《机器人技术应用》 课件 2.2 工业机器人系统组成

第2章工业机器人技术应用教学目标《机器人技术应用》1.掌握机器人的组成和技术参数2.了解机器人的典型应用目录页PAGEOFCONTENT2.1工业机器人典型应用2.2工业机器人典型系统组成2.3工业机器人的技术指标2.2工业机器人典型系统组成以工业机器人为例，一个工业机器人系统，一般由三部分、六个子系统组成。2.2工业机器人典型系统组成1.机械系统机械本体是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。2.2工业机器人典型系统组成1.机械系统工业机器人的机械结构系统由机身、臂部、腕部、手部（末端执行器）四部分组成。2.2工业机器人典型系统组成2.感知系统感知系统由内部传感器模块和外传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中的有意义的信息。智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。2.2工业机器人典型系统组成2.感知系统机器人传感器主要有以下几类：

（1）二维视觉传感器二维视觉传感器主要就是一个摄像头，它可以完成物体运动的检测以及定位等功能，许多智能相机可以配合协调工业机器人的行动路线，根据接收到的信息对机器人的行为进行调整。2.2工业机器人典型系统组成2.感知系统（2）三维视觉传感器三维视觉系统必须具备两个摄像机在不同角度进行拍摄，这样物体的三维模型可以被检测识别出来。相比于二维视觉系统，三维传感器可以更加直观的展现事物。2.2工业机器人典型系统组成2.感知系统（3）力扭矩传感器力扭矩传感器是一种可以让机器人知道力的传感器，可以对机器人手臂上的力进行监控，根据数据分析，对机器人接下来行为作出指导。2.2工业机器人典型系统组成2.感知系统（4）碰撞检测传感器工业机器人最大的要求就是安全，要营造一个安全的工作环境，就必须让机器人识别什么事不安全。一个碰撞传感器的使用，可以让机器人理解自己碰到了什么东西，并且发送一个信号暂停或者停止机器人的运动。2.2工业机器人典型系统组成2.感知系统（5）安全传感器与上面的碰撞检测传感器不同，使用安全传感器可以让工业机器人感觉到周围存在的物体，安全传感器的存在，避免机器人与其他物体发生碰撞。2.2工业机器人典型系统组成2.感知系统（6）其他传感器除了这些还有其他的许多传感器，比如焊接缝隙追踪传感器，要想做好焊接工作，就需要配备一个这样的传感器，还有触觉传感器等。2.2工业机器人典型系统组成3.驱动系统驱动系统主要指驱动机械系统的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电动、液压、气动三种以及把它们结合起来应用的综合系统。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮、谐波传动装置等与机械系统间接相连。2.2工业机器人典型系统组成4.机器人-环境交互系统工业机器人-环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。控制系统根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统；根据控制运动的形式可分为点位控制和轨迹控制。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（1）控制器的发展随着机器人技术的发展，从核心处理器组成结的角度，机器人控制器的发展经历了以下三个阶段：第一阶段：单一处理器，机器人发展初期，控制器使用的核心处理器是单一的，采用的是8位或16位的处理器。由于处理器单一，机器人所有的操作都由这一处理器处理，所以处理效率低下，操作动作缓慢。第二阶段：二级处理器，介于单一处理器和多处理器之间，这时的处理器分为两级，日本早期研制的Motoman机器人控制器就采用这种模式。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（1）控制器的发展第三阶段：多处理器，是目前机器人用的最为广泛的一种处理器结构。多处理器中，同样有分级，一级仍为高级核心处理器，作用与第二阶段的一级处理器差不多；但二级处理器有多个，这种模式的一级处理器与二级处理器通过总线进行数据交换，控制性能和操作速度明显提高，同时功能升级和可扩展空间大大提高。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（1）控制器的发展从控制模式的角度，机器人控制器的发展经历了以下三个阶段：第一阶段：集中式控制，一般是单一处理器的情况下，机器人的所有操作都由同一处理器处理，所有操作都是这一处理器集中控制。第二阶段：主从式控制，至少在有两个处理器的情况下，一个处理器处于上一级，另一个处理器处于下一级的控制。第三阶段：分布式控制，是在有多个处理器的情况下，每个处理器负责一个或几个部件的控制，可以不相互影响，但也要受上一级的调控。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（2）控制器的组成现在机器人控制器架构一般为多处理器分布式的模式，具体来说主要有两种形式：一种是电脑和机器人控制卡操作机器人模式，另一种是嵌入式处理器和实时操作系统自动控制模式，它们基本由下面几个部分组成。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（2）控制器的组成①控制PC或嵌入式处理器：除单独的控制PC外，一般用的是8位或16位单片机，成本较低、技术较成熟；也可以是嵌入式数字信号处理器,如DSP，一般用C语言编程，算法的可塑性强、较灵活。②示教盒：用于对机器人进行轨迹的示教，参数的设定，是人机交互的接口。③存储设备：用于储机器人工作程序和数据的存储设备。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（2）控制器的组成④各种输入输出接口：用于各种信息和数据的输入或输出。⑤传感器：用于机器人的状态的自动检测，以实现实时控制，一般为力学传感器、触觉和视觉传感器。⑥轴控制器：用于完成控制机器人各关节位置、速度和加速度。⑦通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等，包括与网络信息的通信的网络接口。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（3）控制器的功能

①示教功能：示教功能是机器人的首要功能之一，有离线示教（即离线编程），有在线示教，在线示教包括示教盒和导引示教两种。②记忆功能：机器人的发展是建立在计算机发展基础之上的，机器人也有存储器，因而也有记忆功能。③与其他设备通信的功能：机器人能通过已有的各种接口与其他设备进行通信。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（3）控制器的功能④参数设置功能：能设置与操作有关的各种参数。⑤人机对话功能：能通过示教盒、操作面板、显示屏进行人机交互。⑥自我检测功能：能通过各种传感器进行自我检测。⑦自我诊断功能：机器人运行时系统状态监视、故障状态下能进行自我诊断保护。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器在未来的工作和生活中，特别是工业应用中，机器人将被“不知疲倦”地使用去做满足人类的各用事情。因此，机器人需要是高度柔性、高度开放的，具有友好的可编程人机交互界面。示教技术就是能让机器人被编程而能够完成不同任务的技术。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器课堂讨论：视频中，机器人完成这些搬运动作，可以采用哪些示教编程方式?2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器1)示教器的分类①直接示教：可理解成我们常说的手把手教，例如，在使用机器人进行喷涂作业前，需要人工地牵动机器人的手臂进行喷涂作业，相当于先人工给机器人进行示范，以达到示教的目的。在这个过程中，需要选择相关的坐标系以进行位置的标定，这些坐标系有关节坐标系、工具坐标系、用户坐标系和直角坐标系等。特点：操作简单、直接快速，但在有的场合却不能适用，比如当机器人较庞大时，利用机器人进行危险物品操作时，机器人操作的工具较危险时等。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器1)示教器的分类①直接示教当机器人不适合用人工牵动机器人的手臂进行拖拽示教时，可采用编程的方式进行示教再现。首先，由人工观察机器人的作业姿势；然后，人工通过示教盒对作业姿势以及一些其他参数进行设定，使机器人操作的整个过程的数据被记录下来，再通过插补，就完成了机器人的示教了。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器1)示教器的分类②离线编程示教：主要是运用软件进行机器人操作任务的编程，一般可以分为执行编程和任务编程。在进行编程前，常用的图形软件主要是CAD或CAM，用来建立机器人的工作环境模型，再用机器人的编程语言，一般为高级语言对机器人的操作进行编程，最后可以在模拟的环境中进行机器人操作仿真，并进行修正或改善。离线编程示教的整个过程不需要真实的机器人进行操作。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器1)示教器的分类③VR示教：即VirtualReality虚拟现实示教。是虚拟现实技术在机器人示教的方面的应用，整个示教过程比离线编程示教更脱离真实机器人，但由于它是高度虚拟化，相比之下，具有更加形象的操作环境，更加高级的人机接口。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统4、示教器2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器2)主流示教器示教器是机器人的重要组成部分，主流的示教器有世界著名的瑞典ABB，德国KUKA，日本安川机电、FANUC，美国Adept、Miler、S-TROBOtics，意大利COMAU，英国Auto-techRobotics等。2.2工业机器人典型系统组成5.控制系统（4）示教器2)主流示教器①瑞典ABB示教器：由硬件和软件组成，从功能上来说，它是一个独立、且功能完整的计算机，它主要由使动装置、连接器、触摸屏、紧急停止按钮和控制杆组成。②意大利COMAU示教器：多以无线示教器为主，示教盒与机器人本体的控制单元采用像手机一样“配对”的方式连接，方便了机器人直接示教，提高了示教效率。如果是有线连接，该种示教器可以以热插拔的方式与机器人本体的控制器相连接。③日本安川机电示教器：采用位姿示教时，可以采用实际机器人示教的方式，比如直接示教和遥控示教；也可以采用脱离机器人的示教方式，比如离线示教和虚拟现实示教。该类示教器的缺点是无法使机器人作业姿态与路径达到最优，操作过程中还会一定程度上影响到人身安全。