工业机器人技术第2章

第二章一、工业机器人组成与特点1.系统组成（P17、图2-1-1）☞后述内容中，工业机器人简称“机器人”☞机电设备=机械+电气

机械部分

本体（必需）

又称操作机，实现机器人动作的执行机构；

包括机械部件、驱动电机、传感器等；

由关节（Joint）和连杆（Link）连接而成；☞关节：可回转、摆动的间接连接机构（转动副）；连杆：连接关节的刚性构件。执行器（必需）用于作业的工具；安装在机器人末端关节上；可以根据需要更换。变位器（可选）

扩大机器人作业范围（增加自由度）的辅助机构；

包括机械部件、驱动电机、传感器等；

有回转、直线两类，通常为1~4轴。回转变位器直线变位器关节执行器连杆本体

电气部分控制器

功能与数控系统相同；

产生机器人运动轨迹控制脉冲；

控制轴数较多（通常6轴）。操作单元机器人的操作面板；又称示教器；结构简单、采用手持式结构。

驱动器将控制脉冲转换为电机转角；多采用交流伺服驱动系统。☞控制器、驱动器安装在控制柜内示教器控制柜2.基本特点拟人

结构形态类似人类；部件称腰、手臂（上、下臂）、手腕（手腕、爪）；传感器以视觉、听觉、触觉为主（智能机器人）。柔性

有完整、独立的控制系统；可通过编程来改变其动作和行为；可安装不同的执行器，实现不同的应用。通用

可通过程序改变动作；可通过执行器改变功能。3.工业机器人

PK

数控机床相同点

控制要求（轨迹控制）、控制系统结构相同；定义类似：可编程、可定位、多用途设备。区别

作用

CNC机床：工作母机，零件加工的必需设备；

IR：服务于机床、代替人工操作的辅助设备。地位

CNC机床：国民经济基础的基础；

IR：自动化制造的配套设备。价值

CNC机床：占装备总价的85%以上，最高可达数亿；

IR：在装备总价的10%左右，最高为数十万。形态

CNC机床：直线运动轴为主，回转、摆动为辅；

IR：回转、摆动轴为主，直线运动为辅。性能

CNC机床：高精度轮廓加工，多为0.001mm级；

IR：粗略轨迹运动，多为0.1mm级。

控制

CNC机床：一般5轴及以下，准确轮廓运动；

IR：一般6轴及以上，粗略轨迹运动。

软件

CNC机床：笛卡尔坐标运动为主，相对简单；

IR：多轴摆动空间合成运动，相当复杂。☞结论：不在同一体量。4.工业机器人

PK机械手PLC机械手机器人控制系统相同点

作用相同，都是自动化制造的辅助设备；定义类似：机器人=可编程的机械手。区别

控制

机械手：由CNC系统的PLC控制，无独立控制系统；

IR：有独立的控制系统。作用

机械手：单功能、固定用途和动作；

IR：可操作、可编程，多功能、多用途。驱动

机械手：PLC开关量控制，液压、气动系统为主；

IR：轨迹插补控制，必须用伺服驱动系统。二、工业机器人结构形态1.垂直串联（VerticalArticulated

）要点

最常见结构，1973年KUKA研发；关节沿垂直方向串联，数量5-7个；通用性好，可用于各种场合。关节名称S（或J1）：腰（Swing）回转；L（或J2）：下臂（LowerArm）摆动；U（或J3）：上臂（UpperArm）摆动；R（或J4）：腕回转（Wrist

Rolling

）；B（或J5）：腕摆动（WristBending

）；T（或J6）：手回转（Turning

）。☞关节数量可根据实际需要增减（如5、7）。名词说明机身：S/L/U（J1/J2/J3）轴，主要用于机器人作业工具定位，称为定位机构；手腕：R/B/T（J4/J5/J6）轴，主要用来调整作业工具方向，称为定向机构。

回转（Roll）：转动范围一般大于270°；

摆动（Bend）：转动范围一般小于等于270°。2.水平串联（HorizontalArticulated

）要点典型结构为日本山梨大学1978年研发，称SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm），关节以水平串联为主（2~3个），总数4-5个；速度快，多用于轻载、平面作业（3C、食品、药品）。Z3.并联（Parallel

）要点基本结构为6连杆运动，1965年英国Stewart研发（简称Stewart平台）；简化结构为3连杆摆动（常用）

，1985年瑞士研发（简称Delta结构）。Stewart平台Delta结构

Stewart平台至少6个直线升降轴、控制复杂，多用于重载搬运工业机器人，较少采用。Delta机身为3轴摆动结构、手腕安装在机身上，控制简单；一般采用倒挂式安装，多用于食品、药品行业的轻载包装（分拣）工业机器人；☺练一练：

完成P35，练习一（1）~（6）☺视频1~3：

垂直串联、SCARA、Delta机器人工作过程三、工业机器人的技术性能☞参见P27、表2.3-1主要参数：工作范围（作业空间）、承载能力、自由度、运动速度、定位精度。1.工作范围（WorkingRange）

要点是工业机器人TRP点能够运动的区域。☞TRP：工具参考点（Tool

Reference

Point），机器人工具安装的基准位置——手腕工具安装法兰中心。

典型结构机器人的TRP点位置如下图：TRPTRPTRP垂直串联DeltaSCARA通常场合可用“作业半径R”简单表示。工作范围大多是不规则形状、不完整空间。

☞垂直串联结构（包括球坐标、圆柱坐标）的作业死区较大，称“部分范围作业”机器人。R=740RR☞SCARA、Delta结构（以及直角坐标）机器人的作业死区较小，称“全范围作业”机器人。2.承载能力（Payload）

要点机器人可承受的最大负载（质量、转矩或切削力）；实际承载能力与负载的重心位置有关，样本数据通常是假设负载重心位于TRP点时的最大理论值。☞承载能力6kg机器人的允许负载图：尺寸基准TRP负载重心ZL1003006kg1kg3.自由度（DegreeofFreedom

）

要点

机器人能产生的独立运动数（相对于地面），包括直线、回转、摆动；自由度实际就是机器人系统的总控制轴数；自由度包括变位器运动，使用变位器可增加自由度；自由度不包括执行器的运动（如刀具旋转等）；自由度越多，运动越灵活；有6个自由度，理论上可实现3维空间的任意运动；自由度可用规定的符号表示。☞见P33、图2.3-6。4.速度与精度

要点

程序速度是机器人TCP点相对与大地的运动速度；☞TCP：工具控制点（ToolControlPoint），有时称工具中心点（ToolCenterPoint），是机器人作业位置和运动控制目标点

；

样本参数为机器人空载时，各关节所能达到的最大回转速度的形式表示；

TCP速度（程序速度）是所有参与运动的关