模块二机器人的基础知识讲解

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1、工业机器人应用技术,机器人的基本属于与图形符号,1,机器人的主要技术参数,2,机器人的举例分析,3,机器人的工作原理与应用技术,4,本模块主要介绍机器人的基础知识，包括机器人的基本术语与各类图形符号，机器人的主要技术参数等，并介绍了几种实际产品的技术规格和机构简图。,学习完本模块的内容后，学生应熟练掌握机器人的基本术语和各类图形符号的含义；能够读懂并解释机器人技术规格书的内容，能够熟练绘制出机器人机构简图和各种机械结构的运动简图；掌握运动学和动力学的基本问题，理解机器人的位置与变量的关系，了解运动学、静力学和动力学的一般表示方法，能用上述所学解释机器人的位置、姿态和运动的关系。,学习单元一 机

2、器人的基本术语与 图形符号,一、机器人的基本术语,关节（joint）即运动副，是允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构，是两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接，如图2-1所示。A、B两部件可以做互动连接。,图1-13 不同坐标结构的机器人,一、机器人的基本术语,一、机器人的基本术语,一、机器人的基本术语,一、机器人的基本术语,一、机器人的基本术语,一、机器人的基本术语,连杆（link）指机器人手臂上被相邻两关节分开的部分，是保持各关节间固定关系的刚体，是机械连杆机构中，两端分别与主动和从动构件铰接，以传递运动和力的杆件。例如，在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆

3、多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，供装入轴销而构成铰接。 连杆是机器人中的重要部件，它连接着关节，其作用是将一种运动形式转变为另一种运动形式，并把作用在主动构件上的力传给从动构件，以输出功率。,一、机器人的基本术语,刚度（stiffness）是机器人机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量的。在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。刚度的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。刚度可分为静刚度和动刚度。 在任何力的作用下，体积和形状都不发生改变的物体称为刚体(rig

4、id body)。在物理学中，理想的刚体是一个固体的、尺寸值有限的、形变可以被忽略的物体。不论是否受力，在刚体内任意两点间的距离都不会改变。在运动中，刚体上任意条直线在各个时刻的位置都保持平行。,一、机器人的基本术语,二、机器人的图形符号体系,二、机器人的图形符号体系,二、机器人的图形符号体系,二、机器人的图形符号体系,二、机器人的图形符号体系,二、机器人的图形符号体系,二、机器人的图形符号体系,二、机器人的图形符号体系,三、机器人的图形符号表示,机器人的机构简图是描述机器人组成机构的直观图形表达形式，可以将机器人的各个运动部件用简便的符号和图形表达出来，此图可用上述图形符号体系中的文字与代号

5、表示。,图2-2 4种坐标机器人的机构简图,三、机器人的图形符号表示,由图可见，机构运动示意图可以简化为机构运动原理图，以明确主要因素。,图2-3 PUMA-262机器人的机构运动示意图和机构运动原理图,三、机器人的图形符号表示,三、机器人的图形符号表示,图2-4 PUMA-262机器人的传动原理图,三、机器人的图形符号表示,该四自由度机器人结构简单，有3个转动关节、1个螺纹移动关节。其结构简图如图2-5所示。,图2-5 KR5 SCARA的结构简图,三、机器人的图形符号表示,ABB、FUNAC、KUKA的大多数产品均为六自由度机器人，MOTOMAN也有六自由度产品，它们的关节分布比较类似，多

6、采用安川交流驱动电动机。其中，ABB公司的IRB 2400产品是全球销量最大的型号之一，已安装20 000套。,图2-6 IRB 2400的结构简图,三、机器人的图形符号表示,ABB、FUNAC、KUKA的大多数产品均为六自由度机器人，MOTOMAN也有六自由度产品，它们的关节分布比较类似，多采用安川交流驱动电动机。其中，ABB公司的IRB 2400产品是全球销量最大的型号之一，已安装20 000套。,图2-7 R2000iB的结构简图,三、机器人的图形符号表示,MOTOMAN的IA20是七自由度机器人，其结构简图如图2-8所示。,图2-8 IA20的结构简图,三、机器人的图形符号表示,MOT

7、OMAN的DIA10产品的结构较为复杂，有15个自由度，其结构简图如图2-9所示。,图2-9 DIA10的结构简图,三、机器人的图形符号表示,学习单元二 机器人的主要技术参数,一、自由度,自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，其中不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。机器人的自由度反映机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。,如图2-10所示的机器人，臂部在xO1y面内有3个独立运动升降（L1）、伸缩（L2）和转动（1），腕部在xO1y面内有一个独立的运动转动（2）。机器人手部位置需要一个独立变量手部绕自身

8、轴线O3C的旋转3。这种用来确定手部相对于机身（其他参照系统）位置的独立变化的参数（L1、L2、1、2、3）即为机器人的自由度。,二、机器人的历史与发展,图2-10 五自由度机器人简图,二、机器人的分类,二、机器人的历史与发展,二、机器人的分类,二、工作空间,二、工作空间,不同厂家对工作速度规定的内容也有所不同，有的厂家定义工作速度为工业机器人主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家定义工作速度为手臂末端最大的合成速度，通常在技术参数中加以说明。一般来说，工作速度是指机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。 显而易见，工作速度越高，工作

9、效率就越高。但是，工作速度越高，就要花费越多的时间去升速或降速，对工业机器人最大加速度变化率及最大减速度变化率的要求也越高。,三、工作速度,在使用或设计机器人时，确定机器人手臂的最大行程后，根据循环时间安排每个动作的时间，并确定各动作是同时进行还是顺序进行，这样就可以确定各动作的运动速度。分配各动作的时间除考虑工艺动作要求外，还要考虑惯性和行程大小、驱动和控制方式、定位和精度要求。 为了提高生产率，要求缩短整个运动循环时间。运动循环包括加速起动、等速运行和减速制动3个过程。过大的加(减)速度会导致惯性力加大，影响动作的平稳和精度。为了保证定位精度，加减速过程往往占用较长时间。,三、工作速度,四

10、、工作载荷,负载大小主要考虑机器人各运动轴上所受的力和力矩。承载能力不仅决定于负载的重量、机器人末端执行器的重量，即手部的重量、抓取工件的重量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向，即由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩有关。 一般机器人在低速运行时承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标，即承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大，最大可达1 000 kg。,二、机器人的历史与发展,五、分辨率,编程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，当电动机旋转0.1，机器人腕点(手臂尖端点)

11、移动的直线距离为0.01 mm时，其基准分辨率为 0.01 mm。 控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最小位移量。例如，若每周（转）1 000个脉冲的增量式编码盘与电动机同轴安装，则电动机每旋转0.36(360，1 000 r/min)，编码盘就发出一个脉冲，0.36以下的角度变化无法检测，则该系统的控制分辨率为0.36。显然，当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能最高。,五、分辨率,六、精度,(2) 控制算法误差主要指算法能否得到直接解和算法在计算机内的运算字长所造成的比特(bit)误差。因为16位以上CPU进行浮点运算时，精度可达到82位以上，所以比特误差与机构误差相比基本可以忽略不计

12、。 (3) 分辨率系统误差可取1/2基准分辨率，其理由是基准分辨率以下的变位既无法编程又无法检测。机器人的精度可认为是1/2基准分辨率与机械误差之和，即 机器人的精度=1/2基准分辨率+机械误差 若能够做到使机械的综合误差达到1/2基准分辨率，则精度等于分辨率。但是，就目前的科技水平而言，除纳米领域的机构以外，工业机器人尚难以实现。,六、精度,重复定位精度是指在相同的运动位置命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。若机器人重复执行某位置给定指令，它每次走过的距离并不相同，而是在一平均值附近变化，则该平均值代表精度，而变化的幅度代表重复定位精度。因此，重复定位精度是关于精度的统计数据。

13、任何一台机器人即使在同一环境、同一条件、同一动作、同一命令之下，每一次动作的位置也不可能完全一致。例如，对某一个型号的机器人的测试结果为：在20 mm/s、200 mm/s的速度下分别重复10次，其重复定位精度为0.4 mm，如图2-11所示，则重复定位精度为 0.2 mm，指所有的动作位置停止点均在以平均值位置为中心的0.2 mm范围内。,七、重复定位精度,图2-11 重复定位精度,七、重复定位精度,七、重复定位精度,七、重复定位精度,图2-12 精度和重复定位精度测试的典型情况,精度、重复定位精度和分辨率都用来表示机器人手部的定位能力。工业机器人的精度、重复定位精度和分辨率要求是根据其使用

14、要求来确定的。机器人本身所能达到的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度控制和驱动方式、定位和缓冲等因素。由于机器人有转动关节，回转半径不同时其直线分辨率是变化的，因而造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般较难测定，通常工业机器人只给出重复精度。,七、重复定位精度,八、其他参数,安装方式是指机器人本体安装的工作场合的形式，通常有地面安装、架装、吊装等形式。,驱动方式是指关节执行器的动力源形式，通常有气动、液压、电动等形式。,控制方式是指机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。,八、其他参数,环境参数是指机器人在运输、存储和工作时需要提供的环境条件，

15、如温度、湿度、振动、防护等级和防爆等级等。,本体质量是指机器人在不加任何负载时本体的重量，用于估,动力源容量是指机器人动力源的规格和消耗功率的大小，如气压的大小和耗气量、液压高低、电压形式与大小、消耗功率等。,学习单元三 机器人的举例分析,一、直角坐标型机器人分析,（1）XYC4-G系列直角坐标型机器人适用于小型工作空间的紧凑尺寸。利用扁平电缆实现该级别内的最小尺寸，此种型号机器人适用于较小空间，可利用其建立较小的设备。 （2）宽泛的变化。XYC4-G系列机器人直角坐标型左臂类型、右臂类型，且有48种行程，针对用户需要可以有多种选择。,一、直角坐标型机器人分析,（3）利用高强度滑动单元可获得最

16、大负载。高强度滑动单元和大功率交流伺服电动机可使机械手搬动重达10 kg的物体，适用于搬运重物或使用双手的情况。 （4）大功率或低功率两种驱动功率模式。通过控制电流，用户可以用大功率模式执行高速或重载任务，而用低功率模式执行精细任务。 （5）标准配置。该设备包括6套空气管线系统，10个信号阀和电磁阀。,一、直角坐标型机器人分析,图2-13 XYC4-G系列直角坐标型机器人的外形,一、直角坐标型机器人分析,图2-14 XYC4-G系列直角坐标型机器人的工作范围,一、直角坐标型机器人分析,一、直角坐标型机器人分析,美国Unimation公司的Versatran系列圆柱坐标型机器人的结构简图如图2-15(a)所示，它是一台持重30 kg，供搬运、检测、装配用的圆柱坐标型工业机器人。这台机器人的主要技术指标如下。 (1)自由度。该机器人共有3个基本关节1、2、3和两个选用关节4、5。 (2)该机器人的工作