现代制造系统第五章 工业机器人及其应用

第一节 机器人的基本知识第二节 位形描述与空间变换第三节 工业机器人的应用第五章 工业机器人及其应用第一节 机器人的基本知识一、机器人的定义二、机器人的分类三、工业机器人的基本结构四、精度和重复定位精度

五、机器人的终端效应器

六、机器人控制系统七、机器人编程八、机器人离线编程与仿真机器人概述••第一台机器人试验样机1954年诞生于美国，机器人产品则问世于20世纪60年代。机器人是机器，但又比一般机器灵活、聪明，有的还具有一定程度的感觉和智能。机器人是一种廉价、高效的“劳动力”，可以代替人在各种环境中工作，外形可以像人，也可以完全不像人，重在其功能，其大规模应用是从工业生产的搬运、喷漆、焊接、装配等方面开始的。机器人是一种高度复杂的自动化装置，综合运用了机械、电子电气、计算机、检测、通信、自动控制、语音和图形图象处理等技术。机器人概述日本的智能机器人“ASIMO”能自主走路、跑步、上下楼梯、踢足球、跳舞、躲避障碍物等，而且还具备较强的“交际”和“接待”能力机器人概述能登台指挥交响乐团能判断人的动作并做出相应的反应，有团队协作能力，较为空闲的Asimo能帮助同伴工作，其视频识别系统还能够更好的判断路径，避免与其他机器人冲突。Asimo机器人升级版一、机器人的定义美国机器人工业协会(RIA)把工业机器人定义为：“是一种可编程的、多功能操作手，用以搬运物料、零件和工具，或通过可变的程序编制可完成多种任务的专用装备。”联合国标准化组织基本上采纳RIA的定义，把工业机器人定义为：“是一种可重复编程和多功能的操作手，用以搬运物料、零件和

工具，或是一种可完成各种任务的可变与编程的专用系统。”根据上述定义，工业机器人可归入可编程自动化系统中。各国对工业机器人的定义在“可编程”、“计算机控制”和“机械装置”三方面的共同点是：工业机器人是一种机械装置，是可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置。它由计算机进行控制，是无人参与的自主自动化控制系统。它是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。二、机器人的分类按机器人的研究开发分类按自动化功能层次分类按机械操作手个数分类按运动自由度分类按坐标系分类按负载能力分类按机械手工作空间(范围)分类按控制原理分类按运动控制特征分类按传动类型分类按定位精度分类按工作类型分类按控制机构分类14.按机器人的用途分类1.按机器人的研究开发分类工业机器人。它是用于代替人的重复操作的自动化机械装备。其基本特征是：机械操作手和运动自由度数，传动系统、控制系统和执行机构形式及工作精度。有人认为，工业机器人是“动物型”的。人工智能机器人。它是侧重于对学习功能和生物其他有利习性仿生的一类正在研究开发中的机器人。其主要特征是有一定的人工智能。2.按自动化功能层次分类操作机器人。通过人的直接操作，能控制完成部分或全部作业的机器人。是俗称的机械手。顺序控制机器人。它能按预定的顺序、定位和条件信息完成规定作业。

(3)示教再现机器人。它在由人示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。数控机器人。它能按输入的顺序、条件、位置等程序信息重复再现程序指令规定的作业。传感控制机器人。它是利用传感器的反馈信息进行控制的机器人。智能机器人。这是一种依赖于识别、学习、推理和适应环境等智能，决定其行动或作业的机器人。自适应控制机器人。这是能自动适应外界环境和系统参数等变化，有自适应控制功能的机器人。学习控制机器人。这是能根据工作作业经验，可进行推理，有自学功能的机器人。3.按机械操作手个数分类这种分类可分为有一个、两个或多个机械操作手的机器人。对于多个手的机器人又可分为三类：①分立传动与控制；②分立传动、关联控制；③集中传动。4.按运动自由度分类(1)无冗余自由度，它包括独立运动自由度数≤6的机器人。

(2)有冗余自由度，它的运动自由度数≥7。5.按坐标系分类(1)笛卡尔坐标型。

(2)极坐标型。(3)圆柱坐标型。

(4)多关节型。6.按负载能力分类(1)超轻型，抓拿持重＜1N。(2)轻型，持重1～100N，动作范围0.1～1m3。(3)中型，持重100～1000N，动作范围1～10m3。(4)重型，持重1000～10000N，动作范围＞10m3。(5)超重型，持重在10000N以上。7.按机械手工作空间(范围)分类平面型。平行六面体型(直角坐标系)。(3)圆柱体型(圆柱坐标系)。球面型(球面坐标系)。上述形式的综合空间(域)。8.按控制原理分类(1)程序控制。

(2)传感器控制。(3)非自适应控制。

(4)自适应控制。

(5)智能控制。9.按运动控制特征分类(1)点位控制。

(2)离散控制。

(3)连续控制。

(4)循环控制。

(5)复合控制。10.按传动类型分类(1)气动。(2)液压传动。

(3)电气传动。

(4)复合传动。11.按定位精度分类按这种方法分类可分为0、1、2、3级。12.按工作类型分类(1)通用型。

(2)防尘型。(3)过热保护型。

(4)防爆型。(5)开发型——水下机器人、宇宙开发机器人、步行机器人、爬壁机器人、微型或小型机器人等。13.按控制机构分类(1)开关型。

(2)伺服型。14.按用途分类按用途划分有工业机器人、农业机器人、医疗机器人、海洋机器人、军用机器人、太空机器人、娱乐机器人、服务机器人、微型机器人等。工业机器人是工业生产用自动化装置，能够在工业生产线中自动完成点焊、弧焊、喷漆、切割、装配、搬运、包装、码垛等作业，广泛应用于机械加工、汽车制造、家用电器生产以及钢铁、化工等行业。14.按用途分类工业机器人的主要特点能高强度地、持久地在各种生产和工作环境中从事单调重复的劳动；对工作环境有很强的适应能力，能代替人在有害和危险场所工作；动作准确性高，可保证产品质量的稳定性；具有很广泛的通用性和独特的柔性，比一般自动化设备有更广的用途，既能满足大批量生产的需要，也可以灵活、迅速地实现多品种、小批量的生产；能显著地提高生产率和大幅度降低产品成本。14.按用途分类图5-1弧焊机器人14.按用途分类图5-2汽车装配机器人14.按用途分类图5-3“红旗”轿车生产线上的机器人14.按用途分类图5-4堆垛机器人14.按用途分类水下机器人海底压力非常大，而且环境恶劣，水下机器人必须具有足够的抗压能力和密封性能，它可以用于沉船打捞、海上救生、光缆铺设，资源勘探和开采等。水下机器人可以分为两大类：一类是有缆水下机器人，母船通过电缆向机器人提供动力，人可以在母船上遥控机器人；另一类是无缆水下机器人，自带能源，能自主潜航和操作，依靠自身的自治能力来完成人赋予的使命。14.按用途分类图5-5美国CURV3型有缆遥控水下机器人14.按用途分类图5-6美国海军研制的无缆水下机器人AUSS14.按用途分类图5-7洛克西德公司的无人水下航行器14.按用途分类图5-8基于GPS的水雷探测机器人14.按用途分类图5-9无缆水下勘探机器人14.按用途分类空间机器人空间机器人是指在大气层内外从事各种作业的机器人，包括在内层

空间进行观测和作业的飞行机器人、各种航天器或空间站使用的机器人、到其他星球上进行探测作业的星球探测机器人等。空间机器人工作在微重力、高真空、超低温、强辐射的环境中，一般要求重量轻、能耗低、可靠性高、抗干扰能力强、功能全、智能程度高。在未来的空间活动中，将有大量的空间加工、生产，装配、实验、维修等工作要依靠空间机器人来完成。14.按用途分类图5-10国际空间站及组装、维修机器人14.按用途分类图5-11美国研制的“Nomad”月球探测机器人14.按用途分类图5-12美国的火星探测机器人14.按用途分类图5-13中国的月球探测车在进行沙漠实验14.按用途分类服务机器人主要有清洁机器人、家用机器人、娱乐机器人、医疗及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、办公及后勤服务机器人、建筑机器人、救灾

机器人、酒店售货及餐厅服务机器人等。智能化是服务机器人发展的主要方向，最先进的智能化技术已经可以让机器人在综合智能方面达到人类3岁婴儿左右的智力水平，某些单项智能则可以接近甚至超过人类，但是要进一步提高综合智能水平却仍然是一个巨大的挑战。14.按用途分类图5-14日本东京大学研制的“HRP-2”服务机器人14.按用途分类图5-15机器人外科手术系统14.按用途分类一种新型假手“盲犬”机器人图5-16康复机器人14.按用途分类图5-17机器人灵巧手14.按用途分类图5-18管道清洗机器人14.按用途分类图5-19清洗玻璃幕墙的机器人14.按用途分类图5-20爬墙机器人14.按用途分类图5-21微型机器人14.按用途分类日本卫视的新闻女主播藤井雅子和她的复制品机器人日本2005世博会上机器人接待员图5-22人形机器人14.按用途分类图5-23日本的骑车机器人14.按用途分类图5-24RoboCup足球机器人14.按用途分类图5-25RoboCup足球机器人（4足组）14.按用途分类图5-26RoboCup足球机器人（类人组）三、工业机器人的基本结构关节与杆件及其运动特征工业机器人的典型结构与关节的运动工作(操作)空间(容积)1.关节与杆件及其运动特征与人的关节相似，工业机器人的关节可使其上的两个零(部)件相对运动——转动或移动。在大多数情况下，工业机器人中一个关节提供一个自由度。未来的机器人可能有多个运动自由度的关节，每个关节连接两个杆件——输入杆件与输出杆件。在机器人运动学研究中，杆件可视为刚性杆。关节设置的目的是，使相连接的输入与输出杆件可在控制下实现相对运动。几乎所有工业机器人所配置的关节都可分别归入以下五类，如图5-27所示。(1)线性关节。

(2)正交关节。(3)回转(转动)关节。

(4)扭转关节。(5)旋转关节。1.关节与杆件及其运动特征图5-27

工业机器人用的五种关节a)线性关节

b)正交关节

c)回转关节d)扭转关节

e)旋转关节图5-28

工业机器人结构示例1—机座

2～4—杆件2′～4′—关节2.工业机器人的典型结构与关节的运动(1)极坐标型立柱／臂结构。

(2)圆柱坐标结构。(3)笛卡尔坐标结构。

(4)关节型结构。

(5)SCARA结构。图5-29

典型工业机器人立柱／臂结构示例a)极坐标型立柱／臂结构(TRL) b)圆柱坐标型立柱／臂组合结构(TLO)

c)笛卡尔坐标型立柱／臂组合结构(LOO) d)关节型结构(TRR)

e)SCARA型结构(VRO)图5-30三自由度手腕的典型结构示例(TRR)3.工作(操作)空间(容积)工作空间(WorkVolume)是指机器人可操作其终端手爪所能包容的空间或操作的空间，有时称之为工作(操作)包络空间。机器人的工作空间由其立柱-臂-腕的关节类型、关节数目、关节与杆件的尺寸和各关节的工作范围等因素确定。工作空间的形状在很大程度上取决于机器人的结构，如极坐标型结构的机器人多是球形工作空间，圆柱坐标机器人则为圆柱型包络面，笛卡尔坐标机器人为矩形的工作空间。四、精度和重复定位精度控制分辨率定位精度重复定位精度1.控制分辨率控制分辨率指的是机器人的操作控制器和定位系统细分关节工作范围(空间)为控制器可以辨识的最近的空间点的距离。这些点称为可寻址点，因为它们表达了机器人根据程序指令可以运动的位置的确定程度。控制分辨率是控制器对关节的位存储能力。2.定位精度定位精度是机器人终端手在给定的工作空间上定位精确度的度量。3.重复定位精度机器人的重复定位精度是其终端手在给定的工作空间上，对目标点重复定位性能的度量。图5-31一维控制分辨率、定位精度和重复定位精度的相互关系五、机器人的终端效应器机器人的终端效应器又称夹持器，指的是为了完成规定作业任务而附加在机器人手腕上的专用装置——工具或手爪。工业机器人所用的手爪有：(1)机械式手爪。

(2)真空手爪。

(3)磁力手爪。

(4)粘附装置。五、机器人的终端效应器图5-32机器人机械手爪示例六、机器人控制系统机器人控制的驱动系统机器人的控制类型1.机器人控制的驱动系统机器人关节由专门形式的执行(拖动)装置驱动，其常用的驱动系统是电力、液压或气动驱动系统。电力驱动系统采用电动机作为关节的拖动装置，如直流伺服电动机、步进电动机或气缸等。液压和气动装置主要用液压缸或气缸实现线性位移，用叶片泵等实现转动角位移。2.机器人的控制类型机器人的控制器可分为以下四类：(1)有限顺序控制。(2)点位(点对点控制)示教再现控制。

(3)连续路径(控制)示教再现控制。

(4)智能控制。2.机器人的控制类型图5-33机器人微机控制器的分层式结构七、机器人编程编程类型示教再现编程的原理、步骤和方法机器人语言及其发展1.编程类型(1)手工设置。主要用于有限顺序控制型机器人上，为控制机器人的运动终点位置，设定极限开关和机械挡块，完成这类机器的编程。其运动顺序由顺序控制装置，如步进开关确定。一般不用常规的编程方法，而靠人进行设置。

(2)示教再现(导引)编程。示教再现，也称为导引。这种编程方法是目前工业机器人中使用最普遍的方法之一。(3)计算机型机器人编程语言。现今几乎所有的工业机器人都以数字计算机作为控制器，并配置兼容的存储装置作为其存储单元。计算机型机器人编程有两种方法，即在线编程法与离线编程法。因为机器人必须运用导引法示教其位置。(4)离线编程。它是一种目前应用有限，但将来会逐步扩大应用的机器人编程方法。导引法和现行编程语言技术的困难是，为了完成编程，机器人必须占用生产时间。离线编程则无须占用生产时间。图5-34典型的机器人示教盒2.示教再现编程的原理、步骤和方法(1)机动引导法。

(2)手工引导法。(1)机动引导法。通常在点位控制的示教再现机器人编程中使用。它用有双态(触发)开关或接触(触摸)按钮的示教盒(图5-34)控制机器人关节的运动。编程员或操作者机动机器人手臂到达要求的位置，按顺序记录下位置。再现时，机器人自动按存入存储器中的顺序和位置重现示教的作业。(2)手工引导法。图5-35

机器人关节控制坐标系a)通用坐标系

b)工具坐标系它主要用于连续路

径控制的示教再现机器

人编程中，其连续路径

不规则，如喷漆的路径。3.机器人语言及其发展机器人文本编程语言的导入，为完成以下功能提供了可能，而这些重要功能不可能由引导编程法完成：(1)加强传感器的能力，包括模拟和数字输入／输出。

(2)改进控制外围设备的输出能力。(3)编制逻辑控制程序的能力超过引导编程法。

(4)计算与数据处理功能与计算机编程语言类似。

(5)与其他计算机系统的通信功能。八、机器人离线编程与仿真图5-36机器作业的PLACE图形仿真第二节 位形描述与空间变换一、位形空间与自由度二、机器人终端效应器与被夹持物件的位形描述一、位形空间与自由度机器人终端效应器的空间位置与姿态(又简称位姿或位形)的集合称为位形空间。按照刚体力学的规定，表达一个自由刚体的位形(姿)应有6个自由度——3个位置(移动)自由度和3个转动(姿态)自由度。操作机多体系统的自由度指的是确定操作机终端效应器位形所必需的独立运动可能自由度数。二、机器人终端效应器与被夹持物件的位形描述一个自由刚体有3个位置自由度、3个形态(姿态)自由度。为描述被终端效应器夹持物件的位形，常用两个坐标系描述。一个坐标系是以机器基础杆件(多用基座)坐标系的坐标描述被夹持物件重心或几何中心(又称形心)在空间的位置。二、机器人终端效应器与被夹持物件的位形描述图5-37

物件位置与形态的描述Oxyz—基础杆件坐标系

—物件上的坐标系O—基座坐标原点

—物件的重心或形心O—物件位置矢量第三节 工业机器人的应用一、机器人应用的特点二、机器人工作单元的设计三、工业机器人的应用一、机器人应用的特点在危险、不安全或有害健康的工作环境中替代人，这是选用工业机器人的重要原因之一。在重复的工作循环中，若工作循环的运动和顺序适于用工业机器人替代人，并获得比人高的重复定位精度和一致性，或可达到高的生产率时，应考虑选用工业机器人。人难于装卸的场合。

(4)多班次作业。在一些生产场合，其生产批量和操作工位变换多，生产班次又长，当人不能适应其变换频度时，应考虑采用可编程机器人完成作业。现有的工业机器人多数没有视觉功能。二、机器人工作单元的设计(1)以机器人为中心的单元。

(2)成行排列的机器人单元。

(3)移动式机器人单元。(4)以工件为中心的机器人单元。二、机器人工作单元的设计图5-38以机器人为中心的工作单元1、2—生产设备图5-39成行排列的机器人工作单元图5-40移动式机器人工作单元图5-41

以工件为中心的机器人工作单元(清华大学，1994)1—侧视摄像机

2—顶视摄像机

3—检测机器人

4—检测工作台5—被检测产品 6—VIM控制器 7—目标检测摄像机 8—中央控制器 9—圆平面检测工作台 10—装配工作台 11—PAM控制器 12—SCARA机器人 13—不合格品中间库 14—零件上料台

15—合格品中间库

16—带力传感器的手爪三、工业机器人的应用(一)工业机器人在物料传输中的应用

(二)工业机器人在加工处理中的应用(三)工业机器人在装配与检验中的主要作业(一)工业机器人在物料传输中的应用物料传送