焊接機(jī)器人技術(shù)（陳茂愛）（第2版） 課件 第1-5章 機(jī)器人概述-焊接機(jī)器人系統(tǒng)

焊接機(jī)器人技術(shù)V機(jī)器人概述第一章1.1.1機(jī)器人的定義及分類（1）機(jī)器人的基本概念機(jī)器人是集機(jī)械、自動控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科技術(shù)于一體的自動化裝備。許多組織給機(jī)器人的定義不同，從不同的側(cè)面給出了機(jī)器人的定義，但所有定義均強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人的可編程、自動控制特點(diǎn)及代替人或動物完成任務(wù)的功能。

（2）機(jī)器人的分類機(jī)器人的分類方法有多種,最基本、最常用的分類方法是根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域來分。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同,機(jī)器人可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人三大類。

1.1機(jī)器人類手臂型機(jī)器人1.1.2機(jī)器人的發(fā)展簡史（1）機(jī)器人的起源廣義上的機(jī)器人起源于中國，西周時(shí)期,中國的能工巧匠偃師就發(fā)明了能夠跳舞的機(jī)器人。春秋時(shí)期的魯班制造出了能飛行的木鳥。漢蜀國丞相諸葛亮制造了能進(jìn)行軍事后勤運(yùn)輸?shù)哪九Ａ黢R。三國時(shí)代魏國的馬均發(fā)明了記里鼓車,每走10里擊鼓1次,每走100里擊鐘1次。杭州能工巧匠楊務(wù)廉制造了一個(gè)像化緣僧人的機(jī)器人,它手端化緣銅缽笑對行人,能夠向施主躬身行禮,缽滿后還能自動收錢。

1.1機(jī)器人木鳥木牛流馬記里鼓車化緣機(jī)器人1.1.2機(jī)器人的發(fā)展簡史（1）機(jī)器人的起源日本的竹田近江于1662年發(fā)明了自動機(jī)器玩偶。200多年前,法國人沃康松制造了能夠連續(xù)吹奏12首長笛曲子的人形機(jī)器人、可演奏大約20首曲目的人形管樂演奏者和會化的機(jī)器鴨。這個(gè)機(jī)器鴨是第一個(gè)能夠模擬動物生理過程的機(jī)器,可以做出拍打翅膀、喝水、濺水等動作,甚至還有表情。但這些機(jī)器人只有機(jī)械控制,只能完成某一特定的任務(wù),沒有電氣控制,更無法實(shí)現(xiàn)編程控制。1774年,杰奎特·德羅茲發(fā)明了會寫作的機(jī)器人———“作家”?！白骷摇笔堑谝慌_可編程機(jī)器人。

1.1機(jī)器人1.1.2機(jī)器人的發(fā)展簡史（2）現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展1954年：美國人喬治·迪沃申請了機(jī)器人專利。1956年：喬治·迪沃與英格爾伯格聯(lián)合建立了Unimation公司。次年該公司制作出了第一臺現(xiàn)代意義上的機(jī)器人：1961年：第一臺工業(yè)機(jī)器人Unimate安裝在美國通用公司的汽車生產(chǎn)線上,用于生產(chǎn)壓鑄件。1969年：首臺焊接機(jī)器人在美國通用汽車公司的車身生產(chǎn)線上投入使用。1973年：德國KUKA公司制造了第一臺電驅(qū)動6軸機(jī)器人。1979年：Unimation公司推出了配有視覺、觸覺、力覺傳感器的6軸電動機(jī)器人PUMA機(jī)器人。

1.1機(jī)器人世界上第一臺現(xiàn)代機(jī)器人PUMA機(jī)器人1.1.2機(jī)器人的發(fā)展簡史（2）現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展第一代機(jī)器人：“示教再現(xiàn)”型機(jī)器人。這種機(jī)器人需要操作員“手把手”地利用示教器進(jìn)行示教。首先,操作人員利用示教器的控制按鈕引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動,并在一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置;然后機(jī)器人會自動以程序的形式記錄下示教軌跡和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的參數(shù),工作時(shí)重復(fù)記錄的軌跡和參數(shù)。第二代機(jī)器人：有感覺的機(jī)器人。這種機(jī)器人是通過各種傳感器對外部環(huán)境進(jìn)行檢測,由控制器根據(jù)檢測到的環(huán)境條件變化做出一定的反應(yīng)?？奢^好地適應(yīng)環(huán)境的變化。采用了焊縫跟蹤傳感技術(shù)的機(jī)器人就是第二代機(jī)器人。第三代機(jī)器人：“智能機(jī)器人”,是采用了人工智能技術(shù)的機(jī)器人。這類機(jī)器人不但具有感知能力,而且具有思維、推理、判斷和決策能力。到目前為止,機(jī)器人已發(fā)展到第三代。

1.1機(jī)器人1.2.1工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)和任務(wù)控制終端三個(gè)基本部分組成。在完成任務(wù)的過程中,機(jī)器人要與環(huán)境打交道,因此從控制理論上來看,工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)除了上述三部分外,還應(yīng)包括檢測環(huán)境變化的外傳感器,

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成框圖1.2.1工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成（1）機(jī)器人本體機(jī)器人本體又稱機(jī)械手,但如果沒有其他部分,其本身并不能稱為機(jī)器人。它的作用和任務(wù)是在工作過程中精確地保證末端操作器所要求的位置、姿態(tài)和運(yùn)動軌跡。根據(jù)運(yùn)動合成類型的不同,機(jī)器人本體有直角坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型等多種。其中關(guān)節(jié)型較多。關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體通常由機(jī)身(基座)、臂部(大臂和小臂)、手部(末端執(zhí)行器)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等構(gòu)成,關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體通常由機(jī)身(基座)、臂部(大臂和小臂)、手部(末端執(zhí)行器)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等構(gòu)成,

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類工業(yè)機(jī)器人本體與人的手臂比較1.2.1工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成（1）機(jī)器人本體驅(qū)動系統(tǒng)通常由動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)組成,用來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行并完成相應(yīng)的動作。所用的動力裝置有電動、液動和氣動三種類型。無論是用伺服電動機(jī)作為動力裝置,還是用液壓缸或氣缸作為動力裝置,一般都要求通過傳動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。傳動機(jī)構(gòu)有齒輪傳動、諧波齒輪傳動、鏈傳動、螺旋傳動和帶傳動等幾種類型。機(jī)器人本體中還裝有內(nèi)部傳感器,其作用是檢測機(jī)器人本身的狀態(tài)(如位置、速度等)并提供給控制系統(tǒng)。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類（2）環(huán)境和外部傳感系統(tǒng)外部傳感器用來監(jiān)測機(jī)器人所處的工作環(huán)境狀態(tài)。常用的外部傳感器有視覺傳感器、接近傳感器和力傳感器等幾種。機(jī)器人在工作過程中需要根據(jù)工作對象和環(huán)境的當(dāng)前狀態(tài)做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)動作,例如碰到障礙物要做出避開動作。機(jī)器人可根據(jù)外部傳感器檢測到的障礙物信息,利用運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型重新進(jìn)行計(jì)算,形成控制信號,發(fā)送給各個(gè)關(guān)節(jié)并進(jìn)行伺服控制,形成能夠避開障礙物的運(yùn)動規(guī)劃。（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人的指揮中心,由硬件和軟件兩部分組成?？刂葡到y(tǒng)硬件由中央處理控制單元、傳感控制單元及通信總線等幾部分組成,軟件由控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)軟件、機(jī)器人動力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件等組成?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)接收操作人員的作業(yè)指令和內(nèi)外傳感器反饋的環(huán)境信息,根據(jù)預(yù)定策略對指令和反饋信號進(jìn)行判斷與決策。各個(gè)運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在其控制下可執(zhí)行規(guī)定的運(yùn)動,完成特定的作業(yè)。（4）任務(wù)控制終端任務(wù)控制終端是機(jī)器人與人的交互接口,是一種直觀的控制與應(yīng)用程控界面。其作用是向機(jī)器人下達(dá)任務(wù)指令、進(jìn)行任務(wù)仿真、狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示與分析等。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類（4）任務(wù)控制終端任務(wù)控制終端是機(jī)器人與人的交互接口,是一種直觀的控制與應(yīng)用程控界面。其作用是向機(jī)器人下達(dá)任務(wù)指令、進(jìn)行任務(wù)仿真、狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示與分析等。任務(wù)控制終端最典型的例子是機(jī)器人的示教器。示教過程中可利用它控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡、各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)全部的動作及位姿,輸入加工工藝參數(shù)(例如焊接參數(shù));完成示教后可利用它將全部信息輸入到控制系統(tǒng)存儲器中保存。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.2工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人的分類方法有多種,可按照驅(qū)動方式、運(yùn)動軌跡控制方式、控制方法、坐標(biāo)系類型和智能程度等進(jìn)行分類。（1）按照驅(qū)動方式分類①電驅(qū)動型機(jī)器人利用伺服電動機(jī)或步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的機(jī)器人。其優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、響應(yīng)速度快、驅(qū)動力大、檢測及控制靈活方便。焊接機(jī)器人大部分為電驅(qū)動型機(jī)器人。②液壓驅(qū)動型機(jī)器人利用伺服控制的液壓缸進(jìn)行驅(qū)動的機(jī)器人。液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是動力大,但存在速度低、液壓油易泄漏、噪聲大、控制單元笨重、造價(jià)高等問題,因此僅用于某些重型機(jī)器人。如重型搬運(yùn)、點(diǎn)焊機(jī)器人等采用的就是液壓驅(qū)動方式。③氣壓驅(qū)動型機(jī)器人利用空氣壓縮機(jī)和氣缸驅(qū)動的機(jī)器人。氣壓驅(qū)動型機(jī)器人具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、速度快和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),但其控制精度較低、噪聲大,目前在工業(yè)中的應(yīng)用較少,主要用于小型工件的抓取和裝配。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.2工業(yè)機(jī)器人的分類（2）按照運(yùn)動軌跡控制方式分類按照運(yùn)動軌跡控制方式,工業(yè)機(jī)器人可分為點(diǎn)位控制(PTP)型、連續(xù)軌跡控制(CP)型、可控軌跡型等三種。①點(diǎn)位控制(PTP)型機(jī)器人僅僅對末端執(zhí)行器在一次運(yùn)動過程中的始點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行編程控制,而其移動的具體路徑通常為最直接、最經(jīng)濟(jì)的路徑。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜。點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人通常為PTP型機(jī)器人。②連續(xù)軌跡控制(CP)型機(jī)器人又稱為連續(xù)軌跡機(jī)器人。這類機(jī)器人可控制末端執(zhí)行器在一次運(yùn)動過程中通過某一軌跡上特定數(shù)量的點(diǎn)并作一定時(shí)間的停留,以及對這些點(diǎn)之間的移動軌跡做平滑處理,使得末端執(zhí)行器能夠沿著規(guī)定的路徑平穩(wěn)地行走。要經(jīng)過的這些點(diǎn)需要事先編程確定。③可控軌跡型機(jī)器人又稱計(jì)算軌跡機(jī)器人。這類機(jī)器人可根據(jù)任務(wù)要求精確地計(jì)算出滿足要求的運(yùn)動軌跡,而且運(yùn)動精度很高。使用時(shí)只需設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo),機(jī)器人控制系統(tǒng)便能計(jì)算出最佳軌跡?；『笝C(jī)器人通常為連續(xù)軌跡控制型機(jī)器人,電阻點(diǎn)焊機(jī)器人通常為點(diǎn)位控制型機(jī)器人

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.2工業(yè)機(jī)器人的分類（2）按照運(yùn)動軌跡控制方式分類③可控軌跡型機(jī)器人又稱計(jì)算軌跡機(jī)器人。這類機(jī)器人可根據(jù)任務(wù)要求精確地計(jì)算出滿足要求的運(yùn)動軌跡,而且運(yùn)動精度很高。使用時(shí)只需設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo),機(jī)器人控制系統(tǒng)便能計(jì)算出最佳軌跡。弧焊機(jī)器人通常為連續(xù)軌跡控制型機(jī)器人,電阻點(diǎn)焊機(jī)器人通常為點(diǎn)位控制型機(jī)器人。（3）按照控制方法分類按照控制方法分類,工業(yè)機(jī)器人可分為程控型機(jī)器人、示教型機(jī)器人、數(shù)控型機(jī)器人、自適應(yīng)控制型機(jī)器人和智能型機(jī)器人等幾種。①程控型機(jī)器人又稱順序控制機(jī)器人。這種機(jī)器人可根據(jù)預(yù)先設(shè)置的程序完成一系列特定的動作,通常采用邏輯控制裝置、可編程控制器或單板機(jī)作為控制單元,利用限位開關(guān)、凸輪、擋塊、矩陣插銷板、步進(jìn)選線器等機(jī)械裝置來設(shè)置工作順序并實(shí)現(xiàn)位置控制。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.2工業(yè)機(jī)器人的分類（3）按照控制方法分類②示教型機(jī)器人又稱再現(xiàn)型機(jī)器人。這種機(jī)器人可通過人工示教過程對工作任務(wù)進(jìn)行編程。人工示教過程就是利用示教器控制末端執(zhí)行器沿著預(yù)定路徑行走,并在若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上設(shè)置加工工藝參數(shù),模擬完成指定的任務(wù);由存儲器將位移傳感器發(fā)送的信息記錄下來并保存為程序。③數(shù)控型機(jī)器人又稱可控軌跡型機(jī)器人,是最早在工業(yè)中獲得應(yīng)用的一種機(jī)器人。這種機(jī)器人也要進(jìn)行示教,但其示教過程不是手動的,而是通過編程來確定關(guān)鍵點(diǎn)之間的運(yùn)動軌跡,操作人員僅需指定這些關(guān)鍵點(diǎn)以及各點(diǎn)之間的曲線類型即可。④自適應(yīng)控制型機(jī)器人這類機(jī)器人能夠自動感知周圍工作條件的變化,并根據(jù)這種變化做出調(diào)整,以適應(yīng)這種變化,更好地完成工作任務(wù)。⑤智能型機(jī)器人這類機(jī)器人不僅能夠感知周圍條件的變化并做出調(diào)整,而且能夠在信息不充分的情況下或環(huán)境迅速變化的條件下進(jìn)行深入分析和決策,更好地完成工作任務(wù)。這種機(jī)器人更接近于人,但要它和我們?nèi)祟惖乃季S一模一樣還是很難的。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.2工業(yè)機(jī)器人的分類（4）按照坐標(biāo)系類型分類按照機(jī)械手的坐標(biāo)特性來分類,工業(yè)機(jī)器人可分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、球面坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人等幾種直角坐標(biāo)型機(jī)器人也稱機(jī)床型機(jī)器人,其手部可沿直角坐標(biāo)三個(gè)坐標(biāo)軸的方向平移。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛性大、關(guān)節(jié)運(yùn)動相對獨(dú)立,具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、坐標(biāo)計(jì)算簡便、精度高等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動、操作靈活性差,且運(yùn)動空間受限。

工業(yè)機(jī)器人按照坐標(biāo)分類1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.2工業(yè)機(jī)器人的分類（4）按照坐標(biāo)系類型分類球面坐標(biāo)型機(jī)器人的手部能進(jìn)行回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮運(yùn)動。這種機(jī)器人具有靈活性好、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的手部可進(jìn)行升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作。這種機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。這種機(jī)器人的運(yùn)動空間較大,且在其特定運(yùn)動空間內(nèi)可方便地實(shí)現(xiàn)各種位置和姿態(tài),易于完成各種操作。但其坐標(biāo)計(jì)算和控制非常復(fù)雜,控制精度難以達(dá)到直角坐標(biāo)型機(jī)器人的精度。除了以上分法外,工業(yè)機(jī)器人還可按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類,例如焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人等。

工業(yè)機(jī)器人按照坐標(biāo)分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)1)軸數(shù)：軸數(shù)又稱關(guān)節(jié)數(shù),指機(jī)器人具有的獨(dú)立運(yùn)動軸或關(guān)節(jié)數(shù)量。工業(yè)機(jī)器人一般具有3~6個(gè)軸,大部分弧焊機(jī)器人有6個(gè)軸,而電阻點(diǎn)焊機(jī)器人有5個(gè)或6個(gè)軸。機(jī)器人本體中關(guān)聯(lián)桿件及其運(yùn)動的機(jī)構(gòu)稱為關(guān)節(jié),各個(gè)桿件之間的相對運(yùn)動是由關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)運(yùn)動形式的不同,關(guān)節(jié)分為移動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)兩類。移動關(guān)節(jié)是可實(shí)現(xiàn)兩桿件相對直線運(yùn)動的關(guān)節(jié);而轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)是可實(shí)現(xiàn)兩桿件相對旋轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動的關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)除了能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動外,還是機(jī)器人兩個(gè)或多個(gè)剛性桿件(機(jī)器人的手臂)的連接部位。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的基座與臂部之間、臂部之間、臂部和手腕之間等都是通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接的。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類移動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)及其符號1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)2)自由度：自由度數(shù)量就是軸數(shù)或關(guān)節(jié)數(shù),是描述物體運(yùn)動所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)量。它是反映機(jī)器人靈活性的重要指標(biāo)。自由度越多,機(jī)器人就越靈巧,適用性就越強(qiáng),但自由度的增多以機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜、成本提高為代價(jià)

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類不同自由度的機(jī)器人1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)3)工作空間：指工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí),其腕軸交點(diǎn)的活動范圍,常用圖形表示,如圖1-10所示。為簡化起見,也可用最大垂直運(yùn)動范圍和最大水平運(yùn)動范圍來表征。最大垂直運(yùn)動范圍是指機(jī)器人腕部能夠到達(dá)的最低點(diǎn)(通常低于機(jī)器人的基座)與最高點(diǎn)之間的范圍。最大水平運(yùn)動范圍是指機(jī)器人腕部能水平到達(dá)的最遠(yuǎn)點(diǎn)與機(jī)器人基座中心線的距離。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類機(jī)器人工作空間的表示方法1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)4)額定負(fù)載：工業(yè)機(jī)器人在滿足規(guī)定的操作精度下,其機(jī)械接口處(包括末端執(zhí)行器)能承受的最大負(fù)載,通常用質(zhì)量、力矩或慣性矩表示。規(guī)定機(jī)器人的額定負(fù)載主要是為了保證機(jī)器人各運(yùn)動軸上的受力和力矩不至于影響其運(yùn)動精度,除了承受的負(fù)載以外,還有考慮由運(yùn)動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。一定的負(fù)載下,運(yùn)動速度越高,各運(yùn)動軸上的受力和力矩越大。因此,通常將高速運(yùn)行時(shí)機(jī)械接口處所能承受的最大負(fù)載作為額定負(fù)載指標(biāo)。

5)分辨率：機(jī)器人的分辨率是指機(jī)器人各運(yùn)動軸的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。它決定了機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小位移,即運(yùn)動的最小步距。分辨率是在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就確定的參數(shù),決定于檢測參數(shù)。分辨率分為編程分辨率和控制分辨率兩種。編程分辨率是機(jī)器人控制軟件中設(shè)定的最小移動距離或角度,又稱為基準(zhǔn)分辨率。控制分辨率不僅取決于編程分辨率,還取決于位置反饋檢測單元的精度。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)6)定位精度機(jī)器人機(jī)械接口中心的實(shí)際位姿或軌跡與設(shè)定的期望位姿或軌跡之間的差距稱為定位精度,用于表征機(jī)器人末端執(zhí)行器或其機(jī)械接口中心達(dá)到指定位姿的能力。目前,焊接機(jī)器人的定位精度一般為0.01mm。影響定位精度的主要因素有機(jī)械誤差、控制算法誤差與分辨率誤差等,而機(jī)械誤差是主要的。機(jī)械誤差又包括傳動誤差、關(guān)節(jié)間隙及連桿機(jī)構(gòu)的撓性。傳動誤差的大小取決于輪齒誤差、螺距誤差的大小;關(guān)節(jié)間隙的大小取決于關(guān)節(jié)傳動部件的軸承間隙和諧波齒隙的大小等;連桿機(jī)構(gòu)的撓性主要取決于機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的加工制造精度及材料質(zhì)量,除此之外,還受到負(fù)載大小及變化的影響。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)6)定位精度機(jī)器人機(jī)械接口中心的實(shí)際位姿或軌跡與設(shè)定的期望位姿或軌跡之間的差距稱為定位精度,用于表征機(jī)器人末端執(zhí)行器或其機(jī)械接口中心達(dá)到指定位姿的能力。目前,焊接機(jī)器人的定位精度一般為0.01mm。影響定位精度的主要因素有機(jī)械誤差、控制算法誤差與分辨率誤差等,而機(jī)械誤差是主要的。機(jī)械誤差又包括傳動誤差、關(guān)節(jié)間隙及連桿機(jī)構(gòu)的撓性。傳動誤差的大小取決于輪齒誤差、螺距誤差的大小;關(guān)節(jié)間隙的大小取決于關(guān)節(jié)傳動部件的軸承間隙和諧波齒隙的大小等;連桿機(jī)構(gòu)的撓性主要取決于機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的加工制造精度及材料質(zhì)量,除此之外,還受到負(fù)載大小及變化的影響。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)7)重復(fù)精度重復(fù)精度是指工業(yè)機(jī)器人在同一條件下,重復(fù)執(zhí)行n次同一操作命令所測得的位姿或軌跡的一致程度。重復(fù)精度又分為重復(fù)定位精度和軌跡重復(fù)精度兩種。需注意,重復(fù)定位精度和定位精度是兩個(gè)完全不同的概念。對于大部工業(yè)機(jī)器人來說,運(yùn)動的實(shí)際位置或軌跡與指

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類定位精度、重復(fù)定位精度和分辨率之間的關(guān)系令設(shè)定的理想位置或軌跡之間誤差有可能較大,即定位精度可能較差,但連續(xù)幾次相同的運(yùn)動之間的位置或軌跡重復(fù)誤差通常很小。實(shí)際生產(chǎn)中只要重復(fù)定位精度足夠高就可滿足要求。定位精度受重力變形的影響較大,而重復(fù)定位精度則不受重力變形的影響,因?yàn)橹亓ψ冃我鸬恼`差是持續(xù)存在的。定位精度難以測量,機(jī)器人技術(shù)參數(shù)中通常只給出重復(fù)定位精度。

1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)8)工作周期工作周期又稱為工作循環(huán)時(shí)間,指完成一項(xiàng)任務(wù)或操作所用的時(shí)間。這是一個(gè)非常重要的指標(biāo),工作周期越短,說明其工作效率越高,競爭性越強(qiáng)。工作周期包括加速度啟動、等速運(yùn)行和減速制動三個(gè)階段。為了保證定位精度,加減速過程往往占去較長時(shí)間。提高工作效率的方法是增大驅(qū)動功率、降低關(guān)節(jié)和桿件的質(zhì)量以及采用更有效的控制方法。增大驅(qū)動功率:盡量采用力矩大、力矩特性好、質(zhì)量小、慣性小的驅(qū)動電動機(jī)。降低關(guān)節(jié)和桿件的質(zhì)量:降低關(guān)節(jié)和桿件質(zhì)量的同時(shí),應(yīng)保證其強(qiáng)度和剛度,即桿件和關(guān)節(jié)要求具有大的比強(qiáng)度和比剛度,為此桿件通常采用錐形的。先進(jìn)的機(jī)器人還采用了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來有效提高比強(qiáng)度和比剛度。采用更有效的控制方法:所采用的控制方法應(yīng)具有較快的運(yùn)算速度和成熟的軌跡計(jì)算方法,以節(jié)省軌跡和任務(wù)規(guī)劃時(shí)間。目前機(jī)器人的工作周期已經(jīng)能夠做得很短,比如ABB公司的一款小型機(jī)器人“IRBI20”每千克物料拾取節(jié)拍僅需0.58s。1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)9)其他參數(shù)：①最大工作速度額定負(fù)荷下,機(jī)器人主要關(guān)節(jié)或機(jī)械接口中心的最大允許移動速度或轉(zhuǎn)動速度。②最大工作加速度機(jī)器人主要關(guān)節(jié)或機(jī)械接口中心的最大加速度。③運(yùn)動控制方式有點(diǎn)位控制型和連續(xù)軌跡型兩種。④驅(qū)動類型主要有電動型、液壓驅(qū)動型和氣壓驅(qū)動型。⑤柔度機(jī)器人在外力或力矩作用下,某一軸因變形而造成的角度或位置變化。⑥使用壽命、可靠性和維護(hù)性目前,工業(yè)機(jī)器人的平均使用壽命一般為10年以上,有的可達(dá)到15年。由于機(jī)器人的設(shè)計(jì)盡量采用較少的、易于更換的零件,這樣只需儲備少量的備件就可以進(jìn)行零件更換,平均維修時(shí)間不超過8h。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（2）機(jī)器人運(yùn)動精度的影響因素定位精度和重復(fù)定位精度是機(jī)器人重要的性能指標(biāo),對機(jī)器人的工作質(zhì)量及機(jī)器人制造的產(chǎn)品質(zhì)量具有很大的影響。定位精度和重復(fù)定位精度不僅取決于機(jī)器人本身的設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量,還受到使用條件和環(huán)境的影響,因此了解機(jī)器人運(yùn)動精度的影響因素是非常重要的。影響機(jī)器人定位精度和重復(fù)定位精度的因素主要有:①機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量、控制方法和控制系統(tǒng)誤差。機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)運(yùn)動精度的影響因素,嚴(yán)格控制各個(gè)部件的允許誤差和公差配合,并應(yīng)當(dāng)根據(jù)工作要求選擇合適的材料;制造時(shí)應(yīng)嚴(yán)格保證設(shè)計(jì)尺寸和性能要求。另外,還應(yīng)通過優(yōu)化控制方法并減少控制系統(tǒng)誤差來提高機(jī)器人的運(yùn)動精度。1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（2）機(jī)器人運(yùn)動精度的影響因素②工作過程中作用在機(jī)器人機(jī)械接口處的重力(即機(jī)器人的負(fù)載)以及機(jī)器人負(fù)載引起的手臂垂直變形。重力主要影響機(jī)器人的定位精度。通常情況下,如果機(jī)器人的負(fù)載不超過規(guī)定值,重力對定位精度的影響就較小。但如果超過了規(guī)定負(fù)載,則會引起明顯的定位精度下降;機(jī)器人的負(fù)載越大或臂長越大,定位精度下降得越嚴(yán)重。在負(fù)載不變的情況下,其對重復(fù)定位精度的影響很小,因?yàn)橹灰獧C(jī)器人的負(fù)載相同,手臂的變形量也相同,所以,即使這個(gè)變形量很大(即定位精度較差),由于該變形量是重復(fù)定位出現(xiàn)的,機(jī)器人的重復(fù)定位精度也是比較高的。③使用過程中導(dǎo)致的傳動齒輪松動和傳動皮帶松弛。這類變形會導(dǎo)致傳動誤差,即速度比誤差,從而引起位置誤差。齒輪在相互嚙合過程中不可避免地會產(chǎn)生間隙,這種間隙不僅與齒輪的加工精度和公差配合有關(guān),也與服役時(shí)間有關(guān)。加工精度不良或服役時(shí)間長均會導(dǎo)致間隙增大,位置誤差增大。通常齒輪間隙應(yīng)控制在0.1mm以下。1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.2.3工業(yè)機(jī)器人的性能參數(shù)（2）機(jī)器人運(yùn)動精度的影響因素④慣性力引起的徑向變形以及尺寸較長的轉(zhuǎn)動元件發(fā)生的扭曲變形。機(jī)器人手臂桿件繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí),在桿件徑向會產(chǎn)生慣性力,進(jìn)而引起徑向變形和其他桿件的彎曲變形。大部分情況下,由于機(jī)器人手臂運(yùn)動速度較小,這些變形可忽略不計(jì)。但在高速運(yùn)動時(shí),其影響則較大。此外,熱效應(yīng)導(dǎo)致的機(jī)器人手臂桿件膨脹或收縮、軸承游隙、控制方法或控制系統(tǒng)的誤差也會引起運(yùn)動誤差。1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.3.1焊接機(jī)器人的構(gòu)成用于焊接作業(yè)的機(jī)器人稱為焊接機(jī)器人。與其他工業(yè)機(jī)器人相同,焊接機(jī)器人也是由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)和任務(wù)控制終端(通常為示教器)構(gòu)成的。焊接機(jī)器人基本上全部為關(guān)節(jié)型機(jī)器人,一般有5個(gè)或6個(gè)自由度(軸),如圖1-12所示。電阻點(diǎn)焊機(jī)器人通常采用5自由度機(jī)器人,電弧焊通常采用6自由度機(jī)器人。腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)3個(gè)自由度用于將焊槍送到期望的空間位置,而腕關(guān)節(jié)的2個(gè)或3個(gè)自由度用于確定焊槍的姿態(tài)。

1.3焊接機(jī)器人及其應(yīng)用發(fā)展趨勢焊接機(jī)器人的自由度（2）焊接機(jī)器人的分類焊接機(jī)器人除了可按照工業(yè)機(jī)器人的分類方法進(jìn)行分類外,還可按照焊接方法進(jìn)行分類。根據(jù)焊接方法的不同,焊接機(jī)器人可分為弧焊機(jī)器人、電阻點(diǎn)焊機(jī)器人、攪拌摩擦焊機(jī)器人和激光焊機(jī)器人等。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.3.2焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程1969年：首臺電阻焊機(jī)器人在美國通用汽車公司的車身生產(chǎn)線上投入使用。1974年：日本川崎公司研制了世界上首臺弧焊機(jī)器人,用于焊接摩托車車架。1984年：中國一汽率先引進(jìn)了德國KUKA焊接機(jī)器人。2021年底,全球焊接機(jī)器人的在用量大約300萬臺,國內(nèi)的在用量大概40萬臺。近年來，國內(nèi)焊接機(jī)器人的應(yīng)用發(fā)展呈現(xiàn)出快速增長的勢頭,年平均增長率超過40%。（2）焊接機(jī)器人的應(yīng)用意義

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類①提高焊接質(zhì)量和焊接質(zhì)量的一致性②提高勞動生產(chǎn)率。③改善勞動條件。④易于控制生產(chǎn)周期。⑤縮短產(chǎn)品改型周期,降低設(shè)備投資成本。⑥基于焊接機(jī)器人的焊接生產(chǎn)線有利于將生產(chǎn)制造過程中信息集中采集,實(shí)現(xiàn)信息化和智能化,便于進(jìn)行質(zhì)量控制、質(zhì)量分析和成本控制。1.3.3焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢從制造業(yè)對焊接需求的發(fā)展角度來看,焊接機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有:①中厚板的機(jī)器人高效焊接技術(shù)及工藝;②小批量或單件大構(gòu)件機(jī)器人自動焊接(如海洋工程和造船行業(yè));③焊接電源的工藝性能進(jìn)一步提高,適應(yīng)性更廣,更加數(shù)字化、智能化;④焊接機(jī)器人系統(tǒng)更加智能化;⑤各種智能傳感技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用更廣泛;⑥更強(qiáng)大的自適應(yīng)軟件支持系統(tǒng);⑦焊接機(jī)器人與上下游加工工序的融合和總線控制;⑧焊接信息化及智能化與互聯(lián)網(wǎng)融合,最終達(dá)到無人化智能工廠。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.3.3焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢從制造業(yè)對焊接需求的發(fā)展角度來看,焊接機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有:①中厚板的機(jī)器人高效焊接技術(shù)及工藝;②小批量或單件大構(gòu)件機(jī)器人自動焊接(如海洋工程和造船行業(yè));③焊接電源的工藝性能進(jìn)一步提高,適應(yīng)性更廣,更加數(shù)字化、智能化;④焊接機(jī)器人系統(tǒng)更加智能化;⑤各種智能傳感技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用更廣泛;⑥更強(qiáng)大的自適應(yīng)軟件支持系統(tǒng);⑦焊接機(jī)器人與上下游加工工序的融合和總線控制;⑧焊接信息化及智能化與互聯(lián)網(wǎng)融合,最終達(dá)到無人化智能工廠。

1.2工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)成及分類1.什么是機(jī)器人?根據(jù)用途,機(jī)器人分為幾類?2.中國古代機(jī)器人記里鼓車可以測量行走里程并擊鼓鳴鐘,試分析其測量及擊鼓鳴鐘的原理和方法。3.試分析中國古代機(jī)器人相對于現(xiàn)代機(jī)器人的性能缺失。4.按照驅(qū)動方式,工業(yè)機(jī)器人分為幾種?各有何優(yōu)缺點(diǎn)?分別應(yīng)用在哪些工業(yè)領(lǐng)域?5.按照坐標(biāo)類型,工業(yè)機(jī)器人分為幾種?各有何優(yōu)缺點(diǎn)?分別應(yīng)用在哪些工業(yè)領(lǐng)域?6.為什么現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人多數(shù)為關(guān)節(jié)型機(jī)器人?7.什么是機(jī)器人的關(guān)節(jié)?什么是機(jī)器人的軸數(shù)?關(guān)節(jié)數(shù)和軸數(shù)有何關(guān)系?對機(jī)器人的性能有何影響?8.什么是機(jī)器人的工作空間?工業(yè)中如何擴(kuò)展機(jī)器人的工作空間?9.什么是機(jī)器人的分辨率?什么是機(jī)器人的定位精度?兩者有何關(guān)系?10.簡述焊接機(jī)器人在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀,試分析其發(fā)展趨勢

習(xí)題V機(jī)器人運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)第二章2.1.1位姿描述在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)中,為了便于對各個(gè)關(guān)節(jié)和桿件的位置與運(yùn)動進(jìn)行描述和控制,各個(gè)桿件上均需要設(shè)置一特定的坐標(biāo)系。機(jī)器人可用的坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系。工業(yè)機(jī)器人常用直角坐標(biāo)系。（1）點(diǎn)位置描述通常利用三個(gè)相互垂直的單位矢量表示一個(gè)直角坐標(biāo)系。建立了直角坐標(biāo)系{A}后,空間中任何一個(gè)點(diǎn)的位置都可用3×1位置矢量Ap來表示

2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換A表示矢量p是坐標(biāo)系{A}中的矢量;px，py和pz表示矢量p在坐標(biāo)系{A}三個(gè)坐標(biāo)軸上的分量。坐標(biāo)系{A}中的位置矢量p（2）姿態(tài)描述為了確定機(jī)器人手臂某一桿件、末端執(zhí)行器或加工部件等剛體的狀態(tài),僅僅描述一個(gè)點(diǎn)的位置是不夠的,還要確定其方位，即姿態(tài)。

為了完全確定其狀態(tài),需要設(shè)立一個(gè)與剛體桿件剛性連接的已知坐標(biāo)系{B},如圖2-2所示。坐標(biāo)系{B}的原點(diǎn)通常設(shè)置在剛體(此處為末端執(zhí)行器)的某個(gè)特征點(diǎn),例如質(zhì)心、對稱中心或某一端點(diǎn)。iB、jB和kB為坐標(biāo)系{B}三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量,ARB稱為旋轉(zhuǎn)矩陣,A表示相對于坐標(biāo)系{A},B表示被描述的是坐標(biāo)系{B};剛體位置和姿態(tài)的確定2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換（2）姿態(tài)描述

iA、jA

和kA

為坐標(biāo)系{A}三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量,則有兩個(gè)單位矢量的點(diǎn)積等于兩個(gè)矢量夾角的余弦。這個(gè)矩陣唯一地表示了末端執(zhí)行器的姿態(tài)。剛體位置和姿態(tài)的確定（3）位姿描述坐標(biāo)系公式確定某一特征點(diǎn)在坐標(biāo)系{A}中的位置,以該特征點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系{B}。由該特征點(diǎn)的位置矢量ApB和旋轉(zhuǎn)矩陣ARB分別描述剛體的位置和位姿,則其位姿用ApBO和ARB組成的矩陣來描述A。2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換2.1.2坐標(biāo)變換（1）平移坐標(biāo)變換（2）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換

如果坐標(biāo)系{B}與{A}具有相同的位向,僅僅是坐標(biāo)原點(diǎn)不同,則可用位移矢量ApBO來描述{B}相對于{A}的位置。對于在坐標(biāo)系{B}中已知的任意一點(diǎn)p,其位置矢量為Bp,可利用下式計(jì)算其在{A}中的位置矢量。該式稱為坐標(biāo)平移方程。如果坐標(biāo)系{B}與{A}具有相同的坐標(biāo)原點(diǎn),可用旋轉(zhuǎn)矩陣ARB來描述{B}相對于{A}的方位。對于在坐標(biāo)系{B}中已知的任意一點(diǎn)。其位置矢量為Bp，可利用下式計(jì)算其在{A}中的位置矢量。平移坐標(biāo)變換旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換（3）一般坐標(biāo)系變換

最常遇到的情況是坐標(biāo)系{B}與{A}的位向和原點(diǎn)均不相同，這種情況下,需要進(jìn)行復(fù)合變換。ApBO

：{B}坐標(biāo)系原點(diǎn)相對于{A}坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置。ARB：{B}坐標(biāo)系相對于{A}坐標(biāo)系的方位用旋轉(zhuǎn)矩陣ARB。引入坐標(biāo)系{C}，原點(diǎn)與{B}相同,方位與{A}相同。首先通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程將Bp從{B}變換到{C},然后再通過坐標(biāo)平移方程將其從{C}變換到{A}，可得一般坐標(biāo)系變換2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換（4）齊次變換

若要進(jìn)行齊次變換,必須將矢量用齊次坐標(biāo)系。所謂齊次坐標(biāo),就是將n維直角坐際系的n維向量用n+1維向量來表示。對于空間向量p引入一個(gè)比例因子w,將p寫為這種表示方法稱為齊次坐標(biāo)。1)平移齊次變換對于坐標(biāo)系{B}中位置矢量為Bp=[xByBzB1]T的任意一點(diǎn)p，如果已知ApBO=aiA+bjA+ckA(其中,iA、jA和kA為坐標(biāo)系{A2}的三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量),則其在{A}中的位置矢量可利用下式計(jì)算。2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換

1)平移齊次變換通過可將{B}中已知的任意任意一矢量轉(zhuǎn)換為{A}中的矢量。因此稱該矩陣為齊次平移變換矩陣，記作：2)旋轉(zhuǎn)齊次變換對于坐標(biāo)系{B}中位置矢量為已知的任意一點(diǎn)p,如果假定它在坐標(biāo)系{A}中的位置矢量記為則xA、yA和zA可用向量的點(diǎn)積公式計(jì)算。式中,iB、jB和kB為坐標(biāo)系{B}三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量;iA、jA和kA為坐標(biāo)系{A}三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位矢量。2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換ARB中第一列元素為坐標(biāo)系{B}的X軸單位矢量在坐標(biāo)系{A}三個(gè)軸向上的投影分量,第二和第三列元素分別為坐標(biāo)系{B}的Y軸和Z軸單位矢量在坐標(biāo)系{A}三個(gè)軸向上的投影分量。坐標(biāo)系{B}繞坐標(biāo)系{A}單個(gè)軸的轉(zhuǎn)動稱為基本轉(zhuǎn)動,這種轉(zhuǎn)動的變換矩陣稱為基本轉(zhuǎn)動矩陣。如果轉(zhuǎn)動角度為α,則三個(gè)基本轉(zhuǎn)動矩陣可表示為2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換3)復(fù)合齊次變換

機(jī)器人操作過程中,某一剛性桿件在參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動通常是由平移和旋轉(zhuǎn)等基本運(yùn)動構(gòu)成的復(fù)雜運(yùn)動。運(yùn)動前后的位置可通過復(fù)合齊次變換來描述。與剛性桿件相連的坐標(biāo)系是運(yùn)動坐標(biāo)系,通常利用某一固定坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系。復(fù)合齊次變換是基本齊次變換矩陣的乘積,計(jì)算時(shí)注意基本矩陣的位置要按照變換的順序來排列。由于每次變換時(shí),變換矩陣都是左乘運(yùn)動坐標(biāo)系中的矢量,因此,先進(jìn)行的變換之基本變換矩陣排在右邊,即從運(yùn)動坐標(biāo)系向參考坐標(biāo)系進(jìn)行復(fù)合變換時(shí),是按照從右向左的順序依次變換的。順序不得顛倒,這是因?yàn)榫仃嚦朔ú粷M足交換律。例如參考坐標(biāo)系{A}為OXYZ,運(yùn)動坐標(biāo)系{B}可通過如下操作得到:首先繞X軸旋轉(zhuǎn)α,然后繞Y軸旋轉(zhuǎn)?,最后相對于參考坐標(biāo)系原點(diǎn)移動位置向量[a,b,c]T,求復(fù)合齊次變換矩陣ATB。2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換3)復(fù)合齊次變換

例如：參考坐標(biāo)系{A}為OXYZ,運(yùn)動坐標(biāo)系{B}可通過如下操作得到:首先繞X軸旋轉(zhuǎn)α,然后繞Y軸旋轉(zhuǎn)?,最后相對于參考坐標(biāo)系原點(diǎn)移動位置向量[a,b,c]T,求復(fù)合齊次變換矩陣ATB。2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換利用ATB可將運(yùn)動坐標(biāo)系{B}中的任何向量變換為相對于參考坐標(biāo)系{A}中的向量。這里要注意,上面闡述的變換操作均是相對于參考坐標(biāo)系,也就是說所有的旋轉(zhuǎn)和平移都是相對于參考坐標(biāo)系測量的。如果這些操作是相對于當(dāng)前坐標(biāo)系(運(yùn)動坐標(biāo)系),則矢量相對于參考坐標(biāo)系變換時(shí)應(yīng)該將基本變換矩陣右乘而不是左乘。因此,在計(jì)算總變換矩陣時(shí),先進(jìn)行的變換之基本變換矩陣排在左邊,按照從左向右的順序依次排列。對于給定坐標(biāo)系{A}、{B}和{C},如果已知{B}相對{A}的復(fù)合變換為ATB,{C}相對{B}的復(fù)合變換為BTC,則{C}相對{A}的復(fù)合變換ATC可由下式計(jì)算。

（5）齊次逆變換從運(yùn)動坐標(biāo)系{B}向參考坐標(biāo)系{A}的向量變換矩陣為ATB,而從參考坐標(biāo)系{A}向運(yùn)動坐標(biāo)系{B}的向量變換稱為齊次逆變換,其變換矩陣為BT。由于2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換（6）變換方程

若要描述或控制機(jī)器人的運(yùn)動,就必須建立機(jī)器人各個(gè)剛性桿件之間、機(jī)器人與環(huán)境之間的運(yùn)動關(guān)系。

焊接時(shí),焊槍坐標(biāo)系相對于工件坐標(biāo)系的位姿決定了焊接質(zhì)量。而機(jī)器人是不能直接控制焊槍的,需要通過其他桿件和關(guān)節(jié)來間接控制。為了描述焊槍坐標(biāo)系相對于工件坐標(biāo)系的位姿GTT,可建立{B}、{S}、{G}、{W}和{T}等幾個(gè)坐標(biāo)系。{B}為參考坐標(biāo)系;{S}為工作臺坐標(biāo)系;{G}為工件坐標(biāo)系(目標(biāo)坐標(biāo)系);{W}為腕部坐標(biāo)系;{T}為焊槍坐標(biāo)系。焊接機(jī)器人變換方程2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換（6）變換方程

通常用空間向量圖來控制焊槍坐標(biāo)系相對于工件坐標(biāo)系的位姿GTT

焊接機(jī)器人尺寸鏈2.1位姿描述方法與坐標(biāo)變換2.2.1連桿運(yùn)動參數(shù)（1）連桿自身狀態(tài)的描述連桿自身的狀態(tài)可用連桿的長度和連桿扭轉(zhuǎn)角兩個(gè)參數(shù)來描述。例如,中間連桿i-1可用下列兩個(gè)參數(shù)描述

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)連桿狀態(tài)的描述①連桿長度li-1指連桿兩端關(guān)節(jié)軸之間的距離,即兩關(guān)節(jié)軸之間的公垂線長度,②連桿扭轉(zhuǎn)角αi-1指連桿兩端關(guān)節(jié)軸之間的夾角,當(dāng)關(guān)節(jié)軸i和關(guān)節(jié)軸i-1平行時(shí),αi-對于首尾連桿,有如下約定2.2.1連桿運(yùn)動參數(shù)（2）連桿的連接關(guān)系相鄰兩連桿是通過一個(gè)關(guān)節(jié)連接起來的,這兩個(gè)連桿之間的連接關(guān)系可用該關(guān)節(jié)的兩個(gè)參數(shù)描述。例如連桿i-1和連桿i通過關(guān)節(jié)i相連,兩者之間的連接關(guān)系可用下列兩個(gè)關(guān)節(jié)軸i的參數(shù)來描述。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)兩相鄰連桿關(guān)系的描述①關(guān)節(jié)軸i的連桿間距di兩個(gè)相鄰連桿的公垂線li-1和li

之間的距離②關(guān)節(jié)軸i的關(guān)節(jié)角θi兩個(gè)相鄰連桿的公垂線li-1和li

之間的夾角當(dāng)關(guān)節(jié)i為移動關(guān)節(jié)時(shí),連桿間距di

是變量;當(dāng)關(guān)節(jié)i為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)時(shí),關(guān)節(jié)角θi是變量。2.2.1連桿運(yùn)動參數(shù)（3）連桿運(yùn)動參數(shù)每個(gè)連桿的運(yùn)動均可用上述四個(gè)參數(shù)來描述,例如連桿i-1可用(li-1,αi-1,di,θi)描述。對于移動關(guān)節(jié),di為變量,其他三個(gè)參數(shù)固定不變。對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),θi為變量,其他三個(gè)參數(shù)固定不變。這種描述方法稱為Denavit-Hartenberg描述法,是機(jī)器人學(xué)中應(yīng)用最廣泛的方法。對于一個(gè)6關(guān)節(jié)機(jī)器人,需要用24個(gè)參數(shù)來描述,其中18個(gè)描述參數(shù)是固定參數(shù),6個(gè)描述參數(shù)是變動參數(shù),也就是說6關(guān)節(jié)機(jī)器人的描述參數(shù)中有6個(gè)變量,因此稱為6自由度機(jī)器人

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)2.2.2連桿坐標(biāo)系機(jī)器人的每個(gè)連桿上均建立了一個(gè)固聯(lián)坐標(biāo)系。連桿i的固聯(lián)坐標(biāo)系稱為坐標(biāo)系{i}?；鴺?biāo)系(連桿0){0}為一個(gè)固定坐標(biāo)系,其他坐標(biāo)系為動坐標(biāo)系。通常將坐標(biāo)系{0}作為參考坐標(biāo)系,

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)連桿坐標(biāo)系的建立通常按照圖以下原則來建立桿件固聯(lián)坐標(biāo)系。①坐標(biāo)系{i}的軸Zi與關(guān)節(jié)軸i重合,其方向?yàn)橹赶蜿P(guān)節(jié)i;②其原點(diǎn)建立在公垂線li與關(guān)節(jié)軸i的交點(diǎn)上。③軸

Xi

與li

重合并指向關(guān)節(jié)i+1;④軸Yi

根據(jù)右手定則確定li-1為沿著Xi-1方向從Zi-1到Zi

的距離;αi-1為繞Xi-1軸從Zi-1旋轉(zhuǎn)到Zi的角度;di為沿著Zi方向從Xi-1到Xi的距離;θi為繞Zi軸從Xi-1旋轉(zhuǎn)到Xi

的角度;2.2.3連桿變換矩陣若要將各個(gè)連桿的運(yùn)動聯(lián)系起來,僅僅建立連桿坐標(biāo)系是不夠的,還要確定各個(gè)連桿之間的變換關(guān)系。

坐標(biāo)系{i}相對于{i-1}的變換記作i-1Ti。將坐標(biāo)系{i}中的任意一個(gè)矢量ip變換到{i-1}中,可先將其繞Xi-1軸旋轉(zhuǎn)αi-1,再沿著Xi-1軸平移li-1,然后繞Zi-1軸旋轉(zhuǎn)θi,最后沿著Zi-1平移di,即一般情況下,每個(gè)關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度。對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),連桿參數(shù)(li-1

,

αi-1

,

di

,

θi)中只有θi為變量,因此i-1Ti=f(θi);對于移動關(guān)節(jié),只有di為變量,因此i-1Ti=f(di)。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)2.2.4機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程（1）連桿自身狀態(tài)的描述對于n自由度機(jī)器人,將n個(gè)連桿變換矩陣相乘,即可得到機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程

0Tn是機(jī)器人手臂末端執(zhí)行器坐標(biāo)系{n}相對于參考坐標(biāo)系{0}的變化。如果確定了機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的變量,即所有的i-1Ti是確定的。就可以確定末端執(zhí)行器相對于機(jī)器人參考坐標(biāo)系的位姿,這是運(yùn)動學(xué)正問題。運(yùn)動學(xué)正問題的解是唯一的,各個(gè)關(guān)節(jié)的矢量確定后,末端執(zhí)行器的位姿是唯一確定的。對于給定機(jī)械臂,已知末端執(zhí)行器在參考系中的期望位置和姿態(tài)0Tn,求各關(guān)節(jié)矢量i-1Ti=f(θi),

這是運(yùn)動學(xué)逆問題。逆問題的解不是唯一的,也可能不存在解。逆問題的求解仍然利用上述運(yùn)動學(xué)方程進(jìn)行。其求解方法是方程兩端不斷左乘各個(gè)連桿矩陣的逆矩陣,依次求出θ1、θ2、…、θn。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)2.2.4機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程（1）連桿自身狀態(tài)的描述通過左乘(0T1)-1得到上式左端只有一個(gè)變量θ1,通過對兩邊進(jìn)行矩陣變換,比較兩邊的對應(yīng)元素可求出關(guān)節(jié)變量θ1。將θ1再代入上式后可用同樣的方法求出θ2,以此類推可求出任意變量θi。無論是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正問題的計(jì)算還是逆問題的計(jì)算,或者末端執(zhí)行器的路徑規(guī)劃,均是由機(jī)器人系統(tǒng)自己完成的。例如,用戶只需給出末端執(zhí)行器期望的位姿,通過一定的交互方式進(jìn)行簡單的描述,機(jī)器人系統(tǒng)便能自己確定達(dá)到期望位姿的準(zhǔn)確路徑和速度。很多運(yùn)動學(xué)逆問題有多個(gè)解,但大部分應(yīng)用情況下并不需要計(jì)算出所有解,以節(jié)省時(shí)間。對于示教型機(jī)器人,示教點(diǎn)就是末端執(zhí)行器期望達(dá)到的點(diǎn)。示教過程中,操作人員通過示教器控制末端執(zhí)行器達(dá)到該點(diǎn)時(shí),機(jī)器人記下示教點(diǎn)和插補(bǔ)點(diǎn)在參考坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo),其控制器僅需進(jìn)行簡單的逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算就可求出各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)焊接機(jī)器人是多關(guān)節(jié)機(jī)器人,難以對末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行直接控制,只能通過控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)對末端執(zhí)行器運(yùn)動的控制。每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動均由一個(gè)伺服控制系統(tǒng)來完成,各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作合成機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動。

2.3機(jī)器人運(yùn)動控制（1）關(guān)節(jié)的伺服控制無論是點(diǎn)位運(yùn)動控制還是連續(xù)軌跡運(yùn)動控制,焊接機(jī)器人均是通過控制各時(shí)刻的位置來實(shí)現(xiàn)的,因此各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)際上是位置控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,焊接機(jī)器人還采用傳感器對實(shí)際的位置或運(yùn)動進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測,通過反饋控制來提高運(yùn)動精度,使其末端執(zhí)行器準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)期望的位姿和軌跡。焊接機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),其位置控制為角位置控制。圖2-12給出了典型機(jī)器人關(guān)節(jié)角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。θg為關(guān)節(jié)角給定值,由上位計(jì)算機(jī)通過逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算求出。三環(huán)結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)利用一定的算法計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)角的實(shí)際控制量θd,控制驅(qū)動元件運(yùn)動,準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)期望的位姿。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)典型機(jī)器人關(guān)節(jié)角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖（1）關(guān)節(jié)的伺服控制位置控制器采用的控制算法有PID控制、變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等幾種。焊接機(jī)器人的伺服控制器主要采用了PID控制,即比例、積分、微分控制(它是最常用的一種控制算法)。變結(jié)構(gòu)控制指控制系統(tǒng)中具有多個(gè)控制器,根據(jù)一定的規(guī)則在不同的情況下采用不同的控制器。自適應(yīng)控制是指系統(tǒng)檢測到不確定的干擾后,自動按照某一控制策略做出相應(yīng)的調(diào)整,自動適應(yīng)外界環(huán)境條件的變化,使系統(tǒng)輸出量的性能指標(biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)（2）關(guān)節(jié)運(yùn)動合成控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的期望關(guān)節(jié)角是如何確定的呢?這是上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要解決的問題,下面以示教型機(jī)器人為例說明其工作原理。

首先需要操作人員把復(fù)雜的軌跡曲線分解成多段直線和圓弧,然后再對這些直線和圓弧進(jìn)行示教。機(jī)器人控制器利用示教點(diǎn)的直角坐標(biāo)系(參考坐標(biāo)系)坐標(biāo),通過進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算求出各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角給定值θg。不斷重復(fù)這種計(jì)算,求出運(yùn)動軌跡上所有插補(bǔ)點(diǎn)對應(yīng)的關(guān)節(jié)角給定值θg,在關(guān)節(jié)角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的期望角位移,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的期望位姿及期望運(yùn)動軌跡。上位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算點(diǎn)列并生成軌跡的這種過程叫插補(bǔ)。兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的距離越小,實(shí)際運(yùn)動軌跡越逼近期望的軌跡,軌跡誤差越小。常用的插補(bǔ)方法有兩種:定距插補(bǔ)和定時(shí)插補(bǔ)。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)（2）關(guān)節(jié)運(yùn)動合成控制定距插補(bǔ)：就是兩相鄰插補(bǔ)點(diǎn)之間的距離保持不變。只要把這個(gè)插補(bǔ)距離控制得足夠小,就可保證軌跡精度,因此這種插補(bǔ)算法容易保證軌跡的精度和運(yùn)動的平穩(wěn)性。但是,如果機(jī)器人的速度發(fā)生了變化,插補(bǔ)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔Ts就要發(fā)生變化,因此這種方法實(shí)現(xiàn)起來要相對難一些。定時(shí)插補(bǔ)：是每隔一定的時(shí)間Ts計(jì)算一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn),即任何兩個(gè)相鄰的插補(bǔ)點(diǎn)之間時(shí)間間隔是固定的。該時(shí)間間隔Ts的長短對于運(yùn)動軌跡的精度和運(yùn)動的平穩(wěn)性具有重要的影響。焊接機(jī)器人的Ts一般不能超過25ms,否則不能保證運(yùn)動的平穩(wěn)性。Ts越小越好,但由于機(jī)器人要在Ts內(nèi)進(jìn)行一次插補(bǔ)運(yùn)算和一次運(yùn)動學(xué)逆運(yùn)算,因此它受到上位計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的限制。兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)Pi、Pi+1之間的空間距離等于機(jī)器人的運(yùn)動速度乘以Ts,因此機(jī)器人的運(yùn)動速度對運(yùn)動軌跡的精度也具有重要的影響。一定的Ts下,運(yùn)動速度越大,兩個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)之間的距離越大,運(yùn)動軌跡的精度和運(yùn)動的平穩(wěn)性越差。所以,定時(shí)插補(bǔ)不適用于高速運(yùn)動的機(jī)器人。這種插補(bǔ)方法易于實(shí)現(xiàn),因此在運(yùn)動速度不快的焊接機(jī)器人上得到了普遍應(yīng)用。

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)（3）插補(bǔ)算法

機(jī)器人基本的運(yùn)動軌跡有直線軌跡和圓弧軌跡兩種,其他的非直線或非圓弧軌跡均可利用這兩種軌跡來逼近,因此計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)的算法有直線插補(bǔ)法和圓弧插補(bǔ)法兩種。1)直線插補(bǔ)

直線插補(bǔ)2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)（3）插補(bǔ)算法

2)平面圓弧插補(bǔ)平面圓弧插補(bǔ)是指圓弧所在的平面與參考坐標(biāo)系的三個(gè)基準(zhǔn)平面之一平行或重合情況下的插補(bǔ)。下面以XOY平面為例進(jìn)行說明。

平面圓弧插補(bǔ)2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)（3）插補(bǔ)算法

2)平面圓弧插補(bǔ)

平面圓弧插補(bǔ)2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)（3）插補(bǔ)算法

3)空間圓弧插補(bǔ)

空間圓弧插補(bǔ)是指圓弧所在的平面不在參考坐標(biāo)系的三個(gè)基準(zhǔn)平面的任何一個(gè)平面上,也不平行于這三個(gè)基準(zhǔn)平面情況下的插補(bǔ)。先建立一個(gè)中間坐標(biāo)系,將空間圓弧轉(zhuǎn)化為平面圓弧,再利用平面圓弧插補(bǔ)方法求出各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo),最后通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化成參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)（3）插補(bǔ)算法

3)空間圓弧插補(bǔ)

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)空間圓弧插補(bǔ)（3）插補(bǔ)算法

3)空間圓弧插補(bǔ)

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)空間圓弧插補(bǔ)（3）插補(bǔ)算法

3)空間圓弧插補(bǔ)

2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)空間圓弧插補(bǔ)1.什么是機(jī)器人學(xué)?機(jī)器人學(xué)涉及哪些學(xué)科?2.什么是位姿?機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿是如何確定的?3.為什么機(jī)器人運(yùn)動控制過程中需要坐標(biāo)變換?一般采用何種坐標(biāo)變換?4.Denavit-Hartenberg描述法是用哪些參數(shù)來描述連桿運(yùn)動的?5.什么是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)?試寫出n自由度機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程。6.什么是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正問題和逆問題?如何求解這些問題?7.機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動和位姿是如何實(shí)現(xiàn)的?8.如何保證機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動軌跡的連續(xù)性、平滑性和精度?有哪些算法?9.什么是機(jī)器人動力學(xué)?什么是機(jī)器人動力學(xué)正問題和逆問題?如何求解這些問題?

習(xí)題V機(jī)器人本體及控制系統(tǒng)第三章

機(jī)器人本體由剛性連桿、驅(qū)動器、傳動機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)及內(nèi)部傳感器(如編碼盤等)等組成。它的主要任務(wù)是控制末端執(zhí)行器(例如焊槍)達(dá)到所要求的位置、姿態(tài),并保證末端執(zhí)行器沿著期望的軌跡以一定的速度運(yùn)動。3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)機(jī)械手的幾何結(jié)構(gòu)它的主要任務(wù)是控制末端執(zhí)行器(例如焊槍)達(dá)到所要求的位置、姿態(tài)，并保證末端執(zhí)行器沿著期望的軌跡以一定的速度運(yùn)動。一般情況下,可認(rèn)為機(jī)器人本體是由剛性連桿和關(guān)節(jié)構(gòu)成的，而驅(qū)動器、傳動機(jī)構(gòu)及內(nèi)部傳感器可看作關(guān)節(jié)的一部分。這樣，機(jī)器人本體就可看作一開環(huán)關(guān)節(jié)鏈。機(jī)器人本體可分為如下幾個(gè)部分：機(jī)身(基座)、上臂、前臂、腕部、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)等。對于焊接機(jī)器人，腕部有2~3個(gè)關(guān)節(jié),每個(gè)關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度。3.1.1機(jī)器人機(jī)身

機(jī)器人機(jī)身又稱底座、基座、機(jī)座,是直接連接和支承手臂及行走機(jī)構(gòu)的部件。機(jī)身既可以是固定式的,也可以是行走式的。固定式機(jī)身固定在地面或某一平臺上;行走式機(jī)身可沿著軌道行走,或者安裝在龍門架上,隨同龍門架一起沿著軌道行走。機(jī)身用來承受機(jī)器人的全部重量,其性能對機(jī)器人的負(fù)荷能力和運(yùn)動精度具有很大的影響。通常要求機(jī)身具有足夠的強(qiáng)度、剛度、精度和平穩(wěn)性。機(jī)身的剛度是指機(jī)身在外力作用下抵抗變形的能力。一般利用一定外力作用下,沿著該外力作用方向產(chǎn)生的變形量來表征。該變形量越小,則剛度越大。機(jī)身的剛度比強(qiáng)度更重要。為了提高剛度,通常選擇抗彎剛度和抗扭剛度均較大的封閉空心截面的鑄鐵或鑄鋼連桿,并適當(dāng)減小壁厚、增大輪廓尺寸。采用這種結(jié)構(gòu)不僅可提高剛度,而且其空心內(nèi)部還可以布置安裝驅(qū)動裝置、傳動機(jī)構(gòu)及管線等,使整體結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。機(jī)身的支承剛度以及支承物和機(jī)身之間的接觸剛度對機(jī)器人的性能也具有重要的影響。3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)3.1.1機(jī)器人機(jī)身

機(jī)身的位置精度可影響手部的位置精度。而影響機(jī)身位置精度的因素除剛度外,還有其制造和裝配精度、連接方式、運(yùn)動導(dǎo)向裝置和定位方式等。導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性等對機(jī)器人的精度和其他工作性能具有很大的影響。機(jī)身的質(zhì)量較大,如果其運(yùn)動速度和負(fù)荷也較大,運(yùn)動狀態(tài)的急劇變化易引起沖擊和振動。這會影響手部位姿的精度,還可能導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)異常。為了防止沖擊和振動的發(fā)生,焊接機(jī)器人通常采用了有效的緩沖裝置,以吸收能量;而且機(jī)身的運(yùn)動部件,包括驅(qū)動裝置、傳動部件、管線系統(tǒng)及運(yùn)動測量元件等均采用了緊湊、質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以減少慣性力,并提高傳動精度和效率。3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)3.1.1機(jī)器人機(jī)身

機(jī)身上裝有腰關(guān)節(jié),利用該關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)臂部升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動。腰關(guān)節(jié)是負(fù)載最大的運(yùn)動軸,對末端執(zhí)行器的位姿和運(yùn)動精度影響最大,要求其具有很高的設(shè)計(jì)和制造精度,特別是支撐精度。常用的支撐方式有兩種:第一種為普通軸承支撐結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是安裝調(diào)整方便,但腰部高度較高;第二種為環(huán)形十字交叉滾子軸承支撐結(jié)構(gòu),如圖3-4所示,這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是剛度大、負(fù)載能力強(qiáng)、裝配方便,但價(jià)格相對較高。伺服電動機(jī)1通過小錐齒輪2、大錐齒輪3、傳動軸5、小直齒輪4和大直齒輪6驅(qū)動腰關(guān)節(jié)的軸轉(zhuǎn)動。3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)利用普通軸承支撐腰關(guān)節(jié)軸的機(jī)器人機(jī)身環(huán)形十字交叉滾子軸承支撐結(jié)構(gòu)3.1.2機(jī)器人操作臂

機(jī)器人操作臂(簡稱機(jī)器臂)用來連接機(jī)身和手部,是機(jī)器人的主要執(zhí)行部件。其主要作用是支承機(jī)器人的腕部和手部,并帶動腕部和手部在空間中運(yùn)動。臂部各個(gè)關(guān)節(jié)均裝有相應(yīng)的傳動和驅(qū)動機(jī)構(gòu)。臂部工作時(shí)直接承受腕部、末端執(zhí)行器和工件的靜、動載荷,自身頻繁運(yùn)動且運(yùn)動狀態(tài)復(fù)雜，因此其受力復(fù)雜。臂部既受彎曲力,也受扭轉(zhuǎn)力，為了保證運(yùn)動精度，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較大的封閉形空心截面的剛性連桿作為臂桿。臂部的制造和裝配精度、連接方式、運(yùn)動導(dǎo)向裝置和定位方式等也影響其位置精度和運(yùn)動精度。臂桿導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性等對機(jī)器人的精度和其他工作性能具有很大的影響。3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)臂部運(yùn)動狀態(tài)的急劇變化也會引起沖擊和振動。這會影響手部位姿的精度,嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)異常。

臂部包括大臂和小臂,通常由高強(qiáng)度的鋁合金質(zhì)薄壁封閉框架制成。其運(yùn)動采用齒輪傳動,以保證較大的傳動剛度。

3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)機(jī)器人大臂傳動機(jī)構(gòu)示機(jī)器人小臂傳動機(jī)構(gòu)示意3.1.3腕部及其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

腕部是機(jī)器人本體的末端,用來連接末端執(zhí)行器,其主要作用是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。3.1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)具有3個(gè)自由度的腕部腕部的3個(gè)驅(qū)動電動機(jī)和傳動系統(tǒng)安裝在機(jī)器人小臂的后部,這樣既降低了腕部的尺寸,又可利用電動機(jī)的重量作為配重,起到一定的平衡作用。關(guān)節(jié)4的運(yùn)動是腕轉(zhuǎn)運(yùn)動,關(guān)節(jié)5的運(yùn)動是腕擺運(yùn)動,關(guān)節(jié)6的運(yùn)動是腕捻運(yùn)動

機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動是由機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動合成的。每個(gè)關(guān)節(jié)均有一個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)。3.2.1關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)是機(jī)器人在連桿接合部位形成的運(yùn)動副。根據(jù)運(yùn)動方式,機(jī)器人的關(guān)節(jié)分為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)兩種。焊接機(jī)器人的關(guān)節(jié)一般是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),它既是基座與臂部、上臂與小臂、小臂與腕部的連接機(jī)構(gòu),又在各個(gè)部分之間傳遞運(yùn)動。3.2焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成。根據(jù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)軸的布置形式,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)又可分為同軸式、正交式、外部安裝式和內(nèi)部安裝式等幾種。同軸式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸同軸,其優(yōu)點(diǎn)是定位精度高,但需要使用小型減速器,并增加臂部的剛性。正交式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸垂直。這種關(guān)節(jié)的減速機(jī)構(gòu)可安裝在基座上,適用于臂部結(jié)構(gòu)要求緊湊的機(jī)器人。外部安裝式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)安裝在關(guān)節(jié)外部,適用于重型機(jī)器人。內(nèi)部安裝式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)均安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部。3.2.1關(guān)節(jié)根據(jù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的不同,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)有柱面關(guān)節(jié)和球面關(guān)節(jié)兩種。焊接機(jī)器人常用球面關(guān)節(jié)。球面關(guān)節(jié)中的球軸承可承受徑向和軸向載荷,具有摩擦系數(shù)小、軸和軸承座剛度要求低等優(yōu)點(diǎn)。普通向心球軸承與向心推力球軸承的每個(gè)球和滾道之間為兩點(diǎn)接觸,這兩種軸承必須成對使用。四點(diǎn)接觸球軸承的滾道是尖拱式半圓,球與滾道之間有四個(gè)接觸點(diǎn),可通過控制兩滾道之間的過盈量實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、游隙小、承載能力大、剛度大等優(yōu)點(diǎn),但成本較高。

3.2焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)3.2.2驅(qū)動裝置（1）驅(qū)動裝置分類根據(jù)動力源的類型,機(jī)器人的驅(qū)動裝置可分為液壓式、氣動式、電動式等幾種：液壓式驅(qū)動裝置：利用電動機(jī)驅(qū)動的高壓流體泵,如柱塞泵、葉片泵等作為動力。其優(yōu)點(diǎn)是功率大、無需減速裝置、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度好、響應(yīng)快、精度高等,缺點(diǎn)是易產(chǎn)生液壓油泄漏、維護(hù)費(fèi)用高、適用的溫度范圍小(30~80℃)等,一般用于大型重載機(jī)器人。焊接機(jī)器人一般不用這種

氣動式驅(qū)動裝置：是以氣缸為動力源。其優(yōu)點(diǎn)是簡單易用、成本低、清潔、響應(yīng)速度快等;缺點(diǎn)是功率小、剛度差、精度低、速度不易控制、噪聲大等。電動式驅(qū)動裝置:是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力或力矩來驅(qū)動機(jī)器人關(guān)節(jié),實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器位置、速度和加速度控制的。焊接機(jī)器人通常使用這種驅(qū)動方式。它具有啟動速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、過載能力強(qiáng)、精度高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),但一般不能直接驅(qū)動,需要利用傳動裝置進(jìn)行減速。3.2焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)3.2.2驅(qū)動裝置（2）驅(qū)動電動機(jī)電動式驅(qū)動裝置采用的驅(qū)動元件有直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)或步進(jìn)電動機(jī)等幾種。關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機(jī)通常要求具有較大的功率質(zhì)量比和轉(zhuǎn)矩慣量比、大的啟動轉(zhuǎn)矩、大的轉(zhuǎn)矩、低的慣量、高的響應(yīng)速度、寬廣的調(diào)速范圍、較大的短時(shí)過載能力，因此，焊接機(jī)器人多采用伺服電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)多用于對精度、速度要求不高的小型簡易機(jī)器人。（3）伺服電動機(jī)及驅(qū)動器的工作原理伺服電動機(jī)是綜合利用接收和發(fā)出的電脈沖進(jìn)行定位的。它接收1個(gè)脈沖,就轉(zhuǎn)動一定的角度;同時(shí),每旋轉(zhuǎn)這個(gè)角度,也會發(fā)出一個(gè)脈沖。這樣,控制系統(tǒng)通過比較發(fā)出的脈沖和收到的脈沖數(shù)量來發(fā)現(xiàn)誤差并調(diào)整誤差,形成閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)更精確的定位。其定位精度可達(dá)0.001mm。伺服電動機(jī)分為直流（DC）伺服電動機(jī)和交流(AC)伺服電動機(jī)兩種。3.2焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)3.2.2驅(qū)動裝置（3）伺服電動機(jī)及驅(qū)動器的工作原理1)伺服電動機(jī)的工作原理直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理與小容量普通他勵直流電動機(jī)類似。主要區(qū)別有兩點(diǎn):一是直流伺服電動機(jī)的電樞電流很小,換向容易,無需換向極;二是直流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)長、氣隙小,因此,電樞電阻較大,磁路不飽和。直流伺服電動機(jī)有有刷和無刷兩種。有刷電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、啟動轉(zhuǎn)矩較大,但由于其功率體積比不大、需要維護(hù)、轉(zhuǎn)速不高、熱慣性大,而且還會引發(fā)電磁干擾，無刷電動機(jī)體積小、轉(zhuǎn)矩更大、慣性小、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)動平滑穩(wěn)定,但控制線路較復(fù)雜。交流伺服電機(jī)又分為永磁同步型AC伺服電動機(jī)和異步型AC伺服電動機(jī)兩種。永磁同步型交流電動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、低速