焊接機器人技術（陳茂愛）（第2版） 課件 第1、2章 機器人概述、機器人運動學基礎

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

（2）機器人的分類機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)其應用領域來分。根據(jù)應用領域不同,機器人可分為工業(yè)機器人、服務機器人和特種機器人三大類。

1.1機器人類手臂型機器人1.1.2機器人的發(fā)展簡史（1）機器人的起源廣義上的機器人起源于中國，西周時期,中國的能工巧匠偃師就發(fā)明了能夠跳舞的機器人。春秋時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行軍事后勤運輸?shù)哪九Ａ黢R。三國時代魏國的馬均發(fā)明了記里鼓車,每走10里擊鼓1次,每走100里擊鐘1次。杭州能工巧匠楊務廉制造了一個像化緣僧人的機器人,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機器人木鳥木牛流馬記里鼓車化緣機器人1.1.2機器人的發(fā)展簡史（1）機器人的起源日本的竹田近江于1662年發(fā)明了自動機器玩偶。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器人、可演奏大約20首曲目的人形管樂演奏者和會化的機器鴨。這個機器鴨是第一個能夠模擬動物生理過程的機器,可以做出拍打翅膀、喝水、濺水等動作,甚至還有表情。但這些機器人只有機械控制,只能完成某一特定的任務,沒有電氣控制,更無法實現(xiàn)編程控制。1774年,杰奎特·德羅茲發(fā)明了會寫作的機器人———“作家”?！白骷摇笔堑谝慌_可編程機器人。

1.1機器人1.1.2機器人的發(fā)展簡史（2）現(xiàn)代機器人的發(fā)展1954年：美國人喬治·迪沃申請了機器人專利。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)代意義上的機器人：1961年：第一臺工業(yè)機器人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軸電動機器人PUMA機器人。

1.1機器人世界上第一臺現(xiàn)代機器人PUMA機器人1.1.2機器人的發(fā)展簡史（2）現(xiàn)代機器人的發(fā)展第一代機器人：“示教再現(xiàn)”型機器人。這種機器人需要操作員“手把手”地利用示教器進行示教。首先,操作人員利用示教器的控制按鈕引導機器人運動,并在一些關鍵節(jié)點上進行參數(shù)設置;然后機器人會自動以程序的形式記錄下示教軌跡和關鍵節(jié)點的參數(shù),工作時重復記錄的軌跡和參數(shù)。第二代機器人：有感覺的機器人。這種機器人是通過各種傳感器對外部環(huán)境進行檢測,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?？奢^好地適應環(huán)境的變化。采用了焊縫跟蹤傳感技術的機器人就是第二代機器人。第三代機器人：“智能機器人”,是采用了人工智能技術的機器人。這類機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,機器人已發(fā)展到第三代。

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

1.2工業(yè)機器人的構成及分類工業(yè)機器人系統(tǒng)構成框圖1.2.1工業(yè)機器人的構成（1）機器人本體機器人本體又稱機械手,但如果沒有其他部分,其本身并不能稱為機器人。它的作用和任務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)和運動軌跡。根據(jù)運動合成類型的不同,機器人本體有直角坐標型、極坐標型、圓柱坐標型、關節(jié)型等多種。其中關節(jié)型較多。關節(jié)型機器人本體通常由機身(基座)、臂部(大臂和小臂)、手部(末端執(zhí)行器)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)等構成,關節(jié)型機器人本體通常由機身(基座)、臂部(大臂和小臂)、手部(末端執(zhí)行器)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)等構成,

1.2工業(yè)機器人的構成及分類工業(yè)機器人本體與人的手臂比較1.2.1工業(yè)機器人的構成（1）機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)通常由動力裝置和傳動機構組成,用來驅(qū)動執(zhí)行機構執(zhí)行并完成相應的動作。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構與執(zhí)行機構相連。傳動機構有齒輪傳動、諧波齒輪傳動、鏈傳動、螺旋傳動和帶傳動等幾種類型。機器人本體中還裝有內(nèi)部傳感器,其作用是檢測機器人本身的狀態(tài)(如位置、速度等)并提供給控制系統(tǒng)。

1.2工業(yè)機器人的構成及分類（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。機器人在工作過程中需要根據(jù)工作對象和環(huán)境的當前狀態(tài)做出適當?shù)捻憫獎幼?例如碰到障礙物要做出避開動作。機器人可根據(jù)外部傳感器檢測到的障礙物信息,利用運動學模型和動力學模型重新進行計算,形成控制信號,發(fā)送給各個關節(jié)并進行伺服控制,形成能夠避開障礙物的運動規(guī)劃。（3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機器人的指揮中心,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、機器人專用語言、機器人運動學軟件、機器人動力學軟件、機器人控制軟件等組成?？刂葡到y(tǒng)負責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)預定策略對指令和反饋信號進行判斷與決策。各個運動執(zhí)行機構在其控制下可執(zhí)行規(guī)定的運動,完成特定的作業(yè)。（4）任務控制終端任務控制終端是機器人與人的交互接口,是一種直觀的控制與應用程控界面。其作用是向機器人下達任務指令、進行任務仿真、狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示與分析等。

1.2工業(yè)機器人的構成及分類（4）任務控制終端任務控制終端是機器人與人的交互接口,是一種直觀的控制與應用程控界面。其作用是向機器人下達任務指令、進行任務仿真、狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示與分析等。任務控制終端最典型的例子是機器人的示教器。示教過程中可利用它控制機器人末端執(zhí)行器的軌跡、各個重要節(jié)點全部的動作及位姿,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)機器人的構成及分類1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.2工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人的分類方法有多種,可按照驅(qū)動方式、運動軌跡控制方式、控制方法、坐標系類型和智能程度等進行分類。（1）按照驅(qū)動方式分類①電驅(qū)動型機器人利用伺服電動機或步進電動機進行驅(qū)動的機器人。其優(yōu)點是控制精度高、響應速度快、驅(qū)動力大、檢測及控制靈活方便。焊接機器人大部分為電驅(qū)動型機器人。②液壓驅(qū)動型機器人利用伺服控制的液壓缸進行驅(qū)動的機器人。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是動力大,但存在速度低、液壓油易泄漏、噪聲大、控制單元笨重、造價高等問題,因此僅用于某些重型機器人。如重型搬運、點焊機器人等采用的就是液壓驅(qū)動方式。③氣壓驅(qū)動型機器人利用空氣壓縮機和氣缸驅(qū)動的機器人。氣壓驅(qū)動型機器人具有成本低、結構簡單、速度快和易維護等優(yōu)點,但其控制精度較低、噪聲大,目前在工業(yè)中的應用較少,主要用于小型工件的抓取和裝配。

1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.2工業(yè)機器人的分類（2）按照運動軌跡控制方式分類按照運動軌跡控制方式,工業(yè)機器人可分為點位控制(PTP)型、連續(xù)軌跡控制(CP)型、可控軌跡型等三種。①點位控制(PTP)型機器人僅僅對末端執(zhí)行器在一次運動過程中的始點和終點進行編程控制,而其移動的具體路徑通常為最直接、最經(jīng)濟的路徑。這種機器人結構簡單、價格便宜。點焊、搬運機器人通常為PTP型機器人。②連續(xù)軌跡控制(CP)型機器人又稱為連續(xù)軌跡機器人。這類機器人可控制末端執(zhí)行器在一次運動過程中通過某一軌跡上特定數(shù)量的點并作一定時間的停留,以及對這些點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)過的這些點需要事先編程確定。③可控軌跡型機器人又稱計算軌跡機器人。這類機器人可根據(jù)任務要求精確地計算出滿足要求的運動軌跡,而且運動精度很高。使用時只需設定起點和終點坐標,機器人控制系統(tǒng)便能計算出最佳軌跡?；『笝C器人通常為連續(xù)軌跡控制型機器人,電阻點焊機器人通常為點位控制型機器人

1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.2工業(yè)機器人的分類（2）按照運動軌跡控制方式分類③可控軌跡型機器人又稱計算軌跡機器人。這類機器人可根據(jù)任務要求精確地計算出滿足要求的運動軌跡,而且運動精度很高。使用時只需設定起點和終點坐標,機器人控制系統(tǒng)便能計算出最佳軌跡。弧焊機器人通常為連續(xù)軌跡控制型機器人,電阻點焊機器人通常為點位控制型機器人。（3）按照控制方法分類按照控制方法分類,工業(yè)機器人可分為程控型機器人、示教型機器人、數(shù)控型機器人、自適應控制型機器人和智能型機器人等幾種。①程控型機器人又稱順序控制機器人。這種機器人可根據(jù)預先設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作為控制單元,利用限位開關、凸輪、擋塊、矩陣插銷板、步進選線器等機械裝置來設置工作順序并實現(xiàn)位置控制。

1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.2工業(yè)機器人的分類（3）按照控制方法分類②示教型機器人又稱再現(xiàn)型機器人。這種機器人可通過人工示教過程對工作任務進行編程。人工示教過程就是利用示教器控制末端執(zhí)行器沿著預定路徑行走,并在若干關鍵節(jié)點上設置加工工藝參數(shù),模擬完成指定的任務;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)控型機器人又稱可控軌跡型機器人,是最早在工業(yè)中獲得應用的一種機器人。這種機器人也要進行示教,但其示教過程不是手動的,而是通過編程來確定關鍵點之間的運動軌跡,操作人員僅需指定這些關鍵點以及各點之間的曲線類型即可。④自適應控制型機器人這類機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,以適應這種變化,更好地完成工作任務。⑤智能型機器人這類機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行深入分析和決策,更好地完成工作任務。這種機器人更接近于人,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)機器人的構成及分類1.2.2工業(yè)機器人的分類（4）按照坐標系類型分類按照機械手的坐標特性來分類,工業(yè)機器人可分為直角坐標型機器人、球面坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、關節(jié)型機器人等幾種直角坐標型機器人也稱機床型機器人,其手部可沿直角坐標三個坐標軸的方向平移。這種機器人結構剛性大、關節(jié)運動相對獨立,具有結構簡單、易于控制、坐標計算簡便、精度高等優(yōu)點;缺點是不能實現(xiàn)高速運動、操作靈活性差,且運動空間受限。

工業(yè)機器人按照坐標分類1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.2工業(yè)機器人的分類（4）按照坐標系類型分類球面坐標型機器人的手部能進行回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮運動。這種機器人具有靈活性好、工作空間大等優(yōu)點。圓柱坐標型機器人的手部可進行升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作。這種機器人具有結構緊湊、易于控制等優(yōu)點。關節(jié)型機器人的臂部有多個轉(zhuǎn)動關節(jié)。這種機器人的運動空間較大,且在其特定運動空間內(nèi)可方便地實現(xiàn)各種位置和姿態(tài),易于完成各種操作。但其坐標計算和控制非常復雜,控制精度難以達到直角坐標型機器人的精度。除了以上分法外,工業(yè)機器人還可按照應用領域進行分類,例如焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人、噴漆機器人等。

工業(yè)機器人按照坐標分類1.2.3工業(yè)機器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)1)軸數(shù)：軸數(shù)又稱關節(jié)數(shù),指機器人具有的獨立運動軸或關節(jié)數(shù)量。工業(yè)機器人一般具有3~6個軸,大部分弧焊機器人有6個軸,而電阻點焊機器人有5個或6個軸。機器人本體中關聯(lián)桿件及其運動的機構稱為關節(jié),各個桿件之間的相對運動是由關節(jié)實現(xiàn)的。根據(jù)運動形式的不同,關節(jié)分為移動關節(jié)和轉(zhuǎn)動關節(jié)兩類。移動關節(jié)是可實現(xiàn)兩桿件相對直線運動的關節(jié);而轉(zhuǎn)動關節(jié)是可實現(xiàn)兩桿件相對旋轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)運動的關節(jié)。轉(zhuǎn)動關節(jié)除了能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動外,還是機器人兩個或多個剛性桿件(機器人的手臂)的連接部位。關節(jié)型機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)動關節(jié)連接的。

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

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

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

5)分辨率：機器人的分辨率是指機器人各運動軸的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。它決定了機器人的執(zhí)行機構能夠?qū)崿F(xiàn)的最小位移,即運動的最小步距。分辨率是在機器人系統(tǒng)設計時就確定的參數(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。編程分辨率是機器人控制軟件中設定的最小移動距離或角度,又稱為基準分辨率?？刂品直媛什粌H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)機器人的構成及分類1.2.3工業(yè)機器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)6)定位精度機器人機械接口中心的實際位姿或軌跡與設定的期望位姿或軌跡之間的差距稱為定位精度,用于表征機器人末端執(zhí)行器或其機械接口中心達到指定位姿的能力。目前,焊接機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械誤差、控制算法誤差與分辨率誤差等,而機械誤差是主要的。機械誤差又包括傳動誤差、關節(jié)間隙及連桿機構的撓性。傳動誤差的大小取決于輪齒誤差、螺距誤差的大小;關節(jié)間隙的大小取決于關節(jié)傳動部件的軸承間隙和諧波齒隙的大小等;連桿機構的撓性主要取決于機器人機械結構部分的加工制造精度及材料質(zhì)量,除此之外,還受到負載大小及變化的影響。

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

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

1.2工業(yè)機器人的構成及分類定位精度、重復定位精度和分辨率之間的關系令設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)幾次相同的運動之間的位置或軌跡重復誤差通常很小。實際生產(chǎn)中只要重復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,而重復定位精度則不受重力變形的影響,因為重力變形引起的誤差是持續(xù)存在的。定位精度難以測量,機器人技術參數(shù)中通常只給出重復定位精度。

1.2.3工業(yè)機器人的性能參數(shù)8)工作周期工作周期又稱為工作循環(huán)時間,指完成一項任務或操作所用的時間。這是一個非常重要的指標,工作周期越短,說明其工作效率越高,競爭性越強。工作周期包括加速度啟動、等速運行和減速制動三個階段。為了保證定位精度,加減速過程往往占去較長時間。提高工作效率的方法是增大驅(qū)動功率、降低關節(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。降低關節(jié)和桿件的質(zhì)量:降低關節(jié)和桿件質(zhì)量的同時,應保證其強度和剛度,即桿件和關節(jié)要求具有大的比強度和比剛度,為此桿件通常采用錐形的。先進的機器人還采用了纖維增強復合材料來有效提高比強度和比剛度。采用更有效的控制方法:所采用的控制方法應具有較快的運算速度和成熟的軌跡計算方法,以節(jié)省軌跡和任務規(guī)劃時間。目前機器人的工作周期已經(jīng)能夠做得很短,比如ABB公司的一款小型機器人“IRBI20”每千克物料拾取節(jié)拍僅需0.58s。1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.3工業(yè)機器人的性能參數(shù)（1）性能參數(shù)9)其他參數(shù)：①最大工作速度額定負荷下,機器人主要關節(jié)或機械接口中心的最大允許移動速度或轉(zhuǎn)動速度。②最大工作加速度機器人主要關節(jié)或機械接口中心的最大加速度。③運動控制方式有點位控制型和連續(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、可靠性和維護性目前,工業(yè)機器人的平均使用壽命一般為10年以上,有的可達到15年。由于機器人的設計盡量采用較少的、易于更換的零件,這樣只需儲備少量的備件就可以進行零件更換,平均維修時間不超過8h。

1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.3工業(yè)機器人的性能參數(shù)（2）機器人運動精度的影響因素定位精度和重復定位精度是機器人重要的性能指標,對機器人的工作質(zhì)量及機器人制造的產(chǎn)品質(zhì)量具有很大的影響。定位精度和重復定位精度不僅取決于機器人本身的設計及制造質(zhì)量,還受到使用條件和環(huán)境的影響,因此了解機器人運動精度的影響因素是非常重要的。影響機器人定位精度和重復定位精度的因素主要有:①機器人的機械結構設計及制造質(zhì)量、控制方法和控制系統(tǒng)誤差。機器人設計時應根據(jù)運動精度的影響因素,嚴格控制各個部件的允許誤差和公差配合,并應當根據(jù)工作要求選擇合適的材料;制造時應嚴格保證設計尺寸和性能要求。另外,還應通過優(yōu)化控制方法并減少控制系統(tǒng)誤差來提高機器人的運動精度。1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.3工業(yè)機器人的性能參數(shù)（2）機器人運動精度的影響因素②工作過程中作用在機器人機械接口處的重力(即機器人的負載)以及機器人負載引起的手臂垂直變形。重力主要影響機器人的定位精度。通常情況下,如果機器人的負載不超過規(guī)定值,重力對定位精度的影響就較小。但如果超過了規(guī)定負載,則會引起明顯的定位精度下降;機器人的負載越大或臂長越大,定位精度下降得越嚴重。在負載不變的情況下,其對重復定位精度的影響很小,因為只要機器人的負載相同,手臂的變形量也相同,所以,即使這個變形量很大(即定位精度較差),由于該變形量是重復定位出現(xiàn)的,機器人的重復定位精度也是比較高的。③使用過程中導致的傳動齒輪松動和傳動皮帶松弛。這類變形會導致傳動誤差,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,也與服役時間有關。加工精度不良或服役時間長均會導致間隙增大,位置誤差增大。通常齒輪間隙應控制在0.1mm以下。1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.2.3工業(yè)機器人的性能參數(shù)（2）機器人運動精度的影響因素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。機器人手臂桿件繞其軸線做旋轉(zhuǎn)運動時,在桿件徑向會產(chǎn)生慣性力,進而引起徑向變形和其他桿件的彎曲變形。大部分情況下,由于機器人手臂運動速度較小,這些變形可忽略不計。但在高速運動時,其影響則較大。此外,熱效應導致的機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)的誤差也會引起運動誤差。1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.3.1焊接機器人的構成用于焊接作業(yè)的機器人稱為焊接機器人。與其他工業(yè)機器人相同,焊接機器人也是由機器人本體、控制系統(tǒng)和任務控制終端(通常為示教器)構成的。焊接機器人基本上全部為關節(jié)型機器人,一般有5個或6個自由度(軸),如圖1-12所示。電阻點焊機器人通常采用5自由度機器人,電弧焊通常采用6自由度機器人。腰關節(jié)、肩關節(jié)及肘關節(jié)3個自由度用于將焊槍送到期望的空間位置,而腕關節(jié)的2個或3個自由度用于確定焊槍的姿態(tài)。

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

1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.3.2焊接機器人的應用現(xiàn)狀

（1）焊接機器人的發(fā)展歷程1969年：首臺電阻焊機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器人,用于焊接摩托車車架。1984年：中國一汽率先引進了德國KUKA焊接機器人。2021年底,全球焊接機器人的在用量大約300萬臺,國內(nèi)的在用量大概40萬臺。近年來，國內(nèi)焊接機器人的應用發(fā)展呈現(xiàn)出快速增長的勢頭,年平均增長率超過40%。（2）焊接機器人的應用意義

1.2工業(yè)機器人的構成及分類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,降低設備投資成本。⑥基于焊接機器人的焊接生產(chǎn)線有利于將生產(chǎn)制造過程中信息集中采集,實現(xiàn)信息化和智能化,便于進行質(zhì)量控制、質(zhì)量分析和成本控制。1.3.3焊接機器人的發(fā)展趨勢從制造業(yè)對焊接需求的發(fā)展角度來看,焊接機器人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有:①中厚板的機器人高效焊接技術及工藝;②小批量或單件大構件機器人自動焊接(如海洋工程和造船行業(yè));③焊接電源的工藝性能進一步提高,適應性更廣,更加數(shù)字化、智能化;④焊接機器人系統(tǒng)更加智能化;⑤各種智能傳感技術在機器人中的應用更廣泛;⑥更強大的自適應軟件支持系統(tǒng);⑦焊接機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,最終達到無人化智能工廠。

1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.3.3焊接機器人的發(fā)展趨勢從制造業(yè)對焊接需求的發(fā)展角度來看,焊接機器人系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有:①中厚板的機器人高效焊接技術及工藝;②小批量或單件大構件機器人自動焊接(如海洋工程和造船行業(yè));③焊接電源的工藝性能進一步提高,適應性更廣,更加數(shù)字化、智能化;④焊接機器人系統(tǒng)更加智能化;⑤各種智能傳感技術在機器人中的應用更廣泛;⑥更強大的自適應軟件支持系統(tǒng);⑦焊接機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,最終達到無人化智能工廠。

1.2工業(yè)機器人的構成及分類1.什么是機器人?根據(jù)用途,機器人分為幾類?2.中國古代機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.試分析中國古代機器人相對于現(xiàn)代機器人的性能缺失。4.按照驅(qū)動方式,工業(yè)機器人分為幾種?各有何優(yōu)缺點?分別應用在哪些工業(yè)領域?5.按照坐標類型,工業(yè)機器人分為幾種?各有何優(yōu)缺點?分別應用在哪些工業(yè)領域?6.為什么現(xiàn)代工業(yè)中應用的機器人多數(shù)為關節(jié)型機器人?7.什么是機器人的關節(jié)?什么是機器人的軸數(shù)?關節(jié)數(shù)和軸數(shù)有何關系?對機器人的性能有何影響?8.什么是機器人的工作空間?工業(yè)中如何擴展機器人的工作空間?9.什么是機器人的分辨率?什么是機器人的定位精度?兩者有何關系?10.簡述焊接機器人在國內(nèi)的應用現(xiàn)狀,試分析其發(fā)展趨勢

習題V機器人運動學基礎第二章2.1.1位姿描述在機器人運動學中,為了便于對各個關節(jié)和桿件的位置與運動進行描述和控制,各個桿件上均需要設置一特定的坐標系。機器人可用的坐標系有直角坐標系、圓柱坐標系和球面坐標系。工業(yè)機器人常用直角坐標系。（1）點位置描述通常利用三個相互垂直的單位矢量表示一個直角坐標系。建立了直角坐標系{A}后,空間中任何一個點的位置都可用3×1位置矢量Ap來表示

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

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

iA、jA

和kA

為坐標系{A}三個坐標軸上的單位矢量,則有兩個單位矢量的點積等于兩個矢量夾角的余弦。這個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）位姿描述坐標系公式確定某一特征點在坐標系{A}中的位置,以該特征點為原點建立坐標系{B}。由該特征點的位置矢量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變換2.1.2坐標變換（1）平移坐標變換（2）旋轉(zhuǎn)坐標變換

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

最常遇到的情況是坐標系{B}與{A}的位向和原點均不相同，這種情況下,需要進行復合變換。ApBO

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

若要進行齊次變換,必須將矢量用齊次坐標系。所謂齊次坐標,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引入一個比例因子w,將p寫為這種表示方法稱為齊次坐標。1)平移齊次變換對于坐標系{B}中位置矢量為Bp=[xByBzB1]T的任意一點p，如果已知ApBO=aiA+bjA+ckA(其中,iA、jA和kA為坐標系{A2}的三個坐標軸上的單位矢量),則其在{A}中的位置矢量可利用下式計算。2.1位姿描述方法與坐標變換

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)齊次變換對于坐標系{B}中位置矢量為已知的任意一點p,如果假定它在坐標系{A}中的位置矢量記為則xA、yA和zA可用向量的點積公式計算。式中,iB、jB和kB為坐標系{B}三個坐標軸上的單位矢量;iA、jA和kA為坐標系{A}三個坐標軸上的單位矢量。2.1位姿描述方法與坐標變換ARB中第一列元素為坐標系{B}的X軸單位矢量在坐標系{A}三個軸向上的投影分量,第二和第三列元素分別為坐標系{B}的Y軸和Z軸單位矢量在坐標系{A}三個軸向上的投影分量。坐標系{B}繞坐標系{A}單個軸的轉(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,則三個基本轉(zhuǎn)動矩陣可表示為2.1位姿描述方法與坐標變換3)復合齊次變換

機器人操作過程中,某一剛性桿件在參考坐標系中的運動通常是由平移和旋轉(zhuǎn)等基本運動構成的復雜運動。運動前后的位置可通過復合齊次變換來描述。與剛性桿件相連的坐標系是運動坐標系,通常利用某一固定坐標系作為參考坐標系。復合齊次變換是基本齊次變換矩陣的乘積,計算時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,變換矩陣都是左乘運動坐標系中的矢量,因此,先進行的變換之基本變換矩陣排在右邊,即從運動坐標系向參考坐標系進行復合變換時,是按照從右向左的順序依次變換的。順序不得顛倒,這是因為矩陣乘法不滿足交換律。例如參考坐標系{A}為OXYZ,運動坐標系{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系原點移動位置向量[a,b,c]T,求復合齊次變換矩陣ATB。2.1位姿描述方法與坐標變換3)復合齊次變換

例如：參考坐標系{A}為OXYZ,運動坐標系{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系原點移動位置向量[a,b,c]T,求復合齊次變換矩陣ATB。2.1位姿描述方法與坐標變換利用ATB可將運動坐標系{B}中的任何向量變換為相對于參考坐標系{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系,也就是說所有的旋轉(zhuǎn)和平移都是相對于參考坐標系測量的。如果這些操作是相對于當前坐標系(運動坐標系),則矢量相對于參考坐標系變換時應該將基本變換矩陣右乘而不是左乘。因此,在計算總變換矩陣時,先進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。對于給定坐標系{A}、{B}和{C},如果已知{B}相對{A}的復合變換為ATB,{C}相對{B}的復合變換為BTC,則{C}相對{A}的復合變換ATC可由下式計算。

（5）齊次逆變換從運動坐標系{B}向參考坐標系{A}的向量變換矩陣為ATB,而從參考坐標系{A}向運動坐標系{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變換（6）變換方程

若要描述或控制機器人的運動,就必須建立機器人各個剛性桿件之間、機器人與環(huán)境之間的運動關系。

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

通常用空間向量圖來控制焊槍坐標系相對于工件坐標系的位姿GTT

焊接機器人尺寸鏈2.1位姿描述方法與坐標變換2.2.1連桿運動參數(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)角兩個參數(shù)來描述。例如,中間連桿i-1可用下列兩個參數(shù)描述

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

2.2機器人運動學兩相鄰連桿關系的描述①關節(jié)軸i的連桿間距di兩個相鄰連桿的公垂線li-1和li

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

之間的夾角當關節(jié)i為移動關節(jié)時,連桿間距di

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

2.2機器人運動學2.2.2連桿坐標系機器人的每個連桿上均建立了一個固聯(lián)坐標系。連桿i的固聯(lián)坐標系稱為坐標系{i}?；鴺讼?連桿0){0}為一個固定坐標系,其他坐標系為動坐標系。通常將坐標系{0}作為參考坐標系,

2.2機器人運動學連桿坐標系的建立通常按照圖以下原則來建立桿件固聯(lián)坐標系。①坐標系{i}的軸Zi與關節(jié)軸i重合,其方向為指向關節(jié)i;②其原點建立在公垂線li與關節(jié)軸i的交點上。③軸

Xi

與li

重合并指向關節(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連桿的運動聯(lián)系起來,僅僅建立連桿坐標系是不夠的,還要確定各個連桿之間的變換關系。

坐標系{i}相對于{i-1}的變換記作i-1Ti。將坐標系{i}中的任意一個矢量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,每個關節(jié)只有一個自由度。對于轉(zhuǎn)動關節(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);對于移動關節(jié),只有di為變量,因此i-1Ti=f(di)。

2.2機器人運動學2.2.4機器人運動學方程（1）連桿自身狀態(tài)的描述對于n自由度機器人,將n個連桿變換矩陣相乘,即可得到機器人運動學方程

0Tn是機器人手臂末端執(zhí)行器坐標系{n}相對于參考坐標系{0}的變化。如果確定了機器人各個關節(jié)的變量,即所有的i-1Ti是確定的。就可以確定末端執(zhí)行器相對于機器人參考坐標系的位姿,這是運動學正問題。運動學正問題的解是唯一的,各個關節(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,求各關節(jié)矢量i-1Ti=f(θi),

這是運動學逆問題。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動學方程進行。其求解方法是方程兩端不斷左乘各個連桿矩陣的逆矩陣,依次求出θ1、θ2、…、θn。

2.2機器人運動學2.2.4機器人運動學方程（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變量θ1,通過對兩邊進行矩陣變換,比較兩邊的對應元素可求出關節(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。無論是機器人運動學正問題的計算還是逆問題的計算,或者末端執(zhí)行器的路徑規(guī)劃,均是由機器人系統(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行簡單的描述,機器人系統(tǒng)便能自己確定達到期望位姿的準確路徑和速度。很多運動學逆問題有多個解,但大部分應用情況下并不需要計算出所有解,以節(jié)省時間。對于示教型機器人,示教點就是末端執(zhí)行器期望達到的點。示教過程中,操作人員通過示教器控制末端執(zhí)行器達到該點時,機器人記下示教點和插補點在參考坐標系下的直角坐標,其控制器僅需進行簡單的逆運動學計算就可求出各個關節(jié)的關節(jié)角。

2.2機器人運動學焊接機器人是多關節(jié)機器人,難以對末端執(zhí)行機構進行直接控制,只能通過控制各關節(jié)的運動來實現(xiàn)對末端執(zhí)行器運動的控制。每個關節(jié)的運動均由一個伺服控制系統(tǒng)來完成,各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作合成機器人末端執(zhí)行器的運動。

2.3機器人運動控制（1）關節(jié)的伺服控制無論是點位運動控制還是連續(xù)軌跡運動控制,焊接機器人均是通過控制各時刻的位置來實現(xiàn)的,因此各個關節(jié)的運動控制系統(tǒng)實際上是位置控制系統(tǒng)。在此基礎上,焊接機器人還采用傳感器對實際的位置或運動進行了實時檢測,通過反饋控制來提高運動精度,使其末端執(zhí)行器準確地實現(xiàn)期望的位姿和軌跡。焊接機器人的所有關節(jié)均為轉(zhuǎn)動關節(jié),其位置控制為角位置控制。圖2-12給出了典型機器人關節(jié)角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。θg為關節(jié)角給定值,由上位計算機通過逆運動學計算求出。三環(huán)結構的關節(jié)角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)利用一定的算法計算出各個關節(jié)角的實際控制量θd,控制驅(qū)動元件運動,準確實現(xiàn)期望的位姿。

2.2機器人運動學典型機器人關節(jié)角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖（1）關節(jié)的伺服控制位置控制器采用的控制算法有PID控制、變結構控制、自適應控制等幾種。焊接機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)。變結構控制指控制系統(tǒng)中具有多個控制器,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的調(diào)整,自動適應外界環(huán)境條件的變化,使系統(tǒng)輸出量的性能指標達到并保持最優(yōu)。

2.2機器人運動學（2）