工业机器人的介绍和应用

工业机器人基础知识 科普式交流 2016年8月21日 1 2 3 4 5 6 7 8 工业机器人意义与定义 工业机器人分类 工业机器人组成和性能参数 工业机器人的结构 工业机器人控制技术 工业机器人传感系统 工业机器人的应用 工业机器人发展方向 1910年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota （捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工 人”），创造出“机器人”这个词。 1、工业机器人意义与定义 阿西莫夫“机器人三定律” 第一法则:机器人不得伤害人类，或坐视 人类受到伤害； 第二法则:除非违背第一法则，机器人必 须服从人类的命令； 第三法则在不违背第一及第二法则下， 机器人必须保护自己。 1、工业机器人意义与定义 1、工业机器人意义与定义 为什么要用机器人？ 有些工作对人体有伤害，如 喷漆，重物搬运； 有些产品要求极高的质量， 如焊接、精密装配； 有些工作人难以参与，如核 燃料加注、高温熔炉； 有些工作枯燥乏味，如流水 生产线。 提高效率 降低成本 1、工业机器人意义与定义 什么是工业机器人？ 如何定义？ “工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编 程操作机。”国际标准化组织，1987 1、工业机器人意义与定义 三大特征： （1）拟人功能：机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工 具。因此，数控机床和汽车不是机器人； （2）可编程性：机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随工作环境变化 的需要而再编程。一般的电动玩具没有感觉和识别能力，不能再编程，因此 不能称为机器人； （3）通用性：一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性。比如， 通过更换机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的任务。 什么是工业机器人？ 1 2 3 4 5 6 7 8 工业机器人意义与定义 工业机器人分类 工业机器人组成和性能参数 工业机器人的结构 工业机器人控制技术 工业机器人传感系统 工业机器人的应用 工业机器人发展方向 分类名称 操作型机器人 程控型机器人 示教再现型机器人 数控型机器人 感觉控制型机器人 适应控制型机器人 学习控制型机器人 智能机器人 简要解释 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动， 用于相关自动化系统中。 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。 通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人 则自动重复进行作业。 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人 根据示教后的信息进行作业。 利用传感器获取的信息控制机器人的动作。 机器人能适应环 境的变化，控制其自身的行动。 机器人能“体会”工作的经验 ，具有一定的学习功能，并将所“学” 的经验 用于工作中。 以人工智能决定其行动的机器人。 2、工业机器人的分类 柱坐标标系机器人 z R r 1、手臂可伸缩（沿r方向）； 2、滑动架（托板）可沿柱上下移动（z轴方向）； 3、水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个 整体而旋转（绕z轴）。 一般旋转不允许旋转360°，因为有液压，电气 或气动联结 机构或连线 造成的约束。 2、工业机器人的分类 根据机械结构（坐标形式）分类 2.1 串联机器人 柱坐标机器人 球坐标机器人 关节机器人 笛卡尔坐标机器人 2.2 并联机器人 1. 2. 3. 其臂可升出缩回（r）， 类似于可伸缩的望远镜 套 筒； 在垂直面内绕轴 回转（ ）； 在基座水平面内转动 （ ）。 2、工业机器人的分类 柱坐标机器人 球坐标机器人 关节机器人 笛卡尔坐标机器人 球坐标系机器人 A 纯球状 机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂 转动角度；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可 绕此肩关节进行角度；而基座可自由转动，因而整个组合 件可在与基座平行的平面内移动角度，具有这类结 构的机 器人的工作包络范围大体上是球状的。 优点：机械臂可以方便灵活的到达机器人基座附近的地方， 并越过其工作范围内的人和障碍物。 2、工业机器人的分类 柱坐标机器人 球坐标机器人 关节机器人 笛卡尔坐标机器人 B 平行四边形球状 用多重闭合的平行四边形的连杆机构 代替单一的刚性构件的上臂。 优点： 允许关节驱动 器位置靠近机器人的 基座或装在机器人的基座上，这就 意味着它们不是装在前臂或上臂之 内或之上，从而使臂的惯性机重量 大为减少，结果是采用同样大小的 执行器时它们所具有的承载能力就 比球体关节的机器人要大； 机械刚度比其它大多数机械手大。 缺点：工作范围受到的限制较大。 2、工业机器人的分类 2、工业机器人的分类 运动学链系代替纯圆 柱状机器人中 的单一轴部件。 这种机器人有精密且快速的优点， 但一般垂直作用范围有限（Z方向 ），通常Z轴运动用一简单 的气缸 或步进电 机控制，而其它轴则 采用 较精巧的电气执行器（如伺服电机 ）。 z r1 r2 r3 腕的 横滚 2、工业机器人的分类 C 圆柱状 圆柱状关节机器人也称为SCARA 机器人，这种结构用多重铰接开放 2、工业机器人的分类 2、工业机器人的分类 A 悬臂笛卡尔式 从支撑架伸出的长度有限， 刚性差，但其工作空间所受 约束较其它机器人所受的约 束少，故重复性和精度高； 其坐标更近乎自然状态，故 编程容易； 但有些运动形式，由于需要 大量计算，此结构可能较难 完成，如方向与任何轴都不 平行的直线轨 迹。 x z 腕的俯仰 腕的偏摆 腕的偏摆 腕的横滚 腕的横滚 2、工业机器人的分类 柱坐标机器人 球坐标机器人 关节机器人 笛卡尔坐标机器人 y 2、工业机器人的分类 B 门形笛卡尔式（桁架机器人） 一般在需要精确移动以及负载较 大 的时候使用，这类机器人常常安在 顶板（天花板）上。 2、工业机器人的分类 2、工业机器人的分类 并联机器人可以定义为动 平台和定平台通过至少两个独立的运动链 相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动 的一 种闭环 机器人。 优点： 无累积误 差，精度高； 驱动 装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样 运动部分重 量轻，速度高，动态 响应好； 结构紧凑，刚度高，承载能力大； 完全对称的并联机构具有较好的各向同性。 缺点： 工作空间较 小。 2、工业机器人的分类 2.2 并联机器人 6自由度并联机构3/4自由度并联机构 2自由度并联机构 2、工业机器人的分类 2.2 并联机器人 从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动 机构、平面移动转动 机构、空间纯移动机构、空间纯转动 机构和空间混合运动 机构。 按并联机构的自由度数分类： 2自由度并联机构 3自由度并联机构 并联机器人上下料 并联机器人分拣 并联机器人装配 6自由度并联机构 1 2 3 4 5 6 7 8 工业机器人意义与定义 工业机器人分类 工业机器人组成和性能参数 工业机器人的结构 工业机器人控制技术 工业机器人传感系统 工业机器人的应用 工业机器人发展方向 执行机构 控制系统 驱动系统（液压缸、电机等） 检测系统 工 业 机 器 人 3、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 控制系统驱动 系统执行机构操作对象 各组成部分关系 检测 系统 执行机构也称操作机，使机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组 成。从 功能角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部（立柱）和基座等。 手部：又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，其作用是直接抓取和放置 物件。可以是各种手持器。 腕部：是连接手部和臂部的部件。其作用是调整或改变手部的姿态，是操作机中结构最 复杂的部分。 臂部：又称手臂，用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（大臂和小臂）组成，用以带 动腕部运动。 腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动 臂部运动，与臂部运动结 合，把腕 部传递 到需到的工作位置。 基座（行走机构）：基座是机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，该部件必须具 有足够的刚度、强度和稳定性。 3、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 A 执行机构 包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成 机器人本体。 传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝杆、链、带以及 各种齿轮系。 驱动器通常有： 电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。 液压驱动 ； 气动驱动 。 3、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 B 驱动 系统 通过对驱动 系统的控制，使执行系统按照规定的要求 进行工作。 一般由控制计算机和伺服控制器组成。 控制计算机发出指令，协调各关节驱动 之间的运动， 同时还要完成编程、示教/再现，以及和其他环境状态 （传感器信息）、工艺要求，外部相关设备（如电焊 机）之间的信息传递和协调工作。 伺服控制各个关节驱动 器，使各杆按一定的速度、加 速度、和位置要求进行运动。 C 控制系统 3、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 检测 系统的作用就是通过各种检测 器、 传感器、检测执 行机构的运动状况，根据需要 反馈给 控制系统，与设定值进 行比较后对执 行 机构进行调整以保证其动作符合设计 要求。 3、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业机器人的组成 D 检测 系统 性能参数 工作空间 精度/重复定位精度 最大工作速度 其它动态 特性 3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 自由度数 负载 能力 端操作器）的开合自由度。 C 2 3 1 2 3 1 4 5 要定位的 旋转钻头 要定位 的球体 (b)(a) 冗余度机器人： 从运动学的观点看，在完成某一 特定作业时具有多余自由度的机 器人，就叫做冗余自由度机器人， 亦可简称冗余度机器人。 3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 A 自由度 自由度英文名称为Degree of freedom，缩写为DOF。 机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末 3、工业机器人的组成和性能参数 例如：ABB1410机器人去执 行印刷电路板上接插电子 器件的作业时 就成为冗余 度机器人。 利用冗余的自由度可以增 加机器人的灵活性，躲避 障碍物和改善动力性能。 3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 定位精度是指机器 人手部实际到达位 机器人重复定位其 手部至同一目标位 置的能力，可以用 标准偏差这个统计 量来表示，它是衡 量一列误差值的密 集度，即重复度， 置与目标位置之间 的差异。 A 重复定位精度是指 h h B h B O O B (b)(c)(d) （a）重复定位精度的测定；（b）合理定位精度，良好重复定位精度； （c）良好定位精度，很差重复定位精度；（d）很差定位精度，良好重 复定位精度 3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 B 定位精度/重复定位精度 3、工业机器人的组成和性能参数 3、工业机器人的组成和性能参数 工作范围是指机器人手臂末端或 手腕中心所能到达的所有点的集 合，也叫做工作区域。 工作范围的形状和大小是十分重 要的，机器人在执行某作业时可 能会因为存在手部不能到达的作 业死区而不能完成任务。 3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数 C 工作范围 有的厂家指工业机器人主要自由度上最大 的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的 合成速度，通常都在技术参数中加以说明。 工作速度愈高，工作效率愈高。