工业机器人的技术指标(1)

1、.1 课前回顾 所 处 位 置 工业机器人的系统由哪几部 分组成？ 工业机器人的驱动方式， 常见的有哪几种？ 【 课 前 回 顾 】 .2 章节目录 思考练习 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 2.1.2 控制器 2.1.3 示教器 2.2 工业机器人的技术指标 学习目标 导入案例 扩展与提高 本章小结 课堂认知 2.3 工业机器人的运动控制 2.3.1 机器人运动学问题 2.3.2 机器人的点位运动 2.3.3 机器人的位置控制 .3 学习目标 所 处 位 置 熟悉工业机器人的常熟悉工业机器人的常 见技术指标见技术指标 能够正确识别工业机能够正确识别工业机 器人的点位运动和连

2、器人的点位运动和连 续路径运动续路径运动 【 学 习 目 标 】 返回 目录 认知目标认知目标 能力目标能力目标 了解工业机器人的运了解工业机器人的运 动控制动控制 能够掌握工业机器人能够掌握工业机器人 的技术指标的含义的技术指标的含义 .4 2.2 2.2 工业机器人的技术指标工业机器人的技术指标 机器人的技术指标反映机器人的 适用范围适用范围和工作性能工作性能。 所 处 位 置 【 课 堂 认 知 自由度自由度 工作空间工作空间 额定负载额定负载 最大工作速度最大工作速度 工作精度工作精度 一般都有： .5 一、关节（一、关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之：即运动副，允许

3、机器人手臂各零件之 间发生相对运动的机构。间发生相对运动的机构。 .6 .7 .8 .9 .10 .11 .12 .13 .14 .15 .16 .17 .18 二、连杆二、连杆（Link）：）：机器人手臂上被机器人手臂上被相邻两关节相邻两关节分开的部分。分开的部分。 三、刚度（三、刚度（Stiffness）：）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形机身或臂部在外力作用下抵抗变形 的能力的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移） 之比来度量之比来度量。 .19 1、自由度（Degree of freedom） ：或者称坐标轴数，是指描 述物体运动

4、所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指手指的开、合，以及手指 关节的自由度一般不包括在内。关节的自由度一般不包括在内。 工业机器人的技术指标工业机器人的技术指标 通常作为机器人的技术指标，反映机器人动作的灵活性灵活性， 可用轴的直线移动、摆动直线移动、摆动或旋转动作旋转动作的数目来表示。 目前，焊接和涂装作业机器人多为目前，焊接和涂装作业机器人多为 6 或或 7 自由度，而搬运、自由度，而搬运、 码垛和装配机器人多为码垛和装配机器人多为 46 自由度。自由度。 .20 机器人的自由度越多，机器人的自由度越多， 就越能接近人手的动作就越能接近人手的动作 机能，通用性就越好；机能，通用性就越好

5、； 但是自由度越多，结构但是自由度越多，结构 越复杂，对机器人的整越复杂，对机器人的整 体要求就越高，这是机体要求就越高，这是机 器人设计中的一个矛盾器人设计中的一个矛盾。 是不是自由度是不是自由度 越多越好呢？越多越好呢？ .21 2、额定负载 也称持重。正常操作条件下，作用 于机器人手腕末端，不会使机器人性能降低的最 大载荷。 3、工作精度 目前，工业机器人的重复精度可达目前，工业机器人的重复精度可达 0.01 0.5mm 。依据作业任务和末端持重不同，机器人。依据作业任务和末端持重不同，机器人 重复精度亦不同。重复精度亦不同。 目前，使用的工业机器人负载范围可从目前，使用的工业机器人负载

6、范围可从 0.5kg直 至 800kg 。 .22 工业机器人典型行业应用的工作精度工业机器人典型行业应用的工作精度 所 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 额定负载（额定负载（ kg ） 重复定位精度（重复定位精度（ mm ） 作业任务作业任务 搬运搬运 0.2 0.5 5200 码垛码垛 0.5 50800 点焊点焊 0.2 0.3 50350 弧焊弧焊 0.08 0.1 320 喷涂喷涂 0.2 0.5 520 0.02 0.03 25 装配装配 0.06 0.08 610 0.06 0.1 1020 19/30 .23 4、工作空间 也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时， 其手

7、腕参考点或手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）末端操作器安装点（不包括末端操作器） 所能掠过的空间，一般不包括末端操作器本身所能到达一般不包括末端操作器本身所能到达 的区域。的区域。 目前，单体工业机器人本体的工作范围可达目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。左右。 .24 所 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 b) 水平串联多关节机器人 MOTOMAN MPP3S a) 垂直串联多关节机器人 MOTOMAN MH3F 返回 c) 并联多关节机器人 MOTOMAN MYS650L 目录 不同本体结构 YASKAWA 机器人工作范围 20/30 .25 最大工作速

8、度最大工作速度通常指机器人通常指机器人手腕中心手腕中心 的最大速度。的最大速度。这在生产中是影响生产这在生产中是影响生产 效率的重要指标。效率的重要指标。 5、工作速度、工作速度 机器人在工作载荷条机器人在工作载荷条 件下、匀速运动过程中，机械接口中件下、匀速运动过程中，机械接口中 心或工具中心点在心或工具中心点在单位时间单位时间内所内所移动移动 的距离的距离或或转动的角度转动的角度 机器人的运动速度机器人的运动速度是指单关节速度；是指单关节速度； .26 2.3 工业机器人的运动控制工业机器人的运动控制 2.3.1 机器人运动学问题 所 处 工业机器人操作机可看作是一个开链式多连杆开链式多连

9、杆 机构 ，始 端连杆就是机器人的基座 ， 末端连杆与 工具相连 ， 相邻连杆之间用一个关节（轴）连接 在一起 。对于一个 6 自由度工业机器人，它由 6 个 连杆和 6 个关节（轴）组成。编号时，基座称为连基座称为连 杆杆 0 ，不包含在这，不包含在这 6 个连杆内个连杆内，连杆 1 与基座由关 节 1 相连，连杆 2 通过关节 2 与连杆 1 相连，依此 类推。 位 置 【 课 堂 认 知 】 返回 目录 .27 a) 实物图实物图 连杆连杆 4 连杆连杆 6 连杆连杆 5 连杆连杆 3 关节关节 6 关节关节 5 关节关节 4 关节关节 3 连杆连杆 2 关节关节 2 连杆连杆 1 关节

10、关节 1 连杆连杆 0 b) 机构简图机构简图 工业机器人操作机工业机器人操作机 .28 2.3.1 机器人运动学问题 所 处 (1) 运动学正问题 对给定的机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相 对于参考坐标系的位姿，称之为正向运动学正向运动学 （运动学正解或 Where 问题）。）。 位 置 【 课 堂 认 知 】 Where is my hand? 返回 目录 运动学正问题（示教）运动学正问题（示教） 机器人示教机器人示教 时，机器人时，机器人 控制器即逐控制器即逐 点进行运动点进行运动 学正解运算。学正解运算。 .29 (2) 运动学逆问题 对给定的机器人操作机，已知末端执行器

11、在参考坐标系中 的初始位姿和目标（期望）位姿，求各关节角矢量，称之 为逆向运动学逆向运动学 （运动学逆解或 How 问题）。）。 How do I put my hand here? 运动学逆问题（再现）运动学逆问题（再现） 机器人再现时，机器人再现时， 机器人控制器即机器人控制器即 逐点进行运动学逐点进行运动学 逆解运算，并将逆解运算，并将 矢量分解到操作矢量分解到操作 机各关节机各关节。 .30 2.3.2 机器人的点位运动和连续路径运动 所 处 位 (1) 点位运动（ Point to Point, PTP ） PTP 运动只关心机器人末 端执行器运动的起点和目标点位姿，不关心这两点之间

12、的运不关心这两点之间的运 动轨迹。动轨迹。 置 (2) 连续路径运动（ Continuous Path, CP ） CP 运动不仅关心机 器人末端执行器达到目标点的精度，而且必须保证机器人能沿而且必须保证机器人能沿 所期望的轨迹在一定精度范围内重复运动所期望的轨迹在一定精度范围内重复运动。 【 课 堂 认 知 】 Z Y A X E D B C 工业机器人工业机器人 PTP 运动和运动和 CP 运动运动 .31 2.3.2 机器人的点位运动和连续路径运动 所 机器人机器人 CP 运动的实现是以点到点运动为基础，运动的实现是以点到点运动为基础， 通过在相邻两点之间采用满足精度要求的直线或通过在相

13、邻两点之间采用满足精度要求的直线或 圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化。 机器 人再现时主控制器（上位机从）存储器中逐点取出 各示教点空间位姿坐标值，通过对其进行直线或圆 弧或插补运算，生成相应路径规划，然后把各插补 点的位姿坐标值通过运动学逆解运算逆解运算转换成关节 角度值，分送机器人各关节或关节控制器（下位 机）。 处 位 置 【 课 堂 认 知 】 .32 关节控制器 1 （下位机） 机器人主控制器 （上位机） 关节控制器 2 （下位机） 机器人关节 轨迹 角度值 i 示教点位姿 中间位姿 直线 / 圆弧插补 运动学逆问题 关节控制器 n （下位机）

14、 工业机器人的连续路径运动工业机器人的连续路径运动 .33 2.3.3 机器人的位置控制 所 处 位 实现机器人的 位置控制 是工业机器人的基本控制任务。 关节控制器（下位机）是执行计算机，负责伺服电机的闭环闭环 控制控制及实现所有关节的动作协调实现所有关节的动作协调。 置 【 课 堂 认 知 】 关节控制器 位置调节器 速度调节器 转矩调节器 功率放大 给定 + 期望 + + M 位置 位置 - - - 电流反馈 光电 码盘 位置反馈 速度反馈 工业机器人的位置控制工业机器人的位置控制 .34 运动控制电机及驱动运动控制电机及驱动 机器人的核心技术是运动控制技术运动控制技术，目前工业机器人采

15、用 的电气驱动电气驱动主要有 步进电动机步进电动机和伺服电动机伺服电动机 两类。 所 处 位 1 步进电动机系统 置 步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环开环 控制精密驱动元件驱动元件 ，分为 反应式步进电机、永磁式步进电反应式步进电机、永磁式步进电 机机和混合式步进电机混合式步进电机 三种，其中混合式步进电机的应用最为 广泛，是一种精度高、控制简单、成本低廉的驱动方案。 【 扩 展 与 提 高 】 步进电机与步进驱动器步进电机与步进驱动器 .35 2 伺服电动机系统伺服电动机系统 所 处 伺服电机，在自动控制系统中，用作执行元件执行元件，把所收 到的电信号转换成电机轴上的角位

16、移或角速度输出，可分为 直流直流 和 交流伺服电机交流伺服电机 两大类。 位 置 特点：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增 加而匀速下降。 优点：无电刷和换向器，工作可靠，对维护和保养要求低； 定子绕组散热比较方便； 惯量小，易于提高系统的快速性； 适应于高速大力矩工作状态； 同功率下有较小的体积和重量。 【 扩 展 与 提 高 】 伺服电机与伺服驱动器伺服电机与伺服驱动器 .36 本章小结本章小结 所 工业机器人的机械结构部分称为操作机。通常用工业机器人的机械结构部分称为操作机。通常用自由度、自由度、 工作空间、额定负载、定位精度、重复定位精度和最大工作速工作空间、额定负载、定位精

17、度、重复定位精度和最大工作速 度度等技术指标来表征工业机器人操作机的性能。等技术指标来表征工业机器人操作机的性能。 处 位 置 工业机器人通常由操工业机器人通常由操作机、控制器作机、控制器和和示教器示教器三部分组成。操三部分组成。操 作机是机器人赖以完成各种作业的主体部分，一般由机械臂、驱作机是机器人赖以完成各种作业的主体部分，一般由机械臂、驱 动动 - 传动装置以及内部传感器等组成。控制器是完成机器人控制传动装置以及内部传感器等组成。控制器是完成机器人控制 功能的结构实现，一般由控制计算机和伺服控制器组成。示教器功能的结构实现，一般由控制计算机和伺服控制器组成。示教器 是机器人的人机交互接口

18、，主要由显示屏和按键组成。是机器人的人机交互接口，主要由显示屏和按键组成。 【 本 章 小 结 】 工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从 一点移动到另一点的过程中，常采用点位（一点移动到另一点的过程中，常采用点位（ PTP ）控制和连）控制和连 续路径（续路径（ CP ）控制两种方式。）控制两种方式。 .37 思考练习 1 、填空 所 (1) _ 通常作为机器人的技术指标，反映了机器人动作的灵活性，可 处 用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。 位 置 (2) 工业机器人主要由 _ 、 _ 和 _ 组成。下图中 1 表 示 _ ； 2 表示 _ ； 3 表示 _ 和 4 表示 _ 。 1 【 2 思 考 3 练 4 习 】 题 2 图 (3) 工业机器人的运动控制主要是实现 _ 和 _ 两种。当机器人进行 _ 运动控制时，末端执行器既要保证运动的起点和目标点位姿，而且必 须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度范围内运动。 (4) 对给定的机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相对于参 考坐标系的位姿，称之为 _ 运动学。 29/30 .38 思考练习 2 、选择 所 (1) 操作机是工业机器人的机械主体，是用于完成各种作业的执行机构