工業(yè)機(jī)器人技術(shù)(郭洪紅)第1章

會(huì)計(jì)學(xué)1工業(yè)機(jī)器人技術(shù)(郭洪紅)第1章1.1機(jī)器人的分類

機(jī)器人的分類方法很多,這里依據(jù)兩個(gè)有代表性的分類方法列舉機(jī)器人的分類。首先,機(jī)器人按應(yīng)用可分為工業(yè)機(jī)器人、極限作業(yè)機(jī)器人和娛樂(lè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人有搬運(yùn)、焊接、裝配、噴漆、檢查等機(jī)器人,主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中,如圖1.1、圖1.2所示。

第1頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.1弧焊機(jī)器人

第2頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.2汽車焊接生產(chǎn)線上的機(jī)器人

第3頁(yè)/共77頁(yè)極限作業(yè)機(jī)器人主要是指用在人們難以進(jìn)入的核電站、海底、宇宙空間進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人,也包括建筑、

農(nóng)業(yè)機(jī)器人等,如圖1.3、

圖1.4所示。

圖

1.3排爆機(jī)器人

第4頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.4火星探測(cè)機(jī)器人

第5頁(yè)/共77頁(yè)娛樂(lè)機(jī)器人包括彈奏樂(lè)器的機(jī)器人、舞蹈機(jī)器人、玩具機(jī)器人等(具有某種程度的通用性),也有根據(jù)環(huán)境而改變動(dòng)作的機(jī)器人,如圖1.5、

圖1.6所示。

圖1.5寵物機(jī)器狗第6頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.6機(jī)器男孩

第7頁(yè)/共77頁(yè)其次,按照控制方式機(jī)器人可分為操作機(jī)器人、程序機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、智能機(jī)器人和綜合機(jī)器人。操作機(jī)器人的典型代表是在核電站處理放射性物質(zhì)時(shí)遠(yuǎn)距離進(jìn)行操作的機(jī)器人。在這種場(chǎng)合,相當(dāng)于人手操縱的部分稱為主動(dòng)機(jī)械手,進(jìn)行類似動(dòng)作的部分稱為從動(dòng)機(jī)械手。兩者基本是類似的,但從動(dòng)機(jī)械手要大些,是用經(jīng)過(guò)放大的力進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人;主動(dòng)機(jī)械手要小些。

也有一方面用顯微鏡進(jìn)行觀察,一方面進(jìn)行精密作業(yè)的機(jī)器人。

第8頁(yè)/共77頁(yè)程序機(jī)器人按預(yù)先給定的程序、條件、位置進(jìn)行作業(yè)。示教再現(xiàn)機(jī)器人同盒式磁帶的錄放一樣,機(jī)器人將所教的操作過(guò)程自動(dòng)地記錄在磁盤、磁帶等存儲(chǔ)器中,當(dāng)需要再現(xiàn)操作時(shí),可重復(fù)所教過(guò)的動(dòng)作過(guò)程。示教方法有直接示教與遙控示教,如圖1.7所示。

第9頁(yè)/共77頁(yè)圖1.7機(jī)器人示教(a)手把手示教;(b)有線示教;(c)無(wú)線示教

第10頁(yè)/共77頁(yè)智能機(jī)器人不僅可以進(jìn)行預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作,還可以按照工作環(huán)境的變化改變動(dòng)作。綜合機(jī)器人是由操縱機(jī)器人、示教再現(xiàn)機(jī)器人、智能機(jī)器人組合而成的機(jī)器人,如火星機(jī)器人。1997年7月4日,“火星探險(xiǎn)者”(MarsPathfinder)在火星上著陸,著陸體是四面體形狀,著陸后三個(gè)蓋子的打開(kāi)狀態(tài)如圖1.8所示。它在能上、下、左、右動(dòng)作的攝像機(jī)平臺(tái)上裝有兩臺(tái)CCD攝像機(jī),通過(guò)立體觀測(cè)而得到空間信息。整個(gè)系統(tǒng)可以看作是由地面指令操縱的操作機(jī)器人。

第11頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.8火星探險(xiǎn)者

第12頁(yè)/共77頁(yè)1.2工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展

1.2.1工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人最早應(yīng)用于汽車制造工業(yè),常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)器人延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能,它可代替人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作;代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動(dòng),提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心、自動(dòng)搬運(yùn)小車以及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。第13頁(yè)/共77頁(yè)目前,工業(yè)機(jī)器人主要用于以下幾個(gè)方面:

1)惡劣工作環(huán)境及危險(xiǎn)工作壓鑄車間及核工業(yè)等領(lǐng)域的作業(yè)是一種有害于健康并危及生命,或不安全因素很大而不宜于人去做的作業(yè),用工業(yè)機(jī)器人做是最適合的。圖1.9所示為核工業(yè)上沸騰水式反應(yīng)堆(BWR)燃料自動(dòng)交

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1.9燃料自動(dòng)交換機(jī)

第15頁(yè)/共77頁(yè)該自動(dòng)交換機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1.9所示,它是由輕型橋式臺(tái)車、橫向吊車、圓筒式伸縮立柱和燃料夾頭、運(yùn)轉(zhuǎn)操作臺(tái)等組成的;并采用了計(jì)算機(jī)控制方式,可依據(jù)操作人員的運(yùn)轉(zhuǎn)指令,完成自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)、半自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式下的燃料交換。這種裝置的主要特征是:①可以在遠(yuǎn)距離的操作室中全自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn);②精密的多重圓筒立柱可提高定位精度;③利用計(jì)算機(jī)可以控制系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn),防止誤操作。這種交換機(jī)的使用不僅提高了效率,降低了對(duì)操作人員的輻射,而且,由計(jì)算機(jī)控制的操作自動(dòng)化可以提高作業(yè)的安全性。

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2)特殊作業(yè)場(chǎng)合和極限作業(yè)火山探險(xiǎn)、深海探密和空間探索等領(lǐng)域?qū)τ谌祟悂?lái)說(shuō)是力所不能及的,只有機(jī)器人才能進(jìn)行作業(yè)。如圖1.10所示的航天飛機(jī)上用來(lái)回收衛(wèi)星的操作臂RMS(RemoteManipulator[JP]System),它是由加拿大SPAR航天公司設(shè)計(jì)并制造的,是世界上最大的關(guān)節(jié)式機(jī)器人。該操作臂額定載荷為15000kg,最大載荷為30000kg;末端操作器的最大速度:空載時(shí)為0.6m/s,承載15000kg時(shí)為0.06m/s,承載30000kg時(shí)為0.03m/s;定位精度為±0.05m。這些額定參數(shù)是在外層空間抓放飛行體時(shí)的參數(shù)。如在地球環(huán)境下,即使沒(méi)有任何外加載荷,單是舉起總質(zhì)量為450kg的操作臂,也將產(chǎn)生很大的變形。

第17頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.10航天飛機(jī)上的操作臂

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3)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域早期的工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)上主要用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和噴漆。隨著柔性自動(dòng)化的出現(xiàn),機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域扮演了更重要的角色?，F(xiàn)舉例如下:

(1)焊接機(jī)器人。汽車制造廠已廣泛應(yīng)用焊接機(jī)器人進(jìn)行承重大梁和車身結(jié)構(gòu)的焊接?；『笝C(jī)器人需要六個(gè)自由度,三個(gè)自由度用來(lái)控制焊具跟隨焊縫的空間軌跡,另三個(gè)自由度保持焊具與工件表面有正確的姿態(tài)關(guān)系,這樣才能保證良好的焊縫質(zhì)量。

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(2)材料搬運(yùn)機(jī)器人。材料搬運(yùn)機(jī)器人可用來(lái)上下料、碼垛、卸貨以及抓取零件定向等作業(yè)。一個(gè)簡(jiǎn)單抓放作業(yè)機(jī)器人只需較少的自由度;一個(gè)給零件定向作業(yè)的機(jī)器人要求有更多的自由度,以增加其靈巧性。

(3)檢測(cè)。零件制造過(guò)程中的檢測(cè)以及成品檢測(cè)都是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序。檢測(cè)主要有兩個(gè)工作內(nèi)容:確認(rèn)零件尺寸是否在允許的公差內(nèi);控制零件按質(zhì)量分類。

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(4)裝配機(jī)器人。裝配是一個(gè)比較復(fù)雜的作業(yè)過(guò)程,不僅要檢測(cè)裝配作業(yè)過(guò)程中的誤差,而且要試圖糾正這種誤差。因此,裝配機(jī)器人上應(yīng)用有許多傳感器,如接觸傳感器、視覺(jué)傳感器、接近傳感器和聽(tīng)覺(jué)傳感器等。聽(tīng)覺(jué)傳感器用來(lái)判斷壓入件或滑入件是否到位。

(5)噴漆和噴涂。一般,在三維表面進(jìn)行噴漆和噴涂作業(yè)時(shí)，至少要有五個(gè)自由度。由于可燃環(huán)境的存在,驅(qū)動(dòng)裝置必須防燃防爆。在大件上作業(yè)時(shí),往往把機(jī)器人裝在一個(gè)導(dǎo)軌上,以便行走。

第21頁(yè)/共77頁(yè)綜上所述,工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用給人類帶來(lái)了許多好處,如:(1)減少勞動(dòng)力費(fèi)用;(2)提高生產(chǎn)率;(3)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量;(4)增加制造過(guò)程的柔性;(5)減少材料浪費(fèi);(6)控制和加快庫(kù)存的周轉(zhuǎn);(7)降低生產(chǎn)成本;(8)消除危險(xiǎn)和惡劣的勞動(dòng)崗位。

第22頁(yè)/共77頁(yè)1.2.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展

1.全球機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r

1954年,美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念,并申請(qǐng)了專利。該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié),利用人手對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作示教,機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人,現(xiàn)有的機(jī)器人差不多都采用這種控制方式。

1958年,被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的JosephF.EngelBerger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司——Unimation(UniversalAutomation)公司,并參與設(shè)計(jì)了第一臺(tái)Unimate機(jī)器人,如圖1.11所示。

第23頁(yè)/共77頁(yè)這是一臺(tái)用于壓鑄作業(yè)的五軸液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,手臂的控制由一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)完成。它采用分離式固體數(shù)控元件,并裝有存儲(chǔ)信息的磁鼓,能夠記憶完成180個(gè)工作步驟。與此同時(shí),另一家美國(guó)公司——AMF公司也開(kāi)始研制工業(yè)機(jī)器人,即Versatran(VersatileTransfer)機(jī)器人,如圖1.12所示。它主要用于機(jī)器之間的物料運(yùn)輸,采用液壓驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn),沿垂直方向升降,也可以沿半徑方向伸縮。一般認(rèn)為,Unimate和Versatran是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人。這兩種工業(yè)機(jī)器人的控制方式與數(shù)控機(jī)床大致相似,但外形特征迥異,主要由類似人的手和臂組成。

第24頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.11Unimate機(jī)器人

第25頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.12Versatran機(jī)器人

第26頁(yè)/共77頁(yè)表1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史

第27頁(yè)/共77頁(yè)續(xù)表

第28頁(yè)/共77頁(yè)

2.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期,經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,大致經(jīng)歷了3個(gè)階段:70年代的萌芽期,80年代的開(kāi)發(fā)期和90年代的適用化期。

20世紀(jì)70年代是世界科技發(fā)展的一個(gè)里程碑:人類登上了月球,實(shí)現(xiàn)了金星、火星的軟著陸。我國(guó)也發(fā)射了人造衛(wèi)星。世界范圍內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用掀起了一個(gè)高潮,尤其在日本發(fā)展更為迅猛,它補(bǔ)充了日益短缺的勞動(dòng)力。在這種背景下,我國(guó)于1972年開(kāi)始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。

第29頁(yè)/共77頁(yè)從20世紀(jì)90年代初期起,我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變時(shí)期,掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步,先后研制出了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝、碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人,并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程,形成了一批機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地,為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。

第30頁(yè)/共77頁(yè)目前我國(guó)機(jī)器人研究的主要內(nèi)容如下：

1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究這些研究主要包括:關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人開(kāi)發(fā)；焊接機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置的開(kāi)發(fā)；焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真；電子行業(yè)用裝配機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；

批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專用制造、裝配、測(cè)試設(shè)備和工具的研究開(kāi)發(fā)。

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2)智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)研究這些研究主要包括：遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略研究；智能移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航和定位技術(shù)研究；面向遙控機(jī)器人的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；人機(jī)交互環(huán)境建模系統(tǒng)；基于計(jì)算機(jī)屏幕的多機(jī)器人遙控技術(shù)。

3)機(jī)器人化機(jī)械研究開(kāi)發(fā)這些研究開(kāi)發(fā)主要包括：并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床(VMT)與機(jī)器人化加工中心(RMC)開(kāi)發(fā)研究；機(jī)器人化無(wú)人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備。

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4)以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)這些系統(tǒng)主要包括：開(kāi)放式模塊化裝配機(jī)器人；面向機(jī)器人裝配的設(shè)計(jì)技術(shù)；機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；重構(gòu)機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；裝配力覺(jué)、視覺(jué)技術(shù)；智能裝配策略及其控制技術(shù)。

5)多傳感器信息融合與配置技術(shù)該技術(shù)主要包括：機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；

機(jī)電一體化智能傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

第33頁(yè)/共77頁(yè)1.3工業(yè)機(jī)器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)

1.3.1工業(yè)機(jī)器人的基本組成工業(yè)機(jī)器人由三大部分六個(gè)子系統(tǒng)組成。三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和控制部分。六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人－環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng),可用圖1.13來(lái)表示。

第34頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.13機(jī)器人系統(tǒng)組成

第35頁(yè)/共77頁(yè)六個(gè)子系統(tǒng)的作用分述如下:

1.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái),需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置,這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng),或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng);可以是直接驅(qū)動(dòng)或者是通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。

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2.機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、末端操作器三大件組成,如圖1.14所示。每一大件都有若干自由度,構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若基座具備行走機(jī)構(gòu),則構(gòu)成行走機(jī)器人;若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),則構(gòu)成單機(jī)器人臂(Single

Robot

Arm)。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件,它可以是二手指或多手指的手爪,也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。

第37頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.14工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

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3.感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成,用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的,然而,對(duì)于一些特殊的信息,傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

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4.機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元,如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然,也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

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5.人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如,計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端,指令控制臺(tái),信息顯示板,危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。該系統(tǒng)歸納起來(lái)分為兩大類:指令給定裝置和信息顯示裝置。

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6.控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征,則為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng);若具備信息反饋特征,則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理,控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式,控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。圖1.15為三菱裝配機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成。該機(jī)器人由機(jī)器人主體、控制器、示教盒和PC機(jī)構(gòu)成。可用示教的方式和用PC機(jī)編程的方式來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。

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1.15三菱裝配機(jī)器人系統(tǒng)

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1.16五軸機(jī)器臂教學(xué)裝置

第44頁(yè)/共77頁(yè)1.3.2工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是各工業(yè)機(jī)器人制造商在產(chǎn)品供貨時(shí)所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。表1.2和表1.3為兩種工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。盡管各廠商提供的技術(shù)參數(shù)不完全一樣,工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、用途等有所不同,且用戶的要求也不同,但工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)一般應(yīng)有自由度、重復(fù)定位精度、工作范圍、最大工作速度和承載能力等。

第45頁(yè)/共77頁(yè)表1.2三菱裝配機(jī)器人MovemasterEXRV-M1的主要技術(shù)參數(shù)

第46頁(yè)/共77頁(yè)表1.3PUMA562機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)

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1.自由度(DegreesofFreedom)自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目,不應(yīng)包括手爪(末端操作器)的開(kāi)合自由度。在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)(簡(jiǎn)稱位姿)需要六個(gè)自由度。但是,工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的,可能小于六個(gè)自由度,也可能大于六個(gè)自由度。例如,A4020裝配機(jī)器人具有四個(gè)自由度,可以在印刷電路板上接插電子器件;PUMA562機(jī)器人具有六個(gè)自由度,如圖1.17所示,可以進(jìn)行復(fù)雜空間曲面的弧焊作業(yè)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看,在完成某一特定作業(yè)時(shí)具有多余自由度的機(jī)器人,就叫做冗余自由度機(jī)器人。例如,PUMA562機(jī)器人去執(zhí)行印刷電路板上接插電子器件的作業(yè)時(shí)就成為冗余自由度機(jī)器人。利用冗余自由度可以增加機(jī)器人的靈活性、躲避障礙物和改善動(dòng)力性能。人的手臂(大臂、小臂、手腕)共有七個(gè)自由度,所以工作起來(lái)很靈巧,手部可回避障礙而從不同方向到達(dá)同一個(gè)目的點(diǎn)。

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1.17PUMA562工業(yè)機(jī)器人

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2.精度(Accuracy)工業(yè)機(jī)器人精度是指定位精度和重復(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)器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力,可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差這個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)表示,它是衡量一列誤差值的密集度(即重復(fù)度),如圖1.18所示。

第50頁(yè)/共77頁(yè)圖1.18工業(yè)機(jī)器人定位精度和重復(fù)定位精度的典型情況(a)重復(fù)定位精度的測(cè)量；(b)合理定位精度，良好重復(fù)定位精度；(c)良好定位精度,很差重復(fù)定位精度；

(d)很差定位精度，

良好重復(fù)定位精度

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3.工作范圍(WorkSpace)工作范圍是指機(jī)器人手臂末端或手腕中心所能到達(dá)的所有點(diǎn)的集合,也叫工作區(qū)域。因?yàn)槟┒瞬僮髌鞯某叽绾托螤钍嵌喾N多樣的,為了真實(shí)反映機(jī)器人的特征參數(shù),所以,這里是指不安裝末端操作器時(shí)的工作區(qū)域。工作范圍的形狀和大小是十分重要的,機(jī)器人在執(zhí)行作業(yè)時(shí)可能會(huì)因?yàn)榇嬖谑植坎荒艿竭_(dá)的作業(yè)死區(qū)(DeadZone)而不能完成任務(wù)。圖1.19和圖1.20所示分別為PUMA機(jī)器人和A4020機(jī)器人的工作范圍。

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1.19PUMA機(jī)器人工作范圍

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1.20A4020型SCARA機(jī)器人工作范圍

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4.速度(Speed)速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。說(shuō)明書(shū)中通常提供了主要運(yùn)動(dòng)自由度的最大穩(wěn)定速度,但在實(shí)際應(yīng)用中單純考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的。這是因?yàn)?由于驅(qū)動(dòng)器輸出功率的限制,從啟動(dòng)到達(dá)最大穩(wěn)定速度或從最大穩(wěn)定速度到停止,都需要一定時(shí)間。如果最大穩(wěn)定速度高,允許的極限加速度小,則加減速的時(shí)間就會(huì)長(zhǎng)一些,對(duì)應(yīng)用而言的有效速度就要低一些;反之,如果最大穩(wěn)定速度低,允許的極限加速度大,則加減速的時(shí)間就會(huì)短一些,這有利于有效速度的提高。但如果加速或減速過(guò)快,有可能引起定位時(shí)超調(diào)或振蕩加劇,使得到達(dá)目標(biāo)位置后需要等待振蕩衰減的時(shí)間增加,則也可能使有效速度反而降低。所以,考慮機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性時(shí),除注意最大穩(wěn)定速度外,還應(yīng)注意其最大允許的加減速度。

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5.承載能力(Payload)承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負(fù)載的質(zhì)量,而且還與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。為了安全起見(jiàn),承載能力這一技術(shù)指標(biāo)是指高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。通常,承載能力不僅指負(fù)載,而且還包括了機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。

第56頁(yè)/共77頁(yè)機(jī)器人有效負(fù)載的大小除受到驅(qū)動(dòng)器功率的限制外,還受到桿件材料極限應(yīng)力的限制,因而,它又和環(huán)境條件(如地心引力)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如運(yùn)動(dòng)速度、加速度以及它們的方向)有關(guān)。如加拿大手臂,它的額定可搬運(yùn)質(zhì)量為14500kg,在運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)能達(dá)到29500kg。然而，這種負(fù)荷能力只是在太空中失重條件下才有可能達(dá)到，在地球上,該手臂本身的重量達(dá)410kg,它連自重引起的臂桿變形都無(wú)法承受,更談不上搬運(yùn)質(zhì)量了。

第57頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.21三菱裝配機(jī)器人不帶電動(dòng)手爪時(shí)的承載能力

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1.22三菱裝配機(jī)器人帶電動(dòng)手爪時(shí)的承載能力

第59頁(yè)/共77頁(yè)1.3.3工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)如圖1.23所示,工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型。

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1.23工業(yè)機(jī)器人的幾種坐標(biāo)形式

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1.直角坐標(biāo)／笛卡兒坐標(biāo)／臺(tái)架型(3P)這種機(jī)器人由三個(gè)線性關(guān)節(jié)組成,這三個(gè)關(guān)節(jié)用來(lái)確定末端操作器的位置,通常還帶有附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，用來(lái)確定末端操作器的姿態(tài)。這種機(jī)器人在x、y、z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的,運(yùn)動(dòng)方程可獨(dú)立處理,且方程是線性的,因此,很容易通過(guò)計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn);它可以兩端支撐,對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度,剛性最大;它的精度和位置分辨率不隨工作場(chǎng)合而變化,容易達(dá)到高精度。但是,它的操作范圍小,手臂收縮的同時(shí)又向相反的方向伸出,即妨礙工作,且占地面積大,運(yùn)動(dòng)速度低,密封性不好。

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1.24直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間示意圖

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2.圓柱坐標(biāo)型(R2P)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人由兩個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的位置,再附加一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的姿態(tài)。這種機(jī)器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角,工作范圍可以擴(kuò)大,且計(jì)算簡(jiǎn)單;直線部分可采用液壓驅(qū)動(dòng),可輸出較大的動(dòng)力;能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部。但是，它的手臂可以到達(dá)的空間受到限制,不能到達(dá)近立柱或近地面的空間;直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵;后臂工作時(shí),手臂后端會(huì)碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍呈圓柱形狀,如圖1.25所示。

第64頁(yè)/共77頁(yè)圖

1.25圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍

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3.球坐標(biāo)型(2RP)球坐標(biāo)機(jī)器人采用球坐標(biāo)系,它用一個(gè)滑動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來(lái)確定部件的位置,再用一個(gè)附加的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)確定部件的姿態(tài)。這種機(jī)器人可以繞中心軸旋轉(zhuǎn),中心支架附近的工作范圍大,兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標(biāo)復(fù)雜,難于控制,且直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問(wèn)題。球坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍呈球缺狀,如圖1.26所示。

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1.26球坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍

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4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)型/擬人型(3R)關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的,類似于人的手臂,是工業(yè)機(jī)器人中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜,圖1.19所示為PUMA機(jī)器人的工作范圍。

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5.平面關(guān)節(jié)型這種機(jī)器人可看做是關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的特例,它只有平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)軸線共面。如SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)機(jī)器人有兩個(gè)并聯(lián)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),可以使機(jī)器人在水平面上運(yùn)動(dòng),此外,再用一個(gè)附加的滑動(dòng)關(guān)節(jié)做垂直運(yùn)動(dòng)。SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè),最顯著的特點(diǎn)是它們?cè)趚-y平面上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性,而沿z軸具有很強(qiáng)的剛性,所以,它具有選擇性的柔性。這種機(jī)器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作空間如圖1.27所示。第