工业机器人原理与应用

工业机器人的原理与应用，记者庄鹏，2006年11月25日，主要内容，机器人发展概述，机器人的定义，机器人在主要国际机器人制造商中的应用领域，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，机器人控制。1920年，捷克剧作家卡利洛维奇在他的科幻剧本罗萨姆万能机器人制造公司(Rossum suniversalrobots)中首次使用了机器人一词，意思是“人造人”。现在它已经被用作机器人的专用术语。“机器人”一词的由来，第一部分机器人的发展，第一代机器人在19世纪50年代和60年代，随着机械理论和伺服理论的发展，机器人进入了实用阶段。1954年，美国通用汽车公司颁发了“通用机器人”专利。1960年，美国AMF公司生产了一种列坐标范思哲机器人，它可以控制点和轨迹。它是世界上第一个用于工业生产的机器人。20世纪70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术和人工智能技术的发展，机器人也迅速发展起来。1974年，CincinnatiMilacron公司成功开发了一种多关节机器人。1979年，Unimation公司推出了PUMA机器人，这是一种多关节、全电机驱动、多中央处理器的两级控制机器人。它使用VAL特殊语言，可以配备视觉、触觉和力传感器。这是当时最先进的工业机器人。今天的工业机器人基本上就是基于这种结构。这一时期的机器人属于“示教/回放”机器人，只有记忆和存储能力，根据相应的程序重复操作，对周围环境的感知和反馈控制能力很小。机器人的发展，第二代机器人进入80年代，随着传感技术的发展，包括视觉传感器、非视觉传感器(力觉、触觉、接近感等)。)和信息处理技术，第二代机器人有感知能力的机器人。它可以获取工作环境和工作对象的一些相关信息，进行一定的实时处理，并指导机器人工作。第二代机器人已经投入使用，并广泛应用于工业生产。机器人的发展，第三代机器人目前正在研究“智能机器人”，它不仅具有比第二代机器人更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，能够根据操作和环境信息的要求独立工作。美国机器人协会(RIA):机器人是一种多功能机械手，具有编程功能，可移动各种材料、零件、工具或特殊设备，通过程序动作执行各种任务。显然，这里的机器人指的是工业机器人。日本工业机器人协会(JIRA):工业机器人是一种配备有记忆装置和末端执行器的通用机器，可以完成各种动作来代替人工。国际标准化组织(ISO):机器人是一种自动的、位置可控的多功能机械手，具有编程能力。机械手有几个轴，可以通过可编程操作来处理各种材料、零件、工具和特殊设备，以执行各种任务。第二部分，机器人的定义，重点介绍了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制原理和人工智能的最新研究成果，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。对工程师和技术人员来说，理解和学习机器人技术具有重要意义。第三部分-世界主要机器人制造商，世界主要机器人制造商，世界主要机器人制造商，第四部分-机器人应用领域，弧焊机器人，激光焊接机器人，电阻焊机器人，自动焊接机器人，点焊机器人，等离子切割机器人，机器人应用领域，清洁机器人，送料机器人，物料输送机器人，物料移除机器人，包装机器人，喷漆机器人，机器人应用领域，部件移动机器人，装配机器人，保险机器人，自动钻孔机器人，设备维护机器人，包装机器人， 堆垛机器人、机器人应用领域、涂装机器人、去毛刺机器人、磨针机器人、高温喷涂机器人、机器人应用领域、医疗并联机器人、机器人应用领域、天文望远镜、绳索机器人、机器人应用领域、三杆并联机床、机器人应用领域、Tricept1005机器人机构图、固定平台(框架)、万向铰链、伸缩杆、移动平台、高速铣头机构图、框架、Tricept1005机器人及主轴部件、高速铣头、伸缩杆、伺服电机、机器人应用领域、六杆机器人应用领域，六足行走机器人，第5部分-机器人分类系列机器人和并联机器人，系列机器人直角坐标系机器人，机器人分类，系列机器人圆柱坐标系机器人，机器人分类，系列机器人水平多关节机器人，机器人分类，并联机器人，第6部分-机器人系统基本结构，机械体：机器人的机械体机构基本上分为两类，一类是操作体机构，类似于人的手臂和手腕，另一类是移动体结构，主要实现驱动伺服单元：伺服单元的功能是使驱动单元驱动关节，驱动负载按照预定的轨迹运动。广泛使用的驱动方法包括液压伺服驱动、电机伺服驱动和气动伺服驱动。3.计算机控制系统：主机计算出各关节伺服驱动的指令值后，在每个采样周期内给出。机器人通常由两台计算机控制：一台主机和一台关节驱动伺服计算机。传感系统：除了关节伺服驱动系统的位置传感器(称为内部传感器)外，还配有各种类型的传感器(称为外部传感器)，如视觉、力觉、触觉、接近感等。5.输入输出系统接口：为了联系和响应外围系统和相应的操作，还应提供各种通信接口和人机通信设备。第7部分-机器人的技术参数和自由度：机器人具有的独立运动坐标轴的数量，有时海洋包括抓手(末端操纵器)的打开和关闭自由度。在三维空间中描述一个物体的姿态(位置和姿态)需要6个自由度。工业机器人的自由度是根据它们的应用来设计的，它们可以是少于6个自由度或多于6个自由度。例如，A4020装配机器人有4个自由度，可以在印刷电路板上连接和插入电子器件，而PUMA562机器人有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊。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的实际到达位置和目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人手在同一目标位置重复定位的能力(用标准偏差表示)。工作空间：机器人手臂末端或手腕中心可以到达的所有点(包括形状和大小)的集合。最大工作速度：指工业机器人主自由度上的最大稳定速度，或手臂末端的最大组合速度。承载能力：指机器人在工作范围内任何位置和姿态所能承受的最大重量。承载能力不仅取决于负载的质量，还取决于机器人的速度和加速度。第8部分-机器人运动学，正向运动学问题：了解机器人各杆的几何参数和关节变量，找到末端执行器相对于笛卡尔坐标系的位置和姿态。逆运动学问题：给定机器人每个杆的几何参数，给定末端执行器相对于笛卡尔坐标系的位置和姿态，确定关节变量的大小。刚体在三维空间中有六个自由度，即三个运动自由度和三个转动自由度。齐次变换矩阵、机器人运动学和雅可比矩阵在机器人技术中起着重要作用：雅可比矩阵可用于建立机器人末端执行器在笛卡尔坐标系中的速度与各关节速度之间的关系，以及外部环境对末端执行器的力/力矩与各关节的力/力矩之间的关系。对于具有n个自由度的机器人，关节变量是：机器人末端执行器在笛卡尔坐标系中的位置和方向可以被导出。机器人运动学和雅可比矩阵的应用之一是分离速度控制。当使用计算机控制时，速度以位置增量的形式表示。当n6时，J不是方阵，雅可比矩阵的逆使用它的伪逆。当要求机器人沿某一轨迹运动时，P已知，关节变量增量Q由上述公式得到，从而可以确定各关节的变量值，位置控制由伺服系统实现。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/扭矩与机器人末端执行器的姿态、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主要有拉格朗日法和牛顿-欧拉法。机器人动力学的拉格朗日方法，拉格朗日函数L被定义为系统动能K和势能P之间的差，即，由拉格朗日函数L描述的系统动力学方程是，I=1，2，其中n是连杆的数量；气是广义坐标；是广义的速度；对于作用在I型关节上的广义力，用拉格朗日法推导机器人的动力学模型可以按以下步骤进行：a .计算任意连杆上任意点的速度；B、计算每个连杆的动能和机器人的总动能；C、计算每个连杆的势能和机器人的总势能；建立机器人系统的拉格朗日函数；(5)拉格朗日函数的推导，得到机器人的动力学方程，机器人动力学的牛顿-欧拉方法，刚体的一般运动可以分解为质心平移运动和质心转动，质心平移运动的动力学特性可以用牛顿定理来描述，质心转动的动力学特性可以用欧拉定理来描述， 牛顿-欧拉法和拉格朗日法的最大区别在于牛顿-欧拉方程描述了机器人系统中每个刚体的动力学特性，得到的动力学模型是联立方程，而拉格朗日方程可以描述机器人系统中多个刚体的动力学特性，并可以得到一个封闭形式的动力学模型。 机器人动力学模型的一般形式，第10部分机器人控制轨迹控制运动控制动态控制，“运动控制”根本不考虑机器人的动态特性，而只是根据机器人的实际轨迹与期望轨迹之间的偏差进行负反馈控制，控制器通常采用位置和速度增益控制。“动态控制”引入内部控制回路，动态补偿机器人的动态特性，并将机器人转化为解耦的线性稳定系统。内部控制