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1、,第1章 绪论 第2章 制造自动化技术 第3章 微细加工技术 第4章 快速原型技术 第5章 工业机器人 第6章 虚拟制造技术 第7章 纳米技术 第8章 压电驱动与控制技术 第9章 绿色制造技术,第5章 工业机器人,中国农业大学,先进制造技术,第5章 工业机器人,5.1 概 述,5.2 工业机器人的机械结构设计,5.3 工业机器人运动学和动力学,5.4 工业机器人轨迹规划和控制,5.5 工业机器人的感觉技术,5.6 工业机器人在现代制造技术中的应用,5.7 工业机器人的发展趋势,5.1 概 述,5.1.1 工业机器人的概念,5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点,5.1.3 工业机器人的分类
2、,5.1.4 工业机器人的基本参数和性能指标,5.1.1 工业机器人的概念,机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器。,工业机器人则是在工业生产中应用的机器人，是一种可重复编程的、多功能的、多自由度的自动控制操作机。,机器人时代的到来,5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点,现代的工业机器人一般由机械系统、控制系统、驱动系统、智能系统四大部分组成。,图5-1 工业机器人的组成 1基座 2腰部 3臂部 4腕部,中国农业大学,5.1.2 工业机器人的基本组成和结构特点,工业机器人在结构上特点，主要有： 1） 工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接，末端开放的
3、一个开式连杆系，连杆末端一般无法加以支撑，因而操作机的结构刚度差。 2）在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。 3）连杆驱动扭矩在运动过程中的变化规律比较复杂，连杆的驱动属于伺服控制型，对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。 4）连杆的受力状态、刚度条件和动态性能都随位姿的改变而变化，因此容易发生振动或其它不稳定现象。,5.1.3 工业机器人的分类,按结构形式分类,按驱动方式分类,按自由度数目分类,按控制类型分类,5.1.4 工业机器人的基本参数和性能指标,工作空间（Work Space）,运动自由度（DOF，Degree of Freedo
4、m）,运动精度（Accuracy）,有效负载（Payload）,运动特性（Speed）,动态特性,5.2 工业机器人的机械结构设计,5.2.1 机器人机型评价,5.2.2 机器人的臂部结构,5.2.3 机器人的腕部结构,5.2.4 机器人的手部结构,5.2.1 机器人机型评价,性能指标,能耗指标,寿命指标,5.2.2 机器人的臂部结构,机器人的臂部一般要求具有前后伸缩、上下升降、左右回转等运动功能。机器人的臂部由大臂和小臂组成，大臂完成回转、升降或上下摆动运动，而小臂完成伸缩运动。大臂与基座相连，小臂前段装有腕部和手部（有时也可以没有腕部）。图5-3为一种比较典型的手臂机构，图5-4为一种手臂
5、作回转运动的结构。,图5-3 齿轮齿条增倍的手臂机构 1运动齿条 2齿轮 3活塞杆,图5-4 手臂回转运动机构 1齿轮 2齿条活塞活塞,5.2.2 机器人的臂部结构,5.2.3 机器人的腕部结构,机器人的腕部是小臂（上臂）和手部（末端执行器）之间的连接部件。起着支撑手部、调整和改变手方位的作用，故腕部也称作机器人的姿态机构。,机器人的腕部结构按自由度数目可分为单自由度、二自由度和三自由度手腕。图5-5为一种单自由度手腕，图5-6为二自由度手腕。,5.2.3 机器人的腕部结构,图 5-5 SCARA机器人,5.2.3 机器人的腕部结构,图5-6 汇交式两自由度手腕 1法兰 2锥齿轮轴 3锥齿轮
6、4、8弹簧 5、7链轮 6、9轴承 10转壳,Ln,1,2,3,4,5,6,7,10,8,9,5.2.4 机器人的手部结构,工业机器人的手部（末端执行器）是装在手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。手部与手腕相连处一般可以拆卸，以适应不同的作业需要。,常见的机器人末端执行器有夹持式、吸附式和拟手指式等几种型式。图5-10为一种夹持式末端执行器，图5-11为一种气流副压吸附式末端执行器，图5-12为一种3指手爪的拟手指式末端执行器。,5.2.4 机器人的手部结构,4,5,1,2,3,图5-10 夹持式末端执行器 1手指 2传动机构 3驱动装置 4工件,5.2.4 机器人的手部结构,图5-11 气流
7、负压吸附取料手 1橡胶吸盘 2心套 3通气螺钉 4支承杆 5喷嘴 6喷嘴套,5.2.4 机器人的手部结构,图5-12 三指手爪,S.F.（第2指）,F.F.（第1指）,T.F.（第3指）,5.3 工业机器人运动学和动力学分析,5.3.1 工业机器人运动学分析,5.3.2 工业机器人动力学分析,5.3.1 工业机器人运动学分析,机器人运动学研究的是操作机各连杆 间的位移关系、速度关系和加速度关系， 关节变量与机器人末端执行器位姿和运动 的系。,机器人连杆参数及连杆坐标系的建立 为了研究操作机各连杆之间的位移 关系，可在每个连杆上固接一个坐标系， 然后描述这些坐标系之间的关系。,工业机器人运动学方
8、程,雅可比矩阵 运动学方程建立的是操作空间与关节空间 位移的关系，雅可比矩阵则是研究操作空间速 度与关节空间速度之间的线性映射关系，同时 还可用来表示两空间之间力的传递关系。,5.3.1 工业机器人运动学分析,5.3.2 工业机器人动力学分析,工业机器人动力学主要是是研究物体 的运动和受力之间的关系。,两种研究机器人动力学问题的方法 拉格朗日法 牛顿欧拉法,5.4 工业机器人轨迹规划和控制,5.4.1 工业机器人的轨迹规划,5.4.2 工业机器人的控制,5.4.1 工业机器人轨迹规划,机器人的工作过程，就是通过规划将要 求的任务变为期望的运动和力，由控制环节 根据期望的运动和力信号，产生相应的
9、控制 作用，以使机器人输出实际的运动和力，从 而完成期望的任务，这一个过程可以表述如 图5-16所示。,5.4.1 工业机器人轨迹规划,人机接口,规 划,控 制,机器人本体,要求的任务,期望的 运动和力,控制作用,实际的 运动和力,图5-16 机器人工作原理示意图,关节空间轨迹规划法 在关节空间进行轨迹规划时，路径不 是唯一的，只要满足路径点上的约束条件 可以选取不同类型的关节角度函数生成不同 的轨迹。,5.4.1 工业机器人轨迹规划,直角坐标空间轨迹规划法,轨迹的实时生成,5.4.2 工业机器人的控制,工业机器人的控制实际上包含 “任务规划”、“动作规划”、“轨迹规划”和“伺服控制”等多个层
10、次（如图5-19）。,工业机器人控制的一个明显特点是要求实现多轴运动的协调控制，包括运动轨迹和动作时序等多方面的协调，并要求有较高的位置精度和很大的调速范围。,5.4.2 工业机器人的控制,机器人控制器的功能,人机接口,命令理解,任务规划,动作规划,轨迹规划生成,伺服控制,电流电压控制,伺服控制,传感器,机器人示载,图5-19 机器人控制过程图,5.4.2 工业机器人的控制,关节伺服控制 是以关节位置或关节轨迹为目标值的控 制形式。,作业空间伺服控制,5.5 工业机器人的感觉技术,机器人感觉技术可分为内部状态感觉和 外部状态感觉两大类。机器人对本身状态 （如位姿、速度和加速度）的检测称为内部
11、状态感觉；机器人对工作环境的感觉称为外 部状态的感觉。,视觉传感器 视觉一般是利用光（也可采用可见光以 外的红外线等）的非接触方式来识别物体。 常见的视觉传感器包括PSD传感器、CCD图像 传感器、全方位视觉传感器等。,5.5 工业机器人的感觉技术,触觉传感器 目前的触觉传感器主要有接触觉、接近 觉、压觉、滑觉和力觉传感器四种。,5.6 工业机器人在现代制造业中的应用,5.6.1 焊接机器人,5.6.2 喷漆机器人,5.6.3 装配机器人,5.6.4 搬运机器人,5.6.1 焊接机器人,点焊机器人 图5-30所示为德国产IR662/100型点焊 机器人总图，它是一种用于地面安装的工业 机器人。
12、,弧焊机器人 图5-31所示为日本汽车工业使用的一种 曲柄式弧焊机器人。,17,16,15,14,13,12,11,10,9,8,7,1,2,3,4,5,6,5.6.1 焊接机器人,图5-30 IR662/100 型点焊机器人 1手臂及手腕 2臂架 3橡皮缓冲器 4肘形节杆 5回转台 6基座 7连接电缆 8转台缓冲器 9第一轴（转台）电机（M1） 10、14平衡气缸 11第二轴（臂架）电机（M2） 12第三轴螺杆 15驱动臂架 16电机组（M4、M5、M6）17控制柜,5.6.1 焊接机器人,5.6.1 焊接机器人,焊接电源,显示器,机器人控制装置,夹具控制装置,机器人,焊接夹具,工件,图5-
13、31 弧焊机器人,5.6.1 焊接机器人,5.6.1 焊接机器人,5.6.2 喷漆机器人,喷漆机器人广泛应用于汽车车体、家电 产品和各种塑料制品的喷漆作业。图5-32为日本TOKICO公司生产RPA856RP关节式喷漆机器人。该机器人由操作机、控制箱、修正盘和液压源四部分组成。,5.6.2 喷漆机器人,图5-32 RPA 856RP 机器人基本组成及关节轴回转角度,5.6.2 喷漆机器人,5.6.3 装配机器人,采用工业机器人进行自动装配，是近十几年来才发展起来的一项新技术。从目前的情况看，整个机械制造过程中自动化程度最低的就是装配工艺。图5-33所示是日本九洲工业大学研制的专用装配机器人KA
14、M。带有力反馈机构的精密装配作业机器人的装配作业如图5-34所示。,5.6.3 装配机器人,2,1,4,3,6,5,7,14,15,13,12,11,10,8,9,16,22,21,20,19,18,17,图5-33 KAM装配机器人机械结构图 1Z方向导轨挡板 2r方向电机安装台 3减速齿轮 4方向直联齿轮 5r方向导轨 6r方向滚珠丝杠 7Z方向滚珠丝杠 8Z方向导轨 9传动箱 10Z方向丝杠支座 11涡轮 12装配底板 13支座 14Z方向进给齿轮 15Z方向直联齿轮 16Z轴进给支板 17爪部 18轴承座 19涡杆 20中间齿轮 21方向直联齿轮 22方向电机安装台,5.6.3 装配机
15、器人,1,z,2,3,4,5,7,6,y,x,8,9,图5-34 精密插入装配机器人的装配作业 1主机器人 2柔性手腕 3、5触觉传感器（应变片） 4弹簧片 6基座零件的传送、定位 7辅助机器人 8联套供料机构 9小轴供料机构,5.6.4 搬运机器人,随着计算机集成制造技术、物流技术、自动仓储技术的发展，搬运机器人在现代制造业中的应用也越来越广泛。图5-35所示为一种搬运机器人。该机器人是用来抓取、搬运来自输送带或输送机上流动的物品的自动化装置。,5.6.4 搬运机器人,y轴,z轴,x轴,极式分配器,多工位式输送机,卸载输送机,控制台,极式输送机,操作台,横进给式输送机,图5-35 搬运机器人
16、500型的构成,5.7 工业机器人技术的发展趋势,5.7.1 机器人的智能化,5.7.2 机器人的多机协调化,5.7.3 机器人的标准化,5.7.4 机器人的模块化,5.7.5 机器人的微型化,5.7.1 机器人的多机协调化,机器人的智能化研究可以分为两个层次，一是利用模糊控制、神经元网络控制等智能控制策略，利用被控对象对模型依赖性不强的特点来解决机器人的复杂控制问题；二是使机器人具有与人类类似的逻辑推理和问题求解能力，面对非结构性环境能够自主寻求解决方案并加以执行，这是更高层次的智能化。,5.7.1 机器人的多机协调化,5.7.2 机器人的智能化,由于生产规模不断扩大，对机器人的多机协调作业要求越来越迫切。在很多大型生产线上，往往要求很多机器人共同完成一个生产过程，因而每个机器人的控制就不单纯是自身的控制问题，需要多机协调动作。,5.7.2
