《工业机器人技术》课件-工业机器人（1）-概述

埃斯顿机器人在生产线装配美国：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具备编程能力的多功能操作机（manipulator）

工业机器人定义日本：一种能够执行与人的上肢类似动作的多功能机器

中国：一种能够自动定位控制、可重复编程的、多功能、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件和夹持工具、用以完成各种作业。

工业机器人--工业机械臂--工业机械手可编程

：工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡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一个重要组成部分。

工业机器人特点拟人化

：工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”通用性：一般工业机器人在执行不同的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。

恶劣工作环境，危险工作

工业机器人应用图1.9燃料自动交换机特殊作业场合

工业机器人应用自动化生产领域工业机器人应用1.焊接机器人

2.材料搬运机器人

3.装配机器人4.喷漆和喷涂5.激光加工机器人6.AGV焊接机器人

埃斯顿焊接机器人2埃斯顿焊接机器人材料搬运机器人

埃斯顿机器人在机床上下料装配机器人

装配机器人

喷涂机器人

埃斯顿机器人在喷涂激光加工机器人

AGV

新松AGV减少劳动力费用；提高生产率；改进产品质量；增加制造过程柔性；减少材料浪费；控制和加快库存的周转；降低生产成本；消除了危险和恶劣的劳动岗位。工业机器人的优势全球现状工业机器人应用现状全球现役工业机器人108万台。过去10年，机器人的价格降低约80%，还在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了50%。机器人应用有两种模式：一种是单台机器人工作单元，另一种是使用机器人的生产线。后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为2000亿美元国内现状工业机器人应用现状我国工业机器人的需求量将以每年30％以上的速度增长。

2012年中国工业机器人销量为2.7万台，同比增长17%，2013年中国市场工业机器人销售总量比2012年增长约36％。中国不仅已经成为世界上最大的机器人市场，也是成长最快的市场。从绝对数量上看，中国的机器人数量仅为日本的18%、德国的35%；在汽车产业，每万名工人中机器人数量只有90台，而日本有1600多台，美国有800多台。工业机器人应用从单台机器人单元向使用机器人的生产线方向发展。一般企业都不具备将机器人集成到生产系统的能力，因此对机器人的需求也就转化为对机器人及其自动化成套装备的需求。国内现状工业机器人应用现状为了扶持本土的机器人产业，国家近两年已出台相关政策，并颁布《关于推进工业机器人产业化发展的指导意见》。上海、浙江、江苏、安徽、福建、重庆、洛阳、广州、芜湖等10省市出台了机器人扶持政策，政策热潮使企业数量激增。截至2014年5月，国内工业机器人企业总量353家，其中做系统集成的占86％，做伺服系统的占5.67％，做控制器的占4.25％，做减速器的占3.68％。机器人与人力成本比较

成本类型类型比较机器人成本人工成本“雇佣”成本3.5万/年4.5万/年“福利”成本7000~10000/年1.5万/年质量损耗很低2万/年生产效率1机器人=3工人成本总计30万（1~2年可收回成本）8万/年

行业从业人员（万）机器人普及率（台/万人）美/德/日/韩等对比（台/万人）机器人需求量（万台）汽车500801104/1175/1710/89545~86电子、电气77011280/255/1200/145020~112食品饮料310-120037化工4302065/105/150/251~6塑料、橡胶35035450/440/580/40014~20金属制品60021135/261/339/3478~21合计(约为总量75%）125~282总需求量167~3762013年国内工业机器人市场需求潜力工业机器人技术参数1.结构形式

2.自由度

3.重复定位精度

4.工作范围

5.最大速度

6.承载能力

7.控制方式

8.驱动方式工业机器人技术参数举例工业机器人技术参数举例三菱装配机器人MovemasterEXRV-M1机械结构五自由度，立式关节式机器人工作空间腰部转动300°（最大角速度120°/秒）肩部转动130°（最大角速度72°/秒）肘部转动110°（最大角速度190°/秒）腕部俯仰±90°（最大角速度100°/秒）腕部翻转±180°（最大角速度163°/秒）臂长上臂250mm前臂160mm承载能力最大1.2kgf（包括手爪）最大线速度1000mm/秒（腕表面）重复定位精度0.3mm（腕旋转中心）驱动系统直流伺服电机机器人重量约19kgf电机功耗J1到J3轴：30W；J4、J5：11W1.结构形式工业机器人技术参数指机器人运动链的形式，包括并联、串联、混合形式，决定了机器人适应的行业。串联机器人就像人的一个手拿东西，而并联机器人就相当于两个手或更多手一起拿东西。

串联机器人研究得较为成熟，具有结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点，缺点是最大速度和刚度较差。已成功应用于很多领域，如各种机床，装配车间等。

并联机器人起步较晚，还有很多理论问题没有解决。但由于并联机器人具有刚度大，承载能力强，精度高，速度高，末端件惯性小等优点，在高速，大承载能力的场合，与串联机器人相比具有明显优势。已有很多成功应用的案例。比如运动模拟器，delta机器人等。但是工作范围小启帆并联机器人视频并联机器人运动模拟平台工业机器人技术参数机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪(末端操作器)的开合自由度。2.自由度工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。例如，ER5-4B-800装配机器人具有四个自由度，可以在印刷电路板上接插电子器件；2.自由度工业机器人技术参数PUMA562机器人具有六个自由度，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。2.自由度工业机器人技术参数肩

基础关节

300度

肩

俯仰

180度

肩

偏航

300度

肘

俯仰

240度

腕

滚动

300度

腕

偏航

200度

腕

俯仰

200度2.七自由度机器人工业机器人技术参数ROBAI视频3.定位精度工业机器人技术参数工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人经过多次循环运动后，到达空间同一位置和姿态的最大误差范围。可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度，即重复度。如图所示。重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令之下，机器人连续重复运动若干次时，其位置的分散情况，是关于精度的统计数据。图1.18工业机器人精度和重复精度的典型情况(a)重复定位精度的测量;(b)合理定位精度,良好重复定位精度;(c)良好定位精度,很差重复定位精度;(d)很差定位精度,良好重复定位精度;4.工作范围工业机器人技术参数

机器人关节的运动范围,工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域,决定了工作空间的大小。因为末端操作器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器时的工作区域。工作空间的大小不仅与机器人各连杆的尺寸有关，而且与机器人的总体结构形式有关。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能到达的作业死区(deadzone)而不能完成任务。图1.19和图1.20所示为PUMA机器人和A4020机器人的工作范围。

5.最大速度工业机器人技术参数最大速度：指机器人关节或末端操作器的最高运动速度，决定了机器人的最大效率。有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的合成速度，对此通常都会在技术参数中加以说明。最大工作速度愈高，其工作效率愈高。6.承载能力工业机器人技术参数

指机器人在一定精度和运动条件下所能承担的最大负载，是决定机器人成本的主要参数。承载能力不仅决定于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。机器人有效负载的大小除受到驱动器功率的限制外，还受到杆件材料极限应力的限制，因而，它又和环境条件（如地心引力）、运动参数（如运动速度、加速度以及它们的方向）有关

7.控制方式工业机器人技术参数指机器人运动控制的方式，如示教再现、点位控制、或轨迹控制，是机器人控制器的基本指标。

8.驱动方式指机器人是采用液压、气动、交流电机或步进电机控制等，目前先进的工业机器人通常采用交流电机驱动。工业机器人技术参数举例工业机器人技术参数举例工业机器人坐标关节坐标型直角坐标型圆柱坐标型球坐标型平面关节型图1.23工业机器人的几种坐标形式1.直角坐标机器人（3P）工业机器人坐标机器人由三个线性关节组成通常还带有附加的旋转关节用来确定末端操作器的姿态。在X、Y、Z轴上的运动是独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此进行计算机控制简单；它可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大；它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。但它的操作范围小，手臂收缩的同时，又向相反的方向伸出，即妨碍工作，且占地面积大，运动速度低，密封性不好。2.圆柱坐标型(R2P)

工业机器人坐标两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。可以绕中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大，且计算简单；直线部分可采用液压驱动，可输出较大的动力；它能够伸入型腔式机器内部，但它的手臂可以到达的空间受到限制，不能到达近立柱或近地面的空间。直线驱动部分难以密封、防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。3.球坐标型(2RP)

工业机器人坐标球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转，在中心支架附近的工作范围大、两个转动驱动装置容易密封、覆盖工作空间较大。但坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。它的工作范围是一个球缺状，4.关节坐标型/拟人型(3R)

工业机器人坐标链式机器人的关节全都是旋转的，类似于人的手臂。工业机器人中最常见的结构。它的工作范围较为复杂。5.平面关节型

工业机器人坐标是关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。如SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)机器人有两个并联的旋转关节，可以使机器人在水平面上运动，此外，再用一个附加的滑动关节做垂直运动。SCARA机器人常用于装配作业，最显著的特点是它们在x-y平面上的运动具有较大的柔性，而沿Z轴具有很强的刚性，所以它具有选择性的柔性。这种机器人在装配作业中获得了较好的应用。工业机器人技术面临的主要问题