《工业机器人基础知识》

第二章工业机器人基础知识工作空间工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5m左右。•MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。•图2-6图2-7为此种机器人的工作范围。2.2.3额定速度额定速度机器人在保持运动平稳性和位置精度的前提下所能达到的最大速度合成速度其某一关节运动的速度称为单轴速度，由各轴速度分量合成的速度额定负载机器人在额定速度和规定性能范围内，末端执行器所能承受负载的允许值极限负载在限制作业条件下，为了保证机械结构不损坏，末端执行器所能承受负载的最大值对于结构固定的机器人，其最大行程为定值，因此额定速度越高，运动循环时间越短，工作效率也越高。而机器人每个关节的运动过程一般包括启动加速、匀速运动和减速制动三个阶段。如果机器人负载过大，则会产生较大的加速度，造成启动、制动阶段时间增长，从而影响机器人的工作效率。对此，就要根据实际工作周期来平衡机器人的额定速度。2.2.3承载能力D加速度的方向A负载的质量B速度大小和方向C加速度的大小承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量，通常可以用质量、力矩或惯性矩来表示。•承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。•一般低速运行时，承载能力强。为安全考虑，将承载能力这个指标确定为高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载质量，还包括机器人末端操作器的质量。分辨率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。分辨率可分为编程分辨率与控制分辨率。是指程序中可以设定的最小距离单位，又称为基准分辨率。例如：当电机旋转0.1度，机器人腕点（手尖端点）移动的直线距离为0.01mm时，其基准分辨率为0.01mm。1、编程分辨率是指位置反馈回路能检测到的最小位移量。当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能达到最高。2、控制分辨率2.2.5工业机器人的精度指机器人末端操作器的实际位置与目标位置之间的偏差，由机械误差、控制算法误差与系统分辨率等部分组成。定位精度指在相同环境、相同条件、相同目标动作、相同命令的条件下，机器人连续重复运动若干次时，其位置会在一个平均值附近变化，变化的幅度代表重复定位置精度，是关于精度的一个统计数据。因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，所以通常用重复定位精度这个指标作为衡量示教再现型工业机器人水平的重要指标。重复定位精度机器人的精度主要体现在定位精度和重复定位精度两个方面。•如图2-8所示，为重复定位精度的几种典型情况：图a为重复定位精度的测定；图b为合理的定位精度，良好的重复定位精度；图c为良好的定位精度，很差的重复定位精度；图d为很差的定位精度，良好的重复定位精度。此图涉及到随机概率分布函数的问题，不宜在中职和高职阶段过多介绍可以用扔飞镖的例子来说明：这叫定位精度差，但重复定位精度好。这叫定位精度好，但重复定位精度差。MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人各项技术参数2.1工业机器人的基本组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。操作机控制器示教器2.1.1操作机（机器人本体）操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。关节型机器人操作机基本构造伺服电机减速器腕关节小臂肘关节手腕大臂连接法兰皮带传动腰部肩关节腰关节基座▲机器人操作机的每个关节均采用1个交流伺服马达驱动机器人的六个轴：J1：腰部电机J2：肩部电机J3：肘部俯仰电机J4：肘部回转电机J5：碗部俯仰电机J6：碗部回转电机2.1.2控制器（控制柜）工业机器人控制器是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号，支配操作机完成规定运动和功能的装置。它是机器人的关键和核心部分。基本功能：示教、记忆、位置伺服、坐标设定等。开发程度：封闭型、开放型和混合型。目前基本上都是封闭型系统（如日系）或者混合型系统（如欧系）控制方式：集中式控制和分布式控制2.1.3示教器亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。串口通信模块①示教器S6S0S6S5S1S3S4主控制模块运动控制模块驱动模块③操作机示教器的数据流关系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，是设计、应用机器人必须考虑的问题。机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、工作载荷等。2.2工业机器人的主要技术参数2.2.1自由度1.机器人自由度定义•机器人的自由度是指当确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目，不包括手部开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，但自由度数目越多，机器人结构就越复杂，控制就越困难，所以目前机器人常用的自由度数目一般不超过7个。•自由度是机器人的一个重要技术指标，可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。2．机器人自由度的选择（1）一般自由度的选择机器人的自由度是根据机器人的用途来设计的，人们希望机器人能以准确的方位把它的末端执行部件或与它连接的工具移动到指定点。如果机器人的用途是未知的，那么它应当具有6个自由度；机器人自由度数目越多，动作越灵活，通用性越强，但是结构则更复杂，刚性也差；如果工具本身具有某种特别结构，那么就可能不需要6个自由度。（2）冗余自由度机器人的自由度多于为完成任务所必需的自由度时，多余的自由度称为冗余自由度。设置冗余自由度，主要是使机器人具有一定的避障能力。从理论上讲，具有6个自由度的机器人在其工作空间内可达到任意位置和姿态，但由于奇异位形存在，一些关节运动到相应位置时，会使机器人自由度退化，失去一个或几个自由度；再加上在工作空间可能存在的障碍，机器人就无法满足工作要求。具有冗余自由度的机器人就有能够克服奇异位形，避开障碍、克服关节运动限制和改善动态特性的功能，它能充分提高机器人的工作能力，在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性。如图2-5所示，为手臂型七自由度关节式机器人。2.2.2工作空间工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5m左右。•MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。•图2-6图2-7为此种机器人的工作范围。2.3坐标系机器人是由运动轴和连杆组成的，而其运动方式是在不同的坐标系下进行的，为了掌握机器人的示教方法，应首先了解机器人的坐标系及各运动轴在不同坐标系的运动。主要有：关节坐标系绝对坐标系(直角坐标系)圆柱坐标系工具坐标系用户坐标系2.3.1简介关节坐标系机器人每个轴均可以独立地正向或反向转动，关节坐标系是机器人各关节上固定的坐标系，用于确定机器人的关节角。基坐标系基坐标系是一个固定定义的直角坐标系，位于位于机器人基座。它是最便于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。世界坐标系世界坐标系是固定定义的直角坐标系，默认世界坐标系与基坐标系重合。世界坐标系可定义机器人单元，所有其他的坐标系均与世界坐标系直接或间接相关。它适用于微动控制、一般移动以及处理具有若干机器人或外轴移动机器人的工作站和工作单元。工具坐标系工具坐标系是一个直角坐标系，位于工具上。它是与机器人工具固连的笛卡尔坐标系，随机器人的运动而改变。通常是最适于对机器人进行编程的坐标系。用户坐标系用户坐标系是一个直角坐标系，用来说明工件的位置。2.3.2分类介绍1.关节坐标系机器人由多个运动关节组成，机械手的每一个轴都可以进行独立的操作，各个关节都可以独立运动，如图4-14所示。对运动范围大且不要求机器人末端姿态的情况，建议选用关节坐标系。在关节坐标系下，每个轴可单独运动，通过示教器上相应的键控制机器人的各个轴示教，其运动方式见表4-1。图4-14关节坐标系下各个轴的运动轴运动方式主运动轴轴1轴1本体回转轴2轴2下臂前后摆动轴3轴3上臂上下摆动腕运动轴轴4轴4上臂回转轴5轴5手腕上下摆动轴6轴6手腕回转表4-1关节坐标系下机器人的运动方式2.绝对坐标系如图4-15所示，绝对坐标系的原点定义为机器人的安装面和第一转动轴的交点。X轴向前，z轴向上，y轴按右手规则定义。在绝对坐标系下，机器人末端轨迹沿定义的X、Y、Z方向运动，其运动方式见表4-2。图4-15工业机器人绝对坐标系轴运动方式主运动轴轴1沿X轴方向运动轴2沿Y轴方向运动轴3沿Z轴方向运动腕运动轴轴4未端点位置不变，机器人分别绕X、Y、Z轴转动轴5轴6表4-2绝对坐标系下机器人的运动方式3.世界坐标系图4-16所示，世界坐标系默认与基坐标系重合，位于机器人底部，可通过配置软件更改。其运动方式见表4-30。图4-16工业机器人世界坐标系4.工具坐标系图4-17所示，工具坐标系定义在工具尖，并且假定工具的有效方向为Z轴，x轴垂直于工具平面，y轴由右手规则产生，如图4-17所示。标定了工具相对于法兰(指的是末端最后第6轴的法兰凸缘盘的位置和姿态)，如图4-18所示。这里特别注意，姿态一定不能遗漏。在工具坐标系中，机器人末端轨迹沿工具坐标的X、Y、Z轴方向运动，机器人的运动方式见表4-40图4-17工具坐标系及各轴的运动轴运动方式主运动轴六轴联动沿X轴方向运动沿Y轴方向运动沿Z轴方向运动腕运动轴末端点位置不变，机器人分别绕X、Y、Z轴转动表4-4工具坐标系下机器人的运动方式5.用户坐标系用户坐标系是用户根据工作的需要，自行定义的坐标系，用户可根据需要定义多个坐标系，如图4-19所示。用户自定义可以方便的量测工作区间中各点的位置并加以任务安排，且更符合人的直观。在用户坐标系下，机器人末端轨迹沿用户自己定义的坐标轴方向运动，其运动方式见表4-5。图4-19用户坐标系及各轴的运动轴运动方式主运动轴六轴联动沿用户定义的X轴方向运动沿用户定义的Y轴方向运动沿用户定义的Z轴方向运动腕运动轴末端点位置不变，机器人分别绕X、Y、Z轴转动表4-5用户坐标系下机器人的运动方式2.3.3TCP运动轨迹TCP为加上工具后工具的末端点机器人的工作其实就是实现TCP点在空间中完成预定或指定的运动轨迹TCP。（工具控制点）固定功能:除了关节坐标系外，在其他坐标系下都有TCP固定功能，即在工具控制点位置保持不变的情况下，只改变工具的方向(姿态)。在TCP固定功能下各轴的运动方式见下表。轴运动方式主运动轴轴1TCP平移运动方式取决于坐标系轴2轴3腕运动轴轴4末端点位置不变，机器人分别绕X、Y、Z轴运动。轴5轴62.3.4奇异点1、奇异位形及其不良影响也称特殊位形，是机器人机构的一个重要的运动学特性，它是指机械手的工作空间中，手部参考点不能实现沿任意方向的微小位移或转动时相应机械手的位形。当机械手运动到奇异位置时，产生的不良影响主要表现在如下的三个方面：（1）使机械手实际操作自由度减少，从而手部无法实现沿着某些方向的运动，同时减少了独立的内部关节变量数目。（2）某些关节角速度趋向无穷大，引起机械手失控，导致执行器偏离了规定的轨迹。（3）使雅克比矩阵退化，从而所有包括雅克比的求逆控制方案无法实现，因此奇异性是机器人工作空间一个不可忽视的问题。2、奇异点的本质机器人运动其实是电机的转动带动机械运动，关键问题在于如何将电机的转动转换到机器人TCP点的空间运动。从机器人每个轴的角度计算出TCP点的位置坐标是正解，逆解反之。奇异点既机器人在进行逆解过程时出现的矩阵退化导致多解。简单理解就是通过TCP点算不出来关节角