工業(yè)機器人技術及應用第2章

1、工業(yè)機器人技術及應用 工業(yè)機器人的機械結構和運動控制 講授：王 興 章節(jié)目錄 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 2.1.2 控制器 2.1.3 示教器 2.2 工業(yè)機器人的技術指標 思考練習 學習目標 導入案例 擴展與提高 本章小結 課堂認知 2.3 工業(yè)機器人的運動控制 2.3.1 機器人運動學問題 2.3.2 機器人的點位運動 2.3.3 機器人的位置控制 返回 目錄 1/30 課前回顧 所 處 位 置 何為工業(yè)機器人？ 工業(yè)機器人具有幾個顯著特點，分別是什么？ 【 課 工業(yè)機器人的常見分類有哪些，簡述其行業(yè)應用。 前 回 顧 】 返回 目錄 2/30 學習目標 所 處 位

2、 置 熟悉工業(yè)機器人的常見技 能夠正確識別工業(yè)機器人 術指標 的基本組成 【 學 掌握工業(yè)機器人的機構組 能夠正確判別工業(yè)機器人 習 成及各部分的功能 目 的點位運動和連續(xù)路徑運 標 動 了解工業(yè)機器人的運動控 】 制 返回 目錄 3/30 認知目標認知目標能力目標能力目標導入案例 國產(chǎn)機器人競爭力缺失 關鍵技術是瓶頸 所 處 位 置 眾所周知，中國機器人產(chǎn)業(yè)由 于先天因素，在單體與核心零部件仍 【 然落后于日、美、韓等發(fā)達國家。雖 導 然中國機器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過 30 年的發(fā)展， 入 案 形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)基礎，但與發(fā) 例 達國家相比，仍存在較大差距，產(chǎn)業(yè) 】 基礎依然薄弱，關鍵零部件嚴重依賴

3、進口。 整個機器人產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游 核心零部件（主要是機器人三大核心 零部件 伺服電機、減速器和控制 系統(tǒng)，相當于機器人的“大腦”）、 中游機器人本體（機器人的“身體”） 和下游系統(tǒng)集成商（國內(nèi) 95% 的企業(yè)都集中在這個環(huán)節(jié)上）三個層面。 返回 目錄 4/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 第一代工業(yè)機器人主要由以下幾部分組成： 操作機、控制器和示教器 。 所 處 對于第二代及第三代工業(yè)機器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別 位 由傳感器及軟件實現(xiàn)。 置 示教器 是機器人的人機交互接口，操作者 【 可通過它對機器人進行編程或手動 課 操縱機器人移動。 堂 認 知 】 操作機 控制器

4、是完成機器人控制功能的結構實現(xiàn) 用于完成各種作業(yè)任務的機械主 ，是決定機器人功能和水平的關鍵 體，主要包含機械臂、驅(qū)動裝置、 部分。 傳動單元以及內(nèi)部傳感器等部分。 返回 目錄 工業(yè)機器人系統(tǒng)組成 5/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作 位 置 業(yè)的執(zhí)行機構。它主要由機械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元及內(nèi)部傳感器等部分組 成。 伺服電機 減速器 腕關節(jié) 小臂 【 課 堂 肘關節(jié) 認 知 】 手腕 大臂 連接法蘭 皮帶傳動 腰部 肩關節(jié) 腰關節(jié) 基座 機器人操作機的每個關節(jié) 均采用 1 個交流伺服馬達驅(qū)動 返回

5、 目錄 關節(jié)型機器人操作機基本構造 6/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 機器人操作機最后一個軸的機械接口通常為一連接法蘭，可接裝不同的機 位 置 械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等。 【 課 堂 認 知 】 吸盤 焊槍 夾緊爪 返回 目錄 7/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 (1) 機械臂 位 置 關節(jié)型工業(yè)機器人的機械臂是由關節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體 。實 質(zhì)上是一個擬人手臂的空間開鏈式機構，一端固定在基座上，另一端可自由運動， 由關節(jié) - 連桿結構所構成的機械臂大體可分為 基座 、 腰部 、 臂部（大臂和小臂） 【 課

6、 和手腕 4 部分。 堂 認 1) 基座 基座是機器人的基礎部分 ，起支撐作用。 知 】 2) 腰部 腰部是機器人手臂的支承部分 。 3) 手臂 手臂是連接機身和手腕的部分，是執(zhí)行結構中的主要運動部件，亦 稱主軸， 主要用于改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置。 4) 手腕 手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部分，亦稱次軸，主要用于改變末端 執(zhí)行器的空間姿態(tài)。 返回 目錄 8/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 (2) 驅(qū)動裝置 位 置 驅(qū)使工業(yè)機器人機械臂運動的機構。它按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助 于動力元件使機器人產(chǎn)生動作，相當于人的肌肉、筋絡。 【 課 機器人常用的驅(qū)

7、動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種基本類 堂 型。 認 知 目前，除個別運動精度不高、重負載或有防爆要求的機器人采用液壓、 】 氣壓驅(qū)動外，工業(yè)機器人大多采用電氣驅(qū)動，而其中屬交流伺服電機應用最 廣，且驅(qū)動器布置大都采用一個關節(jié)一個驅(qū)動器。 返回 目錄 9/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 (2) 驅(qū)動裝置 三種驅(qū)動方式特點比較 位 置 特點 使用范 制造成 輸出力 控制性能 維修使用 結構體積 驅(qū)動方式 圍 本 油液不可壓縮， 【 在輸出力相 液壓元 課 壓力、流量均容 維修方便，液 中、小 同的情況下 件成本 堂 液壓 壓力高，可獲 易控制，可無級

8、體對溫度變化 型及重 ，體積比氣 較高， 認 驅(qū)動 得大的輸出力 調(diào)速，反應靈敏 敏感，油液泄 型機器 知 壓驅(qū)動方式 油路比 ，可實現(xiàn)連續(xù)軌 漏易著火 人 】 小 較復雜 跡控制 可高速，沖擊較 氣體壓力低， 嚴重，精確定位 維修簡單，能 結構簡 輸出力較小， 困難。氣體壓縮 在高溫、粉塵 中、小 單，能 氣壓 如需輸出力大 性大，阻尼效果 等惡劣環(huán)境中 體積較大 型機器 源方便 驅(qū)動 時，其結構尺 差，低速不易控 使用，泄露無 人 ，成本 寸過大 制，不易與 CPU 連 影響 低 接 容易與 CPU 連接， 高性能 控制性能好，響 需要減速裝 電氣 輸出力較小或 維修使用較復 、運動 成本

9、較 應快，可精確定 置，體積較 返回 驅(qū)動 較大 雜 軌跡要 高 位，但控制系統(tǒng) 小 目錄 求嚴格 復雜 10/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 (3) 傳動單元 位 置 目前工業(yè)機器人廣泛采用的機械傳動單元是減速器，應用在關節(jié)型機器人上的 減速器主要有兩類： RV 減速器 和 諧波減速器 。 一般將 RV 減速器放置在基座、腰部 、大臂等重負載的位置 ( 主要用于 20kg 以上的機器人關節(jié) ) ；將諧波減速器放置在小 【 臂、腕部或手部等輕負載的位置 ( 主要用于 20kg 以下的機器關節(jié) ) 。 此外，機器人還 課 采用齒輪傳動、鏈條（帶）傳動、直線運動單元

10、等。 堂 認 知 】 諧 RV 波 減 減 速 速 器 器 皮 帶 傳 動 返回 目錄 機器人關節(jié)傳動單元 11/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 (3) 傳動單元 位 置 1) 諧波減速器 通常由 3 個基本構件組成，包括一個有內(nèi)齒的剛輪，一個工作時可產(chǎn)生徑向彈性 變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動軸承的 【 課 波發(fā)生器，在這 3 個基本結構中可任意固定一個，其余一個為主動件一個從動件。 堂 認 知 柔輪 】 波發(fā)生器 剛輪 返回 諧波減速器原理圖 目錄 12/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.1 操作機 所 處 (3

11、) 傳動單元 位 置 2) RV 減速器 主要由 太陽輪（中心輪）、行星輪、轉(zhuǎn)臂（曲柄軸）、轉(zhuǎn)臂軸承、擺線輪（ RV 齒輪）、針齒、剛性盤與輸出盤 等零部件組成。具有較高的疲勞強度和剛度以及 【 較長的壽命，回差精度穩(wěn)定，高精度機器人傳動多采用 RV 減速器。 課 堂 針齒 認 知 2 級減速 1 級減速 行星輪 】 太陽輪 Z 2 輸入 Z 1 Z 4 輸出 Z 3 擺線輪 轉(zhuǎn)臂 輸出軸 返回 針齒殼 目錄 RV 減速器原理圖 13/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.2 控制器 所 處 機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務 位 置 的裝置，是決定機器人

12、功能和性能的主要因素，也是機器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最 快的部分 ，其基本功能有： 示教功能 、 記憶功能、位置伺服功能、坐標設定功 【 能、與外圍設備聯(lián)系功能、傳感器接口、故障診斷安全保護功能等。 課 堂 認 知 】 依據(jù)控制系統(tǒng)的開放程度，機器人控制器分 3 類：封閉型、開放型和混合 型。目前基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系機器人）或混合型系統(tǒng)（如歐系機器 人）。 按計算機結構、控制方式和控制算法的處理方法，機器人控制器又可 分為 集中式控制 和 分布式控制 兩種方式。 返回 目錄 14/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.2 控制器 所 處 (1) 集中式控制器 位 置 優(yōu)點：硬件成本較

13、低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制， 整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于 PC 的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。 缺點：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面 【 廣，后果嚴重；大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也 課 堂 會與系統(tǒng)的實時性相沖突；系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。 認 知 】 驅(qū)動器 1 機器人關節(jié) 1 運動接口卡 1 驅(qū)動器 1 機器人關節(jié) 1 多軸 驅(qū)動器 2 機器人關節(jié) 2 運動控制卡 1 運動接口卡 2 驅(qū)動器 2 機器人關節(jié) 2 機器人關節(jié) n 驅(qū)動器 n 機器人控制計算機 機器人控制計算機 多軸 驅(qū)動器 n +1 機器人關節(jié)

14、n +1 運動接口卡 n 驅(qū)動器 n 機器人關節(jié) n 運動控制卡 2 驅(qū)動器 n +2 機器人關節(jié) n +2 返回 a) 單獨接口卡驅(qū)動 b) 多軸運動控制卡驅(qū)動 目錄 集中式機器人控制器結構 15/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.2 控制器 所 處 (2) 分布式控制器 位 置 主要思想為“分散控制，集中管理”，為一個開放、實時、精確的機器人控 制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式，由上位機和下位機組成。 優(yōu)點：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制， 【 有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。 課 堂 認 知 關節(jié)控制器 1 （下位機

15、） 】 驅(qū)動器 1 機器人關節(jié) 1 關節(jié)控制器 2 （下位機） 驅(qū)動器 2 機器人關節(jié) 2 通訊總線 關節(jié)控制器 n 機器人主控制器 （下位機） （上位機） 驅(qū)動器 n 機器人關節(jié) n 返回 分布式機器人控制器結構 目錄 16/30 2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成 2.1.3 示教器 所 處 亦稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成。可由操作者手 位 持移動。它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都是通過它來完 置 成的。示教器實質(zhì)上就是一個專用的智能終端。 控制器 【 課 相關模塊 相關模塊 堂 認 ? 知 操作機 ? S4 S3 】 S2 示教器 S5 S2 串 口 指

16、令解 S0 通 S1 釋模塊 信 模 S5 S2 S2 塊 ? S4 S3 ? 相關模塊 相關模塊 返回 示教時的數(shù)據(jù)流關系 目錄 17/30 2.2 工業(yè)機器人的技術指標 機器人的技術指標反映機器人的適用范圍和工作性能。一般都有： 自由 所 處 度、工作空間、額定負載、最大工作度速和 工作精度 等。 位 置 自由度 物體能夠?qū)ψ鴺讼颠M行獨立運動的數(shù)目，末端執(zhí)行器的動作不包 括在內(nèi)。通常作為機器人的技術指標，反映機器人動作的靈活性，可用軸 的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，目前，焊接和涂裝作業(yè)機器 【 課 人多為 6 或 7 自由度，而搬運、碼垛和裝配機器人多為 46 自由度。 堂 認

17、知 額定負載 也稱持重。正常操作條件下，作用于機器人手腕末端，不會使 】 機器人性能降低的最大載荷，目前，使用的工業(yè)機器人負載范圍可從目前，使用的工業(yè)機器人負載范圍可從 0.5kg 直至 800kg 。 工作精度 機器人的工作精度主要指定位精度和重復定位精度。定位精度（也 稱絕對精度）是指機器人末端執(zhí)行器實際到達位置與目標位置之間的差異。重 復定位精度（簡稱重復精度）是指機器人重復定位其末端執(zhí)行器于同一目標位 置的能力，目前，工業(yè)機器人的重復精度可達 0.01 0.5mm 。依據(jù)作業(yè)任務 和末端持重不同，機器人重復精度亦不同。 返回 目錄 18/30 2.2 工業(yè)機器人的技術指標 工業(yè)機器人典

18、型行業(yè)應用的工作精度 所 處 位 額定負載（ kg ） 重復定位精度（ mm ） 作業(yè)任務 置 搬運 0.2 0.5 5200 碼垛 0.5 50800 【 點焊 0.2 0.3 課 50350 堂 弧焊 0.08 0.1 認 320 知 噴涂 0.2 0.5 520 】 0.02 0.03 25 裝配 0.06 0.08 610 0.06 0.1 1020 工作空間 也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務時，其手腕參考點 所能掠過的空間，常用圖形表示。目前，單體工業(yè)機器人本體的工作范圍可達 3.5 m 左右。 最大工作速度 在各軸聯(lián)動情況下，機器人手腕中心所能達到的最大線速度。 返回 這

19、在生產(chǎn)中是影響生產(chǎn)效率的重要指標。 目錄 19/30 2.2 工業(yè)機器人的技術指標 所 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 b) 水平串聯(lián)多關節(jié)機器人 MOTOMAN MPP3S a) 垂直串聯(lián)多關節(jié)機器人 MOTOMAN MH3F 返回 c) 并聯(lián)多關節(jié)機器人 MOTOMAN MYS650L 目錄 不同本體結構 YASKAWA 機器人工作范圍 20/30 2.3 工業(yè)機器人的運動控制 2.3.1 機器人運動學問題 所 處 工業(yè)機器人操作機可看作是一個開鏈式多連桿機構 ，始 端連桿就是機器人的 位 基座 ， 末端連桿與工具相連 ， 相鄰連桿之間用一個關節(jié)（軸）連接在一起 。 置 對于一個 6

20、自由度工業(yè)機器人，它由 6 個連桿和 6 個關節(jié)（軸）組成。編號時， 基座稱為連桿 0 ，不包含在這 6 個連桿內(nèi)，連桿 1 與基座由關節(jié) 1 相連，連桿 2 通過關 節(jié) 2 與連桿 1 相連，依此類推。 【 課 堂 連桿連桿 4 連桿連桿 6 連桿連桿 5 連桿連桿 3 認 知 】 關節(jié)關節(jié) 6 關節(jié)關節(jié) 5 關節(jié)關節(jié) 4 關節(jié)關節(jié) 3 連桿連桿 2 關節(jié)關節(jié) 2 連桿連桿 1 關節(jié)關節(jié) 1 連桿連桿 0 a) 實物圖 b) 機構簡圖 返回 工業(yè)機器人操作機 目錄 21/30 2.3 工業(yè)機器人的運動控制 2.3.1 機器人運動學問題 所 處 (1) 運動學正問題 對給定的機器人操作機，己知

21、各關節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相 位 置 對于參考坐標系的位姿，稱之為正向運動學 （運動學正解或 Where 問題）， 機器人 示教時，機器人控制器即逐點進行運動學正解運算。 (2) 運動學逆問題 對給定的機器人操作機，已知末端執(zhí)行器在參考坐標系中的 【 初始位姿和目標（期望）位姿，求各關節(jié)角矢量，稱之為逆向運動學 （運動學逆解 課 堂 或 How 問題）， 機器人再現(xiàn)時，機器人控制器即逐點進行運動學逆解運算，并將矢 認 量分解到操作機各關節(jié)。 知 】 Where is my hand? How do I put my 返回 hand here? 目錄 運動學正問題（示教） 運動學逆問題（再現(xiàn)）

22、22/30 2.3 工業(yè)機器人的運動控制 2.3.2 機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動 所 處 位 (1) 點位運動（ Point to Point, PTP ） PTP 運動只關心機器人末端執(zhí)行器運動的 置 起點和目標點位姿，不關心這兩點之間的運動軌跡。 (2) 連續(xù)路徑運動（ Continuous Path, CP ） CP 運動不僅關心機器人末端執(zhí)行器 【 達到目標點的精度，而且必須保證機器人能沿所期望的軌跡在一定精度范圍內(nèi)重 課 堂 復運動。 認 知 】 Z Y A X E D B C 返回 工業(yè)機器人 PTP 運動和 CP 運動 目錄 23/30 2.3 工業(yè)機器人的運動控制 2.3.

23、2 機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動 所 機器人 CP 運動的實現(xiàn)是以點到點運動為基礎，通過在相鄰兩點之間采用滿 處 位 足精度要求的直線或圓弧軌跡插補運算即可實現(xiàn)軌跡的連續(xù)化。 機器人再現(xiàn)時 置 主控制器（上位機從）存儲器中逐點取出各示教點空間位姿坐標值，通過對其進 行直線或圓弧或插補運算，生成相應路徑規(guī)劃，然后把各插補點的位姿坐標值通 過運動學逆解運算轉(zhuǎn)換成關節(jié)角度值，分送機器人各關節(jié)或關節(jié)控制器（下位機 【 ）。 課 堂 關節(jié)控制器 1 認 （下位機） 知 機器人主控制器 】 （上位機） 關節(jié)控制器 2 （下位機） 機器人關節(jié) 軌跡 角度值 i 示教點位姿 中間位姿 直線 / 圓弧插補 運

24、動學逆問題 關節(jié)控制器 n （下位機） 返回 工業(yè)機器人的連續(xù)路徑運動 目錄 24/30 2.3 工業(yè)機器人的運動控制 2.3.3 機器人的位置控制 所 處 位 實現(xiàn)機器人的 位置控制 是工業(yè)機器人的基本控制任務。關節(jié)控制器（下位機） 置 是執(zhí)行計算機，負責伺服電機的閉環(huán)控制及實現(xiàn)所有關節(jié)的動作協(xié)調(diào)。 【 關節(jié)控制器 位置調(diào)節(jié)器 速度調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 功率放大 課 堂 認 給定 + 期望 + + M 知 位置 位置 】 - - - 電流反饋 光電 碼盤 位置反饋 速度反饋 工業(yè)機器人的位置控制 返回 目錄 25/30 運動控制電機及驅(qū)動 機器人的核心技術是運動控制技術，目前工業(yè)機器人采用的電

25、氣驅(qū)動主要 所 有 步進電動機和伺服電動機 兩類。 處 位 1 步進電動機系統(tǒng) 置 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制精密驅(qū)動元 件 ，分為 反應式步進電機、永磁式步進電機和混合式步進電機 三種，其中混合式 【 步進電機的應用最為廣泛，是一種精度高、控制簡單、成本低廉的驅(qū)動方案。 擴 展 與 提 高 】 返回 步進電機與步進驅(qū)動器 目錄 26/30 運動控制電機及驅(qū)動 2 伺服電動機系統(tǒng) 所 處 伺服電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機 位 軸上的角位移或角速度輸出，可分為 直流 和 交流伺服電機 兩大類。 置 特點：當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象

26、，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 優(yōu)點：無電刷和換向器，工作可靠，對維護和保養(yǎng)要求低；定子繞組散熱 【 比較 方便；慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；適應于高速大力矩工作狀態(tài)； 擴 展 同功率下有較小的體積和重量。 與 提 高 】 返回 伺服電機與伺服驅(qū)動器 目錄 27/30 本章小結 所 工業(yè)機器人的機械結構部分稱為操作機。通常用自由度、 處 位 工作空間、額定負載、定位精度、重復定位精度和最大工 置 作速度等技術指標來表征工業(yè)機器人操作機的性能。 工業(yè)機器人通常由操作機、控制器和示教器三部分組成。 【 操作機是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，一般由機 本 章 械臂、驅(qū)動 - 傳動裝置以及內(nèi)部傳感器等組成。控制器是完 小 結 成機器人控制功能的結構實現(xiàn)，一般由控制計算機和伺服 】 控制器組成。示教器是機器人的人機交互接口，主要由顯