工业机器人介绍和应用

工业机器人基础知识科普式交流2016年8月21日12345678•工业机器人意义与定义•工业机器人分类•工业机器人组成和性能参数•工业机器人的结构•工业机器人控制技术•工业机器人传感系统•工业机器人的应用•工业机器人发展方向1910年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。1、工业机器人意义与定义阿西莫夫“机器人三定律”第一法则:机器人不得伤害人类，或坐视人类受到伤害；第二法则:除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令；第三法则在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护自己。1、工业机器人意义与定义1、工业机器人意义与定义为什么要用机器人？有些工作对人体有伤害，如喷漆，重物搬运；有些产品要求极高的质量，如焊接、精密装配；有些工作人难以参与，如核燃料加注、高温熔炉；有些工作枯燥乏味，如流水生产线。。。提高效率降低成本1、工业机器人意义与定义什么是工业机器人？如何定义？“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”——国际标准化组织，19871、工业机器人意义与定义三大特征：（1）拟人功能：机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工具。因此，数控机床和汽车不是机器人；（2）可编程性：机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随工作环境变化的需要而再编程。一般的电动玩具没有感觉和识别能力，不能再编程，因此不能称为机器人；（3）通用性：一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性。比如，通过更换机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的任务。什么是工业机器人？12345678•工业机器人意义与定义•工业机器人分类•工业机器人组成和性能参数•工业机器人的结构•工业机器人控制技术•工业机器人传感系统•工业机器人的应用•工业机器人发展方向分类名称操作型机器人程控型机器人示教再现型机器人数控型机器人感觉控制型机器人适应控制型机器人学习控制型机器人智能机器人简要解释能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。利用传感器获取的信息控制机器人的动作。机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。以人工智能决定其行动的机器人。2、工业机器人的分类柱坐标系机器人zRr1、手臂可伸缩（沿r方向）；2、滑动架（托板）可沿柱上下移动（z轴方向）；3、水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕z轴）。一般旋转不允许旋转360°，因为有液压，电气或气动联结机构或连线造成的约束。2、工业机器人的分类根据机械结构（坐标形式）分类2.1串联机器人•柱坐标机器人•球坐标机器人•关节机器人•笛卡尔坐标机器人2.2并联机器人1.2.3.其臂可升出缩回（r），类似于可伸缩的望远镜套筒；在垂直面内绕轴回转（φ）；在基座水平面内转动（θ）。2、工业机器人的分类•柱坐标机器人•球坐标机器人•关节机器人•笛卡尔坐标机器人球坐标系机器人A纯球状机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂转动角度α；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可绕此肩关节进行角度φ；而基座可自由转动，因而整个组合件可在与基座平行的平面内移动角度θ，具有这类结构的机器人的工作包络范围大体上是球状的。优点：机械臂可以方便灵活的到达机器人基座附近的地方，并越过其工作范围内的人和障碍物。2、工业机器人的分类•柱坐标机器人•球坐标机器人•关节机器人•笛卡尔坐标机器人•B平行四边形球状用多重闭合的平行四边形的连杆机构代替单一的刚性构件的上臂。优点：•允许关节驱动器位置靠近机器人的基座或装在机器人的基座上，这就意味着它们不是装在前臂或上臂之内或之上，从而使臂的惯性机重量大为减少，结果是采用同样大小的执行器时它们所具有的承载能力就比球体关节的机器人要大；•机械刚度比其它大多数机械手大。缺点：工作范围受到的限制较大。2、工业机器人的分类2、工业机器人的分类运动学链系代替纯圆柱状机器人中的单一轴部件。这种机器人有精密且快速的优点，但一般垂直作用范围有限（Z方向），通常Z轴运动用一简单的气缸或步进电机控制，而其它轴则采用较精巧的电气执行器（如伺服电机）。zr1r2r3腕的横滚2、工业机器人的分类•C圆柱状圆柱状关节机器人也称为SCARA机器人，这种结构用多重铰接开放2、工业机器人的分类2、工业机器人的分类A悬臂笛卡尔式•从支撑架伸出的长度有限，刚性差，但其工作空间所受约束较其它机器人所受的约束少，故重复性和精度高；•其坐标更近乎自然状态，故编程容易；•但有些运动形式，由于需要大量计算，此结构可能较难完成，如方向与任何轴都不平行的直线轨迹。xz腕的俯仰腕的偏摆腕的偏摆腕的横滚腕的横滚2、工业机器人的分类•柱坐标机器人•球坐标机器人•关节机器人•笛卡尔坐标机器人y2、工业机器人的分类B门形笛卡尔式（桁架机器人）一般在需要精确移动以及负载较大的时候使用，这类机器人常常安在顶板（天花板）上。2、工业机器人的分类2、工业机器人的分类并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机器人。优点：•无累积误差，精度高；•驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；•结构紧凑，刚度高，承载能力大；•完全对称的并联机构具有较好的各向同性。缺点：•工作空间较小。2、工业机器人的分类2.2并联机器人6自由度并联机构3/4自由度并联机构2自由度并联机构2、工业机器人的分类2.2并联机器人从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构。按并联机构的自由度数分类：2自由度并联机构3自由度并联机构并联机器人上下料并联机器人分拣并联机器人装配6自由度并联机构12345678•工业机器人意义与定义•工业机器人分类•工业机器人组成和性能参数•工业机器人的结构•工业机器人控制技术•工业机器人传感系统•工业机器人的应用•工业机器人发展方向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3、工业机器人的组成和性能参数3.1工业机器人的组成控制系统驱动系统执行机构操作对象各组成部分关系检测系统执行机构也称操作机，使机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部（立柱）和基座等。手部：又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，其作用是直接抓取和放置物件。可以是各种手持器。腕部：是连接手部和臂部的部件。其作用是调整或改变手部的姿态，是操作机中结构最复杂的部分。臂部：又称手臂，用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（大臂和小臂）组成，用以带动腕部运动。腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，与臂部运动结合，把腕部传递到需到的工作位置。基座（行走机构）：基座是机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，该部件必须具有足够的刚度、强度和稳定性。3、工业机器人的组成和性能参数3.1工业机器人的组成A执行机构包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成机器人本体。传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝杆、链、带以及各种齿轮系。驱动器通常有：•电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。•液压驱动；•气动驱动。3、工业机器人的组成和性能参数3.1工业机器人的组成B驱动系统通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作。一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算机发出指令，协调各关节驱动之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现，以及和其他环境状态（传感器信息）、工艺要求，外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作。伺服控制各个关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度、和位置要求进行运动。C控制系统3、工业机器人的组成和性能参数3.1工业机器人的组成检测系统的作用就是通过各种检测器、传感器、检测执行机构的运动状况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进行比较后对执行机构进行调整以保证其动作符合设计要求。3、工业机器人的组成和性能参数3.1工业机器人的组成D检测系统性能参数工作空间精度/重复定位精度最大工作速度其它动态特性3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数自由度数负载能力端操作器）的开合自由度。C23123145要定位的旋转钻头要定位的球体(b)(a)冗余度机器人：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，亦可简称冗余度机器人。3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数A自由度自由度英文名称为Degreeoffreedom，缩写为DOF。机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末3、工业机器人的组成和性能参数例如：ABB1410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度机器人。利用冗余的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。3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数定位精度是指机器人手部实际到达位机器人重复定位其手部至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，置与目标位置之间的差异。A重复定位精度是指hhBhBOOB(b)(c)(d)（a）重复定位精度的测定；（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、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数B定位精度/重复定位精度3、工业机器人的组成和性能参数3、工业机器人的组成和性能参数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，也叫做工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区而不能完成任务。3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数C工作范围有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的合成速度，通常都在技术参数中加以说明。工作速度愈高，工作效率愈高。工作速度愈高就要花费更多的时间去升速或降速，或者对工业机器人的最大加速度率或最大减速度率的要求更高。3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数D最大工作速度承载能力是指机器人在工作范围内的任何位置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，承载能力包含了机器人末端操作器的质量。3、工业机器人的组成和性能参数3.2工业机器人的性能参数E最大承载能力（负载）根据承载能力的不同，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。3、工业机器人的组成和性能参数12345678•工业机器人意义与定义•工业机器人分类•工业机器人组成和性能参数•工业机器人的结构•工业机器人控制技术•工业机器人传感系统•工业机器人的应用•工业机器人发展方向4、工业机器人的结构工业机器人的机械部分主要由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。末端执行器手腕手臂机座机械部分工业机器人末端执行器是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或夹持专用工具（如喷枪、扳手、焊接工具）进行操作的部件，它具有模仿