工業(yè)機(jī)器人原理與應(yīng)用深度薈萃

1、工業(yè)機(jī)器人原理與應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人原理與應(yīng)用報(bào)告人：莊鵬2006年11月25日1行業(yè)特制主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 機(jī)器人的發(fā)展概況2. 機(jī)器人的定義3. 國(guó)際上的主要機(jī)器人生產(chǎn)廠家4. 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域5. 機(jī)器人的分類6. 機(jī)器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)7. 機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)8. 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)9. 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)10. 機(jī)器人的控制2行業(yè)特制 1920年，捷克劇作家卡里洛奇別克在其科幻劇本羅薩姆萬(wàn)能機(jī)器人制造公司(rossums universal robots)首次使用了robot這個(gè)名詞，意思是“人造的人”?，F(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞?！皺C(jī)器人”一詞的由來(lái)第一部分第一部分機(jī)器人的發(fā)展概機(jī)器人的發(fā)展概況

2、況3行業(yè)特制第一代機(jī)器人 19世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了實(shí)用階段。1954年美國(guó)的g. c. devol發(fā)表了“通用機(jī)器人”專利；1960年美國(guó)amf公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型versatran機(jī)器人，可進(jìn)行點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人。 70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人也得到了迅速的發(fā)展。1974年cincinnati milacron公司成功開發(fā)了多關(guān)節(jié)機(jī)器人；1979年，unimation公司又推出了puma機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多cpu二級(jí)控制的機(jī)器人，采用val專用語(yǔ)言，可

3、配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時(shí)是技術(shù)最先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上大體都以此為基礎(chǔ)。這一時(shí)期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)”（teach-in / playback）型機(jī)器人，只具有記憶、存儲(chǔ)能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，對(duì)周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。 機(jī)器人的發(fā)展概況機(jī)器人的發(fā)展概況4行業(yè)特制第二代機(jī)器人 進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人有感覺的機(jī)器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的部分相關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

4、 機(jī)器人的發(fā)展概況機(jī)器人的發(fā)展概況第三代機(jī)器人 目前正在研究的“智能機(jī)器人”，它不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。 5行業(yè)特制美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(ria):機(jī)器人是一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過(guò)程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)?？梢?，這里的機(jī)器人是指工業(yè)機(jī)器人。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)(jira):工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的、能夠完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(iso):機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作

5、機(jī)具有幾個(gè)軸，能夠借助可編程操作來(lái)處理各類材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。第二部分第二部分機(jī)器人的定義機(jī)器人的定義 機(jī)器人集中了機(jī)械工程、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制原理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。工程技術(shù)人員了解和學(xué)習(xí)機(jī)器人學(xué)具有重要的意義。6行業(yè)特制第三部分第三部分國(guó)際上的主要機(jī)器人生產(chǎn)廠家國(guó)際上的主要機(jī)器人生產(chǎn)廠家motoman up500有效載荷500kg，最大可達(dá)長(zhǎng)度2542mm，6軸驅(qū)動(dòng)，高可靠性52000小時(shí)mtbf，重復(fù)定位精度0.5 mm abb irb 340專為快速的拾取和放置動(dòng)作而設(shè)計(jì)

6、，適用于包裝工業(yè)中快速而準(zhǔn)確地移動(dòng)物體7行業(yè)特制國(guó)際上的主要機(jī)器人生產(chǎn)廠家國(guó)際上的主要機(jī)器人生產(chǎn)廠家多功能，6軸驅(qū)動(dòng)，可應(yīng)用于焊接、等離子切割、物料輸送，64位的cpu，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍廣。panasonic vr-006aliifanuc arcmate 50ib6軸驅(qū)動(dòng)，安裝靈活方便，與主要品牌的焊接設(shè)備兼容，先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制減少了機(jī)械磨損。8行業(yè)特制國(guó)際上的主要機(jī)器人生產(chǎn)廠家國(guó)際上的主要機(jī)器人生產(chǎn)廠家nachi sh133 高速，重量1260kg，最大載荷133kg，最大可達(dá)長(zhǎng)度2654mm，6軸驅(qū)動(dòng)，適用于拾取和放置操作。 pi m-840 hexalight 6軸驅(qū)動(dòng)，低慣量，動(dòng)態(tài)特

7、性好，剛度高，無(wú)位置累計(jì)誤差，高重復(fù)定位精度和可靠性。9行業(yè)特制第四部分第四部分機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域弧焊機(jī)器人弧焊機(jī)器人 激光焊機(jī)器人激光焊機(jī)器人 電阻焊機(jī)器人電阻焊機(jī)器人 自動(dòng)化焊接機(jī)器人自動(dòng)化焊接機(jī)器人 點(diǎn)焊機(jī)器人點(diǎn)焊機(jī)器人 等離子切割機(jī)器人等離子切割機(jī)器人 10行業(yè)特制機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域清潔機(jī)器人清潔機(jī)器人 上料機(jī)器人上料機(jī)器人 物料輸送機(jī)器人物料輸送機(jī)器人 材料去除機(jī)器人材料去除機(jī)器人 包裝機(jī)器人包裝機(jī)器人 噴漆機(jī)器人噴漆機(jī)器人 11行業(yè)特制機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域部件移動(dòng)機(jī)器人部件移動(dòng)機(jī)器人 裝配機(jī)器人裝配機(jī)器人 打保險(xiǎn)機(jī)器人打保險(xiǎn)機(jī)器人 自動(dòng)鉆孔機(jī)

8、器人自動(dòng)鉆孔機(jī)器人 設(shè)備維護(hù)機(jī)器人設(shè)備維護(hù)機(jī)器人 包裝機(jī)器人包裝機(jī)器人 12行業(yè)特制堆跺機(jī)器人堆跺機(jī)器人 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域涂層機(jī)器人涂層機(jī)器人 去毛刺機(jī)器人去毛刺機(jī)器人 磨銷機(jī)器人磨銷機(jī)器人 高溫噴涂機(jī)器人高溫噴涂機(jī)器人 13行業(yè)特制機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)用并聯(lián)機(jī)器人醫(yī)用并聯(lián)機(jī)器人 14行業(yè)特制機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域天文望遠(yuǎn)鏡天文望遠(yuǎn)鏡 繩索機(jī)器人繩索機(jī)器人 15行業(yè)特制機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域三桿并聯(lián)機(jī)床三桿并聯(lián)機(jī)床 16行業(yè)特制機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域17行業(yè)特制機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域六桿并聯(lián)機(jī)床六桿并聯(lián)機(jī)床 18行業(yè)特制機(jī)器

9、人的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域六足行走機(jī)器人六足行走機(jī)器人 19行業(yè)特制第五部分第五部分機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人串聯(lián)機(jī)器人串聯(lián)機(jī)器人直角坐標(biāo)系機(jī)器人直角坐標(biāo)系機(jī)器人 20行業(yè)特制機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類串聯(lián)機(jī)器人串聯(lián)機(jī)器人圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人圓柱坐標(biāo)系機(jī)器人 21行業(yè)特制機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類串聯(lián)機(jī)器人串聯(lián)機(jī)器人水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人 22行業(yè)特制機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人 動(dòng)平臺(tái)定平臺(tái)球鉸球鉸或萬(wàn)向鉸驅(qū)動(dòng)桿上半部分驅(qū)動(dòng)桿下半部分23行業(yè)特制第六部分第六部分機(jī)器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.機(jī)械本體：機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)基本上分為兩大類，

10、一類是操作本體機(jī)構(gòu)，它類似人的手臂和手腕，另一類為移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。 2.驅(qū)動(dòng)伺服單元：伺服單元的作用是使驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)并帶動(dòng)負(fù)載按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。已廣泛采用的驅(qū)動(dòng)方式有：液壓伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)。3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)的指令值由主計(jì)算機(jī)計(jì)算后，在各采樣周期給出。機(jī)器人通常采用主計(jì)算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)伺服計(jì)算機(jī)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制。4.傳感系統(tǒng)：除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）。5. 輸入/輸出系統(tǒng)接口：為了與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機(jī)通信

11、裝置。24行業(yè)特制第七部分第七部分機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)自由度：機(jī)器人所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的數(shù)目，有時(shí)海包括手爪（末端操作器）的開合自由度。在三維空間中描述一個(gè)物體的位姿（位置和姿態(tài)）需要6個(gè)自由度。工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能小于6個(gè)自由度，也可能大于6個(gè)自由度。例如，a4020裝配機(jī)器人具有4個(gè)自由度，可以在印刷電路板上接插電子器件，puma562機(jī)器人具有6個(gè)自由度，可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。精度：包括定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度是指機(jī)器人手部實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人手部重復(fù)定位于同一目標(biāo)位置的能力（用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示）。

12、工作空間：機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能達(dá)到的所有點(diǎn)的集合（包括形狀和大?。?。最大工作速度：指工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，或手臂末端的最大合成速度。承載能力：指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大重量。承載能力不僅不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量，還與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度有關(guān)。25行業(yè)特制第八部分第八部分機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題：已知機(jī)器人各桿件的幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對(duì)于笛卡兒坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題：已知機(jī)器人各桿件的幾何參數(shù)，給定末端執(zhí)行器相對(duì)于笛卡兒坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，確定關(guān)節(jié)變量的大小。一個(gè)剛體在三維空間中具有6個(gè)自由度，即3個(gè)移動(dòng)自由度和3個(gè)

13、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。齊次變換矩陣00010001xxxxyyyyzzzznoapnoapnoapnoapt旋轉(zhuǎn)矩陣平移坐標(biāo)26行業(yè)特制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 雅可比矩陣在機(jī)器人技術(shù)中占有重要地位：利用雅可比矩陣可以建立機(jī)器人末端執(zhí)行器在笛卡兒坐標(biāo)系中的速度與各關(guān)節(jié)速度間的關(guān)系，以及外界環(huán)境對(duì)末端執(zhí)行器的作用力/力矩與各關(guān)節(jié)力/力矩間的關(guān)系。 對(duì)于n自由度的機(jī)器人，其關(guān)節(jié)變量為 ,機(jī)器人末端執(zhí)行器在笛卡兒坐標(biāo)系中的位姿 求導(dǎo)可得12tnqqqq126ttxyzxyzpppp12nqqq pddtt pqq1116616nnnppqqppqq jqpjq27行業(yè)特制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)雅可比矩陣的應(yīng)

14、用之一：分離速度控制112tnqqqqjp當(dāng)采用計(jì)算機(jī)控制時(shí)，把速度表示為位置增量的形式當(dāng)n6時(shí)，j j不是方陣，雅可比矩陣的逆用其偽逆1()ttjjjj112tnqqq qjp雅可比矩陣的應(yīng)用之二：靜力學(xué)分析機(jī)器人末端執(zhí)行器與外界環(huán)境的接觸力為txyzxyzfffmmmfn個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力為12tnt則ttj f 當(dāng)要求機(jī)器人沿某軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，p為已知，由上式求得關(guān)節(jié)變量的增量q，于是可以確定各關(guān)節(jié)的變量值，由伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置控制。28行業(yè)特制第九部分第九部分機(jī)器人動(dòng)力學(xué)機(jī)器人動(dòng)力學(xué) 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是研究機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力/力矩與機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿、速度和加速度之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。由于機(jī)器人的復(fù)

15、雜性，其動(dòng)力學(xué)模型通常是一個(gè)多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的方法主要有拉格朗日法和牛頓歐拉法。29行業(yè)特制機(jī)器人動(dòng)力學(xué)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)拉格朗日法拉格朗日函數(shù)l定義為系統(tǒng)動(dòng)能k和位能p之差，即pkl由拉格朗日函數(shù)l描述的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為iiiqlqlt)(ddi=1,2,n 其中 n為連桿數(shù)目； qi為廣義坐標(biāo)；iq 為廣義速度；i為作用在第i個(gè)關(guān)節(jié)上的廣義力 用拉格朗日法推導(dǎo)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型可按以下步驟進(jìn)行：a.計(jì)算任一連桿上任一點(diǎn)的速度；b.計(jì)算各連桿的動(dòng)能和機(jī)器人的總動(dòng)能；c. 計(jì)算各連桿的位能和機(jī)器人的總位能；d.建立機(jī)器人系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)；e.

16、對(duì)拉格朗日函數(shù)求導(dǎo)，得到機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程 30行業(yè)特制機(jī)器人動(dòng)力學(xué)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)牛頓歐拉法剛體的一般運(yùn)動(dòng)可以分解為隨質(zhì)心的平動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng) 隨質(zhì)心平動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性可用牛頓定理來(lái)描述 afm繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性可用歐拉定理來(lái)描述 iim 用牛頓歐拉法和拉格朗日法建立機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的最大不同之處在于：牛頓歐拉方程描述的是機(jī)器人系統(tǒng)中每一個(gè)剛體的動(dòng)力學(xué)特性，得出的動(dòng)力學(xué)模型為聯(lián)立方程組，而拉格朗日方程可以描述機(jī)器人系統(tǒng)中多剛體的動(dòng)力學(xué)特性，可以得到封閉形式的動(dòng)力學(xué)模型。31行業(yè)特制機(jī)器人動(dòng)力學(xué)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)模型的一般形式gxx,bxxd)()( 慣性力項(xiàng) 與離心加速度和哥氏加速度有關(guān)的項(xiàng)

17、重力項(xiàng) 廣義力項(xiàng) 32行業(yè)特制第十部分第十部分機(jī)器人的控制機(jī)器人的控制軌跡控制軌跡控制控制器+ +- -機(jī)器人期望軌跡實(shí)際軌跡控制器+ +- -機(jī)器人期望軌跡實(shí)際軌跡補(bǔ)償器+ + +內(nèi)控制回路外控制回路運(yùn)動(dòng)控制 動(dòng)態(tài)控制 “運(yùn)動(dòng)控制”完全不考慮機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性，只是按照機(jī)器人實(shí)際軌跡與期望軌跡間的偏差進(jìn)行負(fù)反饋控制，控制器常采用位置和速度增益控制。 “動(dòng)態(tài)控制”引入了一個(gè)內(nèi)控制回路，對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使機(jī)器人轉(zhuǎn)化為解耦的線性定常系統(tǒng)。內(nèi)控制回路補(bǔ)償器通常采用各種動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償和反饋線性化等方法，外控制回路的設(shè)計(jì)可采用位置和速度增益控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制及各種魯棒控制設(shè)計(jì)方法等

18、?！斑\(yùn)動(dòng)控制”控制律簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但難以保證機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，主要應(yīng)用于定點(diǎn)控制?！皠?dòng)態(tài)控制”可使機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，但需要在線進(jìn)行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)計(jì)算，主要應(yīng)用于軌跡跟蹤控制。 33行業(yè)特制 k kp pg)xb(x,xd(x) g)xb(x,d(x) k kv v+ + + + + + +dx dxdx+ + +- - -xxee 基于控制律分解原理的控制方法 機(jī)器人的控制機(jī)器人的控制軌跡控制軌跡控制34行業(yè)特制000000 xyzxyzfffmmm00000 xyzdxyzvvvv環(huán)境約束 控制約束 機(jī)器人的力控制機(jī)器人的力控制35行業(yè)特制環(huán)境約束 控制約束 000000zxyxyzvffm0000 xryzzdxyvvvffmm機(jī)器人的力控制機(jī)器人的力控制通過(guò)力傳