工业机器人技术基础（高职）PPT全套完整教学课件

工业机器人技术基础模块一工业机器人认知01模块1工业机器人认知02模块2工业机器人的系统组成03模块3工业机器人的机械系统04模块4工业机器人的控制系统05模块5工业机器人传感技术06模块6工业机器人通讯07模块7工业机器人操作与编程工业机器人是在20世纪60年代逐渐发展起来的一种用于代替传统劳动力的工业设备。工业机器人技术是一门多学科综合的自动化技术，涉及机械、电子、数学、运动学、力学、控制理论、传感技术、计算机技术及人机工程。到今天，工业机器人技术已成为工业生产、智能制造等领域不可或缺的中坚力量。目录单元1工业机器人概述单元2工业机器人的分类单元3工业机器人的性能参数单元1工业机器人概述单元1工业机器人概述工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，如图1－1－1所示。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编制的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。一、工业机器人的定义单元1工业机器人概述美国机器人协会（RIA）对工业机器人的定义是：“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程的动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能机械手。”美国国家标准局（NBS）对工业机器人的定义是：“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。”美国机器人工业协会（U.S.RIA）提出的工业机器人定义是：“工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”

1987年国际标准化组织（ISO）对工业机器人进行了定义：“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。”综上所述，工业机器人是一种按实际工况自动控制精确运动并作业的可编程机电一体化智能设备。一、工业机器人的定义单元1工业机器人概述已知最早的工业机器人是1937年由格里菲斯·P·泰勒完成，并发布在1938年3月的专业杂志上。这台机器人几乎完全是用吊车状装置建成的，动力由单个电动机提供，可实现五轴运动。自动化方面是用穿孔纸带通电螺线管——这有利于用起重机的控制杆操作，进而实现运动功能。该机器人可以在预先设定的图案上堆积木，第一次操作时需要将每个运动马达的转数绘制在坐标纸上，然后把这个信息转移到纸带上，从而推动机器人的单个马达运动。

1954年，乔治·德沃尔申请了一个“可编程关节式转移物体装置”的专利，具备了现代工业机器人的雏形。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述真正意义上的工业机器人出现在1959年。当时，美国人约瑟夫·恩格尔伯格和乔治·德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人Unimate，意思是“万能自动”，如图1－1－2所示。这台机器人外形像一个坦克的炮塔，基座上有一个可转动的大机械臂，大臂上又伸出一个可以伸缩和转动的小机械臂，能进行一些简单的操作，代替人做一些诸如抓放零件的工作。约瑟夫·恩格尔伯格也因此被称为“机器人之父”。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述与美国劳动力充沛不同，日本战后的劳动力匮乏已对快速发展的经济造成了阻碍。1969年，日本业界把约瑟夫·恩格尔伯格请到东京演讲，指导日本厂商研发机器人。通过知识产权输出等方式，Unimation公司与日本川崎等公司建立了联系。借此，川崎重工引进Unimation机器人，并把开发能节省劳动力的机器人系统作为一项重要任务来完成，而后成功开发了KawasakiUnimate2000机器人（如图1－1－3所示），这是日本生产的第一台工业机器人，川崎重工随后也成了日本工业机器人领域的先驱。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述

20世纪70年代之前，工业机器人基本是Unimation的天下，Unimation把机器人卖给各家公司，甚至远销欧洲、日本，大大提高了企业的生产效率。随后，工业机器人领域开始了高速发展。

1971年，日本机器人协会成立，这是世界上第一个国家机器人协会。

1973年，第一台机电驱动的六轴机器人面世，如图1－1－4所示。德国库卡公司将其使用的Unimate机器人改造成第一台产业机器人，命名为Famulus，这是世界上第一台机电驱动的六轴机器人。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述

1974年，瑞典通用电机公司（ASEA，ABB公司的前身）开发出世界上第一台全电力驱动、由微处理器控制的五轴工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运，如图1－1－5所示。首台IRB6运行于瑞典南部的一家小型机械工程公司。IRB6采用拟人化设计，其动作模仿人类的手臂，可承受6千克载荷。IRB6的S1控制器第一个使用英特尔8位微处理器，内存容量为16kB，有16个数字I/O接口，通过16个按键编程，并具有四位数的LED显示屏。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述

1978年，美国Unimation公司推出通用工业机器人，应用于通用汽车装配线（图1－1－6），这标志着工业机器人技术已经完全成熟。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述

1984年，瑞典ABB公司生产出当时速度最快的装配机器人IRB1000（图1－1－7），这是一个配备了垂直手臂的钟摆式机器人。IRB1000机器人工作的时候，不需要来回移动就可以快速穿越较大面积的工作场合，速度比传统的手臂机器人快50%以上。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述

1992年，瑞典ABB公司推出开放式控制系统S4（图1－1－8）。S4控制器的设计改善了人机界面，并提升了机器人的技术性能。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述

2008年，日本发那科公司推出了新的重型机器人M2000iA，有效载荷达1200千克（图1－1－9）。M2000iA系列是当时世界上规模最大、实力最强的六轴机器人，可搬运超重物体，具有两种型号，分别为一次可举起900千克载荷的M2000iA/900L和一次可举起1200千克载荷的M2000iA/1200，能够做到更快速、更稳定、更精确地移动大型部件。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述

2009年9月，瑞典ABB公司推出了世界上最小的多用途工业机器人IRB120，也是速度最快的六轴机器人（图1－1－10）。IRB120是一款新型机器人，质量仅为25千克，荷重3千克（垂直腕为4千克），工作范围达580毫米。IRB120的问世使ABB第四代新型机器人产品系列得到进一步延伸，具有卓越的经济性与可靠性。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述工业机器人的出现将人类从繁重单一的劳动中解放出来，它能够从事一些不适合人类甚至超越人类的劳动，实现生产的自动化，避免工伤事故并且提高生产效率。自1959年工业机器人诞生后，经过近70年的发展，工业机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业，工业机器人的分类也越来越细化。它与人工智能技术、先进制造技术和移动互联网技术融合发展，大大推动了人类社会生活方式的变革。工业机器人对于我国制造业提质增效、转型升级、推动产业结构迈向中高端具有重要作用。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述乔治·德沃尔提出的工业机器人有以下特点：将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构连接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。

1962年，美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手臂组成。此后，逐渐出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。三、工业机器人的特点单元1工业机器人概述工业机器人最显著的特点有以下几个：（一）可编程生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要进行再编程，因此在小批量、多品种、高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的重要组成部分。（二）拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转动作，具有类似大臂、小臂、手腕、手爪的部分，由电脑控制。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对应用环境的适应能力。（三）通用性除了专门设计的专用工业机器人外，一般工业机器人在执行不同作业任务时具有较好的通用性，比如更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。三、工业机器人的特点单元1工业机器人概述四、工业机器人的优势当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力，具有多种感知能力，对作业环境具有较强的自适应能力的方向发展。当前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平方面处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面居世界首位。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都与微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，其发展和应用现状也可以反映一个国家科学和工业的水平。（一）工业机器人技术发展的优势工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。三、工业机器人的特点单元1工业机器人概述（二）技术升级的趋势工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械和计算机之后出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。（三）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。（四）技术综合性强工业机器人与自动化成套技术集中并融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。三、工业机器人的特点目录单元1工业机器人概述单元2工业机器人的分类单元3工业机器人的性能参数单元2工业机器人的分类单元2工业机器人的分类关于工业机器人的分类，国际上并没有统一的标准，有的按载荷大小分，有的按控制方式分，有的按机械结构分，有的按坐标系分，有的按应用领域分。这里，我们按照比较普遍的三种分类形式进行分类讲解。单元2工业机器人的分类按机械结构的方法对机器人分类是指，将工业机器人按照不同的动力学结构原理进行分类。按照这种方法，通常将工业机器人分成两类：串联式机器人和并联式机器人。（一）串联式机器人串联式机器人是开式运动链，由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联而成，并没有形成封闭的结构链。关节由驱动器驱动，关节的相对运动再驱动连杆运动，使手爪实现一定的位姿，如图1－2－1所示。对串联式机器人而言，一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，比如六轴工业机器人。一、按机械结构分类单元2工业机器人的分类串联式机器人的特点有：

1.工作空间大。

2.运动分析较容易。

3.可避免驱动轴之间的耦合效应。

4.机构各轴必须独立控制，且需搭配编码器与传感器来提高机构运动时的精准度。串联式机器人通常都具有三个以上的关节，类似于人类的手臂，灵活性高，广泛应用于装配、搬运、喷漆、码垛、测量、弧焊、点焊、包装、铸造等作业。一、按机械结构分类单元2工业机器人的分类（二）并联式机器人并联式机器人可以定义为：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，如图1－2－2所示。并联式机器人一个轴的运动不影响另一个轴的坐标原点，如delta机器人。一、按机械结构分类单元2工业机器人的分类并联式机器人的特点有：

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，使得运动部分质量轻，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。因为这些特点，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广泛应用。一、按机械结构分类单元2工业机器人的分类工业机器人按照坐标系通常可分为柱坐标机器人、球坐标机器人、笛卡尔坐标机器人、多关节型机器人和平面关节型机器人。（一）柱坐标机器人如果水平臂或杆架安装在一垂直柱上，而该柱又安装在一个旋转基座上，这种结构可称为柱坐标机器人。如图1－2－3所示，柱坐标机器人具有一个回转和两个平移自由度，其运动特点如下：

1.手臂可伸缩（沿r方向）。

2.滑动架（或托板）可沿柱上下移动（z轴方向）。

3.水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕z轴），一般旋转不允许超过360°。柱坐标机器人手臂伸出长度有最小值和最大值，所以机器人的工作包络范围呈圆柱状。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（二）球坐标机器人球坐标机器人的空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定。由于机械和驱动连线的限制，球坐标机器人的工作范围是球体的一部分，如图1－2－4所示。球坐标机器人的工作特点如下：

1.手臂可伸出缩回范围R，类似于可伸缩的望远镜套筒。

2.在垂直面内绕轴旋转的角度为β。

3.在基座水平面内的转动角度为θ。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（三）笛卡尔坐标机器人（直角坐标机器人）笛卡尔坐标机器人，又叫直角坐标机器人，是指能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系的多用途操作机。笛卡尔坐标机器人是以xyz直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机、步进电机驱动的单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杠、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统，可以完成在xyz三维坐标系中任意一点的到达，并遵循可控的运动轨迹。在结构上，笛卡尔坐标机器人又分为悬臂式和门型两种，如图1－2－5所示。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类悬臂式笛卡尔坐标机器人的特点是结构简单、成本低、速度快、负载低、悬臂长度有限。门型笛卡尔坐标机器人又叫桁架机器人或龙门式机器人。相比悬臂式，其结构略复杂，成本略高，但能承受的负载大，各轴的行程更大。笛卡尔坐标机器人的核心运动部件是线性模组，如图1－2－6所示。线性模组主要由导轨、丝杠（或同步带、齿条等）、运动体和电机（步进或伺服）组成。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（四）多关节型机器人多关节型机器人由多个回转机构组合而成（图1－2－7）。这类机器人结构紧凑，工作空间大，动作最接近人的动作，对涂装、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。

1.多关节型机器人的优点（1）结构紧凑，占地面积小。（2）灵活性好，手部到达位置好，具有较好的蔽障性能。（3）没有移动关节，关节密封性能好，摩擦小，惯量小。（4）关节驱动力小，能耗较低。

2.多关节型机器人的缺点（1）运动过程中存在平衡问题，控制存在耦合。（2）当大臂和小臂舒展开时，机器人结构刚度较差。多关节型机器人是通用性最好的工业机器人，最常用的多关节型机器人有五轴搬运机器人、六轴机器人、七轴机器人等。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（五）平面关节型机器人如图1－2－8所示，平面关节型机器人具有四个自由度：三个旋转关节，轴线相互平行,实现平面内定位和定向；一个移动关节，实现末端件升降运动。具体机械系统由基座、手臂和末端执行器三大部分组成，每一部分都有若干自由度，构成了一个多自由度的机械系统。基座具有回转机构（肩关节），手臂由大臂、小臂组成，末端执行器（手部）是一个钳爪式手部结构。本机器人具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小及设计自由度大等优点，可以组装成焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、拿放机器人及插件机器人等，从而应用于高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等动作。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（一）搬运机器人搬运机器人是在自动化作业中专门从事搬运工作的工业机器人（图1－2－9）。它的主要工作内容是将物料从一个地方搬运到另一个地方。搬运机器人的特点是结构紧凑，负载大，但灵活性不如六轴机器人。搬运机器人一般以五轴结构居多。搬运机器人用途很广，一般只需点位控制，即被搬运零件无严格的运动轨迹要求，只要求始点和终点位姿准确。如箱体码垛，流水线上下料等。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类（二）焊接机器人焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，亦是目前使用最多的一类定制化机器人。由于焊接机器人是在准平面、空间狭窄的环境下工作，为了保证机器人能根据电弧传感器的偏差信息跟踪焊缝，实现自动焊接，要求所设计的机器人应该具有结构紧凑、移动灵活且工作稳定等特点。常用的焊接机器人分为点焊和弧焊两种。

1.点焊机器人点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人（图1－2－10）。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成。为了适应灵活动作的工作要求，通常选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。点焊机器人的驱动方式有液压驱动和电气驱动两种，其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过通信接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类

2.弧焊机器人弧焊机器人是指用于自动弧焊作业的工业机器人。弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同。一般的弧焊机器人由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成（图1－2－11），可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制，还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型，具有可长期进行焊接作业，保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着技术的发展，弧焊机器人正向着智能化的方向发展。弧焊机器人系统的基本组成部分有机器人本体、控制系统、示教器、焊接电源、焊枪、焊接夹具和安全防护设施。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类

3.焊接机器人的优点随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动焊接机器人从20世纪60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点：（1）稳定和提高焊接质量，能将焊接质量以数值的形式反映出来。（2）提高劳动生产率。（3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作。（4）降低了对工人操作技术的要求。（5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。因此，焊接机器人现在已经在汽车、电子等各行各业得到了广泛的应用。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类（三）喷涂机器人喷涂机器人是可进行自动喷漆作业或喷涂其他涂料的工业机器人。喷涂机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷涂机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。喷涂机器人多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷涂机器人一般采用液压驱动，具有速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示教来实现操作。喷涂机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门（图1－2－12）。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类由于喷涂机器人是专用型工业机器人，所以它具有一些与自身实际应用相关的特点：

1.柔性好，活动范围大，能实现各种方向和表面范围大的工件的喷涂作业。

2.机器人具有较快的运动速度和加速度。机器人的运动速度或加速度越大，则意味着机器人空行程所需的时间越短，在一定节拍内的绝对施工时间越长，可提高机器人的使用率。

3.重复定位精度要求不高。由于喷涂作业对机器人执行器的定位不需要很高的要求，所以喷涂机器人的重复定位精度达到1mm即可。

4.易操作和维护，可离线编程，大大缩短现场调试时间。可插件结构和模块化设计可实现快速安装和更换元器件，极大地缩短维修时间，便于维护保养。如图1－2－12所示是喷涂机器人在汽车行业的应用，现在各品牌汽车车身的喷漆工作均已实现机器人自动化。在喷涂机器人的应用过程中，通常会用布将机器人包裹住，这样清理机器人会比较容易。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类（四）通用机器人通用型机器人是指用途广泛，能应用于多种行业和多个工种的工业机器人。通用机器人的特点是：

1.自由度高，末端执行器运动范围广。

2.安装方式任意，不局限于正装、倒装、侧装等。

3.集成度高，开放性好，用户可根据需求安装各种配套设施或配套机构。最常见的通用型机器人有Scara机器人、通用六轴工业机器人等（图1－2－13）。通用型机器人能广泛应用于汽车、电子、铸造、食品、医药等行业，进行对应的搬运、码垛、插件、装配、涂胶、打磨抛光等工作。三、按应用领域分类目录单元1工业机器人概述单元2工业机器人的分类单元3工业机器人的性能参数单元3工业机器人的性能参数单元3工业机器人的性能参数自由度和工作空间是工业机器人的核心参数，也是机器人选型时的重要技术指标参数，两者一起决定了工业机器人的灵活性和可达范围。在机器人技术的应用过程中，足够的灵活性和广阔的工作空间能增强工业机器人的通用性，可以实现一机多用。但过剩的灵活性和工作空间会造成资源浪费，还会影响工作效率。（一）自由度自由度是机器人的一项重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接影响到机器人的机动性。

1.刚体自由度如图1－3－1所示，物体上任何一点的运动都与坐标轴的正交集合有关。物体的自由度是指物体能够相对坐标系进行独立运动的数目。（1）沿着坐标轴ox，oy和oz的三个平移运动：T1、T2和T3。（2）绕着坐标轴ox，oy和oz的三个旋转运动：R1、R2和R3。这意味着物体能够运用三个平移和三个旋转，相对于坐标系进行定向和运动。一个物体有六个自由度，当两个物体间确立起某种关系时，其中的物体就相对另一物体失去一些自由度。这种关系也可以用两物体间由于建立连接关系而不能进行的移动和转动来表示。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数

2.机器人自由度机器人自由度是指机器人所具有的相对独立坐标轴运动自由度的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度，如图1－3－2所示。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数人们期望机器人能够准确地把端部执行装置或与其连接的工具移动到指定位置。例如，要把一个球放到某个给定位置，有3个自由度就足够了；又如，要对某旋转钻头进行定位与定向，就需要5个自由度；如果预先不知道机器人的用途，那么它应当具有6个自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要6个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于6个自由度，也可能大于6个自由度。例如，ABB的IRB1410机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点看，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，就叫作冗余自由度机器人，亦可简称冗余度机器人。若让ABB的IRB1410机器人去执行印刷电路板上接插电子器件的作业，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，躲避障碍物和改善动力性能。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，手部可回避障碍物从不同方向到达同一个目的点。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数（二）工作空间工业机器人的工作空间是指机器人末端执行器运动描述参考点所能达到的空间点的集合，一般用水平面和垂直面的投影表示。工业机器人的工作空间通常由自由度和关节长度决定。如图1－3－3与图1－3－4所示，各种工业机器人的工作空间形状各不相同：常见的直角坐标机器人工作空间是一个立方体，柱坐标机器人的工作空间是一个空心开口圆柱体，球坐标机器人的工作空间是球体的一部分，六轴工业机器人的工作空间也是球体的一部分，但它的工作空间更广。工业机器人的工作空间是集成设计时机器人选型的重要参数，工程师根据工作空间参数要求去选择合适的机器人。如果所选机器人工作空间太小，则不能满足工业生产要求；如果所选机器人工作空间过大，则会造成场地、工时、成本等的浪费。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数在常见的工业机器人参数手册中，转动关节给出的是关节距和转动角度范围，线性关节给出是关节距和运动行程。图1－3－5所示是一款六轴工业机器人的工作范围参数。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数工业机器人的负载通常分为机身负载和工具负载：机身负载指的是附加在机器人各关节上的负重；工具负载指的是安装在工业机器人末端的工具和物料的载荷。工业机器人的工具负载并不是绝对的，其负载能力会随着载荷重心位置的远离而降低。工业机器人的工具负载能力还会因机器人末端执行姿态变化而改变。当负载重心与工具安装面轴心连线垂直于底面时，工业机器人的负载能力最大，当连线平行于地面时，负载能力最小。以ABB的IRB120工业机器人为例，其负载能力变化如图1－3－6与图1－3－7所示。二、负载单元3工业机器人的性能参数工业机器人的负载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人的运行速度、加速度和运动方向有关，运行速度越大，负载能力越小。为了安全起见，负载参数指标指的是工业机器人在高速运行时的承载能力。二、负载单元3工业机器人的性能参数工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人TCP实际到达位置与理论计算位置之间的差异，用反复多次测试的定位点与指定位置之间的距离来表示。重复定位精度是指机器人重复定位TCP（工具中心点）于同一目标位置的能力，以实际到达位置值的分散程度来表示。实际应用中常以重复测试结果的标准偏差值的3倍来表示，用于衡量一列误差值的密集度。如图1－3－8（a）所示，让工业机器人TCP定位到某一坐标点p10，其实际到达位置与理论坐标点p10之间会存在定位误差。如图1－3－9（b）所示，让工业机器人TCP重复运动到同一点位，记录下每次到达的实际位置，这些点位越紧凑，则重复定位精度就越高，反之越低。三、精度单元3工业机器人的性能参数三、精度单元3工业机器人的性能参数防护等级系统是由国际电工委员会所起草，将电器依其防尘防湿的特性加以分级。如表1－3－1与表1－3－2所示，IP防护等级由两个数字组成：第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级；第2个数字表示电器防湿气、防水浸入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。四、防护等级单元3工业机器人的性能参数如ABBIRB1410的电气设备防护等级为IP54，意味着它的防尘等级为5，防水等级为4。四、防护等级演示完毕谢谢收看工业机器人技术基础模块二工业机器人的系统组成工业机器人系统是一套完整的智能工业产品，通常由本体、控制柜和示教器三个基本部分组成，如图2-0-1所示。目录单元1工业机器人本体单元2工业机器人控制柜单元3工业机器人示教器单元1工业机器人本体单元1工业机器人本体如图2－1－1所示，工业机器人本体是指在集成应用中进行具体生产工作的部分，由支撑结构和动力结构组成，即机座和执行机构，包括腰部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度。机器人控制中，所有的计算、分析和编程最终都通过本体的动作去完成工作。单元1工业机器人本体工业机器人本体结构通常包括手部、腕部、腰部、机座（或足部）。

1.手部主要用于机器人安装工具进行具体的工作。

2.腕部决定了工业机器人手部的灵活性，用于调整手部的姿态。腕部越灵活，手部的姿态越丰富。

3.腰部是一个支撑机构，也决定了机器人的活动范围，其主要功能在于使机器人末端执行器快速地作大范围移动。

4.机座用于机器人的安装。有些机器人的机座部分是一套行走机构，机器人不再是固定安装在某一位置，可以像车轮或人的双脚一样移动。一、本体结构单元1工业机器人本体工业机器人是针对工业生产应用而设计的专业设备，它的规格性能等也必须要符合工业应用的需求，工业机器人常见的参数如表2－1－1所示。二、本体参数目录单元1工业机器人本体单元2工业机器人控制柜单元3工业机器人示教器单元2工业机器人控制柜单元2工业机器人控制柜机器人控制器作为工业机器人最为核心的零部件之一，对机器人的性能起着决定性的影响，在一定程度上影响着机器人的发展。工业机器人控制系统的主要任务是控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序及动作的时间等。它同时具有编程简单、软件菜单操作、人机交互界面友好、在线操作提示和使用方便等特点。如图2－2－1所示，根据功率和用途的不同，同一机器人品牌的控制柜通常有好几种。例如，紧凑型控制柜体积小，质量轻，所以占地小，易于运输，但它的功能单一，没有额外添加模块的空间。其他专用型控制柜体积大，功能更多，且具备更高的防护等级。工业机器人的控制柜主要由线缆接口和功能模块组成。单元2工业机器人控制柜如图2-2-2所示，是某工业机器人控制柜的线缆接口说明。一、线缆接口单元2工业机器人控制柜如图2－2－3所示为某工业机器人控制柜内部功能模块。二、功能模块目录单元1工业机器人本体单元2工业机器人控制柜单元3工业机器人示教器单元3工业机器人示教器单元3工业机器人示教器如图2－3－1所示，示教器是一种手持式人机交互装置，用于执行与操作跟机器人系统相关的任务，如运行程序、微动控制操纵器、修改机器人程序等。示教器是机器人控制系统的核心部件，是一个用来存储机械运动轨迹或处理记忆的设备，由电子系统或计算机系统执行。一、示教器简介单元3工业机器人示教器如图2－3－2所示。二、示教器结构单元3工业机器人示教器（一）使用方式如图2－3－3所示，示教器的使用方式通常是左手持示教器，右手进行操作。有的工业机器人厂商也会提供一项人性化的功能——可以设置将触控屏界面显示旋转180°，从而方便习惯左手操作的人正常使用示教器。三、示教器的功能及使用单元3工业机器人示教器（二）功能示教器主要用于操控工业机器人，如图2－3－4所示。三、示教器的功能及使用单元3工业机器人示教器

1.示教可用于示教所定义变量的数据。

2.编程可用于编写机器人运行程序。

3.调试可用于测试机器人的功能以及程序运行情况。三、示教器的功能及使用演示完毕谢谢收看工业机器人技术基础模块三工业机器人的机械系统机械系统是由机械零件组成的工程系统，它是很多工具、机器及现代化设备的主体。从人类使用工具及金属开始，各种机械结构不断被应用于劳动生产。随着物理学、数学及材料科学的发展，越来越多的新型结构被应用于各种机械产品。目录单元1工业机器人机械系统概述单元2工业机器人的传动系统单元3工业机器人常用减速机单元1工业机器人机械系统概述单元1工业机器人机械系统概述最早的“机械”定义是古罗马建筑师维特鲁威在其著作《建筑十书》中所提出，主要是对搬运重物的机械和工具作了区别：“机械和工具之间似乎有着以下的区别，即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果，如重弩炮和葡萄压榨机；而工具则是由一名操纵人员慎重地处理来达到目的，如蝎形轻弩炮或不等圆的螺旋装置。”因此，机械和工具都是实际生产中不可缺少的东西。古罗马数学家希罗认为机械的要素有五类：轮与轴、杠杆、滑车、尖劈、螺旋。这一论述反映了古典机械的特征。现代机械的定义来源于机械工程学。机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。在生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段。使用机器的水平是衡量一个国家现代化程度的重要标志，如图3－1－1所示的就是一个比较复杂的机械系统。一、机械系统的意义单元1工业机器人机械系统概述工业机器人的机械系统主要指的是本体部分的机械结构，它主要由驱动机构、传动机构、执行机构组成，如图3－1－2所示。驱动机构是为机械的运动功能提供驱动力的机构，常用的有电机驱动机构、液压驱动机构和气动驱动机构。传动机构是指把驱动机构的动力传递给执行机构的结构部分。在实际应用中，除了本身的传动功能，传动机构还能进行变速、变向、改变扭矩及改变运动形式等功能，这为机械运动提供了广阔的设计天地。执行机构是指在机械设备中用于执行具体工作的部分。在很多机械设备中，有的既是传动机构也是执行机构，整个系统中，它们没有明显的区分。二、机械系统的组成及功能目录单元1工业机器人机械系统概述单元2工业机器人的传动系统单元3工业机器人常用减速机单元2工业机器人的传动系统单元2工业机器人的传动系统机械设备中的传动系统是指把动力设备的动力传递给工作机构的中间机械装置。工业机器人中常用的传动系统有齿轮传动机构、同步带传动机构、丝杠与导轨传动机构、丝杠与滚珠花键传动机构等。单元2工业机器人的传动系统齿轮是指轮缘上有齿的轮状连续啮合传递运动和动力的机械元件。由两个或以上齿轮组成的机构是齿轮传动机构。齿轮机构是应用最广的传动机构之一。为了获得大的传动比，或为了将输入轴的一种转速变换为输出轴的多种转速等原因，常采用一系列互相啮合的齿轮将输入轴和输出轴连接起来。这种由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系。轮系可分为两种类型：定轴轮系和周转轮系。如图3－2－1（a）为定轴轮系，定轴轮系的各齿轮轴心固定。如图3－2－1（b）为周转轮系，周转轮系由轴心固定的齿轮和绕其转动的活动齿轮组成。一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统

1.齿轮机构的优点（1）传动比和功率范围广。（2）传动比稳定，传动效率高。（3）可实现平行轴、任意角度相交轴及任意角交错轴之间的传动。

2.齿轮机构的缺点（1）制造和安装精度要求高，成本较高。（2）不适于远距离传动。按照两轴的相对位置和齿向，齿轮机构可按图3－2－2所示分类。工业机器人使用的减速机均是以齿轮为传动基体，所以，齿轮是工业机器人传动机构的核心部件。不仅是工业机器人，齿轮的应用几乎涵盖了整个现代动力设备。一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统现代齿轮主要以渐开线齿轮为主。有兴趣的同学可以深入学习一下渐开线齿轮的啮合原理以及相关参数（图3－2－3），如渐开线、模数、分度圆、压力角，以及直齿轮和斜齿轮等各种齿轮的特点。一、齿轮传动单元2工业机器人的传动系统如图3－2－4，同步带传动是以内壁成齿状的同步带和外周成齿状的同步轮啮合实现传动的机构。如图3－2－5（a)所示，同步带通常是由橡胶、抗拉体和包布制成的。抗拉体在传动中为同步带提供支撑力。根据齿形分类，同步带有梯形齿、圆弧形齿、S型齿和抛物线型齿等类型，最常用的是梯形齿和圆弧形齿，如图3－2－5（b）所示。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统同步带同步轮一般由45#、铝合金等材料制成，再进行相应的表面处理（图3－2－6）。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统

1.同步带传动的特点（1）传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比。（2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低。（3）传动效率高，可达0.98，节能效果明显。（4）维护保养方便，不需润滑，维护费用低。（5）速率比范围大，一般可达10，线速度可达50m/s，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦。（6）可用于长距离传动，中心距可达10m以上。（7）相对于V型带传送，预紧力较小，轴和轴承上所受载荷小。因此，同步带传动被广泛用于纺织、机床、烟草、通讯电缆、轻工、化工、冶金、仪表仪器、食品、矿山、石油、汽车等各行业各种类型的机械传动中，尤其在静音、无尘、干燥的工作环境下具有巨大的优势。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统

2.同步带的失效形式（1）带体疲劳断裂。（2）带齿剪断和压溃。（3）带侧、带齿磨损，包布剥离。（4）承载层伸长、节距增大，形成齿的干涉、爬齿。（5）冲击、过载使带体断裂。（6）带背面裂纹或带变软。（7）运行噪音过大。图3－2－7所示是工业机器人中同步带的应用。二、同步带传动单元2工业机器人的传动系统（一）滚珠丝杠滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的机械机构，是工具机械和精密机械上最常用的传动元件，兼具高精度、可逆性和高效率的特点。由于滚珠丝杠运动时摩擦阻力极小，因此被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠根据钢珠回流方式分为三类，分别是外循环式、内循环式、端盖式。

1.外循环式外循环式滚珠丝杠设计有外部回流管，为钢珠提供循环回路，回流管数量可以为多个，其加工和安装相对容易（图3－2－8）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统

2.内循环式内循环式滚珠丝杠没有外部回流管，钢珠通过回流盖进行循环，每一圈钢珠用一个回流盖，其钢珠的循环路径短，灵敏性高，集成度高，加工成本较高（图3－2－9）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统

3.端盖式循环端盖式滚珠丝杠的回流管位于螺母内，两侧用端盖封闭（图3－2－10）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统滚珠丝杠机构的主要参数有行程、轴径、螺距、珠圈、回流方式、珠卷回流系数、珠径和螺帽形式等。（1）行程：螺母做线性运动的有效行程。（2）轴径：丝杠直径，轴径越大，负载越大。（3）螺距：珠槽螺旋线螺距，螺距越大，速度比越小。大螺距通常用于高速运动的工作，小螺距用于中低速且定位精度较高的工作。（4）珠圈：螺母内回流钢珠与丝杠珠槽的接触圈数。珠圈数越大，负载越大，摩擦力也越大。（5）回流方式：外循环式、内循环式、端盖式。（6）珠卷回流系数：每一个钢珠回流系统中钢珠与丝杠珠槽的接触圈数。一个螺母可能有多个回流系统。（7）珠径：钢珠直径。珠径越大，负载越大，机构的外形尺寸也越大。（8）螺帽形式：螺帽形式指的螺帽外形结构，通常与安装许可情况相关。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统（二）导轨古埃及在修建金字塔时有大量的石材需要搬运，而它们都重达数吨，所以搬运这样的重物是个不小的难题。埃及人用他们的智慧找到了很好的解决方法——在重石的下面垫上可以滚动的圆木，搬运重物就轻松了许多（图3－2－11）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统这样的简易机构演变到今天，人们制造出了摩擦力更小、精度更高的精密滚动机构——线性导轨。导轨机构主要由导轨和滑块组成。滑块内装有滚动体，滚动体的两侧分别与导轨和滑块的滑槽接触产生滑动作用（图3－2－12）。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统根据滚动槽的位置和安装方式不同，导轨的形式也各种各样（图3－2－13）。各种不同形式的导轨在受力上有所区别，根据滚动体的类型可分为滚珠式和滚柱式：常用的导轨机构多为滚珠式，该结构成本低、通用性强；滚柱式成本高但寿命长，承载能力强，多用于高速重载。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统（三）组合应用滚珠丝杠和导轨在组合使用时，丝杠与导轨平行安装，电机驱动丝杠转动，这样运动体就可以在导轨上做线性运动。根据实际需要与安装环境的不同，通常一根丝杠配合一根或两根导轨组合使用。图3215线性模组用于直角坐标机器人如图3－2－14，这种丝杠和导轨组合的结构称为线性模组。几乎大多数直角坐标机器人都是以线性模组作为运动机构，其结构简单，设计限制少，成本相对于其他类机器人较低（图3－2－15），因此是各种工业自动化生产的优良选择。三、丝杠与导轨传动单元2工业机器人的传动系统（一）滚珠花键如图3－2－16所示，滚珠花键结构由花键轴和花键套组成，花键轴是一根表面加工有珠槽的光轴，花键套包括外筒主体、钢珠、保持器、密封侧环。钢珠与花键轴的珠槽和保持器接触，以使花键套在花键轴上做定向线性运动。与导轨相比，滚珠花键结构的载荷较低，长时间使用后，花键轴易弯曲变形。但其结构简单，安装容易，因此，也广泛用于各种工业设备的传动结构。四、丝杠与滚珠花键传动单元2工业机器人的传动系统常用的滚珠花键结构有很多种，常见的一些如图3－2－17所示。滚珠花键的性能参数主要为扭矩：花键轴径越大，扭矩越大；珠槽接触面钢珠数越多，扭矩越大。四、丝杠与滚珠花键传动单元2工业机器人的传动系统（二）丝杠与滚珠花键的应用如图3－2－18所示，四轴Scara机器人的第3、4轴的传动通常用的是滚珠丝杠和滚珠花键。滚珠丝杠被电机驱动旋转，通过滚珠螺母使花键轴在z方向做线性运动。花键套被电机驱动回转，使花键轴做回转运动。四、丝杠与滚珠花键传动单元2工业机器人的传动系统滚珠花键结构除了应用在Scara机器人上以外，还常用在Delta机器人上(图3－2－19）。由于Delta机器人的末端执行器需要在z轴方向运动，还要绕z轴做回转运动，这样的运动需求与Scara机器人第3轴的运动需求是一样的，所以同样需要用到滚珠花键结构。四、丝杠与滚珠花键传动目录单元1工业机器人机械系统概述单元2工业机器人的传动系统单元3工业机器人常用减速机单元3工业机器人常用减速机单元3工业机器人常用减速机行星减速机是通过固定内齿圈驱动太阳轮和行星齿轮组所组成的减速装置，如图3－3－1所示。内齿圈固定安装在减速器箱体内，其中心有一个靠外部动力（电机）所驱动的太阳齿轮，行星齿轮组位于两者之间，它由三颗以上的齿轮在托盘上组合构成。一、行星减速机单元3工业机器人常用减速机若太阳轮齿数为R1，行星轮齿数为R2，内齿圈齿数为R3，则减速比i=R3/R1，且R1+（2×R2）=R3。有时因需要的减速比很大，行星减速机还被设计成多级减速器——将两套或三套行星减速机构串联在一起，以此实现大减速比。多级行星减速机比单级的长度要长一些。从传动方向上分，行星减速机主要有同轴方向和垂直方向两种，如图3－3－2所示。如有特殊方向要求，也可定制。行星减速机因其体积小、传动效率高、减速范围广、精度高等优点，被广泛应用于伺服、步进、直流等传动系统中，在工业机器人中也常被使用。一、行星减速机单元3工业机器人常用减速机

RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，是在一定条件下具有自锁功能的传动机械，也是工业机器人领域应用最广泛的减速机。如图3－3－3所示，摆线针轮减速机由输入轴、偏心轴承、摆线轮、针齿、输出轴组成。输入轴连接偏心轴承内孔，偏心轴承装入偏心轮，当电机驱动时，偏心轴转动并驱动摆线轮，摆线轮再带动输出轴转动，达到减速的目的。二、RV减速机单元3工业机器人常用减速机

RV减速机是先以输入轴按照摆线针轮减速原理驱动摆线轮，再以摆线轮驱动行星齿轮组，齿轮组与输出轴齿啮合，如图3－3－4所示。

RV减速机是在传统针摆行星传动的基础上发展而来，具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点。RV减速机与谐波减速机相比，具有更高的疲劳强度、刚度和寿命，而且回程精度稳定，故越来越多的高精度机器人采用RV减速机。二、RV减速机单元3工业机器人常用减速机谐波减速机主要由内齿刚轮、外齿柔轮、波发生器组成，如图3－3－5所示。工作时，波发生器由驱动设备（电机等）提供动力，转动过程中促使柔轮发生形变，柔轮的外齿与刚轮的内齿依次啮合，驱动刚轮转动，且刚轮齿数大于柔轮齿数，以此达到减速的目的。波发生器为输入轴，刚轮为输出轴。三、谐波减速机单元3工业机器人常用减速机如图3－3－6所示，谐波减速机的内齿刚轮有30个齿，外齿柔轮有28个齿。初始位置时，柔轮的齿a和刚轮的齿A为完全啮合点，即椭圆形波发生器的长径水平（长径端点均是完全啮合位置）。波发生器逆时针转动后，柔轮产生形变，柔轮和刚轮的完全啮合位置也随之转动。当波发生器转动360°时，完全啮合位置又回到初始位置，在此过程中，柔轮的每一对齿都发生过一次完全啮合，即28次。相应地，刚轮也发生过28次完全啮合。由于刚轮有30个齿，也就意味着此时刚轮的齿M与柔轮齿a完全啮合，由此可得出谐波减速机的减速比为15∶1。即：减速比=刚轮齿数∶（刚轮齿数-柔轮齿数）图3－3－6所示结构为内齿刚轮、外齿柔轮、波发生器、钢珠。三、谐波减速机单元3工业机器人常用减速机三、谐波减速机演示完毕谢谢收看工业机器人技术基础模块四工业机器人的控制系统控制系统是工业机器人的重要组成部分，它的机能类似于人脑。工业机器人要与外围设备协调动作，共同完成作业任务，就必须具备一个功能完善、灵敏可靠的控制系统。工业机器人的控制系统总体可分为两大部分：一部分是对其自身运动的控制，另一部分是工业机器人与周边设备的协调控制。工业机器人控制研究的重点是对其自身的控制。目录单元1控制系统认知单元2控制系统的基本功能单元3工业机器人的计算机控制单元1控制系统认知单元1控制系统认知工业机器人控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项目，其中有些项目的控制非常复杂，由此决定了工业机器人控制系统应具备的特点。（一）工业机器人控制系统的特点

1.工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有密不可分的关系，因此，要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间中具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并随基准坐标系的不同而作适当的坐标变换，还要经常求解运动学和动力学问题。

2.描述工业机器人状态和运动的数学模型是非线性模型，随着工业机器人的运动及环境的改变，其参数也在改变。此外，由于工业机器人具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止一个，并且各个变量之间一般都存在耦合问题，这就使得工业机器人的控制系统成为了一个多变量系统。

3.工业机器人的任一位姿都可以通过不同的方式和路径达到，因而工业机器人的控制系统还必须解决优化的问题。一、控制系统的意义单元1控制系统认知（二）工业机器人控制系统的基本要求

1.实现对工业机器人的位置、速度、加速度等参数的控制功能对于连续轨迹运动的工业机器人，还必须具有轨迹的规划与控制功能。

2.方便的人机交互功能操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作业指示，使工业机器人具有作业知识的记忆、修正和工作程序的跳转功能。

3.具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感知功能为使工业机器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应具备对诸如视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量、识别、判断、理解等功能。在自动化生产线中，工业机器人应具有与其他设备交换信息、协调工作的能力。一、控制系统的意义单元1控制系统认知这里所说的软件主要是指控制软件，包括运动轨迹规划算法和关节伺服控制算法及相应的动作程序。控制软件可以用任何语言来编制，但由通用语言模块化编制形成的专用工业机器人语言正成为工业机器人控制软件的主流。工业机器人已成为一门涉及运动学、动力学、传感器技术、精密机械、经典与现代控制理论等多学科领域的综合性学科。随着计算机技术的日益成熟，工业机器人的控制技术将进入到一个全新的领域。二、控制系统的软件结构单元1控制系统认知如图4－1－1所示，工业机器人控制系统的硬件主要由以下几个部分组成。

1.传感装置传感装置可分为内部传感器和外部传感器：内部传感器主要用以检测工业机器人各关节的位置、速度和加速度等，即感知其本身的状态；外部传感器就是所谓的视觉、力觉、触觉、听觉、滑觉等传感器，它们可使工业机器人感知工作环境和工作对象的状态。

2.控制装置控制装置负责处理各种感知信息，产生控制指令，一般由一台微型或小型计算机及相应的接口组成。

3.伺服控制器伺服控制器主要是根据控制装置的指令，按作业任务的要求驱动各关节运动。传感装置控制装置伺服控制图411控制系统硬件结构三、控制系统的硬件结构目录单元1控制系统认知单元2控制系统的基本功能单元3工业机器人的计算机控制单元2控制系统的基本功能单元2控制系统的基本功能工业机器人的运动控制是指在工业机器人的末端执行器由一点移动到另一点的过程中，对其位置、速度和加速度的控制。由于工业机器人末端执行器的位置和姿态是由各关节的运动引起的，所以运动控制实际上是通过控制关节运动实现的。工业机器人关节运动控制一般可分为两步进行：第一步是关节运动伺服指令的生成，即将末端执行器在工作空间的位置和姿态的运动转化为由关节变量表示的时间序列或关节变量随时间变化的函数，这一步可离线完成。第二步是关节运动的伺服控制，即跟踪执行第一步所生成的关节变量伺服指令，这一步是在线完成的。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（一）位置控制工业机器人位置控制的目的是使机器人各关节实现预先规划的运动，最终保证末端执行器运动到预定的位置，其控制结构如图4－2－1所示。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（二）速度控制对工业机器人的运动控制来说，在位置控制的同时还要进行速度控制。例如，在连续轨迹控制方式下，工业机器人按预定的指令控制运动部件的速度并进行加速或减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。为了实现这一要求，机器人的行程要遵循一定的速度变化曲线，如图4－2－2所示。由于工业机器人是一种工作情况（行程负载）多变、惯性负载大的运动机械，要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制启动加速和停止前的减速这两个过渡运动区段。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（三）关节运动伺服指令的生成关节运动伺服指令的生成方法一般有两种：一种是示教方法，另一种是轨迹规划的方法。在示教控制中，当对工业机器人进行示教编程时，每个关节即可产生自身变量随时间的变化序列或连续的函数关系。这些变化关系由工业机器人的内部传感器检测出来并被控制系统的记忆装置所记忆，这个过程的实质就是生成了关节运动伺服指令。当示教重现时，工业机器人的控制系统即可根据记忆的指令实现对各个关节的运动控制。轨迹规划生成方法是指根据作业任务要求的末端执行器在作业流程中的位姿变化轨迹，以及所需的速度、加速度，通过插补计算和运动学逆解等数学方法生成相应的关节运动伺服指令。在进行轨迹规划时，首先要对工业机器人的任务进行描述，并对各个关节的运动轨迹和路径进行描述，然后根据所确定的轨迹参数进行实际计算，即可根据位置、速度和加速度生成运动轨迹。轨迹规划方法随着工业机器人末端执行器位置和姿态的控制方式不同而不同。一般来说，PTP控制方式下的轨迹规划可在关节坐标空间进行，而TCP控制方式下的轨迹规划是在直角坐标空间进行的。一、运动控制单元2控制系统的基本功能（四）关节坐标空间的轨迹规划如果工业机器人的控制过程只考虑其端点而不考虑过程中的位置和姿态，即为PTP控制时，就可用关节空间的规划方法。工业机器人末端执行器的运动是由关节变量直接确定的，所以在关节坐标空间进行规划既节省了时间，又可避免雅可比矩阵奇异时所造成的速度失控。又因为关节坐标空间与直角坐标空间的几何元素不成线性关系，所以关节变量呈线性变化时，直角坐标空间参考点的运动轨迹并不形成直线，因而此方法只适用于对路径无要求的作业，即工业机器人的PTP控制中。关节空间的规划方法是以关节角度的函数来描述工业机器人轨迹的，它不需要在直角坐标系中描述两个端点之间的路径形状，因而具有简单易行的特点。一、运动控制单元2控制系统的基本功能在关节空间中进行轨迹规划，需要给定工业机器人在起始点和终止点的位姿，然后对关节变量进行插值运算，得到关节的运动轨迹。当各结点（起始点、提升点、下放点和终止点）上的位姿、速度和加速度等有要求时，关节的运动轨迹还必须满足一组约束条件，最后可选取不同类型的关节插值函数，生成关节的运动轨迹。三次多项式插值是关节空间的轨迹规划中常用的计算方法，在工业机器人运动的过程中，每个关节对应于起始点的关节角度是已知的，同时，通过对运动学的逆解也可以得到终止点的关节角度，这时对运动轨迹的描述可用起始点的关节角度与终止点的关节角度之间的一个平滑插值函数来表示。一、运动控制单元2控制系统的基本功能人机交互是指人与计算机系统之间的沟通，让信息在彼此之间传递。交互的方式可以是语言、电信号以及其他类型的信息。人机交互的一个重要问题是：不同的对象使用不同的语言，并且表达方式不同，理解方式也不同，存在较大差异。比如，一个只会汉语的人和一个只会英语的人，他们之间无法沟通，因为他们听不懂对方的语言；或是一个学识渊博的学者和一个斗字不识的普通人在知识问题上无法沟通，因为他们的认知不同。操作系统的人机交互功能是决定计算机系统“友善性”的一个重要因素。人机交互功能主要靠可输入输出的外部设备和相应的软件来完成。可供人机交互使用的设备主要有键盘、显示器、鼠标、各种模式识别设备等，与这些设备相应的软件就是操作系统提供人机交互功能的部分。人机交互部分的主要作用是控制有关设备运行、理解并执行通过人机交互设备传来的各种命令和要求。早期的人机交互设施是键盘、显示器，操作员通过键盘键入命令，操作系统接到命令后立即执行并将结果通过显示器显示。键入的命令可以有不同方式，但每一条命令的解释是清楚的、唯一的。随着计算机技术的发展，操作命令越来越多，功能也越来越强。随着语音识别、汉字识别等输入设备的发展，操作员和计算机在类似于自然语言或受限制的自然语言这一级上进行交互成为可能。此外，通过图形进行人机交互的方式也吸引着人们去研究。这些技术可称为智能化的人机交互，有关这方面的研究工作正在积极开展中。二、人机交互单元2控制系统的基本功能工业机器人系统通常是通过示教器完成操作与编程，以及用输入输出信号进行交互，如图4－2－3所示。二、人机交互单元2控制系统的基本功能机器人的通信控制功能主要是指对信号的处理，机器人控制系统可以接收外传感器的输入信号，进而输出信号来控制执行机构，或与其他控制系统之间进行信息的交互。例如，一个由多机器人、传感器、电磁阀、PLC组成的系统，其通信关系如图4－2－4所示。三、通信控制单元2控制系统的基本功能工业机器人厂商通常提供了丰富的I/O通信接口（如标准I/O通信）、与PLC的现场总线通信，还有与PC机的数据通信，从而可轻松地实现与周边设备的通信，如图4－2－5所示。三、通信控制目录单元1控制系统认知单元2控制系统的基本功能单元3工业机器人的计算机控制单元3工业机器人的计算机控制单元3工业机器人的计算机控制随着微型计算机技术的不断发展，现有的工业机器人几乎都采用了计算机控制。由于微型计算机体积小，价格低，可靠性高，灵活性强，易于配置，面向任务的适应性强，能够实现多样化的运算功能，因此很快在工业机器人控制领域占据了主导地位。单元3工业机器人的计算机控制计算机在工业机器人控制中的应用可分成三大类型：管理型、记忆型和运算型。（一）管理型如图4－3－1所示，管理型工业机器人本身就具有运算、驱动和记忆等所必需的控制装置，计算机只是给工业机器人提供动作的种类和时间等，仅起管理者的作用。这种类型的工业机器人是由控制装置进行控制的，故计算机的负荷小，可用一台计算机管理多台工业机器人。目前，这类工业机器人的控制装置也改由微型计算机组成。一、工业机器人计算机控制的分类单元3工业机器人的计算机控制（二）记忆型如图4－3－2所示，记忆型工业机器人的控制装置中，记忆装置被小容量缓存寄存器代替了，因此，必须由计算机对缓存寄存器的内容进行改写、记忆，并由计算机执行控制装置中的记忆机能。这样一来，计算机与工业机器人的结合就更加密切，但计算机负荷还是不大。如用计算机对这类工业机器人进行群体管理，记忆机能可全部由计算机承担，若进一步使用磁盘等记忆存储装置可构成性价比很高的系统。一、工业机器人计算机控制的分类单元3工业机器人的计算机控制（三）运算型如果直接用计算机去控制工业机器人，则这种控制装置就是运算型，如图4－3－3所示。此时，计算机的负荷很大而且已被专用化，且因一台工业机器人就要用一台计算机控制，所以成本很高。随着微型计算机的不断发展，对于这种控制类型的实现也变得十分容易，目前多数工业机器人都属于这一类型。一、工业机器人计算机控制的分类单元3工业机器人的计算机控制微型计算机直接控制工业机器人的例子如图4－3－4所示。图中，定位伺服回路装置通过伺服接口传递位置指令和位置反馈信号。位置指令不是计算机存储记忆数据的简单输出，而是经过插补与坐标变换，根据传感器的输出并对其进行修正之后才完成的。当微型计算机的计算能力不能满足要求时，还可以根据需要附加乘除运算、三角函数运算等辅助运算回路。用微型计算机直接控制工业机器人又分为集中控制与分散控制两种方式。二、微型计算机直接控制工业机器人单元3工业机器人的计算机控制（一）集中控制方式用一台计算机实现全部控制的方式称为集中控制方式，如图4－3－5所示。在这种控制方式中，控制装置的构成比较简单，但必须使用高性能的微型计算机，整个系统造价比较高。二、微型计算机直接控制工业机器人单元3工业机器人的计算机控制（二）分散控制方式由数台微型计算机分担工业机器人控制机能的方式称为分散控制方式，如图4－3－6所示。这种控制方式中，每台微型计算机是比较便宜的，但构成的系统却很复杂。一般采用高档CPU进行大间隔的插补指令值的计算，同时在工业机器人的各关节轴上安装8位CPU进行小间隔的插补运算和伺服系统的处理。在示教盒和小型磁