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1、第1章 绪论第2章 制造自动化技术第3章 微细加工技术第4章 快速原型技术第5章 工业机器人第6章 虚拟制造技术第7章 纳米技术第8章 压电驱动与控制技术第9章 绿色制造技术第5章 工业机器人中国农业大学先进制造技术第5章 工业机器人5.1 概 述5.2 工业机器人的机械结构设计 5.3 工业机器人运动学和动力学 5.4 工业机器人轨迹规划和控制 5.5 工业机器人的感觉技术 5.6 工业机器人在现代制造技术中的应用 5.7 工业机器人的发展趋势 5.1 概 述5.1.1 工业机器人的概念 5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点 5.1.3 工业机器人的分类 5.1.4 工业机器人的基本参
2、数和性能指标 5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点n 现代的工业机器人一般由机械系统、控制系统、驱动系统、智能系统四大部分组成。控制系统驱动系统机械系统机械手转动肘部伸张肩部回转上臂前臂偏摆俯仰翻滚手腕法兰3412图5-1 工业机器人的组成1 基座 2 腰部 3 臂部 4 腕部中国农业大学 5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点n 工业机器人在结构上特点，主要有：1）工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接，末端开放的一个开式连杆系，连杆末端一般无法加以支撑，因而操作机的结构刚度差。2）在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。3）连杆驱动扭矩在运动
3、过程中的变化规律比较复杂，连杆的驱动属于伺服控制型，对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。4）连杆的受力状态、刚度条件和动态性能都随位姿的改变而变化，因此容易发生振动或其它不稳定现象。5.1.3 工业机器人的分类 n 按结构形式分类 n 按驱动方式分类n 按自由度数目分类n 按控制类型分类 5.2 工业机器人的机械结构设计5.2.1 机器人机型评价5.2.2 机器人的臂部结构5.2.3 机器人的腕部结构5.2.4 机器人的手部结构 5.2.1 机器人机型评价n 性能指标n 能耗指标n 寿命指标121 2 3图 图5-3 5-3 齿轮齿条增倍的手臂机构 齿轮齿条增倍的手臂机构1 1
4、 运动齿条 运动齿条 2 2 齿轮 齿轮 3 3 活塞杆 活塞杆图 图5-4 5-4 手臂回转运动机构 手臂回转运动机构1 1 齿轮 齿轮 2 2 齿条活塞活塞 齿条活塞活塞 5.2.2 机器人的臂部结构 5.2.3 机器人的腕部结构图图 5-5 SCARA 5-5 SCARA机器人机器人 5.2.3 机器人的腕部结构图 图5-6 5-6 汇交式两自由度手腕 汇交式两自由度手腕1 1 法兰 法兰 2 2 锥齿轮轴 锥齿轮轴 3 3 锥齿轮 锥齿轮 4 4、8 8 弹簧 弹簧 5 5、7 7 链轮 链轮 6 6、9 9 轴承 轴承 10 10 转壳 转壳Ln1 23 4 56710 89 5.2
5、.4 机器人的手部结构45123图 图5-10 5-10 夹持式末端执行器 夹持式末端执行器1 1 手指 手指 2 2 传动机构 传动机构 3 3 驱动装置 驱动装置 4 4 工件 工件 5.2.4 机器人的手部结构图 图5-11 5-11 气流负压吸附取料手 气流负压吸附取料手1 1 橡胶吸盘 橡胶吸盘 2 2 心套 心套 3 3 通气螺钉 通气螺钉 4 4 支承杆 支承杆 5 5喷嘴 喷嘴 6 6 喷嘴套 喷嘴套123456 5.2.4 机器人的手部结构图图5-12 5-12 三指手爪三指手爪S.F.（第2指）F.F.（第1指）T.F.（第3指）5.3 工业机器人运动学和动力学分析5.3.
6、1 工业机器人运动学分析5.3.2 工业机器人动力学分析 5.3.1 工业机器人运动学分析 机器人运动学研究的是操作机各连杆间的位移关系、速度关系和加速度关系，关节变量与机器人末端执行器位姿和运动的系。n 机器人连杆参数及连杆坐标系的建立 为了研究操作机各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系。5.3.2 工业机器人动力学分析 工业机器人动力学主要是是研究物体的运动和受力之间的关系。两种研究机器人动力学问题的方法n 拉格朗日法n 牛顿欧拉法 5.4 工业机器人轨迹规划和控制5.4.1 工业机器人的轨迹规划5.4.2 工业机器人的控制 5.4.1 工业机器
7、人轨迹规划 机器人的工作过程，就是通过规划将要求的任务变为期望的运动和力，由控制环节根据期望的运动和力信号，产生相应的控制作用，以使机器人输出实际的运动和力，从而完成期望的任务，这一个过程可以表述如图5-16所示。n 关节空间轨迹规划法 在关节空间进行轨迹规划时，路径不是唯一的，只要满足路径点上的约束条件可以选取不同类型的关节角度函数生成不同的轨迹。5.4.1 工业机器人轨迹规划n 直角坐标空间轨迹规划法n 轨迹的实时生成 5.4.2 工业机器人的控制n 工业机器人的控制实际上包含“任务规划”、“动作规划”、“轨迹规划”和“伺服控制”等多个层次（如图5-19）。n 工业机器人控制的一个明显特点
8、是要求实现多轴运动的协调控制，包括运动轨迹和动作时序等多方面的协调，并要求有较高的位置精度和很大的调速范围。5.4.2 工业机器人的控制n 关节伺服控制 是以关节位置或关节轨迹为目标值的控制形式。n 作业空间伺服控制 5.5 工业机器人的感觉技术 机器人感觉技术可分为内部状态感觉和外部状态感觉两大类。机器人对本身状态（如位姿、速度和加速度）的检测称为内部状态感觉；机器人对工作环境的感觉称为外部状态的感觉。n 视觉传感器 视觉一般是利用光（也可采用可见光以外的红外线等）的非接触方式来识别物体。常见的视觉传感器包括PSD传感器、CCD图像传感器、全方位视觉传感器等。5.5 工业机器人的感觉技术n
9、触觉传感器 目前的触觉传感器主要有接触觉、接近觉、压觉、滑觉和力觉传感器四种。5.6 工业机器人在现代制造业中的应用5.6.1 焊接机器人5.6.2 喷漆机器人5.6.3 装配机器人5.6.4 搬运机器人 5.6.1 焊接机器人n 点焊机器人 图5-30所示为德国产IR662/100型点焊机器人总图，它是一种用于地面安装的工业机器人。n 弧焊机器人 图5-31所示为日本汽车工业使用的一种曲柄式弧焊机器人。17161514 13121 110987123456 5.6.1 焊接机器人图 图5-30 IR662/100 5-30 IR662/100 型点焊机器人 型点焊机器人1 1 手臂及手腕 手
10、臂及手腕 2 2 臂架 臂架 3 3 橡皮缓冲器 橡皮缓冲器 4 4 肘形节杆 肘形节杆 5 5 回转台 回转台 6 6 基 基座 座 7 7 连接电缆 连接电缆 8 8 转台缓冲器 转台缓冲器 9 9 第一轴（转台）电机（第一轴（转台）电机（M1 M1）10 10、14 14 平衡气缸 平衡气缸 11 11 第二轴（臂架）电机（第二轴（臂架）电机（M2 M2）12 12 第三轴螺杆 第三轴螺杆 15 15 驱动臂架 驱动臂架 16 16 电机组（电机组（M4 M4、M5 M5、M6 M6）17 17 控制柜 控制柜 5.6.1 焊接机器人 5.6.1 焊接机器人焊接电源显示器机器人控制装置夹
11、具控制装置机器人焊接夹具工件图图5-31 5-31 弧焊机器人弧焊机器人 5.6.1 焊接机器人 5.6.1 焊接机器人 5.6.2 喷漆机器人n 喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电 产品和各种塑料制品的喷漆作业。图5-32为日本TOKICO公司生产RPA856RP关节式喷漆机器人。该机器人由操作机、控制箱、修正盘和液压源四部分组成。5.6.2 喷漆机器人关节3（70）小臂关节5（210）关节4（210）大臂关节1（100）基座转台手腕关节6（420）关节2（75）图图5-32 RPA 856RP 5-32 RPA 856RP 机器人基本组成及关机器人基本组成及关节轴回转角度节轴回转角度 5.
12、6.2 喷漆机器人 5.6.3 装配机器人n 采用工业机器人进行自动装配，是近十几年来才发展起来的一项新技术。从目前的情况看，整个机械制造过程中自动化程度最低的就是装配工艺。图5-33所示是日本九洲工业大学研制的专用装配机器人KAM。带有力反馈机构的精密装配作业机器人的装配作业如图5-34所示。5.6.3 装配机器人2143657141513121 110891622 21 20191817图 图5-33 KAM 5-33 KAM 装配机器人机械结构图 装配机器人机械结构图1 1 Z Z 方向导轨挡板 方向导轨挡板 2 2 r r 方向电机安装台 方向电机安装台 3 3 减速齿轮 减速齿轮 4
13、 4 方向直联齿轮 方向直联齿轮 5 5 r r 方向导轨 方向导轨 6 6 r r 方向滚珠丝杠 方向滚珠丝杠 7 7 Z Z 方向滚珠丝杠 方向滚珠丝杠 8 8 Z Z 方向导轨 方向导轨 9 9 传动箱 传动箱 10 10 Z Z 方向丝杠支座 方向丝杠支座 11 11 涡轮 涡轮 12 12 装配底板 装配底板 13 13 支座 支座 14 14 Z Z方向进给齿轮 方向进给齿轮 15 15 Z Z 方向直联齿轮 方向直联齿轮 16 16 Z Z 轴进给支板 轴进给支板 17 17 爪部 爪部 18 18 轴承座 轴承座 19 19 涡杆 涡杆 20 20 中间齿轮 中间齿轮 21 2
14、1 方向直联齿轮 方向直联齿轮 22 22 方向电 方向电机安装台 机安装台 5.6.3 装配机器人1z23 4 576yx89图 图5-34 5-34 精密插入装配机器人的装配作业 精密插入装配机器人的装配作业1 1 主机器人 主机器人 2 2 柔性手腕 柔性手腕 3 3、5 5 触觉传感器（应变片）触觉传感器（应变片）4 4 弹簧片 弹簧片 6 6基座零件的传送、定位 基座零件的传送、定位 7 7 辅助机器人 辅助机器人 8 8 联套供料机构 联套供料机构 9 9 小轴供 小轴供料机构 料机构 5.6.4 搬运机器人n 随着计算机集成制造技术、物流技术、自动仓储技术的发展，搬运机器人在现代
15、制造业中的应用也越来越广泛。图5-35所示为一种搬运机器人。该机器人是用来抓取、搬运来自输送带或输送机上流动的物品的自动化装置。5.6.4 搬运机器人y 轴z 轴x 轴极式分配器多工位式输送机卸载输送机控制台极式输送机操作台横进给式输送机图5-35 搬运机器人500 型的构成 5.7 工业机器人技术的发展趋势5.7.1 机器人的智能化5.7.2 机器人的多机协调化5.7.3 机器人的标准化5.7.4 机器人的模块化5.7.5 机器人的微型化 5.7.1 机器人的多机协调化n 机器人的智能化研究可以分为两个层次，一是利用模糊控制、神经元网络控制等智能控制策略，利用被控对象对模型依赖性不强的特点来
16、解决机器人的复杂控制问题；二是使机器人具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力，面对非结构性环境能够自主寻求解决方案并加以执行，这是更高层次的智能化。5.7.1 机器人的多机协调化 5.7.2 机器人的智能化n 由于生产规模不断扩大，对机器人的多机协调作业要求越来越迫切。在很多大型生产线上，往往要求很多机器人共同完成一个生产过程，因而每个机器人的控制就不单纯是自身的控制问题，需要多机协调动作。5.7.2 机器人的智能化 5.7.2 机器人的智能化n 步行机器人视频录象 5.7.3 机器人的标准化n 机器人的标准化工作是一项十分重要而又艰巨的任务。机器人的标准化有利于制造业的发展，但目前不同厂家的
17、机器人人之间很难进行通讯和零部件的互换。机器人的标准化问题不是技术层面的问题，而主要是不同企业之间的认同和利益问题。5.7.4 机器人的模块化n 智能机器人和高级机器人的结构力求简单紧凑，其高性能部件甚至全部机构的设计已向模块化方向发展。其驱动采用交流伺服电机，向小型和高输出方向发展；其控制装置向小型化和智能化方向发展；其软件编程也也在向模块化方向发展。5.7.5 机器人的微型化n 微型机器人是21世纪的尖端技术之一。微型驱动器、微型传感器等是开发微型机器人的基础和关键技术，它们将对精密机械加工、现代光学仪器、超大规模集成电路、现代生物工程、遗传工程和医学工程等产生重要影响。介于大中型机器人和微型机器人之间的小型机器人也是机器人发展的一个趋势。5.7.5 机器人的微型化