第1章工业机器人-概述...ppt

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1、工业机器人设计与应用机电工程学院课程介绍课程性质：专业课专业课课程内容：设计工业机器人所需要的基本知识设计工业机器人所需要的基本知识学习方法：课堂学习课堂学习+课后实践课后实践课程要求：学习内容：1.1 机器人 1.2 工业机器人定义及工作环境 1.3 工业机器人基本组成及技术参数 1.4 工业机器人的分类及应用 1.5 工业机器人的未来 第1章 概述重点内容：重点内容：工业机器人的定义、分类、技术参数及组成 学习要求：学习要求：了解：机器人的工作环境、应用、发展 熟悉：熟悉工业机器人的定义、分类、技术参数 掌握：工业机器人组成 1.1 机器人机器人一、什么是机器人？机器人是一种机器人是一种能

2、自动控制能自动控制能自动控制能自动控制、可重复编程可重复编程、多功能多功能，可以可以代替人完成特定任务代替人完成特定任务代替人完成特定任务代替人完成特定任务的一种自动化机电装置。的一种自动化机电装置。二、机器人的分类 机器人的分类方法很多，这里依据2个有代表性的分类方法列举机器人的分类：分别按照应用应用和控制方式控制方式分类。第1章 概述视频视频1视频视频2视频视频3机器人按机器人按应用应用分类：分类：工业机器人工业机器人：极限机器人极限机器人：娱乐机器人娱乐机器人：搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人。搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人。弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、玩具机弹奏乐器的机器人

3、、舞蹈机器人、玩具机器人等，也有根据环境而改变动作的机器器人等，也有根据环境而改变动作的机器人。人。主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。主要是指在人们难以进入的核电站、海底、主要是指在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，也包括建筑、宇宙空间进行作业的机器人，也包括建筑、农业机器人等。农业机器人等。观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片观看图片 第第1 1章章 概述概述机器人按机器人按控制方式控制方式分类：分类：操作机器人操作机器人：程序机器人程序机器人：示教再现机器人示教再现机器人：机器

4、人将所教的操作过程自动地记录在机器人将所教的操作过程自动地记录在磁盘、磁带等存贮器中，当需要再现操磁盘、磁带等存贮器中，当需要再现操作时，可重复所教过的动作过程。作时，可重复所教过的动作过程。典型代表是核电站处理放射性物质时远距离典型代表是核电站处理放射性物质时远距离进行操作的机器人。进行操作的机器人。按预先给定的程序、条件、位置进行作业。按预先给定的程序、条件、位置进行作业。智能机器人智能机器人：综合机器人综合机器人：不仅可以进行预先设定的动作，还可以按不仅可以进行预先设定的动作，还可以按照工作环境的变化改变动作。照工作环境的变化改变动作。由操纵机器人、示教再现机器人、智能机器由操纵机器人、

5、示教再现机器人、智能机器人组合而成的机器人，如火星机器人。人组合而成的机器人，如火星机器人。第第1 1章章 概述概述 1.2 工业机器人定义及工作环境工业机器人定义及工作环境一、工业机器人定义及特点一、工业机器人定义及特点 U.S.RIA提出的定义提出的定义：工业机器人是用来进行搬运材料、：工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。的调用来完成各种工作任务的特种装置。ISO定义定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够

6、完成各种作业的可编程操作机。动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。ISO8373提出更具体的定义提出更具体的定义：机器人具有自动控制及可：机器人具有自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有三个或三个以上再编程、多用途功能，机器人操作机具有三个或三个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。也可移动。1、定义、定义 第1章 概述2、特点、特点（1）可编程）可编程（2）拟人化）拟人化（3）通用性）通用性（4）机电一体化）机电一体化 第1章 概述二、工业机器人与环境交互二、工业机器人与环境交互工业机器人与外部环境的交互

7、包括工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境硬件环境和和软件环境软件环境（1）与）与硬件环境的交互硬件环境的交互主要是主要是与外部设备的通信、工作与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象的描述域中障碍和自由空间的描述、操作对象的描述。（2）与）与软件环境的交互软件环境的交互主要是主要是与生产单元监控计算机所与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信提供的管理信息系统的通信。第1章 概述 工业机器人与环境交互是机器人技术的关键。工业机器工业机器人与环境交互是机器人技术的关键。工业机器人在没有人工干预的情况下对外部环境的自我适应，行动的人在没有人工干预的情况下对外部环境的自我适应

8、，行动的自我规划，将是今后机器人技术及其应用的研究方向！自我规划，将是今后机器人技术及其应用的研究方向！第1章 概述 1.3 工业机器人基本组成及技术参数工业机器人基本组成及技术参数一、工业机器人的基本组成一、工业机器人的基本组成工业机器人由工业机器人由3大部分或大部分或6个子系统组成个子系统组成!机械部分机械部分传感部分传感部分控制部分控制部分驱动系统驱动系统机械结构系统机械结构系统感受系统感受系统机器人机器人-环境交互系统环境交互系统人人-机交互系统机交互系统控制系统控制系统“=”图图1-8 工业机器人的基本组成工业机器人的基本组成 第1章 概述要使机器人运动起来，就需要要使机器人运动起来

9、，就需要给各个关节即每个运动自由度安给各个关节即每个运动自由度安置传动装置。置传动装置。由机身、手臂、末端操作器三由机身、手臂、末端操作器三大件组成。大件组成。由内部传感器模块和外部传感由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。境状态中有意义的信息。实现工业机器人与外部环境中实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。的设备相互联系和协调的系统。是使操作人员参与机器人控制是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置。并与机器人进行联系的装置。其任务是根据机器人的作业指其任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回

10、来的令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。成规定的运动和功能。图图1-9 工业机器人的机械结构系统工业机器人的机械结构系统图图1-10 三菱装配机器人系统三菱装配机器人系统 第第1 1章章 概述概述二、工业机器人的技术参数二、工业机器人的技术参数 工业机器人的主要技术参数一般应有：工业机器人的主要技术参数一般应有：自由度自由度 重复定位精度重复定位精度 工作范围工作范围 最大工作速度最大工作速度 承载能力承载能力1.自由度自由度(Degree of Freedom，Dof)自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目自由度是指机

11、器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪不应包括手爪(末端操作器末端操作器)的开合自由度。的开合自由度。第1章 概述图图1-11 PUMA562工业机器人工业机器人 第1章 概述 第1章 概述2.精度精度(Accuracy)工业机器人精度是工业机器人精度是指定位精度指定位精度和和重复定位精度重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力标位置的能力,可以用标准偏差这个统计量来表示可以用标准偏差这个统计量来表示,

12、它是它是衡量一列误差值的密集度衡量一列误差值的密集度(即重复度即重复度),如图如图1-12所示。所示。图图 1-12 1-12 工业机器人定位精度和重复定位精度的典型情况工业机器人定位精度和重复定位精度的典型情况 第1章 概述(a)重复定位精度的测量；重复定位精度的测量；(b)合理定位精度，合理定位精度，良好重复定位精度；良好重复定位精度；(c)良好定位精度良好定位精度,很差重复定位精度；很差重复定位精度；(d)很差定位精度，很差定位精度，良好重复定位精度良好重复定位精度3.工作范围工作范围(Work Space)工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心

13、所能到达的所有点的集合的所有点的集合,也叫也叫工作区域工作区域。因为末端操作器的尺寸。因为末端操作器的尺寸和形状是多种多样的和形状是多种多样的,为了真实反映机器人的特征参数为了真实反映机器人的特征参数,所以所以,这里是指不安装末端操作器时的工作区域。这里是指不安装末端操作器时的工作区域。第1章 概述图图 1-13 PUMA机器人工作范围机器人工作范围 第1章 概述图图 1-14 A4020型型SCARA机器人工作范围机器人工作范围 第1章 概述4.速度速度(Speed)速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。说速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。说明书中通常提供了主要运动自由度的最

14、大稳定速度明书中通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度,但在但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。所以实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。所以,考虑考虑机器人运动特性时机器人运动特性时,除注意最大稳定速度外除注意最大稳定速度外,还应注意其最还应注意其最大允许的加减速度。大允许的加减速度。第1章 概述5.承载能力承载能力(Payload)承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量,而且还而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安与机器人

15、运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见全起见,承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常通常,承载能力不仅指负载承载能力不仅指负载,而且还包括了机器人末端操作而且还包括了机器人末端操作器的质量。器的质量。机器人有效负载的大小除受到驱动器功率的限制外机器人有效负载的大小除受到驱动器功率的限制外,还受到杆件材料极限应力的限制还受到杆件材料极限应力的限制,因而因而,它又和环境条件它又和环境条件(如地心引力如地心引力)、运动参数、运动参数(如运动速度、如运动速度、加速度以及它们加速度以及它们的方向的方向)有关。有关。第1章 概述图图 1-1

16、5 三菱装配机器人不带电动手爪时的承载能力三菱装配机器人不带电动手爪时的承载能力 第1章 概述图图 1-16 三菱装配机器人带电动手爪时的承载能力三菱装配机器人带电动手爪时的承载能力 第1章 概述 1.4 工业机器人的分类及应用工业机器人的分类及应用 第1章 概述一、工业机器人的分类一、工业机器人的分类机械部分机械部分基本结构基本结构驱动源驱动源直角坐标式机器人直角坐标式机器人圆柱坐标式机器人圆柱坐标式机器人球坐标式机器人球坐标式机器人关节坐标式机器人关节坐标式机器人平面关节式机器人平面关节式机器人柔软臂式机器人柔软臂式机器人冗余自由度式机器人冗余自由度式机器人模块式机器人模块式机器人气动气动

17、液动液动电动电动传感部分传感部分视觉传感器视觉传感器触觉传感器触觉传感器接近觉传感器接近觉传感器人工操纵机器人人工操纵机器人固定程序机器人固定程序机器人可变程序机器人可变程序机器人重演式示教机器人重演式示教机器人计算机数控机器人计算机数控机器人智能机器人智能机器人控控制制部部分分信信息息输输入入和和示示教教方方法法 第1章 概述2、按机器人的控制方式分类、按机器人的控制方式分类非伺服机器人（非伺服机器人（Non-servo Robots）能源能源插销板插销板定序器定序器驱动驱动装置装置机械机械手手限位限位开关开关终端终端制动器制动器图图1-18 非伺服机器人功能示意图非伺服机器人功能示意图 按

18、照预先编好的程序进行工作，使用终端限位开关、按照预先编好的程序进行工作，使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。能源能源比较器比较器放大器放大器驱动驱动装置装置机械手机械手反馈反馈传感器传感器给定给定指令指令被控制量被控制量反馈信号反馈信号图图1-19 伺服机器人功能示意图伺服机器人功能示意图伺服控制机器人伺服控制机器人（Servo-controlled Robots）伺服机器人可分为：点位伺服控制和连续轨迹伺服伺服机器人可分为：点位伺服控制和连续轨迹伺服控制两种。控制两种。第1章 概述3、按机器人的智能程度分类、按机器人的智能程度

19、分类（1）一般机器人）一般机器人（2）智能机器人）智能机器人4、按机器人的移动方式分类、按机器人的移动方式分类（1）固定机器人）固定机器人（2）移动机器人）移动机器人 第1章 概述 第1章 概述二、工业机器人的应用二、工业机器人的应用目前目前,工业机器人主要用于以下几个方面工业机器人主要用于以下几个方面:1)恶劣工作环境及危险工作恶劣工作环境及危险工作 2)特殊作业场合和极限作业特殊作业场合和极限作业 3)自动化生产领域自动化生产领域 第1章 概述目前目前,工业机器人主要用于以下几个方面工业机器人主要用于以下几个方面:1)1)恶劣工作环境及危险工作恶劣工作环境及危险工作压压铸铸车车间间及及核核

20、工工业业等等领领域域的的作作业业是是一一种种有有害害于于健健康康并并危危及及生生命命,或或不不安安全全因因素素很很大大而而不不宜宜于于人人去去做做的的作作业业,用用工工业机器人做是最适合的。业机器人做是最适合的。第1章 概述图图 1-20 燃料自动交换机燃料自动交换机 第1章 概述2)2)特殊作业场合和极限作业特殊作业场合和极限作业火火山山探探险险、深深海海探探密密和和空空间间探探索索等等领领域域对对于于人人类类来来说是力所不能及的说是力所不能及的,只有机器人才能进行作业。只有机器人才能进行作业。图图 1-21 航天飞机上的操作臂航天飞机上的操作臂 第1章 概述3)3)自动化生产领域自动化生产

21、领域早早期期的的工工业业机机器器人人在在生生产产上上主主要要用用于于机机床床上上下下料料、点点焊焊和和喷喷漆漆。随随着着柔柔性性自自动动化化的的出出现现,机机器器人人在在自自动动化化生产领域扮演了更重要的角色。现举例如下生产领域扮演了更重要的角色。现举例如下:(1)(1)焊接机器人焊接机器人 (2)材料搬运机器人材料搬运机器人(3)检测检测 (4)装配机器人装配机器人(5)喷漆和喷涂喷漆和喷涂 第1章 概述 1.5 工业机器人的未来工业机器人的未来 一、一、全球机器人的发展状况全球机器人的发展状况1954年年,美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并并申请了

22、专利。申请了专利。1958年年,被誉为被誉为“工业机器人之父工业机器人之父”的的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司创建了世界上第一个机器人公司Unimation(Universal Automation)公司公司,并参与设计了第并参与设计了第一台一台Unimate 机器人机器人,如图如图1-22所示。所示。第1章 概述本章小节：本章小节：重点内容重点内容：工业机器人的定义、分类、技术参数及组成学习要求：学习要求：了解：机器人的工作环境、应用、发展熟悉：熟悉工业机器人的定义、分类、技术参数掌握：工业机器人组成 第1章 概述（a）具有三个移动关节，能使手臂末端沿

23、直角坐标系的）具有三个移动关节，能使手臂末端沿直角坐标系的X、Y、Z三个坐标轴作直线移动。三个坐标轴作直线移动。（b）具有一个转动关节和两个移动关节，构成圆柱形状的工）具有一个转动关节和两个移动关节，构成圆柱形状的工作范围。作范围。（c）具有两个转动关节和一个移动关节，构成球缺形状的工作）具有两个转动关节和一个移动关节，构成球缺形状的工作范围。范围。（d）具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，构成）具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，构成较为复杂形状的工作范围。较为复杂形状的工作范围。（e）关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，）关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面，它是一种装配机器人，也叫做关节轴线共面，它是一种装配机器人，也叫做SCARA机器人。机器人。图图1-17 五种基本坐标形式五种基本坐标形式工业机器人工业机器人1、按工业机器人的几何结构分类、按工业机器人的几何结构分类返回返回