第7章_工业机器人

1、第七章 工业机器人教学目的及要求教学目的及要求 了解工业机器人的定义、分类和组成，了解工业机器人的机械系统。 了解工业机器人的相关控制技术 了解机器人的视觉及机器人的智能 第一节 概述1. 工业机器人的定义 美国机器人协会(RIA)：“机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能多自由度的操作机，用于搬运材料、工件、工具的专用装置。” 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种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。 中国：机器人是一种拟人功能的机械电子装置。2. 工业机器人的组成 工业机器人一般由

2、执行机构、控制系统和驱动系统组成。工业机器人的典型结构如下图所示。 1) 执行机构 执行机构是一种具有和人手臂相似的动作功能。可在空间抓放物体或执行其他操作的机械装置，通常包括机座、手臂、手腕和末端执行器。 (1) 机座：机器人承受载荷的基础部件。可分为固定式和移动式(平移和旋转)。旋转的机座也称“腰”。 (2) 手臂：分为大臂、小臂和手腕，完成各种动作。 (3) 手腕：连接手臂与末端执行器的部件，用来调整末端执行器的方位和姿态。 (4) 末端执行器：又称“手”，是直接执行工作的装置，可以是拟人的手掌、手指和夹持器等，也可以是各种作业工具，如焊枪、喷漆枪等。 2) 控制系统 控制工业机器人按照

3、规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。多采用计算机控制。 计算机控制系统按内部功能划分的不同，可细分为： 决策级：识别环境、建立模型、任务分解。 策略级：按关节坐标协调变化的规律，将动作转化为各关节的运动参数，传递给伺服控制系统。 执行级：按给定指令执行动作。 3) 驱动系统 按照控制指令，放大驱动信号，驱动执行机构动作。 常用的有：机械、液压、气动和电气四种。 机器人的组成视频3. 工业机器人的分类 1) 按坐标形式分 (1) 直角坐标式 执行器通过沿三个互相垂直的轴线移动改变位置，机器人主体结构的关节都是移动关节。 位置精度高，控制无耦合，简单可靠 结构庞大，动作范围小，灵活性差

4、 (2) 圆柱坐标型 圆柱坐标式机器人主体结构具有三个自由度：腰转、升降和伸缩，亦即具有一个旋转运动和两个直线运动。 通用性强，结构紧凑 机器人腰转时将手臂缩回，减少了转动惯量 受结构限制，手臂不能抵达底部，减少了工作范围 (3) 球面坐标式(极坐标式) 机器人主体结构具有三个自由度，两个旋转运动和一个直线运动。 结构紧凑，位置精度尚可，工作范围大，占地面积小，控制系统复杂。 (4) 关节坐标式 主要由立柱、大臂和小臂组成，形成腰关节、肩关节和肘关节。 工作范围大、动作灵活，但位置精度低，控制有复杂的耦合问题。水平多关节型垂直方向上的刚性好，适于装配工作垂直多关节动作范围宽；结构刚度低；精度较

5、低；装配、搬运、弧焊、喷涂、点焊等 2) 按控制方式分 (1) 点位控制(Point to Point) 运动是连接两点之间的直线运动，关心的是末端执行器在两个给定点的位置精度和姿态，具体运动轨迹如何、运动时执行器的姿态并不是重点。 控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。 (2) 连续轨迹控制(Continuous Path) 运动轨迹可以是空间内的任意连续曲线，在整个运动过程中，机器人和末端执行器均处于可控制状态。 3) 按驱动方式分 (1) 液压驱动 精度高，反应速度快，输出力或力矩大 液压机构维护复杂，成本高 (2) 气压驱动 由气动机构产生动力驱动关节运动。动作迅速，结构简单，但受空

6、气可压缩性影响，稳定性差，定位精度低，抓取力小 (3) 电力驱动 能完成高速运动，具有传动机构少，成本低等优点，在现代工业生产中已基本普及。 步进电动机直流伺服电动机交流伺服电动机 4) 按信息输入方式分 (1) 人工操作机械手 (2) 固定程序机器人 (3) 可变程序机器人 (4) 程序控制机器人 (5) 示教再现机器人 示教记忆再现 (6) 智能机器人 具有发现问题并能自主解决问题的能力 机器人的分类视频1 机器人的分类视频24. 工业机器人的用途与发展 用于一切可替代人操作的场合，尤其是劳动强度大、重复性高、环境恶劣的地方。 工业、农业、服务业、科研 1)焊接：主要是指利用机器人进行点焊

7、和弧焊。 点焊时要求机器人手腕握持焊接工具准确地对准所要求的焊点，焊枪不与部件的其它部位接触。通常，这些机器人所夹持的焊接工具大而重，同时还要求机器人有一个比较大的活动范围。 弧焊是对材料进行连续焊接，焊接前首先要将复杂的运行轨迹示教给机器人，在需要处理较宽的焊缝时，可以编程使机器人作编织状的横摆运动。汽车工业运用这种类型的机器人最多。本田车厂焊接机器人 三维激光切割与焊接 2) 喷漆：喷漆易引发火灾，同时有害于身体健康，因此，喷漆作业是机器人特有的用途。使用喷漆机器人的另一个优点是涂层比人工喷涂的更加均匀。 机器人喷漆视频 机器人喷脱模剂视频 3) 磨削：利用工业机器人对焊缝或工作表面进行磨

8、削。 机器人磨刀视频 机器人磨削汽车变速箱零件视频 机器人抛光视频1 机器人抛光视频2 4) 零部件装卸和传送：常用于生产线上。将零件从一个位置移至工作区的另一个位置，有码放和卸货两种操作，或在金属加工中，将零件从一个工作区送至另一个工作区。下页图表示用机器人传送锻造毛坯的工作流程： 进料器将工件送至A点机器人R1将工件送至B点涂膜并转至C点机器人R1将工件送至D点（干燥台）并旋转至E点正好干燥大机器人将工件从E移至F点（加热转台）旋转一周至G点从G点至H点锻打机器人R2将加工好的工件料箱或传送带上。自动锻造工作站示意图 5) 其他应用 水下机器人：用于海底矿物探测、打捞沉船、在海上或干式船坞

9、中修理船舶等。 军用机器人：海军和空军对移动式消防机器人感兴趣，由于配有红外传感器，在紧急关头，能够作出比人更快的反应。还有装炮弹机器人等。 发电厂机器人：在核发电厂，由于核燃料有放射作用，很多工作更适合于机器人操作。如：给活动筛附属装置上润滑油；阀门密封件的检修等。 家用机器人： 组装机器人： 自动工厂中的机器人：机器人的未来用途是成为全自动化工厂或加工车间的一个组成部分工业机器人的发展： 提高速度和运动精度，减少重量和占地面积 部件的标准化和模块化 使用新型结构 开发各种新型传感检测设备 发展人工智能的推理和决策技术第二节 工业机器人的机械系统1. 手部(末端执行器) 工业机器人的手部也叫

10、末端操作器，它直接装在工业机器人的手腕上用于夹持工件或让工具按照规定的程序完成指定的工作。 1) 手部的特点 (1) 手部与手腕相连处可拆卸 手部与手腕处有可拆卸的机械接口：手部与手腕处有可拆卸的机械接口：根据夹持对象的不同，手部结构会有差异，通常一个机器人配有多个手部装置或工具，因此要求手部与手腕处的接头具有通用性和互换性。 手部可能还有一些电、气、液的接口：手部可能还有一些电、气、液的接口：由于手部的驱动方式不同造成。对这些部件的接口一定要求具有互换性。 (2) 手部是末端操作器 可以具有手指，也可以不具有手指手指；可以有手爪，也可以是专用工具工具。每个手指有三个或四个关节。技术关键是手指

11、之间的协调控制。末端操作器图例(2) (3) 手部是一个独立的部件 工业机器人通常分为三个大的部件：工业机器人通常分为三个大的部件：机身、手臂（含手腕）、手部。手部对整个机器人完成任务的好坏起着关键的作用，它直接关系着夹持工件时的定位精度、夹持力的大小等。 (4) 手部的通用性比较差 工业机器人的手部通常是专用装置：工业机器人的手部通常是专用装置：一种手爪往往只能抓住一种或几种在形状、尺寸、重量等方面相近的工件；一种工具只能执行一种作业任务。 2) 手部的设计要求手部的设计要求 具有足够的夹持力。具有足够的夹持力。 保证适当的夹持精度保证适当的夹持精度 手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持

12、工件形成所要求的约束。 考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度考虑手部自身的大小、形状、机构和运动自由度 主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、重量、硬度和表面质量等来综合考虑。 智能化手部还应配有相应的传感器智能化手部还应配有相应的传感器 由于感知手爪和物体之间的接触状态、物体表面状况和夹持力的大小等，以便根据实际工况进行调整等 3) 手部的构成 主要有手指、驱动机构和传动机构组成。 4) 手部的分类 (1) 按用途分 手爪：手爪：具有一定的通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、释放工件。 抓住抓住：在给定的目标位置和期望姿态上抓住工件，工件必须有可靠的定位，保持工件和手爪之间的

13、准确的相对位置关系，以保持机器人后续作业的准确性。 握住：确保工件在搬运过程中或零件装配过程中定义了的位置和姿态的准确性。 释放：在指定位置结束手部和工件之间的约束关系。 工具：工具：进行作业的专用工具。工件的定位和夹紧F(2) 按夹持方式分 外夹式外夹式 手部与被夹件的外表面相接触。 内撑式内撑式 手部与工件的内表面相接触。 内外夹持式内外夹持式 手部与工件的内、外表面相接触。夹持方式图例 (3) 按手爪的运动形式分按手爪的运动形式分 回转型回转型 当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。 平动型平动型 手指由平行四杆

14、机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。 平移型平移型 当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的影响。回转型图例压缩弹簧拉伸弹簧平动型图例平移型图例该丝杆的螺纹具有什么特点？此时手部是张开还是合拢？ (4) 按夹持原理分按夹持原理分 手指式：手指式： 外夹式、内撑式、内外夹持式。 平移式、平动式、旋转式。 二指式、多指式。 单关节式、多关节式。 吸盘式：吸盘式： 负压吸盘：真空式、喷气式、挤气式。 磁力吸盘：永磁吸盘、电磁吸盘。 5) 典型结构 (1) 机械式手爪结构 气动驱动： 气缸驱动活塞平移齿条移动扇形齿轮摆动连杆机构摆动手爪平

15、动 其它四种机械式手爪机构气动手爪图例问题：1、分析手部的运动。2、手部作的是什么类型运动？机械手爪图例重力式手爪齿轮齿条式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪 (2) 电磁吸盘 电磁吸盘的电磁吸盘的结构结构： 主要由磁盘、防尘盖、线圈、壳体等组成。 工作原理：工作原理： 夹持工件： 线圈通电空气间隙的存在线圈产生大的电感和启动电流周围产生磁场(通电导体一定会在周围产生磁场)吸附工件 放开工件： 线圈断电磁吸力消失工件落位 适用范围：适用范围： 适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。 适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。 适合于定位精度要求不高的工件。 适

16、合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。电磁吸盘图例 (3) 真空式吸盘 构成: 由真空泵、电磁阀、电机和吸盘等构成。 工作原理： 形成真空吸附工件： 电机真空泵3电磁阀左侧从吸盘5处抽气 释放工件： 电机、泵停转大气经6口 4电磁阀左侧 3电磁阀右侧送气至吸盘5处真空吸盘控制系统图例1Y2Y真空吸盘结构图例 (4) 自适应吸盘结构特点：结构特点： 该吸盘具有一个球关节，使吸盘能倾斜自如，适应工件表面倾角的变化。 (5) 异形吸盘结构特点：结构特点： 可用来吸附鸡蛋、锥颈瓶等物件。扩大了真空吸盘在机器人上的应用。 (6) 喷气式吸盘 工作工作原理原理： 压缩空气进入喷嘴后，利用伯努利效

17、应，当压缩空气刚进入时，由于喷嘴口逐渐缩小，致使气流速度逐渐增加。当管路截面收缩到最小处时，气流速度达到临界速度，然后喷嘴管路的截面逐渐增加，使与橡胶皮碗相连的吸气口处，造成很高的气流速度而形成负压。 应用：应用： 在工厂一般都有空压站，喷气式吸盘在工厂得到广泛的应用。喷气式吸盘图例 (7) 挤气式吸盘主要主要构成构成：吸盘架、压盖、密封垫、吸盘工作原理：工作原理：挤气式吸盘工作原理图 6) 手部结构的应用实例 (1) 平行指手爪机构工作原理：工作原理： 回转动力源1和6驱动构件2和5顺时针或逆时针旋转，通过平行四边形机构带动手指3和4作平动，夹紧或释放工件。 (2) 设有检测开关的手爪装置工

18、作原理：工作原理： 手爪装有限位开关5和7。在指爪4沿垂直方向接近工件6的过程中，限位开关检测手爪与工件的相对位置。当工件接触限位开关时发信号，汽缸通过连杆3驱动指爪夹紧工件。 (3) 上料吸盘A (4) 上料吸盘B2. 工业机器人的驱动系统 工业机器人常用驱动系统主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种形式。每种方式都有直线型和旋转型。直线型电动直线电机液压活塞液压缸气压伸缩软管、气缸旋转型电动直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机液压旋转马达气压气压马达、涡轮各种主要驱动方式特点的比较 方式内容液压驱动气压驱动电气驱动交、直流电机伺服电机、步进电机输出力大小大小控制性能可无级调速，反应灵敏，可

19、实现连续轨迹控制气体压缩性大，精确定位难，阻尼效果差，低速不易控制控制性能较差，惯性大，不易精确定位控制性能好，能精确定位，但控制系统复杂体积在输出力相同条件下体积小较大要有减速装置，故体积较大较小维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便方便较复杂对环境影响 易漏油，易燃 排气有噪声无无应用范围重型低速驱动 中小型快速驱动抓取重量大而速度低的中、重型机器人可用于要求严格控制运动轨迹的中小型机器人成本元件成本较高低低较高3. 工业机器人的传动机构 传动机构用来将原动机发出的机械能传递给关节或其他工作部分，以实现机器人各种必要的运动。 常用传动方案如下表所示。 常用传动机构有齿轮传动、螺旋传

20、动、带及链传动等。直线电机III变速电机 (回转关节)伺服电机 (减速机构) (回转变直线机构) (直动关节)II液压泵或空压机 (液压或气动驱动器) (连杆机构、摆杆机构)I执 行 部 件传动机构原 动 机方案 1) 齿轮传动 齿轮传动最常用，包括： 圆柱齿轮传动：直/斜齿，内/外啮合，齿轮齿条 圆锥齿轮传动：直齿、曲齿 交错轴斜齿轮传动 蜗轮蜗杆传动 准双曲面齿轮传动 行星齿轮减速机构 谐波减速器 RV减速器：内齿轮为带滚针的圆弧齿，外齿轮采用周摆线齿，内外齿轮在整个圆周上始终保持啮合。RV减速器工作原理图 2) 螺旋传动 螺旋传动可实现旋转运动和平移运动的转换。螺旋传动均匀准确，主动件上

21、作用较小扭矩，即可在从动件上获得很大的轴向力。螺杆旋转一周，螺母只移动一个导程。 按摩擦性质分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。 滑动螺旋：丝杠螺母副 滚动螺旋：滚珠丝杠副 静压螺旋：变滑动、滚动摩擦为流体自身的粘性力摩擦，如使用气体静压螺旋，则摩擦力很小，但承载能力也小。滑动螺旋传动原理图滚动螺旋传动内部结构图滚珠丝杠实物图静压螺旋传动内部结构示意图 3) 带、链传动 工业机器人中的带传动主要指同步齿形带传动，链传动主要指精密套筒滚子链传动。 主要用于平行轴之间的传动。 4) 其他传动方式 除上述三种主要传动形式外，工业机器人中还有采用液压传动、气压传动、连杆机构和凸轮机构等。4. 工业机器人

22、的手臂 手臂用来调节末端执行器在空间的位置，或把物料、工具运送到工作范围内的指定位置上。一般具有三个自由度，这些自由度可以是移动副、绕同轴回转的回转副和绕销轴摆转的回转副。 关节型机器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是关节。 回转关节用来连接手臂与机座、手臂相邻杆件及手臂与手腕，并实现两构件间的相对回转(或摆动)。它由驱动器、回转轴和轴承组成。 驱动电机和关节之间没有速度和转矩的转换。这种驱动方式具有以下特点： A. 机械传动精度高； B. 振动小，结构刚性好； C. 结构紧凑，可靠性高； D. 电机的重量会增加转动负担。 回转关节回转轴与驱动器装在同一轴上。SCARA型机器人中常用。

23、本形式位置精度高，但应注意加强手臂刚度和选择紧凑的减速装置。 移动关节由直线运动机构和直线导轨组成。在工业机器人中，为满足高速、高精度要求，常采用紧凑、低价的滚动导轨。 直线滚动导轨结构示意图直线滚动导轨产品5. 工业机器人的手腕 手腕位于手臂末端，用来支撑末端执行器并调整其姿态。 一般手腕由多个同轴回转副(R)或销轴回转副(B)的关节组成。手腕按自由度分类，可分为单回转、双回转、三回转三种。常见的双回转副配置形式有B-R和R-B；三回转副的配置形式有B-B-R，B-R-R，R-B-R，R-R-R，R-B-B五种。 三回转手腕结构形式有偏置结构和球腕结构两类。前者手腕各关节轴作相对偏置，这在计

24、算控制上较为复杂；后者手腕各关节轴线相交于一点，这在运动分析和计算时，可等效于一高副球腕结构处理。手腕自由度配置形式手腕结构实例6. 机身与行走机构 机器人机械结构由三大部分构成：机身、手臂(含手腕)、手部。其中机身又称立柱，是支承臂部的部件。同时，大多数工业机器人必须有一个便于安装的基础部件，这就是机器人的基座，基座往往与机身做成一体。有些机器人需要行走，机身下面还会安装有行走机构。 1) 机身 (1) 机身的自由度 机身往往具有升降、回转及俯仰三个自由度。 (2) 机身的运动 由上面三个自由度可以组合成机身五种运动形式。分别是：回转运动；升降运动；回转升降运动；回转俯仰运动；回转升降运动俯

25、仰运动。 (3) 各种坐标类型机身运动方案设计圆柱坐标式机器人：圆柱坐标式机器人： 这种类型的机器人主体结构通常具有三个自由度：一个回转运动(腰转)及两个直线移动(升降运动及手臂伸缩运动)。腰转运动及升降运动通常由机身来实现。球面坐标式机器人：球面坐标式机器人： 这种类型的机器人主体结构通常具有三个自由度：绕垂直轴线的回转运动(回转运动)、绕水平轴线的回转运动(俯仰运动)及手臂的伸缩运动。通常把回转及俯仰运动归属于机身。关节坐标式机器人：关节坐标式机器人： 这种类型的机器人主体结构的三个自由度均为回转运动，构成机器人的回转运动、俯仰运动和偏转运动。通常仅把回转运动归结为机身。直角坐标式机器人：

26、直角坐标式机器人： 这种类型的机器人主体结构具有三个自由度且都是直线运动。通常把升降运动或水平移动的自由度归为机身部分。链轮液压缸机构图例问题：要使立柱作大于360的旋转，对活塞的行程有什么要求？每个液压缸只有一个油口。回转与俯仰机身 机器人手臂的俯仰运动，一般采用活塞缸与连杆机构实现。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接好，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方法与立柱连接。回转与俯仰机身图例 2) 机器人行走机构 (1) 行走机构的构成 机器人行走机构通常由驱动装置、传动装置、位置检测装置、传感器、电缆和管路等构成。 (2) 行走机构的分类 按运行轨迹分：按运行轨迹分：

27、分为固定轨迹式和无固定轨迹式两种。固定轨迹式主要用于工业机器人。 按行走机构的特点分：按行走机构的特点分： 对于无固定轨迹机器人，可分为轮式、履带式和步行式等。前两者与地面连续接触，后者与地面为间断接触。 (3) 固定轨道式机器人运动的实现 机器人机身底座，安装在一个可移动的拖板上，依靠丝杆螺母副的运动将来自电机的旋转运动转化为直线运动。 (4) 车轮式行走机器人 分类： 车轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六轮之分。它们或有驱动轮和自位轮，或有驱动轮和转向机构，用来转弯。 适用范围： 最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。三轮行走机器人图例三轮行走机器人结构及驱动构成：构成：三个车轮、转向

28、叉、驱动装置等。驱动方案驱动方案： 电机5驱动轮1：通过V1、V2的不同速度控制小车的移动方向，同时，转向叉3自动地转向正确的方向。此时轮2受到地面的摩擦而滚动。 电机6驱动轮2：由电机6驱动，小车的方向由专用电机7驱动转向叉实现。此时轮1自由滚动。缺陷：缺陷：施加在角落的力容易产生使机器人翻倒，对负载有一定的限制。四轮行走机器人 (5) 履带式行走机器人 特点：特点： 可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。 没有自位轮，依靠左右两个履带的速度差转弯，会产生滑动，转弯阻力大，且不能准确地确定回转半径。履带式行走机器人图例A履带式行走机器人图例B (6) 脚踏行走机器

29、人 脚踏行走机器人即步行机器人，典型特征是不仅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越沟壑，上下台阶，具有广泛的适应性。主要设计难点是机器人跨步时自动转移重心而保持平衡的问题。两足步行机器人图例控制特点：控制特点： 使机器人的重心经常在接地的脚掌上，一边不断取得准静态平衡，一边稳定的步行。结构特点：结构特点： 为了能变换方向和上下台阶，一定要具备多自由度。两足步行机器人图例主要构成：主要构成： 1-框架 2-大腿 3-小腿 4-脚 5-肩 6-肘 7-手 8-液压缸两足步行机器人视频四足机器人图例A特点：特点： 四足机器人在静止状态下是稳定的，具有很高的实用性。 四足机器人步行时，一只脚

30、抬起，三只脚支撑自重，这时有必要移动身体，让重心落在三只脚接地点组成的三角形内。四足机器人图例B四足机器人图例C (7) 其它行走机器人 爬壁机器人 车轮和脚混合式机器人其它行走机器人图例第三节 工业机器人控制系统1. 概述 控制系统是机器人的指挥中枢，负责对作业指令、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，按确定的顺序、轨迹、速度和加速度运动，完成制定的任务。 机器人控制系统不仅要考虑运动学关系，还要考虑动力学因素，是一个多变量耦合系统，特殊、复杂。 目前，机器人控制器是一个由计算机控制的高性能控制器，并且控制轴数日益增多，体积减小，价格走低，并实现了软件控制和数字控制，系统的可靠性增强。2. 分类 1) 按控制运动方式：关节运动