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1、 工业机器人工业机器人的分类及应用工业机器人的分类及应用 所 处 位 置 1 、按机器人的技术等级划分、按机器人的技术等级划分 【 课 （ 1 ） 示教再现机器人示教再现机器人 第一代工业机器人能够按照人类预先按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业，示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成 。 堂 认 知 】 返回 目录 （ 2 ） 感知机器人感知机器人 第二代工业机器人程具有环境感知装置，具有环境感知装置，能在一定度上适应环境的变化能在一定度上适应环境的变化，目前已经进入应用阶段。（ 3 ） 智能机器人智能机器人 第三代工业机器人具有发现问题，并
2、且具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，能自主地解决问题的能力，尚处于实验研究阶段。 课前回顾 按机器人结构坐标系特点方式分类按机器人结构坐标系特点方式分类1）直角坐标型机器人直角坐标型机器人 2）圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人 3）极坐标型机器人极坐标型机器人4）关节型机器人关节型机器人通过沿三个互相垂通过沿三个互相垂直的轴线的移动来直的轴线的移动来实现机器人手部空实现机器人手部空间位置的改变间位置的改变通过两个移动通过两个移动和一个转动实和一个转动实现位置的改变现位置的改变运动由一个直线运动运动由一个直线运动和两个转动组成和两个转动组成运动由前后的俯运动由前后的俯仰及立柱的回转仰及立
3、柱的回转组成组成章节目录 思考练习 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 2.1.2 控制器 2.1.3 示教器 2.2 工业机器人的技术指标 学习目标 导入案例 扩展与提高 本章小结 课堂认知 2.3 工业机器人的运动控制 2.3.1 机器人运动学问题 2.3.2 机器人的点位运动 2.3.3 机器人的位置控制 学习目标 所 处 位 置 能够正确识别工业能够正确识别工业机器人的基本组成机器人的基本组成 【 学 掌握工业机器人的机构掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能组成及各部分的功能能够正确判别工业能够正确判别工业机器人的点位运动和机器人的点位运动和连续路径运动连续路径运动 习
4、 目 标 】 返回 目录 认知目标认知目标能力目标能力目标导入案例 国产机器人竞争力缺失 关键技术是瓶颈 众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。虽然中国机器人产业经过 30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。 【 导 入 案 】 整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件 伺服电机、减速器和控制系统伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机
5、器人的“身体”）和下游系统集成商（国内 95% 的企业都集中在这个环节上）三个层面。 返回 目录 2.1 工业机器人的系统组成 第一代工业机器人主要由以下几部分组成： 操作机、控制器操作机、控制器和示教器示教器 。 示教器 是机器人的人机交互接口，操作者可通过它对机器人进行编程进行编程或手动操纵机器人移动移动。 操作机 用于完成各种作业任务的机械主体，主要包含机械臂、驱动装置、传动单元机械臂、驱动装置、传动单元以及内部传感器内部传感器等部分。 控制器 是完成机器人控制功能的结构实现，是决定机器人功能和水平的关键部分功能和水平的关键部分。 工业机器人系统组成 对于第二代及第三代工业机器人还包括感
6、知系统感知系统和分析决策系统分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。关节型机器人操作机基本构造 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成等部分组成。 伺服电机伺服电机 减速器减速器 腕关节腕关节 小臂小臂 肘关节肘关节 手腕手腕 大臂大臂 连接法兰连接法兰 皮带传动皮带传动 腰部腰部 肩关节肩关节 腰关节腰关节 基座基座 机器人
7、操作机的每个关节均机器人操作机的每个关节均采用采用 1 个交流伺服马达驱动个交流伺服马达驱动 返回 目录 2.1 工业机器人的系统组成 所 处 机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。 位 置 【 课 堂 认 知 】 吸盘 焊枪 夹紧爪 返回 目录 夹紧爪 夹紧爪 夹紧爪 吸盘 焊枪 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.1 操作机 所 处 (1) 机械臂 位 置 关节型工业机器人的机械臂是由关节关节连在一起的许多机械连杆机械连杆的集合
8、体 。实质上实质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节 - 连杆结构所构成的机械臂大体可分为 基座基座 、 腰部腰部 、 臂部（大臂和小臂）和手腕臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。 课 堂 认 知 返回 目录 机械部分机械部分1 手部手部2 手腕手腕（次轴）（次轴）3 臂部臂部（主轴）（主轴）5 基座基座末端执行器联接联接手部手部和和手臂手臂的部分，的部分，主要改变手部的空间方主要改变手部的空间方向和将作业载荷传递到向和将作业载荷传递到手臂手臂联接机身和手联接机身和手腕的部分，腕的部分，改改变手部的空间变手部的空间位置位置，并将各，并将各种载荷传递到种载
9、荷传递到机座机座起到支起到支承作用承作用4 腰部腰部腰部是机器人手臂的腰部是机器人手臂的支承部分支承部分 。基座基座 腰部腰部 大臂大臂 小臂小臂 手腕手腕 1、手臂的运动、手臂的运动垂直移动垂直移动径向移动径向移动回转运动回转运动机器人手臂的机器人手臂的上下运动上下运动手臂的伸手臂的伸缩运动缩运动机器人绕铅机器人绕铅垂轴的转动垂轴的转动2、手腕的运动、手腕的运动手腕旋转手腕旋转 手腕弯曲手腕弯曲手腕侧摆手腕侧摆手腕绕小手腕绕小臂轴线的臂轴线的转动转动手腕的上手腕的上下摆动下摆动手腕的水平手腕的水平摆动摆动最小的三指最小的三指手手 BHII 三指手三指手 四指灵巧四指灵巧手手 灵巧的双灵巧的双
10、手手 DLR多指手多指手哈工大多指手哈工大多指手Super Robust Robot Hand 超级 机器人灵巧手 DLR_标清2.1 工业机器人的系统组成 所 处 (2) 驱动装置 位 置 驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。 【 课 机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动液压驱动、气压驱动和电气驱动电气驱动三种基本类型。 堂 认 知 目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器电气驱动，而其中
11、属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。布置大都采用一个关节一个驱动器。 】 返回 目录 优点优点:(1) 可以获得较大的推力或转矩。可以获得较大的推力或转矩。(2) 液压系统介质的可压缩性小液压系统介质的可压缩性小, 工作平稳可靠工作平稳可靠, 并可得到较高的位置精度。并可得到较高的位置精度。 (3) 液压传动中液压传动中, 力、力、 速度和方向比较容易实速度和方向比较容易实现自动控制。现自动控制。 (4) 液压系统采用油液作介质液压系统采用油液作介质,具有防锈性和自具有防锈性和自润滑性能润滑性能, 可以提高机械效率可以提高机械效率, 使用寿命长。使用寿命长。 液压驱
12、动液压驱动存在的不足存在的不足: (1) 油液的粘度随温度变化而变化油液的粘度随温度变化而变化, 这将影响这将影响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。 (2) 液体的泄漏难于克服液体的泄漏难于克服,要求液压元件有较要求液压元件有较高的精度和质量高的精度和质量, 故造价较高。故造价较高。 (3) 需要相应的供油系统需要相应的供油系统,尤其是电液伺服系尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置统要求严格的滤油装置,否则会引起故障。否则会引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，大，能构成伺服机构，常用于大型机常用于
13、大型机器人关节的驱动。器人关节的驱动。 气动机械手气动机械手气压驱动气压驱动与液压驱动相比与液压驱动相比, 气压驱动的特点是气压驱动的特点是: (1) 压缩空气粘度小压缩空气粘度小, 容易达到高速容易达到高速(1 ms)。 (2) 利用工厂集中的空气压缩机站供气利用工厂集中的空气压缩机站供气, 不必添加动力设备。不必添加动力设备。(3) 空气介质对环境无污染空气介质对环境无污染,使用安全使用安全,可可直接应用于高温作业。直接应用于高温作业。 (4) 气动元件工作压力低气动元件工作压力低, 故制造要求也故制造要求也比液压元件低。比液压元件低。气压驱动的不足气压驱动的不足: (1) 压缩空气常用压
14、力为压缩空气常用压力为0.40.6 MPa, 若若要获得较大的压力要获得较大的压力,其结构就要相对增大。其结构就要相对增大。 (2) 空气压缩性大空气压缩性大,工作平稳性差工作平稳性差, 速度控制速度控制困难困难,要达到准确的位置控制很困难。要达到准确的位置控制很困难。 (3) 压缩空气的除水问题是一个很重要的问压缩空气的除水问题是一个很重要的问题题,处理不当会使钢类零件生锈处理不当会使钢类零件生锈, 导致机器人失灵导致机器人失灵.此外此外,排气还会造成噪声污染。排气还会造成噪声污染。 电动机驱动电动机驱动1 1）普通交流电动机驱动）普通交流电动机驱动2 2）交、直流伺服电动机驱动）交、直流伺
15、服电动机驱动3 3）步进电动机驱动）步进电动机驱动输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人用于闭环控制系统，输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人用于开环控制，一般用于对速度和位置要求不高要求不高的场合电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替人关节驱动逐渐为电动式所代替。所 处 三种驱动方式特点比较 位 置 【 课 堂 认 知 】 特点 使用范 制造成 输出力 控制性能 维修使用 结构体积 驱动方
16、式 围 本 油液不可压缩， 在输出力相 液压元 压力、流量均容 维修方便，液 中、小 同的情况下 件成本 液压液压驱动驱动 压力高，可获得大的输出力 易控制，可无级 体对温度变化 型及重 ，体积比气 较高， 调速，反应灵敏 敏感，油液泄 型机器 压驱动方式 油路比 ，可实现连续轨 漏易着火 人 小 较复杂 迹控制 可高速，冲击较 气体压力低， 严重，精确定位 维修简单，能 结构简 输出力较小， 困难。气体压缩 在高温、粉尘 中、小 单，能 气压气压驱动驱动如需输出力大 性大，阻尼效果 等恶劣环境中 体积较大 型机器 源方便 时，其结构尺 差，低速不易控 使用，泄露无 人 ，成本 寸过大 制，不
17、易与 CPU 连 影响 低 接 容易与 CPU 连接， 高性能 控制性能好，响 需要减速装 电气电气驱动驱动输出力较小或 维修使用较复 、运动 成本较 应快，可精确定 置，体积较 较大 杂 轨迹要 高 位，但控制系统 小 求严格 复杂 2.1 工业机器人的系统组成 所 处 (3) 传动单元 位 置 目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的 减速器主要有两类： RV 减速器 和 谐波减速器 。 一般将 RV 减速器放置在基座、腰部 、大臂等重负载的位置 ( 主要用于 20kg 以上的机器人关节 ) ；将谐波减速器放置在小 【 臂、腕部或手部等轻负载的位置 ( 主要用于
18、 20kg 以下的机器关节 ) 。 此外，机器人还 课 采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。 堂 认 知 】 谐 RV 波 减 减 速 速 器 器 皮 带 传 动 返回 目录 机器人关节传动单元 2.1 工业机器人的系统组成 所 处 位 置 1) 谐波减速器 通常由 3 个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发生器，在这 3 个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件。 【 课 堂 认 知 柔轮 】 波发生器 刚轮 谐波减速器原理图 谐波减速器_XB谐波减速机_机器人_印刷机
19、_机床_谐波传动减速器2.1 工业机器人的系统组成 所 处 位 置 2) RV 减速器 主要由 太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV 齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘 等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用 RV 减速器。 【 课 堂 针齿 认 知 2 级减速 1 级减速 行星轮 】 太阳轮 Z 2 输入 Z 1 Z 4 输出 Z 3 摆线轮 转臂 输出轴 针齿壳 RV 减速器原理图 2.1 工业机器人的系统组成 2.1.2 控制器 所 处 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决
20、定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分 ，其基本功能有： 示教功能示教功能 、 记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功 。位 置 【 课 堂 认 知 】 依据控制系统的开放程度，机器人控制器分 3 类：封闭封闭型、开放型型、开放型和混合型混合型。目前基本上都是封闭型系统封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统混合型系统（如欧系机器人）。 按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为 集中式控制集中式控制 和 分布式控制分布式控制 两种方式。 所 处 (1) 集中式控制器 位 置 优点：硬件成本较低，便于信息的采集和分析
21、，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于 PC 的系统硬件扩展较为方便。 缺点：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，会降低系统的可靠性。【 课 堂 认 知 】 机器人关节 1 机器人关节 1 机器人关节 2 机器人关节 2 机器人关节 n 机器人关节 n +1 运动接口卡 1 驱动器 1 运动接口卡 2 驱动器 2 机器人控制计算机 运动接口卡 n 驱动器 n 机器人关节 n 驱动器 1 多轴 驱动器 2 运动控制卡 1 驱动器 n 机器人控制计算机 多
22、轴 驱动器 n +1 运动控制卡 2 驱动器 n +2 机器人关节 n +2 a) 单独接口卡驱动 b) 多轴运动控制卡驱动 集中式机器人控制器结构 所 处 (2) 分布式控制器 位 置 主要思想为“分散控制，集中管理分散控制，集中管理”，为一个开放、实时、精确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。 优点优点：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。 【 课 堂 认 知 】 关节控制器 1 （下位机） 驱动器 1 机器人关节 1 关节控制器 2 （下位机） 驱动器 2 机器人关节
23、2 通讯总线 关节控制器 n 机器人主控制器 （下位机） （上位机） 驱动器 n 机器人关节 n 分布式机器人控制器结构 2.1.3 示教器 所 处 亦称示教编程器示教编程器或示教盒示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端示教器实质上就是一个专用的智能终端。 位 置 控制器 【 课 相关模块 相关模块 堂 认 ? 知 操作机 ? S4 S3 】 S2 示教器 S5 S2 串 口 指令解 S0 通 S1 释模块 信 模 S5 S2 S2 块 ? S4 S3 ? 相关模块 相关模块 示教时的数据流关系 返回返回返回返回
