工业机器人的基本知识

1、工业机器人的基本知识主要内容机器人的发展概况机器人的定义国际上的主要机器人生产厂家机器人的应用领域机器人的分类机器人系统的基本结构机器人的技术参数机器人运动学机器人动力学机器人的控制

1920年，捷克剧作家卡里洛·奇别克在其科幻剧本《罗萨姆万能机器人制造公司》(Rossum’sUniversalRobots)首次使用了ROBOT这个名词，意思是“人造的人”。现在已被人们作为机器人的专用名词。“机器人”一词的由来第一部分—机器人的发展概况第一代机器人19世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段。1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可进行点位和轨迹控制，这是世界上第一种应用于工业生产的机器人。

70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人也得到了迅速的发展。1974年CincinnatiMilacron公司成功开发了多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电机驱动、多CPU二级控制的机器人，采用VAL专用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是技术最先进的工业机器人。现在的工业机器人在结构上大体都以此为基础。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in/Playback）型机器人，只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。

机器人的发展概况第二代机器人进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人——有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分相关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到了广泛应用。

机器人的发展概况第三代机器人目前正在研究的“智能机器人”，它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。

美国机器人协会(RIA):机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。可见，这里的机器人是指工业机器人。日本工业机器人协会(JIRA):工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各类材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。第二部分—机器人的定义机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。工程技术人员了解和学习机器人学具有重要的意义。第三部分—国际上的主要机器人生产厂家MotomanUP500有效载荷500kg，最大可达长度2542mm，6轴驱动，高可靠性52000小时MTBF，重复定位精度±0.5mmABBIRB340专为快速的拾取和放置动作而设计，适用于包装工业中快速而准确地移动物体国际上的主要机器人生产厂家多功能，6轴驱动，可应用于焊接、等离子切割、物料输送，64位的CPU，结构紧凑，工作范围广。PanasonicVR-006ALIIFanucArcMate50iB6轴驱动，安装灵活方便，与主要品牌的焊接设备兼容，先进的运动控制减少了机械磨损。国际上的主要机器人生产厂家NachiSH133

高速，重量1260kg，最大载荷133kg，最大可达长度2654mm，6轴驱动，适用于拾取和放置操作。PIM-840HexaLight6轴驱动，低惯量，动态特性好，刚度高，无位置累计误差，高重复定位精度和可靠性。第四部分—机器人的应用领域弧焊机器人

激光焊机器人

电阻焊机器人

自动化焊接机器人

点焊机器人

等离子切割机器人

机器人人的应应用领领域清洁机机器人人上料机机器人人物料输输送机机器人人材料去去除机机器人人包装机机器人人喷漆机机器人人机器人人的应应用领领域部件移移动机机器人人装配机机器人人打保险险机器器人自动钻钻孔机机器人人设备维维护机机器人人包装机机器人人堆跺机机器人人机器人人的应应用领领域涂层机机器人人去毛刺刺机器器人磨销机机器人人高温喷喷涂机机器人人机器人人的应应用领领域医用并并联机机器人人机器人人的应应用领领域天文望望远镜镜绳索机机器人人机器人人的应应用领领域三杆并并联机机床机器人人的应应用领领域Tricept1005机机器人人机构简简图固定平平台（框架架）万向铰铰链伸缩杆杆动平台台高速铣铣头机机构简简图框架架Tricept1005机器人人及主轴部部件高速铣铣头伸缩杆杆伺服电电动机机机器人人的应应用领领域六杆并并联机机床机器人人的应应用领领域六足行行走机机器人人第五部部分——机器器人的的分类类串联机机器人人和并并联机机器人人串联机机器人人———直角角坐标标系机机器人人两种基基本关关节形形式移动关关节（（Prismaticjoint））旋转关节（（Revolutejoint）（（回转和和旋转）典型的关节节自由度种种类和图形形符号移动关节P回转关节R旋转关节R机器人的分分类串联机器人人——圆柱柱坐标系机机器人机器人的分分类串联机器人人——水平平多关节机机器人机器人的分分类并联机器人人25并联机构在在1965年由Stewart提出．．原是作为为飞行模拟拟器用于训训练飞行员员的。机舱舱由6个液液压缸支撑撑和驱动，，可以使机机舱获得任任何需要的的位姿。澳大利亚著著名机构学学教授Hunt在在1978年提出。。可以应用用6自由度度的Stewart平台机构构作为机器器人机构。。到80年年代末，特特别是90年代以来来，并联式式机器人才才被广为主主意，并成成为了新的的热点。262728293—RPS机构构6—RSS机构构6—SPS机构构6—SPS双三三角机构构306—RSS机构构6—PSS机构构6—SPS单三三角机构构3—RRR球面面机构31机器人本本体的材材料制作机器器人的材材料是多多种多样样的。选选择制作作材料时时，主要要考虑以以下几个个方面：：1）材料料要能满满足机器器人的强强度和刚刚度要求求；2）材料料的加工工工艺性性好；3）材料料的稳定定性好；；4）材料料的密度度尽量小小；5）材料料的成本本尽可能能低；6）机器器人的用用途。此外，对对于一些些特殊环环境下的的机器人人，还要要考虑环环境对材材料性能能的要求求和影响响。32关节是空空间机械械臂运动动的执行行部件,一个个空间机机械臂少少则3～4个个关节节,多则则十几个个关节，，每个关关节要完完成产生生与传递递动力、、运动感感知、机机械连接接三个任任务。它它通常包包括：驱驱动器（（多为电电机）、、传动装装置、传传感器、、线束管管理装置置、数据据采集处处理电路路等部分分。每个关节上还还有热控需要要的温度传感感器、主动控控温装置等,以及涂层、、包覆、导热热、绝热等措措施；也要有有抗辐照加固固和电磁性能能控制手段。。在有限的体积积和重量下集集成如此繁复复的功能，多多学科一体化化设计是解决决关节设计与与制造问题的的关键，需要要将电机、减减速器、测量量元件等集成成在一起并保保证其相互协协调与匹配。。空间机械臂的的结构特点空间机械臂的的关节33臂杆是机械臂臂的主要结构构部分，用来来连接与支撑撑关节以及机机械臂端部的的手爪、视觉觉的负载。电电缆网通常沿沿臂杆布置，，有的在臂杆杆内部穿过,有的沿臂杆杆外壁布置。。空间机械臂的的臂杆常常采采用复合材料料制作，以满满足轻量化要要求。另外在在满足强度、、刚度要求的的前提下，各各部件材料在在温度变化下下的延伸率也也是要考虑的的重要因素。。空间机械臂的的臂杆34手爪是完成抓抓握动作的主主要工具,由由动力源、传传动副（常采采用连杆传动动、齿轮传动动、丝杠螺母母传动等）、、手指机构构等主要部分分构成。空间机械臂的的手爪常常根根据作业需要要而设计为多多套组合形式式。空间机械臂的的手爪35模块化的空间间机械臂模块化设计是是未来空间机机械臂设计的的一个发展方方向。第六部分—机机器人系统的的基本结构机械本体：机机器人的机械械本体机构基基本上分为两两大类，一类类是操作本体体机构，它类类似人的手臂臂和手腕，另另一类为移动动型本体结构构，主要实现现移动功能。。驱动伺服单元元：伺服单元元的作用是使使驱动单元驱驱动关节并带带动负载按预预定的轨迹运运动。已广泛泛采用的驱动动方式有：液液压伺服驱动动、电机伺服服驱动，气动动伺服驱动。。3.计计算机控控制系统：各各关节伺服驱驱动的指令值值由主计算机机计算后，在在各采样周期期给出。机器器人通常采用用主计算机与与关节驱动伺伺服计算机两两级计算机控控制。传感系统：除除了关节伺服服驱动系统的的位置传感器器（称作内部部传感器）外外，还配备视视觉、力觉、、触觉、接近近觉等多种类类型的传感器器（称作外部部传感器）。。5.输输入/输输出系统接口口：为了与周周边系统及相相应操作进行行联系与应答答，还应有各各种通讯接口口和人机通信信装置。第七部分—机机器人的技术术参数自由度：机器器人所具有的的独立运动坐坐标轴的数目目，有时海包包括手爪（末末端操作器））的开合自由由度。在三维维空间中描述述一个物体的的位姿（位置置和姿态）需需要6个自由由度。工业机机器人的自由由度是根据其其用途而设计计的，可能小小于6个自由由度，也可能能大于6个自自由度。例如如，A4020装配机器器人具有4个个自由度，可可以在印刷电电路板上接插插电子器件，，PUMA562机器人人具有6个自自由度，可以以进行复杂空空间曲面的弧弧焊作业。精度：包括定定位精度和重重复定位精度度。定位精度度是指机器人人手部实际到到达位置与目目标位置之间间的差异。重重复定位精度度是指机器人人手部重复定定位于同一目目标位置的能能力（用标准准偏差表示））。工作空间：机机器人手臂末末端或手腕中中心所能达到到的所有点的的集合（包括括形状和大小小）。最大工作速度度：指工业机机器人主要自自由度上最大大的稳定速度度，或手臂末末端的最大合合成速度。承载能力：指指机器人在工工作范围内的的任何位姿上上所能承受的的最大重量。。承载能力不不仅不仅决定定于负载的质质量，还与机机器人运行的的速度和加速速度有关。第八部分—机机器人运动学学运动学正问题题：已知机器器人各杆件的的几何参数和和关节变量，，求末端执行行器相对于笛笛卡儿坐标系系的位置和姿姿态。运动学逆问题题：已知机器器人各杆件的的几何参数，，给定末端执执行器相对于于笛卡儿坐标标系的位置和和姿态，确定定关节变量的的大小。一个刚刚体在在三维维空间间中具具有6个自自由度度，即即3个个移动动自由由度和和3个个转动动自由由度。。齐次变换矩阵旋转矩阵平移坐标机器人人运动动学雅可比比矩阵阵在机机器人人技术术中占占有重重要地地位：：利用用雅可可比矩矩阵可可以建建立机机器人人末端端执行行器在在笛卡卡儿坐坐标系系中的的速度度与各各关节节速度度间的的关系系，以以及外外界环环境对对末端端执行行器的的作用用力/力矩矩与各各关节节力/力矩矩间的的关系系。对于n自由度度的机机器人人，其其关节节变量量为,机机器人人末端端执行行器在在笛卡卡儿坐坐标系系中的的位姿姿求导可可得机器人人运动动学雅可比比矩阵阵的应应用之之一：：分离离速度度控制制当采用用计算算机控控制时时，把把速度度表示示为位位置增增量的的形式式当n≠6时时，J不是方方阵，，雅可比比矩阵阵的逆逆用其其伪逆逆雅可比矩阵的应用之二：静力学分析机器人末端执行器与外界环境的接触力为n个关节的驱动力为则当要求求机器器人沿沿某轨轨迹运运动时时，△△P为为已知知，由由上式式求得得关节节变量量的增增量△Q，，于是是可以以确定定各关关节的的变量量值，，由伺伺服系系统实实现位位置控控制。。第九部部分——机器器人动动力学学机器人人动力力学是是研究究机器器人各各关节节的驱驱动力力/力力矩与与机器器人末末端执执行器器的位位姿、、速度度和加加速度度之间间的动动态关关系。。由于于机器器人的的复杂杂性，，其动动力学学模型型通常常是一一个多多自由由度、、多变变量、、高度度非线线性、、多参参数耦耦合的的复杂杂系统统。建立机机器人人动力力学模模型的的方法法主要要有拉拉格朗朗日法法和牛牛顿－－欧拉拉法。。机器器人人动动力力学学拉格格朗朗日日法法拉格格朗朗日日函函数数L定定义义为为系系统统动动能能K和和位位能能P之之差差，，即即由拉拉格格朗朗日日函函数数L描描述述的的系系统统动动力力学学方方程程为为i=1,2,……,n其中中n为连连杆杆数数目目；；qi为广广义义坐坐标标；；为广广义义速速度度；；为作作用用在在第第i个关关节节上上的的广广义义力力用拉拉格格朗朗日日法法推推导导机机器器人人的的动动力力学学模模型型可可按按以以下下步步骤骤进进行行：：a.计计算算任任一一连连杆杆上上任任一一点点的的速速度度；；b.计计算算各各连连杆杆的的动动能能和和机机器器人人的的总总动动能能；；c.计计算算各各连连杆杆的的位位能能和和机机器器人人的的总总位位能能；；d.建建立立机机器器人人系系统统的的拉拉格格朗朗日日函函数数；；e.对对拉拉格格朗朗日日函函数数求求导导，，得得到到机机器器人人的的动动力力学学方方程程机器器人人动动力力学学牛顿顿－－欧欧拉拉法法刚体体的的一一般般运运动动可可以以分分解解为为随随质质心心的的平平动动和和绕绕质质心心的的转转动动随质心心平动动的动动力学学特性性可用用牛顿顿定理理来描描述绕质心心转动动的动动力学学特性性可用用欧拉拉定理理来描描述用牛顿顿－欧欧拉法法和拉拉格朗朗日法法建立立机器器人动动力学学模型型的最最大不不同之之处在在于：：牛顿顿－欧欧拉方方程描描述的的是机机器人人系统统中每每一个个刚体体的动动力学学特性性，得得出的的动力力学模模型为为联立立方程程组，，而拉拉格朗朗日方方程可可以描描述机机器人人系统统中多多刚体体的动动力学学特性性，可可以得得到封封闭形形式的的动力力学模模型。。机器人人动力力学动力学学模型型的一一般形形式惯性力项与离心加速度和哥氏加速度有关的项重力项广义力项第十部部分——机器器人的的控制制—轨轨迹控控制运动控控制动态控控制“运动动控制制”完完全不不考虑虑机器器人的的动力力学特特性，，只是是按照照机器器