机械基础自动技术 6

第八章工业机器人一、工业机器人的定义

工业机器人是一种在工业环境中使用的、能通过自动控制和可重复编程来执行各种任务(如焊接、装配、喷涂、搬运等)的多关节机械装置或多自由度的机器。

工业环境指工厂、车间、生产线等场所,区别于服务机器人(如家用扫地机器人)、医疗机器人、娱乐机器人等,工业机器人被设计用于替代或辅助人类完成繁重、重复、精密或危险的工作。第一代遥控机械手诞生于1948年美国的阿贡实验室,当时用来对放射性材料进行远距离操作。第一台工业机器人诞生于1956年,是英格尔博格(J.Engelberger)将数字控制技术与机械臂相结合的产物。如今,机器人技术与相关领域融合并快速发展,形成了包括机构学、控制学、传感器、视觉、遥控技术及智能技术在内的机器人学。第一节工业机器人概述二、工业机器人的组成

工业机器人一般由3个部分、6个子系统组成,如图所示。3个部分是机械部分、传感部分和控制部分;6个子系统是驱动系统、机械结构系统、机器人-环境交互系统、感知系统、人-机交互系统和控制系统。第一节工业机器人概述三、工业机器人的分类1.按坐标形式分类

即执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。1）直角坐标机器人优缺点：位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好。但结构庞大，动作范围小，灵活性差。2）圆柱坐标机器人优缺点：位置精度较高，控制简单，避障性好。但结构庞大。第一节工业机器人概述

3）极坐标机器人优缺点：占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，控制简单，避障性好。但存在平衡问题。

4）关节坐标机器人优缺点：工作范围大，动作灵活，避障性好。但位置精度较低，存在平衡问题，控制耦合比较复杂。机器人运动组合第一节工业机器人概述三、工业机器人的分类1.按坐标形式分类1）点位控制(PointtoPoint)机器人其运动为空间点到点之间的直线运动，不涉及两点之间的移动轨迹，只在目标点处控制机器人末端执行器的位置和姿态。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。2）连续轨迹控制（ContinuousPath）机器人其运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人在空间的整个运动过程都要控制，末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态。第一节工业机器人概述三、工业机器人的分类2.按控制方式分类1）人操作机械手：是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的机械手。2）固定程序机器人：按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务的机械手。3）可变程序机器人：它与固定程序机器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。4）程序控制机器人：它的作业任务指令是由计算机程序向机器人提供的，其控制方式与数控机床一样。5）示教再现机器人：能够按照记忆装置存储的信息来复现由人示教的动作。其示教动作可自动地重复执行。6）智能机器人：采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。第一节工业机器人概述三、工业机器人的分类3.按信息输入方式分类四、工业机器人的发展趋势

为应对智能制造的发展需求,未来工业机器人技术的发展趋势呈现如下特征：

1)人机或多机协作化；

2)一体化；3)柔性化；4)大范围作业；

5)智能感知；6)智能大脑；7)人工智能技术；8)智能化。第一节工业机器人概述第二节工业机器人的机械与驱动系统一、机械结构系统

工业机器人机械结构系统包括机械操作臂和末端执行器。机械操作臂由腰关节、肩关节、肘关节和腕关节组成。腰关节、肩关节、肘关节决定了末端执行器在操作空间的位置,腕关节决定了末端执行器在操作空间的姿态。末端执行器是执行作业任务的装置。1.末端执行器根据用途可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具(以多指灵巧手为例)三类。一、机械结构系统1.末端执行器第二节工业机器人的机械与驱动系统

手腕是连接末端执行器和手臂的部件，它的作用是调整或改变端末执行器方位，因此一般由三个独立的回转关节组成。3.机械操作臂机械操作臂的作用是把物料通过末端执行器运送到工作范围内的给定位置上。第二节工业机器人的机械与驱动系统一、机械结构系统2.腕关节4.基座基座是机器人的基础部分,起支承作用,可分为固定式和移动式两类。二、驱动系统1.机械式驱动系统

机械式驱动系统有可靠性高、运行稳定、成本低等优点，但也存在重量大、动作平滑性差和噪声大等缺点。2.液压驱动系统

液压传动的机器人具有很大的抓取能力，可高达上百公斤，油压可达7MPa。第二节工业机器人的机械与驱动系统二、驱动系统3.气压驱动系统气压驱动系统的基本原理与液压式相同,但传递介质是气体。气压驱动的机器人结构简单,动作迅速,价格低廉,但由于空气具有可压缩性,因此工作稳定性差,气源压力一般为0.7MPa,因此抓取力小,只有几公斤到几十公斤。4.电气驱动系统电气驱动是目前机器人采用最多的一种驱动形式。它具有如下特点：

1)可控性:驱动电动机是将控制信号转变为机械运动的部件,可控性非常重要。2)高精度:要精确地使机械运动满足系统的要求,电动机必须具有高精度。

3)可靠性:电动机的可靠性关系到整个机器人的可靠性。4)快速性:在有些系统中,控制指令经常变化,有些变化非常迅速,所以要求电动机能够快速响应。

5)环境适应性:驱动电动机要有良好的环境适应性,往往比一般电动机的环境要求高许多。第二节工业机器人的机械与驱动系统第三节工业机器人感知与控制系统一、感知系统感知系统本质上是一个传感器系统,根据布置的各种传感元件获取周围环境状态信息,对结果进行分析处理后,由控制系统对执行元件下达相应的动作命令。感知系统通常由内部传感器模块和外部传感器模块组成。1.内部传感器内部传感器主要用于检测机器人自身状态参数,并将信息反馈给控制器,形成闭环控制,确保机器人精确、稳定地运行。内部传感器模块通常用于确定和检测机器人在其自身坐标系内的状态位置。1)位置或角度传感器2)速度传感器3)力或力矩传感器4)其他传感器第三节工业机器人感知与控制系统一、感知系统2.外部传感器外部传感器用于机器人本身相对其周围环境的定位,负责检测操作对象和作业环境。外部传感器用于感知外部环境和工作对象的信息,使机器人能够适应复杂多变的环境,完成更高级的任务。

1)视觉传感器2)力或力矩传感器3)接近觉传感器4)触觉传感器

5)其他特殊传感器工业机器人的传感系统是工业机器人从“自动化设备”迈向“智能机器人”的关键所在,也是当前机器人技术创新的核心驱动力之一。第三节工业机器人感知与控制系统二、控制系统1.控制系统概述控制系统负责处理所有信息、做出决策并指挥机器人完成运动。机器人的控制系统主要完成运动控制、任务规划和环境交互三大核心功能。

1)运动控制控制系统需要计算每个关节电动机应该如何转动才能让末端执行器精确、平稳地沿着预定的轨迹运动。2)任务规划

解读用户编写的程序,规划任务的执行流程,例如,控制机器人依次完成“移动到A点→抓取工件→移动到B点→放置工件”等动作。

3)环境交互

处理来自内部和外部传感器(如视觉、力觉)的反馈信息,实现自适应控制。例如,根据力传感器反馈调整打磨力度,或者根据视觉反馈重新定位抓取对象。第三节工业机器人感知与控制系统二、控制系统2.控制系统基本框架机器人控制系统架构的核心思想是“分解与协调”,它将一个复杂的机器人控制任务分解为多个层次,每一层负责不同的功能,下层为上层提供服务,上层向下层发送指令。常见的分层模型是决策层、规划层和伺服控制层三级分层结构,如图所示。第三节工业机器人感知与控制系统二、控制系统2.控制系统基本框架(1)第一层:决策层决策层主要由人机交互界面和主控计算机组成,负责与操作员交互和进行顶层决策,主要实现如下功能。1)任务规划；2)人机交互；3)外部通信。决策层的硬件载体通常是工业计算机或高性能嵌入式处理器。硬件需要处理非实时或软实时任务,决策周期较长(毫秒到秒级)。(2)第二层:规划层规划层负责将决策层的抽象任务命令转化为具体的、可执行的机器人动作序列。主要实现如下功能。1)路径规划；2)运动学与动力学解算；3)插补计算。规划层的硬件载体通常是运动控制卡或高性能的嵌入式处理器(如DSP、ARMCortex-A系列)。硬件需要较强的计算能力,处理周期一般在几毫秒级别,属于软实时或硬实时任务。第三节工业机器人感知与控制系统二、控制系统2.控制系统基本框架(3)第三层:伺服控制层伺服控制层负责最底层的、高精度的电动机控制。主要实现如下功能。1）闭环伺服控制；2)

电流(转矩)控制；

3)

信号采集与处理。伺服驱动器本身就是一个强大的嵌入式系统,内置多环(位置环、速度环、电流环)控制功能。伺服驱动器要求严格的硬实时性,控制周期极短(微秒到毫秒级),要求极高的稳定性和可靠性。第三节工业机器人感知与控制系统二、控制系统3.控制过程示例下面以机器人搬运一个零件过程为例,说明机器人控制系统的三层是如何工作的。

(1)决策层决策层负责接收命令,明确机器人的任务是把一个工件“从P1点抓取,到P2点放下”。

(2)规划层规划层负责完成路径规划、轨迹生成和逆运动学求解。

1)路径规划:决策层规划出机器人从当前位置先到P1点、再到P2点的无碰撞路径(一系列路径点)。

2)轨迹生成:由这些路径点生成一条时间序列上的平滑轨迹(计算每个时刻的理想位置、速度)。

3)逆运动学求解:对于轨迹上的每个点,每隔几毫秒,通过逆运动学计算六个关节各自的目标角度,并将这些连续的目标角度值发送给伺服控制层。

(3)伺服控制层1)每个关节的伺服驱动器接收到来自规划层的目标角度。2)与编码器反馈的实际角度比较,通过PID运算,输出电流驱动电动机旋转。

3)确保电动机快速、准确地稳定在目标角度上。

4)伺服控制层将实际位置、电流、错误报警等信息实时反馈给规划层和决策层,形成反馈控制闭环系统,确保整个系统的状态可知可控。一、智能机器人定义

第四节智能机器人二、智能机器人的功能与分类

智能机器人实现特定功能有感知、处理和执行,这是由智能机器人的硬件系统和软件系统共同协作完成的。软件系统是机器人人工智能技术的主要载体,也是智能机器人的核心。智能机器人系统由指令解释、环境认识、作业计划设计、作业方法决定、作业程序生成与实施、知识库等环节及外部各种传感器和接口等组成,信息的输入、处理、判断、规划必须互相协调,以使机器人选择合适的动作。按作业环境分为三类,依次为设定环境、已知环境和未知环境。按学习能力也可分为三类,依次为无学习能力、内部限定的学习能力和自学能力,将这些类别分别组合,就可得出3×3矩阵状的智能机器人分类。

智能机器人,顾名思义就是由AI(人工智能)程序控制的机器人,机器人成为人工智能程序运行的平台和载体。智能机器人能应对复杂情况、执行复杂任务,但需要人工智能技术的支持。三、智能机器人的关键技术

第四节智能机器人

工业机器人关键技术的发展对提高智能机器人系统的控制性能、人机交互性能和安全可靠性,提升智能机器人任务重构、偏差自适应调整的能力起到了推进作用。在智能制造领域中,工业机器人有三类关键技术,分别为整机技术、部件技术及集成应用技术,如图所示。三、智能机器人的关键技术1.整机技术智能机器人整机技术是将各种子系统(机械、传感、控制、软件等)集成到一个完整、可工作的机器人实体中所需的技术和工程方法。智能机器人整机技术是关于如何让各子系统协同工作,以稳定、可靠、高效地完成特定任务。（1）核心思想智能机器人整机技术的核心思想是智能机器人系统集成与协同,解决智能机器人整机中存在的冲突,以及如何实现协同的问题。

（2）技术层次机器人整机技术可以分为以下几个层次来理解。

1)硬件层:决定了机器人的基本能力边界。

2)软件层:决定了机器人如何思考和行动。

3)整机集成与测试:这是验证整机效果的关键。第四节智能机器人三、智能机器人的关键技术2.部件技术

部件技术是指以研发高性能机器人零部件(含软件)、满足工业机器人关键部件需求为目标的机器人技术。智能机器人的部件技术是构建机器人整机的基础,可以将智能机器人拆解为：

（1）感知与传感部件技术

（2）驱动与执行部件技术（3）能源与动力部件技术（4）计算与处理部件技术

（5）软件与算法部件技术

（6）交互与通信部件技术第四节智能机器人三、智能机器人的关键技术3.集成应用技术

智能机器人的集成应用技术是将机器人本体、感知系统、控制软件及周边辅助设备有机地组合起来,并嵌入到特定的实际工作流程、环境和管理系统中,使机器人能稳定、高效、经济地完成复杂任务的技术总和。

智能机器人集成应用技术包括以下几个核心层面。

(1)核心集成层面

核心集成层面包括硬集成、软集成和工艺集成。

1)硬集成:这是最底层的物理集成,确保机器人能与现实世界进行物理交互。

2)软集成:这是实现智能的关键,让机器人成为企业信息流中的一个环节。

3)工艺集成:将特定行业的工艺要求转化为机器人的精确动作和参数,针对不同材料、不同规格的工件,建立最优的机器人作业参数库。第四节智能机器人三、智能机器人的关键技术3.集成应用技术

(2)关键集成技术

1)系统仿真与离线编程:工程师不需要停止生产线,即可在电脑上模拟机器人的所有动作,提前发现干涉、超限等问题,并直接生成控制程序。

2)机器人集群调度与协同控制:当多个机器人共同完成一个复杂任务时(如汽车生产线),需要中央调度系统指挥它们安全、高效地协同工作,避免碰撞和等待。

3)人机协作技术:设计直观的人机交互界面,如示教器、平板电脑、AR/VR眼镜,让工人能轻松指挥和监控机器人,实现语音控制、手势指挥等自然交互方式,降低使用门槛。

4)数据智能与预测性维护:持续采集机器人的运行数据(电流、温度、振动等),利用大数据和AI分析,预测可能发生的故障,并提前进行维护,最大限度减少意外停机。第四节智能机器人三、智能机器人的关键技术3.集成应用技术(3)典型集成应用场景