现代制造技术教学课件作者第3版隋秀凛第5章工业机器人

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1、第5章 工业机器人,5.1 工业机器人的概述 5.2 工业机器人的机械结构 5.3 工业机器人的控制与驱动 5.4 工业机器人的编程语言 5.5 工业机器人的应用,5.1 工业机器人的概述 5.1.1 工业机器人的定义及特点 5.1.2 工业机器人的发展状况及发展方向 5.1.3 机器人的分类 5.1.4 工业机器人的组成,5.1.1 工业机器人的定义及特点,机器人（Robot）是1920年由捷克作家Karel Capek在剧本罗萨姆的万能机器人中塑造的一个具有人的外表、特征和功能，愿意为人类服务的机器人奴仆“Robota”一词衍生出来的。 工业机器人（Industrial Robot）是在工

2、业生产上应用的机器人。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成。如图5-1所示,图5-1 工业机器人系统的基本结构,（一）工业机器人的定义 ISO的定义：工业机器人是一种具有自动操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。 我国的定义：一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。,（二）工业机器人的特点 （1）可编程 生产自动化的进一步发展是柔性自动化，工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程。 （2）拟人化 工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑

3、。 （3）通用性 除了专门设计的专用的工业机器人外,一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。 （4）机电一体化 工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合机电一体化技术。,5.1.2 工业机器人的发展状况及发展方向,（一）工业机器人的发展状况 机器人技术是在控制工程、计算机科学、人工智能和机构学等多种学科基础上发展起来的一种综合性技术。第一台工业机器人诞生于1956年，是英格尔博格（J.Engelberger）将数字控制技术与机械臂相结合的产物。 1958年美国的Consolidated公司制作了第一台工业机器人。作为机器人产品出售的最早的实用机型是1

4、962年美国UNINATION公司推出的第一台数控机械手，它的主要特征是一种具有记忆存贮功能的示教再现式机器人，被称为第一代机器人。,20世纪70年代，出现了配备有感觉传感器的第二代工业机器人，它最主要的特征是带有传感系统，可以离线编程，这种传感系统使得机器人具有视觉、触觉等功能，可以完成最精密的元件检测、装配、物料的装卸等。 具有智能功能的第三代机器人是20世纪80年代开始研制的，这一代机器人在具有二代机器人所以技术的基础上，还具有灵活的思维功能和自治能力。现在广泛应用的为第一代和第二代机器人。,美国的机器人技术一直处于世界领先水平。由于美国机器人协会、制造工程师协会积极主动地进行机器人技术

5、推广工作，且美国为了高效生产，适应市场变化的需要，以机器人为核心的柔性自动化生产线恰好满足这些需求，所以机器人技术得以迅猛发展。 日本机器人的发展经过了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用化时期以及80年代的普及、提高期三个基本阶段。 我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年的发展大致经历了三个阶段：70年代的萌发期，80年代的开发期和90年代适用化期。从20世纪90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈出了一大步，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人的腾飞奠定了基础。,（二）工业机器人的发展方向 工业机器人技术从它诞生到现在也得到了迅速的发展和提高，总的发展趋势可概括

6、如下几个方面： （1）提高运动速度和动作精度，减轻重量和减少安装占用空间，继续推广机器人功能部件的标准化和模块组合化，以降低成本和提高可靠性。 （2）研究开发新型的机器人结构，例如开发新型微动作机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以适应复杂作业的需要。,（3）在多品种小批量生产的柔性制造自动化技术中，特别是机器人自动装配技术中，要求工业机器人对外部环境和对象物体具有自适应能力，即具有一定“智能”。 （4）大力开发机器人仿真技术和计算机软件系统，作业任务采用计算机语言以“离线编程”方式进行。采用计算机仿真技术可经济地校核机器人在完成某个操作过程的可行性。,5.

7、1.3 机器人的分类,1. 按系统功能分类 （1）专用机器人 这种机器人在固定地点以固定程序工作，无独立的控制系统，具有工作对象单一，动作较少，结构与系统简单，价格低廉的特点。比较适用于大批量生产系统中使用，如图5-2所示的自动换刀机械手。,图5-2 自动换刀机械手,（2）通用机器人 这种机器人具有独立的控制系统，工作程序可变，动作灵活多样，以适应不同的工作对象，如图5-3。它的机构较为复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适合于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统。,图5-3 通用机器人,（3）示教再现机器人 机器人具有记忆功能，可完成复杂动作，适用于多工位和经常变换工作路线的作业，

8、如图5-4。它在由人示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。,图5-4 可识别语音指令的示教再现机器人,（4）智能机器人 机器人具有各种感觉功能和识别功能，能做出决策并自动进行反馈纠正，如图智能机器人。它采用计算机控制，依赖于识别、学习、推理和适应环境等智能，决定其动作或作业。,表演舞蹈的智能机器人,2. 按驱动方式分类 （1）液压式机器人 机器人采用液压传动，传动平稳、结构紧凑、动作灵敏，使用较为广泛。 （2）气动式机器人 机器人以一种压缩空气来驱动执行机构的运动，具有动作迅速、结构简单、成本低的特点。适用于在高速轻载、高温和粉尘大的环境中作业。,（3）电力式机器人

9、 机器人由交、直流伺服电动机、直线电动机或功率步进电动机驱动，不需要中间转换机构，故机械结构简单。近年来，机械制造业大部分采用这种电力式机器人。,3. 按结构形式分类,直角坐标机器人,圆柱坐标机器人,球坐标机器人,关节机器人,4. 按使用行业、部门和用途分类,军事机器人,医疗机器人,海底采矿机器人,焊接机器人,5.1.4 工业机器人的组成,如图5-9所示，工业机器人由三大部分六个子系统组成。,图5-9 机器人系统组成,1驱动系统 机器人的驱动单元由驱动器、减速器、检测元件等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。目前驱动方式主要有气动、液压和电动三种。 2机械结构系统 工业机器人

10、的机械结构系统由机身、手臂（包括腕部）、末端操作器三大部分组成，如图5-10所示。,图 5-10 工业机器人机械结构,（1）机身 它是工业机器人机构中相对固定并承受相应力的基础部件。 （2）手臂 它由操作机的动力关节、连接杆件和腕部等构成，是用于支承和调整末端执行器位置的部件。 （3）末端操作器 它是操作机直接执行工作的装置，直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。如图5-11所示。,图 5-11机器人手爪实物图,3感受系统 它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。内部传感器用于检测各关节的位置、速度等变

11、量，如图5-12所示常用的内部传感器：光电码盘，也有采用电位计、旋转变压器、测速发电机的。 外部传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况的，用于机器人引导和物体识别及处理，如图5-13所示。,图 5-13 外部传感器模块,图 5-12 内部传感器模块,简单介绍触须传感器的工作原理（如图5-14）：,图 5-14触须传感器 （a）结构简图（b）应用实例,4机器人环境交互系统 工业机器人的机器人环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。 5. 人机交互系统（如图5-15） 人机交互系统是使操作人员参与机器人控制，与机器人进行联系的装置。

12、归纳起来为可分两大类：指令给定装置和信息显示装置。,图 5-15人机交互系统,6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去完成规定的运动和功能。,5.2 工业机器人的机械结构 5.2.1 工业机器人的臂部结构 5.2.2 工业机器人的腕部结构 5.2.3 工业机器人的手部结构 5.2.4 机器人的基本参数和性能特征,5.2.1 工业机器人的臂部结构,机器人的臂部由大臂和小臂组成，大臂完成回转、升降或上下摆运动，小臂完成伸缩运动。臂部结构刚度要求高、导向性要好、重量要轻、运动要平稳、定位精度要高。根据手臂的结构形式区分，手臂有单臂和双臂等形

13、式；根据手臂的运动形式区分，手臂有直线运动和回转运动两种运动形式。 1手臂直线运动机构 机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动。活塞油（气）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构以及连杆机构等实现直线运动。,2手臂回转运动机构 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。 图5-16所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双臂机器人手臂的结构图，简要介绍一下其工作原理。,图 5-16 双臂机器人的手臂结构 1-铰接活塞油缸 2-连杆(即活塞杆) 3-手臂(即曲柄) 4-支承架5、6-定位螺钉,5.2.2 工业机器人的腕部结构,工业机器人

14、的腕部是连接手部与臂部的部件，起到支承手部的作用。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间三个坐标轴 X 、Y 、Z 的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。通常也把手腕的翻转叫做Roll，用R表示；把手腕的俯仰叫做 Pitch，用 P 表示；把手腕的偏转叫做 Yaw，用 Y 表示。 手腕按自由度数目来分，可分为单自由度手腕、二自由度手腕及三自由度手腕。,（1）单自由度手腕，如图5-17所示。,图 5-17单自由度手腕,（2）二自由度手腕，如图5-18所示。,图 5-18 二自由度手腕,（3）三自由度手腕，如图5-19所示。,（a）BBR手腕,（b）BRR手腕,（c）BBB手腕,（

15、d）RRR手腕,手腕的具体示例：MOTOMAN SV3机器人的手腕结构（如图5-21所示）,图5-21 MOTOMAN SV3机器人的手腕结构,5.2.3 工业机器人的手部结构,机器人的手部（末端执行器）是用来握持工件或工具的部件。大部分的手部机构都是根据特定的工件要求而专门设计的，各种手部的工作原理不同，故其结构形态各异。 常见的机器人末端执行器有夹持式、勾托式、吸附式和拟手指式等几种形式。 图5-22为一种夹持式末端执行器，由手爪、驱动机构、传动机构及连接与支撑元件组成，通过手爪的开、合动作实现对物体的夹持。,图5-22 夹持式末端执行器 1-手爪； 2-传动机构； 3-驱动机构；4-支架

16、；5-工件,图5-25为一种三指手爪的外形图，每个手指是独立驱动的。这种三指手爪与二指手爪相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体等不同形状的物体。,图5-25 三指手爪,5.2.4 机器人的基本参数和性能特征,机器人的基本参数和性能特征影响机器人的工作效率和可靠性，通常应考虑如下几方面： 1. 运动自由度 如图5-26所示的球坐标机器人，6个基本运动中，3个是臂部和机身的，3个是腕部的。,图5-26 工业机器人典型的六个自由度,2. 工作空间 工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。 3.承载能力 承载能力是指机器人在工作范围内的位姿上所能承受的最大重量。,4. 运动速度 运动速度影响机器人的运动周期和工作效率，它与机器人所提取的重量和位置都有密切的关系。 5. 位置精度 位置精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标。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刚度，此外还与提取重量和运动速度等因素有密切的关系。,5.3 工业机器人的控制与