第二章2.1机器人的基本术语与图形符号;2.2机器人的主要参数

第二章机器人基础知识2.1机器人的基本术语与图形符号；2.2机器人的主要参数【内容提要】本课主要学习机器人的基本术语与各类图形符号，讲解机器人的主要技术参数，并介绍了几种实际产品的技术规格和机构简图。知识要点：概念：位姿、连杆、关节、自由度、刚度机器人的主要技术参数重点：掌握工业机器人的基本术语与图形符号、结构简图掌握机器人的主要技术参数难点：机器人的结构简图工业机器人的主要技术参数关键字：术语、图形符号、运动简图、技术参数

【本课内容相关资料】2.1机器人的基本术语与图形符号2.1.1机器人的基本术语国家标准GB/T12642—2001、GB/T12643—2013对工业机器人专用术语作了定义和解释。术语繁多，有机械结构和性能相关的术语、控制和安全相关的术语等。为了便于更好的学习，简单够用的原则，本节仅仅阐述机器人的一些基本术语。1.轴（axis）描述机器人构件独立运动的方向线（可沿此线直线运动或转动）。2.位姿（pose）工业机器人末端执行器在指定坐标系中的位置和姿态。3.杆件坐标系（linkcoordinatesystem）参照工业机器人指定杆件的坐标系。4.机械接口坐标系（mechanicalinterfacecoordinatesystem）参照末端执行器机械接口的坐标系。5.关节关节（Joints）；即运动副，是允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构，是两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接，如图2.1所示。A、B两部件可以做互动联接。a)回转副b)移动副c)回转移动副d)球面副图2.1机器人的关节高副机构（Higherpair)，简称高副，指的是运动机构的两构件通过点或线的接触而构成的运动副。例如齿轮副和凸轮副就属于高副机构。平面高副机构拥有两个自由度，即相对接触面切线方向的移动和相对接触点的转动。相对而言，通过面的接触而构成的运动副叫做低副机构。关节是各杆件间的结合部分，是实现机器人各种运动的运动副，由于机器人的种类很多，其功能要求不同，关节的配置和传动系统的形式都不同。机器人常用的关节有移动、旋转运动副。一个关节系统包括驱动器、传动器和控制器，属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。（1）回转关节回转关节，又叫做回转副、旋转关节，是使连接两杆件的组件中的一件相对于另一件绕固定轴线转动的关节，两个构件之间只作相对转动的运动副。如手臂与机座、手臂与手腕，并实现相对回转或摆动的关节机构，由驱动器、回转轴和轴承组成。多数电动机能直接产生旋转运动，但常需各种齿轮、链、带传动或其他减速装置，以获取较大的转矩。(2) 移动关节移动关节，又叫做移动副、滑动关节、棱柱关节，是使两杆件的组件中的一件相对于另一件作直线运动的关节，两个构件之间只作相对移动。它采用直线驱动方式传递运动，包括直角坐标结构的驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件把旋转运动转换成直线运动。(3) 圆柱关节圆柱关节，又叫做回转移动副、分布关节，是使两杆件的组件中的一件相对于另一件移动或绕一个移动轴线转动的关节，两个构件之间除了作相对转动之外，还同时可以作相对移动。(4)球关节球关节，又叫做球面副，是使两杆件间的组件中的一件相对于另一件在三个自由度上绕一固定点转动的关节，即组成运动副的两构件能绕一球心作3个独立的相对转动的运动副。6.连杆（Link）连杆（Link）:指机器人手臂上被相邻两关节分开的部分；是保持各关节间固定关系的刚体，是机械连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件；其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套和滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。连杆是机器人中的重要部件，它连接着关节，其作用将一种运动形式转变为另一种运动形式，并把作周在主动构件上的力传给从动构件以输出功率。7.刚度（Stiffness)刚度（Stiffness):是机器人机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。它的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。刚度可分为静刚度和动刚度。在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体叫刚体（Rigidbody）。在物理学上，理想的刚体是一个固体的，尺寸值有限的，形变清况可以被忽略的物体。不论是否受力，在刚体内任意两点的距离都不会发生改变。在运动中，刚体上任意一条直线在各个时刻的位置都保持平行。其他参数：自由度（DegreeofFreedom,DOF）：指一个点或一个物体运动的方式，或一个动态系统的变化方式。每个自由度可表示一个独立的变量，而利用所有的自由度，就可完全规定所研究的一个物体或一个系统的姿态。操作手（Manipulator）：具有和人手臂相似的功能、可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。末端执行器（End-effector）：位于机器人腕部的末端，直接执行工作要求的装置。手腕（Wrist）：位于执行器与手臂之间，具有支撑和调整末端执行器姿态功能的机构。手臂（Arm）：位于基座和手腕之间，由操作手的动力关节和连杆等组成的组件。能支撑手腕和末端执行器，并具有调整末端执行器位置的功能。自然坐标系、世界坐标系（WorldCoordinateSystem）：参照地球的直角坐标系。机座坐标系、基坐标系（Basereferencecoordinatesystem）：参照机器人基座的坐标系。坐标变换（CoordinateTransformation）：将一个点的坐标从一个坐标系换到另一个坐标系的过程。工作空间（WorkingSpace）：机器人在执行任务时，其腕轴交点能在空间活动的范围。负载（Load）：作用于末端执行器上的质量和力矩。额定负载（RatedLoad）：机器人在规定的性能范围内，机械接口处能够承受的最大负载量（包括末端执行器在内）。分辨率（Resolution）：机器人每个轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。位姿精度（PoseAccuracy）：指令设定位姿与实际到达位姿的一致程度。轨迹精度（PathAccuracy）：机器人机械接口中心跟指令轨迹的一致程度。点位控制（PointtoPointControl，PTP）：控制机器人从一个位姿转到另一个位姿，其路径不限。连续轨迹控制（ContinuousPathControl，CP）：机械接口在指定的轨迹上，按照编程规定的位姿和速度移动。它适于对两个以上的运动环节进行控制。协调控制（CooperativeControl）：协调多个手臂或多台机器人同时进行某种作业的控制。伺服系统（ServoSystem）：控制机器人的位姿、速度和力等，使其跟随目标值变化的控制系统。离线编程（Off-lineProgramming）：机器人作业方式的信息的记忆过程，与作业对象不发生直接关系的编程方式。在线编程（On-lineProgramming）：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程的编程方式。人工智能（ArtificialIntelligence，AI）：机器人能执行一些类似人类智力活动的能力。如推理、规划、图像识别、理解和学习等。模式识别（PatternRecognition）：通过类似人类感觉器官的传感器所检测的信息来分析、描述和区分各个物体特征的方法。触觉（TactileSense）：机器人与物体之间接触时所得到的感觉信息。压觉（SenseofContactForce）：机器人与物体某个表面接触时，沿法线方向受到的力的信息感觉。视觉（VisualSense）：机器人对光等外界信息的感觉。利用这种感觉可以识别物体的轮廓、方位、背景等环境状态。接近觉（ProximitySense）：机器人能感受到与物体接近程度的能力。机器人语言（RobotLanguage）：机器人系统中的计算机编程语言。2.1.2机器人的图形符号2.1.2.1机器人的图形符号体系1.运动副的图形符号机器人所用的零件和材料以装配方法等与现有的各种机械完全相同。机器人常用的关节有移动、旋转运动副，常用的运动副图形符号如表2.1所示。表2.1常用的运动副图形符号2.基本运动的图形符号机器人的基本运动与现有的各种机械表示也完全柑同。常用的基本运动的图形符号如表2.2所示。表2.2常用的基本运动图形符号3.运动机能的图形符号机器人的运动机能常用的图形符号如表2.3所示。表2.3机器人的运动机能常用的图形符号4.运动机构的图形符号机器人的运动机构常用的图形符号如表2.4所示。表2.4机器人的运动机构常用的图形符号2.1.2.2机器人的图形符号表示机器人的描述方法分为机器人运动机构简图、机器人运动原理图、机器人传动原理图、机器人速度描述方程、机器人位姿运动学方程、机器人静力学描述方程等。作为图形符号的表示，仅仅是运动机构简图、运动原理图、传动原理图、结构简图。1.四种坐标机器人的机构简图机器人的机构简图是描述机器人组成机构的直观图形表达形式，是将机器人的各个运动部件用简便的符号和图形表达出来，此图可用上述图形符号体系中的文字与代号表示。直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、多关节型四种坐标机器人的机构简图如图2.2所示。a）直角坐标型b）圆柱坐标型c）极坐标型d）多关节型图2.2四种坐标机器人的机构简图2.机器人运动原理图机器人运动原理图是描述机器人运动的直观图形表达形式，是将机器人的运动功能原理用简便的图形和符号表达出来，此图可用上述的图形符号体系中的文字与代号表示。机器人运动原理图是建立机器人坐标系、运动和动力方程式、设计机器人传动原理图的基础，也是我们为了应用好机器人，在学习使用机器人时最有效的工具。PUMA-262机器人的机构运动示意图和运动原理图如图2.3所示。可见，运动原理图可以简化为机构运动示意图，以明确主要因素。a)机构运动示意图b)运动原理图图2.3机构运动示意图和运动原理图3.机器人传动原理图将机器人动力源与关节之间的运动及传动关系用简洁的符号表示出来，就是机器人传动原理图。PUMA-262机器人的传动原理图如图2.4所示。机器人的传动原理图是机器人传动系统设计的依据，也是理解传动关系的有效工具。图2.4PUMA-262机器人传动原理图4.典型机器人的结构简图ABB、FUNAC、KUKA、MOTOMAN公司的典型产品的机械结构分析如下。(1)ABB公司的IRB2400ABB、FUNAC、KUKA的大多数产品均为六自由度机器人，MOTOMAN也有六自由度产品，它们的关节分布比较类似，多采用安川的交流驱动电动机。其中ABB公司的IRB2400产品是全球销量最大的型号之一，其结构简图如图2.5所示。图2.5IRB2400的结构简图(2)FUNAC公司的R-2000iBFUNAC公司的R-2000iB也为六自由度机器人。其结构简图如图2.6所示。图2.6R-2000iB的结构简图(3)KUKA公司的KR5scara该四自由度机器人结构简单，有三个转动关节、一个螺纹移动关节。其结构简图如图2.7所示。图2.7scara结构简图(4)MOTOMAN的IA20MOTOMAN的IA20是七自由度产品。其结构简图如图2.8所示。图2.8IA20的结构简图(5)MOTOMAN公司的DIA10MOTOMAN的DIA10产品的结构较为复杂，有十五个自由度。其结构简图如图2.9所示。图2.9DIA10的结构简图2.2机器人的主要参数选用机器人，首先要了解机器人的主要技术参数，，然后根据生产和工艺的实际需求，通过机器人的技术参数来选择机器人的机械结构、坐标型式和传动装置等。2.2.1机器人的主要参数机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是选择、设计、应用机器人所必须考虑的问题。机器人的主要技术参数一般有自由度、分辨率、精度、重复定位精度、工作范围、承载能力及最大速度等。1.自由度（degreeoffreedom）自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。机器人的自由度反映机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作不包括在内。如图2.10所示的机器人，臂部在面内有三个独立运动——升降(）、伸缩（)和转动（)，腕部在面内有一个独立的运动——转动（)。机器人手部位置需一个独变量——手部绕自身轴线的旋转。这种用来确定手部相对于机身（或其他参照系统）位置的独立变化的参数（，，，，）即为机器人的自由度。图2.10五自由度机器人简图机器人的自由度越多，就越能接手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要越高，这是机器人设计中的一个矛盾。自由度的选择与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求髙，运行速度快，则机器人的自由度数可少一些；如果要便于产品更换，增加柔性，则机器人的自由度要多一些。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要6个自由度。业机器人一般多为4〜6个自由度，7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于也可能大于6个自由度。例如KUKA公司生产的KR5scara装配机器人具有4个自由度，可以在印制电路板上接插电子器件；ABB公司生产的IRB2400机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲线的弧焊作业。从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人，也称冗余度机器人。如图2.8所示的MOTOMAN公司生产的IA20机器人和PUMA公司生产的PUMA700机器人执行印制电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善动力性能。人的手臂(大臂、小臂、手腕）共有7个自由度，所以工作起来很灵巧，可躲避障碍物，从不同方向到达同一个目的点。2. 工作空间（WorkingSpace）工作空间又叫做工作范围、工作区域，是设备所能达到的所有空间区域。机器人的工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心（手臂或手部安装点)所能到达的所有点的集合，不包括手部本身所能达到的区域。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作范围是指不安装末端执行器时的工作区域。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，其运动图形也不同，而自由度的变化量（即直线运动的距离和回转角度的犬小）则决定着运动图形的大小。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因存在手部不能到达的作业死区（deadzone)而不能完成任务。图2.11PUMA机器人的工作范围3. 速度(Speed)速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。说明书中通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。这是因为，由于驱动器输出功率的限制，从启动到达最大稳定速度或从最大稳定速度到停止，都需要一定时间。如果最大稳定速度高，允许的极限加速度小，则加减速的时间就会长一些，对应用而言的有效速度就要低一些；反之，如果最大稳定速度低，允许的极限加速度大；则加减速的时间就会短一些，这有利于有效速度的提高。但如果加速或减速过快，有可能引起定位时超调或振荡加剧，使得到达目标位置后需要等待振荡衰减的时间增加，则也可能使有效速度反而降低。所以，考虑机器人运动特性时，除注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加减速度。4. 承载能力承载能力，又叫做工作载荷，是机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载重量（包括手部)，或者说是在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。通常用重量、力矩、惯性矩来表示。负载大小主要考虑机器人各运动轴上的所受的力和力矩。承载能力不仅决定于负载的重量，还包括机器人末端执行器的重量，即手部的重量、抓取工件的重量；而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关，即由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般机器人在低速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。即承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大，最大可达1000kg。图1.12三菱装配机器人不带电动手爪时的承载能力图1.13三菱装配机器人带电动手爪时的承载能力5. 分辨率在机器人学中，分辨率常常容易和精度、重复定位精度相混淆。机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。分辨率分为编程分辨率与控制分辨率，统称为系统分辨率。编程分辨率是指程序中可以设定的最小距离单位，由称为基准分辨率。例如，当电动机旋转，机器人腕点即手臂尖端点移动的直线距离为时，其基准分辨率为。控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最小位移量。例如：若每周（转）1000个脉冲的增量式编码盘与电动机同轴安装，则电动机每旋转（，）编码盘就发出一个脉冲，以下的角度变化充法检测，则该系统的控制分辨率为 。显然，当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能达到最高。6.精度精度是一位置量相对于其参照系的绝对度量，指机器人手部实际达到位置与所需到达的理想位置之间的差距。机器人的精度主要依存于机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差。机械误差主要产生于传动误差、关节间隙与连杆机构的扰性。传动误差是轮齿误差、螺距误差等引起的；关节间隙是由关节处的轴承间隙、谐波齿隙等引起的；连杆机构的扰性随机器人位形、负载的变化而变化。控制算法误差主要指算法能否得到直接解和算法在计算机内的运算字长所造成的比特(bit)误差。因为16位以上CPU进行浮点运算，精度可达到82位以上，所以比特误差与机构误差相比基本可以忽略不计。分辨率系统误差可取1/2基准分辨率，其理由是基准分辨率以下的变位既无法编程又无法检测。机器人的精度可认为是1/2基准分辨率与机械误差之和，即：机器人的精度=1/2基准分辨率+机械误差如能够做到使机械的综合误差达到1/2基准分辨率，则精度等于分辨率。但是，就目前的水平而言，除纳米领域的机构以外，业机器人尚难以实现。7.重复定位精度重复定位精度是指在相同的运动位置指令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。如果机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，该平均值代表精度，而变化的幅度代表重复定位精度。所以，重复定位精度是关于精度的统计数据。任何一台机器人即使在同一环境、同一条件、同一动作、同一命令之下，每一次动作的位置也不可能完全一致。如对某一个型号的机器人的测试结果为：在20mm/s、200mm/s的速度下分别重复10次，其重复定位精度为0.4mm。如图2.14所示，若重复定位精度为±0.2mm，则指所有的动作位置停止点均在以平均值位置为中心的左右0.2mm以内。 2.14精度、重复精度、分辨率 在测试机器人的重复定位精度时，不同速度、不同方位下，反复试验的次数越多，重复定位精度的评价就越准确。因重复定位精度不受工作載荷变化的影响，故通常用重复定位精度这一指标作为衡量示教-再现方式工业机器人水平的重要指标。机器人标定重复定位精度时一般同时给出测试次数、测试过程所加的负载和手臂的姿态。精度和重复定位精度测试的典型情况如图2.15所示。(a)重复定位精度的测量；(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，良好重复定位精度图2.15工业机器人定位精度和重复定位精度的典型情况精度、重复定位精度和分辨率都用定义机器人手部的定位能力。工业机器人的精度、重复定位精度和分辨率要求是根据其使用要求确的。机器人本身所能达到的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度控制和驱动方式、定位和缓冲等因素。由于机器机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般较难测定，通常工业机器人只给出重复精度。8.其他参数此外，对于一个完整的机器人还有下列参数描述其技未规格。(1)控制方式控制方式是指机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。(2) 驱动方式驱动方式是指关节执行器的动力源形式。通常有气动、液压、电动等形式。(3) 安装方式安装方式是指机器人本体安装的工作场合的形式，通常有地面安装、架装、吊装等形式。（4)动力源容量动力源容量是指机器人动力源的规格和消耗功率的大小，比如，气压的大小，耗气量；液压高低；电压形式与大小，消耗功率等。(5) 本体质量本体质量是指机器人在不加任何负载时本体的重暈，用于估算运输、安装等。(6) 环境参数环境参数是指机器人在运输、存储和工作时需要