工业机器人基础知识,科普式交流,2016年8月21日,,,,,,,,,,,,1 2 3 4 5 6 7 8, 工业机器人意义与定义 工业机器人分类 工业机器人组成和性能参数 工业机器人的结构 工业机器人控制技术 工业机器人传感系统 工业机器人的应用 工业机器人发展方向,,,,,,,,,,,,,,1910年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota （捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工 人”），创造出“机器人”这个词1、工业机器人意义与定义,,,,,,,,,,,,,,阿西莫夫“机器人三定律”,第一法则:机器人不得伤害人类，或坐视 人类受到伤害；,第二法则:除非违背第一法则，机器人必 须服从人类的命令；,第三法则在不违背第一及第二法则下， 机器人必须保护自己1、工业机器人意义与定义,,,,,,,,,,,,,,,1、工业机器人意义与定义 为什么要用机器人？ 有些工作对人体有伤害，如 喷漆，重物搬运； 有些产品要求极高的质量， 如焊接、精密装配； 有些工作人难以参与，如核 燃料加注、高温熔炉； 有些工作枯燥乏味，如流水,生产线提高效率 降低成本,,,,,,,,,,,,,,,,1、工业机器人意义与定义, 什么是工业机器人？,如何定义？,,,,,,,,,,,,,,“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编 程操作机。
国际标准化组织，1987,1、工业机器人意义与定义,三大特征：,（1）拟人功能：机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工 具因此，数控机床和汽车不是机器人；,（2）可编程性：机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随工作环境变化 的需要而再编程一般的电动玩具没有感觉和识别能力，不能再编程，因此 不能称为机器人；,（3）通用性：一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性比如， 通过更换机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的任务 什么是工业机器人？,,,,,,,,,,,,1 2 3 4 5 6 7 8, 工业机器人意义与定义 工业机器人分类 工业机器人组成和性能参数 工业机器人的结构 工业机器人控制技术 工业机器人传感系统 工业机器人的应用 工业机器人发展方向,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,分类名称 操作型机器人 程控型机器人 示教再现型机器人 数控型机器人 感觉控制型机器人 适应控制型机器人 学习控制型机器人 智能机器人,简要解释 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动， 用于相关自动化系统中。
按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作 通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人 则自动重复进行作业 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人 根据示教后的信息进行作业 利用传感器获取的信息控制机器人的动作 机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动 机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学” 的经验用于工作中 以人工智能决定其行动的机器人2、工业机器人的分类,柱坐标系机器人,z,R,r,1、手臂可伸缩（沿r方向）； 2、滑动架（托板）可沿柱上下移动（z轴方向）； 3、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约束2、工业机器人的分类 根据机械结构（坐标形式）分类,2.1 串联机器人 柱坐标机器人 球坐标机器人 关节机器人 笛卡尔坐标机器人,2.2 并联机器人,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1. 2. 3.,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（,）。
2、工业机器人的分类 柱坐标机器人 球坐标机器人 关节机器人 笛卡尔坐标机器人,球坐标系机器人,,,,,,,,,,,,,,A 纯球状,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优点：机械臂可以方便灵活的到达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、工业机器人的分类, 柱坐标机器人 球坐标机器人 关节机器人, 笛卡尔坐标机器人,B 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上臂优点：, 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；, 机械刚度比其它大多数机械手大 缺点：工作范围受到的限制较大2、工业机器人的分类,,,,,,,,,,,,,,2、工业机器人的分类,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,或步进电机控制，而其它轴则采用 较精巧的电气执行器（如伺服电机 ）z,r1,r2,r3,腕的 横滚,2、工业机器人的分类 C 圆柱状 圆柱状关节机器人也称为SCARA 机器人，这种结构用多重铰接开放,,,,,,,,,,,,,,2、工业机器人的分类,,,,,,,,,,,,,,2、工业机器人的分类,A 悬臂笛卡尔式 从支撑架伸出的长度有限， 刚性差，但其工作空间所受 约束较其它机器人所受的约 束少，故重复性和精度高；, 其坐标更近乎自然状态，故 编程容易； 但有些运动形式，由于需要 大量计算，此结构可能较难 完成，如方向与任何轴都不 平行的直线轨迹x,z,腕的俯仰 腕的偏摆 腕的偏摆,腕的横滚 腕的横滚,2、工业机器人的分类 柱坐标机器人, 球坐标机器人 关节机器人 笛卡尔坐标机器人 y,,,,,,,,,,,,,,2、工业机器人的分类,,,,,,,,,,,,,,B 门形笛卡尔式（桁架机器人）,一般在需要精确移动以及负载较大 的时候使用，这类机器人常常安在 顶板（天花板）上2、工业机器人的分类,,,,,,,,,,,,,,2、工业机器人的分类,,,,,,,,,,,,,,,并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链 相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一 种闭环机器人。
优点：, 无累积误差，精度高；, 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重,量轻，速度高，动态响应好；, 结构紧凑，刚度高，承载能力大；, 完全对称的并联机构具有较好的各向同性缺点：, 工作空间较小2、工业机器人的分类,2.2 并联机器人,,,,,,,,,,,,,,,6自由度并联机构,3/4自由度并联机构,2自由度并联机构,2、工业机器人的分类 2.2 并联机器人 从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动 机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动 机构 按并联机构的自由度数分类：,,,,,,,,,,,,2自由度并联机构,,,,,,,,,,,,3自由度并联机构,,,,,,,,,,,,并联机器人上下料,,,,,,,,,,,,并联机器人分拣,,,,,,,,,,,,并联机器人装配,,,,,,,,,,,,6自由度并联机构,,,,,,,,,,,,1 2 3 4 5 6 7 8, 工业机器人意义与定义 工业机器人分类 工业机器人组成和性能参数 工业机器人的结构 工业机器人控制技术 工业机器人传感系统 工业机器人的应用 工业机器人发展方向,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,执行机构 控制系统 驱动系统（液压缸、电机等） 检测系统,工 业 机 器 人,3、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成,控制系统,驱动系统,执行机构,操作对象,各组成部分关系 检测系统,,,,,,,,,,,,,,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 动腕部运动腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，与臂部运动结合，把腕 部传递到需到的工作位置基座（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3、工业机器人的组成和性能参数,3.1 工业机器人的组成,A 执行机构,,,,,,,,,,,,,, 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 驱动器通常有：, 电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机 液压驱动； 气动驱动3、工业机器人的组成和性能参数,3.1 工业机器人的组成,B 驱动系统,,,,,,,,,,,,,, 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C 控制系统,3、工业机器人的组成和性能参数,3.1 工业机器人的组成,,,,,,,,,,,,,,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状况，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3、工业机器人的组成和性能参数,3.1 工业机器人的组成,D 检测系统,,,,,,,,,,,,,,,性能参数,工作空间 精度/重复定位精度 最大工作速度 其它动态特性,3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 自由度数 负载能力,端操作器）的开合自由度C,2,3,1,2,3,1,4,5 要定位的 旋转钻头,要定位 的球体,(b),(a),冗余度机器人：,从运动学的观点看，在完成某一 特定作业时具有多余自由度的机 器人，就叫做冗余自由度机器人， 亦可简称冗余度机器人。
3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 A 自由度 自由度英文名称为Degree of freedom，缩写为DOF 机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末,,,,,,,,,,,,,,3、工业机器人的组成和性能参数,,,,,,,,,,,,,,例如：ABB1410机器人去执,行印刷电路板上接插电子 器件的作业时就成为冗余 度机器人利用冗余的自由度可以增 加机器人的灵活性，躲避 障碍物和改善动力性能3、工业机器人的组成和性能参数,3.2 工业机器人的性能参数, 定位精度是指机器 人手部实际到达位,机器人重复定位其 手部至同一目标位,置的能力，可以用 标准偏差这个统计,量来表示，它是衡,量一列误差值的密 集度，即重复度，,置与目标位置之间 的差异 A 重复定位精度是指,h,h,B,h,B,O,O,B,(b),(c),(d),（a）重复定位精度的测定；（b）合理定位精度，良好重复定位精度； （c）良好定位精度，很差重复定位精度；（d）很差定位。