工业机器人概述

大家好1工业机器人概述机械工业出版社大家好2工业机器人8.1工业机器人概述1.什么是机器人？工业机器人（见图8-1）“Robot”一词是人类型或动物型的人工机器装置总称。机器人涉及到机械工程、电子学、控制理论、传感器技术、计算机科学、仿生学、人工智能等学科领域，是典型的机电一体化系统。1987年国际标准化组织对工业机器人的定义：工业机器人是一种具有控制的操作和移动功能，并能完成各种作业的可编程操作机。日本工业标准JISB0134-1986则定义为“一种在自动控制下，能够编程完成某些操作或者动作功能的机械装置”。图8-l工业机器人大家好3综合上述定义，工业机器人有以下三个重要特性：1)是一种机械装置，可搬运材料、零件、工具或完成多种操作和动作功能，即具是有通用性。2)可以再编程并具有多样程序流程，这为人-机联系提供了可能，也使具有独立的柔软性。3)有一个自动控别系统，可以在无人的参与下，自动完成操作作业和动作。大家好42.工业机器人的基本参数机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。一般,机器人自由度等于它的关节数,大多是有6-8个自由度，自由度越多，机器人的功能就越强。图8-2左图所示的就是具有6个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和齿轮减速传动机械来实现的。6个自由度如下：①手臂扫掠（腰左转或右转）；②肩旋转（肩向上或向下）；③肘伸展（肘缩进或伸出）；④俯仰（手腕上转或下转）；⑤偏航（手腕左转或右转）；⑥横滚（手腕顺时针转或反时针转）。大家好53.工业机器人的组成与分类(1)工业机器人的组成一般由操作机械、计算机控制系统、驱动伺服单元、传感器检测系统和输入输出接口等几部份组成。如图8-2所示。图8-2工业机器人的组成大家好6①操作机械操作机为工业机器人完成作业的执行机构，它具有和手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。包括机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分。有时为增加工作空间，在机座处装有行走机构实现移动功能，例如有轮式、履帶式、足腿式结抅.②驱动系统驱动系统指驱动执行机构的传动装置。由驱动器、减速器、检测元件等组件组成。根据驱动器的不同，可分为电动、液动和气动驱动系统。③计算机控制系统控制系统是工业机器人的核心部分，作用是支配操作机按所需的顺序，沿规定的位置或轨迹运动。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统；从控制方式看有程序控制系统、自适应性控制系统和智能控制系统。大家好7④传感系统为了使机器人能获得外围环境信息，除关节伺服驱动系统的位置传感器外(例如装于电机同轴上的光电编码器)，有时还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多类型的传感器及信号的转换与采样处理。⑤输入输出接口为了机器人与周边系统及相应操作进行联系，还应有各种通信接口和人机通信装置。例如PLC控制系统中用的RS-232、RS-485等异步通信接口模块，实现PLC与PLC、PLC与上位PC机、PLC与现场设备或远程I/O之间的信息交换。此外还包括语言合成、识别技术及多媒体系统，以实现人机对话。⑥人工智能系统人工智能系统是机器人计算机控制系统的更高层次发展。主要由两部分组成：其一，感觉系统（硬件）。主要靠各类传感器来实现其感觉功能；其二,决策、规划系统（软件）。包括辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。大家好8（2）工业机器人的分类1）按操作机构坐标形式分类按操作机械坐标形式分类，操作机械的坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。直角坐标型工业机器人圆柱坐标型工业机器人球坐标型工业机器人多关节型工业机器人平面关节型工业机器人大家好9图8-3直角坐标型工业机器人1）按操作机构坐标形式分类①直角坐标型工业机器人运动部分由三个相互垂直的直线移动组成如图8-3所示，其工作空间图形为长方体。各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强；易于位置和姿态的编程计算，定位精度最高，控制无耦合，结构简单。但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性较差，难与其它工业机器人协调工作。大家好10图8-4圆柱坐标型工业机器人②圆柱坐标型工业机器人运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱形如图8-4所示。与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅次于直角坐标型，与其它机器人协调工作难。大家好11图8-5球坐标型工业机器人③球坐标型工业机器人又称为极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动所组成，如图8-5所示。其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地面上或较低位置的工件。具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，能与其它工业机器人协调工作，其位置精度尚可以，位置误差与臂长成正比。大家好12图8-6多关节型工业机器人④多关节型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，它的手臂与人体上肢类似,前三个关节都是回转副。该工业机器人由立柱和大小臂组成。立柱与大臂间形成肩关节，大臂与小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和俯仰摆动，小臂作俯仰摆动,如图8-6所示。其结构紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其它工业机器人协调工作。但是位置控制精度较低，存在平衡问题，控制耦合也比较复杂。目前，这种机器人的应用越来越广泛。大家好13图8-7平面关节型工业机器人⑤平面关节型工业机器人采用一个移动关节和两个回转关节，移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动，如图8-7所示。这种型式的工业机器人又称SCARA装配机器人。在水平方向具有柔顺性，而在垂直方向则有较大的刚性。结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。大家好142)按控制方式分类①点位控制工业机器人采用点到点的控制方式，它只在目标点处准确控制工业机器人手部的位姿，完成预定的操作要求，而不对点与点之间的运动过程进行严格的控制。目前应用的工业机器人中，多数属于点位控制方式，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。②连续轨迹控制工业机器人各关节同时作受控运动，准确控制工业机器人手部按预定轨迹和速度运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的运动得以控制。弧焊、喷漆和检测机器人均属连续轨迹控制方式。大家好153)按驱动方式分类①气动式工业机器人以压缩空气来驱动操作机。其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低，无污染，适合防爆环境。缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因为气源压力只有6KPa左右，所以抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。②液压式工业机器人因为液压比气压压力高，一般为70KPa左右，故液压机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温、低温和易燃易爆环境下工作。③电动式工业机器人目前用得最多的一类工业机器人。不仅电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择；而且可运用多种灵活的控制方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。大家好168.2工业机器人操作机的机械结构工业机器人操作机械由机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分组成，如图8-8。确定一个工业机器人操作机位置时所需要的独立运动参数的数目称为工业机器人的运动自由度。自由度数取决于作业目标所要求的动作。对于进行二维平面作业需三个自由度；若要具有随意的位姿，则至少需要六个自由度；而对于回避障碍作业的工业机器人则需要有比六个自由度更多的冗余自由度。工业机器人操作机常采用回转副或移动副主动关节来实现各个自由度。图8-8工业机器人操作机构1-手臂2-腕关节3-手部4-立柱5-机座大家好171.手臂手臂是操作机中的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，调整手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度,可以是移动副和回转副。因此按运动副不同的组合方案，可有27种方案。手臂的直线运动多数通过液压（气）缸驱动来实现，也可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机等来实现。手臂回转运动的实现手段很多，如蜗轮蜗杆式；液压缸活塞杆上的齿条驱动齿轮的方式；利用液压缸活塞杆直接驱动手臂回转；由回转液压（气）缸直接驱动手臂回转；由步进电动机通过齿轮传动使手臂回转；由直流电动机通过谐波传动装置驱动手臂回转等。PUMA型工业机器人是由直流伺服电动机驱动的六自由度关节型工业机器人。其大臂和小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结构，各运动都是采用齿轮传动。驱动大臂的传动机构如图8-9a)所示，驱动小臂的传动机构如图8-9b)所示，腰座(用转机座)的回转运动θ1如图8-9C)所示。大家好18图8-9PUMA机器人手臂传动机构1、10-大臂，2、3、5、6、8、9、14、15、19、21、22、23-齿轮，4、13、16、20-偏心套7、11、24-驱动电动机12-驱动轴17-小臂18-腰座大家好192.手腕手腕是连接手臂和末端执行器的部件，作用是调整或改变工件的方向，因而具有独立的自由度。一般需要三个自由度，由3个回转关节组合而成，常用的组合结构如图8-10所示。各回转方向的名称如下：①臂转:绕小劈轴线方向的旋转称臂转。②腕摆:使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。③手转:使末端执行器绕自身轴线方向的旋转称手转。实现手腕回转运动的机构，应用最多的是气压(液压)缸。结构简单,但回转角度小于360o，并要求严格密封。若回转角度等于360o时可采用齿轮齿条或链条链轮传动。图8-10腕部回转关节的组合形式大家好203.手部手部装在操作机手腕前端，它是操作机直接执行工作的装置。根据其用途和结构的不同可以分为机械夹持器、专用工具和万能手三类。多数情况下手部是为特定的用途而专门设计的，但也可设计成一种适用性较大的多用途手部。为实现快速和自动更换手部，可以采用电磁吸盘或气动锁紧的接换器。(1)机械夹持器①回转式机械夹持器图8-11a)示出了楔块杠杆式回转机械夹持器。当夹持器驱动向前推动时，通过楔块4楔面和杠杆1，使手爪产生夹紧动作和夹紧力；当楔块后移时靠弹黄2的拉力使手爪松开。同理，图8-11b）示出了滑槽杠杆式回转夹持器。图8-11C)示出了连杆杠杆式回转夹持器，工作原理类似。大家好21图8-11回转式机械夹持器a)楔块杠杆式回转型夹持器b)滑槽杠杆式回转型夹持器c)连杆杠杆式回转型夹持器1、9-杠杆2弹簧3-滚子4-楔块5-驱动器6-支架7、10-杆8-圆柱销11-连杆12-摆动钳爪13-调整垫片大家好22②移动式机械夹持器图8-12a)所示为齿轮齿条平行连杆式移动夹持器，电磁式驱动器3驱动齿条杆2和2个扇形齿轮l，带动杆5绕O1、O2旋转。连杆5、6，钳爪7和夹持器4构成一平行四杆机构，驱动两钳爪作平移以夹紧和松开工件。图8-12b)所示的是左右旋丝杆式移动夹持器，由电动机8驱动一对旋向相反的丝杠9提供准确的移动夹紧动作。图8-12移动式机械夹持器a)齿轮齿条平行连杆式平移夹持器b)左右旋丝杠平移型夹持器1-扇形齿轮2-齿条杆3-电磁式驱动器4-夹持器体5、6-连杆7钳爪8-电动机9-丝杠10-导轨11-钳瓜杆大家好23③内撑式机械夹持器内撑式机械夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，如图8-13所示。其撑紧方向与上述两种方式的外夹式相反。钳爪3从工件内孔撑紧工件，为使撑紧后能准确地用内孔定位，多采用三个钳爪(图中只画了两个)。图8-13内撑连杆杠杆式夹持器1-驱动器2-杆3-钳爪大家好24(2)专用工具专用工具是供工业机器人完成某类特定的作业之用。如吸附手、喷枪、焊枪等。图8-14工业机器人专用工具a)真空吸附手b)喷枪C)空气袋膨胀手d)弧焊焊枪e)电磁吸附手f)点焊枪大家好258.3工业机器人的控制系统8.3.1工业机器人控制系统的特点和要求1.工业机器人控制系统的特点①工业机器人有若干个关节，典型工业机器人有五至六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运