工业自动化控制第6章工业机器人

1第六章工业机器人2国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：（1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。一、工业机器人的定义第一节概述3（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(endeffector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。4（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。（4）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。5（5）我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。6机器人的四大特征仿生特征：模仿人的肢体动作自动特征：自动完成作业任务柔性特征：对作业具有广泛适应性智能特征：具有对外界的感知能力7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。8工业机器人以刚性高的机械手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬更重的东西，而且定位精度相当高。它可以很据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，是典型的机电一体化的产品。工业机器人在实现智能化、多功能化、柔性自动化生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。一、工业机器人的定义9二、工业机器人的组成执行机构控制系统驱动系统（液压缸、电机等）检测系统工业机器人10各组成部分关系控制系统驱动系统执行机构操作对象检测系统1112二、工业机器人的组成1.执行机构：一种具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括：机座、手臂、手腕和末端执行器；13二、工业机器人的组成(1)机座机座是工业机器人的基础部件，承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式两类。(2)手臂手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的空间位置。(3)手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。14二、工业机器人的组成(4)末端执行器（或称手部）是机器人直接执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。夹持器可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。15二、工业机器人的组成2、控制系统是机器人的大脑，支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度等)，同时按其控制系统的信息控制执行机构按规定要求动作。16二、工业机器人的组成采用计算机控制的工业机器人，控制系统分成决策级、策略级和执行级三级。决策级的功能是识别环境、建立模型、将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。17二、工业机器人的组成3.驱动系统驱动系统是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。常用的有电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。有些机器人采用这些驱动方式的组合,如电—液混合驱动和气—液混合驱动等驱动方式。18二、工业机器人的组成4、位置检测系统主要检测工业机器人执行系统的运动位置、状态，并随时将执行系统的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使执行系统以一定放入精度达到设定位置状态。常用力、位置、触觉、视觉等传感器19工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：(1)自由度。工业机器人的运动自由度是指各关节在三维空间对于固定坐标系具有的独立运动。各关节自由度的总和就是工业机器人的自由度数。三、工业机器人的性能特征202122自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广。每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，相应地带来的技术困难也越大。一般情况下，通用工业机器人有3～6个自由度。23(2)工作空间。工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间主要取决于臂部的自由度和每个关节的运动范围。腕部的自由度主要用来调整手部在空间的方位。手指的开闭动作，仅用于夹放工件或工夹具，它不改变工件或工夹具的空间位置和方位，所一般不计入机器人的自由度数。24直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间，圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体，而球坐标机器人的工作空间是一个球体。25(3)提取重力。提取的重力是反映机器人负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，可将机器人分为：①微型机器人，提取重力在10N以下；②小型机器人，提取重力为10～50N；③中型机器人，提取重力为50～300N；④大型机器人，提取重力为300～500N；⑤重型机器人，提取重力在500N以上。目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。26(4)运动速度。运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下。27(5)位置精度。位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。28四、工业机器人的分类工业机器人的分类方法：√按坐标形式、√按控制方式√按信息输入方式按系统功能按驱动方式按用途291.按坐标形式分（1）直角坐标机器人机器人的末端执行器（或手部）在空间位置的改变是通过三个互相垂直的轴线移动来实现的。特点：位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但结构庞大，动作范围小，灵活性差。坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。3031（2）圆柱坐标机器人机器人是通过两个移动（升降运动及手臂伸缩运动）和一个转动（腰转）来实现末端执行器空间位置的改变。腰部转运动及升降运动通常由机身来实现。特点：位置精度高、控制简单、避障性好，但结构较庞大32（3）极坐标机器人机器人手臂的运动由一个直线运动和两个转动组成，即手臂的伸缩运动和绕垂直轴线的回转运动（回转运动）、绕水平轴线的回转运动（俯仰运动）。通常把回转及俯仰运动归属于机身。特点：占地面积小、结构紧凑、位置精度尚可，但避障性差、有平衡问题33（4）关节坐标机器人关节坐标机器人主要由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕Z轴做旋转运动，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，大臂和小臂做俯仰运动。特点：工作范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合较复杂342.按控制方式分（1）点位控制(PointtoPoint)机器人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。特点：控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。35（2）连续轨迹控制（ContinuousPath）机器人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。363.按信息输入方式分（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。37特点：结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。（4）程序控制机器人具有独立的控制系统，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。特点：结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。38（5）示教再现机器人这类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。39五、工业机器人的应用领域弧焊机器人激光焊机器人电阻焊机器人自动化焊接机器人点焊机器人等离子切割机器人40清洁机器人上料机器人物料输送机器人材料去除机器人包装机器人喷漆机器人41部件移动机器人装配机器人打保险机器人自动钻孔机器人设备维护机器人包装机器人42堆跺机器人涂层机器人去毛刺机器人磨销机器人高温喷涂机器人43六杆并联机床44六、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。45（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。46第二节机械与驱动系统工业机器人的机械系统又称机械操作臂，它主要由末端执行器、手腕、手臂机座组成；471.末端执行器末端执行器则是直接执行作业任务的装置；末端执行器的结构和尺寸是依据其不同作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。末端执行器安装在执行机构的手腕或手臂的机械接口上。根据用途可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器专用工具三类。48（1）机械式夹持器机械式夹持器组成：手爪、传动机构、驱动装置等。通过手爪的开、合动作实现对物料的夹持。夹持圆柱形物料的机械式夹持器1-手爪2-传动机构3-驱动装置4-支架5-物料491）手爪手爪是直接与物料接触的部件，夹持器松开和夹紧物料是通过手爪的张开和闭合来实现的。机械式夹持器的结构形式取决于被夹持物料的形状和特性。2）传动机构传动机构是向手爪传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。传动机构按其运动方式分为回转型和移动型，回转型又分为单支点回转型和双支点回转型。3）驱动装置驱动装置是向传动机构提供动力的装置，它一般有液压、气动、机械等驱动方式。505152（2）吸附式末端执行器吸附式手部又分为气吸式和磁吸式：气吸式手部利用真空吸力及负压吸力吸持工件，它适用于抓取薄片、易碎工件，通常吸盘由橡胶或塑料制成；磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性物质的小五金工件。53抓取物料时，碟形橡胶吸盘与物料表面接触，橡胶吸盘起到密封和缓冲两个作用，真空泵进行真空抽气，在吸盘内前形成负压，实现物料的抓取。放料时，吸盘内通入大气，失去真空后，物料放下。气吸式54（3）多指灵巧手552.手腕手腕是连接末端执行器和手臂的部件，作用：是调整或改变末端执行器方位，组成：三个独立的回转关节。绕小臂轴线X旋转的臂转相对于小臂摆动的腕摆绕自身轴线旋转的手转56设计机器人的手腕结构的时候要注意：可以由手臂完成的动作，尽量不设置手腕；手腕结构尽可能简化，对不需要三个自由度的手腕，可采用两个或一个回转关节；手腕处的结构要求紧凑，重量轻，驱动装置多用分离式573.手臂手臂：是支持末端执行器和手腕的部件，是机械操作臂中的重要部件。组成：大臂和小臂