机械制造自动化技术（第4版）课件：工业机器人

工业机器人一、工业机器人的定义所谓“机器人”(Robot)就是一种自动装置，它能完成通常由人才能完成的工作。在工业领域内应用的机器人我们称为工业机器人。

通常对工业机器人的定义是：工业机器人是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照预定的程序、轨迹及其它要求,实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。第一节工业机器人概述二、工业机器人的组成

·组成--一般由执行机构、控制系统、驱动系统等三部分。1.执行机构--是一种具有和人手臂有相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置，通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。2.控制系统--用来控制机器人的执行机构按规定要求动作。3.驱动系统--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。4.传感系统--传感系统是现代工业机器人的重要组成部分,是将机器人、工作对象及环境的信息传递给控制器,用于机器人的智能控制。第一节工业机器人概述三、工业机器人的分类·分类--按坐标形式、控制方式和信息输入方式等。1.按坐标形式分类即执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。（1）直角坐标机器人优点：位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好。缺点：结构庞大，动作范围小，灵活性差。第一节工业机器人概述（2）圆柱坐标机器人优点：位置精度较高，控制简单，避障性好。缺点：结构庞大。（3）极坐标机器人优点：占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，控制简单，避障性好。缺点：存在平衡问题。第一节工业机器人概述（4）关节坐标机器人优点：工作范围大，动作灵活，避障性好。缺点：位置精度较低，存在平衡问题，控制耦合比较复杂。机器人运动组合2.按控制方式分类（1）点位控制(PointtoPoint)机器人其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。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。（2）连续轨迹控制（ContinuousPath）机器人其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。第一节工业机器人概述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。（4）程序控制机器人：它的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。（5）示教再现机器人：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。第一节工业机器人概述四、工业机器人的发展趋势 （1）提高工作速度和运动精度，减少自身重量和占地面积。（2）加快机器人部件的标准化和模块化，将各种功能（回转、伸缩、俯仰、摆动等）机械模块与控制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器人。（3）采用新型结构，如微动机构、多关节手臂、类人手指、新型行走机构等，以适应各种作业需要。（4）研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，来获取有关工作对象和外部环境的信息，使其具有模式识别的能力。（5）利用人工智能的推理和决策技术，使机器人具有问题求解、动作规划等功能。第一节工业机器人概述第一节工业机器人概述机器人实例机器人实例第一节工业机器人概述机器人实例第一节工业机器人概述机器人实例第一节工业机器人概述第二节工业机器人的机械与驱动系统·机械系统--又称机械操作臂，主要由末端执行器、手腕、手臂和机座组成；·驱动系统--主要有电气、液压、气动和机械等四种方式。一、机械操作臂

1.末端执行器·功用--直接执行作业任务；·类型--可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具三类。（1）机械式夹持器第二节工业机器人的机械与驱动系统（2）吸附式末端执行器（3）多指灵巧手2.手腕

手腕是连接末端执行器和手臂的部件，它的作用是调整或改变端末执行器方位，因此一般由三个独立的回转关节组成。3.手臂·手臂是机械操作臂中的重要部件，它的作用是把物料运送到工作范围内的给定位置上。·常见的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电力驱动及复合驱动等。第二节工业机器人的机械与驱动系统4.机座·作用--起支承作用；·类型--可分为固定式和移动式两类。第二节工业机器人的机械与驱动系统二、工业机器人的驱动系统1.机械式驱动系统机械式驱动系统有可靠性高、运行稳定、成本低等优点，但也存在重量大、动作平滑性差和噪声大等缺点。第二节工业机器人的机械与驱动系统2.液压式驱动系统 液压传动的机器人具有很大的抓取能力，可高达上百公斤，油压可达7MPa。4.电气式驱动系统 电气驱动是目前机器人采用最多的一种驱动形式。早期多采用步进电动机驱动,后来发展了直流伺服电动机,现在交流伺服电动机的应用得到了迅速发展。第二节工业机器人的机械与驱动系统3.气压式驱动系统

气压式驱动系统的基本原理与液压式的相同,但传递介质是气体。第三节工业机器人控制技术工业机器人的主要任务就是精确和可重复地将末端执行器从一个方位移到另一个方位，与传统机械系统的控制大致相同，但机器人的负载、惯量、重心都随时间发生变化，不仅要考虑运动学关系还要考虑动力学因素，且它是一个多变耦合的控制系统，这样机器人的控制系统有其特殊性和复杂性。一、概述1.机器人控制系统的分类 （1）按控制运动的方式分--关节运动控制

--圆柱坐标空间控制

--直角坐标空间控制（2）按轨迹控制方式分 --点位控制

--连续轨迹控制（3）按速度控制方式分 --速度控制

--加速度控制 --力控制（4）按发展阶段分 --程序控制系统 --适应性控制系统 --人工智能控制系统第三节工业机器人控制技术

2.机器人控制的主要变量

·方位变量X(t)--表示某一时刻末端执行器在空间的实时方位；·关节变量

i(t)--表示关节的实时转角；·力矩变量C(t)—表示使关节产生转角的力矩；·电机力矩变量T(t)—表示提供的驱动力矩；·电压变量V(t)—表示使电机产生力矩所需的电压。因此，控制实质就是：

V(t)←→T(t)←→C(t)←→

i(t)←→X(t)通过对这些变量的控制，修正机器人的末端执行器的状态，使其能够抓取物料A。第三节工业机器人控制技术3.机器人控制系统的组成

机器人控制系统是一种分级的控制系统，它由作业控制器、运动控制器和驱动控制器三级组成。--作业控制器：根据机器人的作业任务，依次发出相应的作业命令。同时，对制造系统来的外部信息进行处理。--运动控制器：对于连续轨迹控制，接受作业控制器来的作业命令，将其转化为各运动关系的动作指令，再送给驱动控制器。在点位控制中，作业控制器的信号直接送给驱动系统。--驱动控制器：在机器人的执行机构中，每一个运动关节都由驱动控制器控制。第三节工业机器人控制技术二、机器人的位置、姿态和路径问题

1.机器人的位置、方位和姿态的描述方法

机器人是一个空间机构，可以采用空间坐标变换原理以及坐标变换的矩阵解析方法来建立描述各构件之间相对位置和姿态的矩阵方程。(1)位置描述在描述机器人各构件及物料之间的关系时，首先建立各种坐标系，用位置矢量描述空间某一点的位置。对于直角坐标系｛A｝，空间任意点P的位置表示为：

P=(xp,yp,zp)T第三节工业机器人控制技术（2）方位描述即确定机器人构件的方位。首先建立一个以该构件为基础的直角坐标系｛B｝，用坐标系｛B｝的三个单位主矢量相对于参考坐标系｛A｝的方向余弦组成的3×3矩阵来表示构件B相对于坐标系｛A｝的方位。第三节工业机器人控制技术（3）坐标系用以描述各个构件在空间的位置和方位。1）绝对坐标系：是参照工作现场基面的坐标系，也是机器人所有构件的公共参考坐标系；2）机座坐标系：是参照机器人机座的坐标系，也是机器人所有活动构件的公共参考坐标系；3）构件坐标系：是参照机器人指定构件的坐标系，也是在每个活动构件上固定的坐标系，随构件运动而运动。（4）位姿描述机器人构件的位姿是指在该构件的特征点上（重心或几何中心）建立坐标系｛B｝，在｛B｝坐标系中描述的该构件方位就是位姿。第三节工业机器人控制技术

2.机器人的运动描述

机器人的执行机构是一系列杆件由关节组合起来的，用矩阵A描述两杆件之间的位姿，而用矩阵T描述某一杆件与机座的位姿。可以得到方程（机器人的运动方程）：T1=A1T2=A1A2T3=A1A2A3………T6=A1A2A3A4A5A6

3.机器人的路径规划

机器人在工作范围内完成某一任务，末端执行器必须按一定的轨迹运动。末端执行器的运动轨迹的形成方法：首先给定轨迹上的若干点，将这些点通过运动学反解映射到关节空间中，对关节空间中的这些相应点建立路径的数学方程，然后按数学方程对各关节进行插补运算，从而得到运动轨迹，上述整个过程就是机器人的路径规划。在路径规划时要考虑下面几个问题：

1）建立末端执行器的起始位姿和目标位姿；

2）区分末端执行器的运动方式（点到点运动、连续路径运动、轮廓运动）；

3）在机器人所有运动构件的路径上是否有障碍物；

4）根据运动要求，选择插补运算方式。第三节工业机器人控制技术三、机器人的控制技术

1.机器人示教再现控制

通过示教盒或手把手将动作顺序、速度、位置等信息预先教给机器人。第三节工业机器人控制技术2.机器人的运动控制机器人末端执行器从一点到另一点的过程中,对其位置、速度和加速度的控制。3.机器人的自适应控制机器人依据从周围环境所获得的信息来修正对其自身的控制。4.机器人的智能控制无需人的干预就能够独立地驱动智能机器人实现其目标的自动控制方式。机器人控制第四节工业机器人的应用实例一、切削加工机器人切削加工机器人是用于自由曲面打磨和抛光的加工设备，