物流自动化技术——工业机器人

1、第七章 工业机器人1. 1.工业机器人基本概念及分类工业机器人基本概念及分类2. 2.工业机器人基本组成工业机器人基本组成3. 3.机械手臂机械手臂4. 4.生产工具生产工具5. 5.机器人控制系统机器人控制系统6. 6.机器人在自动化领域中的应用机器人在自动化领域中的应用7. 7.机器人的选择准则机器人的选择准则7.1、工业机器人基本概念l 美国机器人工业协会（U.S.RIA）提出的工业机器人定义为: 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，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。l 国际标准化组织定义： 工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够

2、完成各种作业的可编程操作机。工业机器人特点 可编程：工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（FMS）中的一个重要组成部分。 拟人化：工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。工业机器人特点 通用性：除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性

3、。 机电一体化：第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。工业机器人的分类工业机器人的分类方法很多，可以按其坐标形式、控制方式和功能的进行分类。按坐标形式分圆柱坐标型机器人(cylindrical coordinate robot）：由一个回转和两个平移的自由度组合构成，如图7-1所示。图7-1 圆柱坐标型机器人球坐标型机器人(polar coordinate robot）：由回转、旋转、平移三个自由度构成。图7-2 球坐标型机器人直角坐标型机器人（ca

4、rtesian coordinate robot）：由独立沿x、y、z轴的自由度构成。其结构简单，精度高，坐标计算和控制也都极为简单。图7-3 直角坐标型机器人关节型机器人（articulated robot）：主要由回转和旋转自由度构成。它可以看成是仿人手臂的结构，具有肘关节的连杆关节结构。图7-4 关节型机器人关节型机器人根据其自由度的构成方法，可再进一步分成几类：1）仿人关节型机器人(anthropomorphic)：在标准手臂上再加上一个自由度(冗余自由度)。图7-5 仿人关节型机器人2）平行四边形连杆关节型机器人：手臂采用平行四边形连杆，并把前臂关节驱动用的电动机装在手臂的根部，可获

5、得更高的运动速度。图7-6 平行四边形连杆关节型机器人3）SCARA型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm，见图7-7)：手臂的前端结构采用在二维空间内能任意移动的自由度。所以，它具有垂直方向刚性高、水平面内刚性低(柔顺洼)的特征。但在实际操作中主要不是由于它所具有的这种特殊柔顺性质，而是因为它更能简单地实现二维平面上的动作，因而在装配作业中普遍采用。图7-7 SCARA型机器人4）并联机构机器人：是一种新型结构的机器人，它通过各连杆的复合运动，给出末端的运动轨迹，以完成不同类型的作业。该结构的机器人特点在于刚性好，可用来完成数控机床的一些功能

6、，因此也称之为并联机床。目前已有这方面的样机，它可完成复杂曲面的加工，是数控机床的一种新的结构形式，也是机器人功能的一种拓展。其不足是控制复杂，工作范围比较小，精度也比数控机床低一些。图7-8 并联机构机器人7.2、工业机器人基本组成工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是：驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人环境交互系统、人机交互系统、控制系统。图7-9 工业机器人系统驱动系统工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构便构成行走机器人；若机身不具备

7、行走及腰转机构，则构成单机器人臂（Single Robot Arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。机械结构系统要使机器人运行起来，就需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。图7-10 机械结构系统感受系统它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、

8、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的。然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。机器人、环境交互系统工业机器人环境交互系统是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。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储等集成一个去执行复杂任务的功能单元。人-机交互系统人-机交互系统是使操作人员参与机器人控制，与机器人进行联系的装置。例如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号报警器等。归纳起来为两大类：指令给定装置和信息显示装置。控制系统控制系统的

9、任务是根据机器人的作业指令程序，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成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统，适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制。7.3、机械手臂 机械手臂是由电动马达、气压装置或油压致动器所驱动的机械装置。 按手臂的结构形式区分，手臂有单臂、双臂及悬挂式。按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的，如手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动；有回转运动的，如手臂的左右回转、上下摆动(即俯仰)；有复合运动的，如直线运动和回转运动的

10、组合，两直线运动的组合，两回转运动的组合。图7-11 机械手臂的结构形式机器手臂几何分类 机器人的操纵器之基本机械结构可分成： 1.卡式座标 2.圆柱座标 3.球座标 4.关节式 卡式座标分成两类:横向式与高架式。 关节式分成水平式与垂直式两类。 1.卡式座标几何(直角座标)：具有卡式座标几何的机器人可移动握爪到工作空间的任何位，两种几何结构包含横向式及高架式。 图7-12所示是一个可以在X、Y及Z方向移动的高架式例子，工具连接于工具板上可从上面加工，此类机器人的长方体工作空间经常用来从输送带系统将工件移动至生产机器中。 在高架式例子中，三个定位自由度由箭头指出 其在X、Y及Z方向的移动，而腕

11、部的A、B与C 三个自由度可以用来定向工具板上工具的方位。 卡式几何的第二种型态横向式如图7-13所示。 图7-12 高架式机器人 图7-13 卡式几何机器人 2.圆柱座标几何：圆柱座标机械手臂系统如7-14所示，可以在一个圆柱体的体积内移动握爪，系统由R及Z两个线性移动方向与一个绕着Z轴旋转的方向所定位。 圆柱座标式机器人是由气压、液压或电力方式驱动。一部小型的气压圆柱几何式机器人如图7-15所示。 图7-14 圆柱座标机器人 图7-15 小型圆柱座标机器人 图7-16 球座标几何机器人 3.球座标几何：球座标几何手臂也叫做极座标式如图7-16所示。球座标几何式机械手臂以两个旋转及一个线性移

12、动所驱动而定位。 工具板上的方向可以透过手腕部位的三个旋转(A、B与C)所达成。理论上，绕着Y轴的角度是180度或者得更大，而绕着Z轴的腕部旋转可达360度。 图7-17显示之球座标几何机器人的工作空间。此类机器手臂经常使用于早期工业应用中。 球坐标几何机器人使用油压或电子以驱动六个轴向的主要运动；并采用气压致动器打开或关闭握爪。图图7-177-17图7-18 垂直关节式手臂之机器人 4.关节式几何：关节式工业机器人也称作关节式手臂、迴转式或是拟人式机器，具有一个不规则的工作空间。 这类机器人包括垂直关节式与水平关节式。 垂直关节式机械手臂如图7-18所示有三个包含基座旋转(轴1)、肩部(轴2

13、)以及前臂(轴3)的主要角度移动，其不规则的工作空间如图7-19所示，如同前面所设计的机械手臂般，工具板的方位是由腕部的三个旋转所决定。 图7-19 垂直关节式机器人的工作空间 大部分机器都其有回馈控制系统的电子装置，一个关节式球座标结构如图7-20所示，注意其三个滚动腕部是用来产生工具板上点焊工具的三个腕部方位运动。 图7-20关节式机器手臂进行点焊水平关节式机械手臂由两个决定工具位置的角度移动(手臂与前臂旋转)以及一个垂直方向的线性移动。 水平关节式机械手臂具有两种机械结构: (1)如图7-21所示的选择性顺从关节机器手臂。 (2)水平关节式基座的手臂。 图7-21 SCARA机器手臂 S

14、CARA机器手臂有两个固定于刚性垂直件上的水平关节手臂部分。 改变此两轴可以达到圆柱工作空间内任何位置，夹爪板的垂直运动是根据位于手臂的端点的Z轴所致。 因为此类机器擅长于垂直方向插入工件。 7.4、生产工具 单独的机器人并没有生产能力，但机器手臂上若有生产工具则会变成一个有效率的生产系统，执行工作的工具是附着于手臂端点的工具板上。 用来夹持工件具有开关动作的工具一般称为握爪，图7-22显示出两种标准的握爪结构:夹角式与平行式。 图7-22 标准夹角握爪 现今机器人所使用的臂端工具可分成下列三类: 1.依据握爪支撑工件的方法。 2.依据最后握爪设计的特殊用途工具。 3.依据握爪的多功能能力。

15、第一类的握爪机构包含： 标准机械压力握爪(图7-23)，利用机器人的握爪将纸箱、袋装品等快速搬运到传送带上进行传输，有效的提高了物料搬运的效率。 使用真空支撑或举起工具(图7-24)以及电磁装置。 四个具有特殊设计的臂端工具之真空握爪，可用来在汽车生产线中将窗户放置于车上。 图7-23 码垛堆放货物的机器人握爪图7-24 安装汽车前挡风窗的真空握爪 工具的第二种分类包含钻头、焊枪以及火嘴、喷漆枪以及研磨器。第三类的握爪工具包含针对特殊工作所设计的特殊功能握爪，例如，具有特殊工具的机器人可以举起一个折叠箱子并打开填充之。 7.5、机器人控制系统机器人的结构是一个空间开链机构，其各个关节的运动是独

16、立的，为了实现末端点的运动轨迹，需要多关节的运动协调。因此，其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多，具体表现如下：机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。一个简单的机器人也至少有35个自由度，比较复杂的机器人有十几个，甚至几十个自由度。把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智能”，这个任务只能由计算机来完成。描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也在变化，各变量之间还存在耦合。机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来完成，因此存在一个“最优”的问题。机器人的控制方式点位式 很多机器人要求能准确地控制末端

17、执行器的工作位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路板上安插元件以及点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。一般来说，这种方式比较简单，但是要达到23m的定位精度也是相当困难的。机器人的控制方式轨迹式 在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动，如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。其控制方式类似于控制原理中的跟踪系统，称之为轨迹伺服控制。机器人的控制方式力（力矩）控制方式 在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力(力矩)伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置

18、信号，而是力(力矩)信号，因此，系统中必须有力(力矩)传感器，有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。机器人的控制方式智能控制方式 机器人的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身的知识库作出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有了较强的环境适应性及自学习能力。智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。运动控制l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别另一点的过程中，对其位置、速度和加速度的控制。由于工业机器人末端执行器的位置和姿态是由各关节的运动引起的，因此，对其运动控制实际上是通过控制关节运动实现的

19、。运动控制工业机器人关节运动控制一般可分为两步进行，第一步是关节运动伺服指令的生成，即将末端执行器在工作空间的位置和姿态的运动，转化为由关节变量表示的时间序列，或表示为关节变量随时间变化的函数。这一步一般可离线完成。第二步是关节运动的伺服控制，即跟踪执行第一步所生成的关节变量伺服指令，这是在线完成的。运动控制关节运动伺服指令的生成方法有两种：示教生成方法 在示教控制中，当对工业机器人进行示教编程时，每个关节即可产生自身变量随时间的变化序列或连续的函数关系。轨迹规划生成方法 轨迹规划生成方法是指根据作业任务要求的末端执行器在作业流程中的位置变化轨迹以及变化速度、加速度，通过插补计算和运动学逆解等

20、数学方法，生成相应的关节运动伺服指令。 计算机控制随着微型计算机技术的不断发展，现有的工业机器人几乎都采用了计算机控制。由于微型计算机具有体积小、价格低、可靠性高、灵活性强、易于配置、面向任务的适应性强、能够实现丰富的运算功能等特点，使它在工业机器人的控制中很快占据了主导地位。 计算机控制计算机在工业机器人控制中的应用可分成三大类型：管理型、记忆型和运算型。管理型 这种类型的工业机器人本身就具有运算、驱动和记忆等所必需的控制装置，计算机只是给工业机器人提供动作的种类和时间等，仅起管理者的作用。这种类型的工业机器人是由控制装量进行控制的，故计算机的负荷小，可用一台计算机管理多台工业机器人。目前，

21、这类工业机器人的控制装置也改由微型计算机完成。 记忆型 这种类型的工业机器人的控制装置中，记忆装置用小容量缓冲寄存器代替，因此必须由计算机对缓冲寄存器的内容进行改写、记忆，并由计算机执行控制装置中的记忆功能。这样，计算机与工业机器人的结合就更加密切，但计算机负荷还是不大。如用计算机对这类工业机器人进行群体管理，记忆功能可全部由计算机承担，使用磁盘等记忆存储装置可构成性价比很高的系统。运算型 如果计算机直接用来控制工业机器人，则这种控制装置的类型就是运算型。这时，计算机的负荷很大，而且已被专用化，1台工业机器人就要用1台计算机控制，成本很高。但是，随着微型计算机的不断发展，这种控制类型的实现也比

22、较容易。目前多数工业机器人属于这一类型。7.6、机器人在自动化领域中的应用在生产自动化领域，早期工业机器人在生产上主要用于：机床上下料、点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现，机器人扮演了更重要的角色。（1）焊接机器人。汽车制造厂已广泛应用焊接机器人进行承重大梁和车身结构的焊接。弧焊机器人需要六个自由度，三个自由度用来控制焊具跟随焊缝的空间轨迹，另三个自由度保持焊具与工件表面有正确的姿态关系，这样才能保证良好的焊缝质量。点焊机器人能保证复杂空间结构件上焊接点位置和数量的正确性，而人工作业往往在诸多的焊点中会遗漏。例如，机器人上的工具如钻头可以在原料上进行钻孔操作。图7-25所示的机器人正在执行焊接工

23、作。图7-25 焊接工作中的机器人（2）材料搬运机器人。材料搬运机器人可用来上下料、码垛、卸货以及抓取零件重新定向等作业。一个简单抓放作业机器人只需较少的自由度；一个给零件定向作业的机器人要求具有更多的自由度，增加其灵巧性。图7-26示，这是一个制造列印滚轮的柔性制造系统，画面前面的机器人在两个车削中心之间进行装载与卸载。图7-26柔性制造单元中扮演物料搬运的机器人（3）检测机器人。零件制造过程中的检测以及成品检测都是保证产品质量的关键问题。它主要有两个工作内容：确认零件尺寸是否在允许的公差内；零件质量控制上的分类。（4）装配机器人。装配是一个比较复杂的作业过程，不仅要检测装配作业过程中的误差，而且要试图纠正这种误差。因此，装配机器人应用了许多传感器，如接触传感器、视觉传感器、听觉传感器等。听觉传感器用来判断压入件或滑入件是否到位。组装是另一个大量使用机器人的应用领域，机器人可用来组装生产线上的汽车。例如图7-27中所示，就是利用装配机器人组装。图7-27 组装机器人（5）喷漆和喷涂。一般来说，在三维表面作业至少要五个自由度。由于可燃环境的存在，驱动装置必须防燃防爆。在大件上作业时，往往把机器人装在一个导轨上，以便行走。（6）密封和