第1章 概論《工業(yè)機(jī)器人》教學(xué)課件

《工業(yè)機(jī)器人》?精品課件合集第一章概論

1.1初始工業(yè)機(jī)器人1.2工業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況1.3工業(yè)機(jī)器人的組成與分類(lèi)1.4工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)1.5工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人已成為自動(dòng)化的核心裝備，與一般的工業(yè)數(shù)控設(shè)備有著明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在與工作環(huán)境的交互方面。汽車(chē)制造、機(jī)械制造、電子器件、集成電路、塑料加工等較大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)都涉及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人已成為自動(dòng)化的核心裝備，與一般的工業(yè)數(shù)控設(shè)備有著明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在與工作環(huán)境的交互方面。汽車(chē)制造、機(jī)械制造、電子器件、集成電路、塑料加工等較大規(guī)模生產(chǎn)企業(yè)都涉及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人在應(yīng)用環(huán)境中的一個(gè)重要分支。其操作機(jī)具有自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多用途、可對(duì)3個(gè)以上軸進(jìn)行編程等顯著特點(diǎn)，它可以是固定式或移動(dòng)式。不同的機(jī)構(gòu)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義有所不同，但是其可編程、擬人化、通用性和機(jī)電一體化的特點(diǎn)得到了業(yè)界的公認(rèn)。1.1初識(shí)工業(yè)機(jī)器人

1.工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人在世界各國(guó)的定義不完全相同，但是其含義基本一致。（1）InternationalStandardOrganization（ISO）對(duì)工業(yè)機(jī)器人定義（2）ISO8373的定義（3）U.S.RoboticsIndustryAssociation對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化重要裝備。工業(yè)機(jī)器人HP20的外形如圖1.1所示。圖1工業(yè)機(jī)器人HP20工業(yè)機(jī)器人的顯著特點(diǎn)有以下四個(gè)方面：（1）仿人功能。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)各種傳感器感知工作環(huán)境，達(dá)到自適應(yīng)能力。在功能上模仿人的腰、臂、手腕、手抓等部位達(dá)到工業(yè)自動(dòng)化的目的。（2）可編程。工業(yè)機(jī)器人作為柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分，可編程能力是其對(duì)適應(yīng)工作環(huán)境改變能力的一種體現(xiàn)。（3）通用性。工業(yè)機(jī)器人一般分為通用與專(zhuān)用兩類(lèi)。通用工業(yè)機(jī)器人只要更換不同的末端執(zhí)行器就能完成不同的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)。（4）良好的環(huán)境交互性。智能工業(yè)機(jī)器人在無(wú)人為干預(yù)的條件下，對(duì)工作環(huán)境有自適應(yīng)控制能力和自我規(guī)劃能力。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)、噴漆、檢測(cè)、碼垛、研磨拋光、激光加工等。1.2工業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的發(fā)展：我國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開(kāi)了步伐。1.2工業(yè)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的發(fā)展：我國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開(kāi)了步伐。國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃已將沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司、哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司、一汽集團(tuán)涂裝技術(shù)開(kāi)發(fā)中心、國(guó)家機(jī)械局北京自動(dòng)化所工業(yè)機(jī)器人與應(yīng)用技術(shù)工程研究中心、大連賢科機(jī)器人技術(shù)有限公司、天津市南開(kāi)太陽(yáng)高技術(shù)有限公司、上海機(jī)電一體工程有限公司、上海交大海泰科技發(fā)展有限公司、四川綿陽(yáng)四維焊接自動(dòng)化設(shè)備有限公司等確立為智能機(jī)器人主題的9個(gè)產(chǎn)業(yè)化基地。CCR-RB6B工業(yè)機(jī)器人（見(jiàn)圖

1.2）可以廣泛應(yīng)用于弧焊、點(diǎn)焊、涂膠、切割、搬運(yùn)、碼垛、噴漆、科研及教學(xué)、機(jī)床加工上下料等領(lǐng)域。圖1.2國(guó)產(chǎn)CCR-RB6B工業(yè)機(jī)器人國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展：

在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國(guó)的KUKARoboter，美國(guó)的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S-TRobotics，意大利的COMAU，英國(guó)的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司等，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展：

在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國(guó)的KUKARoboter，美國(guó)的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S-TRobotics，意大利的COMAU，英國(guó)的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司等，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。

目前，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)及汽車(chē)零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、分配機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。在眾多制造業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人最廣泛的領(lǐng)域是汽車(chē)及汽車(chē)零部件制造業(yè)，如圖1.3、圖1.4所示。圖1.32005年美洲主要行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求分布圖1.42005年亞洲主要行業(yè)對(duì)

工業(yè)機(jī)器人需求分布縱觀世界各國(guó)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)過(guò)程，可歸納為三種不同的發(fā)展模式，即日本模式、歐洲模式和美國(guó)模式。1.日本模式日本模式的特點(diǎn)是：各司其職，分層面完成交鑰匙工程。即機(jī)器人制造廠商以開(kāi)發(fā)新型機(jī)器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，并由其子公司或社會(huì)上的工程公司來(lái)設(shè)計(jì)制造各行業(yè)所需要的機(jī)器人成套系統(tǒng)，各自分別完成交鑰匙工程。2.歐洲模式歐洲模式的特點(diǎn)是：一攬子交鑰匙工程。即機(jī)器人的生產(chǎn)和用戶(hù)所需要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造，全部由機(jī)器人制造廠商自己完成。3.美國(guó)模式美國(guó)模式的特點(diǎn)是：采購(gòu)與成套設(shè)計(jì)相結(jié)合。美國(guó)國(guó)內(nèi)基本上不生產(chǎn)普通的工業(yè)機(jī)器人，企業(yè)需要機(jī)器人時(shí)通常由工程公司進(jìn)口，再自行設(shè)計(jì)、制造配套的外圍設(shè)備，完成交鑰匙工程。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展大致分為三個(gè)階段：第

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代工業(yè)機(jī)器人：主要指T/P方式（Teaching/Playback方式，示教/再現(xiàn)方式）的工業(yè)機(jī)器人。即為了讓機(jī)器人完成某種作業(yè)，首先由操作者將為了作業(yè)的各種知識(shí)（如空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等）通過(guò)某種手段，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行“示教”，而機(jī)器人的控制系統(tǒng)則將這些知識(shí)記憶下來(lái)，然后再根據(jù)“再現(xiàn)”指令，逐條取出這些知識(shí)。經(jīng)過(guò)解讀之后，在一定精度范圍之內(nèi)，反復(fù)忠實(shí)執(zhí)行各種被示教過(guò)的復(fù)雜動(dòng)作。目前，國(guó)際上商品化與實(shí)用化的工業(yè)機(jī)器人，絕大部分都是這種T/P方式。第2代工業(yè)機(jī)器人：指具有一些簡(jiǎn)單智能（如視覺(jué)、觸覺(jué)、力感知等）的工業(yè)機(jī)器人。第二代工業(yè)機(jī)器人早在兩三年前就已獲得實(shí)驗(yàn)室性的成功，但是由于智能信息處理系統(tǒng)的龐大與昂貴，尚不能普及。第

3

代工業(yè)機(jī)器人：指具有自治性的工業(yè)機(jī)器人。即不僅具有視覺(jué)、觸覺(jué)、力感知等智能，而且還具有像人一樣的邏輯思維、邏輯判斷機(jī)能。機(jī)器人依靠本身的智能系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境、作業(yè)條件等做出判斷后，可自行進(jìn)行工作。第三代工業(yè)機(jī)器人目前剛剛進(jìn)入探索階段。1.3工業(yè)機(jī)器人的組成與分類(lèi)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)械本體、傳感器部分和控制部分。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)、感知系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。圖1.5所示為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成及相互關(guān)系。圖1.5工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成及相互關(guān)系工業(yè)機(jī)器人按三大部分（機(jī)械本體部分、感知器部分和控制部分）分類(lèi)如圖1.7所示。圖1.7工業(yè)機(jī)器人分類(lèi)工業(yè)機(jī)器人按用途可分為以下幾種：1.材料搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人用途很廣泛，一般只需要點(diǎn)位控制，即被搬運(yùn)工件無(wú)嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)軌跡要求，只要求起始點(diǎn)和終點(diǎn)的位姿準(zhǔn)確。2.檢測(cè)機(jī)器人零件制造過(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。這類(lèi)機(jī)器人的工作內(nèi)容主要是確認(rèn)零件尺寸是否在允許的公差內(nèi)，或者控制零件按質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)。3.焊接機(jī)器人這是目前應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)器人，它又分為電焊和弧焊兩類(lèi)。電焊機(jī)器人負(fù)荷大、動(dòng)作快，工作的位姿要求嚴(yán)格，一般有6個(gè)自由度。弧焊機(jī)器人負(fù)載小、速度低，弧焊對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格，必須實(shí)現(xiàn)連續(xù)路徑控制，即在運(yùn)動(dòng)軌跡的每個(gè)點(diǎn)都必須實(shí)現(xiàn)預(yù)定的位置和姿態(tài)要求。4.裝配機(jī)器人裝配機(jī)器人要求具有較高的位姿精度，手腕具有較大的柔性，如圖

1.8

所示。圖1.8裝配機(jī)器人工作示意圖5.噴涂機(jī)器人噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。圖1.9IRB5400-12噴涂機(jī)器人1.4工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)包括以下幾種：自由度、精度、工作范圍、最大工作速度和承載能力。1.自由度機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，一般不包括手爪（或末端執(zhí)行器）的開(kāi)合自由度。在三維空間中表述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要6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6個(gè)也可能大于6個(gè)自由度。2.精

度工業(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，用反復(fù)多次測(cè)試的定位結(jié)果的代表點(diǎn)與指定位置之間的距離來(lái)表示。重復(fù)定位精度是指機(jī)器人重復(fù)定位手部于同一目標(biāo)位置的能力，以實(shí)際位置值的分散程度來(lái)表示。實(shí)際應(yīng)用中常以重復(fù)測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差值的3倍來(lái)表示，它是衡量一列誤差值的密集度。3.工作范圍工作范圍是指機(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，也叫做工作區(qū)域。因?yàn)槟┒瞬僮髌鞯男螤詈统叽缡嵌喾N多樣的，為了真實(shí)地反映機(jī)器人的特征參數(shù)，一般工作范圍是指不安裝末端操作器的工作區(qū)域。4.最大工作速度最大工作速度，有的廠家指工業(yè)機(jī)器人自由度上最大的穩(wěn)定速度，有的廠家指手臂末端最大合成速度，通常歐洲技術(shù)參數(shù)中就有說(shuō)明。工作速度越高，工作效率就越高。但是，工作速度越高就要花費(fèi)更多的時(shí)間去升速或降速。5.承載能力承載能力是指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位置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，而且與機(jī)器人運(yùn)行的速度、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。承載能力不僅指負(fù)載，而且包括了機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。1.5工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)不同種類(lèi)的工業(yè)機(jī)器人要求的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)有所不同。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)朝著智能化、模塊化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，概括起來(lái)工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器（RC）、運(yùn)動(dòng)控制器（MC）、光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機(jī)器人控制器（RC）和編程示教盒通過(guò)串口/CAN總線進(jìn)行通信。機(jī)器人控制器（RC）的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。（2）模塊化、層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求，對(duì)應(yīng)不同層次的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所需要的功能。（2）模塊化、層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求，對(duì)應(yīng)不同層次的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所需要的功能。（3）機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過(guò)各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。（2）模塊化、層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。三個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求，對(duì)應(yīng)不同層次的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所需要的功能。（3）機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過(guò)各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。（4）網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)：目前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來(lái)越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場(chǎng)總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通信，便于對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。

國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展：

在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國(guó)的KUKARoboter，美國(guó)的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S-TRobotics，意大利的COMAU，英國(guó)的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的Robogroup