《工业机器人》教学课件-第1章

1、第1章 绪 论,1.1工业机器人的基本概念 1.2 工业机器人的分类与组成 1.3 工业机器人的主要技术参数,1.1工业机器人的基本概念,一、工业机器人的由来 二、工业机器人的定义 三、工业机器人的发展 四、工业机器人的特点 五、工业机器人的应用,1、 东汉、张衡发明的指南车 2、 1768-1774，瑞士钟表匠德罗斯制作的木偶机器人 3、 1920捷克剧作家卡佩克首次提出Robota一词 4、 1950美国科幻作家阿西莫夫,提出机器人三定律 5、 1954美国人乔治德沃尔设计了第一台关节式示教再现型作业机械手，于1961年发表了该项专利 6、 1962美国通用汽车公司（GM）公司使用全球第一

2、台机器人Unimate，这标志着第一代工业机器人的诞生,一、机器人的由来,美国机器人协会（RIA）定义 日本机器人协会（JIRA）定义 国际标准化组织（ISO）定义 中国机器人定义,二、 机器人的定义,根据上述的各种定义，我们可以把具有下述性质的机械看作是机器人： 代替人进行工作，能像人那样使用工具和机械。因此，数控机床和汽车不是机器人。 具有通用性。 机器人即可以简单地变换所进行的作业，又能按照工作情况的变化相应地进行工作，一般的玩具机器人不具有通用性，不属于机器人。 直接对外界工作。 机器人要完成一定的工作，对外界产生作用。,三、 工业机器人的发展过程,工业机器人的发展过程可分为三个阶段：

3、 第一代机器人 -示教再现机器人 第二代机器人 -带感觉的机器人 第三代机器人 -智能机器人,四、 工业机器人特点,机器人的主要特点-通用性和适应性 通用性-可执行不同功能和完成不同任务的能力。 通用性也就意味着，机器人是可变的几何结构，或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。 通用性不是由自由度单独决定的，但是一般自由度越多，通用性越强 适应性-主要指其对工作环境变化的适应能力，即机器人能够自主执行事先未经规划的中间任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。 需具有（1）传感器预测环境变化的能力 （2）分析任务空间和执行操作规划的能力 （3）自动执

4、行指令能力,五、工业机器人的应用,录像,1.2 工业机器人的分类与组成,一、 工业机器人的分类 二、 工业机器人的组成,一、 工业机器人的分类,工业机器人大体可按其坐标形式、驱动方法、运动控制方式和应用范围进行分类。,1、按坐标形式分类,坐标形式是指操作机手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。,1）直角坐标式(代号PPP),2） 圆柱坐标式(代号RPP),3） 球坐标式(代号RRP),4） 关节坐标式(代号RRR),2按驱动方法分,工业机器人的驱动方法可分为电力、液压和气压驱动三种,1）电力驱动,2）液压驱动,3）气压驱动,3. 按运动控制方式分,（1）点位控制(PTP，Point to Ppi

5、nt) （2）连续轨迹控制(CP，continuous Path),4按使用范围分,（1） 可编程序的通用机器人 其工作程序可按不同工作对象改变，通用性强，适用于多品种，中小批量的生产系统中。 （2） 固定程序专用机器人 一般根据工作要求设计成固定程序，多为液动或气动驱动，电动较少，结构简单。,二、 工业机器人的组成,工业机器人由三大部分六个子系统组成。,控制部分,传感检测部分,机械部分,六个子系统是驱动系统、 机械结构系统、感受系统、机器人环境交互系统、人机交互系统和控制系统, 如图所示。,驱动系统 要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置, 这就是驱动系统。 驱动系统

6、可以是液压传动、 气动传动、电动传动, 或者把它们结合起来应用的综合系统; 可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。,机械结构系统,工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端执行器三大部分组成, 如图所示。每一部分都有若干自由度, 构成一个多自由度的机械系统。 若基座具备行走机构, 则构成行走机器人; 若基座不具备行走及腰转机构, 则构成单机器人臂。 手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部件, 它可以是二手指或多手指的手爪, 也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。,感受系统 感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成, 用以获

7、取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的, 然而,对于一些特殊的信息, 传感器比人类的感受系统更有效。,机器人-环境交互系统 机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元, 如加工制造单元、 焊接单元、装配单元等。当然, 也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。,人机交互系统 人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置， 例如, 计算机的标准终端, 指令控制

8、台, 信息显示板, 危险信号报警器等。 该系统归纳起来分为两大类: 指令给定装置和信息显示装置。,控制系统 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征, 则为开环控制系统;若具备信息反馈特征, 则为闭环控制系统。根据控制原理,控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式,控制系统可分为点位控制和轨迹控制。 ,1. 自由度,2. 精度,3. 工作范围,4. 速度,5. 承载能力,工业机器人的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。,1.3 工业

9、机器人的技术参数,1. 自由度(Degrees of Freedom) 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(末端操作器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态(简称位姿)需要六个自由度。 但是, 工业机器人的自由度是根据其用途而设计的, 可能小于六个自由度, 也可能大于六个自由度。例如, A4020装配机器人具有四个自由度, 可以在印刷电路板上接插电子器件; PUMA 562 机器人具有六个自由度, 如图1.17所示,可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。 从运动学的观点看, 在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人, 就叫做冗余自由度机器人。例如, PUMA

10、562机器人去执行印刷电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余自由度机器人。利用冗余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)共有七个自由度, 所以工作起来很灵巧,手部可回避障碍而从不同方向到达同一个目的点。,图 1.17 PUMA 562工业机器人,2. 精度(Accuracy) 工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。 定位精度是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于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), 如图1.18所示。,图 1.18 工

11、业机器人定位精度和重复定位精度的典型情况 (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,3. 工作范围(Work Space) 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合, 也叫工作区域。因为末端操作器的尺寸和形状是多种多样的, 为了真实反映机器人的特征参数, 所以, 这里是指不安装末端操作器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的, 机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区(Dead Zone)而不能完成任务。图1.19 和图1.20所示分别为

12、PUMA机器人和A4020机器人的工作范围。,图 1.19 PUMA机器人工作范围,图 1.20 A4020型SCARA机器人工作范围,4. 速度(Speed) 机器人运动速度是其主要参数之一，它反映了机器人的作业水平，运动速度的快慢与它的驱动方式、定位方式、抓取质量大小和行程距离有关，作业机器人手部的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性和定位精度等要求来决定。 目前，工业机器人的最大直线运行速度大部分为1000mm/s左右。最大回转速度为120度/秒左右。 作为机器人规格参数的运动速度是指全程的平均速度，实际使用速度可在一定范围内调节。,5. 承载能力(Payload) 承载能力是指机器

13、人在工作范围内的任何位姿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。为了安全起见, 承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。 通常, 承载能力不仅指负载, 而且还包括了机器人末端操作器的质量。工业机器人的额定负载是指在规定范围内手腕机械接口处所能承受的最大负载允许值,机器人有效负载的大小除受到驱动器功率的限制外, 还受到杆件材料极限应力的限制, 因而, 它又和环境条件(如地心引力)、运动参数(如运动速度、 加速度以及它们的方向)有关。 如加拿大手臂, 它的额定可搬运质量为14 500 kg, 在运动速度较低时能达到29 500

14、kg。然而，这种负荷能力只是在太空中失重条件下才有可能达到， 在地球上,该手臂本身的重量达410 kg, 它连自重引起的臂杆变形都无法承受, 更谈不上搬运质量了。,机器人学三定律： 1）机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸； 2）机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一定律相矛盾； 3）机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第一或第二定律相矛盾。,美国机器协会（RIA）： 机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。,日本工业机器人协会： 工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代

15、替人类劳动的通用机器。,国际标准化组织（ISO）： 机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。,中国： 机器人是一种拟人功能的机械电子装置。,直角坐标式,如图所示，机器人是通过沿X-Y-Z三个互相垂直的直角坐标的移动来实现末端执行器(手部)空间位置的改变，即沿x轴的纵向移动沿y轴的横向移动和沿z轴的升降。,圆柱坐标式,如图所示，机器人通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变。,球坐标式,如图所示，又称极坐标式。机器人手臀运动由1个直线运动和2个转动所组成，即沿x轴方向的仲

16、缩绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。,关节坐标式,关节机器人的关节全都是旋转的, 类似于人的手臂, 是工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂 ，如图所示。机器人由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，支柱绕z轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节可使大臂作回转和俯仰，小臂作俯仰；,电力驱动,这种驱动是目前在工业机器人中用的最多的一种。早期多采用步进电动机(SM)驱动，后来发展了直流伺服电动机(DC)，现在交流伺服电动机(AC)驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动有的通过谐波减速器装置来减速，结构简单紧凑。,液压驱动,液压传动机器人有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤力，液压力可达7MPa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现场工作，需配备一套液压系统。,气压驱动,气压传动机器人