工业机器人技术及编程 课件全套 项目1-9 工业机器人概述 - ABB工业机器人的离线轨迹编程

项目1工业机器人概述项目任务

任务

1.1工业机器人的发展历程、现状及研究趋势工业机器人的定义、特征及应用任务1.2

工业机器人的分类任务1.3任务1.4

工业机器人的组成及技术参数项目分析本项目采用实践导向的教学方法，将理论知识转化为具象认知，规划了以下四个实施任务：1.行业格局调研：调研国内外领先工业机器人企业；2.技术演进脉络梳理：系统梳理工业机器人的发展历程，重点列举各发展阶段具有里程碑意义的代表性类型；3.应用场景归纳：针对不同类型的先进工业机器人，系统整理其在实际生产中特点及典型应用场景。4.性能参数分析：以ABBIRB120工业机器人为研究对象，对关键性能指标（如负载、精度、速度、工作范围等）进行分析。项目目标素质目标1.通过对中国工业机器人的发展历程的介绍，激发学生的自豪感和爱国热情；2.通过对工业机器人未来研究趋势的讲解，提高学生的创新意识及责任意识；3.在对工业机器人的重要技术参数讲解过程中，培养学生精益求精的工匠精神。知识目标1.了解工业机器人的定义、特征、应用；2.了解工业机器人的发展历程和发展趋势；3.掌握工业机器人的分类；4.掌握工业机器人的组成及主要技术参数。能力目标1.通过查询行业报告、参考文献等方式，掌握工业机器人的最新发展动态。2.能够根据工业机器人运动特点，对其进行归类；3.能够根据工业机器人技术参数，判断工业机器人类型是否可以满足任务的需求。任务1.1工业机器人的定义、特征及应用任务引入从汽车制造线上精准焊接的机械臂，到物流仓库中快速分拣的“货架超人”，工业机器人正以惊人的速度重塑现代生产模式。本任务的知识链接部分介绍了工业机器人的定义、特征及应用，阐述了工业机器人的典型应用；任务实施环节通过网络调研国内外先进机器人企业，直观感受前沿技术动态与市场竞争格局，为后续深入学习奠定坚实的认知基础。昆明冶金高等专科学校

1.1.1

机器人的定义1910年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·查培克在他的科幻小说中创造出“机器人”这个词。国际标准化组织（ISO8373:2012）对工业机器人的定义：一种可自动控制、可重新编程的多用途操作装置，可对三个或更多轴进行编程，既可固定安装也可移动工作，适用于工业自动化应用领域。国家标准《GT/T12643-2013机器人与机器人装备词汇》中，对工业机器人的核心定义为：一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机，具备搬运物料、工件或操持工具完成作业的能力。

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1.1.2工业机器人的特征

1.可编程：工业机器人可以根据其工作环境变化的需要编程，是柔性制造系统的重要组成部分。

2.拟人化：工业机器人在机械结构上有类似人的腰部、臂部、腕部等部位，在控制上有类似大脑的控制系统，在感觉方面有类似味觉、视觉的各种传感器。

3.通用性：除专门设计的工业机器人外，一般工业机器人本体在执行不同的操作任务时具有良好的通用性。

4.涉及学科广泛：工业机器人技术涉及机械电子学、控制学、仿生学和计算机学科等多种学科，属于典型的机电一体化技术。昆明冶金高等专科学校

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1.1.3工业机器人的应用1.常见的应用领域有以下几个方面（1）搬运

（2）焊接

（3）装配（4）喷涂

（5）机械加工2.主要的应用场景（1）汽车制造（2）电子制造（3）金属加工与机械制造（4）食品和饮料行业（5）制药行业（6）物流和仓储（7）化工、塑料和橡胶行业（8）航空航天（9）农业和林业（10）能源和采矿昆明冶金高等专科学校

任务实施——梳理国外工业机器人公司昆明冶金高等专科学校

品牌机器人产品应用领域产品优势产品系列埃斯顿自动化工业机器人运动控制系统伺服驱动等汽车、光伏、3C电子、食品、医疗、教育等行业。伺服系统、控制器、减速机；推出“机器人+视觉+工艺包”一站式解决方案。ER系列新松机器人工业机器人移动机器人特种机器人智能制造系统汽车、3C电子、仓储、半导体、能源、国防、医疗、公共服务、教育等行业。控制器、伺服系统、半导体领域、真空洁净机器人、特种机器人。SR系列汇川技术伺服系统控制器工业机器人3C电子、光伏、汽车、机床、医疗、教育、食品等行业。自研伺服电动机、控制器；推出“工控+机器人+视觉”一站式解决方案。IR系列埃夫特智能装备多关节工业机器人SCARA机器人协作机器人行业专用机器人汽车、3C电子、食品、家具等行业。自研控制器、伺服系统、减速器；智能化升级AI视觉喷涂质量检测系统和数字孪生产线调试平台。ER、EP系列任务实施——梳理国内工业机器人公司任务1.2工业机器人的发展历程、现状及研究趋势任务引入随着市场需求的多样化和生产环境的复杂化，传统工业机器人在灵活性、智能化程度以及人机协作能力方面面临新的挑战。因此，深入研究工业机器人的技术发展、应用现状及未来趋势，对于推动制造业转型升级具有重要意义。本任务的知识链接部分回顾了工业机器人的发展历程，剖析了当前面临的机遇与挑战，并对未来研究趋势进行了展望；任务实施阶段通过进一步梳理工业机器人发展历程中重要的技术改革节点，将理论知识转化为清晰的历史脉络图，深刻体会每一次技术飞跃所带来的变革。昆明冶金高等专科学校

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1.2.1工业机器人的发展历程1.国外工业机器人的发展历程（1）萌芽期（二十世纪40～60年代）1959年Unimation公司生产出了世界上第一台工业机器人尤尼梅特（Unimate），1961开始应用在美国通用汽车的生产线上，德沃尔与恩格尔伯格也因此并被誉为“机器人之父”。1962年机器人沃尔萨特兰（Versatran）被研发出来。昆明冶金高等专科学校

（2）发展期（20世纪60～80年代）传感器在工业机器人上开始得以应用，提高了机器人的可操作性。（3）成熟期（20世纪80～90年代)工业机器人生产从“大批量生产自动化”转向“小批量多品种生产自动化”，促使工业机器人向高精度、轻量化、通用化发展。（4）智能阶段（20世纪90年代以后)工业机器人逐渐向智能化方向进展，这类机器人不仅具有视觉、触觉等感知功能，还能通过运用人工智能、模糊控制、神经网络等前沿技术而具备自主学习、自适应能力。昆明冶金高等专科学校

1.2.1工业机器人的发展历程2.国内机器人的发展历程（1）萌芽期（20世纪70年代）1972年沈阳机床厂研发出中国第一台工业机器人（示教再现型），标志着我国机器人的研发进入实质性探索与自主创新的起步阶段。（2）发展期（20世纪80年代）

“七五”期间完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，成功地研制出了一批特种机器人。昆明冶金高等专科学校

（3）成熟期（20世纪90年代）从90年代初期起，我国先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程。在制造行业，工业机器人的数量已经占据了世界第一的位置。（4）高速发展期（21世纪至今）《智能制造发展规划》、《机器人产业发展规划》等文件的出台，极大推动着中国工业机器人产业集群建设。国产企业逐步突破减速器、控制器等技术瓶颈，本土品牌（如埃斯顿、汇川技术等）市占率逐年上升。昆明冶金高等专科学校

1.2.2工业机器人的发展现状1.国外工业机器人的发展现状（1）技术成熟度高

（2）应用领域广泛（3）政策支持力度大

（4）人才培养体系完善2.国内工业机器人的发展现状（1）市场规模与产销量日益增大（2）核心技术与自主创新飞速进展（3）政策驱动与发展机遇（4）应用领域越加广泛（5）面临的挑战：外资品牌仍占据主导地位；稳定性和耐用性与国际领先产品相比仍存在一定差距；人才短缺问题日益凸显。昆明冶金高等专科学校

1.2.3工业机器人的研究趋势1.智能化与自主决策2.人机协作深化3.柔性化与模块化设计4.集群协作系统5.绿色制造技术6.新兴领域应用拓展任务实施——工业机器人发展历程的梳理昆明冶金高等专科学校

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各时间节点内研发出的重要工业机器人类型（1）1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·恩格尔伯格联手制造出第一台工业机器人Unimate（尤尼梅特）。机器人的历史真正拉开了帷幕。（2）1962年美国机器和铸造公司AMF生产了柱坐标型Versatran（沃尔萨特兰）机器人。（3）1969年通用汽车公司安装了首台点焊机器人。（4）1969年挪威Trallfa公司生产了第一台商用喷漆机器人。（5）1969年日本川崎公司生产了第一台日本机器人。（6）1973年德国库卡公司生产了世界第一台6轴机电驱动的机器人。（7）1974年美国辛辛那提米拉克龙公司第一次实现了计算机控制工业机器人T3。（8）1978年，尤尼梅特公司推出PUMA，标志着机器人技术已经成熟。任务1.3工业机器人的分类工业机器人针对不同的作业场景与技术要求，演化出了多样化的形态与功能。正确进行分类是认识、选型和应用工业机器人的第一步。本任务的知识链接部分通过系统阐述三种典型的分类方法，构建了清晰的知识体系；任务实施阶段深入调研并归纳各类工业机器人的代表型号、特点及典型应用，在实践中深化对分类知识的理解与应用。任务引入服务型机器人工业机器人昆明冶金高等专科学校

按照机器人的用途分类：工业机器人、服务机器人、特种机器人和军事机器人1.示教再现机器人

示教再现机器人是第一代机器人，示教再现是指人们利用示教器或手把手对末端执行器进行示教，即将任务的所有动作按一定的顺序和步骤一步一步地完成，工业机器人控制系统将操作过程的信息（动作顺序、速度、加速度、位置、姿态等）存储在工业机器人存储器中，当需要再现操作时，读取存储器中存储的信息即可。昆明冶金高等专科学校

1.3.1按照工业机器人的技术发展水平分类1.3.1按照工业机器人的技术发展水平分类2.感知机器人

感知机器人是第二代机器人，在示教再现机器人的基础上增加了各种传感器，感知机器人与示教再现机器人相比多了感知能力和自适应能力，能够更高效、更精确地完成工作任务。昆明冶金高等专科学校

排爆机器人备视觉系统的机器人1.3.1按照工业机器人的技术发展水平分类3.智能机器人

智能机器人是第三代机器人，不仅具有视觉、触觉等感知功能，还具备识别、推理、规划和决策等智能机制。能够根据环境的变化改变自己的动作和路径，在发生故障时，能够诊断出故障问题并进行自我修复。目前高级的智能机器人虽然具有一定的“智力”，但是不具备情感和意识。机器人下棋智能机器人昆明冶金高等专科学校

1.3.2按照工业机器人的坐标系分类1.直角坐标机器人

直角坐标机器人是指空间上具有相互垂直关系的三个独立自由度（X、Y、Z）的多用途机器人，每个关节都可以在独立的方向直线移动，直角坐标机器人末端执行器的位置由（X、Y、Z）决定。优点：直线运动、重复定位精度高，高速度，刚性强，控制简单，易于构建和编程。缺点：灵活性较差，工作范围较小，自身占据空间较大。1.3.2按照工业机器人的坐标系分类2.圆柱坐标机器人

圆柱坐标机器人（图1-8）是指轴的运动轨迹能够形成圆柱坐标系的机器人。圆柱坐标机器人的自由度由一个转动关节和两个移动关节构成，即沿z轴上下运动，沿r伸缩运动，沿θ回转运动。柱面坐标机器人末端执行器的位置由（z、r、θ）决定。昆明冶金高等专科学校

优点：工作范围较大，速度高、控制简单、运动灵活，承载能力强。缺点：空间利用率低。Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。1.3.2按照工业机器人的坐标系分类3.极坐标机器人（球面坐标机器人）

极坐标工业机器人是一种基于极坐标系设计的机械臂，一般由两个转动关节和一个移动关节构成，其轴线按极坐标配置。极坐标机器人末端执行器的位置由（R、θ、β）决定。优点：占用空间小，易于安装，操作灵活，工作范围大，。缺点：运动学模型较复杂，难以控制。极坐标系机器人适用于需要较大工作范围和复杂运动轨迹的应用场景。昆明冶金高等专科学校

1.3.2按照工业机器人的坐标系分类4.关节机器人关节机器人由多个转动关节组成，具有多维度、多自由度的运动能力。关节机器人通常由多个旋转关节串联而成，一般情况下每个关节都配备一个电动机和一个减速器。多关节型机器人按照关节的构型又可分为垂直多关节型和水平多关节型机器人（SCARA机器人)。昆明冶金高等专科学校

优点：占用空间小，操作灵活且范围大，结构紧凑，工作空间大。缺点：成本高，运动学模型较复杂，难以控制。1.3.3按照工业机器人的机械结构分类

工业机器人按机械结构分类，一般分为串联型机器人和并联型机器人两种，其中串联型又分为垂直串联型和水平串联型。1.垂直串联型机器人

机器人本体由各个关节在垂直方向相互串联形成。垂直串联型工作空间大，能够覆盖较大的操作范围，运动分析相对容易。昆明冶金高等专科学校

1.3.3按照工业机器人的机械结构分类2.水平串联型机器人

水平串联型机器人的手臂由2～3个轴线相互平行的水平旋转关节串联而成，以实现平面定位，整个手臂可通过垂直方向的直线移动轴进行升降运动，SCARA机器人就是典型的水平串联型机器人，一般有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。

水平串联型机器人结构简单、成本低、控制简单，体积小、重复定位精度高、速度快、灵活性高，但承载能力不强，

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1.3.3按照工业机器人的机械结构分类3.并联型机器人

并联型机器人（图1-12）由动平台、静平台和至少两个独立的运动支链构成，具有两个或两个以上自由度。Delta机器人是应用最广泛的并联型机器人。

并联型机器人结构紧凑，刚度高，承载能力大，但工作空间相对较小。昆明冶金高等专科学校

任务1.4工业机器人的组成及技术参数工业机器人的性能是由其硬件组成和技术参数所定义的。掌握这些知识是进行设备选型、系统集成和编程调试的基石。本任务的知识链接详细介绍了工业机器人的基本组成和各项关键性能指标，任务实施部分以江苏汇博机器人技术股份有限公司的HB-JSBC-x1b1+X工业机器人应用编程平台为载体，通过查阅产品资料，梳理ABBIRB120工业机器人的各项性能指标，实现从理论认知到技术辨析的能力提升。昆明冶金高等专科学校

任务引入昆明冶金高等专科学校

1.4.1工业机器人系统的基本组成

工业机器人系统组成通常有两种划分方式：三大部分或者六大系统。三大部分包括机械部分、控制部分、传感部分，六大系统包括机器人本体、驱动系统、控制系统、人机交互系统、传感系统（感知系统）和机器人与环境交互系统，昆明冶金高等专科学校

1.机械部分

机械部分包括机器人本体和驱动系统（某些工业机器人的机械部分还包括传动系统）。机器人本体类似于人的躯干，是机器人执行各种动作和任务的基础；驱动系统类似于人的心脏，用来提供原动力；传动系统类似于人的神经，起传导作用。2.控制部分

控制部分包括控制系统和人机交互系统。控制系统接收来自传感器和其他外部设备的信息，并进行处理和分析，最后向执行器发送指令，控制机器人的运动和行为。示教器是典型的人机交互系统设备。昆明冶金高等专科学校

3.传感部分

机器人传感部分包括传感系统和机器人与环境交互系统。传感系统是机器人与内、外部环境进行交互的重要接口。机器人—环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。昆明冶金高等专科学校

1.4.2工业机器人的技术参数1.关节：机器人手臂的各构件之间发生相对运动的机构。关节决定了机器人的运动范围、精度和灵活性。昆明冶金高等专科学校

2.自由度自由度是指确定工业机器人末端执行器在空间中的位置和姿态时所需要的独立坐标轴运动的数目，一般等于关节数目或者轴的数目，不包括末端执行器的开合自由度。自由度是衡量机器人适应性和灵活性的重要指标。工业机器人常用的自由度数一般不超过5～6个。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.工作空间工作空间是指机器人手腕或者末端执行器端点在一定条件下所能到达空间位置的集合。空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间，而空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。昆明冶金高等专科学校

在工业机器人运动过程中，常常出现奇异点，常见的三种奇异点如图所示：昆明冶金高等专科学校

4.分辨率分辨率是指工业机器人在运动时能够实现的最小移动距离或最小转动角度，分辨率越高，工作精度就可能越好。昆明冶金高等专科学校

5.工作精度

工作精度包括定位精度和重复定位精度两个参数。

定位精度又称为绝对定位精度，是指机器人末端执行器TCP（工具中心点）实际到达位置和目标位置之间的差异。

重复定位精度是指机器人末端执行器TCP重复定位到同一目标位置的差异程度，即在相同的指令下，连续重复多次到达同一位置的分散情况，一般用标准差来表示，它反映了机器人在连续作业中的稳定性。6.工作速度

工作速度是指工业机器人在工作载荷条件下进行匀速运动过程中，机器人末端执行器TCP点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。昆明冶金高等专科学校

7.工作载荷工作载荷是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩、惯性矩来表示。根据承载能力不同工业机器人大致分为：(1)微型机器人—承载能力为1N以下；(2)小型机器人—承载能力不超过105N；(3)中型机器人—承载能力为105—106N；(4)大型机器人承载能力为106—107N；(5)重型机器人—承载能力为107N以上。8.环境适应性环境适应性是指机器人对周围环境的适应能力，包括温度、湿度、粉尘、噪音等因素。昆明冶金高等专科学校

任务实施——ABBIRB120工业机器人相关技术参数的汇编序号项目规格参数1型号IRB1202负载能力3kg3自由度64防护等级IP305重复定位精度0.01mm6

最大动作范围J1轴旋转±165°7J2轴手臂±110°8J3轴手臂+70°～-90°9J4轴手腕±160°10J5轴弯曲±120°11J6轴翻转±400°昆明冶金高等专科学校

任务实施——ABBIRB120工业机器人相关技术参数的汇编序号项目规格参数12

最大动作速度J1轴臂旋转250°/s13J2轴臂前后250°/s14J3轴臂上下250°/s15J4轴腕旋转320°/s16J5轴腕弯曲320°/s17J6轴腕扭转420°/s18工作范围580mm19高度700mm20机器人底座尺寸180mm*180mm21供电电源200-600V，50/60Hz22安装任意角度23本体重量25kg24环境温度（机器人本体）5～45℃昆明冶金高等专科学校

项目二

工业机器人的机械部分

任务

2.1工业机器人本体结构及末端执行器工业机器人本体组成及材料选择任务2.2

工业机器人的驱动系统任务2.3任务2.4

工业机器人的传动部分项目任务项目分析在学习和掌握了工业机器人机械部分相关理论知识的基础上，以埃夫特工业机器人ER3B-C60为对象进行具体的实训操作，具体实施任务如下：1.进行埃夫特ER3B-C60机器人系统的硬件连接；2.进行埃夫特ER3B-C60机器人的安装操作；3.梳理比较三种驱动系统的不同性能；4.梳理埃夫特ER3B-C60机器人各轴的传动方式。项目目标素质目标1.在梳理和比较三种驱动系统的性能时展开小组活动，培养学生的团队合作意识和沟通能力；2.在讲解驱动系统和传感系统时，通过比较国内外的电机和减速器技术，激发学生的爱国热情和创新意识；3.通过对机器人拆装的训练操作，培养学生动手能力和精益求精的工匠精神。知识目标1.认知工业机器人机械结构中主要部件的特点、功能以及本体材料选择的要求；2.掌握工业机器人不同驱动系统的原理及特点；3.掌握工业机器人的传动系统，包括谐波减速器、齿轮等部件的工作原理和优缺点。能力目标1.能够根据现场工业机器人本体识别出各机械部件；2.能够根据工业机器人不同应用场景选用合适的驱动系统；3.能够完成机器人本体的拆装操作。任务2.1工业机器人的本体概述随着工业机器人技术在汽车制造、电子装配、物流分拣等领域的广泛应用，对其本体结构的认知与材料选择的理解是从事工业机器人技术行业的基础技能。在本任务中，知识链接部分首先系统地阐述工业机器人本体结构与材料选型依据，深化理论认知。在任务实施部分对埃夫特机器人进行拆装与硬件连接实践，旨在让学习者将理论知识与实物结构相对应，掌握机器人本体机械与电气连接的实践技能。任务引入ABBIRB120机器人的本体结构图2.1.1工业机器人本体的组成关节机器人是最常见的工业机器人之一,其本体主要由机身、臂部、腕部组成。机身是工业机器人的主体部分，类似于机器人的“躯干”，是连接行走机构和臂部的部件，由臂部运动机构（升降、平移、回转和仰俯运动）、有关的导向装置和支撑部件等组成。机身臂部通常由大臂、小臂和连接件等组成，是连接机身和腕部的部分。腕部通常包含多个关节，以实现灵活的运动，起到支承手部的作用，同时实现所期望的姿态调整。臂部腕部昆明冶金高等专科学校

2.1.2工业机器人本体材料选择不同的工作环境和任务对工业机器人的材料有不同的要求，材料的选择直接决定了机器人的物理性能、化学性能、力学性能以及成本，因此，科学合理地选择材料对机器人整体设计、性能优化及成本具有决定性意义。1.较高的强度工业机器人中的关键零部件，如关节、臂架、传动轴等，对强度的要求比较严格，需要具备极高的强度和刚性。昆明冶金高等专科学校

2.较好的刚度工业机器人结构件通常采用高强度、高刚性的材料，如合金钢、不锈钢、铝合金等，并且关键结构件的设计需要充分考虑受力情况，通过合理的结构布局和截面形状来提高整体刚度。例如，采用箱形结构、工字形结构等能够提高结构件的抗弯刚度和抗扭刚度。昆明冶金高等专科学校

3.轻量化轻量化设计能够减小机器人的运动惯性，提升实时响应速度，并降低运行能耗，是提升机器人性能的重要手段之一，在工业机器人领域中具有极其重要的意义。昆明冶金高等专科学校

4.耐磨性和耐腐蚀性要提高机器人耐磨性和耐腐蚀性，首先要选用耐磨性和耐腐蚀性好的材料，如不锈钢、钛合金、耐磨合金等，其次可以对关键部件进行相应耐磨处理如喷涂耐磨涂层、渗碳淬火等，以及对机器人部件进行防腐处理如喷涂防腐涂层、电镀等。昆明冶金高等专科学校

5.良好的阻尼性能在进行工业机器人设计时，要综合考虑各方面因素确定阻尼大小，因为过小的阻尼可能导致机器人运动不稳定，出现剧烈的振荡；而过大的阻尼则可能使机器人响应过慢，无法满足快速运动的需求。6.低成本在工业机器人制造领域，金属材料因其高强度和耐磨性而占据主导地位，成为机器人结构零部件的首选材料。常用的材料有铸铁、合金钢、不锈钢、铝合金以及钛合金等。复合材料具有高比强度和高比模量，属于优质材料，但价格比较昂贵。另外还有一些场合偶尔会选用一些非金属材料如陶瓷、树脂和尼龙等。昆明冶金高等专科学校

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任务实施——埃夫特工业机器人系统的硬件链接昆明冶金高等专科学校

任务实施——埃夫特工业机器人系统的硬件链接昆明冶金高等专科学校

任务实施——埃夫特工业机器人系统的硬件链接昆明冶金高等专科学校

任务实施——埃夫特工业机器人系统的硬件链接任务2.2工业机器人本体结构及末端执行器昆明冶金高等专科学校

工业机器人的机身与臂部是完成高强度作业和高精度运动的核心部件，直接决定了机器人的负载能力与运动性能。本任务的知识链接部分通过系统剖析工业机器人机身的分类与作用，臂部的结构组成、设计准则与主流配置方式，构建起完整的设计理论框架。在任务实施阶段，通过对埃夫特工业机器人机身核心部件（精密减速器与伺服电机）的安装、调整与连接，掌握工业机器人的装配技术与调试要领。昆明冶金高等专科学校

任务引入2.2.1工业机器人的基座和腰部1.基座工业机器人的基座是整台设备的基础，为机器人提供稳定可靠的支撑，确保机器人在运行过程中的稳定性，保障机器人的末端精度与抗振性能。工业机器人分为固定式机器人和移动式机器人。行走机构按其运动轨迹是否固定又分为固定轨迹式和无固定轨迹式两类。固定轨迹式机器人昆明冶金高等专科学校

固定轨迹式机器人昆明冶金高等专科学校

无固定轨迹式机器人昆明冶金高等专科学校

无固定轨迹式机器人昆明冶金高等专科学校

2.腰部腰部承担着连接基座与大臂、驱动整体回转运动的功能，通常采用高强度铸钢或合金材料整体铸造而成。1.支撑和保护。机身为机器人内部的部件提供支撑，并保护其免受外部环境的损害。2.运动控制。机身内部置有驱动系统的装置，用于控制机器人的运动，包括升降、平移、回转和仰俯运动等动作。3.能源供应。机身通常含有电源和电缆管理系统，用于为机器人提供能源和传输控制信号，以保持其运转。4.坐标参考。机身上可能配备位置传感器或标记点，帮助机器人确定自己在工作空间中的位置和方向，从而准确执行任务。昆明冶金高等专科学校

2.2.2工业机器人的臂部机器人的臂部是机器人的主要执行部件，起着支撑、带动腕部和末端执行器进行运动的关键作用。关节机器人的臂部一般包括大臂和小臂，通常情况下有三个自由度：俯仰运动、伸缩运动和回旋运动。臂部设计的基本要求：（1）良好的刚度（2）良好的导向性。（3）重量和转动惯量要小。（4）运动要平稳、

定位精度要高。昆明冶金高等专科学校

臂部的配置形式：横梁式昆明冶金高等专科学校

臂部的配置形式：立柱式昆明冶金高等专科学校

臂部的配置形式：机座式机座式臂部屈伸式

屈伸式臂部昆明冶金高等专科学校

2.2.3工业机器人的腕部工业机器人的腕部是连接臂部和末端执行器的关键部件，主要作用是在臂部运动的基础上进一步改变或调整末端执行器在空间的姿态，扩大机械手的工作范围和提高机械手的灵活度。腕部三个自由度运动旋转是指腕部绕其自身轴线进行旋转俯仰是指腕部在垂直面内进行上下摆动侧摆是腕部的水平摆动昆明冶金高等专科学校

工业机器人腕部作用：（1）支撑手部。（2）实现多自由度运动。（3）负责位姿控制。库卡工业机器人腕关节皮带传动昆明冶金高等专科学校

工业机器人腕部机构的分类：手腕又有R（翻转）型、B（弯曲）型和T（平移）型单自由度：二自由度：三自由度：昆明冶金高等专科学校

2.2.4工业机器人的末端执行器末端执行器是直接执行任务的装置，安装于机器人的腕部，为了提高机器人末端执行器的操作能力和灵活性，在设计方面往往注重其灵活性和多样性。1.机器人末端执行器的特点（1）末端执行器与腕部可拆卸。（2）末端执行器的通用性较差。昆明冶金高等专科学校

2.末端执行器的分类回转型夹钳式末端执行器当手爪夹紧及松开物体时，手指做回转运动。当被抓物体大小发生变化时，需要调整手爪位置才能保持物体中心位置不变。（1）夹钳式末端执行器。昆明冶金高等专科学校

2.末端执行器的分类平动型夹钳式末端执行器手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，做平动。（1）夹钳式末端执行器。昆明冶金高等专科学校

2.末端执行器的分类（1）夹钳式末端执行器。平移型夹钳式末端执行器当手爪在夹紧和松开物体时，手指做平移运动，并保持夹持中心固定不变。昆明冶金高等专科学校

2.末端执行器的分类（2）吸附式末端执行器气吸附式末端执行器：通过抽空与物体接触平面密封型腔的空气而产生负压真空吸力，从而来抓取和搬运物体的，其结构简单、重量轻，适用于搬表面光滑平整清洁、体积大、重量轻的工件，如冰箱壳体、汽车壳体等。昆明冶金高等专科学校

2.末端执行器的分类（2）吸附式末端执行器磁吸附式末端执行器利用磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附工件的，其结构简洁，无需气源。磁吸附式末端执行器经常被应用在需要吸附和移动金属工件的场合，如，在汽车制造、机械制造、电子制造等行业中，用于吸附和搬运金属零部件。昆明冶金高等专科学校

2.末端执行器的分类（3）专用工具专用工具是为完成特定作业而设计的，工作时由机器人手臂负责将工具精确地移动到指定位置和姿态，并由工具本身的功能完成作业昆明冶金高等专科学校

2.末端执行器的分类（4）仿生物机器人末端执行器仿生物机器人末端执行器是模仿生物的手部结构进行设计的，可完成各种复杂的作业，如装配、抓取等。该类型末端执行器有多个手指，每个手指有多个关节，受力均匀，能够灵活地实现对物体的抓取，满足多种工作需求。昆明冶金高等专科学校

3.末端执行器和腕部之间的连接工具快换装置被广泛应用于工业自动化领域。该装置是安装在机器人腕部（J6轴法兰）与末端执行器之间的高科技“连接器”，能够实现末端执行器的快速自动更换。（1）保障关键能源介质接口的自动连接；（2）增强安全性与可靠性；（3）实现单一机器人的多功能化。昆明冶金高等专科学校

任务2.3工业机器人的驱动系统工业机器人的驱动系统是实现精准运动的“力量之源”，直接决定了机器人的负载、精度与动态性能。在本任务中，知识链接部分系统讲解了电驱动、液压驱动、和气驱动的工作原理与特性；任务实施部分要求借助网络资源，深入收集、比对并梳理三大驱动系统的性能参数与应用案例，从而构建起根据实际需求科学选用驱动方式的综合能力。任务引入2.3.1工业机器人电动驱动工业机器人电动驱动是利用各种电动机产生力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人各种运动的执行机构，其具有体积小、质量小、响应迅速、调速范围宽、起动转矩惯量比大等特点。交流伺服电动机直流伺服电动机步进电机1.常用的电机类型：昆明冶金高等专科学校

工业机器人电动驱动系统原理图2.工业机器人电驱动控制系统结构工业机器人电驱动系统的一般结构包含三个闭环控制：电流环、速度环和位置环。这三个环相互嵌套，共同构成了一个精密的控制体系，确保了工业机器人能够按照预定的轨迹和速度进行精确的运动。昆明冶金高等专科学校

2.3.2工业机器人液压驱动工业机器人液压驱动系统是利用压缩机油来驱动执行机构完成工作任务。液压驱动的主要优势在于动力大、力（或力矩）与惯量比大、结构紧凑、传动过程平稳且响应迅速、能够承受较大的冲击和振动、并具备良好的防爆性能。缺点是需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于承载能力大，惯量大的机器人系统。液压泵电磁换向阀昆明冶金高等专科学校

电液伺服系统的工作原理是通过电传动方式，用电信号来控制相关的液压驱动元作，从而控制液压执行元件,使其跟随电输入信号而动作。机械手手臂伸缩运动的电液伺服系统昆明冶金高等专科学校

2.3.3工业机器人气压驱动工业机器人气压驱动主要是利用压缩空气作为媒介来传递能量和信号的。空压机产生的压缩空气，被气动执行元件转化为机械能，进而驱动执行机构完成各种动作。气压驱动系统结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用，适于在中、小负荷的机器人中采用。但难于实现伺服控制，功率较小，刚度差，噪音大，多用于精度不高的点位控制机器人中。空气压缩机

2.后冷却器

3.油水分离器

4、7.储气罐

5.干燥器

6.过滤器气源系统昆明冶金高等专科学校

气源装置产生一定压缩空气，经压力控制阀后输出一定压力的气体，由方向控制阀决定气体进入气缸左腔或右腔，进而决定执行元件左移或右移。气压驱动回路昆明冶金高等专科学校

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任务实施——三种传动方式的比较任务2.4工业机器人的传动部分昆明冶金高等专科学校

工业机器人的传动系统是连接动力源与执行机构、确保运动精准传递的核心环节。随着高精度装配、高速搬运等应用场景对运动平稳性和定位精度要求不断提升，同步带等传动部件的性能稳定性显得尤为重要。在本任务中，知识链接部分主要阐述了工业机器人传动系统的组成、工作原理以及不同传动机构的特点；在任务实施环节通过对同步带张力的测定实践，让学习者掌握传动系统安装与维护的关键技能，培养现场调试与维护的实际操作能力。昆明冶金高等专科学校

任务引入昆明冶金高等专科学校

工业机器人传动部分是连接动力源和执行部件的关键组件，其主要作用是将动力源的动力传递到机器人的各个关节，从而驱动关节的移动或转动，实现机器人末端执行器的精确定位。根据传动类型输出运动形式的不同，工业机器人的传动部件可以分为两大类：直线传动机构和旋转传动机构。2.4.1直线传动机构直线传动机构是将旋转运动、往复运动或其他形式的输入运动转换为直线运动的机械装置，或直接通过直线驱动实现负载的平移运动。常见的直线传动机构有导轨传动机构、齿轮齿条装置、滚珠丝杠装置等。昆明冶金高等专科学校

1.导轨传动机构导轨传动机构在运动过程中导轨可以起到保证位置精度和导向的作用。导轨通常有五种类型：普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨，其中最常见的是滚动导轨。昆明冶金高等专科学校

2.齿轮齿条装置齿轮齿条装置是直线传动方式之一，它通过齿轮与齿条的相互配合，实现动力的有效传递。齿轮齿条的工作原理基于齿轮的啮合原理。当齿轮与齿条相互配合时，齿轮的每个齿都会与齿条的相应齿槽相啮合，从而有效地传递动力。昆明冶金高等专科学校

3.滚珠丝杠装置滚珠丝杠主要由丝杠、螺母和滚珠三个主要部分组成。滚珠丝杠的工作原理是利用滚珠在丝杠和螺母之间的滚动来实现力的传递和直线运动。当丝杠旋转时，螺母沿着丝杠的螺旋线移动，滚珠在丝杠和螺母之间滚动，将旋转运动转化为直线运动。滚珠的作用是减小摩擦力和磨损，提高传动效率和精度。昆明冶金高等专科学校

2.4.2旋转传动机构旋转传动机构的主要功能是通过特定的传动元件（如齿轮、皮带、链条等）将旋转运动从一个轴传递到另一个轴，同时可能伴随有速度、力矩或运动方向的改变。常见的旋转传动机构有齿轮传动、同步带传动、谐波传动机构等。昆明冶金高等专科学校

1.齿轮传动齿轮传动主要通过两个或多个互相啮合的齿轮来传递动力或转动运动。当一个齿轮（主动齿轮）转动时，通过齿间啮合，使得另一个齿轮（从动齿轮）跟随转动。通过选择合适的齿轮齿数比和模数，可以实现不同的传动效果，如加速传动、减速传动或不变速传动。昆明冶金高等专科学校

齿轮传动具有以下优点：（1）传动功率范围大。齿轮传动适用于不同功率范围的传递，从微小功率到大功率均可满足。（2）效率高。齿轮传动的效率较高，一般可达0.99，这意味着在传递动力时能量损失较小。（3）传动比准确。齿轮传动的传动比恒定，这保证了传动的稳定性和可靠性。（4）使用寿命长。齿轮传动机构设计合理、制造精良的话，使用寿命可达10至20年。（5）结构紧凑。齿轮传动机构体积相对较小，结构紧凑，适用于各种空间有限的场合。同步带传动梯形齿同步带圆弧齿同步带昆明冶金高等专科学校

2.同步带传动同步带传动是通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动的。这种传动方式实现了无滑动的同步传动，即带与带轮之间严格保持同步关系，从而确保了传动比的准确性。同步带传动是一种啮合传动，其传动比i等于主动轮齿数Z2与从动轮齿数Z1的比值。昆明冶金高等专科学校

3.谐波传动机构谐波传动机构通常由三个基本构件组成：波发生器、柔轮和刚轮。当波发生器在柔轮内部旋转时，柔轮受到挤压而产生径向弹性变形。在波发生器的长轴方向，柔轮的外齿与刚轮的内齿完全啮合；而在短轴方向，柔轮的外齿则与刚轮的内齿脱开。随着波发生器的连续旋转，柔轮的外齿将依次啮入和啮出刚轮的内齿，从而实现运动和动力的传递。昆明冶金高等专科学校

谐波传动机构具有以下特点：（1）传动比大。单级谐波减速器传动比可在50~300之间，优选在75~250之间；双级谐波减速器传动比可达3000~60000之间。（2）精度高。谐波减速机在起动或反转时，输出轴瞬时跟动，没有空程，可实现零回差转动。（3）体积小、重量轻。与传动比相当的普通减速器相比，谐波减速机零件数量减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多。（4）传动平稳、噪声小。由于谐波减速机的运动是连续的简谐波形运动，因此传动平稳且噪声小。（5）承载能力大。谐波减速机在传递扭矩的同时，啮合的齿数多，因此承载能力高。昆明冶金高等专科学校

任务实施——埃夫特ER3B-C60机器人各轴传动方式的整理序号轴数关节处传动方式1J1轴底座-转座伺服电机-同步带传动-谐波减速机2J2轴底座部分-大臂部分伺服电机-同步带传动-谐波减速机3J3轴大臂部分-小臂部分伺服电机-同步带传动-谐波减速机4J4轴小臂部分-手腕部分伺服电机-同步带传动-谐波减速机5J5轴手腕体-手腕连接体伺服电机-同步带传动-谐波减速机6J6轴手腕连接体-末端执行器伺服电机-同步带传动-齿轮传动-谐波减速机昆明冶金高等专科学校

项目3工业机器人的控制系统任务3.1任务3.2

工业机器人控制系统主要功能工业机器人控制系统概述项目任务项目分析本项目系统介绍了其控制方式与主要功能，针对关键知识点设置了相应的实训任务。具体任务包括：1.认识ABB控制柜结构与功能：通过查阅资料，了解当前ABB控制柜的主要类型，重点梳理第二代紧凑型控制柜ABBIRC5Compact_2各组成部分的功能。2.完成搬运任务的路径规划：针对物品搬运与摆放的实际应用场景，进行运动路径的规划与设计，提升对机器人运动控制与轨迹优化方法的理解与应用能力。项目目标素质目标1.在任务实施阶段，通过让学生查阅工业控制柜的各种接口功能及和工业机器人本体的连接操作，培养学生的自主学习能力和动手操作能力；2.在任务实施阶段，通过对工业机器人运动路径的规划，培养学生的系统思维能力。知识目标1.理解工业机器人控制系统组成结构及主要功能；2.掌握工业机器人控制系统的不同控制方式；3.理解工业机器人控制系统的示教功能和运动功能。能力目标1.能够完成工业机器人本体和控制柜的硬件连接；2.能够完成工业机器人简单的运动路径规划。任务3.1工业机器人控制系统概述昆明冶金高等专科学校

控制系统相当于工业机器人的“大脑”，控制着工业机器人高效、精准的运动。本任务知识链接部分对控制系统的组成、特点及控制方式进行了系统阐述。任务实施环节通过对ABBIRC5Compact_2控制柜各接口功能的梳理，进一步加深对控制系统和机器人本体关系的理解。任务引入昆明冶金高等专科学校

3.1.1工业机器人控制系统组成结构图3-1

工业机器人控制系统结构工业机器人控制系统通常由控制计算机和伺服控制器组成。昆明冶金高等专科学校

3.1.2工业机器人控制系统的特点工业机器人控制与机构运动学及动力学密切相关变量伺服系统协调工作控制系统承担艰巨任务描述工业机器人状态和运动的数学模型复杂最优化机器人运动路径昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类1.按控制系统对环境的适应程度分类程序控制系统自适应控制系统智能系统2.按计算机结构分类集中式控制主从式控制分布式控制3.按控制对象分类位置控制方式速度控制方式力控制方式昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类1.控制系统按环境的适应程度分为程序控制系统、自适应控制系统和智能系统

（1）程序控制系统：在先进的程序控制系统中，通过精密的算法和指令设定，能够给机器人的每一个自由度施加特定且符合一定规律的控制作用。

基于此，机器人便可以按照预设的路径和姿态，精准地实现所要求的空间轨迹运动。昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类1.控制系统按环境的适应程度分为程序控制系统、自适应控制系统和智能系统

（2）自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。

这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类1.控制系统按环境的适应程度分为程序控制系统、自适应控制系统和智能系统

（3）智能系统：具有独特的运作方式。

它事先无法编制具体的运动程序，而是依靠自身强大的感知与计算能力，在运动过程中实时收集周围的状态信息，并依据这些信息迅速确定相应的控制作用。昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类2.控制系统按计算机结构分为集中式控制、主从式控制和分布式控制。（1）集中式控制系统主要由一台计算机或中央处理器作为核心控制单元，负责整个机器人的所有控制任务和运算处理。系统结构相对简单，易于设计和维护。响应慢、可靠性较低。图3-2

集中式控制系统昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类（2）主从式控制系统采用主、从两级处理器。主CPU实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从CPU实现所有关节的动作控制。该控制系统实时性较好，扩展性较差，维修困难。适用于高精度、高速度控制。图3-3

主从式控制系统昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类（3）分布式控制采用由上位机和下位机。上位机负责整个系统管理及运动学计算、轨迹规划等，下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关节运动。上、下位机通过通信总线相互协调工作。分布式控制系统系统灵活性好，高鲁棒性，强扩展性，响应时间短。图3-4

分布式控制系统昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类（1）位置控制方式

主要是控制机器人末端执行器在空间中的位置，要求精确到达目标点，不考虑运动过程中的速度和力。

位置控制方式有点位控制（PTP）和连续轨迹控制（CP）两种形式。昆明冶金高等专科学校

3.按控制对象分类3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类点位控制昆明冶金高等专科学校

点焊装配搬运昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类连续运行控制昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类焊接喷涂去毛刺昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类（2）速度控制方式昆明冶金高等专科学校

3.1.3工业机器人控制系统的控制方式分类任务实施——ABBIRC5Compact_2各部分功能的梳理图3-7ABBIRC5Compact_2控制柜昆明冶金高等专科学校

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控制柜ABBIRC5Compact_2各部分功能序号名称功能A紧急制动按钮在紧急或危险情况下按下该按钮可以立即停止机器人运动，以保护人员、设备和环境。B电机上电按钮解除紧急制动后，需按下该按钮重新为机器人通电。C解除限位刹车按钮在电机断电的情况下，临时、手动地解除特定机器人轴的刹车，以便于人工移动机器人臂。D电源开关在对控制柜进行断电和通电之间进行切换。EXP0连接总电源，为控制柜通电。FXS2连接编码线，该编码线的另一端插入机器人本体基座上相对应的接口。GXS41连接机器人附加轴编码线，该编码线的另一端插入附加轴对应的接口。HXS1连接动力线，动力线的另一端插入机器人本体基座上相对应的接口。IXS4连接示教器，通过示教器操控工业机器人。J工作模式选择开关通过扭动该开关，可以在机器人的自动、手动和全速手动三种工作模式间进行切换。任务3.2工业机器人控制系统主要功能昆明冶金高等专科学校

工业机器人的精准作业依赖于其控制系统的核心功能，其中示教再现与运动控制是实现复杂任务的基础。本任务的知识链接部分详细解析这两大功能的原理与实现方法。在任务实施环节中，通过对搬运路线进行规划，确定搬运任务中示教点的个数和位置，完成物品搬运和摆放任务。昆明冶金高等专科学校

任务引入工业机器人控制系统的主要功能包括示教再现和运动控制两方面。3.2.1示教再现功能示教再现是一种机器人的编程和控制方式，操作员利用示教器或人工引导机器人末端执行器完成预期动作，机器人控制系统自动记录下这些动作的姿态、位置、速度、加速度、顺序等信息并存储下来，当机器人需要自动运行时，可以按照存储的程序不断重复执行相同的任务。昆明冶金高等专科学校

1.示教再现的分类按示教方式分类手把手示教：操作者直接操作工业机器人示教器示教：操作者通过操纵示教器按控制方式分类点位控制：只关心目标点的位置，定位精度和运动速度。连续轨迹控制：需要精确控制运动轨迹。连续轨迹跟踪精度和运动平稳性。昆明冶金高等专科学校

3.2.1示教再现功能2.示教再现的操作步骤轨迹及位置示教程序存储动作再现昆明冶金高等专科学校

3.2.1示教再现功能1.关节运动伺服指令的生成路径规划：计算出一条最优的运动路径。轨迹规划：确定机器人沿路径运动的具体轨迹。运动学逆解：根据机器人末端执行器的目标位置和姿态，计算出每个关节的角度或位置。控制律设计：设计出合适的控制算法，生成关节运动的伺服指令。2.关节运动伺服指令的执行指令传递：从控制系统的上层模块传递到伺服驱动器的过程。伺服驱动：根据接收到的指令，伺服驱动器驱动关节电动机完成相应的运动。实时反馈与调整：通过传感器实时监测关节的运动状态，将反馈信息传递给控制系统。昆明冶金高等专科学校

3.2.2运动控制功能图3-8物体搬运流程图昆明冶金高等专科学校

任务实施——物体搬运路径规划昆明冶金高等专科学校

任务实施——物体搬运具体步骤装配过程序号具体操作1.中间物品的搬运1手爪从当前位置移动到位置12手爪移动到位置23手爪移动到位置34抓取物品5手爪回到位置16手爪平移到位置47手爪移动到位置58手爪移动到位置69放下物品10手爪回到位置42.左边物品的搬运

11手爪平移到位置712手爪移动到位置813手爪移动到位置914抓取物品15手爪回到位置716手爪平移到位置417手爪移动到位置518手爪移动到位置1019放下物品20手爪回到安全点Home昆明冶金高等专科学校

项目4工业机器人的传感系统任务4.1任务4.2

工业机器人常用传感器介绍工业机器人传感器概述项目任务项目分析在掌握了工业机器人传感系统的理论知识后，为加深对这些理论知识的理解和掌握，需要完成以下两个实操训练。1.以汇博“1+X工业机器人应用编程”平台设备为依托，通过查看设备，收集、查找资料，对该设备上的传感器的种类和功能进行分类整理。2.完成利用视觉模块实现物体拍照，对物体的形状、位置和颜色进行识别的实训内容。项目目标素质目标1.通过介绍我国在机器人传感技术领域的成就，激发和培养学生的爱国热情和民族自豪感；2.在整理对“1+X工业机器人应用编程”考核平台上传感器的种类和功能时，培养学生认真细致及系统化思维能力；3.在任务实施阶段，小组配合完成视觉模块的功能，培养学生的创新思维和团队协作能力。知识目标1.了解传感器的分类；2.了解传感器主要性能指标；3.掌握各种传感器的主要应用。能力目标1.能够根据任务要求选取传感器的种类；2.能够用视觉模块实现物体形状和位置识别。任务4.1

工业机器人传感器概述昆明冶金高等专科学校

工业机器人的精准感知源于各类传感器的协同工作。想要掌握汇博“1+X工业机器人应用编程”设备中传感器的应用，需首先理解其功能、分类及关键性能指标。本任务的知识链接部分系统介绍了传感器的基础理论，任务实施部分通过实地调研该设备的传感器的型号、功能及分类，整理分类报告，从而深化从理论到实践的综合应用能力。昆明冶金高等专科学校

任务引入4.1.1工业机器人传感器组成图4-1

传感器的组成

传感器是一种由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成的测量装置。昆明冶金高等专科学校

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1.根据获取信息的来源不同可以分为内部传感器外部传感器2.根据传感器工作原理的不同可以分为应变式传感器压敏传感器热敏传感器超声波传感器光电传感器磁电式传感器电容式传感器电感式传感器3.根据传感器的功能不同可以分为位置/位移传感器力/扭矩传感器速度传感器温度传感器4.根据工业机器人的感官功能不同可以分为视觉传感器触觉传感器接近觉传感器嗅觉传感器听觉传感器味觉传感器4.1.1工业机器人传感器组成昆明冶金高等专科学校

（1）内部传感器内部传感器主要检测各关节的位移、速度、加速度等运动变量，工业机器人通过对这些状态参数的监控，调整和控制自身的位置、速度、姿态等来顺利完成各项任务。内部传感器通常包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器、力矩传感器等。（2）外部传感器外部传感器主要用于感知机器人所处的外部环境和对象状况，使机器人能够与环境交互，具备自校正和自适应能力。外部传感器通常包括视觉传感器、接近觉传感器、触觉传感器等。1.根据获取信息的来源不同分类昆明冶金高等专科学校

压力传感器：测量物体表面受力的大小，可以用来判断物体硬度或者是否存在。触觉传感器：检测机器人手指与物体接触的情况，通常用于判断接触的存在和强度。滑动传感器：监测对象是否在滑动，对于需要精细操作的机器人特别有用。热敏传感器：测量物体表面的温度，对于需要进行热处理的工业应用尤为重要。粘性传感器：通过测量介质的粘性来感知外部环境，如物体表面的粘性变化。2.根据传感器工作原理的不同分类昆明冶金高等专科学校

超声波传感器：通过发射和接收超声波来测量距离，常用于检测物体位置。光电传感器：通过发射光并检测反射光或散射光来感知物体的存在与否。力敏传感器：其电阻值会随着施加在传感器表面的力的大小而变化，常用于感知轻触或压力。电容式触觉传感器：通过检测物体表面电容的变化来感知接触。振动传感器：检测机器人在操作过程中由于接触而产生的振动。2.根据传感器工作原理的不同分类昆明冶金高等专科学校

（1）位置/位移传感器：主要用于实现工业机器人位置和运动状态监测及控制，常见的位置/位移传感器有光电开关、开关传感器、陀螺仪传感器等。（2）力/扭矩传感器：主要用于实现工业机器人操作中的力量测量和控制，常见的力/扭矩传感器包括压力传感器、力敏传感器、扭矩传感器等。（3）速度传感器：主要用于实时监测工业机器人关节或末端的运动速度，常见的速度传感器包括测速发电机、编码器等。（4）温度传感器：主要用于实现工业机器人对温度的监测和控制，常见的温度传感器包括热敏电阻传感器、热电偶传感器、红外线温度传感器等。3.根据传感器的功能不同分类昆明冶金高等专科学校

（1）视觉传感器：主要用于机器人实现目标物体的定位、跟踪和识别等功能。（2）触觉传感器：检测机器人手指与物体接触的情况，通常用于判断接触的存在和强度。（3）接近觉传感器：检测机器人附近是否有物体，以及物体的大致距离，但并未发生物理接触。（4）嗅觉传感器：用于检测特定气体的化学成分、浓度等，主要利用在化工行业，通常采用气体传感器或者射线传感器。（5）听觉传感器：用于语音交互、通过声音进行故障诊断、感知外部环境等，主要设备是高保真麦克风。（6）味觉传感器：用于对液体化学成分的分析，主要设备有PH计、化学分析仪等。4.根据工业机器人的感官功能分类灵敏度指传感器在稳态下输出变化值与输入变化值之比，即单位输入变化所引起的输出变化量。灵敏度反映了传感器对被测量变化的敏感程度。高灵敏度的传感器能够检测到较小的输入变化，从而更精确地反映被测量的变化情况。精度指传感器的测量输出值与实际被测量值之间的接近程度，通常用误差来表示，误差越小，精度越高。是衡量传感器性能的重要指标之一，直接影响机器人对环境和物体的感知准确性。可以分为绝对精度和相对精度。昆明冶金高等专科学校

4.1.2工业机器人传感器性能指标4.1.2工业机器人传感器性能指标分辨率指传感器在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测量的个数。决定了传感器对被测量变化的最小感知能力，高分辨率的传感器能够检测到更细微的变化。例如，一个位移传感器的分辨率为0.01mm，意味着它能够检测到0.01mm的位移变化。响应时间是传感器的动态特性指标，是指传感器的输入信号变化后，其输出信号随之变化并达到一个稳定值所需要的时间。反映了传感器对输入信号变化的快速反应能力。在工业机器人中，快速响应的传感器能够及时反馈环境变化，使机器人能够快速做出反应，提高操作效率和安全性。昆明冶金高等专科学校

线性度反映传感器输出信号与输入信号之间的线性程度。通常用非线性误差来表示，非线性误差越小，线性度越好。线性度好的传感器在测量过程中具有更稳定的输出特性，便于进行数据处理和校准。重复性指传感器在对输入信号按同一方式进行全量程连续多次测量时，相应测试结果的变化程度。反映了传感器在多次测量同一输入信号时输出结果的一致性。在工业机器人中，重复性好的传感器可以确保机器人在重复操作过程中的一致性和稳定性。昆明冶金高等专科学校

4.1.2工业机器人传感器性能指标抗干扰能力指传感器抵御外界电磁干扰的能力。在工业环境中，传感器可能会受到电磁场、无线电波、静电等干扰，抗干扰能力好的传感器能够在这些干扰下正常工作，输出准确的测量结果。测量范围指被测量的最大允许值和最小允许值之差。决定了传感器能够测量的被测量的大小范围。在工业机器人中，选择合适测量范围的传感器可以确保机器人能够准确地感知其工作环境中的各种变化。昆明冶金高等专科学校

4.1.2工业机器人传感器性能指标任务实施——汇博“1+X工业机器人应用编程”平台中传感器类型图3-7ABBIRC5Compact_2控制柜昆明冶金高等专科学校

任务实施——汇博“1+X工业机器人应用编程”平台中传感器类型昆明冶金高等专科学校

序号所属模块传感器型号及数量功能所属分类1快换装置模块E3Z_D81型号4个检测有无快换装置光电传感器、接近觉传感器、外部传感器2立体仓库模块E3Z_D81型号6个检测有无物料光电传感器、接近觉传感器、外部传感器3上料模块E3Z_D81型号1个检测有无物料光电传感器、接近觉传感器、外部传感器4输送模块E3Z_D81型号2个检测有无物料、物料是否到位光电传感器、接近觉传感器、外部传感器5装配模块CMSG-020感应开关2个检测有无物料光电传感器、接近觉传感器、外部传感器6旋转供料模块E3Z_D81型号2个；BS5-L2M-P型号1个检测物料位置光电传感器、位置传感器、外部传感器7视觉检测模块康耐视Insight2000相机识别物料形状、颜色、位置视觉传感器、外部传感器任务4.2

工业机器人常用传感器介绍昆明冶金高等专科学校

工业机器人的环境感知与智能作业离不开传感器系统的支持。本任务中的知识链接部分系统介绍了位置、速度、力/力、接近觉及视觉传感器的原理与应用，任务实施部分借助汇博“1+X工业机器人应用编程”平台的视觉模块，完成图像采集与特征识别，全面提升从理论到应用的系统能力。。昆明冶金高等专科学校

任务引入昆明冶金高等专科学校

工业机器人的常用传感器位置传感器电位器光电编码器速度传感器测速发电动机增量式光电编码器力/力矩传感器位置/位移传感器力/扭矩传感器速度传感器温度传感器接近觉传感器光电传感器超声波传感器电容式传感器电感式传感器红外传感器4.2.1位置传感器功能检测物体位置并将其转换为可用输出信号。分类电位器、光电编码器、电容式位置传感器、超声波位置传感器、激光测距传感器等。测量机器人各关节的位置和角度，为机器人的运动控制提供精确的反馈信息。应用昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——直线型电位器基本功能把机械的直线位移或角位移输入转换成与其成特定函数关系的电阻或电压输出。工作原理输出电压的幅值与转速严格成正比，输出电压的极性反映了旋转方向，其本质是一种微型发电动机。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——光电编码器主要类型绝对式编码器：直接输出绝对位置信息增量式编码器：通过计数脉冲测量相对位移工作原理光束照射到旋转编码盘上，通过传感器接收反射光或透射光，将光信号转换为电信号，并将输出轴上的直线位移或角度变化转换成脉冲或数字量的传感器。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——绝对式编码器工作原理码盘通常被分为n个同心圆（图中n=4），同时码盘沿径向被分为2n等分，透明（白色）的部分为“0”，不透明（黑色）的部分为“1”。码盘旋转时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——增量式编码器工作原理光源和光敏元件分别安装在码盘两边。码盘与电动机同轴，电动机旋转时，码盘同速旋转，每转过一个透光区与一个不透光区就产生一次光线变化，这个变化经过整形电路，可以输出一组脉冲信号。昆明冶金高等专科学校

4.2.1位置传感器——绝对式编码器和增量式编码器的性能对比昆明冶金高等专科学校

特性绝对式光电编码器增量式光电编码器工作原理每个位置对应一个唯一的绝对二进制编码通过计数从基准点开始的脉冲数量来计算相对位置位置信息绝对位置值相对位移量断电记忆有。断电后位置信息不会丢失，无。断电后位置信息丢失，上电后必须执行“回零”操作。码盘结构复杂。有多圈同心码道，每道刻线编码独一无二。简单。仅有均匀分布的透光缝隙。输出信号输出代表绝对位置的多位数字代码输出两路（A、B相）正交脉冲信号和一路零点（Z相）信号系统成本本身成本较高，但系统集成简单，无需额外限位开关。成本较低，但系统可能需要额外的限位开关和回零程序。抗干扰性强。数据是绝对的弱。计数过程中一旦受到干扰脉冲丢失或增多，误差会持续累积直到下次回零。应用场景对安全性和可靠性要求高、不允许回零的场合。如：机器人关节、航空航天、医疗设备、高端CNC。对成本敏感、允许上电回零的连续旋转场合。如：普通伺服电机、

conveyorbelts、数控机床的进给轴。4.2.2速度传感器——测速发电机基本功能一种用于检测机械转速的电磁装置，能够把机械转速变换为电压信号。工作原理输出电压的幅值与转速严格成正比，输出电压的极性反映了旋转方向，其本质是一种微型发电动机。常规型直流永磁型昆明冶金高等专科学校

4.2.3力/力矩传感器昆明冶金高等专科学校

应变式力/力矩传感器的工作原理：当力/力矩作用于弹性元件时，弹性元件产生弹性变形，应变片随之发生相应形变，电阻发生变化。电阻的变化转换为电压输出，最后得到精确的力/力矩值。4.2.4接近觉传感器——光电传感器工作原理利用光的反射或透射来检测物体的接近。典型应用场景流水线产品计数与检测自动感应门控制系统智能停车与障碍物检测昆明冶金高等专科学校

4.2.4接近觉传感器——超声波传感器工作原理通过发射超声波脉冲并测量其反射时间来计算物体的距离。典型应用汽车倒车雷达系统移动机器人避障导航工业自动化流水线检测方形超声波传感器圆柱形超声波传感器昆明冶金高等专科学校

4.2.4接近觉传感器——电容式传感器工作原理通过检测物体与传感器之间的电容变化来感知物体的接近。圆柱形传感器引线式传感器典型应用液位检测物体识别昆明冶金高等专科学校

4.2.4接近觉传感器——电感式传感器工作原理通过检测金属物体引起的电磁场变化来工作。

••结构简单，可靠性高•广泛应用于工业自动化金属检测方形电感式传感器圆柱形电感式传感器典型应用昆明冶金高等专科学