工业机器人技术及应用(教案)2-工业机器人的机械结构和运动控制

1、.第二章工业机器人的机械结构和运动控制文章的目录2.1工业机器人的系统构成2.1.1操作机2.1.2控制器2.1.3示教吊坠2.2工业机器人的技术指标学习目标导入案例班级认知扩展和本章的总结提高思考练习2.3工业机器人的运动控制2.3.1机器人的运动学问题2.3.2机器人的点运动2.3.3机器人的位置控制上课前回顾什么是工业机器人？工业机器人有几个特征. 各自是什么？产业机器人的常见分类是什么，简要叙述其行业的应用。学习目标认知目标*熟悉工业机器人的一般技术指标*掌握工业机器人的机构构成和各部分的功能*理解工业机器人的运动控制能力目标*能正确认识工业机器人的基本构成*可正确判别工业机器人的点运

2、动和连续路径运动案例分析国产机器人竞争力不足的关键技术是瓶颈众所周知，中国的机器人产业是先天因素，单体和核心部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。 中国机器人产业经过30年的发展，形成了比较完善的产业基础，但与发达国家相比还有很大差异，产业基础依然薄弱，关键部件很大程度上依赖进口。 机器人产业链整体主要是上游核心部件(主要是机器人的三个核心部件伺服马达，减速机和控制系统，相当于机器人的“脑”)，中游机器人主体(机器人的“体”和下游系统集成器(国内95%的企业集中在这个环节)三个水平上课的认知2.1工业机器人的系统构成第一代工业机器人主要由操作机、控制器、示教器构成。 第二代和第三代工业机器人还包

3、括感知系统和分析决策系统，它们分别通过传感器和软件来实现。工业机器人系统的构成2.1.1操作机操作机(或机器人主体)是工业用机器人的机械主体，是用于执行各种作业的执行元件。 它主要由臂、驱动装置、传动单元、内部传感器等构成。关节型机器人操作机的基本构造机器人操作机最后一轴的机械接口通常是连接凸缘，可以安装夹紧爪、吸盘、焊枪等不同的机械操作装置。(1)斗杆关节型工业机器人的手臂是许多用关节连接起来的机械连杆的集合体。 基本上是拟人化手臂的空间开锁机构，一端固定在基座上，另一端可自由活动，由关节连杆构造构成的手臂大致分为基座、腰、手臂、手臂四种。1 )基座是机器人的基础部分，是支撑。2 )腰部腰是

4、机器人手臂的支撑部分。3 )手臂是连接主体和手臂的部分，是执行结构的主要运动部件，也称为主轴、主用于改变手腕和末端效应器的空间位置。4 )手腕是连接末端执行器和手臂的部分，也称为副轴，主要用于改变末端执行器的天空间势。(2)驱动装置驱动工业机器人手臂的机构。 它根据来自控制系统的指令信号，通过动力元件使机器人动作，相当于人的肌肉、肌肉。机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。目前，各个运动精度不高、有重负荷和防爆要求的机器人除了用液压、气压驱动外，工业用机器人多用电驱动，其中交流伺服电动机的应用最广泛，螺丝刀的配置多，关节采用一个螺丝刀。三种驱动方式的特征比较(3)

5、传动单元现在工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速机，应用于关节型机器人的减速机主要有RV减速机和高次谐波减速机两种。 一般来说，RV减速机放置在底座、腰部、动臂等重负荷的位置(主要用于20kg以上的机器人关节)。 将谐波传动放置在臂、臂、手等轻负荷位置(主要用于20kg以下的机械关节) 。 另外，机器人采用了齿轮传动、链条传动、直动单元等。机器人关节传动单元1 )高次谐波减速机通常，由包括具有内齿的刚体轮的三个基本部件构成，在一个作业时在径向上弹性变形，具有外齿的挠性齿轮、组装在挠性齿轮内部的椭圆形、在外圈上具有挠性滚动轴承的小波生成器，在这三个基本结构中谐波减速机的原理图2) RV减速机主

6、要由太阳齿轮(中心轮)、行星齿轮、臂(曲柄轴)、臂轴承、摆线轮(RV齿轮)、针齿、刚性盘、输出盘等部件组成。 具有高疲劳强度、刚性和长寿命，差的精度稳定，高精度的机器人传动大多采用RV减速机。RV减速机的原理图2.1.2控制器机器人控制器是基于指令和传感信息控制机器人执行一定动作和作业的装置，是决定机器人的功能和性能的主要要素，是机器人系统中更新和发展最快的部分，其基本功能如下示教功能、存储功能、位置伺服功能、坐标设定功能、与外围设备的联系功能、传感器接口、故障诊断、安全保护功能等。根据控制系统的开放度，机器人控制器分为封闭型、开放型、混合型三种。 现在，基本上是封闭型系统(日系机器人等)和混

7、合型系统(欧洲系机器人等)。根据计算机的结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器可分为集中控制和分散控制两种方式。(1)集中控制器优点：硬件成本低，容易收集和分析信息，容易实现系统的最佳控制，整体性和协调性高，容易扩展基于PC的系统硬件。缺点：系统控制不灵活，控制危险容易集中，在发生故障时，其影响面广，结果严重的大量数据计算会降低系统的实时性，系统对多任务的响应能力也与系统的实时性冲突，系统连接复杂a )单独接口卡驱动b )多轴运动控制卡驱动集中型机器人控制器的构成(2)分布式控制器主要思想是“分散控制、集中管理”，是一种开放、实时、精确的机器人控制系统。 在分布式系统中，多采用由上位

8、机和下位机构成的两级控制方式。优点：系统灵活性好，控制系统的危险性低，采用多处理器分布式控制有利于并行执行系统功能，提高系统处理效率，缩短响应时间。分布式机器人控制器的构成2.1.3示教吊坠也被称为示教盒和示教盒，主要由液晶画面和操作按钮构成。 操作者可以用手移动。 机器人的交互界面，机器人的所有操作基本上是通过它进行的。 示教器基本上是专用的智能终端。示教时的数据流关系2.2工业机器人的技术指标机器人的技术指标反映了机器人的适用范围和动作性能。 一般有自由度、作业空间、额定负载、最大作业速度、作业精度等。自由度：物体可以独立于坐标系运动的数量，不包括末端效应器的移动。 普通地做作为机器人的技

9、术指标，可以反映机器人动作的灵活性，用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数量来表示，目前焊接和涂装作业机器人多为6或7自由度，搬运、垛和组装机器人多为46自由度。额定负载：也被称为持重。 在正常的操作条件下，是作用于机器人手臂末端，不降低机器人性能的最大负荷，现在使用的工业用机器人的负荷范围从0.5kg到800kg。作业精度：机器人的作业精度主要是指定位精度和重复定位精度。 定位精度(也称为绝对精度)是机器人末端执行器的实际到达位置与目标位置的差异。 重复定位精度(简称为重复精度)是机器人将其末端执行器重复定位在相同目标位置的能力，现在工业用机器人的重复精度达到0.01 0.5mm。 根据作业任务

10、和终端的重量，机器人的重复精度也不同。工业机器人典型行业应用的工作精度工作任务额定负载(公斤)重复定位精度(mm )搬运52000.2 0.5码垛508000.5点焊503500.2 0.3电弧焊接3200.08 0.1喷雾法5200.2 0.5250.02 0.03组装。六到十0.06 0.08十到二十0.06 0.1工作空间也称为工作范围、工作日程。 工业机器人执行任务时，其手腕基准点通过空间，一般图形显示。 目前，单体产业机器人主体的动作范围达到3.5 m左右。最大动作速度是各轴联动时，机器人手腕中心能达到的最大线速度。 这个正在生产中是影响生产效率的重要指标。a )垂直串联多关节机器M

11、OTOMAN MH3F b )水平串联多关节机器人MOTOMAN MPP3Sc )并联多关节机器人MOTOMAN MYS650L不同主体结构YASKAWA机器人的动作范围2.3工业机器人的运动控制2.3.1机器人的运动学问题工业机器人的操作机可以看作是开链式多连杆机构，始端连杆是机器人的基础，终端连杆与工具相连，相邻的连杆之间由一个关节(轴)连接。6自由度工业机器人由6个连杆和6个关节(轴)构成。 对于号码，基本是由于链路0，不包括在这六个链路中，链路1与基座通过关节1连接，链路2通过关节2连接到链路1，依此类推。a )实物图b )机构概略图工业机器人操作机(1)对给出了运动学正问题的机器人操

12、作机，知道各关节角矢量，求出末端致动器相对于参照坐标系的位置姿势，称为正向运动学(运动学正解或者Where问题)，在机器人示教时，机器人控制器按每个点进行运动学正解运算。(2)对于被给予了运动学逆问题的机器人操作机，知道末端执行器在参照坐标系中的初始位置姿势和目标(期待)位置姿势，求出各关节角矢量，称为逆运动学(运动学逆解或How问题)，在机器人再生时，机器人控制器对运动学逆解运算进行报告运动学正问题(示教)运动学逆问题(再现)2.3.2机器人的点运动和连续路径运动(1)点运动(Point to Point，PTP ) PTP运动只在乎机器人的末端执行器运动的起点和目标点姿势，不在乎这两点间的

13、运动轨迹。(2)连续路径运动(Continuous Path，CP ) CP运动仅关心机器人的末端执行器实现目标必须保证点的精度，以及机器人沿着期望的轨迹在一定的精度范围内反复运动。工业机器人PTP运动和CP运动机器人CP运动的实现基于点到点运动，通过采用在相邻的两点间满足精度要求的直线或圆弧轨迹插值运算可以实现轨迹的连续化。 在机器人再生时，主控制器(上位机)从存储器中按点取出各示范点的空间姿势坐标值，通过对其进行直线或圆弧或插值运算来生成相应的路径计划，通过运动学逆解运算将各插值点的姿势坐标值变换为关节角度值，机器人的各关节或关节控制器2.3.3机器人的位置控制实现机器人的位置控制是工业机

14、器人的基本控制任务。 关节控制器(下位机)是执行计算机，实现伺服电机的闭环控制和全关节的动作协调。工业机器人的位置控制扩展和提高运动控制电动机及驱动机器人的核心技术是运动控制技术，目前工业机器人采用的电气驱动主要有步进电机和伺服电机两种。1 .步进电机系统步进电机是把电脉冲信号转换成角位移和线位移的开环控制精密驱动元件，分为反应式步进电机、永久磁铁式步进电机和混合式步进电机三种，其中混合式步进电机的应用最广泛步进电机和步进驱动器2 .伺服电机系统伺服电机在自动控制系统中用作驱动器，可以将接收到的电信号转换为电机轴上的角位移和角速度输出，分类为直流和交流伺服电机。特征：信号电压为零时，没有自转现

15、象，转速随着扭矩的增加而等速下降。优点：没有电刷和换向器，工作可靠，对维护的要求低；定子线圈的散热比较方便；惯性小，容易提高系统的高速性；适应高速大扭矩的工作状态；在同功率下有小的体积和重量。伺服电机和伺服驱动器本章的总结工业机器人的机械结构部分称为操作机。 通常用自由度、作业空间、额定负载、定位精度、重复定位精度和最大作业速度等技术指标来表现工业用机器人的操作机的性能。工业机器人通常由操作机、控制器、示教器三部分组成。 操作机是机器人执行各种作业的主体部分，一般由机器人手臂、驱动传递装置、内部传感器等构成。 控制器是完成机器人控制功能的结构，一般由控制计算机和伺服控制器构成。 示教器是机器人

16、的人机界面，主要由显示器和按键构成。所谓工业机器人的运动控制，在工业机器人的末端执行器从一点移动到另一点的过程中，多采用点(PTP )控制和连续路径(CP )控制两种方式。考虑练习1、填空栏(1) _通常作为机器人的技术指标，反映了机器人的动作的灵活性用轴的平移、摆动或旋转动作的数量来表示。(2)工业用机器人主要是指下图的表1_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _表示2，3表示3，4表示3，4表示3。问题2图(3)工业用机器人的运动控制主要实现了两种。 机器人开始_在运动控制的情况下，末端执行器保证并需要运动的起点和目标点姿势必须保证机器人沿着期望的轨迹在一定