《工业机器人基础》课件 项目一 工业机器人的发展与分类认知

工业机器人基础任务一工业机器人的发展史与定义任务三工业机器人的基本组成与主要参数任务二工业机器人的分类010203项目一工业机器人的发展与分类认知机器人的发展史机器人的定义及特点工业机器人的发展史与定义机器人三大定律Robot的起源诞生1.1机器人的发展史010302自20世纪中期以来的现代机器人发展1954，通用机器人专利1959,第一台工业机器人ultimate图1-1Ultimate机器人1.1机器人的发展史1962,第一台圆柱坐标机器人Versatran1967，日本从美国引进机器人技术1972，直角坐标机器人IBMB76561.1机器人的发展史图1-2机器人Versatran图1-3IBM7656型商业直角坐标机器人1974，ABB研发TRB61978，PUMA的推出标志着技术成熟1979，Mccalino等人开启了并联机器人研究1985，并联机器人DELTA1999,ABB推出Flexpicker1.1机器人的发展史图1-4并联机器人Flexpicker1.1机器人的发展史2005，双6轴臂MOTOMANDA20,

7轴MOTOWANIA20图1-5 机器人MOTOMANDA20图1-6机器人MOTOMANIA20图1-8机器人duAro2014，双7轴臂YuMi2015,双腕平面关节型机器人duAro1.1机器人的发展史图1-7机器人YuMi国际主要机器人公司我国机器人发展三阶段现状与差距1.1机器人的发展史定义国际标准化组织美国机器人协会01日本机器人协会0203国家标准041.2机器人的定义及特点2通用性1可编程43拟人性智能化1.2机器人的定义及特点特点工业机器人基础工业机器人的分类按智能程度分类按坐标特征按控制方式按驱动方式按作业任务智能程度分类第一代工业机器人：示教再现机器人，原理为示教——再现(a)手把手示教(b)示教器示教图2-1示教再现机器人智能程度分类第二代工业机器人：感知机器人，实现了“人—机—物”的闭环控制。第三代工业机器人：智能机器人，发展目标。图2-2 配备视觉系统的感知机器人坐标特性分类直角坐标型机器人，x,y,z三个坐标图2-3 直角坐标型机器人(a)示意图(b)实物图坐标特性分类柱面坐标型机器人，x,y,θ三个坐标(a)示意图(b)

实物图图2-4 柱面坐标型机器人坐标特性分类球面坐标型机器人,

r

,

θ

,

β三个坐标平面多关节型机器人,三个以上运动轴(a)示意图(b)实物图图2-5 球面坐标型机器人坐标特性分类平面多关节型机器人垂直多关节型机器人，模拟手臂功能(a)示意图(b)实物图图2-6 垂直多关节型机器人坐标特性分类平面多关节型机器人平面多关节型机器人（SCARA机器人）(a)示意图(b)实物图图2-7 平面多关节型机器人伺服控制机器人非伺服控制机器人控制方式分类拓扑结构分类串联机器人并联机器人混联机器人(a)串联机器人(b)并联机器人(c)混联机器人图2-8按拓扑结构分类串联机器人的特点1）串联机器人一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点；2）结构简单。因其结构简单、易操作、灵活性强、工作空间大等特点而得到广泛的应用；3）运动链较长。串联机器人的不足之处在于运动链较长，系统的刚度和运动精度较低；4）不宜高速操作。串联机器人各手臂的运动惯量相对较大，因而不宜实现高速或超高速操作并联机器人的特点1）

一个轴的运动不影响另一个轴的坐标原点；2）

采用并联闭环结构、机构具有较大的承载能力；3）

动态性能优越，适合高速、高加速场合；4）

并联机构各个关节的误差可以相互抵消，相互弥补，运动精度高。5）

运动空间相对较小。混联机器人的特点1）

具有至少一个并联机构和一个或多个串联机构；2）

既有串联机器人工作空间大、运动灵活的特点，又有并联机器人刚度大、承载能力强的特点；3）

因其精度高的特点，可以高精度、高效率地实现物料的高速分拣，大大地提高效率和准确度；4）

可在大范围工作空间中高速、高效率地完成大型物体地抓取和搬运工作，如码垛机器人。驱动方式分类气压驱动液压驱动电力驱动新型驱动图2-9按驱动类型分类按作业任务分类装配机器人处理机器人喷涂机器人焊接机器人搬运机器人图2-10按作业任务分类工业机器人基础工业机器人的基本组成与主要参数主要参数基本组成0102基本组成第一代工业机器人主要由操作机、控制器、示教器组成，并可细分为六个子系统1-控制器2-操作机3-示教器图3-1-工业机器人系统组成基本组成操作机（机器人本体），主要由机械臂、驱动装置、传动单元、内部传感器等组成图3-2关节型机器人操作机构成基本组成控制器构成基本功能图3-3IRC5控制器的基本构造基本组成示教器数据流关系基本功能图3-4示教时数据流关系主要参数自由度

定义(a)ABBIRB20(b)爱普生LS6-602S图3-5机器人的自由度主要参数自由度

冗余度机器人图3-6冗余度机器人主要参数额定负载

定义载荷图图3-7载荷图主要参数工作空间最大工作速度图3-8ABB-IRB120机器人工作空间图主要参数分辨率

系统分辨率可分为编程分辨率和控制分辨率两部分。1.编程分辨率是程序中可设定的最小距离单位。例如，当电动机旋转0.1°，机器人对应机械臂尖端点移动的直线距离为0.01mm时，其编程分辨率为0.01mm。2.控制分辨率是位置反馈回路能够检测到的最小位移量。例如，若每周(转)1000个脉冲的增量式编码器与电动机同轴安装，则电动机每旋转0.36°，编码器就会发出一个脉冲。而小于0.36°的角度变化无法被检测，因此该系统的控制分辨率为0.36°。显然当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能最优化。主要参数图3-9机器人工作精度主要参数

ＦＡＮＵＣＭ—１０ｉＡ／７Ｌ坐标形式垂直关节型

各轴动作范围（最大单轴速度）Ｊ１３４０°（２３０°／ｓ）轴数（自由度）６轴（６自由度）Ｊ２２５０°（２２５°／ｓ）额定负载７ｋｇＪ３４４７°（２３０°／ｓ）位姿重复性±０．０８ｍｍＪ４３８０°（４３０°／ｓ）工作半径１６３３ｍｍＪ５３８０°（４３０°／ｓ）安装方式落地式、悬挂式Ｊ６７２０°（６３０°／ｓ）

YＡＳＫＡＷＡ—ＭｏｔｏｍａｎＭＡ１４００坐标形式垂直关节型

各轴动作范围（最大单轴速度）Ｊ１３４０°（２３０°／ｓ）轴数（自由度）６轴（６自由度）Ｊ２２４５°（２００°／ｓ）额定负载６ｋｇＪ３４１５°（２３０°／ｓ）位姿重复性±０．０８ｍｍＪ４３００°（４３０°／ｓ）工作半径１４４０ｍｍＪ５２２５°（４３０°／ｓ）安装方式落地式、悬挂式Ｊ６４２０°（６３０°／ｓ）

ＡＢＢＩＲＢ１５２０ＩＤ-４／１．５坐标形式垂直关节型

各轴动作范围（最大单轴速度）轴１３４０°（１３０°／ｓ）轴数（自由度）６轴（６自由度）轴２２４０°（１４０°／ｓ）额定负载４ｋｇ轴３１８０°（１４０°／ｓ）位姿重复性±０．０５ｍｍ轴４３１０°（３２０°／ｓ）工作半径１５００ｍｍ轴５２２５°（３８０°／ｓ）安装方式落地式、悬挂式轴６４００°（４６０°／ｓ）

Ｍｅｄｉａ-ＫｕｋａＫＲ５ａｒｃ

ＨＷ坐标形式垂直关节型

各轴动作范围（最大单轴速度）Ａ１３１０°（１５６°／ｓ）轴数（自由度）６轴（６自由度）Ａ２２４５°（１５６°／ｓ）额定负载５ｋｇＡ３２８０°（２２７°／ｓ）位姿重复性±０．０４ｍｍＡ４３３０°（３９０°／ｓ）工作半径１４２３ｍｍＡ５２８０°（３９０°／ｓ）安装方式落地式、悬挂式Ａ６７２０°（８５８°／ｓ）图3-10四大品牌主要热销产品的性能指标工业机器人基础发展趋势行业应用主要品牌工业机器人的行业发展趋势010302主要品牌我国应用的机器人以日系、欧系、国产为主。厂商标志厂商标志

沈阳新松

哈工大机器人集团

安徽埃夫特

台达集团

南京埃斯顿

北京珞石

广州数控

上海新时达

表4-1国内工业机器人品牌主要品牌阵营厂商国家标志阵营厂商国家标志

四大品牌

ABB

瑞士

其他品牌

三菱

日本

KUKA

德国

爱普生

日本

YASKAWA

日本

雅马哈

日本

FANUC

日本

现代

韩国

四小品牌

松下

日本

克鲁斯

德国

欧地希

日本

柯马

意大利

那智不二越

日本

史陶比尔

瑞士

爱德普

美国

川崎

日本

优傲

丹麦

表4-2国外工业机器人品牌行业应用搬运图4-1搬运机器人行业应用焊接图4-2焊接机器人行业应用喷涂图4-3喷涂机器人行业应用装配图4-4装配机器人行业应用码垛图4-5码垛机器人行业应用打磨(a)机器人持工件(b)机器人持工具图4-6打磨机器人发展趋势标准化与模块化智能化01协作控制0203机器人结构的新构型04工业机器人基础项目二工业机器人机械机构认知12345任务一末端执行器任务二机器人手腕任务三机器人手臂任务五机器人行走机构与传动系统任务四机器人机身末端执行器工业机器人的手部工业机器人的机械本体组成0102工业机器人机械本体组成手部腕部臂部腰部基座关节：是工业机器人各部分间的结合部分，通常为转动和移动两种类型工业机器人手部2末端操作器1手部与手腕连接处可拆卸43通用性差独立部件特点工业机器人手部分类夹持性手部（1）手指结构：V形指,平面指，尖指，特殊指

指面：光滑指面，齿型指面，柔性指面(a)V形指(b)平面指(c)尖指(d)特殊指图1-1夹钳式手的指端工业机器人手部（2）传动结构

①回转型传动结构

图1-2杠杆滑槽式回转型手部图1-3双支点杠杆式回转型手部1-驱动杆2-圆柱销3-铰销4-手指5-V形指6-工件1-指座2-驱动杆3-铰销4-连杆5-圆柱销6-圆柱销7-V形指8-工件工业机器人手部

②平移形回转结构图1-4平行指手爪结构工业机器人手部（3）驱动装置液压，气压，机械等驱动方式图1-6气压驱动原理图图1-5气压驱动实物图工业机器人手部吸附式手部

(1)气吸式手部：①真空吸附②气流负压吸附③挤压排气式吸附

图1-7真空吸附式手部图1-8气流负压吸附式手部1-橡胶吸盘2-固定环3-垫片4-支撑杆5-螺母6-基板1-橡胶吸盘2-心套3-通气螺钉4-支撑杆5-喷嘴6-喷嘴套工业机器人手部

（2）磁吸式手部图1-9磁吸式手部工作原理图1-10磁吸式手部结构1-磁盘2防尘盖3-线圈4-外壳工业机器人手部（3）多指灵巧手图1-11Utah/MIT四指灵巧手工业机器人手部（3）多指灵巧手图1-12具有通用接口的手部图1-12工具快换装置工业机器人基础工业机器人手腕结构设计要求工业机器人手腕分类工业机器人手腕定义工业机器人的手腕010302工业机器人手腕定义手腕：连接手臂和末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态图2-1机器人拧螺钉工业机器人手腕定义腕部旋转运动的三个自由度：偏转，翻转，俯仰图2-2手腕的自由度工业机器人手腕分类按自由度分类单自由度手腕图2-2单自由度手腕工业机器人手腕分类两自由度手腕图2-2两自由度手腕工业机器人手腕分类三自由度手腕图2-3三自由度手腕工业机器人手腕分类按驱动方式分类液压（汽）缸驱动腕部结构图2-4液压缸驱动的腕部结构工业机器人手腕分类机械传动腕部结构图2-4三自由度机械传动的腕部结构手腕结构的设计要求自由度数根据作业需求设计手腕结构的设计要求减少腕部重量和体积，结构力求紧凑手腕结构的设计要求具有标准的联接法兰，结构上便于装卸末端执行器工业机器人基础手臂的分类手臂的特点手臂的作用工业机器人的手臂010302手臂是连接机身与手腕的部件支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动，确定末端执行器位置手臂的作用满足作业空间要求，并将各种载荷传递到机座手臂的特点2～3个自由度，即伸缩、回转、俯仰（或升降）重量大，受力复杂安装在机身上手臂的分类按运动和布局、驱动方式、传动和导向装置分类伸缩型臂部结构

1转动伸缩型臂部2驱伸型臂部结构3机械传动臂部结构4手臂的分类

按手臂的结构形式分类单臂式臂部结构双臂式臂部结构悬挂式臂部结构(a)单臂式(b)双臂式(c)悬挂式图3-1手臂的三种结构形式手臂的分类按手臂的运动形式分类（1）直线运动型臂部结构：手臂的伸缩、升降、横向（纵向）运动。1-双作用液压缸2-活塞杆3-导向杆4-导向套5-支撑座6-手腕回转缸7-手部

图3-2双导向杆手臂的伸缩结构手臂的分类（2）回转运动型臂部结构：手臂的左右回转，上下摆动手臂俯仰运动结构图3-3手臂俯仰驱动缸安装示意图手臂的分类（2）回转运动型臂部结构：手臂的左右回转，上下摆动手臂回转运动结构图3-4手臂回转运动结构手臂的分类

（3）复合运动型臂部结构直线运动与回转运动的组合两个直线运动的组合俩个回转运动的组合工业机器人基础工业机器人的机身机身与臂部的配置形式工业机器人的机身结构0102工业机器人的机身结构由机器人的总体设计决定圆柱坐标机器人：回转、升降两个自由度归属机身球坐标机器人：回转、俯仰两个自由度关节坐标机器人：回转自由度直角坐标机器人：升降或水平移动自由度机身与臂部的配置形式

横梁式机身用于悬挂手臂等部件，运动形式大多为移动式图4-1横梁式机身机身与臂部的配置形式

立柱式多采用俯仰型，回转型或屈伸型的运动形式图4-2立柱式机身机身与臂部的配置形式

机座式适用各种运动形式，可以作为独立自成系统的完整装置图4-3机座式机身机身与臂部的配置形式

屈伸式臂部由大小臂构成，其间有相对运动，称为屈伸臂图4-4屈伸式机身工业机器人基础工业机器人的行走结构与传动系统工业机器人的传动系统工业机器人的行走结构0102工业机器人的行走结构由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成支撑机器人的机身、臂部和手部足够的刚度、稳定性据作业任务的要求，带动机器人在更广阔的空间内运动可移动，可自行定位和自身平衡工业机器人的行走结构

固定轨迹型行走结构图5-1固定轨迹式行走机构工业机器人的行走结构

无固定轨迹型行走结构（1）车轮式行走结构

图5-2感应引导的车轮式行走机器人工业机器人的行走结构（2）履带式行走结构（3）足式行走结构图5-3履带式行走结构工业机器人的行走结构（2）履带式行走结构（3）足式行走结构图5-3履带式行走结构工业机器人基础工业机器人的行走结构与传动系统工业机器人的传动系统工业机器人的行走结构0102工业机器人传动系统工业机器人的运动由驱动器（通过联轴器）带动传动部件（一般是减速器）,再通过关节轴带动杆件运动序号传动方式特点运动形式传动距离应用场合

1

齿轮传动结构紧凑、效率高、寿命长、响应快、扭矩大，瞬时传动比恒定，功率和速度适应范围广，可实现旋转方向的改变和复合传动

转-转

近

腰、腕关节2谐波