工业自动化控制第章工业机器人

1第六章工业机器人2

国际上，关于机器人的定义主要有以下几种：

（1）美国机器人协会(RIA)的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。一、工业机器人的定义第一节概述3（2）日本工业机器人协会(JIRA)的定义：工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器(endeffector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。4

（3）美国国家标准局(NBS)的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。（4）国际标准化组织(ISO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。5（5）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，所不同的是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”。6机器人的四大特征仿生特征：模仿人的肢体动作自动特征：自动完成作业任务柔性特征：对作业具有广泛适应性智能特征：具有对外界的感知能力7

在工业领域内应用的机器人我们称为工业机器人。

通常对工业机器人的定义是：工业机器人是一种能模拟人的手、臂的部分动作,按照预定的程序、轨迹及其它要求,实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。8工业机器人以刚性高的机械手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬更重的东西，而且定位精度相当高。它可以很据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人是应用计算机进行控制的替代人进行工作的高度自动化系统，是典型的机电一体化的产品。工业机器人在实现智能化、多功能化、柔性自动化生产、提高产品质量、代替人在恶劣环境条件下工作中发挥重大作用。一、工业机器人的定义9二、工业机器人的组成执行机构控制系统驱动系统（液压缸、电机等）检测系统工业机器人10

各组成部分关系控制系统驱动系统执行机构操作对象检测系统1112二、工业机机器人的组成成执行机构：一种具有和人人手臂相似的的动作功能，可在空间抓放物体体或执行其他操作的机械装置，通常包括：机座、手臂、、手腕和末端端执行器；13二、工业机机器人的组成成(1)机座机座是工业机器人的的基础部件，承受相应的载载荷，机座分为固定式和移动式两类。(2)手臂手臂是支承手腕和末端执执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行行器的空间位位置。(3)手腕手腕是连接手臂和末末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态态。14二、工业机机器人的组成成(4)末端执行器（或称手部））是机器人直接执行工作作的装置，可安装夹持器器、工具、传传感器等。夹持器可分为机械夹紧、真真空抽吸、液液压夹紧、磁磁力吸附等。在手部安装的的某些专用工具，如焊枪、喷喷枪、电钻、、螺钉螺帽拧拧紧器等，可可视为专用的特殊手手部。15二、工业机机器人的组成成2、控制系统是机器人的大大脑，支配着机器人人按规定的程程序运动，并记忆人们给予予的指令信息息(如动作顺序、、运动轨迹、、运动速度等等)，同时按其控制系统统的信息控制执行机构构按规定要求求动作。16二、工业机机器人的组成成采用计算机控控制的工业机机器人，控制系统分成成决策级、策策略级和执行行级三级。决策级的功能是识别别环境、建立立模型、将作作业任务分解为基本动动作序列；策略级将基本动作变为为关节坐标协协调变化的规规律，分配给各关关节的伺服系系统；执行级给出各关节伺服系系统的具体指指令。17二、工业机机器人的组成成3.驱动系统驱动系统是按照控制系统统发出的控制制指令将信号号放大，驱动执行机构构运动的传动动装置。常用的有电气、液压、、气动和机械械等四种驱动方方式。有些机器人采采用这些驱动动方式的组合合,如电—液混合驱动和和气—液混合驱动等等驱动方式。。18二、工业机机器人的组成成4、位置检测系系统主要检测工业业机器人执行系统的运动位置、状态，并随时将执行系统的实实际位置反馈馈给控制系统统，并与设定的位置进进行比较，然后通过控控制系统进行行调整，使执执行系统以一一定放入精度度达到设定位位置状态。常用力、位置置、触觉、视视觉等传感器器19工业机器人的的性能特征影响着机器人人的工作效率率和可靠性。在设计和选选用机器人时时应考虑如下下几个性能指指标：(1)自由度。工业机器人的的运动自由度度是指各关节在三三维空间对于于固定坐标系系具有的独立立运动。各关节自由度度的总和就是是工业机器人的的自由度数。三、工业业机器人的性性能特征202122自由度数越高高，机器人可可以完成的动动作越复杂，，通用性越强强，应用范围围也越广。每个自由度需需要一个伺服服轴进行驱动动，相应地带带来的技术困困难也越大。。一般情况下，，通用工业机机器人有3～6个自由度。23(2)工作空间。工作空间是指指机器人应用用手爪进行工作作的空间范围围。机器人的工作作空间主要取取决于臂部的自由度度和每个关节的运运动范围。腕部的自由度度主要用来调整手部在空空间的方位。手指的开闭动动作，仅用于夹放放工件或工夹夹具，它不改变工件件或工夹具的的空间位置和和方位，所一般不计入机器人人的自由度数数。24直角坐标机器器人的工作空空间是一个矩形空间，圆柱坐标机器器人的工作空空间是一圆柱体，而球坐标机器器人的工作空空间是一个球体。25(3)提取重力。提取的重力是是反映机器人人负载能力的一一个参数，根据提取重重力的不同，，可将机器人人分为：①微型机器人，，提取重力在10N以下；②小型机器人，，提取重力为10～50N；③中型机器人，，提取重力为50～300N；④大型机器器人，提取重力为300～500N；⑤重型机器人，，提取重力在500N以上。目前实际应用用机器人一般般为中、小型型机器人。26(4)运动速度。运动速度影响响机器人的工工作效率，它它与机器人所所提取的重力和和位置精度均均有密切的关关系。运动速度高，，机器人所承承受的动载荷荷增大，必将在加减速速时承受较大大的惯性力，影响机器人的的工作平稳性性和位置精度度。目前的技术水水平而言，通通用机器人的的最大直线运运动速度大多多在1000mm/s以下。27(5)位置精度。位置精度是衡衡量机器人工工作质量的又又一技术指标标。位置精度的高高低取决于位置控制方式以及机器人运动部部件本身的精精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切切的关系。28四、工业机器器人的分类工业机器人的的分类方法：：√按坐标形式、、√按控制方式√按信息输入方方式按系统功能按驱动方式按用途291.按坐标形式分分（1）直角坐标机机器人机器人的末端执行器（或手部）在在空间位置的的改变是通过过三个互相垂直直的轴线移动动来实现的。特点：位置精度最高高，控制无耦耦合，比较简简单，避障性性好，但结构构庞大，动作作范围小，灵灵活性差。坐标形式是指执行机构的手手臂在运动时所取的参考坐标系的的形式。3031（2）圆柱坐标机机器人机器人是通过过两个移动（升降运动及手手臂伸缩运动动）和一个转动（腰转）来实现末端执行器空空间位置的改改变。腰部转运动及及升降运动通通常由机身来实现。特点：位置精度高、、控制简单、、避障性好，，但结构较庞庞大32（3）极坐标机器器人机器人手臂的运动由一个直线运动动和两个转动组成成，即手臂的伸缩运动和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））。通常把回回转及俯仰运运动归属于机机身。特点：占地面积小、、结构紧凑、、位置精度尚尚可，但避障障性差、有平平衡问题33（4）关节坐标机机器人关节坐标机器器人主要由立柱、大臂和和小臂组成，立柱绕Z轴做旋转运动，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，大臂和小臂做做俯仰运动。特点：工作范围大，，动作灵活，，避障性好，，但位置精度度较低，有平平衡问题，控控制耦合较复复杂342.按控制方式分分（1）点位控制(PointtoPoint)机器人运动为空间点点到点之间的的直线运动，，不涉及两点之之间的移动轨轨迹，只在目标点处处控制机器人人末端执行器器的位置和姿姿态。特点：控制方式简单单，适用于上上下料、点焊焊等作业。35（2）连续轨迹控控制（ContinuousPath）机器人运动轨迹可以以是空间的任任意连续曲线线。机器人在空间的整个个运动过程都都要控制，末端执行器在在空间任何位位置都可以控控制姿态。363.按信息输入方方式分（1）人操作机械手手是一种由操作人员直接进行操作作的具有几个自由由度的机械手。（2）固定程序机器器人按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作作业任务的机械手。（3）可变程序机器器人它与固定程序序机器人基本本相同，但其其工作次序等等信息易于修修改。37特点：结构简单，无无独立控制系系统，造价低低廉，如附设设在加工中心心机床上的自动换刀机械械手。（4）程序控制机机器人具有独立的的控制系统，，作业任务指指令是由计算算机程序向机机器人提供的的，其控制方方式与数控机机床一样。特点：结构复杂，工工作范围大，，定位精度高高，通用性强强，适用于不不断变换生产产品种的柔性性制造系统。。38（5）示教再现机机器人这类机器人能能够按照记忆装置存储储的信息来复现由人示教教的动作。其示教动作作可自动地重重复执行。（6）智能机器人人采用传感器来来感知工作环环境或工作条条件的变化，并借助其自身的决策能能力，完成相应的的工作任务。。39五、工业业机器人的的应用领域域弧焊机器人人激光焊机器器人电阻焊机器器人自动化焊接接机器人点焊机器人人等离子切割割机器人40清洁机器人人上料机器人人物料输送机机器人材料去除机机器人包装机器人人喷漆机器人人41部件移动机机器人装配机器人人打保险机器器人自动钻孔机机器人设备维护机机器人包装机器人人42堆跺机器人人涂层机器人人去毛刺机器器人磨销机器人人高温喷涂机机器人43六杆并联机机床44六、工业业机器人的的发展趋势势（1）提高工作作速度和运运动精度，，减少自身身重量和占占地面积。。（2）加快机器器人部件的的标准化和和模块化，，将各种功功能（回转转、伸缩、、俯仰、摆摆动等）机机械模块与与控制模块块、检测模模块组合成成结构和用用途不同的的机器人。。（3）采用新型型结构，如如微动机构构、多关节节手臂、类类人手指、、新型行走走机构等，，以适应各各种作业需需要。45（4）研制各种种传感检测测装置，如如视觉、触触觉、听觉觉和测距传传感器等，，来获取有有关工作对对象和外部部环境的信信息，使其其具有模式式识别的能能力。（5）利用人工工智能的推推理和决策策技术，使使机器人具具有问题求求解、动作作规划等功功能。46第二节机机械与驱动动系统工业机器人人的机械系统又又称机械操操作臂，它主要由由末端执行器器、手腕、手臂机座组成；471.末端执行器器末端执行器器则是直接执行作作业任务的的装置；末端执行器器的结构和尺寸是依据其不同作业任任务要求来来设计的，从而形成成了多种多样的的结构形式式。末端执行器器安装在执行机构构的手腕或手臂臂的机械接口上。根据用途可可分为机械式夹持持器、吸附式末端端执行器专用工具三三类。48（1）机械式夹夹持器机械式夹持器组成成 ：手爪、传动动机构、驱驱动装置等。通过手爪的的开、合动动作实现对对物料的夹夹持。夹持圆柱形形物料的机机械式夹持持器1-手爪2-传动机构3-驱动装置4-支架5-物料491）手爪手爪是直接与物料料接触的部部件，夹持器松开开和夹紧物物料是通过手爪的张开开和闭合来实现的。。机械式夹持持器的结构构形式取决于被夹夹持物料的的形状和特特性。2）传动机构构传动机构是是向手爪传递递运动和动动力，以实现夹紧和和松开动作作的机构。传动机构按其运动方式分分为回转型和移移动型，回转型又又分为单支支点回转型型和双支点点回转型。。3）驱动装置置驱动装置是是向传动机构构提供动力力的装置，它一般有有液压、气动动、机械等等驱动方式。505152（2）吸附式末末端执行器器吸附式手部又分为气吸式和磁吸式：气吸式手部部利用真空吸力及及负压吸力力吸持工件件，它适用于于抓取薄片、易碎碎工件，通常吸盘由橡胶胶或塑料制制成；磁吸式手部部利用电磁铁和永永久磁铁的的磁场力吸吸取具有磁磁性物质的小五金工工件。53抓取物料时时，碟形橡胶吸吸盘与物料表面接接触，橡胶吸盘起起到密封和和缓冲两个个作用，真真空空泵泵进进行行真真空空抽抽气气，，在吸吸盘盘内内前前形形成成负负压压，实实现现物物料料的的抓抓取取。。放料料时时，，吸盘盘内内通通入入大大气气，，失失去去真真空空后后，物物料料放放下下。。气吸吸式式54（3）多多指指灵灵巧巧手手552.手腕腕手腕腕是连接接末末端端执执行行器器和和手手臂臂的的部部件件，作用用：：是调调整整或或改改变变末末端端执执行行器器方方位位，，组成成：：三个个独独立立的的回回转转关关节节。。绕小小臂臂轴轴线线X旋转转的的臂臂转转相对对于于小小臂臂摆摆动动的的腕腕摆摆绕自自身身轴轴线线旋旋转转的的手手转转56设计计机机器器人人的的手手腕腕结结构构的的时时候候要要注注意意：：可以以由由手臂臂完成成的的动动作作，，尽尽量量不设设置置手手腕腕；手腕腕结构构尽尽可可能能简简化化，对对不不需需要要三三个个自自由由度度的的手手腕腕，，可可采采用用两两个个或或一一个个回回转转关关节节；；手腕腕处处的的结结构构要要求求紧紧凑凑，，重重量量轻轻，，驱动动装装置置多多用用分分离离式式573.手臂臂手臂臂：：是支支持持末末端端执执行行器器和和手手腕腕的的部部件件，，是是机机械械操操作作臂臂中中的的重重要要部部件件。。组成成：：大臂臂和和小小臂臂功能能：：完成成伸伸缩缩运运动动、、回回转转、、升升降降或或上上下下摆摆动动运运动动。。作用用：是是把把物物料料运运送送到到工工作作范范围围内内的的给给定定位位置置上上。。手臂臂结结构构形形式式的选选取取需需考考虑虑机机器器人人的的抓抓取取物物料料重重量量、、运运动动方方式式、、速速度度、、自自由由度度数数等等。。手臂臂的的驱动动方方式式：液液压压驱驱动动、、气气压压驱驱动动、、电电力力驱驱动动及及复复合合驱驱动动等等。。机器器人人手手部部结结构构1．．手手部部与与手手腕腕相相连连处处可可拆拆卸卸：：手部部与与手手腕腕处处有有可可拆拆卸卸的的机机械械接接口口：：根据据夹夹持持对对象象的的不不同同，，手手部部结结构构会会有有差差异异，，通通常常一一个个机机器器人人配配有有多多个个手手部部装装置置或或工工具具，，因因此此要要求求手手部部与与手手腕腕处处的的接接头头具具有有通用用性性和互换换性性。手部部可可能能还还有有一一些些电电、、气气、、液液的的接接口口：：由于于手部部的的驱驱动动方方式式不同同造造成成。。对对这这些些部部件件的的接接口口一一定定要要求求具具有有互互换换性性。。一、、手手部部的的特特点点2．．手手部部是是末末端端操操作作器器：：可以以具有有手手指指，也也可可以以不具具有有手指指；可以以有有手爪爪，也也可可以以是是专用用工具具。末端端操操作作器器图图例例（（1））：：每个个手手指指有有三三个个或或四四个个关关节节。。技技术术关关键键是是手手指指之之间间的的协协调调控控制制。。末端端操操作作器器图图例例（（2））：：3．．手手部部是是一一个个独独立立的的部部件件：：工业业机机器器人人通通常常分分为为三三个个大大的的部部件件：：机身身、手臂臂（（含含手手腕腕））、手部部。手手部部对对整整个个机机器器人人完完成成任任务务的的好好坏坏起起着着关关键键的的作作用用，，它它直直接接关关系系着着夹夹持持工工件件时时的的定位位精精度度、夹持持力力的的大大小小等。。4．．手手部部的的通通用用性性比比较较差差：：工业业机机器器人人的的手手部部通通常常是是专专用用装装置置：：一种种手手爪爪往往往往只只能能抓抓住住一一种种或或几几种种在在形状状、尺寸寸、重量量等方方面面相相近近的的工工件件；；一一种种工工具具只只能能执执行行一一种种作作业业任任务务。。二、、手手部部的的设设计计要要求求具有有足足够够的的夹夹持持力力。。保证证适适当当的的夹夹持持精精度度：：手指指应应能能顺顺应应被被夹夹持持工工件件的的形形状状，，应应对对被被夹夹持持工工件件形成成所所要要求求的的约约束束。考虑虑手手部部自自身身的的大大小小、、形形状状、、机机构构和和运运动动自自由由度度：：主要要是是根根据据作作业业对对象象的的大小小、形状状、位置置、姿态态、重量量、硬度度和表面面质质量量等来来综综合合考考虑虑。。智能能化化手手部部还还应应配配有有相相应应的的传传感感器器：：由于于感感知知手手爪爪和和物物体体之之间间的的接接触触状状态态、、物物体体表表面面状状况况和和夹夹持持力力的的大大小小等等，，以以便便根根据据实实际际工工况况进进行行调调整整等等。。三、、手手部部的的构构成成主要要有有手手指指、、驱驱动动机机构构和和传传动动机机构构组组成成。。1．．按按用用途途分分：：手爪爪：：具有有一一定定的的通通用用性性。。主主要要功功能能是是：：抓抓住住工工件件、、握握持持工工件件、、释释放放工工件件。。抓住住：：在给给定定的的目目标标位位置置和和期期望望姿姿态态上上抓抓住住工工件件，，工工件件必必须须有有可靠靠的的定定位位，保保持持工工件件和和手手爪爪之之间间的的准准确确的的相相对对位位置置关关系系，，以以保保持持机机器器人人后后续续作作业业的的准准确确性性。。握住住：：确保保工工件件在在搬搬运运过过程程中中或或零零件件装装配配过过程程中中定定义义了了的的位位置置和和姿姿态态的的准准确确性性。。释放：在指定位置结结束手部和工工件之间的约约束关系。工具：进行作业的专专用工具。四、手部的分分类工件的的定位位和夹夹紧：：F2．按按夹持持方式式分：：外夹式式手部与与被夹夹件的的外表表面相相接触触。内撑式式：手部与与工件件的内内表面面相接接触。。内外夹夹持式式：手部与与工件件的内内、外外表面面相接接触。。夹持方方式图图例：：ZXY3．按按手爪爪的运运动形形式分分：回转型型当手爪爪夹紧紧和松松开物物体时时，手指作作回转转运动动。当被被抓物物体的的直径径大小小变化化时，，需要要调整整手爪爪的位位置才才能保保持物物体的的中心心位置置不变变。平动型型手指由由平行行四杆杆机构构传动动，当当手爪爪夹紧紧和松松开物物体时时，手指姿姿态不不变，，作平平动。平移型型当手爪爪夹紧紧和松松开工工件时时，手指作作平移移运动动，并保保持夹夹持中中心的的固定定不变变，不不受工工件直直径变变化的的影响响。回转型型图例例：压缩弹弹簧拉伸弹弹簧平动型型图例例：平移型型图例例：该丝杆杆的螺螺纹具具有什什么特特点？？此时手手部是是张开开还是是合拢拢？4．按按夹持持原理理分：：手指式式：外夹式式、内内撑式式、内内外夹夹持式式。平移式式、平平动式式、旋旋转式式。二指式式、多多指式式。单关节节式、、多关关节式式。吸盘式式：负压吸吸盘：：真空式式、喷喷气式式、挤挤气式式。磁力吸吸盘：：永磁吸吸盘、、电磁磁吸盘盘。1．机机械式式手爪爪结构构：气动驱驱动手抓：气缸驱驱动活活塞平平移→→齿条条移动动→扇扇形齿齿轮摆摆动→→连杆杆机构构摆动动→手手爪平平动其它四四种机机械式式手爪爪机构构：五、典典型结结构气动手手爪图图例：：重力式式手爪爪滑槽式式手爪爪拨杆杠杠杆式式手爪爪机械手手爪图图例：：齿轮齿齿条式式手爪爪2．电电磁吸吸盘(1)：电磁吸吸盘的的结构：主要由由磁盘盘、防防尘盖盖、线线圈、、壳体体等组组成。。工作原原理：：夹持工工件：：线圈通通电→→空气气间隙隙的存存在→→线圈圈产生生大的的电感感和启启动电电流→→周围围产生生磁场场（通通电导导体一一定会会在周周围产产生磁磁场））→吸吸附工工件放开工工件：：线圈断断电→→磁吸吸力消消失→→工件件落位位2．电电磁吸吸盘(2)：适用范范围：：适用于于用铁铁磁材材料做做成的的工件件；不不适合合于由由有色色金属属和非非金属属材料料制成成的工工件。。适合于于被吸吸附工工件上上有剩剩磁也也不影影响其其工作作性能能的工工件。。适合于于定位位精度度要求求不高高的工工件。。适合于于常温温状况况下工工作。。铁磁磁材料料高温温下的的磁性性会消消失。。电磁吸吸盘图图例:3．真真空式式吸盘盘：构成:由真空空泵、、电磁磁阀、、电机机