第7章工业机器人1

2023/2/4武汉理工大学机电学院1/45一、概述二、工业机器人的机械结构三、工业机器人控制系统第七章工业机器人四、工业机器人运动及动力学分析五、工业机器人机器人轨迹规划2023/2/4武汉理工大学机电学院2/45一、概述1、工业机器人的定义2、工业机器人的组成3、工业机器人的分类4、工业机器人的特性参数5、工业机器人发展趋势6、工业机器人的用途2023/2/4武汉理工大学机电学院3/451、工业机器人的定义美国机器人协会(RIA)：“机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能多自由度的操作机，用于搬运材料、工件、工具的专用装置。”

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种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。

中国：机器人是一种拟人功能的机械电子装置。2023/2/4武汉理工大学机电学院4/45

机器人是从初级到高级逐步完善起来的，它的发展过程可以分为三代。第一代机器人：示教再现型机器人。

通过示教－>记忆－>再现过程完成作业。第二代机器人：数控机器人。

具有对外部信息进行反馈的能力，诸如力觉、触觉、视觉等。第三代机器人：智能机器人。

具有发现问题并能自主解决问题的能力。2023/2/4武汉理工大学机电学院5/452、工业机器人的组成

工业机器人是机电一体化的系统，它一般由以下几个部分组成：（1）执行机构（2）驱动系统（3）控制系统（4）检测系统2023/2/4武汉理工大学机电学院6/45组成部分关系图2023/2/4武汉理工大学机电学院7/45（1）执行机构

一种具有与人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括：机座、手臂、手腕和末端执行器。1）机座——机器人承受载荷的基础部件。可分为固定式和移动式(平移和旋转)。旋转的机座也称“腰”。2）手臂——支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。3）手腕——连接手臂与末端执行器的部件，用来调整末端执行器的方位和姿态。4）末端执行器——又称“手”，是直接执行工作的装置，可以是拟人的手掌、手指和夹持器等，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。2023/2/4武汉理工大学机电学院8/45

末端执行器可分为:机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。2023/2/4武汉理工大学机电学院9/45机械式夹持器机械式夹持器组成：手爪、传动机构、驱动装置等。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1-手爪2-传动机构3-驱动装置4-支架5-物料2023/2/4武汉理工大学机电学院10/45吸附式末端执行器吸附式手部又分为气吸式和磁吸式：气吸式手部利用真空吸力及负压吸力吸持工件，它适用于抓取薄片、易碎工件，通常吸盘由橡胶或塑料制成；磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性物质的小五金工件。2023/2/4武汉理工大学机电学院11/45多指灵巧手

仿人多指灵巧手是一个高度集成、高度智能化的机电一体化系统，对仿人多指灵巧手及其操作控制的研究不仅对机电一体化系统和理论的研究具有重要的学术价值，而且对仿人多指灵巧手在空间机器人、工业机器人、服务机器人、残疾人假肢等领域的应用具有重要的实际意义。2023/2/4武汉理工大学机电学院12/45（2）驱动系统

驱动系统是按照控制系统发出的控制指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。

根据不同的动力源，驱动系统的传动方式分为机械液压气动电动2023/2/4武汉理工大学机电学院13/45（3）控制系统控制系统控制工业机器人按规定的程序动作。可分为开环控制系统和闭环控制系统。按内部功能划分的不同，控制系统分成决策级、策略级和执行级三级。决策级——识别环境、建立模型、将作业任务分解为基本动作序列；策略级——将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级——给出各关节伺服系统的具体指令。2023/2/4武汉理工大学机电学院14/45（4）检测系统

检测系统检测执行机构的位姿，并将执行机构的实际位姿及时反馈给控制系统。并与设定的位姿进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行机构到达规定的位姿。常用传感器：力、位置、触觉、视觉等传感器。2023/2/4武汉理工大学机电学院15/453、机器人的分类

分类方法：按坐标形式按控制方式按信息输入方式

按系统功能按驱动方式按用途2023/2/4武汉理工大学机电学院16/45直角坐标型；圆柱坐标型；球坐标型。（1）按坐标形式分类2023/2/4武汉理工大学机电学院17/45结构简单；定位精度高；空间因数低；用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等。直角坐标机器人2023/2/4武汉理工大学机电学院18/45圆柱坐标型（R2P）结构简单；刚性好；空间利用率低；用于重物的装卸和搬运，例如Versatran机器人Versatran机器人2023/2/4武汉理工大学机电学院19/45极坐标、球坐标型（2RP）结构紧凑，所占空间较小。2023/2/4武汉理工大学机电学院20/45（2）按控制方式分类

点位控制(PointtoPoint)

机器人运动为空间点到点之间的直线运动，不涉及两点之间的移动轨迹；只在目标点处控制机器人末端执行器的位置和姿态。特点：控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。

2023/2/4武汉理工大学机电学院21/45连续轨迹控制（ContinuousPath）机器人运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人在空间的整个运动过程都要控制；末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态。2023/2/4武汉理工大学机电学院22/45（3）按信息输入方式分类

1）人操作机械手

是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的机械手。

2）固定程序机器人按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务的机械手。

3）可变程序机器人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。

特点：

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自动换刀机械手。2023/2/4武汉理工大学机电学院23/454）程序控制机器人具有独立的控制系统，作业任务指令是由计算机程序向机器人提供的，其控制方式与数控机床一样。特点：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。2023/2/4武汉理工大学机电学院24/455）示教再现机器人这类机器人能够按照记忆装置存储的信息来复现由人示教的动作。其示教动作可自动地重复执行。

6）智能机器人采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。2023/2/4武汉理工大学机电学院25/45（4）按用途分类

我国从应用环境上把机器人分为两大类：工业机器人 指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。如：机械手。特种机器人指除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。包括：服务机器人、水下机器人、微操作机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。2023/2/4武汉理工大学机电学院26/45工业机器人按用途分类焊接机器人喷漆机器人装配机器人采矿机器人搬运机器人食品工业机器人2023/2/4武汉理工大学机电学院27/45典型机器人1——平面双关节型机器人(SCARA)垂直方向上的刚性好，适于装配工作（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）2023/2/4武汉理工大学机电学院28/45典型机器人2——可编程通用装配操作手(PUMA)动作范围宽；结构刚度低；精度较低；装配、搬运、弧焊、喷涂、点焊等（ProgrammableUniversalManipulatorforAssembly）2023/2/4武汉理工大学机电学院29/454、工业机器人的特性参数

工业机器人的特性参数影响着机器人的工作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考虑如下特性参数：自由度工作空间提取重力运动速度位置精度2023/2/4武汉理工大学机电学院30/45（1）自由度工业机器人的运动自由度是指各关节在三维空间对于固定坐标系具有的独立运动。各关节自由度的总和就是工业机器人的自由度数。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。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。一般情况下，通用工业机器人有3～6个自由度。2023/2/4武汉理工大学机电学院31/45(2)工作空间

指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间主要取决于臂部的自由度和每个关节的运动范围。腕部的自由度主要用来调整手部在空间的方位。手指的开闭动作，仅用于夹放工件或工夹具，它不改变工件或工夹具的空间位置和方位，所一般不计入机器人的自由度数。2023/2/4武汉理工大学机电学院32/45直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间；圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体；而球坐标机器人的工作空间是一个球体。2023/2/4武汉理工大学机电学院33/45

提取的重力是反映机器人负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，可将机器人分为：①微型机器人，提取重力在10N以下；②小型机器人，提取重力为10～50N；③中型机器人，提取重力为50～300N；

④大型机器人，提取重力为300～500N；⑤重型机器人，提取重力在500N以上。目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。(3)提取重力2023/2/4武汉理工大学机电学院34/45

运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下。(4)运动速度2023/2/4武汉理工大学机电学院35/45

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控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。(5)位置精度工业机器人的用途与发展

用于一切可替代人操作的场合，尤其是劳动强度大、重复性高、环境恶劣的地方。工业、农业、服务业、科研

1)焊接：主要是指利用机器人进行点焊和弧焊。点焊时要求机器人手腕握持焊接工具准确地对准所要求的焊点，焊枪不与部件的其它部位接触。通常，这些机器人所夹持的焊接工具大而重，同时还要求机器人有一个比较大的活动范围。弧焊是对材料进行连续焊接，焊接前首先要将复杂的运行轨迹示教给机器人，在需要处理较宽的焊缝时，可以编程使机器人作编织状的横摆运动。汽车工业运用这种类型的机器人最多。本田车厂焊接机器人

三维激光切割与焊接2)喷漆：喷漆易引发火灾，同时有害于身体健康，因此，喷漆作业是机器人特有的用途。使用喷漆机器人的另一个优点是涂层比人工喷涂的更加均匀。

机器人喷漆视频

机器人喷脱模剂视频

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