工业机器人知识讲座

2012/8/10,工业机器人知识讲座,第一周,第一节工业机器人常识,单选题知识竞答,2012/8/10,2012/8/10,1、年,美国乔治德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人。A.1944B.1954C.1964D.1974,答案：B,2012/8/10,2、世界上第一台真正实用的工业机器人“尤尼梅特”诞生于哪个国家？A.英国B.美国C.日本D.德国,答案：B,2012/8/10,3、被人们誉为“工业机器人之父”的是？A.英格伯格B.德沃尔,答案：A,2012/8/10,背景知识：,1954年，电子学家德沃尔获得了一项“可编程序机械手”的专利。1959年，英格伯格和德沃尔设计出了世界上第一台真正实用的工业机器人，名叫“尤尼梅特”。1961年，英格伯格和德沃尔筹办了世界上第一家专门生产机器人的工厂“尤尼梅特”公司。1961年，英格伯格也被人们誉为“工业机器人之父”。,2012/8/10,乔治德沃尔，美国人，机械手臂发明人。,英格伯格，美国人，发明家，“工业机器人之父”。,2012/8/10,20世纪50年代，“尤尼梅特”公司生产出了第一批工业机器人“尤尼梅特”。1962年，机械与铸造公司研制出了“沃尔萨特兰”工业机器人。这两种机器人是世界上最早、最有名的机器人。至今，它们仍在使用。,2012/8/10,第二节工业机器人基本认识,关键词：工业机器人定义/构型,2012/8/10,2.1机器人的定义,机器人家族之大至今没有统一定义。,2012/8/10,机器人问世已有几十年，但没有一个统一的意见。原因之一是机器人还在发展，另一原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。,2012/8/10,美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，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（Manipulator）。美国家标准局：一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作的机械装置。1987年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。,2012/8/10,日本工业标准局：一种机械装置，在自动控制下，能够完成某些操作或者动作功能。英国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。中国：我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。,2012/8/10,尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点：,是一种自动机械装置，可以在无人参与下，自动完成多种操作或动作功能，即具有通用性。可以再编程，程序流程可变，即具有柔性(适应性）。,2012/8/10,相关知识补充：自动化系统的“刚性”与“柔性”之分：,根据对产品的适应能力，自动化系统可以分为：“刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。“柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以焊接机器人在生产中的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。,2012/8/10,思考：如何判断一个机械设备是否是机器人？,机器人三大特征：（做为判断标准）1.拟人功能2.可编程3.通用性（数控机床不是工业机器人）,2012/8/10,2.2工业机器人的构型,6种构型,2012/8/10,1、直角坐标型(3P),其运动是解耦的，控制简单。但运动灵活性较差，自身占据空间最大。,2012/8/10,2、圆柱坐标型(R2P),其运动耦合性较弱，控制也较简单，运动灵活性稍好。但自身占据空间也较大。,圆柱坐标型机器人模型,Verstran机器人,Verstran机器人,2012/8/10,3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP),其运动耦合性较强，控制也较复杂。但运动灵活性好。占自身据空间也较小。,极坐标型机器人模型,Unimate机器人,2012/8/10,4、关节坐标型(3R),其运动耦合性强，控制较复杂。但运动灵活性最好，自身占据空间最小。,关节型机器人模型,关节型搬运机器人,关节型焊接机器人,2012/8/10,5、平面关节型(SCARA),仅平面运动有耦合性，控制较通用关节型简单。但运动灵活性更好，铅垂平面刚性好。,SCARA型装配机器人,2012/8/10,6、并联机器人（PM）,可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。,FANUC最新并联机器人,2012/8/10,并联机器人和传统工业用串联机器人在哲学上呈对立统一的关系,特点：（1）无累积误差，精度较高；（2）驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；（3）结构紧凑，刚度高，承载能力大；（4）完全对称的并联机构具有较好的各向同性；（5）工作空间较小；根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。,2012/8/10,工业机器人的技术参数,1.自由度，一般大等于62.定位精度和重复定位精度3.工作空间4.最大工作速度5.承载能力6.典型机器人的技术参数,思考题：工业机器人与机械手有什么区别？,答案：机械手：是模拟人手和臂动作的机电系统，根据机电耦合原理，按主从原则进行工作，因此，它只是人手和臂的延长物，没有自主能力，附属于主机设备，动作简单、操作程序固定的重复操作，定位点不变的操作装置。工业机器人：是有独立机械机构和控制系统，能自主的、运动复杂、工作自由度多、操作程序可变，可任意定位的自动化操作机（系统）,2012/8/10,执行机构、传动机构、驱动装置、控制系统、感知系统,第三节工业机器人的结构,2012/8/10,2012/8/10,操作机器人本体的结构形式,3.1.机器人本体,2012/8/10,腕部,小臂（上臂）,大臂（下臂）,腰部,基座,手部,了解以下术语：自由度关节刚体,手部又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也常把诸如电焊枪、油漆喷头等称为机器人的手部。腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预定姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆(小臂和大臂)组成，用以带动肮部作平面运动。腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臀部的平面运动，既能使胸部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的创造误差、运动精度和平稳性，时机器人的定位精度有决定性的影响。基座是整个机器人的支持部分，部件必须具有足够的刚度和稳定性。,2012/8/10,2012/8/10,思考题：,1.工业机器人的自由度数与关节数的关系？A.+1B.=C.-1D.无关联2.一个带有手爪的工业机器人，手爪夹紧是否计为一个自由度？.是.否,2012/8/10,1.答案：B。自由度数衡量机器人适应性和灵活性的重要指标，一般等于机器人的关节数。机器人所需要的自由度数决定与其作业任务。2.答案：B。无冗余自由度（=7）自由度数多，则动作灵活、适应性强、通用程度高，但结构复杂、维护工作量大,3.2工业机器人传动装置,2012/8/10,关节的组成,在操作机器人机械系统（本体）中，执行机构各构件间通过关节连接在一起，并可以相对运动。操作机器人一般有两种运动关节转动关节和移(直)动关节，由驱动置通过联轴器带动传动装置(一般为减速器)，再通过关节轴带动杆件运动。为了进行位置和速度控制，驱动系统中还包括位置和速度检测元件。检测元件类型很多，但都要求有合适的精度、连接方式以及有利于控制的输出方式。对于伺服电机驱动，检测元件常与电机直接相联；对于液压驱动，则常通过联轴器或销轴与被驱动的杆件相联。,2012/8/10,关节与杠杆,工业机器人的关节可使其上的两个零（部）件相对运动转动或移动，在大多数情况下，工业机器人中一个关节提供一个自由度，未来的机器人可能是多个运动自由度的关节。每个关节连接两个杠杆输入与输出杠杆。关节设置的目的是，使相连接的输入与输出杠杆可在控制下实现相对运动。,2012/8/10,机器人的关节分类,所有工业机器人所配置的关节可归纳为5类,2012/8/10,所有工业机器人所配置的关节可归纳为5类,2012/8/10,3.3工业机器人驱动装置,2012/8/10,3.3.1电动驱动器类型和特点,电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，转动惯性小，速度和位置精度都很高，但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动器的类型很多，可分为以下几种类型。,2012/8/10,直流伺服电机,直流(DC)伺服电机转动惯性小，启停反应快，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。直流伺服电机有很多优点，具有很高的性价比，一直是机器人平台的标准电机。但它的电刷易磨损，且易形成火花。因而产生了无刷电机，采用霍尔电路来进行换向。,2012/8/10,直流伺服电机与驱动放大器,交流伺服电机,交流(AC)伺服电机较直流伺服电机的功率大，无需电刷，效率高，维护方便，在工业机器人中有一定的应用。交流伺服电机的主要技术参数与直流伺服电机相近。,2012/8/10,交流伺服电机,驱动放大器,步进电机,步进电机是一种无刷电机，其磁体装在转子上，绕组装在机壳上。步进电机本质上是一种低速电机，控制方便，可以实行精确运动，最佳工作转速为50100r/min。步进电机驱动多为开环控制，控制简单但功率不大，有较好的制动效果，但在速度很低或大负载情况下，可能产生丢步现象，多用于低精度小功率机器人系统。,2012/8/10,步进电机,步进电机驱动放大器,舵机,舵机是集成了减速器、检测元件和控制板的微小型直流电机。体积小、成本低，控制方便，但功率较小。舵机的转动范围一般在60180之间，由于设置了一个电位器，可随时检测输出轴的位置，因此可以实现闭环控制，多用于低成本的个人机器人和模型机。,2012/8/10,舵机,3.3.2液压驱动器类型和特点,液压驱动器的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温及有洁净要求的场合。故液压驱动器目前多用于特大功率的操作机器人系统或机器人化工程机械。液压驱动器可分为以下几种类型。,2012/8/10,2012/8/10,液压马达,液压摆动马达,液压控制阀,液压泵,液压缸,3.3.3气动驱动器类型及特点,气动驱动器的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但也需要增设气压源，且与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高、但有洁净、防爆等要求的点位控制机器人。气动驱动器可分为以下几种类型。,2012/8/10,2012/8/10,气动回转马达,气动摆动马达,气缸,气泵,气动三大件,气动控制阀,思考题:1、机器人常用的驱动方式及其特点2、电驱动器的主要类型及其特点3、下列三种驱动方式中，哪一种主要用于中、大型机器人及有防爆要求的机器人（如喷漆机器人）？A.气压驱动B.液压驱动C.电驱动,2012/8/10,3.4工业机器人控制系统,2012/8/10,对机器人的编程方式可分为以下三种：,示教编程根据任务的需要，将机器人末端工具移动到所需的位置及姿态，然后把每一个位姿连同运行速度、焊接参数等记录并存储下来，机器人便可以按照示教的位姿再现。机器人语言编程提供了一种通用的人与机器人之间的通讯手段。它是一种专用语言，用符号描述机器人的运动，与常用的计算机编程语言相似。离线编程在计算机中建立设备、环境及工件的三维模型，在这样一个虚拟的环境中对机器人进行编程。,2012/8/10,3.5工业机器人感知系统,2012/8/10,机器人的感觉技术,目前一些机器人具有视觉、听觉和触觉等感觉功能，这些感觉是通过相应传感器得到的。传感器按一定规律实现信号检测，并将被测量（物理的、化学的和生物的信息）通过变送器变换为另一种常用物理量（通常是电压或电流量等电量）。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路组成。,2012/8/10,内部传感器,1、电位器（Potentiometer）2、测速发电机(tachogenerator)3、光学编码器（Opticalencoder）4、触觉传感器5、滑觉传感器6、力觉传感器7、腕力传感器8、接近传感器9、视觉传感器,2012/8/10,小节回顾：,1、工业机器人的组成包括哪几个系统？2、机器人常用的驱动方式及其特点?3、电驱动器的主要类型及其特点？,2012/8/10,第四节工业机器人行业分析,2012/8/10,2012/8/10,1、下列哪个国家工业机器人的数量居世界首位？(算法基于制造工人与机器人的比例)A.德国B.日本C.美国D.中国,答案：B。日本每万名工人拥有295台工业机器人，新加坡169台，韩国164台，德国163台。,2012/8/10,2、世界上工业机器人密度最大的地区是?A.亚洲B.欧洲C.美洲D.非洲,答案：B。欧洲国家工业机器人密度为每万名工人50台，美洲为平均31台，亚洲平均27台。,2012/8/10,3.有“机器人王国”美称的日本是从什么时候开始普及工业机器人的？A.1960B.1970C.1980D.1990,答案：C。日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。,2012/8/10,讨论题：如何看待国内一些机床行业介入机器人行业的现象？,缘由：由于现在用户对机床制造商的要求已不仅仅是提供机床那么简单，机床企业往往要为用户提供一整套的解决方案，或者是整个生产线的布置。在罗百辉看来，机床制造企业介入工业机器人生产可以说是水到渠成。,2012/8/10,讨论题：国产机器人的短板有哪些？,1、我国在某些