第七章__工业机器人

1、1第七章第七章工业机器人工业机器人2 国际上，关于国际上，关于机器人的定义机器人的定义主要有以下几种：主要有以下几种： 机器人是机器人是“一一种用于种用于移动移动各种材料、零件、工具或专用装置的，各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作通过可编程序动作来来执行执行种种任务的，并具有种种任务的，并具有编程编程能力能力的的多功能机械手多功能机械手(manipulator)”。工业机器工业机器人是人是“一种一种装备有记忆装置装备有记忆装置和和末端执行器末端执行器(end effector)的，能够的，能够转动转动并通过并通过自动完成自动完成各种移动来各种移动来代替人类劳动的通用机器代替人类

2、劳动的通用机器”。一、工业机器人的定义一、工业机器人的定义3 ：机器人是机器人是“一一种能够进行编程并种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的动作业任务的机械装置机械装置”。“机器人是一机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务以执行种种任务”。一、工业机器人的定义一、工业机器人的定义4我国科学家对机器人的定

3、义我国科学家对机器人的定义是：是：“机器人是机器人是一种一种自动化的机器自动化的机器，所不同的是这种机器具备一，所不同的是这种机器具备一些与些与人或生物相似的智能人或生物相似的智能能力，如能力，如感知能力、规感知能力、规划能力、动作能力和协同能力划能力、动作能力和协同能力，是一种具，是一种具有高度有高度灵活性的自动化机器灵活性的自动化机器”。 一、工业机器人的定义一、工业机器人的定义5机器人的四大特征机器人的四大特征l 仿生特征：仿生特征：模仿人的肢体动作模仿人的肢体动作l 自动特征：自动特征：自动完成作业任务自动完成作业任务l 柔性特征：柔性特征：对作业具有广泛适应性对作业具有广泛适应性l

4、智能特征：智能特征：具有对外界的感知能力具有对外界的感知能力6一、工业机器人的定义一、工业机器人的定义 在工业领域内应用的机器人我们称为工业机器人。在工业领域内应用的机器人我们称为工业机器人。 通常对通常对工业机器人的定义工业机器人的定义是：是：工业机器人是工业机器人是一种一种能模拟人的手、臂的部分动作能模拟人的手、臂的部分动作, , 按照预定的程序、按照预定的程序、轨迹及其它要求轨迹及其它要求, , 实现抓取、搬运工件或操作工具实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置的自动化装置。7p工业机器人工业机器人以以刚性高刚性高的机械的机械手臂手臂为主体，与人相比，为主体，与人相比，可以有可以有更快

5、的运动速度更快的运动速度，可以搬，可以搬更重的东西更重的东西，而且，而且定位精度相当高定位精度相当高。它可以很据外部来的信号，自动。它可以很据外部来的信号，自动进行各种操作。进行各种操作。p工业机器人工业机器人是应用是应用计算机进行控制计算机进行控制的替代人进行工的替代人进行工作的高度自动化系统，是典型的机电一体化的产品。作的高度自动化系统，是典型的机电一体化的产品。p工业机器人工业机器人在实现智能化、多功能化、柔性自动化在实现智能化、多功能化、柔性自动化生产、提高产品质量、生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下代替人在恶劣环境条件下工工作中发挥重大作用。作中发挥重大作用。一、工业机器人的

6、定义一、工业机器人的定义8二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成9二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成执行机构执行机构 （1、3）控制系统控制系统（2） 驱动系统驱动系统（液压缸、电机等）（液压缸、电机等） 检测系统检测系统 工工业业机机器器人人10 各组成部分关系各组成部分关系控制系统控制系统驱动系统驱动系统执行机构执行机构操作对象操作对象检测系统检测系统11二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成1.1. 执行机构执行机构：一种具有和人手臂相似的一种具有和人手臂相似的动作功能动作功能，可在可在空间抓放物体空间抓放物体或执行或执行其他操作其他操作的的机械装置机械装置，通常包括：通

7、常包括：机座、手臂、手腕和末端执行器机座、手臂、手腕和末端执行器；12二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成(1)末端执行器末端执行器（或称手部）（或称手部）是机器人是机器人直接执行工作直接执行工作的装置的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。可安装夹持器、工具、传感器等。 夹持器夹持器可分为可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附力吸附等。等。l在手部安装的某些在手部安装的某些专用专用工具工具，如焊枪、喷枪、电，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为可视为专用的特殊手部专用的特殊手部。13二、二、 工业机器人的组成工业机器人的

8、组成(2)手腕手腕 手腕是手腕是连接手臂和末端执行器连接手臂和末端执行器的部件，的部件，用以用以调整调整末端执行器末端执行器的方位和姿态的方位和姿态。(3)手臂手臂 手臂是手臂是支承支承手腕和末端执行器手腕和末端执行器的部件。的部件。它它由由动力关节动力关节和和连杆连杆组成组成，用来，用来改变末端执行改变末端执行器的空间位置器的空间位置。(4)机座机座 机座是机座是工业机器人的基础部件工业机器人的基础部件，承受承受相应的载荷相应的载荷，机座分为，机座分为固定式固定式和和移动式移动式两类。两类。 14二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成2 2、控制系统、控制系统是机器人的大脑，是机器人的大

9、脑，支配着机器人支配着机器人按规定的程序运动，按规定的程序运动，并并记忆人们给予的指令记忆人们给予的指令信息信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度等如动作顺序、运动轨迹、运动速度等)，同时同时按其控制系统的信息控制执行机构按规按其控制系统的信息控制执行机构按规定要求动作定要求动作。15二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成 采用计算机控制的工业机器人，采用计算机控制的工业机器人，控制系统分控制系统分成决策级、策略级和执行级三级。成决策级、策略级和执行级三级。l决策级决策级的功能是识别环境、建立模型、将作的功能是识别环境、建立模型、将作业任务业任务分解为基本动作序列分解为基本动作序列；l策略级

10、策略级将将基本动作变为关节坐标协调变化的基本动作变为关节坐标协调变化的规律规律，分配给各关节的伺服系统；，分配给各关节的伺服系统；l执行级执行级给出给出各关节伺服系统的具体指令各关节伺服系统的具体指令。16二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成3.3.驱动系统驱动系统 驱动系统是驱动系统是按照控制系统发出的按照控制系统发出的控制指令将信号放大控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的驱动执行机构运动的传动装置传动装置。常用的有常用的有电气、液压、气动和机械电气、液压、气动和机械等四种驱动等四种驱动方式。方式。有些机器人采用这些驱动方式的组合有些机器人采用这些驱动方式的组合, 如电如电液液混合驱

11、动和气混合驱动和气液混合驱动等驱动方式。液混合驱动等驱动方式。17二、二、 工业机器人的组成工业机器人的组成4 4、位置检测系统、位置检测系统 主要检测工业机器人主要检测工业机器人执行系统执行系统的的运动位置运动位置、状态状态，并随时将，并随时将执行系统的实际位置反馈执行系统的实际位置反馈给控制系统给控制系统，并与，并与设定的位置进行比较设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行系统然后通过控制系统进行调整，使执行系统以一定放入精度达到设定位置状态。以一定放入精度达到设定位置状态。 常用力、位置、触觉、视觉等传感器常用力、位置、触觉、视觉等传感器18工业机器人的性能特征工业机器人的性

12、能特征影响着机器人的工作影响着机器人的工作效率和可靠性效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考。在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：虑如下几个性能指标：(1) 自由度。自由度。工业机器人的运动自由度是工业机器人的运动自由度是指各指各关节在三维空间对于固定坐标系具有的独立关节在三维空间对于固定坐标系具有的独立运动运动。各关节自由度的总和就是各关节自由度的总和就是工业机器人工业机器人的的自由度数。自由度数。三、三、 工业机器人的性能特征工业机器人的性能特征19202122p自由度数越高，机器人可以完成的动作越复自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广。杂，通用性越

13、强，应用范围也越广。p每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，相应每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，相应地带来的技术困难也越大。地带来的技术困难也越大。p一般情况下，通用工业机器人有一般情况下，通用工业机器人有36个自由个自由度。度。23(2) 工作空间。工作空间。工作空间是指机器人应用工作空间是指机器人应用手爪进行工手爪进行工作的空间范围作的空间范围。l 机器人的工作空间主要取机器人的工作空间主要取决于决于臂部的自由度臂部的自由度 和和每个每个关节的运动范围关节的运动范围。l 腕部的自由度腕部的自由度主要用来主要用来调整手部在空间的方位调整手部在空间的方位。l 手指的开闭动作手指的开闭动作，仅用于

14、夹放工件或工夹具，仅用于夹放工件或工夹具，它不它不改变工件或工夹具的空间位置和方位改变工件或工夹具的空间位置和方位，所一般，所一般不计不计入机器人的自由度数入机器人的自由度数。24p直角坐标机器人的工作空间是一个直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间矩形空间，p圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体圆柱体，p而球坐标机器人的工作空间是一个而球坐标机器人的工作空间是一个球体球体。25(3) 提取重力。提取重力。提取的重力是反映机器人提取的重力是反映机器人负载能力的一负载能力的一个参数个参数，根据提取重力的不同，可将机器人分为：，根据提取重力的不同，可将机器人分为： 微型机

15、器人，微型机器人，提取重力在提取重力在10 N以下；以下； 小型机器人，小型机器人， 提取重力为提取重力为1050 N； 中型机器人，中型机器人， 提取重力为提取重力为50300 N； 大型机器人，大型机器人， 提取重力为提取重力为300500 N； 重型机器人，重型机器人，提取重力在提取重力在500N以上。以上。 目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。26 (4) 运动速度。运动速度。 运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所提取提取的重力和位置精度均有密切的关系的重力和位置精度均有密切的关系。p运动速度高

16、，机器人所承受的动载荷增大，运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将在必将在加减速时承受较大的惯性力加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平影响机器人的工作平稳性和位置精度。稳性和位置精度。 目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在速度大多在1000 mm/s以下。以下。27 (5) 位置精度。位置精度。 位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标。位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标。位置精度的高低取决于位置精度的高低取决于位置位置控制方式控制方式以及以及机器人运机器人运动部件本身的精度和刚度动部件本身的精度和刚度，此外还

17、与，此外还与提取重力提取重力和和运运动速度动速度等因素有密切的关系。等因素有密切的关系。 28四、工业机器人的分类四、工业机器人的分类工业机器人的分类方法：工业机器人的分类方法： 按坐标形式、按坐标形式、 按控制方式按控制方式 按信息输入方式按信息输入方式 按系统功能按系统功能 按驱动方式按驱动方式 按用途按用途 291.按坐标形式分按坐标形式分（1 1）直角坐标机器人）直角坐标机器人 机器人的机器人的末端执行器末端执行器（或手部）在空间（或手部）在空间位置的改变是通过位置的改变是通过三个互相垂三个互相垂直的轴线移动直的轴线移动来实现的。来实现的。特点特点：位置精度最高，控制无耦位置精度最高，

18、控制无耦合，比较简单，避障性好，但合，比较简单，避障性好，但结构庞大，动作范围小，灵活结构庞大，动作范围小，灵活性差。性差。l坐标形式坐标形式是指是指执行机构的手臂执行机构的手臂在运动时在运动时所取的所取的参考参考坐标系的形式坐标系的形式。3031（2 2）圆柱坐标机器人）圆柱坐标机器人 机器人机器人是通过是通过两个移动两个移动（升降运动及升降运动及手臂伸缩运动手臂伸缩运动） 和和一个转动一个转动（腰转腰转）来实现）来实现末端执行器空末端执行器空间位置的改变间位置的改变。腰部转运动及。腰部转运动及升降运动通常由升降运动通常由机身来实现机身来实现。特点特点：位置精度高、控制简单位置精度高、控制简

19、单、避障性好，但结构较庞大、避障性好，但结构较庞大3233（3）极坐标机器人）极坐标机器人 机器人机器人手臂手臂的运动由的运动由一个直线运动一个直线运动和和两个转动组成两个转动组成，即手臂的即手臂的绕绕的的（回转运动）、绕（回转运动）、绕的的（俯仰运（俯仰运动）。通常把回转及俯仰运动）。通常把回转及俯仰运动归属于机身动归属于机身。特点特点：占地面积小、结构紧凑、位置精度尚可，但占地面积小、结构紧凑、位置精度尚可，但避障性差、有平衡问题避障性差、有平衡问题3435（4）关节坐标机器人）关节坐标机器人 关关节坐标机器人主要节坐标机器人主要由由立柱、立柱、大臂和小臂大臂和小臂组成组成，立柱绕立柱绕Z

20、 轴做轴做旋转运动旋转运动，形成，形成腰关腰关节节，立柱和大臂立柱和大臂形成形成肩关肩关节节，大臂和小臂大臂和小臂形成形成肘关肘关节节，大臂和小臂做大臂和小臂做俯仰运俯仰运动动。特点：特点：工作范围大，动作灵活，工作范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度较低，有避障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合较复杂平衡问题，控制耦合较复杂36三个回转轴关节372.按控制方式分按控制方式分（1）点位控制）点位控制(Point to Point) l 机器人机器人 运动为空间点到点之间的直线运动，运动为空间点到点之间的直线运动，不涉及不涉及两点之间的移动轨迹，两点之间的移动轨迹，l 只在目标点处控制

21、机器人末端执行器的位置和姿态。只在目标点处控制机器人末端执行器的位置和姿态。特点：特点：控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。 38（2）连续轨迹控制（）连续轨迹控制（Continuous Path） l 机器人机器人 运动轨迹可以是空间的任意连续曲线运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。l 机器人机器人在空间的整个运动过程都要控制，在空间的整个运动过程都要控制，l 末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态。393.按信息输入方式分按信息输入方式分 （1）人操作机械手人操作机械手 是一种是一种由操作人员由操作人员直接直接

22、进行操作的进行操作的具有几个自由度具有几个自由度的的机械手机械手。（2）固定程序机器人固定程序机器人 按预先按预先规定的顺序规定的顺序、条件条件和和位置，位置，逐步地重复逐步地重复执行给定的作业任执行给定的作业任务务的的机械手机械手。（3）可变程序机器人可变程序机器人它与固定程序机器人基它与固定程序机器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。本相同，但其工作次序等信息易于修改。40特点：特点： 结构简单，无独立控制系统，造价低廉，结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在加工中心机床上的如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手自动换刀机械手。（4）程序控制机器人）程序控制机器人 具有具有 独立

23、的控制系统，作独立的控制系统，作业任务指令是由计算机程序向机器人提供的，其控业任务指令是由计算机程序向机器人提供的，其控制方式与数控机床一样。制方式与数控机床一样。特点：特点： 结构复杂，工作范围大，定位精度高，通结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。41（5）示教再现机器人）示教再现机器人 这类机器人能够按照这类机器人能够按照记忆装置存储的信息记忆装置存储的信息来来复现由人示教复现由人示教的的动动作作。其示教动作可自动地重复执行。其示教动作可自动地重复执行。 （6）智能机器人）智能机器人 采用传感器来感

24、知工作采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化环境或工作条件的变化，并借助其，并借助其自身的自身的决策能力决策能力，完成相应的工作任务。，完成相应的工作任务。flash42五、五、 工业机器人的发展趋势工业机器人的发展趋势（1）提高工作速度和运动精度，减少自身重量和）提高工作速度和运动精度，减少自身重量和占地面积。占地面积。（2）加快机器人部件的标准化和模块化，将各种）加快机器人部件的标准化和模块化，将各种功能（回转、伸缩、俯仰、摆动等）机械模块与控功能（回转、伸缩、俯仰、摆动等）机械模块与控制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器人。制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器人。（3）采用

25、新型结构，如微动机构、多关节手臂、）采用新型结构，如微动机构、多关节手臂、类人手指、新型行走机构等，以适应各种作业需要。类人手指、新型行走机构等，以适应各种作业需要。43（4）研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听）研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，来获取有关工作对象和外觉和测距传感器等，来获取有关工作对象和外部环境的信息，使其具有模式识别的能力。部环境的信息，使其具有模式识别的能力。（5）利用人工智能的推理和决策技术，使机器）利用人工智能的推理和决策技术，使机器人具有问题求解、动作规划等功能。人具有问题求解、动作规划等功能。44第二节第二节 机械与驱动系统机械与驱动系统

26、 工业机器人的工业机器人的机械系统又称机械操作臂机械系统又称机械操作臂，它主要由它主要由 末端执行器、末端执行器、 手腕、手腕、 手臂手臂 机座机座组成；组成；451. 末端执行器末端执行器l 末端执行器末端执行器则是则是直接执行作业任务的直接执行作业任务的装置装置；l 末端执行器末端执行器的的结构结构和和尺寸尺寸是依据其是依据其不同作业任务要不同作业任务要求来设计的求来设计的，从而形成了，从而形成了多种多样的结构形式多种多样的结构形式。l 末端执行器末端执行器安装安装在执行机构的在执行机构的手腕或手臂手腕或手臂的的机械接机械接口口上。上。l 根据用途可分为根据用途可分为 机械式夹持器、机械式

27、夹持器、 吸附式末端执行器吸附式末端执行器 专用工具三类。专用工具三类。46（1）机械式夹持器）机械式夹持器机械式夹持器组成机械式夹持器组成 ：手爪、传动机构、驱动装置手爪、传动机构、驱动装置等。等。l通过手爪的开、合动作实现对物料的夹持。通过手爪的开、合动作实现对物料的夹持。夹持圆柱形物料的机械式夹持器夹持圆柱形物料的机械式夹持器1-1-手爪手爪2-2-传动机构传动机构3-3-驱动装置驱动装置4-4-支架支架5-5-物料物料471 1）手爪）手爪 手爪是手爪是直接与物料接触的部件直接与物料接触的部件，夹持器松夹持器松开和夹紧物料开和夹紧物料是通过是通过手爪的张开和闭合手爪的张开和闭合来实现的

28、。来实现的。机械式夹持器的结构形式机械式夹持器的结构形式取决于被夹持物料的形取决于被夹持物料的形状和特性状和特性。2 2）传动机构）传动机构 传动机构是传动机构是向手爪传递运动和动力向手爪传递运动和动力，以以实现夹紧和松开动作的机构实现夹紧和松开动作的机构。 传动机构传动机构按其按其运动方式分运动方式分为为回转型和移动型回转型和移动型，回，回转型又分为单支点回转型和双支点回转型。转型又分为单支点回转型和双支点回转型。3 3）驱动装置）驱动装置 驱动装置是驱动装置是向传动机构提供动力的装向传动机构提供动力的装置置，它一般有，它一般有液压、气动、机械等驱动方液压、气动、机械等驱动方式。式。484950（2）吸附式末端执行器）吸附式末端执行器吸附式手部吸附式手部又分为又分为气吸式气吸式和和磁吸式磁吸式：l 气吸式手部气吸式手部利用利用真空吸力及负压吸力吸持工件真空吸力及负压吸力吸持工件，它，它适用于抓取适用于抓取薄片、易碎工件薄片、易碎工件，通常，通常吸盘由橡胶或塑吸盘由橡胶或塑料制成料制成；l 磁吸式手部磁吸式手部利用利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性物质有磁性物质的小五金工件。的小五金工件。51（2）吸附式末端执行器）吸附式末端执行器抓取物料时抓取物料时，碟形橡胶吸碟形橡胶吸