《工业机器人技术基础》(第1章)

工业机器人

技术基础

第1章工业机器人概述

1.1工业机器人的基础知识

录1.2工业机器人的基本组成与技术参数

CONTENT

1.3工业机器人的典型应用

1掌握工业机器人的定义及特点。

2了解工业机器人的历史与发展。

3掌握在不同分类方式下，工业机器人的结

构与特征。

4掌握工业机器人的基本组成及技术参数。

5了解工业机器人的典型应用。

2.拟人化

工业机器人在机械结构上有类似人的大臂、小臂、手腕、手爪等部分。通过类似

于人类大脑的电脑来控制其运动。此外，智能化工业机器人还有许多“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、声觉传感器等，这些传

感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力

3.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的胃

作业任务时具有较好的通用性，只需更换其末端执行器（手爪、工具等）/八，

便可。及

4.涉及学科广泛网

工业机器人技术实质上是机械学和微电子学的结合一一机电一体化技术。

1.1.2工业机器人的历史与发展趋势

1.工业机器人的历史

1J前芽阶段（20世纪40—50年代）

1954年，美国发明家德沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并申请了专利。

1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫・英格伯格联手制造出世界第一台工业机

器人Unimate（见图1・1）,使工业机器人的历史真正拉开了帷幕。

图1-1Unimate机器人

2J切级阶段（20世纪60—70年代）

1961年，德沃尔的Unimaiion公司为通用汽车生产线安装了第一台用于生产的工

业机器人，它主要用于生产门窗把手、换挡旋钮、灯具和其他汽车内饰用五金件。

1978年，日本山梨大学牧野洋发明SCARA机器人（见图1-2）,该机器人具有

四个轴和四个运动自由度，特别适合于装配工作，如今被广泛应用于汽车工业、电

子产品工业、药品工业和食品工业等领域。

图1-2SCARA机器人

3；迅速发晏阶段（20世纪80—90年代）

1981年，通用汽车公司第一次将CONSIGHT机器视觉系统成功地应用在了一个

恶劣的制造环境中，利用三台工业机器人以每小时1400个的速度分拣出六种不同的

铸件。

1992年，瑞士ABB公司推出开放式控制系统——S4oS4旨在改善对用户至关重

要的两个领域——人机界面和机器人的技术性能。

1994年，Motoman公司（即现在的安川电机）推出的机器人控制系统

MRC,使同步控制两台机器人成为可能。MRC可以从普通PC编辑工业机

器人作业，且具有控制多达21个轴的能力。

4；智能化阶段（21世纪初至今）

2011年，日本发那科公司的R-lOOOiA机器人利用LVC（学习减振装置）对机器人

运动轨迹加以优化，减小了振动，将动作周期缩短约20%,从而实现更高速的动作。

2018年，发那科公司与首选网络公司合作，首次将人工智能应用于其伺服调谐、

工业机器人拾取和热位移补偿等功能上。

©机器人资讯D

ABB公司将在上海建设其全球最先进的机器人工厂，该工厂预计将于

2020年底投入运营。新的上海工厂将采用大量机器学习、数字化和协作解

决方案，使其成为机器人行业中最先进、自动化与柔性化程度最高的工厂,

实现用机器人制造机器人。此外，新的研发中心还将帮助加快人工智能领

域的发展。

2.工业机器人的发展趋势

1）高性能

2）机械结构向模块化、可重构化发展

3）本体结构更新加快

4）控制技术的开放化、PC化和网络化

5）多传感器融合技术的实用化

6）多智能体协调控制技术

泊1视野

1如图1・3所示为国内外知名工业机器人制造公司，其中，瑞上的ABB、德国的

库卡、日本的发那科和安川电机最为著名，并称工业机器人四大家族。工业机器

人四大家族在亚洲市场同样也是举足轻重，更占据中国机器人产业70%以上的市

场份额，儿乎垄断了机器人制造、焊接等高阶领域。

AIIIIKUKAFANUC

COMAU

(a)ABB(瑞士)（b）柯马（意大利）（c）库卡（德国）（d）发那科（日本）

YASKAWASMSUN

（e）安川（日本）（0三菱（日本）1）沈阳新松（中国）

图1-3国内外知名工业机器人制造公司

1.1.3工业机器人的分类

工业机器人按机械结构的不同，可分为串联机器人和并联机器人。串联机器人

的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，其外形如图1-4所示。并联机

器人所采用的并联机构,其一个轴运动不会改变另一个轴的坐标原点，其外形如图

1-5所示。

二”一i

图1-4串联机器人图1-5并联机器人

1）串联机器人

串联机器人的自由度比并联机器人多，通过计篁机控制系统的控制，可实现

复杂的空间作业运动。串联机器人结构简单、易于控制、成本低、运动空间大，

是当前采用最多的工业机器人。

2）并联机器人

并联机器人具有刚度大、结构稳定、运动负荷小等特点。在位置求解上，串

联结构正解容易，但反解十分困难；而并联结构正解困难，反解却十分容易。并

联机器人非常适合高速度、高精度或高负荷的场合。

。机器人资讯1J

将串联机器人和并联机器人有机结合起来的工业机器人，称为混联机

器人。混联机器人既有并联机器人刚度好的优点，又有串联机器人工作范

围大的优点，进一步扩大了机器人的应用范围。.

2.按操作机坐标形式分类

工业机器人按操作机坐标形式的不同，可分为直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、

球坐标机器人和多关节机器人等。

1）直角坐标机器人

直角坐标机器人是指在工业应用中，能够实现自动控制的、可重复编程的、空间上

具有相互垂直关系的三个独立自由度的多用途机器人，其外形及运动空间如图1-6所示。

直角坐标机器人/

控制简单，空间轨迹

易于求解，但是其灵3；

A活性较差，自身占据

（a）外形（b）运动空间

空间较大。J

图1-6直角坐标机器人

2)圆柱坐标机器人

圆柱坐标机器人是指能够形成圆柱坐标系的机器人，它主要由一个旋转机座形成

的转动关节和水平、垂直移动的两个移动关节构成，其外形及运动空间如图1・7所示。

圆柱坐标机器人具有

占地面积小、工作范围大,

末端执行器速度高、控制

简单、运动灵活等优点。

其缺点是工作时，必须有

沿r轴线前后方向的移动

(a)外形

空间，空间利月率低。

图1-7圆柱坐标机器人

3）球坐标机器人

球坐标机器人一般由两个回转关节和一个移动关节构成，其轴线按极坐标配置,

如图1-8所示，R为移动坐标，。为手臂在铅垂面内的摆动角，。为绕手臂支承底座垂

直羯的转动角。球坐标机器人的运动空间为半球面。

球坐标机器人占用

空间小、操作灵活、

工作范围大，但是其

运动学模型较复杂，

难以控制。

图1-8球坐标机器人

4）多关节机器人

多关节机器人又称关节手臂机器人或美节机械手臂，是当今工业领域中最常见的

工业机器人，适合诸多工业领域的机械自动化作业。多关节机器人的摆动方向主要有

铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又分为垂直多关节机器人（见图1-9）和

水平多关节机器人（见图1-10）。

多关节机器人结

构紧凑、工作范围

大，其动作最接近

人的动作，对喷漆、

装配、焊接等作业

具有良好的适应性，

图1-9垂直多关节机器人图1-10水平多关节机器人应用范围十分广泛。

3.按控制方式分类

工业机器人按控制方式的不同，可分为伺服控制机器人和非伺服控制机器人两种。

1）伺服控制机器人

伺服控制机器人的控制方式可分为连续控制和点位（点到点）

控制两种。无论是哪一种控制，都要对位置和速度的信息进行连续

监测，并反馈到与机器人各关节有关的控制系统中,因此各轴都是

闭环控制。闭环控制的应用，使机器人的构件能按照指令，移动到

各轴行程范围内的任何位置。

伺服控制机器人具有以下几个特点:

(1)记忆存储容量较大。

(2)价格贵，可靠性稍差。

(3)机械手端部可按三个不同类型的运动方式移动，即点到点移动、

直线移动和连续轨迹移动。

(4)在机械允许的极限范围内，位置精度可通过调节伺服回路中相应

放大器的增益加以变动。

(5)一般以示教模式进行编程。

(6)机器人几个轴之间的“协同运动”一般可在小型或微型计算机控

制下自动进行。

2）非伺服控制机器人

从控制的角度来看，非伺服控制是最简单的控制形式。这类机器人又称为端点机

器人或开关式机器人。非伺服控制机器人的每个轴只有两个位置，即起始位置与终止

位置。轴开始运动后会一直保持运动，只有当碰到适当的定位挡块才停止运动，运动

过程中没有监测。因此，这类机器人处于开环控制状态。

非伺服控制机器人具有以下几个特点。

；（1）臂的尺寸小且轴的驱动器施加的是满动力，速度相对较大。

；（2）价格低廉，工作稳定，易于操作和维修。

：（3）工作重复性约为±0.254mm,即工作时有能力返回同一点，误差为

।

；±0.254mm。

!（4）在定位和编程方面灵活性有限。

CE2）工业机器人的基本组成与技术参数

工业机器人系统主要由三大部分六个子系统组成，具体如下。

心机械部分：用于实现各种动作，包括机械结构和驱动系统。

+传感部分:

用于感知内部和外部信息，包括感受系统和机器人一

环境交互系统C

十控制部分:用于控制机器人完成各种动作，包括人机交互系统

和控制系统。

|~-1控制部分

人机交互系统

i指令给定装置（示教器）

i与信息桩示装置等

工业机器人的组成系

统之间的关系及其与

工作对象的关系如图

所示。

外内1-11

部部

传传

感感

器器

机械结构系统

末结执行器、腕部、

钟部、机座

I____________________I

工作对象

机器人一环境交互系统

图1-11工业机器人组成系统之间的关系及其与工作对象的关系

1.机械部分

1）机械结构

工业机器人的机械结构又称执行机构或操作机，它是完成工作任务的实体，通常由

杆件和关节组成。机械机构从功能角度区分，可分为末端执行器、腕部、臂部和机座。

2）驱动系统

工业机器人的驱动系统包括驱动器和传动机构两部分,

它们通常安装在机器人的关节部位，与机械结构共同组成

末SUMill

工业机器人的本体，如图1-12所示。

驱动器的驱动方式通常有电动驱动、液压驱动和气动

驱动三种。传动机构通常包括连杆机构、滚珠丝杠、齿

轮系、链、带、谐波减速器和RV减速器等。

图1-12工业机器人机械部分

2.传感部分

1）感受系统

感受系统包括内部检测系统与外部检测系统两部分。内部检测系统的作用是通过各种

检测器，检测执行机构的运动境况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进行比较后，

对执行机构进行调整，以保证其动作符合设计要求。外部检测系统则检测机器人所处环

境、外部物体状态或机器人与外部物体的关系。

2）机器人一环境交互系统

机器人一环境交互系统是实现工业机器人与外部环境设备相互联系和协调

的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接

单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件

存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。

3.控制部分

1）人机交互系统

人机交互系统是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置，如计算机的标

准终端、信息显示板、指令控制台、危险信号报警器等。该系统归纳起来可分为指令给定

装置和信息显示装置两大类。

2）控制系统

通过对工业机器人驱动系统的控制，使执行机构按照规定的要求进行工

作。工业机器人的控制系统一般由控制计算机和伺服控制器组成。控制计算

机不仅发出指令，协调各关节驱动之间的运动，同时要完成编程示教及再现,

在其他环境状态（传感器信息）、工艺要求、外部相关设备（如电焊机）之

间传递信息和协调工作。伺服控制器控制各个关节的驱动器，使各杆按一定

的速度、加速度和位置要求进行运动。

1.2.2工业机器人的技术参数

工业机器人的技术参数是各工业机器人制造商在供货时所提供的技术数据，主要有机器

人的工作范围、自由度、重复定位精度、运动速度和有效负载等。

1.工作范围

工作范围又称工作区域，是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位

置集合，工作范围的形状和大小反映了机器人工作能力的大小。如图1・13所示。

(a)MOTOMANMH3F垂直串联多关节机器人(b)MOTOMANMPP3s水平串联多关节机器人

图1-13工业机器人的工作范围

理解机器人的工作范围时，要注意以下几点:

(1)工业机器人说明书中表示的工作范围通常指的是末端执行器上机械接口坐

标系的原点在空间能到达的范围，即末端执行器端部法兰的中心点在空间所能到达

的范围。

中(2)说明书上提供的工作范围往往要小于运动学意义上的最大空间。

小(3)实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工

作范围的内部也存在着臂端不能到达的区域，这类区域称为空洞或空腔。

2.自由度

自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活

程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。

描述一个物体在三维空间内的位姿需要六个自由度（三个转动自由度和

三个移动自由度）。但是，工业机器人一般为开式连杆系，每个关节运动副

只有一个自由度，因此一般机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的

自由度数目越多，功能就越强。目前工业机器人通常具有4〜6个自由度。当/

机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，

便出现了冗余自由度。冗余度的出现增加了机器人工作的灵活性，但也使控

制变得更加复杂。

3.重复定位精度

定位精度是指工业机器人末端执行器的实际到达位置与目标位置之间的差异，如图1・

14所示。重复定位精度是指工业机器人重复定位其末端执行器于同一目标位置的能力，可

以用标准偏差这个统计量来表示，它用于衡量误差值的密集度（即重复度），如图1・15所

绝对位置

（要到达的理想位置）

机器人实际

到达的位置

图1-14定位精度图1-15重复定位精度

4.运动速度

运动速度影响工业机器人的工作效率和运动周期，它与工业机器人所提取的重力和位

置精度均有密切的关系。运动速度提高，工业机器人所承受的动载荷会增大，所承受的

加减速时的惯性力也会增大，这会影响工业机器人的工作平稳性和位置精度。以目前的

技术水平而言，一般工业机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下，最大回转速

度一般不超过120(°)/So

一般情况下，生产商会在技术参数中标明出厂机器人的最大运动速度。

5.有效负载

有效负载是指工业机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所

能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。若机器人将目标工件从一

个工位搬运到另一个工位，则其工作负荷为工件的重量与机器人末端执行器

的重量之和。目前，工业机器人的负载范围为0.5〜800kg。

表1-1ABB公司IRB1100-4/0.47型机器人部分技术参数

6.工业机器人参数示例

型号IRB1100-4/0.47工作范围0.475m

有效负载4kg机器臂负载0.5kg

轴数量6重复定位精度10.08nun

安装方式任意角度防护等级IP40

集成信号和电源手腕1上8路信号控制器OmniCore

集成以太网1Gbit/s集成气源外臂上4路气源

重量20.5kg机器人底座尺寸160mmx160mni

轴运动运动工作范围轴最大速度

Axis1旋转+230°至-230°460(°)/s

Axis2手臂+113°至-115°380(°)/s