第一章工业机器人概论

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1、第一章第一章概论概论提起机器人，我们都不陌生，脱口就能说出一大串机器人的名字：铁臂阿童 木、霹雳五号、奥特曼、终结者等，这些都是小说或影视作品中的主人翁。可 以说大多数人都是从影视作品中了解机器人的，影视作品中的机器人，功能都 很强大，看起来很神奇，正是由于这些影视作品的影响，人们对机器人给予了 非常高的希望，但现实中的机器人并不像人，与其说是机器人，还不如说是一 台机器。但是只有想到了，才能做到，那些神奇的机器人正是我们共同奋斗的 目标。我们只有了解了现实的机器人，才能创造出未来更好的机器人。机器人技术是一门高新技术，作为 21 世纪的人才，面临高新技术和自动化技 术的冲击，面临国际市场经济

2、和技术迅猛发展的激烈竞争，机器人技术是迎接 未来挑战的有力武器和理想助手，机器人使人类从繁琐、恶劣的作业环境中解 脱出来，而从事更加雄伟的事业，开创未来世界。对年青朋友来说，不管你以后搞不搞机器人技术，也不管你涉不涉足机器人 产业，都有必要了解一些机器人知识，因为未来的机器人将对你的生活和工作 产生巨大的影响。作业 1 机器人发展概况综述。第一节第一节 工业机器人的概念工业机器人的概念关于工业机器人，目前世界各国尚无统一定义，分类方法也不尽相同。 美国：工业机器人是一种可重复编辑的多功能操作装置，它可以通过改变 动作程序来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件和工具。 日本： 1）工业机器人

3、是整机能够回转，有抓取（或吸住）物体的手抓和能够 进行伸缩、弯曲、升降（仰俯） ，回转及其复合动作的臂部，带有记 忆部件，可部分地代替人进行自动操作的具有通用性的机械。2）具有人体上肢（臂、手）动作功能，可进行多种动作的装置，或者 具有感觉功能，可自主进行多种动作的装置。 日本定义的工业机器人的范围是较广的，他们将工业机器人分为六类：人控机械手固定程序控制机器人可变程序控制机器人示教再现机器人数值控制机器人 智能机器人 我国对“机械手”和“工业机器人”的定义：机械手：就是附属于主机，动作简单，工作程序固定，定位点不能灵活改变； 用来重复抓放物料的操作手。manipulator 工业机器人：是一

4、种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意 定位，自动化程序高的自动操作机械。Industrial robot 工业机器人，无论从它的外形或结构来说，都和人有很大的差别，它虽然 不完全具备人体的许多功能（如人四肢多自由度灵活机能、五官的感觉机能等） ， 但在做某些动作时，它具有和人相同甚至超过人的能力。 一部功能完整的机器设备一般由动力装置、传动装置、电气控制系统、执 行装置、机架等部分组成。 动力装置：为设备提供合适类型的动力源。一般由电动机或内燃机等原动机组 成。 执行装置：按照机器设备的性能要求，输出参数合理的功率并做出正确的动作。 一般由机械机构或机械装置组成。 传动装置：由于

5、动力装置所能提供的功率、转速、转矩等技术参数的变化范围 有限，很难直接满足执行装置输出功率参数千变万化与具体要求， 因此在机器设备的动力装置和执行装置之间往往需要设置的动力装 置，以满足执行装置输出参数的技术要求。通常有机械传动、电气 传动和流体传动等形式，这三种传动装置各有自己的特点与不足， 分别用于不同类型，不同要求的机器设备中，在有些机器设备的传 动装置中，也有同时采用不同类型的传动装置组成组合传动装置， 如机液联合传动装置、电液联合传动装置等，以便获得更优的传动 与控制效果。 流体传动是以流体（液体或压缩空气）为传动工作介质进行能量传递与控制的 一种传动形式，包括：液体传动 两种形式

6、气体传动液体传动：工作介质是液体。 气体传动：工作介质是压缩空气（压缩能） 。液力传动：利用高速流动液体的动能与刚体叶轮进行能量交换来 实现能量传递，工作时液体的流速很多但压力较低。 液体传动液压传动：利用封闭容腔中流动液体的流量和压力进行能量传递， 工作时液体的流速较低但压力很大。电气控制系统：对机器设备上述各部分进行准确协调的控制，确保整台机器设 备正常有序地工作。第二节第二节工业机器人的组成工业机器人的组成工业机器人通常由执行机构、驱动装置机构、控制系统和监测系统四部 分组成。这些部分之间的相互作用为：位形监测（二）控 制 系 统 一检测系统（一）控 制 系 统 二驱动 传动 装置执行

7、装置工作对象一一 、执行机构：、执行机构：执行机构也称操作机，使机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和 关节组成。从功能角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部（立柱） 和基座等。 1 手部：又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，其作用是直接 抓取和放置物件。可以是各种手持器。 2 腕部：是连接手部和臂部的部件。其作用是调整或改变手部的姿态， 是操作 机中结构最复杂的部分。 3 臂部：又称手臂，用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（大臂和小臂）组 成，用以带动腕部运动。 4 腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，于臂部运动 结合，把腕部传递到须到的工作位置。

8、5 基座：（行走机构）基座是机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，该 部件必须具有足够的刚度、强度和稳定性。二二 驱动驱动传动装置传动装置 工业机器人的驱动传动装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与 执行机构连成机器人本体。传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝杆、链、带以及各种齿轮系。电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。驱动器通常有 液压驱动：气动驱动：三三 控制系统控制系统这个系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作。一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算机发出指令，协调各关节驱 动之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现，以及和其他环境状态（传感器

9、 信息） 、工艺要求，外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作。伺 服控制各个关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度、和位置要求进行运动。四 检测系统检测系统的作用就是通过各种检测器、传感器、检测执行机构的运动境况， 根据需要反馈给控制系统，与设定值进行比较后对执行机构进行调整以保证其 动作符合设计要求。第三节第三节 工业机器人的主要性能参数工业机器人的主要性能参数工业机器人规格表示如下： 1 名称与型号 2 主要用途 3 类别（主要根据控制系统功能来分） 4 坐标形式 5 自由度自由度是机器人的一种重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接 影响到机器人的机动性。 刚度自由度物体

10、上任何一点都与 坐标轴的正交集合有关。 物体的自由度是指：物体 能够相对坐标系进行独立 运动的数目。 （DOF：degree freedom）沿着坐标轴 ox,oy 和 oz 的三个平移运动： T1,T2 和 T3. 绕着坐标轴 ox，oy 和 oz 的三个旋转运动 R1,R2 和 R3这意味着物体能够运用三个评议和三个旋转，相对于坐标系进行定向和运 动。 一个物体有六个自由度，当两个物体间确立起某种关系时，每一物体就对 另一物体失去一些自由度。这种关系也可以用两物体间由于建立连接关系而不 能进行的移动和转动来表示。 机器人自由度人们期望机器人能够以准确的方位把它的端部执行装置或与它的连接的工

11、具 移动到给定点。如果机器人的用途预先不知道，那么它应当具有六个自由度； 例如，要把一个球放到空间某个给定位置，又三个自由度就足够了；又如，要 对某旋转砖头进行定位与定向，就需要五个自由度。机器人机械手的手臂一般具有 3 个自由度，其他的自由度数为末端执行装 置所具有。例如，当要求某一机器人钻孔时，其钻头必须转动，不过，这一转 动总是由外部的马达带动的，因此，不把它看作机器人的一个自由度，这同样 适用于机器人的一个自由度，这同样适用于机器人的机械手爪，机械手的夹手 应能开闭，这个开闭所用的自由度不能当作机器人的自由度，因为这个自由度 只对夹手的操作起作用。 6 抓重：又称臂力，指额定抓取重量，

12、以 kg 表示。 7 动作范围与速度：指各运动自由度的行程范围和动作速度： 手臂运动参数包括 手腕运动参数 手指夹持范围(mm)和握力(加紧力或吸力) 8 定位方式：是指采用的固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关、电位器或 其它位置设定和检测装置。 9 控制方式：(是采用 PTP，还是 CP 控制) 10 定位精度：位置设定精度或重复定位精度。 11 驱动方式：指采用液压、气动、电动、机械等何种方式以及驱动机构情况。12 驱动源：油泵规格、电动机功率、类型、规格。 13 编程方法与程序容量：程序存储方式。 14 外形尺寸 15 整机重量 16 控制系统电源规格。第三节第三节机器人的分类机器人的

13、分类机器人的分类方法主要有三种： (1) 按设备的机械结构（坐标形式）分类。 (2) 按控制部件(即关节或轴)分类。 (3) 按用途分类。 一一 根据坐标系分类根据坐标系分类虽然机器人的结构差异很大，但所有机器人均能将一个部件移动到空间的某 一点。装置（机器人）的主要运动轴一般有 13 个自由度，由结实耐用的关节 （多半紧靠基座部位）构成。因而，大部分机器人按这些关节所用的坐标系将 机器人分为四类，即柱坐标、球坐标、笛卡尔坐标和垂直多关节机器人。 1 柱坐标系机器人 当水平臂或杆架安装在一垂直柱上，而该 柱有安装在一个旋转基座上，这种结构可 称为柱坐标机器人。手臂可伸缩（沿 r 方向） 滑动架

14、（托板）可沿柱上下移（Z 轴 方向） 水平臂和滑动架组合件可作为基座上 的一个整体而旋转（绕 Z 轴）（一般旋转不允许旋转 360，因为有液 压，电气或气动联结机构或连线造成的这 种约束。 ）根据机械上的要求，其伸出长度有一最小值和最大值，所以，此机器人总的 体积或工作包络范围是圆柱体的一部分。 2 2 球坐标系机器人球坐标系机器人 其臂可升出缩回（R）类似于可 伸缩的望远镜套筒。 在垂直面内绕轴回转（） 在基座水平面内转动（）机器人的结构机构的运动是球坐 标运动，机器人称为球坐标机器人。由于机械和驱动器连线的限制，机器人的工作包络范围是球体的一部分。3 3 关节机器人关节机器人关节机器人实际

15、上有三种不同的形状： 纯球状 平行四边形球状 圆柱状 (1)(1)纯球状纯球状 这种最普通的关节结构中，机器人所 有的连杆都用枢轴装置而成，因而都可 以旋转。机械臂的上臂和前臂相连，该 枢轴常称为肘关节，允许前臂转动角度 ；上臂与基座相连，与基座垂直的面 内的运动可绕此肩关节进行角度；而 基座可自由转动，因而整个组合件可在 与基座平行的平面内移动角度，具有 这类结构的机器人的工作包络范围大体 上是球状的。这种设计的优点主要是机械臂可以够 的找机器人基座附近的地方，并越过其 工作范围内的人和障碍物。(2)(2)平行四边形球状平行四边形球状 用多重闭合的平行四边 形的连杆机构代替单一的刚 性构件的

16、上臂，这种结构的 主要优点是： 它允许关节驱动器 位置靠近机器人的基座或装 在机器人的基座上，这就意 味着它们不是装在前臂或上 臂之内或之上，从而使臂的 惯性机重量大为减少，结果 是采用同样大小的执行器时 它们所具有的承载能力就比 球体关节的机器人要大。 其另一个优点是机械刚度比其它大多数机械手大。平行四边形结构的主 要缺点是与相应的关节球状坐标机器人的工作范围相比较，受到的限制较大。(3)(3)圆柱状圆柱状这种结构用多重铰接开放运动 学链系代替纯圆柱状机器人中的单 一轴部件。这种机器人有精密且快 速的优点，但一般垂直作用范围有 限（Z 方向） ，通常 Z 轴运动用一简 单的气缸或步进店及控制，而其它 轴则采用较复杂的精巧的电气执行 器（如伺服电机） 。4 4 笛卡尔坐标系机器人（直角坐标笛卡尔坐标系机器人（直角坐标 机器人）机器