第5章-工业机器人

1、第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 制造自动化技术制造自动化技术第第3 3章章 微细加工技术微细加工技术第第4 4章章 快速原型技术快速原型技术第第5 5章章 工业机器人工业机器人第第6 6章章 虚拟制造技术虚拟制造技术第第7 7章章 纳米技术纳米技术第第8 8章章 压电驱动与控制技术压电驱动与控制技术第第9 9章章 绿色制造技术绿色制造技术第第5章章 工业机器人工业机器人中国农业大学先进制造技术先进制造技术第第5章章 工业机器人工业机器人5.1 概概 述述5.2 工业机器人的机械结构设计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工业机器人运动学和动力学 5.4 工业机器人

2、轨迹规划和控制工业机器人轨迹规划和控制 5.5 工业机器人的感觉技术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工业机器人的发展趋势 5.1 概概 述述5.1.1 工业机器人的概念工业机器人的概念 5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特工业机器人的基本组成和结构特点点 5.1.3 工业机器人的分类工业机器人的分类 5.1.4 工业机器人的基本参数和性能指标工业机器人的基本参数和性能指标 5.1.1 工业机器人的概念工业机器人的概念n机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的

3、，并能实现诸多拟人动作和功能的机器并能实现诸多拟人动作和功能的机器。n工业机器人则是在工业生产中应用的机器人，工业机器人则是在工业生产中应用的机器人，是一种可重复编程的、多功能的、多自由度的是一种可重复编程的、多功能的、多自由度的自动控制操作机。自动控制操作机。n机器人时代的到来机器人时代的到来(略略) 5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点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。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

4、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腕部中国农业大学中国农业大学中国农业大学 5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点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：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。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）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，

5、因而属于主动连杆系。的驱动器，因而属于主动连杆系。 3）连杆驱动扭矩在运动过程中的变化规律比较复杂，连）连杆驱动扭矩在运动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。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）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。变而变化，因此容易发生振动或其它不稳定现象。 5.1.3 工业机器人的分类工业机器人的分类 n按结构形式分类按结构形式分类 n按驱动方式分类按驱动方式分类

6、n按自由度数目分类按自由度数目分类n按控制类型分类按控制类型分类 5.1.4 工业机器人的基本参数和性能指标工业机器人的基本参数和性能指标n工作空间（工作空间（Work SpaceWork Space）n运动自由度（运动自由度（DOFDOF，Degree of FreedomDegree of Freedom）n运动精度（运动精度（AccuracyAccuracy）n有效负载（有效负载（PayloadPayload）n运动特性（运动特性（SpeedSpeed）n动态特性动态特性 5.2 工业机器人的机械结构设计工业机器人的机械结构设计5.2.1 机器人机型评价机器人机型评价5.2.2 机器人的

7、臂部结构机器人的臂部结构5.2.3 机器人的腕部结构机器人的腕部结构5.2.4 机器人的手部结构机器人的手部结构 5.2.1 机器人机型评价机器人机型评价n性能指标性能指标n能耗指标能耗指标n寿命指标寿命指标 5.2.2 机器人的臂部结构机器人的臂部结构n机器人的臂部一般要求具有前后伸缩、上机器人的臂部一般要求具有前后伸缩、上下升降、左右回转等运动功能。机器人的下升降、左右回转等运动功能。机器人的臂部由大臂和小臂组成，大臂完成回转、臂部由大臂和小臂组成，大臂完成回转、升降或上下摆动运动，而小臂完成伸缩运升降或上下摆动运动，而小臂完成伸缩运动。大臂与基座相连，小臂前段装有腕部动。大臂与基座相连，

8、小臂前段装有腕部和手部（有时也可以没有腕部）。图和手部（有时也可以没有腕部）。图5-35-3为一种比较典型的手臂机构，图为一种比较典型的手臂机构，图5-45-4为一为一种手臂作回转运动的结构。种手臂作回转运动的结构。12123图5-3 齿轮齿条增倍的手臂机构1运动齿条 2齿轮 3活塞杆图5-4 手臂回转运动机构1齿轮 2齿条活塞活塞 5.2.2 机器人的臂部结构机器人的臂部结构 5.2.3 机器人的腕部结构机器人的腕部结构n机器人的腕部是小臂（上臂）和手部（末机器人的腕部是小臂（上臂）和手部（末端执行器）之间的连接部件。起着支撑手端执行器）之间的连接部件。起着支撑手部、调整和改变手方位的作用，

9、故腕部也部、调整和改变手方位的作用，故腕部也称作机器人的姿态机构。称作机器人的姿态机构。n机器人的腕部结构按自由度数目可分为单机器人的腕部结构按自由度数目可分为单自由度、二自由度和三自由度手腕。图自由度、二自由度和三自由度手腕。图5-5-5 5为一种单自由度手腕，图为一种单自由度手腕，图5-65-6为二自由度为二自由度手腕。手腕。 5.2.3 机器人的腕部结构机器人的腕部结构图 5-5 SCARA机器人 5.2.3 机器人的腕部结构机器人的腕部结构图5-6 汇交式两自由度手腕1法兰 2锥齿轮轴 3锥齿轮 4、8弹簧 5、7链轮 6、9轴承 10转壳Ln12345671089 5.2.4 机器人

10、的机器人的手部手部结构结构n工业机器人的手部（末端执行器）是装在工业机器人的手部（末端执行器）是装在手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。手部与手腕相连处一般可以拆卸，以适应手部与手腕相连处一般可以拆卸，以适应不同的作业需要。不同的作业需要。n常见的机器人末端执行器有夹持式、吸附常见的机器人末端执行器有夹持式、吸附式和拟手指式等几种型式。图式和拟手指式等几种型式。图5-105-10为一种为一种夹持式末端执行器，图夹持式末端执行器，图5-115-11为一种气流副为一种气流副压吸附式末端执行器，图压吸附式末端执行器，图5-125-12为一种为一种3 3指指手爪的拟

11、手指式末端执行器。手爪的拟手指式末端执行器。 5.2.4 机器人的机器人的手部手部结构结构45123图5-10 夹持式末端执行器1手指 2传动机构 3驱动装置 4工件 5.2.4 机器人的机器人的手部手部结构结构图5-11 气流负压吸附取料手1橡胶吸盘 2心套 3通气螺钉 4支承杆 5喷嘴 6喷嘴套123456 5.2.4 机器人的机器人的手部手部结构结构图5-12 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工业机器人运动学和动力学分析5.3.1 工业机器人运动学分析工业机器人运动学分析5.3.2 工业机器人动力学分析工业机器人动力学分

12、析 5.3.1 工业机器人运动学分析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，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关节变量与机器人末端执行器位姿和运动的关系。的关系。n机器人连杆参数及连杆坐标系的建立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，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。然后描述这些坐标系之间的关系。n工业机器人运动学方程工业机器人运动学方程n雅可比矩阵雅可

13、比矩阵 运动学方程建立的是操作空间与关节空间运动学方程建立的是操作空间与关节空间位移的关系，雅可比矩阵则是研究操作空间速位移的关系，雅可比矩阵则是研究操作空间速度与关节空间速度之间的线性映射关系，同时度与关节空间速度之间的线性映射关系，同时还可用来表示两空间之间力的传递关系。还可用来表示两空间之间力的传递关系。 5.3.1 工业机器人运动学分析工业机器人运动学分析 5.3.2 工业机器人工业机器人动力动力学分析学分析 工业机器人动力学主要是是研究物体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。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两种研究机器人动力学问题的方法n拉

14、格朗日法拉格朗日法n牛顿牛顿- -欧拉法欧拉法 5.4 工业机器人轨迹规划和控制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工业机器人的轨迹规划5.4.2 工业机器人的控制工业机器人的控制 5.4.1 工业机器人轨迹规划工业机器人轨迹规划 机器人的工作过程，就是通过规划将要机器人的工作过程，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而完成期望的任

15、务，这一个过程可以表述如图图5-165-16所示。所示。 5.4.1 工业机器人轨迹规划工业机器人轨迹规划人机接口规划控制机器人本体要求的任务期望的运动和力控制作用实际的运动和力图5-16 机器人工作原理示意图n关节空间轨迹规划法关节空间轨迹规划法 在关节空间进行轨迹规划时，路径不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可以选取不同类型的关节角度函数生成不同的轨迹。的轨迹。 5.4.1 工业机器人轨迹规划工业机器人轨迹规划n直角坐标空间轨迹规划法直角坐标空间轨迹规划法n轨迹的实时生成轨迹的实时

16、生成 5.4.2 工业机器人的控制工业机器人的控制n工业机器人的控制实际上包含工业机器人的控制实际上包含 “ “任务规任务规划划”、“动作规划动作规划”、“轨迹规划轨迹规划”和和“伺服控制伺服控制”等多个层次（如图等多个层次（如图5-195-19）。）。n工业机器人控制的一个明显特点是要求工业机器人控制的一个明显特点是要求实现多轴运动的协调控制，包括运动轨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。有较高的位置精度和很大的调速范围。 5.4.2 工业机器人的控制工业机器人的控制机器人控制器的功能人机接口

17、命令理解任务规划动作规划轨迹规划生成伺服控制电流电压控制伺服控制传感器机器人示载图5-19 机器人控制过程图 5.4.2 工业机器人的控制工业机器人的控制n关节伺服控制关节伺服控制 是以关节位置或关节轨迹为目标值的控是以关节位置或关节轨迹为目标值的控制形式。制形式。n作业空间伺服控制作业空间伺服控制 5.5 工业机器人的感觉技术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（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

18、称为外状态感觉；机器人对工作环境的感觉称为外部状态的感觉。部状态的感觉。n视觉传感器视觉传感器 视觉一般是利用光（也可采用可见光以视觉一般是利用光（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。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常见的视觉传感器包括PSDPSD传感器、传感器、CCDCCD图像图像传感器、全方位视觉传感器等。传感器、全方位视觉传感器等。 5.5 工业机器人的感觉技术工业机器人的感觉技术n触觉传感器触觉传感器 目前的触觉传感器主要有接触觉、接近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。觉、压觉、滑觉和力觉传感器四种。 5.6

19、工业机器人在现代制造业中的应用工业机器人在现代制造业中的应用5.6.1 焊接机器人焊接机器人5.6.2 喷漆机器人喷漆机器人5.6.3 装配机器人装配机器人5.6.4 搬运机器人搬运机器人 5.6.1 焊接机器人焊接机器人n点焊机器人点焊机器人 图图5-305-30所示为德国产所示为德国产IR662/100IR662/100型点焊型点焊机器人总图，它是一种用于地面安装的工业机器人总图，它是一种用于地面安装的工业机器人。机器人。n弧焊机器人弧焊机器人 图图5-315-31所示为日本汽车工业使用的一种所示为日本汽车工业使用的一种曲柄式弧焊机器人。曲柄式弧焊机器人。17161514131211109

20、87123456 5.6.1 焊接机器人焊接机器人图5-30 IR662/100 型点焊机器人1手臂及手腕 2臂架 3橡皮缓冲器 4肘形节杆 5回转台 6基座 7连接电缆 8转台缓冲器 9第一轴（转台）电机（M1） 10、14平衡气缸 11第二轴（臂架）电机（M2） 12第三轴螺杆 15驱动臂架 16电机组（M4、M5、M6）17控制柜 5.6.1 焊接机器人焊接机器人 5.6.1 焊接机器人焊接机器人焊接电源显示器机器人控制装置夹具控制装置机器人焊接夹具工件图5-31 弧焊机器人 5.6.1 焊接机器人焊接机器人 5.6.1 焊接机器人焊接机器人 5.6.2 喷漆机器人喷漆机器人n喷漆机器人

21、广泛应用于汽车车体、家电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。图产品和各种塑料制品的喷漆作业。图5-5-3232为日本为日本TOKICOTOKICO公司生产公司生产RPA856RPRPA856RP关节关节式喷漆机器人。该机器人由操作机、控式喷漆机器人。该机器人由操作机、控制箱、修正盘和液压源四部分组成。制箱、修正盘和液压源四部分组成。 5.6.2 喷漆机器人喷漆机器人关节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5-32 RPA 856RP 机器人基本组成及关节轴回转角度 5.6.2 喷漆机器人喷漆

22、机器人 5.6.3 装配机器人装配机器人n采用工业机器人进行自动装配，是近十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。图化程度最低的就是装配工艺。图5-335-33所所示是日本九洲工业大学研制的专用装配示是日本九洲工业大学研制的专用装配机器人机器人KAMKAM。带有力反馈机构的精密装配。带有力反馈机构的精密装配作业机器人的装配作业如图作业机器人的装配作业如图5-345-34所示。所示。 5.6.3 装配机器人装配机器人214365714151

23、31211108916222120191817图5-33 KAM装配机器人机械结构图1Z方向导轨挡板 2r方向电机安装台 3减速齿轮 4方向直联齿轮 5r方向导轨 6r方向滚珠丝杠 7Z方向滚珠丝杠 8Z方向导轨 9传动箱 10Z方向丝杠支座 11涡轮 12装配底板 13支座 14Z方向进给齿轮 15Z方向直联齿轮 16Z轴进给支板 17爪部 18轴承座 19涡杆 20中间齿轮 21方向直联齿轮 22方向电机安装台 5.6.3 装配机器人装配机器人1z234576yx89图5-34 精密插入装配机器人的装配作业1主机器人 2柔性手腕 3、5触觉传感器（应变片） 4弹簧片 6基座零件的传送、定位

24、 7辅助机器人 8联套供料机构 9小轴供料机构 5.6.4 搬运机器人搬运机器人n随着计算机集成制造技术、物流技术、随着计算机集成制造技术、物流技术、自动仓储技术的发展，搬运机器人在现自动仓储技术的发展，搬运机器人在现代制造业中的应用也越来越广泛。图代制造业中的应用也越来越广泛。图5-5-3535所示为一种搬运机器人。该机器人是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。流动的物品的自动化装置。 5.6.4 搬运机器人搬运机器人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-

25、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工业机器人技术的发展趋势5.7.1 机器人的智能化机器人的智能化5.7.2 机器人的多机协调化机器人的多机协调化5.7.3 机器人的标准化机器人的标准化5.7.4 机器人的模块化机器人的模块化5.7.5 机器人的微型化机器人的微型化 5.7.1 机器人的多机协调化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机器人的智能化研究可以分为两个层次次，一是利用模糊控制、神经元网络控制等一是利用模糊控制、神经元网络控制等智能控制策略，利用被控对象对模型依智能控制策略，利用被控对象对模型依赖性不强的特点来解决机器人的复杂控赖性不强的特

26、点来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。执行，这是更高层次的智能化。 5.7.1 机器人的多机协调化机器人的多机协调化 5.7.2 机器人的智能化机器人的智能化n由于生产规模不断扩大，对机器人的多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，需要控制就不单纯