工业机器人认知一

1、项目一 工业机器人认知内容及要要求知识要求求：初步步了解本本课程完完成的工工程项目目，掌握握工业机机器人的的基本概概念、工工业机器器人的任任务。掌掌握工业业机器人人理论的的主要内内容。要求：掌掌握对于于实际生生活及工工业生产产中工业业机器人人系统的的基本分分析能力力。实践内容容：了解解实训室室中工业业机器人人系统的的组成及及类型。项目实施施方法1.1工业机器器人认知知与导读读要求1.2工业机器器人基础础知识1.3工业机器器人扩展展知识1.4工业机器器人认知知技能训训练1.1工业机器器人认知知与导读读要求工业机器器人技术术是近年年来新技技术发展展的重要要领域之之一，是是以微电电子技术术为主导导的

2、多种种新兴技技术与机机械技术术交叉、融合而而成的一一种综合合的高新新技术。工业机机器人是是最典型型的机电电一体化化装备，应用范范围很广广，作为为先进制制造业的的支撑技技术和信信息化社社会的新新兴产业业，将对对未来生生产和社社会发展展起着越越来越重重要的作作用。专专家预测测，机器器人产业业是继汽汽车、计计算机之之后出现现的一种种新的大大型高技技术产业业。因此此工业机机器人技技术也成成为广大大工程技技术人员员迫切需需要掌握握的知识识。任务1.2工业机器器人基础础知识1.2工业机器器人基础础知识1.2.1工业机器器人的定定义1920年捷克作作家卡雷雷尔卡佩克（KarelCapek）在其剧剧本Ross

3、umsUniversalRobots（中文文意思是是“罗萨姆的的万能机机器人”）中最早早使用机机器人一一词，剧剧中“Robota”（奴隶）写成了了“Robot”，即剧作作家笔下下的一个个具有人人的外表表，特征征和功能能的机器器，是一一种人造造的劳力力。它是是最早的的工业机机器人（Industrial Robot）设想。1.2.1工业机器器人的定定义美国机器器人协会会(RIA)提出的定定义为：“工业机器器人是一一种用于于移动各各种材料料、零件件、工具具或专用用装置的的，通过过可编程程序动作作来执行行种种任任务的，并具有有编程能能力的多多功能机机械手(manipulator)”。日本工工业机器器人

4、协会会(JIRA)提出的定定义：“工业机器器人是一一种装备备有记忆忆装置和和末端执执行器(endeffector)的，能够够转动并并通过自自动完成成各种移移动来代代替人类类劳动的的通用机机器”。国际标标准化组组织(ISO)提出的定定义：“工业机器器人是一一种自动动的、位位置可控控的、具具有编程程能力的的多功能能机械手手，这种种机械手手具有几几个轴，能够借借助于可可编程序序操作来来处理各各种材料料、零件件、工具具和专用用装置，以执行行种种任任务”。国家标准准GBT12643-90将将工业机机器人定定义为：工业机机器人是是一种能能自动定定位控制制的、可可重复编编程的、多自由由度的操操作机，能搬运运

5、材料、零件或或操持工工具，用用以完成成各种作作业。总之，工工业机器器人是面面向工业业领域的的多关节节机械手手或多自自由度的的机器人人。工业业机器人人是自动动执行工工作的机机器装置置，是靠靠自身动动力和控控制能力力来实现现各种功功能的一一种机器器。1.2.2工业机器器人的基基本组成成工业机器器人技术术是综合合了当代代机构运运动学与与动力学学、精密密机械设设计发展展起来的的产物，是典型型的机电电一体化化产品。从工业业机器人人体系结结构，工工业机器器人有三三大部分分、六个个子系统统组成。1.工业机器器人三大大部分(1)机械本体体部分工业机器器人的机机械本体体部分是是工业机机器人的的重要部部分，其其功

6、能为为实现各各种动作作。其他他组成部部分必须须与机械械本体相相匹配，相辅相相成，组组成一个个完整的的机器人人系统(2)传感部分分传感部分分用于感感知内部部和外部部的信息息。要机机器人与与人一样样有效地地完成工工作，对对外界状状况进行行判别的的感知功功能是必必不可少少的。没没有感知知功能的的机器人人，只能能按预先先给定的的顺序，重复地地进行一一定的动动作。(3)控制部分分控制部分分用于控控制机器器人完成成各种动动作，工工业机器器人的控控制主要要包括：机器人人的动作作顺序、应实现现的路径径与位置置、动作作时间间间隔以及及作用于于对象上上的作用用力等。工业机器器人控制制系统一一般是以以机器人人的单轴

7、轴或多轴轴运动协协调为目目的的控控制系统统。工业机器器人对机机械本体体有如下下要求：最小运动动惯量尺度规划划材料的选选择刚度的设设计可靠性工艺性工业机器器人对传传感部分分的要求求是：精度高、重复性性好。机器人人是否能能够准确确无误地地正常工工作，往往往取决决于其所所用传感感器的测测量精度度。稳定性和和可靠性性好。保证机机器人能能够长期期稳定可可靠地工工作，尽尽可能避避免在工工作中出出现故障障。抗干扰能能力强。工业机机器人的的工作环环境往往往比较恶恶劣，其其所用传传感器应应能承受受一定的的电磁干干扰、振振动，能能在高温温、高压压、高污污染环境境中正常常工作。适应加工工任务的的要求。不同的的加工任

8、任务对机机器人的的感觉要要求是不不同的，可根据据其工作作特点进进行选择择。满足机器器人控制制的要求求。机器人人控制需需要采用用传感器器检测机机器人的的运动位位置、速速度和加加速度。工业机器器人对控控制部分分有如下下要求：工业机机器人的的控制部部分要着着重本体体与操作作对象的的相互关关系。工业机机器人的的控制与与机构运运动学及及动力学学密切相相关。多个独独立的伺伺服系统统必须有有机的协协调起来来，组成成一个多多变量的的控制系系统。工业机机器人还还有一种种特有的的控制方方式示教再再现控制制方式。总而言之之，工业业机器人人控制部部分是一一个与运运动学和和动力学学原理密密切相关关的、有有耦合的的、非线

9、线性的多多变量控控制系统统。随着着实际工工作情况况的不同同，可以以采用各各种不同同的控制制方式，从简单单的编程程控制，微处理理机控制制到小型型计算机机控制等等。2.工业机器器人六个个子系统统(1)机械结构构系统机械结构构系统是是机器人人的主体体部分，由基座、手手臂、末末端操作作器三大件组组成。每每一大件件都有若若干自由由度，构构成一个个多自由由度的机机械系统统。基座座如同机机床的床床身结构构一样，机器人人基座构构成机器器人的基基础支撑撑。机器人的的机械结结构部分分可以看看作是由由一些连连杆通过过关节组组装起来来的。由由关节完完成实现现基座、手臂各各部分、末端操操作器之之间的相相对运动动。通常常

10、有两种种关节，即转动动关节和和移动关关节。转转动关节节主要是是伺服电电机驱动动。移动动关节主主要由伺伺服电机机驱动也可以由由气缸、液液压缸或或者线性性电驱动动器驱动动。(2)驱动系统统要使机器器人运行行起来，需要给给各个关关节即每每个运动动自由度度安装传传动装置置，这就就是驱动动系统。相当于于机械手手的“肌肉”，驱动系系统常见见的驱动动器有伺伺服电机机等。可可以直接接驱动关关节，也也可以通通过同步步带、链链条、轮轮系、谐谐波齿轮轮等传动动机构进进行间接接驱动。(3)传感系统统传感系统统由内部部传感器器模块和和外部传传感器模模块组成成。内部部传感器器模块负负责收集集机器人人内部信信息如各各个关节

11、节和连杆杆的信息息。如同同人体肌肌腱内的的中枢神神经系统统中的神神经传感感器。外外部传感感器负责责获取外外部环境境信息。包括视视觉系统统、触觉觉传感器器等。(4)人机交互互系统人机交互互系统是是使操作作人员参参与机器器人控制制，与机机器人进进行联系系的装置置。例如如：计算算机的标标准终端端、指令令控制台台、示教教盒、信信息显示示屏、报报警器等等。归结结起来为为两大类类：指令令给定装装置和信信息显示示装置。(5)控制系统统机器人控控制系统统是机器器人的大脑，是决定定机器人人功能和和性能的的主要因因素。控控制系统统的任务务是根据据机器人人的作业业指令程程序以及及从传感感器反馈馈回来的的信号支支配机

12、器器人执行行结构去去完成规规定的运运动和功功能。根根据有无无反馈可可分为开开环控制制系统和和闭环控控制系统统等。根根据控制制原理可可分为顺顺序控制制系统、自适应应控制系系统和智智能控制制系统。根据控控制运动动的形式式,控制系统统可分为为点位控控制和轨轨迹控制制。(6)机器人环境交交互系统统工业机器器人-环境交互互系统是是实现工工业机器器人与外外部环境境中的设设备相互互联系和和协调的的系统。工业机机器人可可与外部部设备集集成为一一个功能能单元，如加工工制造单单元、焊焊接单元元、装配配单元等等。当然然,也可以是是多台机机器人、多台机机床或设设备、多多个零件件存储装装置等集集成为一一个去执执行复杂杂

13、任务的的功能单单元。1.2.3工业机器器人的技技术参数数工业机器器人的技技术参数数是各工工业机器器人制造造商在产产品供货货时所提提供的技技术数据据，也是是工业机机器人性性能的主主要体现现。例如：IRB120是ABB推出一款款迄今最最小的多多用途工工业机器器人紧凑、敏敏捷、轻轻量的六六轴，仅仅重25kg，荷重3kg（垂直腕腕为4kg），工作作范围达达580mm1.2.4机器人的的分类1.按照应用用类型分分类机器人按按应用类类型可分分为工业机器器人、极极限作业业机器人人和娱乐乐机器人人。(1)工业机器器人。工工业机器器人有搬搬运、焊焊接、装装配、喷喷漆、检检查等机机器人，主要用用于现代代化的工工厂

14、和柔柔性加工工系统中中。(2)极限作业业机器人人。极限限作业机机器人主主要是指指在人们们难以进进入的核核电站、海底、宇宙空空间进行行作业的的机器人人，也包包括建筑筑机器人人、农业业机器人人等。(3)娱乐机器器人。娱娱乐机器器人包括括弹奏乐乐器的机机器人、舞蹈机机器人、玩具机机器人等等（具有有某种程程度的通通用性），也有有根据环环境改变变动作的的机器人人。2.按照控制制方式分分类机器人按按控制方方式可分分为操作机器器人、程程序机器器人、示示教再现现机器人人、智能能机器人人和综合合机器人人。(1)操作机器器人。操作机器器人的典典型代表表是在核核电站处处理放射射性物质质时远距距离进行行操作的的机器人

15、人。在这这种场合合，相当当于人手手操纵的的部分成成为主动动机械手手，而从从动机械械手基本本上与主主动机械械手类似似，只是是从动机机械手要要比主动动机械手手大一些些，作业业时的力力量也更更大。(2)程序机器器人。计算机上上已编好好的作业业程序文文件，通通过RS232串口或者者以太网网等通信信方式传传送到机机器人控控制柜。程序机机器人按按预先给给定的程程序、条条件、位位置进行行作业,目前大部部分机器器人都采采用这种种控制方方式工作作。(3)示教再现现机器人人。示教再现现机器人人同盒式式磁带的的录放一一样，将将所教的的操作过过程自动动记录在在储存器器中，当当需要再再现操作作时，可可重复所所教过的的过

16、程。(4)智能机器器人。智能机器器人不仅仅可以预预先设定定的动作作，还可可以按照照工作环环境的变变化改变变动作。(5)综合机器器人。综合机器器人是由由操作机机器人、示教再再现机器器人、智智能机器器人组合合而成的的机器人人，如火火星机器器人。3.按驱动方方式分类类（1）气压式工工业机器器人。这类工工业机器器人以压压缩空气气来驱动动操作机机，其优优点是空空气来源源方便，动作迅迅速，结结构简单单造价低低，无污污染，缺缺点是空空气具有有可压缩缩性，导导致工作作速度的的稳定性性较差，又因气气源压力力一般只只有6kPa左右，所所以这类类工业机机器人抓抓举力较较小，一一般只有有几十牛牛顿，最最大百余余牛顿。

17、（2）液压式工工业机器器人。液压压压力比气气压压力力高得多多，一般般为70kPa左右，故故液压传传动工业业机器人人具有较较大的抓抓举能力力，可达上千千牛顿。这类工工业机器器人结构构紧凑，传动平平稳，动动作灵敏敏，但对对密封要要求较高高，且不不宜在高高温或低低温环境境下工作作。（3）电动式工工业机器器人。这是目目前用得得最多的的一类工工业机器器人，不不仅因为为电动机机品种众众多，为为工业机机器人设设计提供供了多种种选择，也因为为它们可可以运用用多种灵灵活控制制的方法法。早期期多采用用步进电电机驱动动，后来来发展了了直流伺伺服驱动动单元，目前常常用交流流伺服驱驱动单元元。这些些驱动单单元或是是直接

18、驱驱动工业业机器人人，或是是通过诸诸如谐波波减速器器的装置置来减速速后驱动动，结构构十分紧紧凑、简简单。（4）新型驱动动方式机机器人，伴随着着机器人人技术的的发展，出现了了利用新新的工作作原理制制造的新新型驱动动器，如静电驱驱动器、压电驱驱动器、形状记记忆合金金驱动器器、人工工肌肉等等工业机器器人按执执行机构构运动的的控制机机能，又又可分点点位型和和连续轨轨迹型。1.2.5工业机器器人的坐坐标1.直角坐标标笛卡卡儿坐标标台架架型(3P)直角坐标标型工业业机器人人运动部部分由三三个相互互垂直的的直线移移动关节节（即PPP）组成，具有三三个独立立的自由由度，可可使末端端操作器器作三个个方向的的独立

19、位位移，其其工作空空间图形形为长方方形2.圆柱坐标标型(R2P)圆柱坐标标型工业业机器人人有两个个直线移移动关节节和一个个转动关关节(PPR)，其主体体具有3个自由度度：腰部部转动、升降运运动，手手臂伸缩缩运动，其工作作空间图图形为圆圆柱。该该种型式式的工业业机器人人，空间间尺寸较较小，工工作范围围较大，末端操操作器可可获得较较高的运动速速度，其其位置精精度仅次次于直角角坐标型型机器人人。3.球坐标型型(2RP)球坐标型型工业机机器人又又称极坐坐标型工工业机器器人，其其手臂的的运动由由两个转转动和一一个直线线移动（即RRP,一个回转转，一个个俯仰和和一个伸伸缩运动动）所组组成，其其工作空空间为

20、一一球体。该种型型式的工工业机器器人，空空间尺寸寸较小，工作范范围较大大。中心心支架附附近的工工作范围围大,两个转动动驱动装装置容易易密封,覆盖工作作空间较较大。但但该坐标标复杂,难于控制制,且直线驱驱动装置置仍存在在密封及及工作死死区的问问题。球球坐标型型工业机机器人不不常用。4.关节坐标标型/拟人型(3R)关节坐标标型工业业机器人人又称回回转坐标标型工业业机器人人，这种种工业机机器人的的手臂类类似于人人的手臂臂，其前前三个关关节是回回转副（即RRR），是工工业机器器人中最最常见的的结构。该种型型式的工工业机器器人，其其结构最最紧凑，灵活性性大，占占地面积积最小，能与其其他工业业机器人人协调

21、工工作，但但位置精精度较低低，有平平衡问题题，控制制耦合，这种工工业机器器人喷涂涂、焊接接等作业业中应用用越来越越广泛。5.平面关节节型(SCARA)平面关节节型工业业机器人人采用一一个移动动关节和和两个回回转关节节（即PRR），移动动关节实实现上下下运动，而两个个回转关关节则控控制前后后、左右右运动。这种形形式的工工业机器器人又称称SCARA(SeletiveComplianceAssemblyRobotArm)装配机器器人该种种型式的的工业机机器人结结构简单单，动作作灵活，多用于于装配作作业中，特别适适合小规规格零件件的插接接装配，如在电电子工业业的插接接、装配配中应用用广泛。6.并联机器

22、器人(Delta)并联机器器人一般般通过示示教编程程或视觉觉系统捕捕捉目标标物体，由三个个并联的的伺服轴轴确定抓抓具中心心（TCP）的空间间位置，实现目目标物体体的运输输，加工工等操作作。并联联机器人人是典型型的空间间三自由由度并联联机构，整体结结构精密密、紧凑凑，驱动动部分均均布于固固定平台台，这些些特点使使它具有有承载能能力强、刚度大大、自重重负荷比比小、动动态性能能好；并并行三自自由度机机械臂结结构，重重复定位位精度高高；超高高速拾取取物品，一秒钟钟多个节节拍等特特点。1.2.6工业机器器人的主主要特点点(1)可编程。生产自动动化的进进一步发发展是柔柔性启动动化。(2)拟人化。工业机器器

23、人在机机械结构构上有类类似人的的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等等部分，在控制制上有控控制器。(3)通用性。除了专专门设计计的专用用的工业业机器人人外，一一般工业业机器人人在执行行不同的的作业任任务时具具有较好好的通用用性。(4)工业机器器技术涉涉及的学学科相当当广泛，归纳起起来是机械学和微电子学学的结合-机电一体体化技术术。第三代代智能机机器人不不仅具有有获取外外部环境境信息的的各种传传感器，而且还还具有记记忆能力力、语言言理解能能力、图图像识别别能力、推理判判断能力力等人工工智能，这些都都是微电电子技术术的应用用，特别别是计算算机技术术的应用用密切相相关。1.2.7工业机器器人的应应用

24、工业机器器人在工工业生产产中能代代替人做做某些单单调、频频繁和重重复的长长时间作作业，或或是危险、恶劣环环境下的的作业。例如：1.焊接机器器人工业机器器人应用用最为广广泛的一一种类型型，主要要应用于于汽车制制造行业业。分点点焊和弧弧焊二种种，其中中：点焊焊对所用用的机器器人的要要求不太太高，因因其对点点与点之之间的移移动轨迹迹没有严严格要求求，只要要求起点点和终点点的位姿姿准确；弧焊机机器人的的组成和和原理与与点焊机机器人基基本相同同，但对对焊丝端端头的运运动轨迹迹、焊枪枪姿态、焊接参参数都要要求精确确控制。2.装配机器器人装配机器器人要求求具有较较高的位位姿精度度，手腕腕具有较较大的柔柔性，

25、主主要用于于各种电电器的制制造行业业。装配配机器人人主要有有可编程程通用装装配操作作手和平平面双关关节型机机器人两两种类型型。装配配机器人人具有精精度高、柔顺性性好、工工作范围围小、能能与其他他系统配配套使用用等特点点。 3.搬运机器器人搬运机器器人用途途很广泛泛，一般般只需要要点位控控制，用用于工厂厂中一些些工序的的上下料料作业、拆垛和和码垛作作业等。搬运机机器人精精度相对对低一些些，但负负荷比较较大，运运动速度度比较高高。其机机器人本本体多采采用点焊焊或弧焊焊机器人人结构，也有的的采用框框架式和和直角坐坐标式结结构形式式。KUKA机器人化化肥码垛垛KUKA机器人工工件搬运运4.激光加工工机

26、器人人对工件实实施切割割、焊接接或者是是金属材材料的表表面特殊殊处理，可以实实现金属属及其他他材料的的特殊加加工。实实现对工工件的精精密切割割、钻孔孔、焊接接以及表表面热处处理。国国外激光光加工技技术已经经比较成成熟，而而国内较较为落后后，但其其成长空空间巨大大。5.移动机器器人移动机器器人广泛泛应用于于各行业业的柔性性搬运、传输等等功能。国际物物流技术术发展的的新趋势势之一，实现点点对点自自动存取取的高架架箱储、作业和和搬运相相结合，实现精精细化、柔性化化、信息息化，缩缩短物流流流程，降低物物料损耗耗，减少少占地面面积，降降低建设设投资等等的高新新技术和和装备。如装备有电电磁或光光学导航航的

27、AGV，能够沿沿规定的的导引路路径行驶驶，具有有安全保保护和各各种移栽栽功能6.喷涂机器器人。 喷涂机器器人多用用于汽车车、仪表表、电器器等工艺艺生产部部门，重重复定位位精度不不高，另另外由于于漆雾易易燃，驱驱动装置置必须防防燃防爆爆。喷涂涂机器人人多采用用5或6自由度关关节式结结构，手手臂有较较大的运运动空间间，并可可做复杂杂的轨迹迹运动，其腕部部一般有有23个自由度度，可灵灵活运动动。较先先进的喷喷涂机器人腕部部采用柔柔性手腕，既可可向各个个方向弯曲，又又可转动动，其动作类似似人的手手腕，能方便地地通过较较小的孔伸入工工件内部部，喷涂其内表表面。7.其他根据应用用领域划划分，工工业机器器人

28、还可可以分为为研磨抛抛光、清清洁、水水切割、净化、真空等等机器人人等类型型。机器器人打磨磨是机器器人应用用的新领领域，独独特的力力度控制制确保了了物品被被打磨的的完美无无瑕。打打磨机器器人主要要由工业业机器人人本体和和打磨机机具、抓抓手等外外围设备备组成。机器人人打磨主主要有两两种方式式：一种种是通过过机器人人末端执执行器夹夹持打磨磨工具，主动接接触工件件，工件件相对固固定不动动。这种种打磨机机器人可可称为工工具主动动型打磨磨机器人人；另一一种是机机器人末末端执行行器夹持持工件，通过工工件贴近近接触去去毛刺机具具设备，机具设设备相对对固定不不动，这种打磨磨机器人人也称为为工件主主动打磨磨机器人。1.3工业机器器人扩展知识识1.3.1工业机器器人发展展历程早在1954年美国乔乔治德沃尔首首次设计计出第一一台电子子程序可可编的工工业机器器人，并并于1961年发表了了该项专专利。1962年美国通通用汽车车公司投投入使用用，标志志着第一一代机器器人诞生生第一代机机器人，也叫示示教再现现型机器器人，它它是通过过一个计计算机，来控制制一个多多自由度度的一个个机械，通过示示教存储储程序和和信息，工作时时把信息息读取出出来，然然后发出出指令，机器人人可以重重复的根根据人当当时示教教的结果果，再现现出这种种动作1982年，美国国通用汽汽车公司司在装配配线上为为机器人人