)為球心的球面運(yùn)動(dòng)。以O(shè)XYZ表示固定坐標(biāo)系，oxyz表示動(dòng)坐標(biāo)系。角度α、β、γ的度量分別是構(gòu)件ajk依次繞X軸、Y軸和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因此，坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系為(1.1)其中圖1.31球面副

6.平面副(planarpair，簡(jiǎn)記為E)

平面副允許兩構(gòu)件間存在三個(gè)相對(duì)自由度(f=3)，如圖1.32所示，其中的兩個(gè)是在平面內(nèi)的移動(dòng)自由度，另一個(gè)是在該平面中的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。與平面副運(yùn)動(dòng)等效的四桿三運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)鏈可以是2P-R、2R-P或3R。圖1.33中給出了2R-P的兩種運(yùn)動(dòng)鏈形式RPR、RRP，以及3R運(yùn)動(dòng)鏈。圖1.32平面運(yùn)動(dòng)副圖1.33

2R-P和3R運(yùn)動(dòng)鏈

7.萬(wàn)向鉸(universaljoint，簡(jiǎn)記為U)

萬(wàn)向鉸也稱(chēng)為胡克鉸，允許兩構(gòu)件有兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度(f=2)，它相當(dāng)于軸線相交的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(U=RR)，如圖1.34所示。圖1.34萬(wàn)向鉸1.3.6工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

機(jī)器人機(jī)構(gòu)分串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。組成機(jī)器人的機(jī)構(gòu)決定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

對(duì)于串聯(lián)式機(jī)構(gòu)，常用一串運(yùn)動(dòng)副符號(hào)來(lái)表示，如RCCC。這組符號(hào)反映了空間機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)，它給出了從輸入到輸出運(yùn)動(dòng)副的個(gè)數(shù)及運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)。每一位符號(hào)表示連接機(jī)架和輸入桿的運(yùn)動(dòng)副，R即為轉(zhuǎn)動(dòng)副，后面依次為兩個(gè)圓柱副，最后—位輸出為圓柱副。對(duì)于空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，我們用每條分支中支鏈的基本副數(shù)的數(shù)字鏈并列起來(lái)表示其結(jié)構(gòu)，如6-5-4，表示有3條分支，每條分支中支鏈的基本副數(shù)分別為6，5，4。如果并聯(lián)機(jī)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)形式的分支鏈，則可簡(jiǎn)化為下面的表示方法：6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)(如圖1.35所示)。6-SPS表示該機(jī)構(gòu)由6個(gè)支鏈連接運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)，其各分支結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，并且每一個(gè)分支都是由球副—移動(dòng)副—球副構(gòu)成的。機(jī)構(gòu)名稱(chēng)開(kāi)頭的數(shù)字表示機(jī)構(gòu)的分支數(shù)，后面的字母表示分支鏈的結(jié)構(gòu)。對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，若上、下平臺(tái)有不同數(shù)目的球鉸，可用兩位數(shù)字表示。如3/6-SPS機(jī)構(gòu)，表示上平臺(tái)是三角形，有3個(gè)球副；下平臺(tái)是六邊形，有6個(gè)球副。圖1.35

6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度出發(fā)，只要是多自由度的，驅(qū)動(dòng)器分配在不同環(huán)路上的并聯(lián)多環(huán)機(jī)構(gòu)都可以稱(chēng)為并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

表1.5列出了當(dāng)各分支運(yùn)動(dòng)副是單自由度基本副時(shí)，得到的各種結(jié)構(gòu)形式的并聯(lián)機(jī)器人。表1.5中第一列為機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；第二列為機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)，用數(shù)字鏈形式表示，每一個(gè)數(shù)字表示支鏈的基本副數(shù)目，數(shù)字有幾個(gè)就表示機(jī)構(gòu)有幾條支鏈，與串聯(lián)運(yùn)動(dòng)副符號(hào)含義相同，如5-4-4，表示該機(jī)構(gòu)有3個(gè)分支，每個(gè)分支的基本副數(shù)分別為5，4，4；第三列為對(duì)應(yīng)實(shí)例。表1.5空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式1.3.7并聯(lián)機(jī)器人

并聯(lián)機(jī)器人又稱(chēng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)(PM，ParallelMechanism)，一般結(jié)構(gòu)如圖1.36所示。并聯(lián)機(jī)器人可以定義為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)兩種形式，二者通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)