工业机器人技术及应用 课件 任务4、5 工业机器人的分类、工业机器人本体

工业机器人的分类学习任务LEARNINGTASKS01应用环境分类驱动方式分类03技术等级分类02坐标系统分类0401应用环境分类01应用环境分类应用环境分类点焊机器人弧焊机器人处理机器人上下料机器人码垛机器人分拣机器人移动小车（AGV）装配机器人切割机器人冲压、锻造机器人打磨、抛光机器人喷涂机器人应用环境分类装备机器人喷涂机器人搬运机器人焊接机器人01应用环境分类焊接机器人是把焊枪固定在机器人手臂上，然后通过一系列的程序控制电焊机启动，焊接、停止。同时控制机器人手臂旋转，摆动等等，实现全自动焊接的工作站。(一)焊接机器人

１、点焊机器人01应用环境分类2、弧焊机器人1、上下料机器人上下料机器人是将待加工工件送装到加工位置和将已加工工件从加工位置取下的工件自动上下料的工作站。(二)搬运机器人01应用环境分类2、码垛机器人码垛机器人是通过定位信息，将已输送到抓取工位的工件，由机器人自动抓取到码垛位置进行码垛，然后重复抓取工件进行新垛的码放的工作站。01应用环境分类3、分拣机器人分拣机器人是一种具备了传感器、物镜和电子光学系统的机器人，可以快速进行货物分拣的工作站。01应用环境分类4、AGV移动小车AGV移动小车是指装备有电磁或光学等自动导向系统，可以保障系统在不需要人工引航的情况下就能够沿预定的路线自动行驶，将货物或物料自动从起始点运送到目的地的无人驾驶运输车。01应用环境分类装配机器人是通过机器人、控制器、智能传感器和末端执行器，根据机器人的作业指令程序和从传感器反馈回来的信号，自动控制末端执行器来完成工件装配的工作站。（三）装配机器人01应用环境分类1、切割机器人水切割机器人是利用高压水流切割技术，完成对材料切割的工作站。激光切割机器人是利用高功率密度激光束照射技术，完成对材料切割的工作站。（四）

处理机器人01应用环境分类2、锻造冲压机器人锻造冲压机器人是利用锻造冲压机械的锤头、砧块、冲头或通过模具对坯料施加压力，使之产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制件的工作站。01应用环境分类3、打磨、抛光机器人打磨、抛光机器人是应用压力控制技术，透过数字化编程在工件上准确地控制磨料的磨损补偿，以自动化抛光、打磨系统为核心的工作站。01应用环境分类喷涂机器人是在产品生产加工完成后，控制喷涂设备借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，自动喷涂于被涂物表面的工作站。（

五）喷涂机器人02技术等级分类02技术等级分类技术等级机器人技术等级分类智能工业机器人感知型工业机器人示教在线工业机器人02技术等级分类第一代工业机器人是示教再现型。这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。示教可以由操作员手把手地进行，比如操作人员握住机器人上的喷枪，沿喷漆路线示范一遍，机器人动作中记住这一连串运动，工作时，自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷涂工作。这种方式即所谓的“直接示教”。(一)示教在线工业机器人02技术等级分类第二代工业机器人具有环境感知装置，是具有感觉功能的工业机器人，包括具有光觉、视觉、触觉、声觉等。这类机器人能在一定程度上适应环境变化，目前已进入应用阶段。以焊接机器人为例，机器人焊接的过程一般是通过示教方式给出机器人的运动曲线，机器人携带焊枪沿着该曲线进行焊接。这就要求工件的一致性要好，即工件被焊接位置必须十分准确。否则，机器人携带焊枪沿所走的曲线和工件的实际焊缝位置会有偏差。(二)感知型工业机器人02技术等级分类为解决这个问题，第二代工业机器人（应用于焊接作业时）采用焊缝跟踪技术，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人就能够自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。第三代工业机器人称为智能机器人，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚处于实验研究阶段。(三)智能工业机器人02技术等级分类智能机器人作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等，而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。03驱动方式分类03驱动方式分类驱动工业机器人驱动方式压力高，可获得大的输出力气压驱动液压驱动电气驱动输出力较小或较大气体压力低，输出力较小03驱动方式分类电气驱动，包括直流伺服电机、步进电机和交流伺服电机等。(一)电气驱动03驱动方式分类

液压驱动，包括电液步进马达和油缸等。(二)液压驱动03驱动方式分类气动驱动，包括气缸和气动马达等。(三)气压驱动04坐标系统分类04坐标系统分类工业机器人的机械配置形式多种多样，典型工业机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。坐标系工业机器人坐标系统分类多关节型机器人柱面坐标机器人直角坐标机器人04坐标系统分类直角坐标机器人是只具有移动关节的工业机器人。其具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通常3个。通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。(一)直角坐标机器人04坐标系统分类柱面坐标机器人具有一个转动关节、其余为移动关节的工业机器人。其空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成。具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱体。柱面坐标机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。

(二)柱面坐标机器人04坐标系统分类多关节型机器人由多个旋转和摆动机构组合而成的工业机器人。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷涂、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的工业机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有垂直方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。如美国Unimation公司20世纪70年代末推出的机器人PUMA就是一种垂直多关节机器人，而日本山梨大学研制的机器人SCARA则是一种典型的水平多关节机器人。目前世界工业界装机最多的工业机器人是串联关节型垂直6轴机器人和SCARA型四轴机器人。(三)多关节型机器人THANKS!工业机器人本体学习任务LEARNINGTASKS01机器人本体的结构机器人本体的线路连接0201机器人本体的结构01机器人本体的结构机器人本体机器人及本体并联机器人水平关节机器人六轴多关节机器人01机器人本体的结构1、机械臂机械臂是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。如右图所示,该图为6个自由度关节机器人的基本构造，具体各关节如下一页图片所示。为适应不同的用途，机器人本体最后一个轴的接口通常为一个法兰，可以安装不同的操作装置（习惯上称末端执行器），如夹紧爪、吸盘、焊枪等。(一)轴多关节机器人

01机器人本体的结构关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。它的每一个关节均采用1个交流伺服电动机驱动。关节通常是移动关节和旋转关节。移动关节允许连杆作直线移动，旋转关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节-连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕4个部分，由4个独立旋转“关节”（腰关节、肩关节、肘关节和腕关节）串联而成。轴1轴2轴3轴4轴5轴601机器人本体的结构（1）基座。基座是机器人的基础部分，起支撑作用。整个执行机构和驱动装置都安装在基座上。对固定式机器人，直接连接在地面基础上；对移动式机器人，则安装在移动机构上，可分为有轨和无轨两种。（2）腰部。腰部是机器人手臂的支撑部分。根据执行机构坐标系的不同，腰部可以在基座上转动，也可以和基座制成一体。有时腰部也可以通过导杆或导槽在基座上移动，从而增大工作空间。（3）臂部。有大臂和小臂，手臂是连接机身和手腕的部分，由机械臂的动力关节和连接杆件等构成。它是执行结构中的主要运动部件，也称主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载荷传递到基座。（4）手腕。手腕是连接末端执行器和手臂的部分，将作业载荷传递到臂部，也称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。01机器人本体的结构2、驱动装置驱动装置是驱使工业机器人机械臂运动的装置。按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作。工业机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种类型。目前除了个别精度要求不高，重负或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动以外，工业机器人大多都是采用电气驱动，而其中交流伺服电机用的最广，而且一般都是每个关节由一个驱动独立控制。1.减速机2.伺服电机3.伺服驱动器4.机器人控制器01机器人本体的结构（1）伺服电机伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可控制速度，通过控制速度来控制位置精度，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机可分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。伺服电机外形伺服电机内部结构01机器人本体的结构（2）伺服驱动器伺服驱动器又称为伺服控制器、伺服放大器，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。01机器人本体的结构伺服驱动器是现代运动控制的重要组成部分，被广泛应用于工业机器人及数控加工中心等自动化设备中。尤其是应用于控制交流永磁同步电机的伺服驱动器已经成为国内外研究热点。当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制的电流、速度、位置3闭环控制算法。该算法中速度闭环设计合理与否，对于整个伺服控制系统，特别是速度控制性能的发挥起到关键作用。01机器人本体的结构

驱动装置的受控运动必须通过传动单元带动机械臂产生运动，以精确的保证末端执行器所要求的位置、姿态和实现其运动。目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速机，关节减速机要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。精密减速机使机器人伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位所需要的速度，在提高机械本体刚性的同时输出更大的转矩。大量用在关节型机器人上的减速机主要有两类：谐波减速机和RV减速机。一般将谐波减速机放在手臂、腕部或手部等轻负载位置（20kg以下机器人关节）；而将RV减速机放置在基座、腰部、大臂等重负载位置（20kg以上机器人关节）。此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。（3）传动单元01机器人本体的结构①谐波减速机谐波减速机主要由谐波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮三个基本构件组成，谐波传动减速器，是一种靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。谐波齿轮传动减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，谐波齿轮传动简称为谐波传动。②RV减速机RV减速机主要由摆线针轮和行星支架组成。RV传动是新兴起的一种传动，它是在传统针摆行星传动的基础上发展出来的，不仅克服了一般针摆传动的缺点，而且以其体积小，抗冲击力强，扭矩大，定位精度高，振动小，减速比大等诸多优点被广泛应用于工业机器人、机床、医疗检测设备、卫星接收系统等领域。01机器人本体的结构与谐波传动相比，RV传动具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，而且回差精度稳定，不像谐波传动，随着使用时间的增长，运动精度就会显著降低，故高精度机器人传动多采用RV减速器，且有逐渐取代谐波减速器的趋势。谐波减速机RV减速机01机器人本体的结构四轴机器人，小型装配机器人中，“四轴SCARA机器人”是指“选择性装配关节机器臂”，即四轴机器人的手臂部分可以在一个几何平面内自由移动。SCARA机器人有3个旋转关节，前两个关节可以在水平面上左右自由旋转。第三个关节由一个称为羽毛（quill）的金属杆和夹持器组成。该金属杆可以在垂直平面内向上和向下移动或围绕其垂直轴旋转，但不能倾斜。这种独特的设计使四轴机器人具有很强的刚性，从而使它们能够胜任高速和高重复性的工作。在包装应用中，四轴机器人擅长高速取放和其他材料处理任务。例如，快速将一件小物件从一条输送带移动到另一条输送带上并排列好。(二)水平关节机器人01机器人本体的结构并联机器人如右图所示，它是一个封闭的运动链，并联机构(ParallelMechanism，简称PM)，可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机器人主要的结构包括机座、大臂、小臂、电机和抓手安装法兰。(三)并联关节机器人01机器人本体的结构并联机器人和传统工业用串联机器人在应用上构成互补关系，它是一个封闭的运动链，和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：（1）不易有动态误差，无累积误差，精度较高。（2）运动惯性小。（3）结构紧凑稳定，输出轴大部份承受轴向应力，机器刚性高，承载能力大。（4）为热对称性结构设计，热变形量较小。01机器人本体的结构（5）在