机电一体化--机器人技术.doc

淮南联合大学教师授课教案第7章 工业机器人技术章节名称第7章 工业机器人技术 第1节 机器人的分类及应用教学目标1理解工业机器人的不同分类方式的内容2理解不同分类方式下分类定义的机器人的应用特点课程重点难点1. 不同分类方式下分类定义的机器人的应用特点2. 按受控运动方式分类的位控和连续轨迹机器人的应用意义教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学概述一、机器人的由来机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一词最早并不是一个技术名词，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的定义。“机器人”最早出现在上个世纪20年代初期捷克的一个科幻内容的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota（捷克文，意为苦力、劳役）的人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上，真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车制造业、电机制造业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。经过几十年的发展，机器人技术已经形成了综合性的学科机器人学（Robotics）。 机器人学有着及其广泛的研究和应用领域，主要包括机器人本体结构系统、机械手设计，轨迹设计和规划，运动学和动力学分析，机器视觉、机器人传感器，机器人控制系统以及机器智能等。尽管机器人已经得到越来越广泛应用，机器人技术的发展也日趋深入、完善，然而“机器人”尚没有一个统一的、严格而准确的定义。一方面，在技术发展过程中，不同的国家、不同的学者给出的定义不尽相同，虽然基本原则一致，但欧美国家的定义限定多一些，日本等给出的定义则较宽松。另一方面，随着时代的进步、技术的发展，机器人的内涵仍在不断发展变化。国际标准化组织（ISO）定义的机器人特征如下：仿生特征：动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；柔性特征：机器人作业具有广泛的适应性，适于多种工作，作业程序灵活易变；智能特征：机器人具有一定程度的人类智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；自动特征：完整的机器人系统，能够独立、自动完成作业任务，不依赖于人的干预。二、机器人的组成机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、和驱动器等四部分组成。机械本体是机器人实施作业的执行机构。为对本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作。1机械本体机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器、或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向（姿势）。机械臂上的末端执行装置可以根据操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。2控制系统控制系统是机器人的指挥中枢，相当于人的大脑功能，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统之分；从控制方式看有程序控制系统、适应性控制系统和智能控制系统之分。3驱动器驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。因驱动方式的不同，驱动装置可以分成电动、液动和气动三种类型。驱动装置中的电动机、液压缸、气缸可以与操作机直接相连，也可以通过传动机构与执行机构相连。传动机构通常有齿轮传动、链传动、谐波齿轮传动、螺旋传动、带传动等几种类型。4传感器传感器是机器人的感测系统，相当于人的感觉器官，是机器人系统的重要组成部分，包括内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器主要用来检测机器人本身的状态，为机器人的运动控制提供必要的本体状态信息，如位置传感器、速度传感器等。外部传感器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型；前者用于识别物体和检测物体与机器人的距离等信息，后者安装在末端执行器上，检测处理精巧作业的感觉信息。常见的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等。7.1机器人的分类及应用7.1.1 按信息输入形式分类1.操纵机器人 远距离操纵，控制机械手完成动作，主用于有害环境的无人操作式工作 2. 程序机器人 按预先设置的程序完成固定操作的机器人（冲压上下料）3.示教再现机器人 两个工作阶段： 示教存储阶段 再现工作阶段 两种示教方式： 人工移动完成工作过程，在重要的节点处按钮记忆 人工按钮操作全过程并记忆4.计算机控制工业机器人 柔性功能强同时具有操纵，示教等强大功能5.智能机器人 记忆操作命令，传感监测，判断分析，修改工作方式，以最佳的状态和 效率完成工作7.1.2 按坐标分类1.直角坐标型 空间三垂直坐标，（末端可附加旋转）数学模型简单，空间体积大，操作灵活性差，作为专用和简易机器人使用 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴（见图71），通过直角坐标方向的3个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。主要用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等作业。 2. 圆柱坐标型 类似摇臂钻运动形式，末端可获较快运动速度，结构和数学模型及程序设计较直角坐标型复杂，远端的分辨率下降柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成（见图72），具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。 3. 球坐标型 形式灵活，系统复杂，末端速度快且分辨率实变量，其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人。其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。 图73 球面坐标机器人 球面坐标机器人4）多关节型机器人。由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑，由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。如美国Unimation公司20世纪70年代末推出的机器人PUMA（见图74）就是一种垂直多关节机器人，而日本山梨大学研制的机器人SCARA（见图75）则是一种典型的水平多关节机器人。 图74 垂直多关节机器人垂直多关节机器人模拟了人类的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴（相当于大臂旋转的肩部旋转轴）带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等构成。手腕通常由23个自由度构成。其动作空间近似一个球体，所以也称多关节球面机器人。其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹。相对机器人的安装面积其动作范围很宽。缺点是结构刚度较低，动作的绝对位置精度磨较低。它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂、点焊接等作业场合 图75 水平多关节机器人水平多关节机器人在结构上具有串联配置的二个能够在水平面内旋转的手臂，其自由度可以根据用途选择24个，动作空间为一圆柱体。水平多关节机器人的优点是在垂直方向上的刚性好，能方便地实现二维平面上的动作，在装配作业中得到普遍应用。4. 全关节型 所有位置和姿态均由旋转运动实现，结构紧凑，灵活性好，体积小， 工作空间大，末端速度高，数学模型复杂，控制难度大，发展快应用 广，焊接，喷漆，装配，上下料等场合广泛应用7.1.3 按受控运动方式分类1.位控制型 （1）又称PTP型 （2）控制末端工作部件作精确的点位控制 （3）两种不同的工作方式 各坐标及各个关节依次运动，到达终点有先后 各个坐标及各个关节同时趋近终点，速度最快2. 连续轨迹控制型 （1）又称CP型 （2）中断工作部件受控按照规定的空间轨迹并以规定的运动速度位移 至终点 （3）各个运动轴和运动关节需要实时获得角位移和角速度信号 （4）适用于连续轨迹弧焊机，喷漆，航天维修等应用 按照机器人的技术发展水平分按照机器人的技术发展水平可以将机器人分为三代。第一代机器人是“示教再现”型。这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。示教可以由操作员“手把手”地进行，比如，操作人员抓住机器人上的喷枪，沿喷漆路线示范一遍，机器人记住了这一连串运动，工作时，自动重复这些运动，从而完成给定位置的喷漆工作。这种方式即是所谓的“直接示教”。但是，比较普遍的方式是通过控制面板示教。操作人员利用控制面板上的开关或键盘来控制机器人一步一步地运动，机器人自动记录下每一步，然后重复。目前在工业现场应用的机器人大多属于第一代。第二代机器人具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。以焊接机器人为例，机器人焊接的过程一般是通过示教方式给出机器人的运动曲线，机器人携带焊枪走这个曲线，进行焊接。这就要求工件的一致性很好，也就是说工件被焊接的位置必须十分准确。否则，机器人走的曲线和工件上的实际焊缝位置会有偏差。为了解决这个问题，第二代机器人采用了焊缝跟踪技术，通过传感器感知焊缝的位置，再通过反馈控制，机器人就能够自动跟踪焊缝，从而对示教的位置进行修正，即使实际焊缝相对于原始设定的位置有变化，机器人仍然可以很好地完成焊接工作。类似的技术正越来越多地应用在机器人上。第三代机器人称为“智能机器人”，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力。作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等等；而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。尽管经过多年来的不懈研究，人们研制了很多各具特点的试验装置，提出大量新思想、新方法，但现有机器人的自适应技术还是十分有限的。 按照机器人的用途分机器人首先在制造业大规模应用，所以，机器人曾被简单地分为两类，即用于汽车等制造业的机器人称为工业机器人，其他的机器人称为特种机器人。随着机器人应用的日益广泛，这种分类显得过于粗糙。现在除工业领域之外，机器人技术已经广泛地应用于农业、建筑、医疗、服务、娱乐，以及空间和水下探索等多种领域。（1）工业机器人工业机器依据具体应用的不同，通常又可以分成焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人、码垛机器人、搬运机器人等多种类型。焊接机器人，包括点焊（电阻焊）和电弧焊机器人，用途是实现自动的焊接作业。装配机器人，比较多地用于电子部件电器的装配。喷漆机器人，代替人进行喷漆作业。码垛、上下料、搬运机器人的功能则是根据一定的速度和精度要求，将物品从一处运到另一处。在工业生产中应用机器人，可以方便迅速地改变作业内容或方式，以满足生产要求的变化。比如，改变焊缝轨迹，改变喷漆位置，变更装配部件或位置等等。随着对工业生产线柔性的要求越来越高，对各种机器人的需求也就越来越强烈。（2）农业机器人随着机器人技术的进步，以定型物、无机物为作业对象的工业机器人正在向更高层次的以动、植物之类复杂作业对象为目标的农业机器人发展，农业机器人或机器人化的农业机械的应用范围正在逐步扩大。农业机器人的应用不仅能够大大减轻以致代替的人们的生产劳动、解决劳动力不足的问题，而且可以提高劳动生产率，改善农业的生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害，提高作业质量。但由于农业机器人所面临的是非结构、不确定、不宜预估的复杂环境和工作对象，所以与工业机器人相比，其研究开发的难度更大。农业机器人的研究开发目前主要集中耕种、施肥、喷药、蔬菜嫁接、苗木株苗移栽、收获、灌溉、养殖和各种辅助操作等方面。日本是机器人普及最广泛的国家，目前已经有数千台机器人应用于农业领域。（3）探索机器人机器人除了在工农业上广泛应用之外，还越来越多地用于极限探索，即在恶劣或不适于人类工作的环境中执行任务。例如，在水下（海洋）、太空以及在放射性(有毒或高温等环境中进行作业。人类借助潜水器具潜人到深海之中探秘，已有很长的历史。然而，由于危险很大、费用极高，所以水下机器人就成了代替人在这一危险的环境中工作的最佳工具。空间机器人是指在大气层内和大气层外从事各种作业的机器人，包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人，到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。（4）服务机器人机器人技术不仅在工农业生产、科学探索中得到了广泛应用，也逐渐渗透到人们的日常生活领域，服务机器人就是这类机器人的一个总称。尽管服务机器人的起步较晚，但应用前景十分广泛，目前主要应用在清洁、护理、执勤、救援、娱乐、和代替人对设备维护保养等场合。国际机器人联合会给服务机器人的一个初步定义是，一种以自主或半自主方式运行，能为人类的生活、康复提供服务的机器人，或者是能对设备运行进行维护的一类机器人。机器人技术的进展国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进人了一个缓慢的发展期，直到进人20世纪80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控（NC）、可编程、控制器（PLC）一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。工业机器人技术从机械本体、控制系统、传感系通行统，到可靠性、网络通信功能的拓展等方面都取得了突破性的进展。机械本体方面，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。控制系统方面，性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。传感系统方面，激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASAKI、YASKAWA、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等公司皆推出了此类产品。网络通信功能的拓展，日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。另外，由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的机器人系统也有了长足的进展。农业生产环境的的复杂性和作业对象特殊性使得农业机器人研究难度更大，农业机器人的应用尚未达到商品化阶段，但农业机器人技术的研究已经在土地耕作、蔬菜嫁接、作物移栽、农药喷洒、作物收获、果蔬采摘等生产环节取得了一些突破性进展。例如，日本的耕作拖拉机自动行走系统、联合收割机自动驾驶技术、无人驾驶农药喷洒机，英国的葡萄枝修剪机器人、蘑菇采摘机器人和挤牛奶机器人，我国的农业机器人自动引导行走系统、蔬菜嫁接机器人，法国的水果采摘机器人，以及荷兰开发的挤奶机器人等。机器人技术用于海洋开发，特别是深海资源的开发，一直是的许多国家积极关注的目标。法国、美国、俄罗斯、日本、加拿大等国从20世纪70年代开始先后研制了几百台不同结构形式和性能指标的水下机器人。法国的EPAVLARD、美国的AUSS、俄罗斯的MT-88等水下机器人已用于海洋石油开采、海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面。我国在90年代中期研制的“CR-01”水下机器人在太平洋深海试验成功，海深达 6000m 以上，使我国在深海探测和探索方面跃居世界先进水平。近年来随着各种智能能机器人的研究与发展，能在宇宙空间作业的所谓空间机器人就成为新的研究领域，并已成为空间开发的重要组成部分。美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人，如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sojanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。服务机器人是近年来发展很快的一个领域，已成功地应用于医疗、家用、娱乐等人类生活的方方面面。作为服务机器人的一个重要分支，医用机器人的主要运用在护理、康复、辅助诊断和外科手术等场合。1998年5月德、法两国医生成功利用机器人完成了一例心脏瓣膜修复手术，包括对病人心脏瓣膜的修整和再造。这次手术中使用的是美国直觉外科研究所研制的医用遥控机器人系统。1998年6月，机器人又完成了首例闭胸冠状动脉搭桥手术。机器人技术与外科技术的结合，为病人带来福音。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生产、生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。本章的主要内容和学习意义机器人是典型的机电一体化设备，作为机电一体化技术的综合应用章节，本章选取现代机器人中应用最广、最具代表性和通用性的关节型机器人作为讲解对象，主要介绍机器人的机械结构、运动学、动力学分析、控制系统以及典型应用等内容。 作业： 1简述机器人按坐标分类的类型及各类型特点 2简述机器人按受控运动方式分类的类型及各类型特点 章节名称第7章 工业机器人技术 第2节 机器人专用术语及相关概念教学目标1理解机器人的定义及主要含义2理解相关机器人的一些相关概念3理解速度和循环时间的矛盾和选用原则4理解定位精度和重复定位精度的概念和相互关系课程重点难点1. 机器人的速度和循环时间的矛盾和选用原则2. 机器人定位精度和重复定位精度的概念和相互关系教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配：7.2 机器人的有关术语及相关概念7.2.1 机器人定义1.英牛津字典定义： 貌似人的自动机器，具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器2. 美国家标准局定义： 是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机 械装置3. 日工业机器人协会定义： （1）工业机器人：一种能够执行与人的上肢（手和臂）类似的多功能 机器 （2）智能机器人：具有感觉和识别能力能控制自身行为的机器人4.蒋新松院士定义： 机器人是一种拟人功能的机械电子装置7.2.2 机器人相关概念1.机器人本体相关术语 （1）机座：固定机器人的基础构件，和机器人腰部相连 （2）腰部：连接大臂和机座，一般可平转360度 （3）大臂和小臂：完成垂直平面内的位置定位 （4）腕部：完成俯仰，横滚，侧摆姿态运动 （5）夹持器：用于抓取和释放物体2. 机器人的自由度 （1）刚体在空间有六个自由度，受到某种约束时自由度会减少 （2）运动副中的移动和转动是低副（一个自由度），机器人的关节由 低副组成，关节越多，自由度越多 （3）有几个自由度，即为几个自由度的机器人 （4）关节型的工业机器人多为六自由度机器人3.机器人的位姿 机器人工作空间内，相对坐标系原点在绝对坐标系中的坐标值称为位置 不同的关节的原点在绝对坐标系中的坐标值成为其位姿4. 机器人的承载能力 （1）不同类型不同，抓取物体的能力可达5Kg5000Kg （2）取决于构件结构和驱动能力及运动速度 （3）指标：规定在允许的最高运动速度是的抓取总量为该机器人的承 载能力5.定位精度和重复精度 （1）定位精度：指机器人末端搬运的物件所到达的实际位置和理论 位置之间的最大误差 （2）重复误差：在相同位置指令下，机器人连续重复运动若干次， 其终端位置坐标值的离散误差值 （3）关系：定位精度可能不影响重复定位精度，例如重力因素每个循环都将影响定位精度，但每次的位置误差不大，即重复定位精度未受影响 作业： 1简述机械机构的自由度和机器人的自由度的概念 2 简述从不同角度的机器人定义 章节名称第7章 工业机器人技术 第3节 典型工业机器人的结构教学目标1了解机器人的主要机械结构2理解机器人底座，手臂，手腕和末端夹持器的基本结构3了解机器人手腕柔顺性的概念和意义课程重点难点1. 机器人底座，手臂，手腕和末端夹持器的基本结构2. 机器人手腕柔顺性的概念和应用意义教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学1.机器人的底座 基本作用: 系统的支撑 基本类型: 固定型底座 智能型,可移动型底座2.机器人手臂 基本作用: 将抓取物送到给定位置 3 个自由度: 手臂的伸缩 手臂的升降或俯仰 手臂的回转(实现机构: 齿轮机构,链轮转动机构,连杆机构等)3.机器人的手腕 作用：调整或改变工件的方位 具有3个相互独立的自由度 由3个回转关节组成 回转关节的组合运动形式 俯仰运动 偏摆云动 横向滚动运动4.手腕的柔顺性 意义:提高装配定位的成功概率 柔顺性装配的2种形式： 1）装有检测元件的主动柔顺装配 2）装有硬件机械环节的被动性柔顺装配（CQX：球面连接等）5.机器人末端夹持器 功能:夹取物件的装置 分类: 夹钳式取料手 吸附式取料手 专用操作器式 作业： 1简述机器人的主要组成机械结构2简述机器人底座，手臂，手腕和末端夹持器的基本功能 课后教学小结：1.讲清机器人的主要的机械结构部分的基本组成2讲清机器人底座，手臂，手腕和末端夹持器的基本功能3概述机器人手腕柔顺性的概念和意义4. 概述机器人末端夹持器的功能，类型尤其是仿真夹持器的意义 章节名称第7章 工业机器人技术 第4节 工业机器人的控制教学目标1理解机器人控制系统的任务2理解机器人示教再现控制系统的概况3理解机器人计算机控制系统的基本组成4理解机器人计算机控制系统的管理型、记忆型、计算型三类系统的特点5理解计算机集中控制方式和分散控制方式的特点课程重点难点1. 计算机控制系统的管理型、记忆型、计算型三类系统的特点2. 计算机机器人集中控制方式和分散控制方式的特点教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配：1.机器人控制的功能、组成和分类 1. 对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿 等。 故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故 障自诊断。 2机器人控制系统的组成 （1）控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 （2）示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 （3）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 （4）硬盘和软盘存储存 储机器人工作程序的外围存储器。 （5）数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出。 （6）打印机接口 记录需要输出的各种信息。 （7）传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 （8）轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9）辅助设备控制 用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 （10）通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 （11）网络接口 1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows95或windows NT库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。3机器人控制系统分类 程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现 要求的空间轨迹。 自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验 的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观 察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参 数能随时间和条件自动改变。 人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。 驱动方式：参见工业机器人驱动系统。 运动方式： 点位式。要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关； 轨迹式。要求机器人按示教的轨迹和速度运动。 控制总线： 国际标准总线控制系统。采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。 自定义总线控制系统。由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。 编程方式： 物理设置编程系统。由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能用于简单的拾起和放置作业。 在线编程。通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，包括直接示教（即手把手示教）模拟示教和示教盒示教。 离线编程。不对实际作业的机器人直接示教，而是脱离实际作业环境，生成示教程序，通过使用高级机器人，编程语言，远程式离线生成机器人作业轨迹。 4机器人控制系统结构 机器人控制系统按其控制方式可分为三类。 集中控制方式：用一台计算机实现全部控制功能，结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，其构成框图如图2所示主从控制方式：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。其构成框图如图3所示。主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。分散控制方式：按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。 作业： 1简述计算机控制系统的管理型、记忆型、计算型三类系统的特点2. 简述计算机机器人集中控制方式和分散控制方式的特点课后教学小结：1讲清机器人计算机控制系统的基本组成，建立控制系统总体轮廓概念2讲清楚机器人计算机控制系统的管理型、记忆型、计算型三类系统的特点3概述计算机集中控制方式和分散控制方式的特点4通过课件图片和加工过程录相资料片的播放，加深工业机器人控制系统的理解 章节名称 第7章 工业机器人技术 教学名称第5节 工业机器人的操作教学时数 学时 0.5教学目标1了解教材所介绍的ABB型工业机器人操作过程2理解开启电源前应该进行的准备工作和注意事项3理解操作面板的正确使用操作4理解示教合的功能和正确使用5理解手动模式下的电机启动和文本输入课程重点难点1. 示教合的功能和正确使用2. 手动模式下的电机启动和文本输入教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配：开启电源 开启电源前的周围环境和工作环境的准备工作 接通电源后的系统自检和欢迎信息，故障信息的概念 启动后的断点恢复的概念和意义 故障信息的概念操作面板的使用 1.电机工作按钮及指示灯 2.急停按钮的设置意义 3.操作模式旋钮(1)自动模式 （生产模式，必须确保工作空间是安全的）(2)减速手动模式 （编程模式，按定运行键可运行，释放运行键即停）(3)全速手动模式 （测试模式）示教盒的功能及使用主要的操作键如下; 1.手动杆按键 (确定使用手动杆操作方向和速度以手动杆确定) 2.编程键 进入变成状态 3.输入输出键 4.多功能键 5.程序停止键 6.对比度 7.菜单键 8.功能键 9.运动单元键 10.运动类型键 11. 运动性质键 12.增量键13.翻页键14.删除键15.回车键16.上下箭头17.左右箭头18.用户自定义键手动模式下的电机启动和文本输入文件名,程序,数据,文字可用示教盒输入字符可通过数字键和功能键配合输入可进行删除等编辑操作和大小写设置 作业： 1简述自动模式 （生产模式）下启动机器人必须确保工作空间是安全的含义 2简述设置急停按钮的设置意义 课后教学小结：1概要讲述讲清机器人开启电源操作的基本要求 2概要讲述讲清机器人示教盒的操作的主要内容和手动方式下的电机启动及文本输入3通过课件图片和加工过程录相资料片的播放，加深机器人操作的感性理解 章节名称第7章 工业机器人技术 第6节 工业机器人的编程教学目标1了解机器人编程操作的概念2理解汇编语言程序涉及的基本要求和过程3理解RAPID语言的基本功能和程序结构特点课程重点难点1. 汇编语言程序涉及的基本要求和过程2. RAPID语言的基本功能和程序结构特点教学方法及手段1课堂理论课讲授2多媒体教学课件播放辅助教学教学过程及时间分配：机器人语言概述 使用过的机器人程序设计语言 使用计算机高级语言BASIC,C等专用机器人语言RAPID语言概况1.语句结构 三种常用的程序单元 主程序调用完成某种固定功能的子程序 获得某种数值的函数程序 中断服务程序 其他语句 参数变量程序 算术和逻辑表达式 自动错误处理 标准程序 多重任务2.控制程序流程(1)设计原则 通过调入其它程序执行 判断给定条件控制转移执行 循环执行某一程序段直到结束条件出现 程序指定的跳转(2)调子程序的结构(3)条件转移的程序结构(4)终止程序的执行指令(STOP EXIT)(5)终止循环指令 3.各种指令(指令系统) (1)数据赋值指令 (2)延时等待指令 (3)注释 (4)加载程序模块 (5)各种特殊功能指令 (6)原始数据定义 (7)转化功能指令4.运动设置(1)规划原则(2)定义速度(3)定义加速度(4)定义结构管理(5)定义有效载荷 定义单个点的行为 置换程序 软件伺服 调节机器人的调谐值 工作区域分区划分 运动数据的设置5.运动 设计原则 （包括路径类型，方位数据，速度数据，分区数据，工具数据，工件数据当前坐标系等） 定位指令 搜寻 激活输出或在指定的位置中断 运动的临时停止和重