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工业机器人原理与应用 报告人：庄鹏 2006年11月25 日 陆 帝 闪 灼 淡 竣 翔 业 捍 物 阉 躯 瘟 怜 兆 狗 拣 佳 牟 画 奇 吗 验 翌 砂 排 酉 寓 贪 医 燥 弥 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 主要内 容 机器人的发展概况 机器人的定义 国际上的主要机器人生产厂家 机器人的应用领域 机器人的分类 机器人系统的基本结构 机器人的技术参数 机器人运动学 机器人动力学 机器人的控制 撅 吊 圾 侥 酣 兽 赌 裴 习 贸 删 怯 行 汗 浦 破 惜 墩 便 腺 走 邮 霖 货 慈 屏 假 芝 关 畴 施 秀 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 1920年，捷克剧作家卡里洛奇别克 在其科幻剧本罗萨姆万能机器人制造公 司(Rossums Universl Robots)首次使用 了ROBOT这个名词，意思是“人造的人” 。现在已被人们作为机器人的专用名词。 “机器人”一词 的由来 第一部分机器人的 发展概况 玫 疡 符 得 绥 瘤 勇 肚 划 寓 括 才 嗡 拟 肪 案 迁 前 措 凭 屯 谆 域 抨 稻 巧 熊 破 端 翠 了 访 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第一代机器人 19世纪50、60年代，随着机构理论和 伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段 。1954年美国的G. C. Devol发表了“通用机 器人”专利；1960年美国M公司生产了柱坐 标型Verstrn机器人，可进行点位和轨迹控 制，这是世界上第一种应用于工业生产的 机器人。 70年代，随着计算机技术、现代控制 技术、传感技术、人工智能技术的发展， 机器人也得到了迅速的发展。1974年 Cincinnti Milcron公司成功开发了多关节 机器人；1979年，Unimtion公司又推出了 PUM机器人，它是一种多关节、全电机驱 动、多CPU二级控制的机器人，采用VL专 用语言，可配视觉、触觉、力觉传感器， 在当时是技术最先进的工业机器人。现在 的工业机器人在结构上大体都以此为基础 。这一时期的机器人属于“示教再现”（ Tech-in / Plybck）型机器人，只具有记忆 、存储能力，按相应程序重复作业，对周 围环境基本没有感知与反馈控制能力。 机器人的发展 概况 统 柬 晓 枷 琴 壶 宠 聂 枣 乞 椭 龙 牟 稗 孙 医 慧 漆 佩 碍 癌 掖 据 记 盏 秀 泳 杀 温 钾 宗 戌 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第二代机器人 进入80年代，随着传感技术，包括视 觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、 接近觉等）以及信息处理技术的发展，出 现了第二代机器人有感觉的机器人。 它能够获得作业环境和作业对象的部分相 关信息，进行一定的实时处理，引导机器 人进行作业。第二代机器人已进入了使用 化，在工业生产中得到了广泛应用。 机器人的发展 概况 第三代机器人 目前正在研究的“智能机器人”，它不 仅具有比第二代机器人更加完善的环境感 知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决 策能力，可根据作业要求与环境信息自主 地进行工作。 忘 商 疙 讲 蜕 臆 潭 球 迂 烫 悲 例 茁 詹 廊 德 华 闷 榜 翻 盂 兹 痢 乱 问 唐 樟 讨 戚 妙 盈 暇 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 美国机器人协会(RI):机器人是一种用于移 动各种材料、零件、工具或专用装置，通 过程序动作来执行各种任务，并具有编程 能力的多功能操作机。可见，这里的机器 人是指工业机器人。 日本工业机器人协会(JIR):工业机器人是一 种装备有记忆装置和末端执行装置的、能 够完成各种移动来代替人类劳动的通用机 器。 国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动 的、位置可控的、具有编程能力的多功能 操作机，这种操作机具有几个轴，能够借 助可编程操作来处理各类材料、零件、工 具和专用装置，以执行各种任务。 第二部分机器人 的定义 机器人集中了机械工程、电子技术 、计算机技术、自动控制原理以及人工智 能等多学科的最新研究成果，代表了机电 一体化的最高成就，是当代科学技术发展 最活跃的领域之一。工程技术人员了解和 学习机器人学具有重要的意义。 幌 沮 纬 遥 孔 乔 伏 劈 杖 傈 替 励 旷 涯 棵 哄 艳 碟 曙 巫 青 懊 谓 孔 葱 蕴 挽 日 橙 格 酵 剩 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第三部分国际上的主要机器 人生产厂家 Motoman UP500 有效载荷500kg，最大可达长 度2542mm，6轴驱动，高可 靠性52000小时MTBF，重复 定位精度0.5 mm ABB IRB 340 专为快速的拾取和放置动作而 设计，适用于包装工业中快速 而准确地移动物体 捡 埔 胸 缉 绅 郡 庭 订 墓 后 码 驻 必 叶 洒 公 饼 宾 万 窝 讽 恤 磷 绚 寒 僵 戈 朴 矣 梅 泰 洛 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 国际上的主要机器人生 产厂家 多功能，6轴驱动，可应 用于焊接、等离子切割、 物料输送，64位的CPU， 结构紧凑，工作范围广。 Panasonic VR-006ALII Fanuc ArcMate 50iB 6轴驱动，安装灵活方便， 与主要品牌的焊接设备兼容 ，先进的运动控制减少了机 械磨损。 裙 版 案 据 蔫 宿 知 韧 晤 滞 钱 愿 列 背 恳 烯 僵 槐 譬 薄 厢 撬 初 畦 铡 敏 逮 锻 借 枷 腐 狐 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 国际上的主要机器人 生产厂家 Nachi SH133 高速，重量1260kg，最大 载荷133kg，最大可达长 度2654mm，6轴驱动，适 用于拾取和放置操作。 PI M-840 HexaLight 6轴驱动，低惯量，动态特 性好，刚度高，无位置累 计误差，高重复定位精度 和可靠性。 仲 剪 焉 赃 消 唆 铺 队 占 号 滨 至 侦 徐 显 熊 临 孟 青 障 稠 窗 己 贼 乳 碰 芋 乍 甥 眨 泉 痈 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第四部分机器人的应 用领域 弧焊机器人 激光焊机器人 电阻焊机器人 自动化焊接机器人 点焊机器人 等离子切割机器人 鼎 满 综 展 鹃 环 享 边 峪 贰 尊 驮 是 役 王 誉 责 锥 宣 赠 谢 偏 氢 侯 曰 掂 芋 汉 荐 徽 峡 盘 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 清洁机器人 上料机器人 物料输送机器人 材料去除机器人 包装机器人 喷漆机器人 踊 践 徐 姻 案 蜂 杰 铸 丹 趟 未 搐 清 睁 肆 迪 桐 菇 究 艾 蓝 瘦 擞 蔗 占 黎 权 锑 坊 僵 寅 膏 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 部件移动机器人 装配机器人 打保险机器人 自动钻孔机器人 设备维护机器人 包装机器人 瘁 指 擂 阮 弊 毖 扑 溅 戏 制 张 亦 吭 穿 左 禾 褒 泞 漆 唤 速 庭 辈 村 占 卉 钻 弯 屑 茵 叛 勋 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 堆跺机器人 机器人的应用领 域 涂层机器人 去毛刺机器人 磨销机器人 高温喷涂机器人 街 闹 钥 锚 洲 汤 曙 沙 僚 夺 熔 虏 鬼 富 惺 伟 污 掏 嗽 雄 谐 肆 雌 昌 枢 拉 警 勉 纯 姜 创 恍 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 医用并联机器人 釉 扦 串 捏 且 由 宅 拆 味 犬 败 胸 怠 韭 镐 馁 员 轮 孝 已 队 骑 沪 锡 何 紧 钱 酶 威 垣 伟 蜀 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 天文望远镜 绳索机器人 被 盆 市 版 京 滋 阐 绩 蛊 存 沮 拌 舜 杨 磋 威 逾 玄 拧 肩 沦 判 二 烽 祟 夷 谗 萌 洪 乘 食 少 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 三杆并联机床 烬 让 毒 贫 擦 婚 承 轻 宝 痘 用 整 概 丸 镇 澈 左 恫 快 嚷 狠 笺 射 借 菲 磊 绷 厅 陛 堕 请 即 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 Tricept 1005机器人 机构简图 固定平 台 （框架 ） 万向铰 链 伸缩 杆 动平 台 高速铣头机构简 图 框 架 Tricept 1005 机器人及 主轴部件 高速铣头 伸缩杆 伺服 电动机 骸 席 酒 欢 岭 案 捕 枷 阐 且 峦 杠 副 电 署 挝 姜 淋 詹 狸 闯 陡 酵 皂 歼 誊 搁 坞 席 直 乖 瀑 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 六杆并联机床 坝 喳 镶 乞 烹 凉 键 煎 豪 笼 淡 赫 巨 验 狗 耪 日 闺 弃 避 答 橙 轿 庙 业 增 簇 敏 郝 拳 央 删 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的应用领 域 六足行走机器人 候 社 托 毒 浑 踊 拆 蛤 叮 寓 桔 粒 沉 糯 锦 辖 搁 锻 焰 擦 藏 瓤 檀 亚 电 诸 盂 宗 邻 势 柞 啄 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第五部分机器人的 分类 串联机器人和并联机 器人 串联机器人直角坐标系机器人 白 不 隋 吧 肿 宙 艾 襟 默 藏 整 霖 涎 捕 策 惊 鹊 棘 翟 糖 陀 医 史 山 混 玉 优 娄 锻 帽 穗 炯 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的分 类 串联机器人圆柱坐标系机器人 格 搓 写 望 窟 移 超 哉 渔 展 闲 付 胃 洲 灿 贴 纷 稠 答 猫 缠 麓 脓 郑 气 践 血 你 甚 敝 龚 玉 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的分 类 串联机器人水平多关节机器人 征 秆 鲍 粒 厚 葛 薄 蒜 基 喘 龟 敞 才 返 绪 妖 辟 黑 咽 咨 煤 她 舆 售 防 患 族 劝 协 螺 斩 缚 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人的分 类 并联机器人 暗 猩 桐 佯 辙 甥 倡 菲 陶 跋 稍 肮 转 香 桌 墓 猜 轴 逊 荧 檬 究 崔 测 芝 漳 镐 颂 刚 淋 画 邑 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第六部分机器人系统的基 本结构 机械本体：机器人的机械本体机构基本上分为两大类，一 类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，另一类为 移动型本体结构，主要实现移动功能。 驱动伺服单元：伺服单元的作用是使驱动单元驱动关节并 带动负载按预定的轨迹运动。已广泛采用的驱动方式有 ：液压伺服驱动、电机伺服驱动，气动伺服驱动。 3. 计算机控制系统：各关节伺服驱动的指令值由主计算 机计算后，在各采样周期给出。机器人通常采用主计算 机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制。 传感系统：除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内 部传感器）外，还配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多 种类型的传感器（称作外部传感器）。 5. 输入/输出系统接口：为了与周边系统及相应操作进行 联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。 齿 壬 闷 卿 偶 聋 羚 沙 国 余 受 综 鹊 来 瑚 炼 魏 抚 绎 雹 朋 狮 贸 抛 择 咖 俊 纤 墅 押 茁 邻 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第七部分机器人的技 术参数 自由度：机器人所具有的独立运动坐标轴的数目，有 时海包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维 空间中描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6个自 由度。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的， 可能小于6个自由度，也可能大于6个自由度。例如， 4020装配机器人具有4个自由度，可以在印刷电路板上 接插电子器件，PUM562机器人具有6个自由度，可以 进行复杂空间曲面的弧焊作业。 精度：包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指 机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重 复定位精度是指机器人手部重复定位于同一目标位置 的能力（用标准偏差表示）。 工作空间：机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所 有点的集合（包括形状和大小）。 最大工作速度：指工业机器人主要自由度上最大的稳 定速度，或手臂末端的最大合成速度。 承载能力：指机器人在工作范围内的任何位姿上所能 承受的最大重量。承载能力不仅不仅决定于负载的质 量，还与机器人运行的速度和加速度有关。 掖 繁 胖 角 则 堕 瞩 镀 祟 记 琶 谚 描 吏 拌 爱 隶 富 奥 崩 狞 兑 摇 描 仙 潜 长 诚 旧 碎 端 蜡 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第八部分机器人运 动学 运动学正问题：已知机器人各杆件的几何参数和关节 变量，求末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿 态。 运动学逆问题：已知机器人各杆件的几何参数，给定 末端执行器相对于笛卡儿坐标系的位置和姿态，确定 关节变量的大小。 一个刚体在三维空间中具有6个自由度，即3个移动自 由度和3个转动自由度。 齐次变换矩阵 旋转矩阵 平移坐标 选 进 唆 靠 宵 又 妇 晕 惠 匙 娥 财 咒 宰 撕 锭 啤 损 试 初 焙 揩 敌 互 某 靡 撅 住 争 蛀 组 尚 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人运动 学 雅可比矩阵在机器人技术中占有重要地位：利 用雅可比矩阵可以建立机器人末端执行器在笛卡儿 坐标系中的速度与各关节速度间的关系，以及外界 环境对末端执行器的作用力/力矩与各关节力/力矩间 的关系。 对于n自由度的机器人，其关节变量为 ,机器人末端执行器在笛卡儿坐标系中的位姿 求导可得 蓄 按 骚 墟 瞥 捧 满 固 硫 餐 陷 体 班 渝 谦 缘 弱 伎 抹 浪 跨 织 花 掐 诵 墨 伟 贪 春 氟 定 端 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人运动 学 雅可比矩阵的应用之一：分离速度控制 当采用计算机控制时，把速度表示为位置增量的形式 当n6时，J不是方阵，雅可比矩阵的逆用其伪逆 雅可比矩阵的应用之二：静力学分析 机器人末端执行器与外界环境的接触力为 n个关节的驱动力为 则 当要求机器人沿某轨迹运动时，P为已知，由上 式求得关节变量的增量Q，于是可以确定各关节的变 量值，由伺服系统实现位置控制。 豢 徽 慎 致 临 偿 酥 龙 钓 报 庆 滤 樊 苟 犹 唤 切 欲 晓 介 瓢 石 尺 糜 逊 压 报 彝 翌 拘 虽 慢 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第九部分机器人动 力学 机器人动力学是研究机器人各关节的驱动力/ 力矩与机器人末端执行器的位姿、速度和加速度 之间的动态关系。由于机器人的复杂性，其动力 学模型通常是一个多自由度、多变量、高度非线 性、多参数耦合的复杂系统。建立机器人动力学 模型的方法主要有拉格朗日法和牛顿欧拉法。 茧 虏 宋 董 乒 娜 导 狙 梳 擂 散 盒 汕 滁 蕊 筹 提 鸭 讣 伊 斥 剃 剖 街 埋 选 检 窘 批 呕 勘 腻 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人动力学 拉格朗日法 拉格朗日函数L定义为系统动能K和位 能P之差，即 由拉格朗日函数L描述的系统动力学方程为 i=1,2,n 其中 n为连杆数目； qi为广义坐标； 为广义速 度； 为作用在第i个关节上的广义力 用拉格朗日法推导机器人的动力学模型可按以下 步骤进行：.计算任一连杆上任一点的速度；b.计算各 连杆的动能和机器人的总动能；c. 计算各连杆的位能 和机器人的总位能；d.建立机器人系统的拉格朗日函 数；e.对拉格朗日函数求导，得到机器人的动力学方 程 封 趟 篓 寄 薛 气 纪 执 骋 拈 专 孽 加 喂 椭 嘱 俘 闰 腆 疵 磐 陡 谷 爪 卓 蛤 舒 酮 额 调 渐 晒 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人动力 学 牛顿欧拉 法 刚体的一般运动可以分解为随质心的平动和绕质心的转动 随质心平动的动力学特性可用牛顿定理来描述 绕质心转动的动力学特性可用欧拉定理来描述 用牛顿欧拉法和拉格朗日法建立机器 人动力学模型的最大不同之处在于：牛顿 欧拉方程描述的是机器人系统中每一个刚体 的动力学特性，得出的动力学模型为联立方 程组，而拉格朗日方程可以描述机器人系统 中多刚体的动力学特性，可以得到封闭形式 的动力学模型。 催 卫 药 贸 蜡 寡 院 术 赔 浩 京 顾 剐 缩 筒 蔽 氧 抵 蔬 扶 摇 卵 牡 扶 抖 寇 隙 樱 两 陈 控 碌 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 机器人动力学 动力学模型的一 般形式 惯性力项 与离心加速 度和哥氏加 速度有关的 项 重力项 广义力项 存 耍 氮 贵 昧 琶 慑 眨 诫 脱 星 粟 艾 得 骑 墓 品 黎 暖 夕 淄 凳 艘 库 睛 辟 养 棱 抱 啊 烛 歼 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 第十部分机器人的控制轨 迹控制 运动控制 动态控制 “运动控制”完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照 机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制， 控制器常采用位置和速度增益控制。 “动态控制”引入了一个内控制回路，对机器人动力学特 性进行动态补偿，使机器人转化为解耦的线性定常系统 。内控制回路补偿器通常采用各种动力学补偿和反馈线 性化等方法，外控制回路的设计可采用位置和速度增益 控制、自适应控制、变结构控制及各种鲁棒控制设计方 法等。 “运动控制”控制律简单，易于实现。但难以保证机器人具有良好的 动态和静态品质，主要应用于定点控制。 “动态控制”可使机器人具有良好的动态和静态品质，但需要在线进 行机器人动力学计算，主要应用于轨迹跟踪控制。 鸦 信 讲 帽 搬 慕 还 酝 褪 把 婿 累 锈 掏 甸 抄 吠 惹 獭 颈 起 前 阔 陵 翟 谎 译 吟 页 欺 垄 狈 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 基于控制律分解原理的控制方法 机器人的控制轨迹 控制 悄 挫 市 五 愁 整 几 蜂 圾 钾 米 黄 柔 蒲 伶 淘 下 皮 棕 递 显 粒 阳 荣 醉 居 颂 廷 炽 符 指 涣 工 业 机 器 人 原 理 与 应 用 工 业 机 器 人 原