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1、第四章 工业机器人设计 第一节 概述,一、工业机器人的定义及工作原理 机器人没有统一的定义 机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。 机器人涉及到了人的概念，难以回答的哲学问题。 机器人一词最早诞生于科幻小说之中，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。,工业机器人是一种自动化生产装备。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息学、传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。,一、森政弘与合田周平提出的 机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的
2、柔性机器。 森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象。 二、加藤一郎：具有如下3个条件的机器称为机器人： 具有脑、手、脚等三要素的个体； 具有非接触传感器(用眼、耳接受远方信息)和接触传感器； 具有平衡觉和固有觉的传感器。（强调仿人）,1967年日本召开的第一届机器人学术会议上提出两个有代表性的定义。,美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。 日本工业机器人协会(JIR
3、A)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。 美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。 国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。,我国对机器人的定义：蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(a mechantronic device to imita
4、te some human functions)。 参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。 今天我们所做的一切，并不意味着不远的将来机器人就能像人一样思考，但通过人工智能的研究，它们能够变得更容易沟通、更具独立性、更加高效 。,为什么要发展机器人？,机器人技术发展编年表,6,日本和美国在20世纪60年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。 机器人的外型不一
5、定像人,7,（二）工业机器人的基本工作原理,一种装备，其基本功能是为作业提供所需的运动和动力。 工作原理： 通过操作机上各运动构件的运动，自动地实现手部作业的动作功能及技术要求。 与机床相比有其异同处： 1)二者的末端执行器都有位姿变化要求，如机床在加 工过程中，刀具相对工件有位姿变化要求，机器人的 手部在作业过程中相对机座也有位姿变化要求； 2)二者都是通过坐标运动来实现末端执行器的位姿变化要求。 机床按直角坐标形式运动为主，而机器人按关节形式运动为主； 3)机床对刚度、精度要求很高，其灵活性相对较低；而机器人对灵活性要求很高，其刚度、精度相对较低 。 应用：汽车制造领域（焊接机器人和喷漆机
6、器人） 、机械制造领域（装配、搬运、码垛、涂胶、喷涂等各领域）等行业。,点焊机器人 是以一汽红旗车身焊装生产线为应用背景，瞄准国际上典型机器人产品技术性能开发的一种具有先进性、可靠性的实用机器人产品。,搬运机器人 可实现搬运、码垛、焊接、装配等工作，具有较高的柔性自动化水平。,机器人在给汽车装车轮,便携式机器人 可实现六自由度弧焊机器人全部功能，同时可作为通用机器人完成其它工作，可任意位置安装。,二、工业机器人的构成及分类,（一）构成,(1)操作机 (2)驱动单元 (3)控制装置,为了用简洁的符号来表达机器人的各种运动，国标规定了机器人各种运动功能的图形符号。,（二）工业机器人的分类 1、按机
7、械结构类型分： （1）关节型机器人,关节全部是转动关节， 特点：动作灵活，工作空间大；关 节运动部位密封性好；运动 学复杂，不便于控制；刚度 和精度较低。,（2）球坐标型机器人；,两个旋转运动和一个直 线运动。 特点：工作范围较大；占地面 积小； 控制系统复 杂；刚度和精度较 差。,（3）圆柱坐标机器人,一个旋转运动和两个直线运 动。 特点：通用性较强；结构紧凑； 机器人腰转时将手臂缩 回，减少了转动惯量。 受 结构限制，手臂不能抵达 底部，减少了工作范围。,（4）直角坐标型机器人,都是移动关节。 特点：结构简单，刚度高。 关节之间运动相互独 立，没有耦合作用。 占地面积大，导轨面 防护比较困
8、难。,2.按用途和作业类别分类 焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人、浇注机器人、搬运机器人、切削加工机器人、采掘机器人、水下机器人等。,按技术级别分：,第一代工业机器人： 主要是示教再现控制的操作机器人。 第二代工业机器人： 具有感受功能的工业机器人。包括具有光觉、视觉、触觉、声觉等。 第三代工业机器人： 指智能化的高级机器人。 那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能。 第四代工业机器人： 指具有情感的高级机器人。 是科学家的梦想。,三、工业机器人的主要特性表示方法,国标（12644-2001）给出了工业机器人的13项特性，用这些特性来表示
9、工业机器人的作业性能、结构和规格特性等基本参数。 （一）坐标系 绝对坐标系、机座坐标系、机械接口坐标系、关节坐标系,绝对坐标系: X-Y-Z 机座坐标系: X0-Y0-Z0 机械接口坐标系: Xm-Ym-Zm 关节坐标系: Xi-Yi-Zi 固定在构件 i 上，且与构件 i 一起运动。,关节坐标系可以采用以下简明的方法 确定： (1)确定基准状态 一般可取机器人处于机械原点时的状态作为基准状态。也可以取机器人各关节轴线(或大部分关节轴线)与机座直角坐标系轴线平行时的状态 作为基准状态。 (2)关节坐标轴轴线位置的选取 Zi轴与 i 关节的运动方向一致： 回转关节： Zi轴与 i 关节的轴线重
10、合。 移动关节： Zi轴与 i 关节的运动方向平 行（或重合）。,(3) 关节坐标方向的选取 采用右手坐标 系，规定了Xi、Zi轴的方向，Yi轴 方向就自然确定 了,（二）机械结构类型 用它的结构坐标形式和自由度数表示。 自由度 是表示工业机器人动作灵活程度的参数， 是机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。 一般机器人前面的3个自由度由手臂实现，称 为主自由度，决定手腕的位置，其余的自由度 （腕部各关节）决定手爪的姿态方位。 一般情况下，机器人的自由度数与原动件数目相 等。 （三）工作空间 指工业机器人正常运行时，手腕参考点（也 可以用机械接口坐标系 原点 ）所能到达的最大区 域，用它来衡量机器
11、人工作范围的大小。,（四）其它特性 用途、外形尺寸和质量、负载、速度、驱动方式和动力源、控制、编程方法、性能、分辨率及环境条件等。,四、工业机器人的基本设计方法 由前述工业机器人工作原理分析可知，工业机器人与机床在基本功能和基本工作原理上有相似之处，但其特征及要求不同。从设计方法学上看，工业机器人的设计方法与机床设计方法基本相通，但其具体的设计内容、设计要求及设计技术又有很大差别。 （一）总体设计 1.基本技术参数的选择 1)用途。如搬运、点焊等。 2)额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内 ，机械接口处所能承受负载的允许值。包括机器人末端 执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力(矩)，
12、外界的 作用力(矩)来确定。 3)按作业要求确定工作空间。要考虑作业对象对机器人 末端执行器的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中 的自由度设计提供依据。,4)额定速度。指工业机器人在额定负载、匀速运动过程 中，机械接口中心的最大速度。由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。 5)驱动方式的选择。 6)性能指标。 2.总体方案设计 1)运动功能方案设计。该阶段的主要设计任务是设计确定机器人的自由度数、各关节运动的性质及排列顺序、在基准状态时各关节轴的方向。 2)传动系统方案设计。根据动力及速度参数、驱动方式等选择传动方式和传动元件。 3)结构布局方案。根据机器人的工作空间、运动功能
13、方案及传动方案，确定关节的形式、各构件的概略形状和尺寸。,4)参数设计。确定在基本技术参数设计阶段尚无法考虑 的一些参数，如单轴速度、单轴负载、单轴运动范围等 。该项工作应与第3项设计工作交叉进行。 5)控制系统方案设计。近期设计的工业机器人基本上都 是采用计算机控制系统。 6)总体方案评价。 进行评价后选取较好的方案，并进一步进行优化设计，作为后续详细设计的依据。 （二）详细设计 内容包括 ：装配图设计、零件图设计和控制 系统设计。 （三）总体评价 总体设计阶段（即第一步）所得的设计结果是各构件及关节的概略形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设计阶段尚未考虑的细节也具体化了，因此各部
14、分尺寸会有一些变化，需要对设计进行总体评价，检测其是否能满足所需设计指标的要求。,位置和姿态的表示 1.位置描述（位置矢量） 在直角坐标系A中,空间任意一点 p 的位 置可用 3x1 列向量(位置矢量)表示: 2.方位描述（旋转矩阵） 为了规定空间某刚体 B 的方位，固接B坐标系于该物体， B 的三个单位矢量n、o、a， A的三个单位矢量 i、j、k 。,R矩阵称为旋转矩阵，它是正交的。即 若坐标系B可由坐标系A，通过绕A 的某一坐标轴获得,则绕x,y,z三轴的旋转矩阵分别为,这些旋转变换可以通过右图推导 这是绕Z轴的旋转。其它两轴只要把坐标次序调换可得上页结果.,旋转矩阵的几何意义: 1)
15、可以表示固定于刚体上的坐标系B对参考坐标系的姿态矩阵。 2) 可作为坐标变换矩阵。它使得坐标系B中的点的坐标 变换成A中点的坐标 。 3) 可作为算子，将B中的矢量或物体变换到A中。,3.位姿描述 刚体位姿(即位置和姿态)，用刚体的方位矩阵和参考坐标的原点位置矢量表示，即,坐标变换 1.平移坐标变换 坐标系A和B具有相同的方位，但原点不重合。则点P在两个坐标系中的位置矢量满足下式：,2.旋转变换 坐标系A和B有相同的原点但方位不同，则点 P 在两个坐标系中的位置矢量有如下关系：,3.复合变换 一般情况原点既不重合，方位也不同。这时有：,例4.1 已知坐标系B的初始位姿与A重合，首先B相对于A的
16、ZA轴转30，再沿A的XA轴移动12单位,并沿A的YA轴移动6单位。求位置矢量APB0和旋转矩阵 。设点 P 在B坐标系中的位置为BP=3,7,0，求它在坐标系A中的位置。,齐次坐标变换 1.齐次变换 上式可以写为: P点在A和B中的位置矢量分别增广为: 而齐次变换公式和变换矩阵变为:,2.平移齐次坐标变换 A分别沿B的X、Y、Z坐标轴平移a、b、c距离的平移齐次变换矩阵写为： 用非零常数乘以变换矩阵的每个元素，不改变特性。 例4.2 求矢量2i+3j+2k被矢量4i-3j+7k平移得到的新的点矢量.,3.旋转齐次坐标变换 将上式增广为齐次式：,引入齐次变换后，连续的变换可以变成矩阵的连乘形式，计算简化。,例4.3 U=7i+3j+2k,绕Z轴转90度后，再绕Y轴转90度。 例4.4 在上述基础上再平移（4，-3，7）。,由矩阵乘法没有交换性，
