机械制造技术自动化工业机器人课件

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1、1,工业机器人,2,应用于餐厅,应用于医院,应用于制造业,3,一、工业机器人概述,工业机器人：是一种能模拟人的手、臂的部分动作, 按照预定的程序、轨迹及其它要求, 实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。,图81 工业机器人的组成 1机座 2控制系统 3执行机构,自由度不同,组成： （1）执行机构 （2）控制系统 （3）驱动系统 （4）其它,4, 工业机器人分类 按坐标形式、控制方式和信息输入方式分类,直角坐标、圆柱坐标、极坐标、关节坐标,直角坐标机器人,直角坐标机器人：用三根互相垂直的轴线来完成末段执行器的移动。,优点：位置精度高；控制无耦合；避障性好。 缺点：结构庞大；灵活性差。,X、Y

2、、Z轴移动,5,直角坐标机器人 桁架机器人 龙门机器人,6, 工业机器人分类 按坐标形式、控制方式和信息输入方式分类,直角坐标、圆柱坐标、极坐标、关节坐标,圆柱坐标机器人,圆柱坐标机器人：用两个移动一个转动完成末段执行器的移动。,优点：位置精度较高；控制耦合简单；避障性好。 缺点：结构庞大；灵活性较差。,X、Z轴移动，Z轴转动,7, 工业机器人分类 按坐标形式、控制方式和信息输入方式分类,直角坐标、圆柱坐标、极坐标、关节坐标,极坐标机器人,极坐标机器人：用一个移动两个转动完成末端执行器的移动。,优点：位置精度尚可；控制耦合简单； 缺点：结构庞大；灵活性较差。有平衡问题。,X轴移动，Y、Z轴转动

3、,8, 工业机器人分类 按坐标形式、控制方式和信息输入方式分类,直角坐标、圆柱坐标、极坐标、关节坐标,关节坐标机器人,关节坐标机器人：用多个关节的转动（配合基座移动）完成末端执行器的移动。,优点：灵活性高；避障性好；工作范围大。 缺点：控制耦合；复杂位置精度较差；有平衡问题。,基座移动，各关节轴转动,9,10, 工业机器人分类 按坐标形式、控制方式和信息输入方式分类,点位控制、连续轨迹控制,只在目标点处控制末端执行器的位置与姿态,末端执行器在空间中任何位置与姿态都需控制,11, 工业机器人分类 按坐标形式、控制方式和信息输入方式分类,人操作、示教再现、固定程序/可变程序、程序控制、智能机器人,

4、人操作机器人,固定程序/可变程序机器人无独立控制系统,程序控制机器人有独立控制系统,智能机器人：能感知环境，“思考”出采用什么样的动作，做出反应。 传感型；交互型；自主型,一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人,12, 选择工业机器人性能指标,（1）自由度 （2）工作空间 （3）提取重力 （4）位置精度 （5）运动速度,指各关节在三维空间对于固定坐标系具有的独立运动。各关节自由度的总和就是工业机器人的自由度数。 自由度越多越好？夹持器开合计自由度吗？,13, 选择工业机器人性能指标,（1）自由度 （2）工作空间 （3）提取重力 （4）位置精度 （5）运动速度,指末端执行

5、器能到达的空间范围。与关节自由度及关节的运动范围有关。,直角坐标机器人？,长方体空间,圆柱坐标机器人？,圆柱体空间,14, 选择工业机器人性能指标,（1）自由度 （2）工作空间 （3）提取重力 （4）位置精度 （5）运动速度, 微型机器人，提取重力在10 N以下； 小型机器人， 提取重力为1050 N； 中型机器人， 提取重力为50300 N； 大型机器人， 提取重力为300500 N； 重型机器人，提取重力在500N以上,15, 选择工业机器人性能指标,（1）自由度 （2）工作空间 （3）提取重力 （4）位置精度 （5）运动速度,位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和

6、刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。,运动速度高，效率高，但机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。,16, 机器人的发展趋势,17, 机器人的发展趋势,多足机器人,18, 机器人的发展趋势,19, 机器人的发展趋势,蛇形机器人在医疗中的应用,20,二、工业机器人的机械与驱动系统,图81 工业机器人的组成 1机座 2控制系统 3执行机构,执行机构机器人机械操作手臂：末端执行器、手腕、手臂、机座,末端执行器：直接执行作业的装置。,机械式手爪开合实现物料抓取；被夹物料的形状影响手爪的结构,机械式手爪的传动回转型、平移型。,吸附式吸

7、附力抓取物料；真空吸附、磁吸附；适合大平面或易碎、微小件的抓取,手指式模拟人手抓取物料；适应复杂表面的抓取及一些复杂动作的执行。,21,有驱动装置,无驱动装置,机械夹持器结构与被夹零件的关系,22,回转型传动机构,23,平移型传动机构,24,二、工业机器人的机械与驱动系统,执行机构机器人机械操作手臂：末端执行器、手腕、手臂、机座,手腕：改变、调整末端执行器的方位。,原则： （1）尽可能减少手腕的自由度（可以为0）。 （2）结构紧凑,25,二、工业机器人的机械与驱动系统,执行机构机器人机械操作手臂：末端执行器、手腕、手臂、机座,手臂：影响工作范围的主要因素。,作用： （1）承重 （2）工作范围内

8、完成工件运送,图87 机器人手臂运动示意图,26,二、工业机器人的机械与驱动系统,机械式、液压式、气压式、电气式,机械式驱动：可靠性高、成本低；重量大、动作平滑性差、噪声大。,液压式驱动：抓取能力大、传动平稳；密封性要求较高、不宜在高温或低温现场工作。,气压式驱动：动作迅速、价格低廉；稳定性差、抓取能力小。,电气式驱动：目前多采用交流伺服电机驱动，可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速器装置减速后驱动机构运动。,27,机械手辅助加工过程,28,物流黑科技,29,国际机床顶尖企业的加工演示,30,三、工业机器人控制技术,机器人的负载、惯量、重心都随时间发生变化,非线性、多变耦合,动作要求精确和

9、可重复,优化、决策的问题,工业机器人控制的特点：,31,工业机器人控制方式的分类：,（1）按运动轨迹分类：点位控制、连续轨迹控制,（2）按是否反馈分类：非伺服控制、伺服控制,（3）按发展阶段分类：程序控制、适应性控制、人工智能控制,（4）按运动方式分类：直角坐标控制、极坐标控制、关节控制,（5）按速度控制分类：速度控制、加速度控制、力控制,目的：关节、手在特定的时间到达特定的位置， 由谁来给定指令？,32,（1）按运动轨迹分类：点位控制、连续轨迹控制。,特点：只控制机器人手部在作业空间中某些规定的离散点上的位姿,特点：连续的控制机器人手部在作业空间中的位姿，要求其严格的按照预定的路径和速度在一

10、定的精度范围内运动,技术指标：定位精度和运动所需的时间,技术指标：部位姿的轨迹跟踪精度及平稳性,应用：上下料、搬运、点焊等,应用：弧焊、喷漆、涂胶等,点位控制机器人有多快？,想一想： 装配机器人进行装配操作时是何种控制？,33,（2）按是否反馈分类：非伺服控制、伺服控制。,特点：严格预先编制的控制程序来控制机器人的动作顺序，在控制过程中没有反馈信号，不能对机器人的作业进展及作业的质量好坏进行监测,应用：作业相对固定、作业程序简单、运动精度要求不高的场合,特点：采用内部传感器连续测量机器人的关节位移、速度、加速度等运动参数，并反馈到驱动单元构成闭环伺服控制。可扩展成适应型、智能型机器人。,34,

11、程序控制：按照事先设定的程序（包括顺序、条件及位置等）逐步动作的机器人，用于完成单调、重复的作业，如机床的上下料、工件搬运等。大批量少品种的生产系统。,（3）按发展阶段分类：程序控制、适应性控制、人工智能控制,适应性控制：能感知周围环境，对环境的改变进行适应，并改变工作执行过程，需通过传感器、反馈系统实现。,人工智能控制：,Sophia (机器人)与主持人对话,人工智能会取代人类吗,35,由人来给定指令： 工业机器人示教再现控制,由计算机计算出指令： 工业机器人控制系统,目的：关节、手在特定的时间到达特定的位置， 由谁来给定指令？,人 关节 手（实际位置）,手（理论位置） 计算机 关节,36,

12、工业机器人示教再现控制：,控制过程： 示教人员将机器人作业任务中要求手的运动预先教给机器人，在示教的过程中，机器人控制系统就将关节运动状态参数记忆存储在存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统就调用存储器中存储的各项数据，驱动关节运动，使机器人再现示教过的手的运动，由此完成要求的作业任务。,人按照经验进行示教,37,工业机器人示教再现控制：,示教方式 机器人示教的方式种类繁多，总的可以分为集中示教方式和分离示教方式。 1、集中示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、动作顺序等参数同时进行示教的方式，示教一次即可生成关节运动的伺服指令。 2、分离示教方式 将机器人手部在空间的位姿、速度、

13、动作顺序等参数分开单独进行示教的方式，一般需要示教多次才可生成关节运动的伺服指令，但其效果要好于集中示教方式。,38,工业机器人示教再现控制：,示教方式 当对用点位控制的点焊、搬运机器人进行示教时，可以分散示教，且能进行编辑、修改等工作，但是机器人手部在作曲线运动而且位置精度要求较高时，示教点数就会较多，示教时间就会拉长，且在每一个示教点处都要停止和启动，因此就很难进行速度的控制。 当对用连续轨迹控制的弧焊、喷漆机器人进行示教时，示教操作一旦开始就不能中途停止，必须不中断的连续进行到底，且在示教途中很难进行局部的修改。,39,工业机器人示教再现控制：,记忆过程,1、记忆速度 取决于传感器的检测

14、速度、变换装置的转换速度和控制系统存储器的存储速度。 2、记忆容量 取决于控制系统存储器的容量。,40,工业机器人控制系统：,由于机器人的控制过程中涉及大量的坐标变换和插补运算以及较低层的实时控制，所以，目前的机器人控制系统在结构上大多数采用分层结构的微型计算机控制系统，通常采用的是两级伺服控制系统关节运动伺服命令的生成、关节运动的伺服控制。,41,1.关节运动伺服命令的生成：主控计算机接到工作人员输入的作业指令后，首先分析解释指令，确定手的运动参数，然后进行运动学、动力学和插补运算，最后得出机器人各个关节随时间变化的协调运动参数。,2.节运动的伺服控制：伺服控制级作为各个关节伺服控制系统的给

15、定信号,3.关节驱动器将此信号D/A转换后驱动各个关节产生协调运动，并通过传感器将各个关节的运动输出信号反馈回伺服控制级计算机形成局部闭环控制。,4.局部闭环控制更加精确的控制机器人各关节运动的角度，从而能完成手部在空间的运动。但手部运动位置的精确性还需通过外部传感器及全局反馈进行控制,42,工业机器人控制系统：,硬件组成,43,工业机器人控制系统：,软件组成,44,如何用计算机来生成关节运动伺服指令？,机器人手 运动变化规律,机器人各关节 运动变化规律,反求,首先要对机器人的作业任务进行描述，得到机器人手部在空间的位姿变化，然后根据机器人运动学方程及其逆解并通过适当的插补运算求出机器人各个关

16、节的位移、速度等运动参数的变化，再通过动力学运算最终生成机器人关节运动所需的伺服指令。,45,点位控制下的轨迹规划实现过程？,第一步：已知机器人手起点和终点的位姿 得到机器人对应的关节变量的取值。 机器人运动学逆解,第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值 问题：起点的变量取值如何变化到终点的变量取值？,46,点位控制下的轨迹规划实现过程？,第二步：已知机器人起点和终点的关节变量取值 问题：起点的变量取值如何变化到终点的变量取值？,线性变化,加速度无冲击,47,机器人动力学正解,点位控制下的轨迹规划实现过程？,第三步：已知机器人关节的运动速度和加速度 求关节的驱动力（矩）。,实现方法,48,连续控制下的轨迹规划实现过程？,第一步：已知机器人手起点和终点的位姿，及已知机器人起点和终点的关节变量取值。 设起点到终点的位移变化规律为： 则速度为：,第二步：机械手部位姿离散化,第三步：就可以用离散控制下的轨迹规划实现方法，从而完成连续控制下的轨迹规划,49,三、