第一章工业机器人概论.docx

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1、第一章 概论 提起机器人，我们都不陌生，脱口就能说出一大串机器人的名字：铁臂阿童木、霹雳五号、奥特曼、终结者等，这些都是小说或影视作品中的主人翁。可以说大多数人都是从影视作品中了解机器人的，影视作品中的机器人，功能都很强大，看起来很神奇，正是由于这些影视作品的影响，人们对机器人给予了非常高的希望，但现实中的机器人并不像人，与其说是机器人，还不如说是一台机器。但是只有想到了，才能做到，那些神奇的机器人正是我们共同奋斗的目标。我们只有了解了现实的机器人，才能创造出未来更好的机器人。 机器人技术是一门高新技术，作为21世纪的人才，面临高新技术和自动化技术的冲击，面临国际市场经济和技术迅猛发展的激烈竞

2、争，机器人技术是迎接未来挑战的有力武器和理想助手，机器人使人类从繁琐、恶劣的作业环境中解脱出来，而从事更加雄伟的事业，开创未来世界。 对年青朋友来说，不管你以后搞不搞机器人技术，也不管你涉不涉足机器人产业，都有必要了解一些机器人知识，因为未来的机器人将对你的生活和工作产生巨大的影响。 作业1 机器人发展概况综述。第一节 工业机器人的概念 关于工业机器人，目前世界各国尚无统一定义，分类方法也不尽相同。 美国： 工业机器人是一种可重复编辑的多功能操作装置，它可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件和工具。 日本：1）工业机器人是整机能够回转，有抓取（或吸住）物体的手抓和能够进

3、行伸缩、弯曲、升降（仰俯），回转及其复合动作的臂部，带有记忆部件，可部分地代替人进行自动操作的具有通用性的机械。 2）具有人体上肢（臂、手）动作功能，可进行多种动作的装置，或者具有感觉功能，可自主进行多种动作的装置。日本定义的工业机器人的范围是较广的，他们将工业机器人分为六类： 人控机械手 固定程序控制机器人 可变程序控制机器人 示教再现机器人 数值控制机器人 智能机器人 我国对“机械手”和“工业机器人”的定义：机械手：就是附属于主机，动作简单，工作程序固定，定位点不能灵活改变；用来重复抓放物料的操作手。 manipulator工业机器人：是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意

4、定位，自动化程序高的自动操作机械。 Industrial robot工业机器人，无论从它的外形或结构来说，都和人有很大的差别，它虽然不完全具备人体的许多功能（如人四肢多自由度灵活机能、五官的感觉机能等），但在做某些动作时，它具有和人相同甚至超过人的能力。一部功能完整的机器设备一般由动力装置、传动装置、电气控制系统、执行装置、机架等部分组成。动力装置：为设备提供合适类型的动力源。一般由电动机或内燃机等原动机组成。执行装置：按照机器设备的性能要求，输出参数合理的功率并做出正确的动作。一般由机械机构或机械装置组成。传动装置：由于动力装置所能提供的功率、转速、转矩等技术参数的变化范围有限，很难直接满足

5、执行装置输出功率参数千变万化与具体要求，因此在机器设备的动力装置和执行装置之间往往需要设置的动力装置，以满足执行装置输出参数的技术要求。通常有机械传动、电气传动和流体传动等形式，这三种传动装置各有自己的特点与不足，分别用于不同类型，不同要求的机器设备中，在有些机器设备的传动装置中，也有同时采用不同类型的传动装置组成组合传动装置，如机液联合传动装置、电液联合传动装置等，以便获得更优的传动与控制效果。流体传动是以流体（液体或压缩空气）为传动工作介质进行能量传递与控制的一种传动形式，包括： 液体传动 两种形式 气体传动液体传动：工作介质是液体。 气体传动：工作介质是压缩空气（压缩能）。 液力传动：利

6、用高速流动液体的动能与刚体叶轮进行能量交换来实现能量传递，工作时液体的流速很多但压力较低。液体传动 液压传动：利用封闭容腔中流动液体的流量和压力进行能量传递，工作时液体的流速较低但压力很大。电气控制系统：对机器设备上述各部分进行准确协调的控制，确保整台机器设备正常有序地工作。第二节 工业机器人的组成 工业机器人通常由执行机构、驱动装置机构、控制系统和监测系统四部分组成。这些部分之间的相互作用为：位形监测（二）控制系统一检测系统（一）控制系统二驱动传动装置执行装置工作对象一 、执行机构：执行机构也称操作机，使机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能角度，执行机构可分为：手部、腕

7、部、臂部、腰部（立柱）和基座等。1 手部：又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，其作用是直接抓取和放置物件。可以是各种手持器。2 腕部：是连接手部和臂部的部件。其作用是调整或改变手部的姿态， 是操作机中结构最复杂的部分。3 臂部：又称手臂，用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（大臂和小臂）组成，用以带动腕部运动。4 腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，于臂部运动结合，把腕部传递到须到的工作位置。5 基座：（行走机构）基座是机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，该部件必须具有足够的刚度、强度和稳定性。二 驱动传动装置 工业机器人的驱动传动装置包括驱动器和传动机构两部

8、分，它们通常与执行机构连成机器人本体。 传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝杆、链、带以及各种齿轮系。 电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。驱动器通常有 液压驱动： 气动驱动：三 控制系统 这个系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作。 一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算机发出指令，协调各关节驱动之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现，以及和其他环境状态（传感器信息）、工艺要求，外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作。伺服控制各个关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度、和位置要求进行运动。四 检测系统 检测系统的作用就是通过各种检测器、传感器

9、、检测执行机构的运动境况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进行比较后对执行机构进行调整以保证其动作符合设计要求。 第三节 工业机器人的主要性能参数 工业机器人规格表示如下：1 名称与型号2 主要用途3 类别（主要根据控制系统功能来分）4 坐标形式5 自由度 自由度是机器人的一种重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接影响到机器人的机动性。 刚度自由度 物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体的自由度是指：物体能够相对坐标系进行独立运动的数目。（DOF：degree freedom）沿着坐标轴ox,oy和oz的三个平移运动：T1,T2和T3.绕着坐标轴ox，oy和oz的三个旋转运动R1

10、,R2和R3这意味着物体能够运用三个评议和三个旋转，相对于坐标系进行定向和运动。一个物体有六个自由度，当两个物体间确立起某种关系时，每一物体就对另一物体失去一些自由度。这种关系也可以用两物体间由于建立连接关系而不能进行的移动和转动来表示。 机器人自由度 人们期望机器人能够以准确的方位把它的端部执行装置或与它的连接的工具移动到给定点。如果机器人的用途预先不知道，那么它应当具有六个自由度；例如，要把一个球放到空间某个给定位置，又三个自由度就足够了；又如，要对某旋转砖头进行定位与定向，就需要五个自由度。机器人机械手的手臂一般具有3个自由度，其他的自由度数为末端执行装置所具有。例如，当要求某一机器人钻

11、孔时，其钻头必须转动，不过，这一转动总是由外部的马达带动的，因此，不把它看作机器人的一个自由度，这同样适用于机器人的一个自由度，这同样适用于机器人的机械手爪，机械手的夹手应能开闭，这个开闭所用的自由度不能当作机器人的自由度，因为这个自由度只对夹手的操作起作用。6 抓重：又称臂力，指额定抓取重量，以kg表示。7 动作范围与速度：指各运动自由度的行程范围和动作速度： 手臂运动参数包括 手腕运动参数 手指夹持范围(mm)和握力(加紧力或吸力)8 定位方式：是指采用的固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关、电位器或其它位置设定和检测装置。9 控制方式：(是采用PTP，还是CP控制)10 定位精度：位置设

12、定精度或重复定位精度。11 驱动方式：指采用液压、气动、电动、机械等何种方式以及驱动机构情况。12 驱动源：油泵规格、电动机功率、类型、规格。13 编程方法与程序容量：程序存储方式。14 外形尺寸15 整机重量16 控制系统电源规格。第三节 机器人的分类机器人的分类方法主要有三种： (1) 按设备的机械结构（坐标形式）分类。(2) 按控制部件(即关节或轴)分类。(3) 按用途分类。一 根据坐标系分类 虽然机器人的结构差异很大，但所有机器人均能将一个部件移动到空间的某一点。装置（机器人）的主要运动轴一般有13个自由度，由结实耐用的关节（多半紧靠基座部位）构成。因而，大部分机器人按这些关节所用的坐

13、标系将机器人分为四类，即柱坐标、球坐标、笛卡尔坐标和垂直多关节机器人。1 柱坐标系机器人 当水平臂或杆架安装在一垂直柱上，而该柱有安装在一个旋转基座上，这种结构可称为柱坐标机器人。手臂可伸缩（沿r方向） 滑动架（托板）可沿柱上下移（Z轴 方向） 水平臂和滑动架组合件可作为基座上 的一个整体而旋转（绕Z轴）（一般旋转不允许旋转360，因为有液压，电气或气动联结机构或连线造成的这种约束。） 根据机械上的要求，其伸出长度有一最小值和最大值，所以，此机器人总的体积或工作包络范围是圆柱体的一部分。2 球坐标系机器人 其臂可升出缩回（R）类似于可伸缩的望远镜套筒。 在垂直面内绕轴回转（） 在基座水平面内转

14、动（）机器人的结构机构的运动是球坐标运动，机器人称为球坐标机器人。由于机械和驱动器连线的限制，机器人的工作包络范围是球体的一部分。3 关节机器人 关节机器人实际上有三种不同的形状： 纯球状 平行四边形球状 圆柱状(1)纯球状这种最普通的关节结构中，机器人所有的连杆都用枢轴装置而成，因而都可以旋转。机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂转动角度；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可绕此肩关节进行角度；而基座可自由转动，因而整个组合件可在与基座平行的平面内移动角度，具有这类结构的机器人的工作包络范围大体上是球状的。这种设计的优点主要是机械臂可以够的找机器人基座附近的地方，并越过其

15、工作范围内的人和障碍物。(2)平行四边形球状用多重闭合的平行四边形的连杆机构代替单一的刚性构件的上臂，这种结构的主要优点是： 它允许关节驱动器位置靠近机器人的基座或装在机器人的基座上，这就意味着它们不是装在前臂或上臂之内或之上，从而使臂的惯性机重量大为减少，结果是采用同样大小的执行器时它们所具有的承载能力就比 球体关节的机器人要大。 其另一个优点是机械刚度比其它大多数机械手大。平行四边形结构的主要缺点是与相应的关节球状坐标机器人的工作范围相比较，受到的限制较大。(3)圆柱状这种结构用多重铰接开放运动学链系代替纯圆柱状机器人中的单一轴部件。这种机器人有精密且快速的优点，但一般垂直作用范围有限（Z

16、方向），通常Z轴运动用一简单的气缸或步进店及控制，而其它轴则采用较复杂的精巧的电气执行器（如伺服电机）。4 笛卡尔坐标系机器人（直角坐标机器人） 这是一种最简单的结构，其机械手的连杆按线性方式移动，这类机器人的运动轴称为“棱柱形”。 (1)悬臂笛卡尔式 机器人的机械手构件受到约束在平行于笛卡尔坐标轴x、y、z的方向上移动，臂连到主干，而主干又于基座相连接。这种形式的坐标机器人从支承架伸出的长度有限，刚性差，但其工作空间所受约束较其它机器人所受的约束少，此外它重复性和精度高。其坐标更近乎自然状态，故编程容易，可是有些运动形式，由于需要大量计算，此结构可能较难完成，如方向与任何轴都不平行的直线轨迹

17、。 (2) 门形笛卡尔式 它一般在需要精确移动及沉重的负载时使用，这类机器人常常安在顶板（天花板）上。上述分类只考虑了机械手的几个主要轴（空间位置），一台机器人的位置不仅限于三个自由度，一般前臂的端部要加一个碗点，该附件本身允许几个附加运动：滚动、俯仰、偏摆。此外，机器人的整个机座安装在一个允许在一个平面内运动的物体上（例xy 平台或导轨）。二 根据控制方法分类1 非伺服控制的机器人 从控制的角度来看，非伺服控制时最简单的形式，用来称呼这类机械手的名称还有：端点机器人、选取装入机器人或开关式机器人。不考虑机械结构或用途如何，这类机器人的主要特点是它们的轴保持运动，至于走完各自的行程范围为止。因

18、此，每个轴只可以设定两个位置，控制的非伺服性质意味着机械一旦开始移动，将移动知道碰到适当的定位挡块为止，任何中间的运动都没有监测，因此，人们称这类机器人的控制处于开环状态。因为成本低，操作简单，在较小型的机器人中常使用开环或非伺服控制。特点： 因为臂的尺寸小且轴的驱动器施加的是满动力，这些机器人的速度相对较大。 这些机器人价格低廉，易于操作和维修，同时也是极为可靠的设备。 工作重复性约在0.254mm，也就是说，有能力返回同一点，误差在0.254mm范围。 这类机器人在定位和编程方面灵活有限，因此，虽然可使一轴以上同时移动，但一般却不能使机械手端部握持的工具沿直线移动，除非该直线与机器人的运动

19、轴重合，同样，也不能实现几个轴同时到达预定终点的协同运动。2 伺服控制的机器人 伺服控制的机器人一般又细分为连续控制类和定位（点到点）控制类。但无论哪一类，都要对有关位置和速度的信息进行连续监测并反馈到与家机器人各关节有关的控制系统中去，因此，各轴都是闭环的。闭环控制的应用是机械手的构件能按照指令在各轴行程范围内的任何位置移动。特点： 与非伺服控制机器人比较，有较大的记忆存储容量。 机械手端部可按三个不同类型的运动方式移动：点到点、直线、连续轨迹。 在机械允许的极限范围内，位置精度可通过调查伺服回路中相应放大器的增益加以变动。 编程工作一般以示教模式完成。 机器人几个轴之间的“协同运动”，使机械手的端部描绘出一条极为复杂的轨迹，一般在小型或微型计算机控制下自动进行。 与非伺服机器人相比，价格贵些，可靠性稍差些。(1) 点位伺服控制机器人 点位控制的机器人广泛用于执行江部件从某一位置移动到另一位置的操作。例如：垛码或装卸托盘作业。(2) 连续轨迹伺服控制的机器人 许多应用要求机械手的作用半径大或能送重的负载物，特别是有的应用场合，需要沿空间一条复杂的轨迹运动，还可能要求手臂末端作高速运动。 这种应用包括：喷漆、抛光、磨削、电弧焊等，运动要求执行的任务十分复杂，因为轨迹是连续，故称连续轨迹（CP）机器人。