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1、机器人引论 第5章工业机器人 第5章工业机器人 5 1工业机器人的发展历史5 2工业机器人的基本组成5 3工业机器人的典型结构5 4工业机器人的种类及应用 5 1工业机器人的发展历史 5 1 1工业机器人发展概况通常所说的工业机器人一般指用于工业制造环境中 模拟人的手臂的部分动作 按照预定的程序 轨迹及其它要求 实现抓取 搬运工件或操纵工具的自动化装置 1948年 机械式的主从机械手1951年 美国麻省理工学院 MIT 成功开发了第一代数控机床 CNC 1954年 美国人乔治 德沃尔 GeorgeDevol 设计并研制了世界上第一台可编程的工业机器人样机 将之命名为 UniversalAuto
2、mation 并申请了该项机器人专利 Devol与Engerlberge合作创建了美国万能自动化公司 Unimation 于1962年生产了第一台机器人 取名Unimate 美国机床与铸造公司 AMF 于1960年生产了一台被命名为Versation的圆柱坐标型的数控自动机械 并以IndustrialRobot 工业机器人 的名称进行宣传 通常认为这是世界上最早的工业机器人 Unimate和Versation这两种型号的机器人以 示教再现 的方式在汽车生产线上成功地代替工人进行传送 焊接 喷漆等作业 Unimate和Versation作为商品开始在世界市场上销售 此后 美国工业机器人技术的发展
3、 大致经历了如下几个阶段 1963 1967年为实验定型阶段 1963 1966年 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺实验 1967年 该公司生产的工业机器人定型为1900型 1968 1970年为实际应用阶段 从20世纪60年代后期开始 搬运 喷漆 弧焊机器人相继在生产中得以应用 并且出现了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元 FMC 1970 1980年为技术发展和推广应用阶段 1970年4月 第一次国际工业机器人会议在美国伊利斯工学院举行 工业机器人多种卓有成效的实用范例促进了机器人应用领域的进一步扩展 1980年至今为产业化 实用化 商品化阶段 随着大规模集成电路技术的飞速
4、发展 微型计算机的普遍应用和性能飞跃 机器人的控制性能得到了大幅度地提高 成本不断下降 于是产生了不同用途的机器人 工业机器人进入了商品化和实用化阶段 形成了大规模的机器人产业 日本 俄罗斯 西欧等 大都是从1967 1968年开始以美国的Unimate和Versation型机器人为蓝本开始进行研制 其中日本是工业机器人发展最快 应用最多的国家 20世纪80年代以来 国际机器人以平均25 30 的年增长率发展 这是由于工业自动化正向着 柔性生产 方向发展 以适应多品种 中小批量生产或混流生产的需要 到2002年 全世界服役的机器人大约有100万台 5 1 2中国工业机器人研制情况我国工业机器人
5、起步于70年代初期 经过30多年的发展 大致经历了3个阶段 70年代的萌芽期 80年代的开发期和90年代的适用化期 我国于1972年开始研制自己的工业机器人 20世纪80年代 我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持 机器人步入了跨越式发展时期 1986年我国开展了 七五 机器人攻关计划 1987年我国 863 高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中 从90年代初期起 我国的工业机器人又在实践中迈进一大步 先后研制出了点焊 弧焊 装配 喷漆 切割 搬运 包装码垛等各种用途的工业机器人 并实施了一批机器人应用工程 形成了一批机器人产业化基地 到目前为止 我国在机器人的技术研究方面已经相继取得了
6、一些重要成果 在某些技术领域已经接近国际前沿水平 但从总体上看 我国在智能机器人方面的研究可以说还是刚刚起步 机器人传感技术和机器人专用控制系统等方面的研究还比较薄弱 另外 在机器人的应用方面 我国就显得更为落后 5 2工业机器人的基本组成 工业机器人通常由执行机构 驱动系统 控制系统和传感系统四部分组成 工业机器人各组成部分之间的相互作用关系如图 5 2 1执行机构执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体 通常由一系列连杆 关节或其他形式的运动副所组成 从功能的角度可分为 手部 腕部 臂部 腰部和机座 手部 腕部 1 手部2 腕部3 臂部4 腰部5 机座 工业机器人的手部也叫做末端执行器 是装
7、在机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件 工业机器人的腕部是连接手部和臂部的部件 起支承手部的作用 机器人一般具有六个自由度才能使手部达到目标位置和处于期望的姿态 腕部的自由度主要是实现所期望的姿态 并扩大臂部运动范围 臂部 工业机器人的臂部是连接腰部和腕部的部件 用来支撑腕部和手部 实现较大运动范围 臂部一般由大臂 小臂 或多臂 所组成 腰部 腰部是连接臂部和基座的部件 通常是回转部件 由于它的回转 再加上臂部的运动 就能使腕部作空间运动 机座 机座是整个机器人的支持部分 有固定式和移动式两类 5 2 2驱动系统工业机器人的驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置 包括驱动器和传动机构两部
8、分 它们通常与执行机构联成一体 驱动器通常有电动 液压 气动装置以及把它们结合起来应用的综合系统 常用的传动机构有谐波传动 螺旋传动 链传动 带传动以及各种齿轮传动等机构 5 2 3控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成固定的运动和功能 若工业机器人不具备信息反馈特征 则为开环控制系统 若具备信息反馈特征 则为闭环控制系统 工业机器人的控制系统主要由主控计算机和关节伺服控制器组成工业机器人通常具有示教再现和位置控制两种方式 工业机器人的位置控制方式有点位控制和连续路径控制两种 5 2 4传感系统传感系统是机器人的重要组成部分 按其采集
9、信息的位置 一般可分为内部和外部两类传感器 内部传感器是完成机器人运动控制所必须的传感器 如位置 速度传感器等 用于采集机器人内部信息 是构成机器人不可缺少的基本元件 外部传感器检测机器人所处环境 外部物体状态或机器人与外部物体的关系 常用的外部传感器有力觉传感器 触觉传感器 接近觉传感器 视觉传感器等 一些特殊领域应用的机器人还可能需要具有温度 湿度 压力 滑动量 化学性质等感觉能力方面的传感器 5 3工业机器人的典型机构 工业机器人按其本体机械结构的不同 可分为SCARA型 平行杆型和多关节等几种典型机构 5 3 1SCARA机构SCARA是SelectiveComplianceAssem
10、blyRobotArm的缩写 意思是具有选择顺应性的装配机器人手臂 它具有平行的肩关节和肘关节 关节轴线共面 这种机器人在水平方向有顺应性 而在垂直方向则具有很大的刚性 由于各个臂都只沿水平方向旋转 故又称水平关节型机器人 多用于装配 也称为装配机器人 SCARA型机器人大多采用四自由度结构 这是由于装配操作对姿态的要求只需绕Z轴转动 故一般是由四个关节组成 根据作业要求 少部分操作机在手腕处再增加一个沿Z轴的微小移动 下图所示是采用伺服电机驱动的SCARA机器人 日本DAIKIN的S1400操作机 SCARA机器人S1400 5 3 2平行杆型机构平行杆型机构又称并联平行四边形机构 其特点是
11、机器人的上臂通过一根拉杆驱动 拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边 故而得名 右图所示是平行杆型机器人Motoman L10操作机 Motoman L10立体图 Motoman L10传动示意图 1 电机2 机座3 电机4 谐波减速器5 回转壳6 链轮I7 链轮II8 谐波减速器9 电机10 下臂杆11 凸耳12 丝杠13 谐波减速器14 丝杠15 拉杆16 双联链轮I17 销轴18 双联链轮II19 上臂杆20 链轮21 锥齿轮22 腕壳23 手部法兰24 电机25 链轮 5 3 3多关节机构多关节型机器人一般由多个转动关节串联起若干连杆组成的开链式机构 是模拟人类腰部到手臂的基本结构而构成
12、的 其机械本体部分通常包括机座 即底部和腰部的固定支撑 结构 腰部关节转动装置 大臂结构及大臂关节转动装置 小臂结构及小臂关节转动装置 手腕结构及手腕关节转动装置和末端执行器 即手爪部分 小臂和大臂间的关节称为肘关节 大臂和底座间的关节称为肩关节 绕底座的旋转称为腰关节 腰 肩和肘三个关节一般为转动关节 其中两个关节轴线平行 构成较为复杂形状的工作范围 用于决定手部的空间位置 其腕部一般具有翻转 俯仰和偏转三个自由度 用于决定手部的姿态 PUMA 262关节型机器人结构简图 1 关节2电动机2 关节3电动机3 大臂4 关节1电动机5 小臂定位夹板6 小臂7 气动阀8 立柱9 直齿轮10 中间齿
13、轮11 基座12 主齿轮13 管形连接轴14 手腕 PUMA 262关节型机器人传动原理图 1 关节2电机2 关节3电机3 联轴器4 关节5电机5 关节4电机6 关节6电机 早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小 局限于机器人的前部 难以倒挂工作 但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人 已能把工作空间扩大到机器人的顶部 背部及底部 机器人的刚度又比关节式机器人高 从而得到普遍的重视 这种结构形式不仅适合于轻型机器人 也适合于重型机器人 近年来点焊用机器人 负载100 150kg 大多选用平行四边形结构形式的机器人 关节型机器人是一种广泛使用的拟人化的机器人 其特点是结构紧凑 工作范围大
14、而占用空间小 动作灵活 具有很高的可达性 可以轻易避障和伸入狭窄弯曲的管道操作 对多种作业都有良好的适应性 已广泛应用于代替人完成装配作业 货物搬运 电弧焊接 喷涂 点焊接等作业场合 成为使用最为广泛的机器人 5 4工业机器人的种类及应用 5 4 1焊接机器人焊接机器人是在工业机器人的的末轴法兰上装接焊钳或焊 割 枪 使之能进行焊接 切割或热喷涂的机器人 目前焊接机器人是最大的工业机器人应用领域 占工业机器人总数的25 左右 1焊接机器人系统组成完整的焊接机器人系统一般由如下几部分组成 机械手 变位机 控制器 焊接系统 专用焊接电源 焊枪或焊钳等 焊接传感器 中央控制计算机和相应的安全设备等
15、焊接机器人系统组成 2焊接机器人的主要结构形式及性能焊接用机器人基本上都属关节式机器人 绝大部分有6个轴 其中 1 2 3轴可将末端工具送到不同的空间位置 而4 5 6轴解决工具姿态的不同要求 焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式 一种为平行杆型机构 一种为多关节型机构 多关节型机构的主要优点是上 下臂的活动范围大 使机器人的工作空间几乎能达一个球体 因此 这种机器人可倒挂在机架上工作 以节省占地面积 方便地面物件的流动 但是这种结构形式的机器人 2 3轴为悬臂结构 降低机器人的刚度 一般适用于负载较小的机器人 用于电弧焊 切割或喷涂 平行杆型机器人的工作空间能达到机器人的顶部 背部及底部
16、又没有多关节型机器人的刚度问题 从而得到普遍的重视 不仅适合于轻型机器人 也适合于重型机器人 a b 焊接机器人的基本结构形式 a 平行杆型机构 b 多关节型机构 3点焊机器人点焊机器人 spotweldingrobot 用于点焊自动作业的工业机器人 点焊机器人的组成和基本功能点焊机器人由机器人本体 计算机控制系统 示教盒和点焊焊接系统几部分组成 点焊机器人机械本体一般具有六个自由度 腰转 大臂转 小臂转 腕转 腕摆及腕捻 其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种 其中电气驱动应用更为广泛 点焊作业对所用机器人的要求不是很高 因为点焊只需点位控制 至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求 这也是机器人最早只能用于点焊的原因 点焊机器人需要有足够的负载能力 而且在点与点之间移位时速度要快捷 动作要平稳 定位要准确 以减少移位的时间 提高工作效率 点焊机器人的组成 1 机械臂2 进水 出水管线3 焊钳4 电极修整装置5 气管6 控制电缆7 点焊定时器8 机器人控制柜9 安全围栏 点焊工艺对机器人的基本要求 1 点焊作业一般采用点位控制 PTP 其重复定位精度 1mm 2 点焊机器人工作空间必须
