机器人概述

XXXD工业机器人介绍机器人基本结构机器人机械系统末端操作器工业机器人应用程序设计简介机器人控制系统工业机器人按ISO8373，其定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用途、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内，可编程的工业自动化设备。工业机器人最早应用于汽车制造业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。可以代替人从事危险、有毒、低温和高热的恶劣环境中工作。工业机器人与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS），实现生产自动化。分类直角坐标机器人圆柱坐标机器人球坐标机器人关节坐标机器人气动液压电动人工操纵机器人固定程序机器人可编程序机器人重演式示教机器人串联式并联式人机交互系统控制系统驱动系统机械机构系统机器人－环境交互系统感受系统工业机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分分别是机械部分、传感部分和控制部分。控制部分机械部分传感部分对于一些特殊的信息,传感器比人类的感受系统更有效。机器人的系统构成感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成,用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传感器的用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。概念：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。作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力驱动系统可以是液压传动、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。驱动系统机器人-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。机器人－环境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。该系统归纳起来分为两类:指令给定装置和信息显示装置。人机交互系统机器人机械系统工业机器人的机械系统一般是由连杆关节和其他形式的运动副组成。机械系统通常包括机座立柱手臂手腕末端执行器以及腰肩肘等关节。机器人的机械系统机器人的各关节运动副和连杆构件组成了不同的坐标形式。常见的主体结构形式有：直角坐标式、圆柱坐标式、球面坐标式、关节坐标式。机器人的机械关节坐标型平面关节型直角坐标机器人的工作空间示意图直角坐标机器人优点：很容易通过计算机控制实现，容易达到高精度。缺点：妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性不好机器人的机械系统圆柱坐标型(R2P）)优点：计算简单;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;能够伸入型腔式机器内部。缺点：它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。这类操作机在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱上下运动并可在水平方向伸缩。其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。机器人的机械系统球坐标型(2RP)特点：中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。机器人的机械系统关节坐标型/拟人型(3R)关节机器人的关节全都是旋转的,类似于人的手臂,工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。关节型工业机器人机器人的机械系统SCARA机器人SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm，中文译名：选择顺应性装配机器手臂）是一种圆柱坐标型的特殊类型的工业机器人。SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ1和φ2，及移动关节的位移z决定的，即p=f(φ1,φ2,z)，如图所示。这类机器人的结构轻便、响应快，例如Adept1型SCARA机器人运动速度可达10m/s，比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。并联机构（ParallelMechanism，简称PM），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构。2特点（1）无累积误差，精度较高；（2）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；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；（5）工作空间小较小；并联机器人在需要快速响应高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。机器人的机械系统并联机器人机器人机座机器人基座可分为固定式和行走式两种，大部分为固定式。机器人手臂手臂是机器人执行机构中的重要部件，它的作用是将被抓取的工件运送到给定的位置上。关节坐标型平面关节型机器人的机械系统手腕机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件，作用是调节或改变工件的方位，具有独立的自由度。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。机器人的机械系统并不是所有的手腕都必须具备三个自由度，而是根据实际使用的工作性能要求来确定。分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕按照驱动方式可以分为直接驱动手腕：驱动源直接装在手腕上。驱动性能好的驱动电机或液压马达。远距离传动手腕：有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量。机器人的机械系统机器人的机械系统柔性手腕精密装配作业中，当被装配零件之间的配合精度相当高，由于被装配零件的不一致性，工件的定位夹具机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时，会导致装配困难，因此提出了柔顺性要求。主动柔顺：从检测控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边矫正边装配，有的手爪还配有检测装置。被动柔顺：从结构的角度，在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。末端操作器工业机器人的手部也叫做末端操作器（end-effector）是直接用于抓取和握紧（吸附）工件或夹持专用工具（喷枪、扳手、焊接工具）进行操作的部件，具有模仿人手动作的功能，安装于机器人手臂的前端。执行命令识别功能末端操作器触敏元件热敏元件电位器手指的弯曲角度接触物体外形弯曲信息指节接触信息判断出机械手所抓物体的形状和大小计算机传感器末端操作器分类夹钳式取料手吸附式取料手仿生多指灵巧手专用操作器及转换器末端操作器夹钳式取料手夹钳式取料手与人手相似，是工业机器人广为应用的一种手部形式。它一般由手指（手爪）和驱动机构、传动机构以及连接和支撑元件组成，通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。末端操作器末端操作器吸附式取料手适用于大平面、易碎、微小的物体抓取，结构简单，对薄片状的物体搬运具有优越性，要求物体表面平整光滑，无孔无凹槽。吸附式取料手气吸附式取料手磁吸附式取料手真空吸附气流负压吸附挤压排气式末端操作器P3214（a）（b）（c）末端操作器仿生多指灵巧手钳夹式机械手不能对复杂形状、不同材质的物体进行夹持和操作。为了提高机器人手爪和手腕的操作能力、灵活性和快速反应的能力，使机器人能够像人手那样进行各种复杂的作业，就必须要有一个运动灵活、动作多样的灵巧手。末端操作器每根手指由多个关节串联而成，每根手指有两根钢丝绳牵引，一侧为握紧，一侧为放松。驱动源可采用电磁、气压、液压动力。一端固定，一段为自由端的双管合一的柔性管状手爪，当一侧管中充液体或者气体，另一侧管中抽真空时就会造成手爪的弯曲。末端操作器多指灵巧手——机器人手爪和手腕的最完美形式多指灵巧手有多个手指，每个手指有三个回转关节，每个关节的自由度都是独立控制完成的。几乎人手指能完成的复杂动作都能模仿。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器的多指灵巧手会更加完美。多只灵巧手的应用十分广泛，可在各种极限环境下完成人无法实现的操作。末端操作器专用末端操作器操作器有拧螺母机、焊枪、电磨头、电铣头、激光切割机等形成的一整套系列供用户选用，使机器人能胜任各种工作。末端操作器换接器与末端操作器库末端执行器的换接器末端执行器换接器的设计要求：a.要有足够的联接强度，以承受末端执行器自身的重量及其动静刚度。b.要有可靠的联接保护机构，即是在失电、失气的情况下，换接器也不能脱开，以保证作业的安全。c.要有足够的位置精度，保证在换接器中能够准确的联接与释放，在作业中准确地进行操作。d.换接器要有动力电线、信号线及气路的联接端子与接口，保证换接器易于联接和脱开，各联接端子及接口要保证联接可靠。末端操作器多工位换接装置当作业任务相对较为集中时，需要换接一定量的末端操作器，又不必配备较多的末端操作器库，可以在机器人的手腕上设置一个多工位换接装置。末端操作器其他形式的机械手弹性力抓手摆动式抓手勾托式手部末端操作器工业机器人控制系统特点：更着重本体与操作对象的相互关系。传统的自动机械是以自身动作为重点。与机构运动学和动力学密切相关。机器人是多自由度的，每个自由度一般包含一个伺服系统，他们必须协调起来，构成一个多变量控制系统。描述机器人各关节之间惯性力、哥氏力的耦合作用以及重力负载的影响使状态和运动的数学模型是一个非线性系统而且还因工业机器人问题复杂化，所以使工业机器人控制问题也变得复杂。工业机器人的控制是个多输入一多输出控制系统。机器人控制系统控制方法变结构控制模糊控制神经网络控制自适应控制鲁棒控制机器人控制系统不仅要利用位置闭环，还要利用速度，甚至加速度闭环。系统中还经常采用一些控制策略，比如使用重力补偿、前馈、解耦、基于传感信息的控制和最优PID控制等。工业机器人还有一种特有的控制方式——示教再现控制方式。机器人控制系统通常按照运动控制方式分为位置控制，速度控制，力控制，以及位置-力复合控制。位置控制位置控制的目的就是使机器人的各关节实现预先规划的运动，最终保证机器人的终端沿预定的轨迹运行，主要目标是系统的稳定性和动态品质的性能指标。点位控制这类控制的特点是仅控制离散点上工业机器人手爪或工具的位姿，要求尽快而无超调地实现相邻点之间的运动，但对相邻点之间的运动轨迹一般不做具体规定连续轨迹控制这类运动控制的特点是连续控制工业机器人手爪(或工具)的位姿轨迹。一般要求速度可控、轨迹光滑且运动平稳。轨迹控制的技术指标是轨迹精度和平稳性机器人控制系统位置控制问题就是建立一个合适的控制器，使物体在驱动力f的作用下，即使系统存在随机干扰力，也能使物体始终维持在预期位置上机器人控制系统速度控制在连续轨迹控制方式的情况下，工业机器人按预定的指令，控制运动部件的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。工业机器人工作情况（行程负载）变化大，惯性负载大，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制启动加速和停止前的的减速这两个过度运动区段。机器人控制系统力控制进行装配和抓取物体的作业中，机器人末端操作器与操作对象之间的表面接触，不仅要求有准确定位还要求使用适度的力或力矩进行工作，这就要采用力和力矩控制方式。如果只对其实施位置控制，有可能由于机器人的位姿误差及作业对象放置不准，或者使手爪与作业对象脱离接触，或者使两者相碰撞而引起过大的接触力，其结果，不是机器人手爪在空中晃动，就是造成机器人或作业对象的损伤。机器人控制系统力和力矩控制控制是位置控制的补充力控制的柔顺性问题当机器人在某个接触环境上进行工作时，希望它具有很好的柔顺性，以产生任意需要的作用力。被动柔顺控制：凭借一些辅助的柔性机构。专用性强，适应能力差。控制性差。主动柔顺控制：利用一些力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制力，主要通过两种方式实现，阻抗控制，力——位置混合控制。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通过控制力和位置之间的动态关系实现。由于力是在两物体相互作用后才产生的，因此力控制是首先将环境考虑在内的控制问题。为了对机器人进行力控制，需要分析机器人手爪与环境的约束状态，并根据约束条件制定控制策略。在机器人上安装力传感器，用来检测机器人