工业机器人汇总课件

工业机器人石运序1工业机器人石运序11工业机器人概述国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进入了一个缓慢的发展期，直到进人80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。进人90年代以后，装配机器人和柔性装配技术得到了广泛的应用，并进入了一个大发展时期。21工业机器人概述国际上第一台工业机器人现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控(NC)、可编程控制器(PLC)一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。纵观世界机器人的发展史，60年代为机器人发明和创建阶段；70年代为机器人走向实用化和产业化初建阶段；80年代为机器人普及和产业化高速发展阶段；90年代机器人进入智能化发展阶段，机器人得到广泛应用，并向非制造业拓展。3现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控(NC)、可机器人由于其作业的高度柔性和可靠性、操作的简便性等特点，满足了工业自动化高速发展的需求，被广泛应用于汽车制造、工程机械、机车车辆、电子和电器、计算机和信息以及生物制药等领域。据国际机器人联合会统计，60年代末工业机器人开始产业化发展以来，到1998年末累计年度销售机器人达到1020000台。然而，早期的大多数机器人现在已不再服役。所以，实际运行的工业机器人数量要比该数据少。欧洲经济委员会(ECE)和国际机器人联合会(IFR)估计，到1998年末，全世界运转的工业机器人总量为720000台。日本的机器人保有量占世界的一半还多，然而，近年来它的份额正在持续减少!4机器人由于其作业的高度柔性和可靠性、操作的简便性等特点，满

1990年全世界的工业机器人的年销量达到81000多台，创历史最高记录。在经历了1991～1993年的不景气之后，1993年全世界的工业机器人销量急剧下降到约54000台。此后，世界工业机器人市场开始恢复活力，到1997年再创新高，达到85000台。近年来，工业机器人的市场一直在稳步快速增长。随着全球新经济的到来和高新技术的快速发展，机器人的应用领域将会愈来愈广，其作用也会越来越大。51990年全世界的工业机器人的年销量达到81000多台，创2工业机器人结构工业机器人是机器人家族中的重要一员，也是目前在技术上发展最成熟、应用最多的一类机器人。世界各国对工业机器人的定义不尽相同，但其内涵基本一致。国际标准化组织(ISO)曾于1987年对工业机器人给出了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机”。日本工业标准(JIS)采用此定义，这也与美国工业机器人学会(RIA)的定义相近。在德国的标准(VDl)中。对工业机器人则给出了更为具体的定义：“工业机器人是具有多自由度的、能进行各种动作的自动机器。它的动作是可以顺序控制的。轴的关节角度或轨迹可以不靠机械调节，而由程序或传感器加以控制。工业机器人具有执行器、工具及制造用的辅助工具，可以完成材料搬运和制造等操作”。2.1工业机器人定义62工业机器人结构工业机器人是机器人家族中的ISO8373对工业机器人给出了更详细、具体的意义：“机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有3个或以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。”7ISO8373对工业机器人给出了更详细、具体的2.2工业机器人系统结构工业机器人一般由两大部分组成：一部分是机器人执行机构，也称作机器人操作机(robotmanipulator)，它完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制器，它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。机器人控制器是机器人中最核心的部分，机器人性能的优劣主要取决于控制系统的品质。机器人控制系统集中体现了各种现代高新技术和相关学科的最新进展。当然，机器人要想进行作业，除去机器人以外，还需要相应的作业机构及配套的周边设备，这些与机器人一起形成了一个完整的工业机器人作业系统。图2-1给出了工业机器人的系统结构。82.2工业机器人系统结构工业机器人一般由992.3工业机器人操作机结构迄今为止，典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能，所以机器人操作机也称作机器人手臀或机械手，一船简称为机器人。机器人机构可以视为一种杆件机构，它的基本结构是将机构学中的杆件(link)和运动副(pair)相互连接而构成的开式运动链(openloopkinematicschain)。当然也有部分闭链或全部闭链的机器人。图2-2是一个开链结构的工业机器人。

102.3工业机器人操作机结构迄今为止，典型由图2-2可以看出，在机器人中，连杆可称为手臂，运动副称作关节(joint)，关节分为平移关节和转动关节。机器人的末端称为手腕(wrist)，它一般由几个转动关节组成。在机器人中，手臂决定机器人达到的位置，而手腕则决定机器人的姿态。下面详细介绍机器人的几个重要概念及其典型的结构形式。11由图2-2可以看出，在机器人中，连杆可称为手臂，运(1)杆件与自由度机器人是由杆件和连接它的关节(运动副)构成，关节由一个或多个自由度(degreeoffreedom)组成。杆件是指两个关节之间的连杆，杆件一般有串联杆件和并联杆件两类。自由度是表示机器人运动灵活的尺度，意味着独立的单独运动的个数。自由度分为主动自由度和被动自由度两类，前者指该自由度能产生驱动力，而后者不能产生驱动力，只能被动地跟随其他关节运动。12(1)杆件与自由度12

表2-1是几种有代表性的单自由度关节的符号和运动形式。设可动部件的个数为n，自由度为f的关节个数为Pf，则杆件机构的自由度数F可由下式算出；

F＝6n-∑(6-f)Pf

杆件和关节的构成方法大致可分为两种。从手臂的全貌看，构成手臂的杆件和关节是串联连接的，称为串联杆件机械手(seriallinkmanipulator)或开式链机械手；而并联连接的，则称为并联杆件机械手(parallellinkmanipulator)或闭式链机械手。在图2-3中给出了串联和并联机械手的自由度构成的例子。实际上，大部分机械手是串联杆件型的。13表2-1是几种有代表性的单自由度关节的符号和运动F＝6n-∑(6-f)Pf14F＝6n-∑(6-f)Pf141515在三维空间中的无约束物体，可以做平行于x、y、z各轴的平移运动，还可以做围绕各轴的旋转运动，因此它有与位置有关的3个自由度和与姿态有关的3个自由度，共6个自由度。机器人手臂为了能任意操纵物体的位置和姿态，必须最少有6个自由度。人的手臂有7个自由度，其中肩关节为3，肘关节为2，手关节为2(或从功能观点来看，也可认为肩关节为3，肘关节为1，手关节为3)，它比6还多，把这种比6还多的自由度称为冗余自由度(redunctantdegreeoffreedom)。人由于有这样的冗余度，在固定了指尖方向和手腕位置的情况下，可以通过旋转肘关节来改变手臂的姿态，因此就能够回避障碍物。16在三维空间中的无约束物体，可以做平行于x、y

决定机器人自由度的构成，必须是它能完成与目标作业相适应的动作。例如，若仅限于二维平面内的作业，有3个自由度就够了。另外，在化学工厂这类障碍物很多的有代表性的环境中，如果是用机器人进行维修为目的，那么也许将需要7个以上的自由度。1717

(2)自由度的构成自由度的构成方法将极大地影响机器人的可动范围和可操作性等性能。例如，球形关节的构造，是可以向任意方向动作的3个自由度关节，它能方便地决定适应于作业的姿态。然而，由于驱动器可动范围的限制，它很难完全实现这一功能。所以机器人通常是把3个单自由度机构串联连接，以实现这种3个自由度的要求。采用这样的串联连接方法，即使是相同的3个自由度，其自由度的组合方法也有多种，各自的功能也不同。18(2)自由度的构成18另外，在进行这样的自由度组合时，必须注意奇异点(singularpoint)的存在。所谓奇异点，是指由于手臂机构的约束，导致手臂姿态失掉了某特定方向的自由度功能，加之由于这种自由度的退化，进而在奇异点的附近，关节必须作急剧的姿态变化，驱动系统将承受很大的负荷。奇异点的回避问题，主要是在手臂的轨迹控制中加以解决。所以在设计时，有效的方法是设法使自由度的构成在执行作业内容时能容易地回避奇异点。奇异点的例子如图2-4所示。在图中，沿箭头方向的自由度已经退化，机械手不能沿此方向运动。19另外，在进行这样的自由度组合时，必须注意奇异点(singul2020

(3)动作形态的分类手臂的主要目的是在三维空间内定位，为此，如前所述必须要3个自由度。这样的自由度构成法，若考虑平移、旋转、回转三种自由度的组合，则共计存在27种，然而根据它的动作形态，代表性的自由度构成可以分成下面五种：①圆柱坐标型机器人②球坐标型机器人；③直角坐标型机器人④关节型机器人；⑤并联机器人。21(3)动作形态的分类21

圆柱坐标型机器人(cylindricalcoordinaterobot，见图2-5)是由一个回转和两个平移的自由度组合构成；球坐标型机器人(polarcoordinaterobot，见图2-6)是由回转、旋转、平移的自由度组合构成。这两种机器人由于具有中心回转自由度，所以它们都有较大的动作范围(motionrange)，其坐标计算也比较简单。世界上最初实用化的工业机器人“Versatran”和“Unimate”分别采用了圆柱坐标型和球坐标型的构成。22圆柱坐标型机器人(cylindricalcoordina2323

直角坐标型机器人(Cartesiancoordinaterobot，见图2-7)的自由度是独立沿x、y、z轴的，结构简单，精度高，坐标计算和控制也都极为简单。24直角坐标型机器人(Cartesiancoordinate

关节型机器人(articulatedrobot)主要是由回转和旋转自由度构成，可以看成是仿人手臂的结构，它是具有肘关节的连杆关节结构，见图2-8，它是一般关节型机器人手臂，它采用回转、旋转、旋转的自由度结构。从肘至手臂根部(肩：shoulder)的部分称为上臂，从肘到手腕的部分称为前臂。这种结构，对于确定三维空间上的任意位置和姿态是最有效的。它对于各种各样的作业都有良好的适应性，但其缺点是坐标计算和控制比较复杂，且难以达到高精度。25关节型机器人(articulatedrobot)主要是由关节型机器人，根据其自由度的构成方法，可再进一步分成几类。

图2-9是在标准手臂上再加上一个自由度(冗余自由度)，即所谓仿人型(anthropomorphic)。2626

图2-10的手臂采用了平行四边形连杆，并把前臂关节驱动用的电机装在手臂的根部，可获得更高的运动速度。

27图2-10的手臂采用了平行四边形连杆，并把前臂关节驱图2-11称为SCARA型机器人(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)，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的刚性高、水平面内刚性低(柔顺性)的特征。但在实际操作中主要不是出于它所具有的这种特殊的柔顺性质，而是因为它更能简单地实现二维平面上的动作，因而在装配作业的应用中普遍采用。28图2-11称为SCARA型机器人(SelectiveCom

并联机构的机器人(见图2-12)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，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。

2929以上介绍了工业机器人的一些基本结构形式和特点，表2-2给出了常见工业机器人的结构形式和运动形态。30以上介绍了工业机器人的一些基本结构形式和特点，表23131

2.3工业机器人控制控制系统是机器人中的关键和核心部分，它类似于人的大脑，控制着机器人的全部动作，机器人功能的强弱以及性能的优劣，主要取决于控制系统。322.3工业机器人控制控制系统是机器人中的关2.3.1机器人控制技术的发展机器人控制技术的发展实际上一直是伴随着自动控制技术、计算机技术、微电子技术、电机驱动技术以及传感器技术等相关技术的发展而发展的。早期的机器人控制器功能很简单，但系统却很庞大，操作起来比较复杂，精度和可靠性也不高。因此机器人仅能完成一些简单的顺序作业，机器人的维护量非常大，寿命也不长，但价格却很昂贵。

332.3.1机器人控制技术的发展机器人控制技进入20世纪80年代以后，随着微电子技术的发展，特别是随着微处理器的出现，机器人控制器也发生了革命性的变化、机器人控制器由过去的一个简易控制装置，变成了一个由计算机控制的高性能控制器。它具有良好的人机界面，具有功能完善的编程语言，系统保护、状态监控、诊断功能日趋完善，对外通讯能力进一步加强。由于计算能力的提高和存储能力的扩大，这时的机器人控制器已能实现一些比较复杂的控制算法，完成复杂轨迹的规划和插补运算，因此大大提高了机器人的控制精度和作业能力。同时机器人的操作也变得非常简单，可靠性有了很大提高。此外由于机器人通讯能力的增强，使得机器人由过去的单台独立工作，变成可以多台机器人同时作业，甚至形成一条多台机器人组成的机器人生产线，大大拓展了机器人的应用领域。图2-13是一条点焊机器人组成的汽车焊接生产线。34进入20世纪80年代以后，随着微电子技术的发展，特3535

90年代以后，计算机性能进一步提高，IC的集成度也越来越高，过去需要多个CPU及控制板才能完成的功能，现在一个芯片就可以完成。机器人控制器的功能已变得非常强大，其控制能力已由过去的6～9轴扩展到多达21轴，可同时完成多台机器人及周边装备的协调控制。而机器人控制系统的体积却越来越小，价格也愈来愈低。3690年代以后，计算机性能进一步提高，IC的集成度也越来越高此外由于计算能力的增强，过去的模拟控制已全部由数字化控制来代替，并且过去许多由硬件来实现的功能现在也完全可由软件来实现，因此大大提高了系统的可靠性和柔性，同时降低了成本。现在机器人系统的可靠性已由最早的几百小时提高到现在的6万小时，并且操作非常简便，几乎不需要维护。在机器人控制系统中，其开放性和通讯功能也有了很大提高，机器人控制器可方便地实现与其他先进的工业自动设备的互联，也可通过CAN-BUS、PROFIBUS或Ethernet与企业不同级别的网络连接，形成一个先进的企业制造系统。注：控制器局域网络总线技术（ControllerAreaNetwork-BUS）,PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。37此外由于计算能力的增强，过去的模拟控制已全部由数字2.3.2机器人控制的基本原理要使机器人按照人们的要求去完成特定的作业，需要做下述几件事情：①告诉机器人要做什么；②机器人接受命令，并形成作业的控制策略；③去完成作业；

④保证正确完成作业，并通报作业已完成。382.3.2机器人控制的基本原理要使机器人按照人们上述四个过程就是通过机器人控制器来完成的，也是机器人控制器的基本原理。第一个过程在机器人控制中称作示教，也就是通过计算机可接受方式告诉机器人去做什么，结机器人作业命令；第二个过程则是机器人控制系统中的计算机部分，它负责整个机器人系统的管理、信息获取及处理、控制策赂的制定，作业轨迹的规划等任务，这是机器人控制系统中的核心部分；第三个过程是机器人控制中的伺服驱动部分，它通过不同的控制算法，将机器人控制策略转化为驱动信号，驱动伺服电机，实现机器人的高速、高精度运动，去完成指定的作业。最后一个过程则是机器人控制中的传感器部分，通过传感器的反馈，保证机器人去正确地完成指定作业，同时也将各种姿态反馈到计算机中，以便使计算机实时监控整个系统的运动情况。图2-14是机器人控制基本原理框图。39上述四个过程就是通过机器人控制器来完成的，也是机器人控制器的2.3.3机器人控制系统的典型结构下面以新松机器人自动化公司开发的高性能机器人控制器为例说明机器人控制器的结构和主要功能。新松公司的机器人控制器采用多CPU计算机结构，分为主计算机和编程示教盒〔手控盒)及位置伺服模块，见图2-15。整个机器人控制系统采用开放式和模块化结构、32位计算机全数字控制。在硬件上，采用全新设计的计算机控制系统、控制柜和编程示教盒。在软件上，采用软件工程的思想，实现了以功能键驱动的全菜单操作的汉字机器人操作系统，系统操作更为简单。注：新松机器人自动化股份有限公司是由中国科学院沈阳自动化研究所为主发起人投资组建的。公司致力于机器人技术及自动化装备的产业化，迄今为止，已完成二百余项机器人系统应用工程和自动化生产线项目的交钥匙工程，用户遍及汽车行业、摩托车行业、烟草行业、电器元部件行业及家电等行业，占据国内机器人市场份额三分之一以上。

402.3.3机器人控制系统的典型结构下面以新松机器(1)系统硬件结构系统组成如图2-15所示，主计算机和编程示教盒通过串口进行异步通讯。主计算机和伺服模块分别完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。系统采用模块化结构，根据需要可以配置成不同轴数的机器人系统。41(1)系统硬件结构41(2)人机接口的设计编程示教盒是机器人控制器中人机交互的主要部件，它通过串行口与主计算机相联。目前对编程示教盒的外形要求符合人体工程学的标准，因此需要进行三维CAD设计。42(2)人机接口的设计42早期的示教盒只有示教功能，而没有编程功能。编程要使用键盘和显示器，不适合于工业现场的应用。现在已将示教和编程的功能集成在一起，发展出新型的编程示教盒。编程示教盒一般由显示屏、功能按键和急停按钮组成，用单片机进行管理。显示屏采用大屏幕的点阵LCD图形显示器，可显示多行汉字。编程示教盒的显示界面由四个区域组成，即状态提示行、程序显示区、信息提示区和软键提示行。整个操作采用基于功能键的软键菜单和汉字帮助信息。43早期的示教盒只有示教功能，而没有编程功能。编程要使

(3)软件系统构成

机器人控制器的软件操作系统由机器人基本系统和机器人应用系统组成。基本系统包括实时多任务操作系统、机器人语言系统、机器人模型、输入输出控制、通讯系统等功能。机器人应用系统则是一个机器人作业软件包，针对不同的作业特点，设计相应的作业软件，以实现最优作业。例如，为适应机器人弧焊作业，在软件系统中必须配置完善的弧焊机器人作业控制软件，提供多种焊机文件、焊接文件和摆动文件，以适应不同的焊机、复杂的焊接工艺条件的情况。弧焊机器人的焊接指令具有抗粘丝功能，摆动指令具有直线、L形、三角形和任意波形的摆动算法。

44(3)软件系统构成44此外，控制器软件还要具有内嵌PLC功能和机器人的协调运动算法，使机器人控制器的控制数达到10个轴以上，以满足多个机器人及周边设备的协调运动控制和作业的要求。同时要具有完善的系统自诊断功能，提供系统的在线帮助，便于对用户进行操作指导和系统维护。控制软件系统根据软件工程的方法按层次划分为不同的功能模块，其框图如图2-17所示。新松机器人控制系统的主要性能指标如表2-3所示。45此外，控制器软件还要具有内嵌PLC功能和机器人的协464647472.4工业机器人编程及仿真机器人本来应该能自主地进行运动，但是，现阶段的机器人还没达到这个水平，为了让机器人产生出我们所希望的动作，就必须预先设计机器人的运动过程和编制完成这种运动过程的先后顺序，这和计算机中编制程序的概念是一样的，早期的机器人编程是人通过手把手地示教进行的。示教时把机器人各个关节的角度用多通道记录仪记录下来，然后根据所记录的信号让机器人再现与这些关节角度一样的动作，从而实现人们对机器人的编程。这个过程很像录音机在录制完声音后再重放这种声音的过程。这种方式在机器人技术中叫做示教再现(teachingplay-back)。后来，人们使用一种形式语言来描述机器人的运动，这种形式语言叫做机器人语言(robotlanguage)。482.4工业机器人编程及仿真机器人本来应该能自主机器人语言出现后，人们可以使用示教盒和机器人语言来对机器人进行编程。方法是：用示教盒将机器人移动到作业位置，然后用机器人语言记录这些位置信息、运动形式和作业内容，形成一个用机器人语言编写的机器人作业程序。执行这些程序，机器人就完成了预定的作业任务。通过机器人运动而对其进行示教的方法叫做在线编程(on-lineprogramming)示教法。与此对应，不需要机器人运动而对其进行示教的方法叫做离线编程(off-lineprogramming)示教法。在离线编程示教法中，一般使用机器人语言和CAD技术进行编程。49机器人语言出现后，人们可以使用示教盒和机器人语言来把示教再现法和使用机器人语言进行编程示教法作一比较，可以看出示教再现法的优缺点，如表2-4所示。两种示教方法的不同之处是，机器人语言编程示教法重视记录机器人运动的文件和资料，以及更强调使用符号语言来进行各种描述；而示教再现法重视连续地用数值记录机器人的运动顺序与运动条件，其操作过程复杂，作业效率低。虽然现阶段的示教再现法比早期的有了很大的进步，但是还不能说已经从根本上克服了表2-4所列的不足之处，因此可以预料，机器人语言编程示教法与CAD/CAM技术相结合，将会得到推广应用。50把示教再现法和使用机器人语言进行编程示教法作一比较，可以看51512.4.1机器人编程的种类与特征

(l)机器人语言的定义及其特征机器人编程是为了使机器人产生运动。在日本工业标准(JIS)中，从广义上对机器人的示教进行了定义，对机器人的编程也进行了定义，后者的定义是：“一种期望机器人完成某种作业的动作顺序的描述”。机器人语言就是为了方便地进行这种描述而发明的一种编程语言。不管是对机器人机械手的控制、还是对机器人两条腿的控制，所谓对机器人的控制，最终归结为对机器人的关节角度(或速度、力矩)的变化进行控制，于是研究与开发了在采样时间间隔内自动地产生能控制机器人关节角度的各种指令的方法。522.4.1机器人编程的种类与特征(l)机器人语言的定义在日本工业标准中指出，机器人语言是“一种程序语言,一种用于向机器人系统进行输人的形式语言，这种形式语言以人们容易理解的方式，使机器人能够完成人们所期望完成的作业或动作”。机器人语言的含义是：“机器人语言是在人与机器人之间的一种记录信息或交换信息的程序语言”。在设计机器人的运动过程时，大致需要如下各种信息：①运动顺序信息；②环境信息；③关于机器人的结构信息。这些信息可以在现场进行实测，或者利用存储在计算机内部的已有信息。根据信息来源的不同，有各式各样的机器人运动的设计方式。但是这些不同的设计方式都介乎于使用机器人实际进行作业的示教再现方式与使用CAD/CAM示教方式之间。53在日本工业标准中指出，机器人语言是“一种程序语言,不管是通用的算法语言，或者是系统的描述语言，这些描述机器人动作的形式语言都具有相同的算法结构。机器人语言具有下述四方面的特征：①实时系统；②三维空间的运动系统；③良好的人机接口；④实际的运动系统。也就是说，必须在实时处理时间内(在伺服级中在l～10ms之间)能使三维空间内机器人的位置与状态发生物理性的变化。通过对几何模型的运算能够计算出机器人的运动轨迹。此外，机器人语言系统必须是容易掌握和使用的语言系统。54不管是通用的算法语言，或者是系统的描述语言，这些描述机器人动

(2)机器人语言程序流程使用机器人语言的系统流程框图如图2-18所示，包括规划系统和执行系统两大部分。规划系统计算从零件形状到机器人动作顺序和运动轨迹的全部数据，但是目前已经实现的规划系统的功能还不充分。向执行系统输入机器人动作指令，然后输出机器人各个关节的角度。55(2)机器人语言程序流程55

所谓机器人语言是用数据和符号的形式对机器人的运动进行程序设计的一种语言，所以希望把这些动作指令在实际的机器人上进行试验或在计算机上进行仿真加以确认。这些动作指令程序不是间歇地执行的，而是能够及时地对指令程序进行解释和执行的人-机交互系统。因此，在执行系统中要有对动作指令进行解释和执行的功能体系。目前具有语言功能的机器人系统大多数是把规划系统和执行系统结合在一起应用的，今后随着用于机器人的CAD/CAM技术进一步发展，估计能把零件形状定义、作业规划部分与动作执行部分分离开来。56所谓机器人语言是用数据和符号的形式对机器人的运动进行程序设

2.4.2机器人的语言功能机器人的语言功能是对机器人动作进行描述和控制作业的流程。机器人运动轨迹的控制方式有两种。(1)CP控制方式

CP是英文continuouspathcontrol的缩写，表示一种机器人连续轨迹控制方式，或表示指定机器人全部运动轨迹的控制方式。572.4.2机器人的语言功能机器人的语言功能是(2)PTP控制方式

PTP是英文point-to-pointcontrol的缩写，一种点位控制，它仅考虑控制的点位是否到达，而不考虑各点位之间的轨迹形态。对喷漆作业或弧焊作业的机器人进行控制的方式属于CP控制方式，对点焊作业或装配作业的机器人进行控制的方式主要是PTP控制方式，它是一种在时间上对各关节轴同时开始、同时结束的控制，而机器人的运动轨迹则因起始点位置的不同而不同。在CP控制方式中，实际上是在PTP控制方式中尽量把插补点的间隔取得很小，使得这些插补点之间的连线近似于一条连续曲线。58(2)PTP控制方式585959图2-19所示的机器人动作指令的一般形式为：

MOVEPT1，VEL1

这是从当前位置PT0点移动到PT1点的动作指令。其中PT1是目标点的数据，VEL1表示移动平均速度或最高速度，这与机器人系统的加速或减速有关。表示机器人运动速度指令的表达方式有两种：一种是与动作相结合的方式，例如上述动作指令中的VEL1；另一种是与动作指令分离的独立指令，这种速度指令的意义是在没有更改命令前保持同等速度，机器人运动速度指令表达方式为SPEED或JSPEED。许多机器人语言采用后一种表达方式。机器人轨迹控制的方式可根据从作业坐标系到关节坐标系的变换方式(逆运动学变换)与指定点的插补方式之间的前后关系来确定和进行分类，如图2-20所示。

60图2-19所示的机器人动作指令的一般形式为：606161一般工业机器人的插补轨迹分为三种类型：一种是直角坐标系中的直线描补，目的是使机器人的末端沿直线运动；另一种是圆弧的插补，它使机器人末端沿圆弧运动；第三种是关节空间中的插补，它只能使机器人从某一点到另一点，而不保证机器人末端的任何轨迹。在机器人作业中，根据不同的作业要求，选取相应的轨迹插补方式，一般情况下是几种插补方法的混合使用。

(1)直角坐标系中的直线插补首先求出运动时间T，然后在直角坐标系内对PT0和PT1两点间进行插补运算，有如下关系式：

P(t/T)＝PT0+t/T(PT1

-PT0)

再选择适当的点数进行逆运动学变换，于是得到θi(tj/T)[j＝1，2，…，k]。在大多数情况下，要选择位置指令所指定的时间间隔，如有必要，可在关节坐标系内再次对θi(tj/T)进行直线插补运算，然后向伺服系统输出指令。62一般工业机器人的插补轨迹分为三种类型：一种是直角坐标系中的直

(2)直角坐标系中的圆弧插补这是一种对轨迹进行函数关系很明确的插补方法。在几何学上定义一个圆弧有许多方法，例如指定圆周点及圆的半径，或指定三个圆周点等。从这些参数就可以在直角坐标系上列出圆的方程式，这之后与直角坐标系直线插补的方法相同，以适当的间隔在圆周围上进行逆运动学变换，然后得到θi(tj/T)[j＝1，2，…，k]，以后的步骤与直角坐标系直线插补的方法一样。

(3)关节角的直线插补首先把点PT0和PT1在直角坐标系内的距离除以速度以确定通过点PT1的时间值。在以各关节角为纵轴、时间为横轴的曲线上，在PT0和PT1两点之间进行插补运算。假设第i个关节的运动时间为T，始点和终点的关节角分别为θi(PT0)和θi(PT1)，那么在关节角坐标系内的直线插补运算公式为：

θi(tj/T)=θi(PT0)+t/T(θi(PT1)-θi(PT0))其中点θi(PT)表示在PT点的关节角θi。63(2)直角坐标系中的圆弧插补632.4.3仿真技术

(1)概述

①机器人仿真技术若要通过计算机自动控制机器人产生人们所期望的动作，就必须在计算机内部建立某种模型，机器人根据这种模型对动作进行规划，并自动地生成完成这些动作的目标程序。为了达到这个目的，需要把机器人操作机和机器人所在的作业环境抽象为某种模型，并且必须对人们所设计的机器人动作进行仿真。仿真技术在机器人的设计和应用中起着重要作用。一般来说，机器人仿真技术涉及的范围很广，但是大致可以把机器人仿真技术分为两大类：

a．设计机器人时结构分析和运动分析的仿真技术

b．支持机器人编程的仿真技术。

642.4.3仿真技术(1)概述64a项仿真技术虽然与机器人的作业示教没有直接关系，但却是进行机器人结构设计时所必不可少的。不仅如此，把机器人结构分析技术与机器人运动分析技术综合在一起的设计支持系统也是当前最新的设计手段。b项仿真技术的出发点是在计算机内建立作业环境模型和使用这种模型对机器人运动进行规划。目前，运动示教是机器人系统技术的基础，而运动示教则是通过使用机器人语言编程来实现的。因此，支持机器人编程的仿真技术对机器人系统来说是一项很重要的技术。这种仿真技术水平的高低能左右机器人软件系统功能的优劣。

65a项仿真技术虽然与机器人的作业示教没有直接关系②机器人作业示教的仿真由于引入了仿真技术，在对机器人进行作业示教的编程系统中就能实现如下的功能：

a．不用让机器人动作就能预先对其运动情况进行检查；

b．能以对话形式对机器人运动进行示教；

c．能对机器人的运动进行规划，自动生成运动轨迹，使机器人自主地工作。图2-21是为了实现上述功能的编程系统框图。在支持机器人编程系统的仿真技术中有以下几项基础技术：在计算机内描述机器人和作业环境的建模技术；使用模型对机器人要完成的作业进行规划和对机器人运动轨迹进行运算的机器人运动仿真技术；把机器人的运动在图形显示器上进行显示的图形仿真技术等等。66②机器人作业示教的仿真由于引入了仿真技术，在对机器人进行6767

(2)机器人建模随着机器人技术的高度综合和计算机集成制造技术(CIM)的发展，机器人仿真技术已变得越来越重要。机器人仿真技术不仅局限于单纯的机器人的机械手，在更有效地利用视觉等传感器的辅助设计方面，在利用传感器的信息从而实现机器人运动的离线编程等方面，都对机器人仿真技术提出了更高和更广泛的要求。为了满足这些要求，必须极大地提高作为仿真技术核心的环境模型的表达能力。在仿真技术与CAD/CAM技术相结合方面，在仿真技术中引人推理机制方面，都有许多急待解决的研究课题。另外如果不把前述两大类仿真技术有机地结合在一起，那么就不能形成完善的机器人仿真系统。68(2)机器人建模68从现阶段仿真技术所达到的水平来看，还不可能一点不差地建立实际环境的模型，也就是说通过仿真技术所建立的环境模型总是与实际环境有不同之处。此外在建模过程中还存在由于误差、示教方法和传感器性能的不完善所带来的不确定因素，如何最大限度地消除这些不确定因素的影响，如何大力提高使用含有这些不确定因素环境模型的仿真系统的性能，都是机器人仿真技术中需要进行研究和开发的重大课题。69从现阶段仿真技术所达到的水平来看，还不可能一在机器人的仿真技术中，建模技术是核心，把计算机辅助设计系统(CAD)和机器人编程系统综合在一起，是机器人仿真系统的重要的研究方向之一。在这种综合系统中建立机器人模型时需要下述几方面的信息：

a．对机器人机构进行分析；

b．用于避碰和机器人运动规划的作业对象和机器人本体的三维信息；

c．对作业对象与机器人本体之间的约束关系、递阶关系和连接关系等方面进行描述的信息；

d．与机器人完成作业过程有关的知识。

70在机器人的仿真技术中，建模技术是核心，把计算机辅助设正确地表达这些信息和运用这些信息是机器人建模系统所要求的最重要的条件。另外在仿真技术中重要的是能对三维物体的模型进行描述，为此在建模过程中必须了解以下各项内容：

a．能建立模型的物体种类；

b．对物体进行描述的完整性与唯一性；c．模型的描述与表达效率；

d．生成模型的难易程度。71正确地表达这些信息和运用这些信息是机器人建模

(3)支持机器人编程的仿真技术

①离线仿真技术机器人的运动主要以程序控制的运动为主。自从在生产线上大量应用机器人以来，人们对采用仿真技术的离线编程系统(off-lineprogrammingsystem)的重要性有了深刻的认识。离线编程系统以CAD系统的零件数据为基础，通过图形仿真技术确认机器人的运动状态。离线仿真技术(off-linesimulation)能验证机器人向目标点靠近时的运动状况，也能验证机器人的运动轨迹、碰撞检测、机器人之间的同步动作以及估计机器人的运动时间等。目前尚未达到机器人动态仿真的水平，这是因为计算机还没有足够的能力来进行各种数据的实时处理，而且与机器人运动有关的仿真需要较长的运算时间，因此要求仿真系统具有像离线编程系统的实时响应性是困难的。72(3)支持机器人编程的仿真技术72②在线仿真技术对机器人在线程序控制系统进行仿真，就是对机器人实际的运动进行仿真，当前的仿真结果将对其后的动作起指导作用，这种在线仿真技术(on-1inesimulation)也是一种重要的仿真技术。对于那些不能预测的事态就不能采用离线仿真方法，而只能用在线仿真方法，根据不同的状况进行机器人运动路径的规划和运动轨迹的修正。例如，实时地实现避碰功能就是一种典型的应用例子。

73②在线仿真技术对机器人在线程序控制系统进行仿真，就是对机

计算机的能力限制了需要实时处理的计算量，所以必须精心设计简化的环境模型，但到目前为止实现的例子很少。在离线仿真技术所设计的环境模型中，是以对三维物体形状和作业知识等进行符号描述为中心，而在线仿真技术中的环境模型是以动作目标值和势能函数等数值信息为中心的。离线仿真技术预先求出所需的近似数据，与从传感器得到的实际数据相比较，根据两者之差进行运动轨迹跟踪、避碰检测和异常情况检测，这些都是离线仿真技术所要处理的内容。74计算机的能力限制了需要实时处理的计算量，所以必须精心2.5典型的工业机器人

2.5.1弧焊机器人(arcweldingrobot)

(1)弧焊机器人的应用范围弧焊机器人的应用范围很广，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用，这是因为弧焊工艺早己在诸多行业中得到普及的缘故。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪(weldingtorch)移动的单机。图2-22为焊接系统的基本组成。图2-23为适合机器人应用的弧焊方法。752.5典型的工业机器人

2.5.1弧焊机器人(arc76767777

(2)弧焊机器人的的性能要求

在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝(beadweld)。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度约取5～50mm/s，轨迹精度约为±(0.2～0.5)mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定的影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的可调范围尽量大。还有其他一些性能要求，如表2-5所示。作业时为了得到优质焊缝，往往需要在动作的示教以及焊接条件(电流、电压、速度)的设定上花费大量的劳力和时间，所以除了上述性能方面的要求外，如何使机器人便于操作也是一个重要课题。78(2)弧焊机器人的的性能要求787979

(3)弧焊机器人的分类

从机构形式看，既有直角坐标型的弧焊机器人，也有关节型的弧焊机器人。对于小型、简单的焊接作业，机器人有四五轴即可以胜任了，对于复杂工件的焊接，采用六轴机器人对调整焊枪的姿态比较方便，对于持大型工件焊接作业，为加大工作空间，有时把关节型机器人悬挂起来，或者安装在运载小车上使用。

(4)典型弧焊机器人的规格图2-24是一个典型的弧焊机器人系统机器人操作机、机器人控制器和焊接系统。表2-6是典型弧焊机器人的规格。

80(3)弧焊机器人的分类8081818282

(5)弧焊机器人技术的发展趋势它主要包括三大部分：①光学式焊接传感器当前最普及的焊缝跟踪传感器为电弧传感器。但在焊枪不宜抖动的薄板焊接或对焊时上述传感器有局限性。因此检测焊缝采用下述三种方法：a．把激光束投射到工件表面，由光点位置检测焊缝；b．让激光过缝隙，然后投射到与焊缝正交的方向，由工件表面的缝隙光迹检测焊缝；c．用CCD摄像机直接监视焊接熔池，根据弧光特征检测。目前光学传感器有若干课题尚待解决。例如，光源和接收装置(CCD摄像机)必须做得很小很轻才便于安装在焊枪上，又如光源投光与弧光、飞溅、环境光源的隔离技术等。83(5)弧焊机器人技术的发展趋势83②标淮焊接条件设定装置为了保证焊接质量，在作业前应根据工件的坡口、材料、板厚等情况正确选择焊接条件(焊接电流、电压、速度、焊枪角度以及接近位置等)。以往的做法是按各组件的情况凭经验试焊，找出合适的条件，这样时间和劳动力的投入都比较大，最近，一种焊接条件自动设定装置已经问世并进入实用阶段。它利用微机事先把各种焊接对象的标准焊接条件存储下来，作业时用人机对话的形式从中加以选择即可。

84②标淮焊接条件设定装置为了保证焊接质量，在作业前应根据工③离线示教大致有两种离线示教的方法：a．在生产线外另安装一台所谓主导机器人，用它模仿焊接作业的动作，然后将制成的示教程序传送给生产线上的机器人；b．借助计算机图形技术，在CRT上按工件与机器人的配置关系对焊接动作进行仿真，然后将示教程序传给生产线上的机器人。但后一种方法还遗留若干问题有待解决，如工件与周边设备图形输入的简化，机器人、焊枪和工件焊接姿态检查的简化，焊枪与工件干涉检查的简化等等。④其他在弧焊机器人系统的周边设备中有一种逆变电源。由于它靠集成在机内的微机来控制，因此能够精细地调节焊接电流，人们期待着它在加快薄板焊接速度，减少飞溅，提高起弧率方面发挥作用。点焊85③离线示教大致有两种离线示教的方法：a．在生产线外另安装2.5.2点焊机器人(spotweldingrobot)

(1)点焊机器人的应用范围

汽车工业是点焊机器人一个典型的应用领域。一般装配每台汽车车体大约需要完成3000～4000个焊点，而其中的60％是由机器人完成的。在有些大批量汽车生产线上，服役的机器人台数甚至高达150台。引入机器人会取得下述效益：①改善多品种混流生产的柔性；②提高焊接质量：③提高生产率；④把工人从恶劣的作业环境中解放出来。今天，机器入已经成为汽车生产行业的支柱装备。

(2)点焊机器人的性能要求862.5.2点焊机器人(spotweldingrobo最初，点焊机器人只用于增强焊作业(往已拼接好的工件上增加焊点)。后来为了保证拼接精度，又让机器人完成定位焊作业。这样点焊机器人逐渐被要求具有更全的作业性能。具体来说有；①安装面积小，工作空间大；②节距的多点定位(例如每0.3～0.4s移动30～50mm节距后定位)；③定位精度高(±0.25mm)，以确保焊接质量；④持重大(60～150kgf)，以便携带内装变压器的焊钳；⑤示教简单，节省工时；⑥安全可靠性好。

87最初，点焊机器人只用于增强焊作业(往已拼接好的工件上增加焊(3)点焊机器人的分类在驱动形式方面，由于电伺服技术的迅速发展，液压伺服在机器人中的应用逐渐减少，甚至大型机器人也在朝电机驱动方向过渡。随着微电子技术的发展，机器人技术在性能、小型化、可靠性以及维修等方面的进步日新月异。在机型方面尽管主流仍是多用途的大型六轴垂直多关节型机器人，但是出于机器人加工条件的需要，一些汽车制造厂家也在进行开发立体配置的3～5轴小型专用机器人的尝试。表2-7列举了生产现场使用的点焊机器人的分类、特点和用途。88(3)点焊机器人的分类888989

(4)典型点焊机器人的规格以持重120kgf，最高速度4m/s的六轴垂直多关节机器人为例，其规格性能如图2-25、图2-26及表2-8所示。这是一种典型的点焊机器人，可胜任大多数本体装配工序的点焊作业。由于实用中几乎全部用来完成间隔为30～50mm左右的打点作业，运动中很少能达到最高速度，因此改善最短时间内频繁短节距起、制动的性能，是点焊机器人追求的重点。90(4)典型点焊机器人的规格90919192929393

为了提高加速度和减速度，在设计中注意了减轻手臂的重量，增加驱动系统的输出力矩。同时为了缩短滞后时间，得到高的静态定位精度，采用了低惯性、高刚度减速器和高功率的交流伺服电机。由于在控制回路中采取了加前馈环节和状态观测器等措施，控制性能大大改善，50mm短距离移动的定位时间被缩短到0.4s以内。表2-9是控制器规格的一个例子。它不仅具备机器人所应有的各种基本功能，而且与焊机的接口功能也要很完备，还带有焊接条件的运算和设定功能以及与焊机定时器的通信功能。最近点焊机器人与CAD系统的通信功能变得重要起来。这种CAD系统主要用来离线示教。94为了提高加速度和减速度，在设计中注意了减轻手臂的重9595

(5)点焊机器人技术的发展动向目前正在开发一种新的点焊机器人系统，它的概念如图2-27。这种系统力图把焊接技术与CAD、CAM技术完美地结合起来，提高生产准备工作的效率，缩短产品设计投产的周期，从而使整个机器人系统取得更高的效益。从图中可知，该系统拥有关于汽车车体结构信息、焊接条件计算信息和机器人机构信息的数据库，CAD系统利用该数据库可方便地进行焊枪选择和机器人配置方案设计。96(5)点焊机器人技术的发展动向96至于示教数据，则通过网络、磁带或软盘输人机器人控制器。控制器具有很强的数据转换功能，能针对机器人本身不同的精度和工件之间的相对几何误差及时进行补偿，以保证足够的工程精度。该系统与传统的手工设计、示教系统相比，可以节省工作量50％，把设计至投产的周期缩短2个月。现在点焊机器人正在向汽车行业之外的电机、建筑机械行业普及，能适应该系统的焊接机器人正在开发中。装配97至于示教数据，则通过网络、磁带或软盘输人机器人控制器。控制器

2.5.3装配机器人(assemblyrobot)(1)装配机器人机器人装配单元见图2-28，机器人装配线见图2-29。水平多关节型机器人是装配机器人的典型代表。水平多关节型机器人如图2-30所示。对装配操作统计的结果表明，其中大多数为抓住零件从上方插人或连接的工作。水平多关节型机器人就是专门为此而研制的一种成本较低的机器人。它共有4个自由度：两个回转关节，上下移动以及手腕的转动，其中上下移动由安装在水平臂的前瑞的移动机构来实现。

982.5.3装配机器人(assemblyrobot)(9999100100101101

手爪安装在手部前端，负责抓握对象物的任务，相当于人手的功能，事实上用一种手爪很难适应形状各异的工件。通常，按抓取对象的不同需要设计其手爪。最近开始在一些机器人上配备各种可换手，以增加通用性。手爪主要有电动手爪和气动手爪两种形式。气动手爪相对来说比较简单，价格便宜，因而在一些要求不太高的场合用得比较多。电动手爪造价比较高，主要用在一些特殊场合。带有传感器的装配机器人可以更好地顺应对象物进行柔软的操作。装配机器人经常使用的传感器有视觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器和力传感器等。102手爪安装在手部前端，负责抓握对象物的任务，相当于人手

视觉传感器主要用于零件或工件的位置补偿，零件的判别、确认等。

触觉和接近觉传感器一般固定在指端，用来补偿零件或工件的位置误差，防止碰撞等，恰当地配置传感器能有效地降低机器人的价格，改善它的性能。

力传感器一般装在腕部，用来检测腕部受力情况，一般在精密装配或去飞边一类需要力控制的作业中使用。103视觉传感器主要用于零件或工件的位置补偿，零件的判别

(2)装配机器人的周边设备机器人进行装配作业时，除机器人主机、手爪、传感器外，零件供给装置和工件搬运装置也至为重要。无论从投资额的角度还是从安装占地面积的角度，它们往往比机器人主机所占的比例大。周边设备常由可编程控制器控制，此外一般还要有台架、安全栏等：①零件供给器零件供给器的作用是保证机器人能逐个正确地抓取待装配零件，保证装配作业正常进行。目前，机器人利用视觉和触觉传感技术已经达到能够从散堆(适度的堆积)状态把零件一一分拣出来的水平，部分技术已投入使用。可以预料，不久在零件的供给方式上可能会发生显著的改观。目前多采用下述几种零件供给器。

104(2)装配机器人的周边设备104

a．结料器用振动或回转机构把零件排齐，并逐个送到指定位置。送料器以输送小零件为主，实际上在引入装配机器人以前已有许多专用给料设备在小零件的装配线上服务。

b．托盘大零件或易磕碰划伤的零件加工完毕后一般应码放在称为”托盘”的容器中运输，托盘装置能按一定精度要求把零件送到给定位置，然后再由机器人一个一个取出。由于托盘容纳的零件有限，所以托盘装置往往带有托盘自动更换机构。105a．结料器用振动或回转机构把零件排齐，并逐个送到指②输送装置在机器人装配线上，输送装置承担把工件搬运到各作业地点的任务，输送装置中以传送带居多。理论上讲，零件即使随传送带一起移动，借助传感器机器人也能实现所谓“动态”装配，但原则上作业时工件都处于静止，所以最常采用的传送带为游离式，这样装载工件的托盘容易同步停止。输送装置的技术问题是停止精度、停止时的冲击相减速振。减震器可用来吸收冲击能。喷涂106②输送装置在机器人装配线上，输送装置承担把工件搬运

2.5.4喷涂机器人(paintingrobot)喷涂机器人广泛用于汽车车体、家电产品和各种塑料制品的喷涂作业。与其他用途的工业机器人比较，喷涂机器人在使用环境和动作要求上有如下的特点：①工作环境包含易爆的喷涂剂蒸气；②沿轨迹高速运动，途经各点均为作业点；③多数和被喷涂件都搭载在传送带上，边移动边喷涂，所以它需要一些特殊性能。1072.5.4喷涂机器人(paintingrobot)喷涂机器人通常有液压喷涂机器人和电动喷涂机器人两类。(1)液压喷涂机器人最早的喷涂机器人一般为液压驱动方式，它由本体、控制柜、液压系统组成。机器人的结构为六轴多关节型，工作空间大，腰回转采用液压马达驱动，手臂采用油缸驱动。手部采用柔性手腕结构，可绕臂的中心轴沿任意方向做±110°弯曲，而且在任意弯曲状态下可绕腕中心轴扭转420°。由于腕部不存在奇异位形，所以能喷涂形态复杂的工件并具有很高的生产率。108喷涂机器人通常有液压喷涂机器人和电动喷涂机器人两类该机器人的控制拒由多个CPU组成，分别用于伺服及全系统的管理、实时坐标变换、液压伺服控制系统、操作板控制。示教有两种方式：直接示教和远距离示教。后一种示教方式具有较强的软件功能，如可以在直线移动的同时保持喷枪头姿态不变，改变喷枪的方向而不影响目标点等。还有一种所谓的跟踪再现动作，指允许在传送带静止的状态示教，再现时则靠实时坐标变换连续跟踪移动的传送带进行作业。这样即使传送带的速度发生变化，也能保持喷枪与工件的距离和姿态一定，从而保证喷涂质量。109该机器人的控制拒由多个CPU组成，分别用为了便于在作业现场实地示教，开发了一种便携式操作板。它实际就是把原操作板从控制柜中取出来自成一体。这种机器人系统配备丰富的软硬件来实现条件转移、定时转移等联锁功能，还配有周边设备和机器人等的联动运行的控制系统。现在，喷涂机器人所具备的自诊断功能已经可以检查出高达400种的故障或误码操作项目。由于具备上述功能，大大提高了喷涂机器人的安全性、可靠性和可操作性。110为了便于在作业现场实地示教，开发了一种便携式操①高精度伺服控制技术众所周知，多关节型机器人运动时，随手臂位置和姿态的改变，其惯性矩的变化很大，因此伺服系统很难得到高速运动下的最佳增益。液压喷涂机器人当然也不例外。再加上液压伺服阀死区的影响，使它的轨迹精度有所下降。后来的液压机器人靠高精度软件伺服系统解决了这个问题。它的控制功能如下：

111①高精度伺服控制技术众所周知，多关节型机器人运动时，随a、在补偿臂姿态、变速变化引起的惯性矩变化的位置反馈回路中采用PID(proportionalintegralanddifferential)控制；b、在速度反馈系统中进行可变P控制，以补偿作业中喷涂速度可能发生的大幅度的变化；c、实施加减速控制，以防止在运动轨迹的拐点产生振动。出于采取上述三顶控制措施，机器人在1.2m/s的最大喷涂速度下也能平稳地工作。112a、在补偿臂姿态、变速变化引起的惯性矩变化的

②液压系统的限速措施用遥控操作进行示教和修正时，需要操作者靠近机器人作业。为了安全起见，不但应在软件上采取限速措施，而且在硬件方面应加装限速液压回路。具体地，可以在伺服阀和油缸间设置一个速度切换阀，遥控操作时切换阀限制压力油的流量，把臂的速度控制在0.3m/s。

113②液压系统的限速措施用遥控操作进行示教和修正时，需要操②防爆技术喷涂机器人主机和操作板必须满足本质防爆安全规程的有关规定。这些规定归根结底就是要求机器人在可能发生强烈爆炸的0级危险中也能安全工作。在日本是由产业安全技术协会负责认定安全事宜的。在美国FMR(factorymutualresearch)是负责安全认定的机构。要想进人国际市场，必须经过这两个机构的认可。为了满足认定标准，在技术上可采取两种措施：一是增设稳压屏蔽电路，把电路的能量降到规定值以内，另一是适当增加液压系统的机械强度。114②防爆技术喷涂机器人主机和操作板必须满足本质防爆安全规程图2-31是一个汽车车体喷漆系统。两台能前后、左右移动的台车。各载两台液压机器人组成该系统。为了避免在互相重叠的工作空间内发生运动干涉，机器人之间的控制柜是互锁的。这个应用例子中，为了缩短示教的时间，提高生产线的运转效率，采用离线示教方式，即在生产线外的某处示教，生成数据，再借助平移、回转、镜像变换等各种功能，把数据转送到在线的机器人控制柜里。115图2-31是一个汽车车体喷漆系统。两台能前后、左右移动的台116116

(2)电动喷涂机器人如前所述，喷涂机器人之所以一直采取液压驱动方式，主要是从充满可燃性溶剂蒸气环境的安全着想。近年来，由于AC伺服电机的应用和高速伺服技术的进步，在喷涂机器人中采用电驱动已经发展为可能。现阶段，电动喷涂机器人多采用耐压或内压防爆结构，限定在l级危险环境(在通常条件下有生成危险气体介质之虞)和2级危险环境(在异常条件下有生成危险气体介质之虞)下使用。图2-32是电动喷涂机器人的照片。电动喷涂机器人一般也有六个轴，但工作空间大。在设计手臂时注意了减轻重量和简化结构，结果降低了惯性负荷，提高了高速动作的轨迹精度。该机具有与液压喷涂机器人完全一样的控制功能。只是驱动改用AC伺服电机和相应的驱动电路，维修保养十分方便。117(2)电动喷涂机器人117118118电动喷涂机器人采用所谓内压防爆方式，就是指往电气箱中人为地注入高压气体(比易爆危险气体介质的压力高)的做法。在此基础上，如再采用无火花AC电机和无刷旋转变压器，则可组成交全性更好的防爆系统。为了保证绝对安全，电气箱内装有监视压力状态的压力传感器，一旦压力降到设定值以下，它便立即感知，切断电源，停止机器人工作。其他119电动喷涂机器人采用所谓内压防爆方式，就是指往电气箱2.6其他用途的工业机器人弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人和涂装机器人是工业中最常用的机器人类型，前面对这四类机器人及其应用进行了介绍。除此之外，工业机器人还有一些其他的类型，如搬运机器人、水切割机器人、激光加工(切割、焊接及表面处理)机器人、检查和测量机器人、真空机器人以及移动式搬运机器人等。这些机器人进一步丰富和发展了机器人技术，同时也拓展了机器人应用领域，并且这些新的机器人和应用领域具有更广阔的发展前景。1202.6其他用途的工业机器人弧焊机

搬运机器人主要用于工厂中一些工序的上下料作业、拆垛和码垛作业等。这类机器人精度相对低一些，但负荷比较大，运动速度比较高。其机器人操作机多采用点焊或弧焊机器人结构，也有的采用框架式和直角坐标式结构形式。随着工厂自动化程度的不断提高和生产节拍的加快，搬运机器人使用得越来越多。

水切割机器人、激光加工机器人是一种新的加工手段，它通过高压水和激光这种新的工具，对工件实施切割、焊接或者是金属材料的表面特殊处理，可以实现金属及其他材料的特殊加工，高压水切割的特点是其切缝处光滑，无需进行二次处理，并且避免了其他热加工手段带来的工件变形。激光加工则是充分利用了激光的特性，实现对工件的精密切割、钻孔、焊接以及表面热处理，这些作业往往是传统的加工手段无法完成的。121搬运机器人主要用于工厂中一些工序的上下料作

检查和测量机器人集三种功能于一体，包括机器人的运动控制、操作对象状态的感知以及对所采集到的信息进行分析和判断，最终给出检查和测量结果。检查和测量机器人主要用于工件的形状测量、装配检查以及产品缺陷检查等。在制造业中使用这种机器人，对改善产品质量、提高工作效率以及降低工人劳动强度都具有重要意义。传统的制造业对环境的要求不高，机器人的作用往往是代替工人工作，在这种需求下诞生了诸如点焊机器人、弧焊机器人等工业机器人。122检查和测量机器人集三种功能于一体，包括机器随着信息技术和微电子技术的发展，这些行业也迫切需要机器人进行作业。但这些行业的特点是超精密化和精细化，产品的质量与环境的好坏有直接关系，在这种环境下作业对机器人有特殊要求，因此产生了净化机器人。对于净化机器人，如何抑制尘埃粒子大小和数量是其关键问题。另外，现代制造业中，许多器件的制造需要在真空环境下进行。因此也出现了真空机器人。净化机器人和真空机器人除对环境有很高的要求之外，其速度和精度也有了很大提高。并且机器人的结构不同于一般工业机器人的结构，具有一定的特殊性。发展趋势123随着信息技术和微电子技术的发展，这些行业2.7工业机器人发展趋势前面介绍了工业机器人的发展历史、技术现状以及应用情况，下面展望工业机器人技术的发展趋势。机器人技术是一种综合性高技术，它涉及到多种相关技术及学科，如机构学、控制工程、计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学等科学技术。因此机器人技术的发展一方面带动了相关技术及学科的发展，另一方面也取决于这些相关技术和学科的发展进程。近年来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。

1242.7工业机器人发展趋势前面介绍了工业机器人(1)机器人操作机负载/自重比大、高速高精度的机器人操作机一直是机器人设计者追求的目标，通过有限元模拟分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围。加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。125(1)机器人操作机125

(2)并联机器人(parallelrobot)

采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术的一体化奠定了基础。意大利comau公司、日本fanuc等公司已开发出了此类产品。

(3)控制系统控制系统的性能进一步提高，己由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，以实现多机器人系统及周边设备的协调运动，并且实现了软件伺服和全数字控制。在该领域日本YASKAWA和德国KuKA公司处于领先地位。在人机界面方面，采用大屏幕及菜单方式，更易于操作，基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以示教编程为主，但在某些领域的离线编程己实现实用化。126(2)并联机器人(parallelrobot)126

(4)传感系统激光传感器、视觉传感器和力传感器在工业机器人系统中已得到广泛应用，并实现了利用激光传感器和视觉传感器进行焊缝自动跟踪以及自动化生产线上物体的自动定位，利用视觉系统和力觉系统进行精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KuKA、REIS等公司皆推出了此类产品。

(5)网络通讯功能日本YAsKAwA和德国KuKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的连接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。127(4)传感系统127

(6)可靠性由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，几乎可以满足任何场合的需求。

MTBF,即平均无故障时间，英文全称是“MeanTimeBetweenFailure”。128(6)可靠性MTBF,即平均无故障时间，英文全称是“Mea21世纪是数字化时代，制造业将会采用更先进的制造技术以及全部的数字化装备，而工业机器人则是数字化装备的典型代表，它会在未来的制造业中起着愈来愈重要的作用。同时人类也将进一步加快海洋开发和空间探索的步伐，对微系统的研究也会更深入，这就为先进机器人技术的发展提供了一个更为广阔的空间。因此无论是工业机器人技术还是