工业机器人课件

山东大学创新教育通识核心课程

人工智能与机器人

山东大学ArtificialIntelligenceandRobotics

1标题添加点击此处输入相关文本内容点击此处输入相关文本内容总体概述点击此处输入相关文本内容标题添加点击此处输入相关文本内容2第十章工业机器人ArtificialIntelligenceandRobotics

3第十章工业机器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/15410.1工业机器人定义及特点10.2工业机器人基本组成及技术参数10.3工业机器人的分类及应用

10.4工业机器人操作机机构10.5工业机器人的控制技术10.6各类工业机器人介绍4第十章机器人的分类ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/15510.1工业机器人定义及特点10.2工业机器人基本组成及技术参数10.3工业机器人的分类及应用10.4工业机器人操作机机构10.5工业机器人的控制技术10.6各类工业机器人介绍5

工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。10.1工业机器人的定义和特点10.1.1工业机器人概述6

工业机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。工业机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。10.1工业机器人的定义和特点7

工业机器人技术涉及力学、机械学、电气液压技术、自控技术、传感技术和计算机技术等学科领域，是一门跨学科综合技术。而机器人机构学乃是机器人的主要基础理论和关键技术，也是现代机械原理研究的重要内容。

10.1工业机器人的定义和特点8

美国机器人工协会提出的工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”国际标准化（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。”10.1.2工业机器人的定义10.1工业机器人的定义和特点9

（ISO8373）对工业机器人给出了定更具体的解释：“机器人具备自动控制及可在编程、多用途功能，机器人操作机具有三个或三个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。”

10.1工业机器人的定义和特点10

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。10.1工业机器人的定义和特点11

工业机器人最显著特点：（1）可编程（2）拟人化（3）通用性（4）机电一体化10.1.3工业机器人的特点10.1工业机器人的定义和特点12

工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。”

10.1工业机器人的定义和特点1310.1.4工业机器人的发展与未来

机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。国际上生产机器人的主要厂家有：日本的安川电机、OTC、川崎重工、松下、不二越、日立、法那克；欧洲的CLOOS（德国）、ABB（瑞典）、COMAU（意大利）、IGM（奥地利）、KUKA（德国）等。10.1工业机器人的定义和特点14未来发展：

1.高性能：高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，单机价格不断下降。

2.机械结构向模块化、可重构化发展：例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问巿。10.1工业机器人的定义和特点15

3.机器人本体结构更新加快：随着技术的进步，机器人本体结构近十年来发展变化很快。以安川MOTOMAN机器人产品为例，L系列机器人持续10年，K系列持续5年时间，SK系列持续3年时间，1998年底安川公司推出了最新的UP系列，其突出的特点是：大臂釆用新型的非平行四边形的单连杆机构，工作空间有所增加，本体自重进一步减少，变得更加轻巧。10.1工业机器人的定义和特点164.机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧。安川公司的UP系列机器人釆用了新开发的控制器YASNACXRC，主要特点是具有网络通信功能。目前，比较引人注目还有DENSO公司的“NetwoRC”（NewTechnologyWorldwideOpenRobotController）控制器，其特点是：釆用板卡式PC结构，约为台式PC大小；有3个ISA总线扩展槽，可安装Ethernet卡、DeviceNet卡和图像处理卡；NetwoRC是开放式机器人控制器技术发展的典型代表。机器人控制网络化已成为发展趋势；

10.1工业机器人的定义和特点175.机器人中的传感器作用日益重要，除釆用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则釆用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用；

6.多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。10.1工业机器人的定义和特点187.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳（Sojanor）”机器人就是成功应用的最着名实例；*8.虚拟现实技术在机器人的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远程作业环境中的感觉来操纵机器人；机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。10.1工业机器人的定义和特点19

9.多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多机器人协作、多机器人通讯、多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。10.1工业机器人的定义和特点2010.微型和微小机器人技术（micro/miniaturerobotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

11.机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

10.1工业机器人的定义和特点2112.软机器人技术（softrobotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。

13.仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。比如：双足机器人、机器鱼、仿生恐龙、仿生蜻蜓等等。10.1工业机器人的定义和特点2210.1.5国内外机器人应用情况

1.日本：全世界投入使用的机器人数量近年来快速增加，目前，日本实际装配的机器人总量占世界总量的一半。装配是日本机器人的最大应用领域，它拥有的机器人占总数的42%；焊接是应用的第二大领域，占机器人总数的19%；注塑是第三大应用领域，占机器人总数约12%，机加工次之为8%。日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。80年代中期，日本机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位，成为“机器人王国”。10.1工业机器人的定义和特点232.美国

美国是机器人的诞生地，1962年研制出世界上第一台机器人，由于美国从60年代到70年代期间，只在几所大学和少数公司开展研究工作；70年代后期，美国在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，使日本的机器人后来居上。进入80年代后，美国开始研制带有视觉、力觉的第二代机器人，目前美国的机器人技术特点是：性能可靠，功能全面，精确度高；机器人语言类型多、应用广，水平高居世界之首；智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业广泛应用；高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，在国际上处于领先地位。10.1工业机器人的定义和特点243.德国德国机器人的总数占世界第三位。70年代中后期，政府在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替人的劳动。这个计划推动了机器人技术的发展。德国除了将机器人应用在汽车工业外，还在纺织工业使用机器人，使纺织业重新振兴。目前其智能机器人的研究和应用方面，在世界上处于公认的领先地位。10.1工业机器人的定义和特点25

4.前苏联(主要是在俄罗斯)。机器人技术研究是从50年代后半期开始。1968年成功地试制出一台深水作业机器人；1971年研制出工厂用的机器人；到1975年，已研制出30个型号的120台机器人。前苏联的机器人在数量、质量和技术水平上均处于世界前列地位。10.1工业机器人的定义和特点265.中国中国在“七五”计划中把机器人列为国家重点科研规划内容，在沈阳建立了全国第一个机器人研究示範工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十多年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的机器人及水下作业、军用和特种机器人。中国自行研制的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂已投入运行。10.1工业机器人的定义和特点27

目前，中国已开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，其中有130多台/套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线。沈阳新松机器人自动化股份有限公司为上海汇众汽车制造有限公司设计制造12台弧焊机器人组成的焊接生产线，用于为上海汽车工业公司配套生产桑塔纳轿车转向器、减振器、别克轿车减振器等部件。10.1工业机器人的定义和特点28

北京机械工业自动化研究所研制出大型龙门式仿形喷涂机器人，长春客车厂釆用该机器人对火车客车厢体进行喷漆，可以在20分钟内为一辆火车车厢喷上均匀的油漆，遇到车门和车窗时，喷枪会立即停止喷漆。哈尔滨工业大学历经二十余年的基础理论与应用研究，已开发管内补口喷涂作业机器人、激光内表面淬火机器人、管内X射线检测机器人。这几种机器人已分别应用于“陕－京”天然气管线工程X射线检测、上海浦东国际机场内防腐补口、大庆油田内防腐及抽油泵内表面处理等重要的管道工程。10.1工业机器人的定义和特点29

中国智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了显着的成果。其中6,000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，该机器人在1995年深海试验获得成功，使中国能够对大洋海底进行精确、高效、全覆盖的观察、测量、储存和进行实时传输，并能精确绘制深海矿区的二维、三维海底地形地貌图，推动了中国海洋科技的发展。10.1工业机器人的定义和特点30第十章工业机器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/153110.1工业机器人定义及特点10.2工业机器人基本组成及技术参数10.3工业机器人的分类及应用

10.4工业机器人操作机机构10.5工业机器人的控制技术10.6各类工业机器人介绍31

工业机器人通常由执行机构、驱动—传动机构、控制系统（含智能系统）三大部分组成。执行机构是机器人赖以完成各种作业的主体部分，通常为空间连杆机构。驱动—传动装置由驱动器和传动机构组成，它们通常与执行机构联成一体。驱动—传动装置有机械式、电气式、液压式、气动式和复合式等。控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。智能系统则由感知系统和分析决策系统组成，它分别由传感器及软件来实现。10.2.1工业机器人的组成10.2工业机器人基本组成及技术参数32

主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；

驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；

控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。10.2工业机器人基本组成及技术参数33工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。

六个子系统10.2工业机器人基本组成及技术参数34

机身手臂末端操作器

三大部分：机械部分传感器部分控制部分

机械结构三大件10.2工业机器人基本组成及技术参数35

一个工业机器人所具有的功能在本质上是由其机械部分.传感部分.控制部分内部集成所决定的.但是,工业机器人的作业能力还决定于与外部环境的联系和配合,即工业机器人与环境的交互能力.

工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境和软件环境:(1)与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信.工作域中障碍和自由空间的描述.操作对象物的描述.(2)与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息的通信.

10.2工业机器人基本组成及技术参数3610.2.2工业机器人技术参数

技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。工业机器人的主要技术参数一般都应有：自由度，重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。

10.2工业机器人基本组成及技术参数371.自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪的开合自由度。10.2工业机器人基本组成及技术参数38

自由度：即用来确定手部相对机座的位置和姿态的独立参变数的数目，它等于操作机独立驱动的关节数目。自由度是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。自由度较多，就更能接近人手的动作机能，通用性更好，但结构也更复杂。目前，一般的通用工业机器人大多为5个自由度左右，已能满足多种作业的要求。

10.2工业机器人基本组成及技术参数39

工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度只指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部与同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度，即重复度。2重复定位精度（a）重复定位精度的测定（b）合理定位精度，良好重复定位精度（c）良好定位精度，很差重复定位精度（d）很差定位精度。良好重复定位精度10.2工业机器人基本组成及技术参数40

3.最大工作范围有的厂家指工业机器人工作手臂末端所能到达的点,有的厂家指手臂末端或手腕中心到达所有点的集合也叫工作区域。通常都在技术参数中加以说明。工作范围：即操作机的工作范围，通常以手腕中心点在操作机运动时所占有的体积来表示。我们把操作机能对操纵对象完成操作的那一部分空间称为看管区域或工作区域，10.2工业机器人基本组成及技术参数414.最大工作速度有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度,有的厂家指手臂末端最大的合成速度,通常都在技术参数中加以说明。10.2工业机器人基本组成及技术参数425.承载能力承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置上所能承受的最大质量。承载能力不仅决定于负载的质量,而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。10.2工业机器人基本组成及技术参数43

另外：还有灵活度：是指操作机末端执行器在工作(如抓取物体)时，所能采取的姿态的多少。若能从各个方位抓取物体，则其灵活度最大；若只能从一个方位抓取物体，则其灵活度最小。10.2工业机器人基本组成及技术参数44第十章工业机器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/154510.1工业机器人定义及特点10.2工业机器人基本组成及技术参数10.3工业机器人的分类及应用

10.4工业机器人操作机机构10.5工业机器人的控制技术10.6各类工业机器人介绍4510.3.1工业机器人的分类

(一)按工业机器人的结构分类（五种基本坐标式机器人）10.3工业机器人的分类及应用1.直角坐标式机器人462.圆柱坐标式机器人10.3工业机器人的分类及应用473.球坐标式机器人10.3工业机器人的分类及应用484.关节坐标式机器人10.3工业机器人的分类及应用495.平面关节坐标式机器人

平面关节式机器人可以看成是关节坐标式机器人的特例,它只有平行的肩关节和肘关节,关节轴线共面,如图10.3工业机器人的分类及应用50（二）两种冗余自由度结构机器人(1)整体控制的柔软臂机器人,也叫象鼻子机器人,如左下下图所示。(2)每一关节独立控制的冗余自由度机器人,如图所示。10.3工业机器人的分类及应用51（三）模块化结构机器人

工业机器人模块化的主要含义是机器人由一些可供选择的标准化模块拼装而成的,标准化模块是具有标准化接口的机械结构模块、驱动模块、控制模块、传感器模块,并已经系列化。（四）并联机器人

从机构学角度可将机器人机构分为开环机构和闭环机构两大类:以开环机构为机器人机构原型的叫串联机器人;以闭环机构为机器人原型的叫并联机器人。10.3工业机器人的分类及应用5210.3.2工业机器人的应用领域

(一)工业机器人的应用领域

1.恶劣工作环境,危险工作场合这个领域的作业是一种有害于健康,并危及生命或不安全因素很大而不宜于人去干的作业,用工业机器人去干是最适宜的。

在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上。10.3工业机器人的分类及应用532.特殊作业场合在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。

1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。

10.3工业机器人的分类及应用543.自动化生产领域早期工业机器人在生产上主要用于:机床上下料、点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现,机器人扮演了更重要的角色,如:焊接机器人,材料搬运机器人,检测机器人,装配机器人,喷漆和喷涂,其他诸如密封和粘接、清砂和抛光、熔模铸造和压铸、锻造等等也有广泛的应用。10.3工业机器人的分类及应用55第十章工业机器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/155610.1工业机器人定义及特点10.2工业机器人基本组成及技术参数10.3工业机器人的分类及应用

10.4工业机器人操作机机构10.5工业机器人的控制技术10.6各类工业机器人介绍56

工业机器人的机械结构部分称为操作机

操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。

从机器人完成作业的方式来看，操作机是由手臂机构(即位置机构)、手腕机构(即姿态机构)及末端执行器等组成的机构。对于要完成空间任意位姿进行作业的多关节操作机，需要具有6个自由度，而对于要回避障碍进行作业的操作机，其自由度数则需超过6个。

10.4

工业机器人操作机机构

10.4.1操作机57通常由下列部分组成：

a.末端执行器

又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。

b.手腕

是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。

10.4

工业机器人操作机机构

58c.手臂

它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。

d.机座

有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固定式和移动式两类。10.4

工业机器人操作机机构

592024/8/1560

机器人的操作机构10.4

工业机器人操作机机构

6010.4.2操作机手臂机构

手臂机构一般具有2～3个自由度(当操作机需要回避障碍进行作业时，其自由度可多于3个)，可实现回转、俯仰、升降或伸缩三种运动形式。

首先，要确定操作机手臂机构的结构形式。通常根据其将完成的作业任务所需要的自由度数、运动形式、承受的载荷和运动精度要求等因素来确定。

其次，是确定手臂机构的尺寸。即确定出其手臂的长度及手臂关节的转角范围。

10.4

工业机器人操作机机构

6110.4.3.操作机手腕机构

操作机的手腕机构一般为1～3个自由度，要求可实现回转、偏转或摆转和俯仰三种运动形式。

在作手腕机构的运动设计时，要注意大、小手臂的关节转角对末端操作器的俯仰角均可能产生诱导运动。此外，手腕机构的设计还要注意减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减小其重量和体积，以利于手腕驱动传动装置的布置和提高手腕动作的精确性。10.4

工业机器人操作机机构

62机器人的腕部结构常见三种几种结构10.4

工业机器人操作机机构

6310.4.4.操作机的末端执行器

根据其用途和结构的不同可分为机械式夹持器，吸附式执行器和专用工具(如焊枪、喷嘴、电磨头等)三类。按其手爪的运动方式又可分为平移型和回转型。按其夹持方式又可分为外夹式和内撑式。此外，按驱动方式则有电动、液压和气动三种。

根据不同作业任务的要求，先确定其类型和机构型式，并应尽可能使其结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。

10.4

工业机器人操作机机构

回转式夹持器机构

6410.4.5六轴关节机器人机械结构图7-4-5为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般较大。

10.4

工业机器人操作机机构

65RV减速器的拆解图片

10.4

工业机器人操作机机构

66二、传动原理

它由渐开线圆柱齿传输线行星减速机构和摆线针轮行星减速机构两部分组成。渐开线行星齿轮3与曲柄轴2连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。

10.4

工业机器人操作机机构

67第十章工业机器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/156810.1工业机器人定义及特点10.2工业机器人基本组成及技术参数10.3工业机器人的分类及应用

10.4工业机器人操作机机构10.5工业机器人的控制技术10.6各类工业机器人介绍68

机器人的控制方法有位置控制、轨迹控制、力控制、力矩控制、柔顺控制、力／位置混合控制、分解运动控制、变结构控制、自适应控制以及递阶控制、模糊控制、学习控制、神经控制和进化控制等智能控制。其中，有些控制方法已比较熟悉，另一些控制方法则较为新颖，并有待进一步开发与完善。10.5

工业机器人的控制技术

69

工业机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点10.5.1机器人的基本控制原则10.5

工业机器人的控制技术

70关键技术包括：

(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机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、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

10.5

工业机器人的控制技术

71(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。10.5

工业机器人的控制技术

72(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

(4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。10.5

工业机器人的控制技术

731、控制器分类机器人控制器具有多种结构形式，包括非伺服控制、伺服控制、位置和速度反馈控制、力(力矩)控制、基于传感器的控制、非线性控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制以及各种智能控制等。

10.5

工业机器人的控制技术

74

工业机器人常用控制器的基本控制原则及控制器的设计问题。从关节(或连杆)角度看，可把工业机器人的控制器分为单关节(连杆)控制器和多关节(连杆)控制器两种。机器人的控制取决于其“脑子”，即处理器的研制。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化、小型计算机控制到微处理机控制等。机器人控制系统的结构也可以大为不同，从单处理机控制到多处理机分级分布式控制。10.5

工业机器人的控制技术

75机器人控制的分类及其分析方法10.5

工业机器人的控制技术

762、主要控制变量图7-5-1表示一台机器人的各关节控制变量。如果要机器人去抓起工件A，那么就必须知道末端执行装置(如夹手)在任何时刻相对于A的状态，包括位置、姿态和开闭状态等。图7-5-1机械手各关节的控制变量10.5

工业机器人的控制技术

773、主要控制层次图7-5-2表示机器人的主要控制层次。从图可见，它主要分为三个控制级，即人工智能级、控制模式级和伺服系统级。10.5

工业机器人的控制技术

78图7-5-2机器人的主要控制层次2)第二级：控制模式级这一级能够建立起X(t)和T(t)之间的双向关系。必须注意到，有多种可供采用的控制模式。

1)第一级:人工智能级如果命令一台机器人去“把工件A取过来”，那么如何执行这个任务呢？首先必须确定，该命令的成功执行至少是由于机器人能为该指令产生矢量X(t)。X(t)表示末端执行装置相对工件A的运动

10.5

工业机器人的控制技术

7910.5.2机器人驱动技术1机器人关节驱动概述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基本类型。工业机器人出现的初期，由于其运动大多采用曲柄机构和连杆机构等，所以大多使用液压与气压驱动方式。但随着对作业高速度的要求，以及作用日益复杂化，目前电气驱动的机器人所占有的比例越来越大。但在需要出力很大的应用场合，或运动精度不高、有防爆要求的场合，液压、气压驱动仍获得满意的应用。

10.5

工业机器人的控制技术

80现将各种驱动的主要特点及应用场合简述如下。气动：成本低，出力小，噪声大，控制简单，常用可编程控制器(PC)控制。但难以准确地控制位置和速度，用于简单的非伺服型机器入。液压传动：功率重量比大(液压传动以强度为工作极限，而电驱动以电磁饱和为工作极限)，低速平稳，需液压动力源，漏油和油性变化影响系统特性，成本较高，可用于易爆环境。10.5

工业机器人的控制技术

81电驱动依电机的类型又分为几种方式。步进电机驱动：功率小，开环控制，控制简单，但可能失步（步进电机也可用于闭环控制，但系统较复杂）。直流电机驱动：调速性能好，功率较大，效率较高，但换向器需要维护，不宜用于易爆、多粉尘环境。交流电机驱动：维护简单，使用环境不受限制，成本较低，调速性能随着交流驱动技术的发展赶上并超越了直流电机，逐渐成为机器人电气驱动中的主要方式。目前常用的电机有交流永磁伺服电机（PMSM）、感应异步电机（IM）、无刷直流电机（BLDC）等。直线式电机由于其特殊的性能特点在某些特定的场合也有很好的应用。10.5

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822机器人关节伺服驱动控制机器人电气驱动的三种主要方式：1.步进电机驱动步进电机是机电一体化的关键产品之一,作为执行元件广泛应用在各种自动化控制系统包括机器人系统中，随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。10.5

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832．直流伺服电机驱动在80年代中期以前的一些自动化设备，如机器人、数控机床等，广泛采用直流伺服电动机作为执行机构。这是因为直流伺服电动机易于控制（在磁场恒定时，电流正比于输出转矩等），有较理想的机械特性。但它们也有一些缺点，如需要定期维护，转速不能太高，功率不能太大，它们的功率体积比和功率质量比不高等。近年来，新发展起来的交、直流伺服电动机克服了上述缺点，并保留了直流伺服电动机的优点，因此在一些现代化设备中，无刷电动机取代了直流伺服电动机，但直流伺服电动机原理是新技术的基础，它们的良好特性，曾使它们独领风骚。10.5

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84图10-5-1直流伺服电机原理图10.5

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853、交流伺服电机驱动1）无刷电动机驱动（BLDC）直流伺服电动机有三大缺点，如需维护、转速低(通常低于2000r／min)、功率体积(质量)比不高等。这是由于其结构特点造成的。其热惯性也大，埋在转子槽中线圈热量只能通过转子轴、轴承传导出去，以及通过转子、定子之间狭小气隙以对流方式散热。总之，发热元件(绕组)所处的几何位置不利散热，所以与同功率无刷电动机相比，它必须选用更粗的绕组导线，导致了更大的体积。10.5

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862）永磁同步电机驱动永磁同步电动机(PMSM)特别是稀土永磁同步电机结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，近年来得到迅速发展。与三相异步电机相比，永磁同步电动机有其自身的优点。三相稀土永磁同步电动机定子一般与三相异步电动机定子相同，必要时可以借用异步电机的机座和定子冲片。但为减小稀土永磁同步电动机的杂散损耗，定子绕组常采用双层短绕或正弦绕组形式。10.5

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873）感应异步电机驱动（IM）用于机器人伺服驱动的感应异步电机与普通的感应电机相比，结构上要做一些改进，成本要高一些，但仍然交流伺服驱动中最经济的驱动电机。但是只有与矢量控制（VectorControl）和直接转矩控制（DTC）这些先进的电机控制理论结合，才有可能用在伺服系统中，并且达到甚至超越直流电机的性能。电机的基本原理与普通感应电机并无任何不同。10.5

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8810.1工业机器人定义及特点10.2工业机器人基本组成及技术参数10.3工业机器人的分类及应用

10.4工业机器人操作机机构10.5工业机器人的控制技术10.6各类工业机器人介绍第十章工业机器人ArtificialIntelligenceandRobotics

2024/8/15898910.6.1移动机器人（AGV）移动机器人（AGV）是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）；同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。

10.6

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AGV（AutomatedGuidedVehicle）是指装有自动导引装置，能够沿规定的路径行驰，在车体上还具有编程和停车选择装置、安全保护装置以及各种物料移载功能的搬运车辆。自动搬运车系统(AGVS)是由若干辆沿导行路径行驰，在计算机的交通管制下有条不紊地运行，并通过物流系统软件集成在物流系统、生产系统中。

10.6

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9110.6.2点焊机器人焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等。特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。10.6

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9210.6.3弧焊机器人

弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。10.6

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9320公斤点焊机器人点焊机器人在工作中6公斤弧焊机器人工业机器人弧焊机器人在工作中10.6

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9410.6.4激光加工机器人