机器人的基础知识

1、工业机器人应用技术模块二机器人的基础知识机器人的的基本属属于与图图形符号号1机器人的的主要技技术参数数2机器人的的举例分分析3机器人的的工作原原理与应应用技术术4本模块主主要介绍绍机器人人的基础础知识，包括机机器人的的基本术术语与各各类图形形符号，机器人人的主要要技术参参数等，并介绍绍了几种种实际产产品的技技术规格格和机构构简图。单元提要学习完本本模块的的内容后后，学生生应熟练练掌握机机器人的的基本术术语和各各类图形形符号的的含义；能够读读懂并解解释机器器人技术术规格书书的内容容，能够够熟练绘绘制出机机器人机机构简图图和各种种机械结结构的运运动简图图；掌握握运动学学和动力力学的基基本问题题，理

2、解解机器人人的位置置与变量量的关系系，了解解运动学学、静力力学和动动力学的的一般表表示方法法，能用用上述所所学解释释机器人人的位置置、姿态态和运动动的关系系。学习要求学习单元元一机器人的的基本术术语与图形符号号一、机器器人的基基本术语语关节（joint）即运动动副，是是允许机机器人手手臂各零零件之间间发生相相对运动动的机构构，是两两构件直直接接触触并能产产生相对对运动的的活动连连接，如如图2-1所示。A、B两部件可可以做互互动连接接。图1-13不同坐标标结构的的机器人人 1. 关节 高副(higher pair)机构简称高副，指的是运动机构的两构件通过点或线的接触而构成的运动副。例如，齿轮副和

3、凸轮副就属于高副机构。平面高副机构拥有两个自由度，即相对接触面切线方向的移动和相对接触点的转动。相对而言，通过面的接触而构成的运动副称为低副机构。一、机器器人的基基本术语语一、机器器人的基基本术语语1）回转关节 回转关节又称回转副、旋转关节，是使连接两杆件的组件中的一件相对于另一件绕固定轴线转动的关节，两个构件之间只做相对转动的运动副，如手臂与机座、手臂与手腕，并实现相对回转或摆动。回转关节由驱动器、回转轴和轴承组成。多数电动机能直接产生旋转运动，但常需各种齿轮、链、带传动或其他减速装置，以获取较大的转矩。一、机器器人的基基本术语语 移动关节又称移动副、滑动关节、棱柱关节，是使连接两杆件的组件

4、中的一件相对于另一件做直线运动的关节，两个构件之间只做相对移动。它采用直线驱动方式传递运动，包括直角坐标结构的驱动、圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动极坐标结构的径向伸缩驱动。2）移动关节一、机器器人的基基本术语语 圆柱关节又称回转移动副、分布关节，是使连接两杆件的组件中的一件相对于另一件移动或绕一个移动轴线转动的关节，两个构件之间除了做相对转动之外，还同时可以做相对移动。3）圆柱关节一、机器器人的基基本术语语4）球关节一、机器器人的基基本术语语 2. 连杆连杆（link）指机器器人手臂臂上被相相邻两关关节分开开的部分分，是保保持各关关节间固固定关系系的刚体体，是机机械连杆杆机构中中，两端端

5、分别与与主动和和从动构构件铰接接，以传传递运动动和力的的杆件。例如，在往复复活塞式式动力机机械和压压缩机中中，用连连杆来连连接活塞塞与曲柄柄。连杆杆多为钢钢件，其其主体部部分的截截面多为为圆形或或工字形形，两端端有孔，孔内装装有青铜铜衬套或或滚针轴轴承，供供装入轴轴销而构构成铰接接。连杆是机机器人中中的重要要部件，它连接接着关节节，其作作用是将将一种运运动形式式转变为为另一种种运动形形式，并并把作用用在主动动构件上上的力传传给从动动构件，以输出出功率。一、机器器人的基基本术语语 3. 刚度刚度（stiffness）是机器器人机身身或臂部部在外力力作用下下抵抗变变形的能能力。它它是用外外力和在在

6、外力作作用方向向上的变变形量（位移）之比来来度量的的。在弹弹性范围围内，刚刚度是零零件载荷荷与位移移成正比比的比例例系数，即引起起单位位位移所需需的力。刚度的的倒数称称为柔度度，即单单位力引引起的位位移。刚刚度可分分为静刚刚度和动动刚度。在任何力力的作用用下，体体积和形形状都不不发生改改变的物物体称为为刚体(rigidbody)。在物理理学中，理想的的刚体是是一个固固体的、尺寸值值有限的的、形变变可以被被忽略的的物体。不论是是否受力力，在刚刚体内任任意两点点间的距距离都不不会改变变。在运运动中，刚体上上任意条直线在在各个时时刻的位位置都保保持平行行。一、机器器人的基基本术语语 1.运动副的图形

7、符号二、机器器人的图图形符号号体系二、机器器人的图图形符号号体系 2.基本运动的图形符号二、机器器人的图图形符号号体系 2.基本运动的图形符号二、机器器人的图图形符号号体系 3.运动机能的图形符号二、机器器人的图图形符号号体系二、机器器人的图图形符号号体系二、机器器人的图图形符号号体系 4.运动机构的图形符号二、机器器人的图图形符号号体系三、机器器人的图图形符号号表示机器人的的机构简简图是描描述机器器人组成成机构的的直观图图形表达达形式，可以将将机器人人的各个个运动部部件用简简便的符符号和图图形表达达出来，此图可可用上述述图形符符号体系系中的文文字与代代号表示示。 5. 4种坐标机器人的机构简

8、图图2-2 4种坐标机器人的机构简图 2. 机器人运动原理图 机器人运动原理图是描述机器人运动的直观图形表达形式，是将机器人的运动功能原理用简便的符号和图形表达出来，此图可用上述图形符号体系中的文字与代号表示。 机器人运动原理图是建立机器人坐标系、运动和动力方程式、设计机器人传动原理图的基础，也是在学习使用机器人最有效的工具。三、机器器人的图图形符号号表示由图可见见，机构构运动示示意图可可以简化化为机构构运动原原理图，以明确确主要因因素。图2-3PUMA-262机器人的的机构运运动示意意图和机机构运动动原理图图三、机器器人的图图形符号号表示 3.机器人传动原理图 将机器人动力源与关节之间的运动

9、及传动关系用简洁的符号表示出来，就是机器人传动原理图。PUMA-262机器人的传动原理图如图2-4所示。机器人的传动原理图是机器人传动系统设计的依据，也是理解传动关系的有效工具。三、机器器人的图图形符号号表示图2-4 PUMA-262机器人的传动原理图三、机器器人的图图形符号号表示该四自由由度机器器人结构构简单，有3个转动关关节、1个螺纹移移动关节节。其结结构简图图如图2-5所示。 4.典型机器人的结构简图1）KUKA公司的KR5 SCARA图2-5 KR5 SCARA的结构简图三、机器器人的图图形符号号表示2）ABB公司的IRB 2400ABB、FUNAC、KUKA的大多数数产品均均为六自自

10、由度机机器人，MOTOMAN也有六自自由度产产品，它它们的关关节分布布比较类类似，多多采用安安川交流流驱动电电动机。其中，ABB公司的IRB2400产品是全全球销量量最大的的型号之之一，已已安装20000套。图2-6 IRB 2400的结构简图三、机器器人的图图形符号号表示3）FUNAC公司的R-2000iBABB、FUNAC、KUKA的大多数数产品均均为六自自由度机机器人，MOTOMAN也有六自自由度产产品，它它们的关关节分布布比较类类似，多多采用安安川交流流驱动电电动机。其中，ABB公司的IRB2400产品是全全球销量量最大的的型号之之一，已已安装20000套。图2-7 R2000iB的结

11、构简图三、机器器人的图图形符号号表示4）MOTOMAN公司的IA20MOTOMAN的IA20是七自由由度机器器人，其其结构简简图如图图2-8所示。图2-8 IA20的结构简图三、机器器人的图图形符号号表示5）MOTOMAN公司的DIA10MOTOMAN的DIA10产品的结结构较为为复杂，有15个自由度度，其结结构简图图如图2-9所示。图2-9 DIA10的结构简图三、机器器人的图图形符号号表示学习单元元二机器人的的主要技技术参数数一、自由由度 自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，其中不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。机器人的自由度

12、反映机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。如图2-10所示的机机器人，臂部在在xO1y面内有3个独立运运动升降（L1）、伸缩缩（L2）和转动动（1），腕部部在xO1y面内有一一个独立立的运动动转动（2）。机器器人手部部位置需需要一个个独立变变量手部绕自自身轴线线O3C的旋转3。这种用用来确定定手部相相对于机机身（其其他参照照系统）位置的的独立变变化的参参数（L1、L2、1、2、3）即为机机器人的的自由度度。二、机器器人的历历史与发发展图2-10 五自由度机器人简图二、机器器人的分分类二、机器器人的历历史与发发展二、机器器人的分分类 从运动学的观点看，完成某一特定

13、作业时具有冗余自由度的机器人称为冗余自由度机器人，也称冗余度机器人。例如，MOTOMAN公司生产的IA20机器人和PUMA公司生产的PUMA700机器人执行印制电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物，改善动力性能。例如，人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有7个自由度，所以工作起来很灵巧，可躲避障碍物，从不同方向到达同一个目的点。 工作空间又称工作范围、工作区域，是设备所能活动的所有空间区域。机器人的工作空间是指机器人手臂末端或手腕中心（手臂或手部安装点）所能到达的所有点的集合，不包括手部本身所能达到的区域。由于末端执行器的形状和尺寸是多种

14、多样的，为真实反映机器人的特征参数，机器人的工作范围是指不安装末端执行器时的工作区域。二、工作作空间二、工作作空间不同厂家家对工作作速度规规定的内内容也有有所不同同，有的的厂家定定义工作作速度为为工业机机器人主主要自由由度上最最大的稳稳定速度度；有的的厂家定定义工作作速度为为手臂末末端最大大的合成成速度，通常在在技术参参数中加加以说明明。一般般来说，工作速速度是指指机器人人在工作作载荷条条件下、匀速运运动过程程中，机机械接口口中心或或工具中中心点在在单位时时间内所所移动的的距离或或转动的的角度。显而易见见，工作作速度越越高，工工作效率率就越高高。但是是，工作作速度越越高，就就要花费费越多的的时

15、间去去升速或或降速，对工业业机器人人最大加加速度变变化率及及最大减减速度变变化率的的要求也也越高。三、工作作速度在使用或或设计机机器人时时，确定定机器人人手臂的的最大行行程后，根据循循环时间间安排每每个动作作的时间间，并确确定各动动作是同同时进行行还是顺顺序进行行，这样样就可以以确定各各动作的的运动速速度。分分配各动动作的时时间除考考虑工艺艺动作要要求外，还要考考虑惯性性和行程程大小、驱动和和控制方方式、定定位和精精度要求求。为了提高高生产率率，要求求缩短整整个运动动循环时时间。运运动循环环包括加加速起动动、等速速运行和和减速制制动3个过程。过大的的加(减)速度会导导致惯性性力加大大，影响响动

16、作的的平稳和和精度。为了保保证定位位精度，加减速速过程往往往占用用较长时时间。三、工作作速度 工作载荷又称为承载能力，是机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载重量（包括手部），即在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量。工作载荷通常用重量、力矩、惯性矩来表示。四、工作作载荷负载大小小主要考考虑机器器人各运运动轴上上所受的的力和力力矩。承承载能力力不仅决决定于负负载的重重量、机机器人末末端执行行器的重重量，即即手部的的重量、抓取工工件的重重量，而而且与机机器人运运行的速速度和加加速度的的大小和和方向，即由运运动速度度变化而而产生的的惯性力力和惯性性力矩有有关。一般机器器人在低低速

17、运行行时承载载能力大大，为安安全考虑虑，规定定在高速速运行时时所能抓抓取的工工件重量量作为承承载能力力指标，即承载载能力这这一技术术指标是是指高速速运行时时的承载载能力。目前使使用的工工业机器器人，其其承载能能力范围围较大，最大可可达1 000kg。二、机器器人的历历史与发发展 在机器人学中，分辨率常常容易和精度、重复定位精度混淆。机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。 分辨率是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。分辨率分为编程分辨率与控制分辨率，统称为系统分辨率。五、分辨辨率编程分辨辨率是指指程序中中可以设设定的最最小距离离单位，又称为为基准

18、分分辨率。例如，当电动动机旋转转0.1，机器人人腕点(手臂尖端端点)移动的直直线距离离为0.01 mm时，其基基准分辨辨率为0.01 mm。控制分辨辨率是位位置反馈馈回路能能够检测测到的最最小位移移量。例例如，若若每周（转）1 000个脉冲的的增量式式编码盘盘与电动动机同轴轴安装，则电动动机每旋旋转0.36(360，1 000r/min)，编码盘盘就发出出一个脉脉冲，0.36以下的角角度变化化无法检检测，则则该系统统的控制制分辨率率为0.36。显然，当编程程分辨率率与控制制分辨率率相等时时，系统统性能最最高。五、分辨辨率六、精度度(2)控制算法法误差主主要指算算法能否否得到直直接解和和算法在在

19、计算机机内的运运算字长长所造成成的比特特(bit)误差。因因为16位以上CPU进行浮点点运算时时，精度度可达到到82位以上，所以比比特误差差与机构构误差相相比基本本可以忽忽略不计计。(3)分辨率系系统误差差可取1/2基准分辨辨率，其其理由是是基准分分辨率以以下的变变位既无无法编程程又无法法检测。机器人人的精度度可认为为是1/2基准分辨辨率与机机械误差差之和，即机器人的的精度=1/2基准分辨辨率+机械误差差若能够做做到使机机械的综综合误差差达到1/2基准分辨辨率，则则精度等等于分辨辨率。但但是，就就目前的的科技水水平而言言，除纳纳米领域域的机构构以外，工业机机器人尚尚难以实实现。六、精度度重复定

20、位位精度是是指在相相同的运运动位置置命令下下，机器器人连续续若干次次运动轨轨迹之间间的误差差度量。若机器器人重复复执行某某位置给给定指令令，它每每次走过过的距离离并不相相同，而而是在一一平均值值附近变变化，则则该平均均值代表表精度，而变化化的幅度度代表重重复定位位精度。因此，重复定定位精度度是关于于精度的的统计数数据。任何一台台机器人人即使在在同一环环境、同同一条件件、同一一动作、同一命命令之下下，每一一次动作作的位置置也不可可能完全全一致。例如，对某一一个型号号的机器器人的测测试结果果为：在在20mm/s、200mm/s的速度下下分别重重复10次，其重重复定位位精度为为0.4mm，如图2-1

21、1所示，则则重复定定位精度度为0.2 mm，指所有有的动作作位置停停止点均均在以平平均值位位置为中中心的0.2mm范围内。七、重复复定位精精度图2-11 重复定位精度七、重复复定位精精度七、重复复定位精精度七、重复复定位精精度图2-12 精度和重复定位精度测试的典型情况精度、重重复定位位精度和和分辨率率都用来来表示机机器人手手部的定定位能力力。工业业机器人人的精度度、重复复定位精精度和分分辨率要要求是根根据其使使用要求求来确定定的。机机器人本本身所能能达到的的精度取取决于机机器人结结构的刚刚度、运运动速度度控制和和驱动方方式、定定位和缓缓冲等因因素。由由于机器器人有转转动关节节，回转转半径不不

22、同时其其直线分分辨率是是变化的的，因而而造成了了机器人人的精度度难以确确定。由由于精度度一般较较难测定定，通常常工业机机器人只只给出重重复精度度。七、重复复定位精精度八、其他他参数安装方式式是指机机器人本本体安装装的工作作场合的的形式，通常有有地面安安装、架架装、吊吊装等形形式。驱动方式式是指关关节执行行器的动动力源形形式，通通常有气气动、液液压、电电动等形形式。控制方式式是指机机器人用用于控制制轴的方方式，是是伺服还还是非伺伺服，伺伺服控制制方式是是实现连连续轨迹迹还是点点到点的的运动。3）安装方式2）驱动方式1）控制方式八、其他他参数环境参数数是指机机器人在在运输、存储和和工作时时需要提提

23、供的环环境条件件，如温温度、湿湿度、振振动、防防护等级级和防爆爆等级等等。本体质量量是指机机器人在在不加任任何负载载时本体体的重量量，用于于估动力源容容量是指指机器人人动力源源的规格格和消耗耗功率的的大小，如气压压的大小小和耗气气量、液液压高低低、电压压形式与与大小、消耗功功率等。6）环境参数5）本体质量4）动力源容量学习单元元三机器人的的举例分分析一、直角角坐标型型机器人人分析 1. 一般说明（1）XYC4-G系列直角角坐标型型机器人人适用于于小型工工作空间间的紧凑凑尺寸。利用扁扁平电缆缆实现该该级别内内的最小小尺寸，此种型型号机器器人适用用于较小小空间，可利用用其建立立较小的的设备。（2）

24、宽泛的的变化。XYC4-G系列机器器人直角角坐标型型左臂类类型、右右臂类型型，且有有48种行程，针对用用户需要要可以有有多种选选择。一、直角角坐标型型机器人人分析（3）利用高高强度滑滑动单元元可获得得最大负负载。高高强度滑滑动单元元和大功功率交流流伺服电电动机可可使机械械手搬动动重达10kg的物体，适用于于搬运重重物或使使用双手手的情况况。（4）大功率率或低功功率两种种驱动功功率模式式。通过过控制电电流，用用户可以以用大功功率模式式执行高高速或重重载任务务，而用用低功率率模式执执行精细细任务。（5）标准配配置。该该设备包包括6套空气管管线系统统，10个信号阀阀和电磁磁阀。一、直角角坐标型型机器

25、人人分析 2. 外形图图2-13 XYC4-G系列直角坐标型机器人的外形一、直角角坐标型型机器人人分析 3. 工作范围图2-14XYC4-G系列直角角坐标型型机器人人的工作作范围一、直角角坐标型型机器人人分析 4. 技术参数一、直角角坐标型型机器人人分析美国Unimation公司的Versatran系列圆柱柱坐标型型机器人人的结构构简图如如图2-15(a)所示，它它是一台台持重30kg，供搬运运、检测测、装配配用的圆圆柱坐标标型工业业机器人人。这台台机器人人的主要要技术指指标如下下。(1)自由度。该机器器人共有有3个基本关关节1、2、3和两个选选用关节节4、5。(2)该机器人人的工作作范围如如

26、图2-15（b）所示。二、圆柱柱坐标型型机器人人分析二、圆柱柱坐标型型机器人人分析图2-15 美国Unimation公司的Versatran系列圆柱坐标型机器人(3)该机器人人的关节节移动范范围及速速度如表表2-7所示。(4)重复定位位误差：0.05mm。(5)控制方式式：五轴轴同时可可控，点点位控制制。(6)持重（最最大伸长长、最高高速度下下）：30kg。(7)驱动方式式：3个基本关关节由交交流伺服服电动机机驱动，并采用用增量式式角位移移检测装装置。二、圆柱柱坐标型型机器人人分析激光切割割机器人人有CO2气体激光光切割机机器人和和YAG固体激光光切割机机器人。通常激激光切割割机器人人既可进进

27、行切割割又能用用于焊接接。三、极坐坐标型机机器人分分析图2-16 L-1000型CO2气体激光切割机器人的结构简图L-1000型CO2气体激光光切割机机器人是是极坐标标式5轴控制机机器人，配用C1000C3000型激光器器。光束束经由设设置在机机器人手手臂内的的4个反射镜镜传送，聚焦后后从喷嘴嘴射出。反射镜镜用铜制制成，表表面经过过反射处处理，使使光束传传递损失失不超过过0.8%，且焦点点的位置置精度较较高。为了防止止反射镜镜受到污污损，光光路完全全不与外外界接触触，同时时还在光光路内充充入经过过滤器过过滤的洁洁净空气气，并具具有一定定的压力力，从而而防止周周围的灰灰尘进入入。三、极坐坐标型机

28、机器人分分析三、极坐坐标型机机器人分分析三、极坐坐标型机机器人分分析三、极坐坐标型机机器人分分析四、多关关节坐标标型机器器人分析析图2-17 MOTOMAN UP6型通用工业机器人的外形图2-18 MOTOMAN UP6型通用工业机器人的工作范围四、多关关节坐标标型机器器人分析析四、多关关节坐标标型机器器人分析析 适用领域：搬运与装卸，包装及拣选，钎焊、涂漆、表面处理、涂胶水和密封材料，安装、固定塑料加工设备，置入、装夹、操作其他机床，测量、检测或检验。五、平面面关节坐坐标型机机器人分分析 1. 产品用途 2. 性能特点ADT-6004G300-5机器人在负载5 kg时的作用范围为0550 m

29、m，且具有很高的定位精确性。高性能控制器可控制机器人实现高速点位运动、空间直线插补运动、空间圆弧插补运动等功能；系统扩展性强，参数配置简单，易于维护；基于高性能处理芯片的机器人功能部件保证了系统的实时控制与调度，实现多伺服功能部件的联动与插补；系统界面简洁大方，提供丰富的显示及监控信息；机器人语言指令系统简单易学，能满足绝大部分工业需求。五、平面面关节坐坐标型机机器人分分析五、平面面关节坐坐标型机机器人分分析 3. 技术参数五、平面面关节坐坐标型机机器人分分析五、平面面关节坐坐标型机机器人分分析图2-19 ADT-6004G300-5机器人本体的外形尺寸与动作范围学习单元元四机器人的的工作原原

30、理与应用技技术一、机器器人的结结构及工工作原理理图2-20 工业机器人的系统结构（1）机械手手总成。机械手手总成是是机器人人的执行行机构，它由驱驱动器、传动机机构、手手臂、末末端执行行器及内内部传感感器等组组成。它它的任务务是精确确地保证证末端执执行器所所要求的的位置、姿态，并实现现其运动动。（2）控制器器。控制制器是机机器人的的神经中中枢。它它由计算算机硬件件、软件件和一些些专用电电路构成成，其软软件包括括控制器器系统软软件、机机器人专专用语言言、机器器人运动动学和动动力学软软件、机机器人控控制软件件、机器器人自诊诊断和自自保护功功能软件件等，它它处理机机器人工工作过程程中的全全部信息息和控

31、制制其全部部动作。（3）示教系系统。示示教系统统是机器器人与人人的交互互接口，在示教教过程中中它将控控制机器器人的全全部动作作，并将将其全部部信息送送入控制制器的存存储器中中，示教教系统实实质上是是一个专专用的智智能终端端。一、机器器人的结结构及工工作原理理 2. 工业机器人的工作原理 现在广泛应用的工业机器人都属于第一代机器人，它的基本工作原理是示教再现。 示教也称为导引，即由用户引导机器人一步步将实际任务操作一遍，机器人在引导过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数、工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个起动命令，机器人将精确地按示教动作一

32、步步完成全部操作，这就是示教与再现。一、机器器人的结结构及工工作原理理1)机器人机械臂的运动机器人的机械臂是由数个刚性杆体和旋转或移动的关节连接而成的，它是一个开环关节链，开环关节链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端执行器（如焊枪），在机器人工作时，机器人机械臂前端的末端执行器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。因此，在机器人运动控制中，必须知道机械臂各关节变量空间和末端执行器的位置与姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。一台机器人机械臂的几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。一、机器器人的结结构及工工

33、作原理理2)机器人的轨迹规划机器人机械手端部从起点的位置与姿态到终点的位置和姿态的运动轨迹空间曲线称为路径。轨迹规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列控制设定点，用于控制机械手运动。目前常用的轨迹规划方法有空间关节插值法和笛卡儿空间规划法两种。一、机器器人的结结构及工工作原理理3)机器人机械手的控制当一台机机器人机机械手的的动态运运动方程程已给定定，它的的控制目目的就是是按预定定性能要要求保持持机械手手的动态态响应。但是由由于机器器人机械械手的惯惯性力、耦合反反应力和和重力负负载都随随运动空空间的变变化而变变化，因因此要对对它进行行高精度度、高速速度、高高动

34、态品品质的控控制是相相当复杂杂而困难难的。目前工业业机器人人上采用用的控制制方法是是把机械械手上每每一个关关节都当当作一个个单独的的伺服机机构，即即把一个个非线性性的、关关节间耦耦合的变变负载系系统简化化为线性性的非耦耦合单独独系统。一、机器器人的结结构及工工作原理理二、机器器人的应应用技术术 1. 机器人应用涉及的领域机器人技技术是集集机械工工程学、计算机机科学、控制工工程、电电子技术术、传感感器技术术、人工工智能、仿生学学等学科科为一体体的综合合技术，它是多多学科科科技革命命的必然然结果。每一台台机器人人都是一一个知识识密集和和技术密密集的高高科技机机电一体体化产品品。二、机器器人的应应用

35、技术术图2-21 机器人与外部的关系（1）传感器器技术：得到与与人类感感觉机能能相似的的传感器器技术。（2）人工智智能计算算机科学学：得到到与人类类智能或或控制机机能相似似能力的的人工智智能或计计算机科科学。（3）假肢技技术。（4）工业机机器人技技术：把把人类作作业技能能具体化化的工业业机器人人技术。（5）移动机机械技术术：实现现动物行行走机能能的行走走技术。（6）生物功功能：以以实现生生物机能能为目的的的生物物学技术术。二、机器器人的应应用技术术 2. 机器人应用研究的内容1）空间结构学空间机构构在机器器人中的的应用体体现在机机器人机机身和臂臂部机构构的设计计、机器器人手部部机构的的设计、机

36、器人人行走机机构的设设计和机机器人关关节部机机构的设设计上。二、机器器人的应应用技术术 机器人的执行机构实际上是一个多刚体系统，研究要涉及组成这一系统的各杆件之间及系统与对象之间的相互关系，需要一种有效的数学描述方法。2）机器人运动学二、机器器人的应应用技术术 机器人与环境之间的接触会引起它们之间的相互作用力和力矩，而机器人的输入关节力矩由各个关节的驱动装置提供，并通过手臂传至手部，使力和力矩作用在环境的接触面上。这种力和力矩的输入、输出关系在机器人控制中是十分重要的。静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。3)机器人静力学二、机器器人的应应用技术术 机器人是一个复杂的动力学系统

37、，要研究和控制这个系统，首先要建立它的动力学方程。动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、速度、加速度关系的方程式。4）机器人运力学二、机器器人的应应用技术术5）机器人控制技术二、机器器人的应应用技术术6）机器人传感器二、机器器人的应应用技术术7)机器人编程语言机器人编编程语言言是机器器人和用用户的软软件接口口，编程程的功能能决定了了机器人人的适应应性和给给用户的的方便性性。机器器人编程程与传统统的计算算机编程程不同，机器人人操作的的对象是是各类三三维物体体，其运运动在一一个复杂杂的空间间环境，还要监监视和处处理传感感器信息息。因此此，机器器人编程程语言主主要有面面向机器器人的编编

38、程语言言和面向向任务的的编程语语言两类类。面向向机器人人的编程程语言的的主要特特点是其其可以描描述机器器人的动动作序列列，每一一条语句句大约相相当于机机器人的的一个动动作。面面向任务务的编程程语言允允许用户户发出直直接命令令，以控控制机器器人去完完成一个个具体的的任务，而不需需要说明明机器人人需要采采取的每每一个动动作的细细节。二、机器器人的应应用技术术 1.国际机器人应用技术的现状当今机器器人技术术正逐渐渐向着具具有行走走能力、多种感感觉能力力及对作作业环境境的较强强自适应应能力方方面发展展。美国国某公司司已成功功地将神神经网络络装到芯芯片上，其分析析速度比比普通计计算机快快千万倍倍，可更更

39、快、更更好地完完成语言言识别、图像处处理等工工作。目前，对对全球机机器人技技术发展展最有影影响力的的国家是是美国和和日本。美国在在机器人人技术的的综合研研究水平平上仍处处于领先先地位，而日本本生产的的机器人人在数量量、种类类方面居居世界首首位。机机器人技技术的发发展推动动了机器器人学的的建立，许多国国家成立立了机器器人协会会，美国国、日本本、英国国、瑞典典等国家家设立了了机器人人学学位位。三、机器器人应用用技术的的现状20世纪70年代以来来，许多多大学开开设了机机器人课课程，开开展了机机器人学学的研究究工作，如美国国的麻省省理工学学院、斯斯坦福大大学、康康奈尔大大学、加加州大学学等都是是研究机

40、机器人学学富有成成果的著著名学府府。随着着机器人人学的发发展，相相关的国国际学术术交流活活动也日日渐增多多，目前前最有影影响力的的国际会会议是IEEE每年举行行的机器器人学及及自动化化国际会会议，此此外还有有国际工工业机器器人会议议(ISIR)和国际工工业机器器人技术术会议（CIRT）等。目前，世世界上机机器人总总数最多多的国家家是日本本，占世世界机器器人总数数的一半半以上。欧洲约约占20%，美国约约占10%。三、机器器人应用用技术的的现状 国际机器人联合会(IFR)发布的季度报告数据显示，全球工业机器人需求在2013年达到了有史以来的最高点，全年销售量约为16.8万台，同比增长了5%。报告称

41、，2013年机器人销售台数的增长，主要依赖于北美和亚洲日益增长的自动化生产需求。此外，在2013年第四季度，欧洲市场的复苏也刺激了对机器人的需求。三、机器器人应用用技术的的现状北美机器器人工业业协会在在2014年年初的的报告中中指出，2013年汽车行行业仍然然是北美美机器人人最大的的应用市市场，但但出货量量基本与与2012年持平，而机器器人在非非汽车市市场的出出货量却却猛增31%。在非汽汽车行业业中，生生命科学学、制药药、生物物医药领领域出货货量增幅幅高达142%，食品及及消费品品市场涨涨幅达61%，塑料和和橡胶行行业涨幅幅为36%。2013年，来自自非汽车车市场的的机器人人订单同同比增长长了

42、22%，对工业业机器人人行业而而言，这这是一个个积极的的信号。2013年11月，国际际机器人人联合会会曾发布布报告称称，中国国已成为为世界上上增长最最快的工工业机器器人市场场，并预预言中国国或在2016年成为全全球最大大的机器器人市场场。也有有美国媒媒体指出出，机器器人时代代将很快快来临，并将引引领一场场工业革革命。三、机器器人应用用技术的的现状 2.我国机器人应用技术的现状1)我国的机器人市场我国的机机器人市市场已成成为全球球增长最最快的市市场。2010年市场销销量为14980台，2011年达到22577台，同比比增长50.7%，2012年销量达达到26902台，同比比增长19.2%。200

43、82012年，国内内机器人人销量复复合增长长率达到到28%，而同期期世界机机器人市市场销量量复合增增长率为为10%。2012年，国内内机器人人安装量量已占到到当年全全球安装装量的14.6%。国际机机器人联联合会(IFR)预测，到到2015年，中国国机器人人市场需需求总量量将达3.5万台，占占全球销销量比重重的16.9%。三、机器器人应用用技术的的现状未来我国国机器人人市场仍仍有很大大的发展展空间。截至2012年年底，国内工工业机器器人累计计安装量量已超过过10万台，占占全世界界正在服服役的工工业机器器人总量量的8%左右。目目前，我我国制造造业总产产值占全全球的比比重已接接近20%，机器人人的普

44、及及率仍有有很大的的上升空空间。从制造业业使用机机器人密密度的指指标来看看，我国国每万名名工人拥拥有机器器人的数数量仅为为25台（按照照制造业业4 000万名工人人估算），而在在发达国国家，这这一指标标普遍在在50台以上。国内制制造业的的自动化化水平与与发达国国家差距距很大。从机器器人行业业占机床床行业产产值的比比例来看看，2010年我国机机器人行行业销售售额达到到93.1亿元，仅仅占当年年机床行行业总产产值的2%左右，显显示国内内加工制制造领域域的自动动化水平平仍偏低低。假设设未来5年我国机机器人使使用密度度达到50台万人人的水平平，则国国内机器器人销量量复合增增速将达达到30%。三、机器器

45、人应用用技术的的现状2)我国的机器人应用方式按照提供供产品的的差异区区分，行行业内企企业可分分为单元元产品供供应商和和系统集集成商两两类。工工业机器器人的下下游应用用领域广广泛，需需求千差差万别，而机器器人商业业化的前前提是产产业化、规模化化。单元元产品供供应商负负责生产产机器人人本体，产品具具有较高高开放性性，标准准化程度度高，可可批量化化生产。系统集集成商则则根据下下游客户户的需要要，将单单元产品品组成可可实现的的生产系系统，起起着供需需双方桥桥梁的作作用。单单元产品品是机器器人产业业发展的的基础，系统集集成商是是机器人人商业化化、大规规模普及及的关键键。从国国内产业业链来看看，机器器人单

46、元元产品由由于技术术壁垒较较高，处处于金字字塔顶端端，属于于卖方市市场。系系统集成成商的壁壁垒相对对较低，与上、下游的的议价能能力较弱弱，毛利利水平不不高，但但市场规规模远大大于单元元产品。三、机器器人应用用技术的的现状 目前，在国内机器人单元产品市场中，销量占据前十位的仍以国外品牌为主。其中，发那科、安川、库卡和ABB公司被称为国际工业机器人行业四巨头，20092012年，这4家厂商在华销量整体呈明显上扬趋势。2012年其销量总和达14 470台，占当年中国机器人市场销量的53.8%。3)国外机器人公司在国内的发展三、机器器人应用用技术的的现状 早在10年前，国外的机器人企业开始在我国长三角

47、、珠三角地区布局，开始是通过代理商模式开拓市场，逐步建立研发中心、工程中心，在具备一定市场需求的情况下，建立自己的生产基地。目前，德国库卡、日本发那科、瑞士ABB和日本安川公司四大机器人企业都已全面进入中国市场，意大利、美国、韩国的机器人及配套企业也已经在中国市场布局。可以说，中国市场已经成为全球机器人及智能装备企业竞逐的最热门市场，“分享中国大餐”已经成为全球共识。三、机器器人应用用技术的的现状4)国内机器人公司的发展目前，国国内企业业与外资资企业的的差距仍仍很大。根据中中国机器器人网统统计，2012年本土品品牌机器器人销量量仅为1 112台，而独独资及合合资品牌牌销量高高达25790台，市

48、场场占有率率分别为为4%和96%。中国的自自动化系系统集成成市场是是机器人人单元产产品市场场规模的的10倍以上，根据工工控网统统计，国国内自动动化产品品市场规规模2011年已达920亿元，2012年已超过过1 000亿元。国国内自动动化市场场下游应应用领域域以装备备制造业业为主，占比40%左右，其其中机床床工业是是自动化化产品的的主要客客户，需需求占装装备制造造业总需需求的1/4。三、机器器人应用用技术的的现状三、机器器人应用用技术的的现状5)工业机器人量产面临“瓶颈”机器人本本身的技技术难度度降低了了量产的的可能性性。像机机械手这这种简单单的工业业机器人人，因为为是在室室内从事事标准化化生产，所以量量产已经经逐步展展开。但但对于具具备运动动能力需需要在室室外工作作的特种种机器人人来说，环境的的复杂性性及非标标准化的的作