工业机器人第一次课

工业机器人技术,祝尚臻沈阳工程学院自动控制工程系2010.9,绪论工业机器人机构（重点）工业机器人的环境感觉技术（重点）工业机器人控制（重点）,本课程主要内容：,工业机器人编程,1.1机器人的定义,第一章机器人概述,机器人一词的出现：1920年、捷克作家、KarelCapek、RossumsUniversalRobots，“Robota”（奴隶）写成了“Robot”。,小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，机器人这个名词就向全世界铺展开来。,故事情节：带感情的机器人消灭了人类，一对男女机器人相爱，世界又起死回生。,上世纪60年代，可实用机械机器人被称为工业机器人上世纪80年代到现在，正越来越向智能化方向发展,因此，至今为止也没有一个统一的机器人的定义。,机器人学是一门不断发展的科学，对机器人的定义也随其发展而变化。,（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(endeffector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。,（1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。,国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：,（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“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”。,（4）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。,（5）我国对机器人的定义。蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”(amechantronicdevicetoimitatesomehumanfunctions)。,参考各国的定义，对机器人给出以下定义：机器人是一种计算机控制的可以编程的自动机械电子装置，能感知环境，识别对象，理解指示命令，有记忆和学习功能，具有情感和逻辑判断思维，能自身进化，能计划其操作程序来完成任务。,1.2机器人的发展及应用,一、古代机器人,春秋后期，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。,机器马车,西周时期，出现了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。,公元前2世纪，亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人自动机。可以自己开门，还可以借助蒸汽唱歌。,汉代大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。,后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”。用其运送军粮，支援前方战争。,写字机器人,1738年，法国天才技师杰克戴瓦克逊发明了一只机器鸭。它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。,19世纪中叶出现了科学幻想派和机械制作派。1886年未来的夏娃问世。在机械实物制造方面，1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。,1773年，自动书写玩偶、自动演奏玩偶等被连续推出。现在保留下来的瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，还定期弹奏音乐供参观者欣赏。,1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。可以回答一些问题。,二、工业机器人,1952年，第一台数控机床的诞生，为机器人的开发奠定了基础。,1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。,主从机器人,1948年，美国原子能委员会的阿尔贡研究所开发了机械式的主从机械手。,1962年美国AMF公司推出的“VERSATRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”是机器人产品最早的实用机型（示教再现）。,VERSATRAN,UNIMATE,1965年，MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议1973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人1980年后，日本赢得了“机器人王国”的美称,工业机器人,汽车装配机器人,汽车装配机器人,一汽红旗轿车机器人焊接线,弧焊机器人,点焊机器人,铆接机器人,70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。1972年开始研制自己的工业机器人“七五”期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施上世纪90年代初期起，形成了一批机器人产业化基地,我国工业机器人的发展：,日本和美国在20世纪60年代就已经开始进行机器人的研究，与他们相比较，我国还存在较大的差距，因此需要更多的人加入到发展机器人的事业中来。,1机器人的体系结构(1)：,从体系结构来看，机器人分为三大部分六个系统，分别是：三大部分：机械部分（用于实现各种动作）、传感部分（用于感知内部和外部的信息）、控制部分（控制机器人完成各种动作）。,1.3工业机器人基本组成及技术参数,1机器人的体系结构(2)：,六个系统：A驱动系统：提供机器人各部位、各关节动作的原动力。B机械结构系统：完成各种动作。C感受系统：由内部传感器和外部传感器组成。D机器人-环境交互系统：实现机器人与外部设备的联系和协调并构成功能单元。E人机交互系统：是人与机器人联系和协调的单元。F控制系统：是根据程序和反馈信息控制机器人动作的中心。分为开环系统和闭环系统。,2机器人的机械结构：,工业机器人一般有以下几部分构成：机身部分（基座）：如同机床的床身结构一样，机器人机身构成机器人的基础支撑。有的机身底部安装有机器人行走机构；有的机身可以绕轴线回转，构成机器人的腰。手臂部分：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。末端操作器：可以是拟人的手掌和手指，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。关节：分为滑动关节和转动关节。实现机身、手臂各部分、末端操作器之间的相对运动。,机器人系统组成,图例1-1工业机器人结构,3工业机器人的技术参数,1.自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪(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置和姿态(简称位姿)需要六个自由度。但是,工业机器人的自由度是根据其用途而设计的,可能小于六个自由度,也可能大于六个自由度。,图例1-2PUMA562工业机器人,2工作精度：,包括定位精度和重复定位精度。定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位置之间的差异。重复定位精度：指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。,3工作范围：,指机器人末端操作器所能到达的区域。,4工作速度：,指机器人各个方向的移动速度或转动速度。这些速度可以相同，可以不同。,5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质量。,4按工业机器人的结构分类1五种基本坐标式机器人,1.直角坐标笛卡儿坐标台架型(3P)这种机器人由三个线性关节组成,这三个关节用来确定末端操作器的位置,通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在x、y、z轴上的运动是独立的,运动方程可独立处理,且方程是线性的,因此,很容易通过计算机控制实现;它可以两端支撑,对于给定的结构长度,刚性最大;它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化,容易达到高精度。但是,它的操作范围小,手臂收缩的同时又向相反的方向伸出,即妨碍工作,且占地面积大,运动速度低,密封性不好。,图1.24直角坐标机器人的工作空间示意图,2.圆柱坐标型(R2P)圆柱坐标机器人由两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置,再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角,工作范围可以扩大,且计算简单;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;能够伸入型腔式机器内部。但是，它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。圆柱坐标机器人的工作范围呈圆柱形状,如图1.25所示。,图1.25圆柱坐标机器人的工作范围,3.球坐标型(2RP)球坐标机器人采用球坐标系,它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置,再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转,中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。球坐标机器人的工作范围呈球缺状,如图1.26所示。,图1.26球坐标机器人的工作范围,4.关节坐标型/拟人型(3R)关节机器人的关节全都是旋转的,类似于人的手臂,是工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂,图1.19所示为PUMA机器人的工作范围。,5.平面关节型这种机器人可看做是关节坐标式机器人的特例,它只有平行的肩关节和肘关节,关节轴线共面。如SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)机器人有两个并联的旋转关节,可以使机器人在水平面上运动,此外,再用一个附加的滑动关节做垂直运动。SCARA机器人常用于装配作业,最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性,而沿z轴具有很强的刚性,所以,它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。平面关节机器人的工作空间如图1.27所示。,图1.27平面关节机器人的工作空间,1.3.4工业机器人的参考坐标系机器人可以相对于不同的坐标系运动,在每一种坐标系中的运动都不相同。通常,机器人的运动在以下三种坐标系中完成(如下图所示)。,机器人的全局参考坐标系、关节参考坐标系和工具参考坐标系,1.全局参考坐标系全局参考坐标系是一种通用坐标系,由x、y和z轴所定义。在此情况下,通过机器人各关节的同时运动来产生沿三个主轴方向的运动。在这种坐标系中,无论手臂在哪里,x轴的正向运动就总是在x轴的正方向。这一坐标系通常用来定义机器人相对于其他物体的运动、与机器人通信的其他部件以及运动路径。,2.关节参考坐标系关节参考坐标系用来描述机器人每一个独立关节的运动。假设希望将机器人的手运动到一个特定的位置,可以每次只运动一个关节,从而把手引导到期望的位置上。在这种情况下,每一个关节单独控制,从而每次只有一个关节运动。由于所用关节的类型(移动、旋转型)不同,因此,机器人手的动作也各不相同。例如,如果为旋转关节运动,则机器人手将绕着关节的轴旋转。,3.工具参考坐标系工具参考坐标系描述机器人手相对于固连在手上的坐标系的运动。固连在手上的x、y和z轴定义了手相对于本地坐标系的运动。与通用的全局参考坐标系不同,本地的工具参考坐标系随机器人一起运动。假设机器人手的指向如图1.28所示,相对于本地的工具参考坐标系x轴的正向运动意味着机器人手沿工具参考坐标系x轴方向运动。如果机器人的手指向别处,那么同样沿着工具参考坐标系x轴的运动将完全不同于前面的运动。如果x轴指向上,那么沿+x轴的运动便是向上的;反之,如果x轴指向下,那么沿+x轴的运动便是向下的。,理由之三：机器人做人做不了的事情。比如人们对太空的认识，对原子分子进行