工業(yè)機器人的技術(shù)指標PPT課件

1、課前回顧 所 處 位 置 工業(yè)機器人的系統(tǒng)由哪幾部分組成？工業(yè)機器人的驅(qū)動方式， 常見的有哪幾種？ 【 課 前 回 顧 】 章節(jié)目錄 思考練習 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(shù)指標 學習目標 導入案例 擴展與提高 本章小結(jié) 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 學習目標 所 處 位 置 熟悉工業(yè)機器人的常熟悉工業(yè)機器人的常見技術(shù)指標見技術(shù)指標 能夠正確識別工業(yè)機能夠正確識別工業(yè)機器人的點位運動和連器人的點位運動和連續(xù)路徑運

2、動續(xù)路徑運動【 學 習 目 標 】 返回 目錄 認知目標認知目標能力目標能力目標了解工業(yè)機器人的運了解工業(yè)機器人的運動控制動控制能夠掌握工業(yè)機器人能夠掌握工業(yè)機器人的技術(shù)指標的含義的技術(shù)指標的含義2.2 2.2 工業(yè)機器人的技術(shù)指標工業(yè)機器人的技術(shù)指標 機器人的技術(shù)指標反映機器人的適用范圍適用范圍和工作性能工作性能。 所 處 位 置 【 課 堂認 知 自由度自由度工作空間工作空間額定負載額定負載最大工作速度最大工作速度工作精度工作精度一般都有：一、關(guān)節(jié)（一、關(guān)節(jié)（Joint）：即運動副，允許機器人手臂各零件之：即運動副，允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構(gòu)。間發(fā)生相對運動的機構(gòu)。二、連桿

3、二、連桿（Link）：）：機器人手臂上被機器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)相鄰兩關(guān)節(jié)分開的部分。分開的部分。三、剛度（三、剛度（Stiffness）：）：機身或臂部在外力作用下抵抗變形機身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來度量之比來度量。1、自由度（Degree of freedom） ：或者稱坐標軸數(shù)，是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。手指的開、合，以及手指手指的開、合，以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。工業(yè)機器人的技術(shù)指標工業(yè)機器人的技術(shù)指標 通常作為機器人的技術(shù)指標，

4、反映機器人動作的靈活性靈活性，可用軸的直線移動、擺動直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示。 目前，焊接和涂裝作業(yè)機器人多為目前，焊接和涂裝作業(yè)機器人多為 6 或或 7 自由度，而搬運、自由度，而搬運、碼垛和裝配機器人多為碼垛和裝配機器人多為 46 自由度。自由度。 機器人的自由度越多，機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；機能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)但是自由度越多，結(jié)構(gòu)越復雜，對機器人的整越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機體要求就越高，這是機器人設(shè)計中的一個矛盾器人設(shè)計中的一個矛盾。是不是自由度是不是自由度越多越好呢？越多越好

5、呢？2、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。3、工作精度 目前，工業(yè)機器人的重復精度可達目前，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。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。重復精度亦不同。 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 。 工業(yè)機器人典型行業(yè)應用的工作精度工業(yè)機器人典型行業(yè)應用的工作精度 所 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 額定負載（額定負載（ kg ） 重復定位精度（重復定位精度（ mm ） 作業(yè)任務作業(yè)任務

6、搬運搬運 0.2 0.5 5200 碼垛碼垛 0.5 50800 點焊點焊 0.2 0.3 50350 弧焊弧焊 0.08 0.1 320 噴涂噴涂 0.2 0.5 520 0.02 0.03 25 裝配裝配 0.06 0.08 610 0.06 0.1 1020 19/30 4、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，其手腕參考點或手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能掠過的空間，一般不包括末端操作器本身所能到達一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。的區(qū)域。目前，單體工業(yè)機器人本體的工作范圍可達目前，單體工業(yè)機器人本體的工作

7、范圍可達3.5 m 左右。左右。 所 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 b) 水平串聯(lián)多關(guān)節(jié)機器人 MOTOMAN MPP3S a) 垂直串聯(lián)多關(guān)節(jié)機器人 MOTOMAN MH3F 返回 c) 并聯(lián)多關(guān)節(jié)機器人 MOTOMAN MYS650L 目錄 不同本體結(jié)構(gòu) YASKAWA 機器人工作范圍 20/30 最大工作速度最大工作速度通常指機器人通常指機器人手腕中心手腕中心的最大速度。的最大速度。這在生產(chǎn)中是影響生產(chǎn)這在生產(chǎn)中是影響生產(chǎn)效率的重要指標。效率的重要指標。 5、工作速度、工作速度 機器人在工作載荷條機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中，機械接口中件下、勻速運動過程中，機械接口中心或

8、工具中心點在心或工具中心點在單位時間單位時間內(nèi)所內(nèi)所移動移動的距離的距離或或轉(zhuǎn)動的角度轉(zhuǎn)動的角度機器人的運動速度機器人的運動速度是指單關(guān)節(jié)速度；是指單關(guān)節(jié)速度；2.3 工業(yè)機器人的運動控制工業(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開鏈式多連桿機構(gòu) ，始 端連桿就是機器人的基座 ， 末端連桿與工具相連 ， 相鄰連桿之間用一個關(guān)節(jié)（軸）連接在一起 。對于一個 6 自由度工業(yè)機器人，它由 6 個連桿和 6 個關(guān)節(jié)（軸）組成。編號時，基座稱為連基座稱為連桿桿 0 ，不包含在這，不包含在這 6 個連桿內(nèi)個連桿內(nèi)，連桿 1 與基座由關(guān)節(jié) 1 相連，

9、連桿 2 通過關(guān)節(jié) 2 與連桿 1 相連，依此類推。 位 置 【 課 堂 認 知 】 返回 目錄 a) 實物圖實物圖 連桿連桿 4 連桿連桿 6 連桿連桿 5 連桿連桿 3 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié) 6 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié) 5 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié) 4 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié) 3 連桿連桿 2 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié) 2 連桿連桿 1 關(guān)節(jié)關(guān)節(jié) 1 連桿連桿 0 b) 機構(gòu)簡圖機構(gòu)簡圖 工業(yè)機器人操作機工業(yè)機器人操作機 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，己知各關(guān)節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相對于參考坐標系的位姿，稱之為正向運動學正向運動學 （運動學正解或 Where 問題）。）。位 置 【 課 堂 認 知 】 Whe

10、re is my hand? 返回 目錄 運動學正問題（示教）運動學正問題（示教） 機器人示教機器人示教時，機器人時，機器人控制器即逐控制器即逐點進行運動點進行運動學正解運算。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(guān)節(jié)角矢量，稱之為逆向運動學逆向運動學 （運動學逆解或 How 問題）。）。 How do I put my hand here? 運動學逆問題（再現(xiàn)）運動學逆問題（再現(xiàn)） 機器人再現(xiàn)時，機器人再現(xiàn)時，機器人控制器即機器人控制器即逐點進行運動學逐點進行運動學逆解運算，并將逆解運算，并將矢量分解到操作矢量

11、分解到操作機各關(guān)節(jié)機各關(guān)節(jié)。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(guān)心機器人末端執(zhí)行器運動的起點和目標點位姿，不關(guān)心這兩點之間的運不關(guān)心這兩點之間的運動軌跡。動軌跡。 置 (2) 連續(xù)路徑運動（ Continuous Path, CP ） CP 運動不僅關(guān)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)重復運動所期望的軌跡在一定精度范圍內(nèi)重復運動。 【 課 堂 認 知 】 Z Y A X E D B C 工業(yè)機器人工業(yè)機器人 PTP 運動和

12、運動和 CP 運動運動 2.3.2 機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動 所 機器人機器人 CP 運動的實現(xiàn)是以點到點運動為基礎(chǔ)，運動的實現(xiàn)是以點到點運動為基礎(chǔ)，通過在相鄰兩點之間采用滿足精度要求的直線或通過在相鄰兩點之間采用滿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逆解運算轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，分送機器人各關(guān)節(jié)或關(guān)節(jié)控制器（下位機）。 處 位 置 【 課 堂 認 知 】 關(guān)節(jié)控制器

13、1 （下位機） 機器人主控制器 （上位機） 關(guān)節(jié)控制器 2 （下位機） 機器人關(guān)節(jié) 軌跡 角度值 i 示教點位姿 中間位姿 直線 / 圓弧插補 運動學逆問題 關(guān)節(jié)控制器 n （下位機） 工業(yè)機器人的連續(xù)路徑運動工業(yè)機器人的連續(xù)路徑運動 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(guān)節(jié)控制器（下位機）是執(zhí)行計算機，負責伺服電機的閉環(huán)閉環(huán)控制控制及實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作協(xié)調(diào)實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作協(xié)調(diào)。 置 【 課 堂 認 知 】 關(guān)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 給定 + 期望 + + M 位置 位置 - - - 電流反饋 光電 碼

14、盤 位置反饋 速度反饋 工業(yè)機器人的位置控制工業(yè)機器人的位置控制 運動控制電機及驅(qū)動運動控制電機及驅(qū)動 機器人的核心技術(shù)是運動控制技術(shù)運動控制技術(shù)，目前工業(yè)機器人采用的電氣驅(qū)動電氣驅(qū)動主要有 步進電動機步進電動機和伺服電動機伺服電動機 兩類。 所 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)開環(huán)控制精密驅(qū)動元件驅(qū)動元件 ，分為 反應式步進電機、永磁式步進電反應式步進電機、永磁式步進電機機和混合式步進電機混合式步進電機 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 】 步進電機與步進驅(qū)動器步進

15、電機與步進驅(qū)動器 2 伺服電動機系統(tǒng)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)行元件執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度輸出，可分為 直流直流 和 交流伺服電機交流伺服電機 兩大類。 位 置 特點：當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，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)；同功率下有較小的體積和重量。 【 擴 展 與 提 高 】 伺服電機與伺服驅(qū)動器伺服電機與伺服驅(qū)動器 本章小結(jié)本章小結(jié) 所 工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機。通常用工業(yè)機器人的

16、機械結(jié)構(gòu)部分稱為操作機。通常用自由度、自由度、工作空間、額定負載、定位精度、重復定位精度和最大工作速工作空間、額定負載、定位精度、重復定位精度和最大工作速度度等技術(shù)指標來表征工業(yè)機器人操作機的性能。等技術(shù)指標來表征工業(yè)機器人操作機的性能。 處 位 置 工業(yè)機器人通常由操工業(yè)機器人通常由操作機、控制器作機、控制器和和示教器示教器三部分組成。操三部分組成。操作機是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，一般由機械臂、驅(qū)作機是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，一般由機械臂、驅(qū)動動 - 傳動裝置以及內(nèi)部傳感器等組成?？刂破魇峭瓿蓹C器人控制傳動裝置以及內(nèi)部傳感器等組成?？刂破魇峭瓿蓹C器人控制功能的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，一

17、般由控制計算機和伺服控制器組成。示教器功能的結(jié)構(gòu)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，主要由顯示屏和按鍵組成。是機器人的人機交互接口，主要由顯示屏和按鍵組成。 【 本 章 小 結(jié) 】 工業(yè)機器人的運動控制是指工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器從工業(yè)機器人的運動控制是指工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器從一點移動到另一點的過程中，常采用點位（一點移動到另一點的過程中，常采用點位（ PTP ）控制和連）控制和連續(xù)路徑（續(xù)路徑（ CP ）控制兩種方式。）控制兩種方式。 思考練習 1 、填空 所 (1) _ 通常作為機器人的技術(shù)指標，反映了機器人動作的靈活性，可 處 用軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)

18、動作的數(shù)目來表示。 位 置 (2) 工業(yè)機器人主要由 _ 、 _ 和 _ 組成。下圖中 1 表示 _ ； 2 表示 _ ； 3 表示 _ 和 4 表示 _ 。 1 【 2 思 考 3 練 4 習 】 題 2 圖 (3) 工業(yè)機器人的運動控制主要是實現(xiàn) _ 和 _ 兩種。當機器人進行 _ 運動控制時，末端執(zhí)行器既要保證運動的起點和目標點位姿，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)運動。 (4) 對給定的機器人操作機，己知各關(guān)節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相對于參 考坐標系的位姿，稱之為 _ 運動學。 29/30 思考練習 2 、選擇 所 (1) 操作機是工業(yè)機器人的機械主體，是用于完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)。它主 處 要哪幾部分組成？（ ） 位 置 機械臂；驅(qū)動裝置；傳動單元；內(nèi)部傳感器 A. B. C. D. (2) 示教器也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 【 操作者手持移動。它是機器人的人機交互接