機械制造自動化技術（第4版）課件：工業(yè)機器人

工業(yè)機器人一、工業(yè)機器人的定義所謂“機器人”(Robot)就是一種自動裝置，它能完成通常由人才能完成的工作。在工業(yè)領域內應用的機器人我們稱為工業(yè)機器人。

通常對工業(yè)機器人的定義是：工業(yè)機器人是一種能模擬人的手、臂的部分動作,按照預定的程序、軌跡及其它要求,實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。第一節(jié)工業(yè)機器人概述二、工業(yè)機器人的組成

·組成--一般由執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)等三部分。1.執(zhí)行機構--是一種具有和人手臂有相似的動作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其它操作的機械裝置，通常包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。2.控制系統(tǒng)--用來控制機器人的執(zhí)行機構按規(guī)定要求動作。3.驅動系統(tǒng)--按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號放大，驅動執(zhí)行機構運動的傳動裝置。4.傳感系統(tǒng)--傳感系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)機器人的重要組成部分,是將機器人、工作對象及環(huán)境的信息傳遞給控制器,用于機器人的智能控制。第一節(jié)工業(yè)機器人概述三、工業(yè)機器人的分類·分類--按坐標形式、控制方式和信息輸入方式等。1.按坐標形式分類即執(zhí)行機構的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。（1）直角坐標機器人優(yōu)點：位置精度最高，控制無耦合，比較簡單，避障性好。缺點：結構龐大，動作范圍小，靈活性差。第一節(jié)工業(yè)機器人概述（2）圓柱坐標機器人優(yōu)點：位置精度較高，控制簡單，避障性好。缺點：結構龐大。（3）極坐標機器人優(yōu)點：占地面積小，結構緊湊，位置精度尚可，控制簡單，避障性好。缺點：存在平衡問題。第一節(jié)工業(yè)機器人概述（4）關節(jié)坐標機器人優(yōu)點：工作范圍大，動作靈活，避障性好。缺點：位置精度較低，存在平衡問題，控制耦合比較復雜。機器人運動組合2.按控制方式分類（1）點位控制(PointtoPoint)機器人其運動為空間點到點之間的直線運動，不涉及兩點之間的移動軌跡，只在目標點處控制機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。這種控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業(yè)。（2）連續(xù)軌跡控制（ContinuousPath）機器人其運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制，末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。第一節(jié)工業(yè)機器人概述3.按信息輸入方式分類（1）人操作機械手：是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。（2）固定程序機器人：按預先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復執(zhí)行給定的作業(yè)任務的機械手。（3）可變程序機器人：它與固定程序機器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。（4）程序控制機器人：它的作業(yè)任務指令是由計算機程序向機器人提供的，其控制方式與數(shù)控機床一樣。（5）示教再現(xiàn)機器人：能夠按照記憶裝置存儲的信息來復現(xiàn)由人示教的動作。其示教動作可自動地重復執(zhí)行。（6）智能機器人：采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應的工作任務。第一節(jié)工業(yè)機器人概述四、工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 （1）提高工作速度和運動精度，減少自身重量和占地面積。（2）加快機器人部件的標準化和模塊化，將各種功能（回轉、伸縮、俯仰、擺動等）機械模塊與控制模塊、檢測模塊組合成結構和用途不同的機器人。（3）采用新型結構，如微動機構、多關節(jié)手臂、類人手指、新型行走機構等，以適應各種作業(yè)需要。（4）研制各種傳感檢測裝置，如視覺、觸覺、聽覺和測距傳感器等，來獲取有關工作對象和外部環(huán)境的信息，使其具有模式識別的能力。（5）利用人工智能的推理和決策技術，使機器人具有問題求解、動作規(guī)劃等功能。第一節(jié)工業(yè)機器人概述第一節(jié)工業(yè)機器人概述機器人實例機器人實例第一節(jié)工業(yè)機器人概述機器人實例第一節(jié)工業(yè)機器人概述機器人實例第一節(jié)工業(yè)機器人概述第二節(jié)工業(yè)機器人的機械與驅動系統(tǒng)·機械系統(tǒng)--又稱機械操作臂，主要由末端執(zhí)行器、手腕、手臂和機座組成；·驅動系統(tǒng)--主要有電氣、液壓、氣動和機械等四種方式。一、機械操作臂

1.末端執(zhí)行器·功用--直接執(zhí)行作業(yè)任務；·類型--可分為機械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。（1）機械式夾持器第二節(jié)工業(yè)機器人的機械與驅動系統(tǒng)（2）吸附式末端執(zhí)行器（3）多指靈巧手2.手腕

手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部件，它的作用是調整或改變端末執(zhí)行器方位，因此一般由三個獨立的回轉關節(jié)組成。3.手臂·手臂是機械操作臂中的重要部件，它的作用是把物料運送到工作范圍內的給定位置上。·常見的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動、電力驅動及復合驅動等。第二節(jié)工業(yè)機器人的機械與驅動系統(tǒng)4.機座·作用--起支承作用；·類型--可分為固定式和移動式兩類。第二節(jié)工業(yè)機器人的機械與驅動系統(tǒng)二、工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)1.機械式驅動系統(tǒng)機械式驅動系統(tǒng)有可靠性高、運行穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點，但也存在重量大、動作平滑性差和噪聲大等缺點。第二節(jié)工業(yè)機器人的機械與驅動系統(tǒng)2.液壓式驅動系統(tǒng) 液壓傳動的機器人具有很大的抓取能力，可高達上百公斤，油壓可達7MPa。4.電氣式驅動系統(tǒng) 電氣驅動是目前機器人采用最多的一種驅動形式。早期多采用步進電動機驅動,后來發(fā)展了直流伺服電動機,現(xiàn)在交流伺服電動機的應用得到了迅速發(fā)展。第二節(jié)工業(yè)機器人的機械與驅動系統(tǒng)3.氣壓式驅動系統(tǒng)

氣壓式驅動系統(tǒng)的基本原理與液壓式的相同,但傳遞介質是氣體。第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術工業(yè)機器人的主要任務就是精確和可重復地將末端執(zhí)行器從一個方位移到另一個方位，與傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的控制大致相同，但機器人的負載、慣量、重心都隨時間發(fā)生變化，不僅要考慮運動學關系還要考慮動力學因素，且它是一個多變耦合的控制系統(tǒng)，這樣機器人的控制系統(tǒng)有其特殊性和復雜性。一、概述1.機器人控制系統(tǒng)的分類 （1）按控制運動的方式分--關節(jié)運動控制

--圓柱坐標空間控制

--直角坐標空間控制（2）按軌跡控制方式分 --點位控制

--連續(xù)軌跡控制（3）按速度控制方式分 --速度控制

--加速度控制 --力控制（4）按發(fā)展階段分 --程序控制系統(tǒng) --適應性控制系統(tǒng) --人工智能控制系統(tǒng)第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術

2.機器人控制的主要變量

·方位變量X(t)--表示某一時刻末端執(zhí)行器在空間的實時方位；·關節(jié)變量

i(t)--表示關節(jié)的實時轉角；·力矩變量C(t)—表示使關節(jié)產生轉角的力矩；·電機力矩變量T(t)—表示提供的驅動力矩；·電壓變量V(t)—表示使電機產生力矩所需的電壓。因此，控制實質就是：

V(t)←→T(t)←→C(t)←→

i(t)←→X(t)通過對這些變量的控制，修正機器人的末端執(zhí)行器的狀態(tài)，使其能夠抓取物料A。第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術3.機器人控制系統(tǒng)的組成

機器人控制系統(tǒng)是一種分級的控制系統(tǒng)，它由作業(yè)控制器、運動控制器和驅動控制器三級組成。--作業(yè)控制器：根據機器人的作業(yè)任務，依次發(fā)出相應的作業(yè)命令。同時，對制造系統(tǒng)來的外部信息進行處理。--運動控制器：對于連續(xù)軌跡控制，接受作業(yè)控制器來的作業(yè)命令，將其轉化為各運動關系的動作指令，再送給驅動控制器。在點位控制中，作業(yè)控制器的信號直接送給驅動系統(tǒng)。--驅動控制器：在機器人的執(zhí)行機構中，每一個運動關節(jié)都由驅動控制器控制。第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術二、機器人的位置、姿態(tài)和路徑問題

1.機器人的位置、方位和姿態(tài)的描述方法

機器人是一個空間機構，可以采用空間坐標變換原理以及坐標變換的矩陣解析方法來建立描述各構件之間相對位置和姿態(tài)的矩陣方程。(1)位置描述在描述機器人各構件及物料之間的關系時，首先建立各種坐標系，用位置矢量描述空間某一點的位置。對于直角坐標系｛A｝，空間任意點P的位置表示為：

P=(xp,yp,zp)T第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術（2）方位描述即確定機器人構件的方位。首先建立一個以該構件為基礎的直角坐標系｛B｝，用坐標系｛B｝的三個單位主矢量相對于參考坐標系｛A｝的方向余弦組成的3×3矩陣來表示構件B相對于坐標系｛A｝的方位。第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術（3）坐標系用以描述各個構件在空間的位置和方位。1）絕對坐標系：是參照工作現(xiàn)場基面的坐標系，也是機器人所有構件的公共參考坐標系；2）機座坐標系：是參照機器人機座的坐標系，也是機器人所有活動構件的公共參考坐標系；3）構件坐標系：是參照機器人指定構件的坐標系，也是在每個活動構件上固定的坐標系，隨構件運動而運動。（4）位姿描述機器人構件的位姿是指在該構件的特征點上（重心或幾何中心）建立坐標系｛B｝，在｛B｝坐標系中描述的該構件方位就是位姿。第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術

2.機器人的運動描述

機器人的執(zhí)行機構是一系列桿件由關節(jié)組合起來的，用矩陣A描述兩桿件之間的位姿，而用矩陣T描述某一桿件與機座的位姿。可以得到方程（機器人的運動方程）：T1=A1T2=A1A2T3=A1A2A3………T6=A1A2A3A4A5A6

3.機器人的路徑規(guī)劃

機器人在工作范圍內完成某一任務，末端執(zhí)行器必須按一定的軌跡運動。末端執(zhí)行器的運動軌跡的形成方法：首先給定軌跡上的若干點，將這些點通過運動學反解映射到關節(jié)空間中，對關節(jié)空間中的這些相應點建立路徑的數(shù)學方程，然后按數(shù)學方程對各關節(jié)進行插補運算，從而得到運動軌跡，上述整個過程就是機器人的路徑規(guī)劃。在路徑規(guī)劃時要考慮下面幾個問題：

1）建立末端執(zhí)行器的起始位姿和目標位姿；

2）區(qū)分末端執(zhí)行器的運動方式（點到點運動、連續(xù)路徑運動、輪廓運動）；

3）在機器人所有運動構件的路徑上是否有障礙物；

4）根據運動要求，選擇插補運算方式。第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術三、機器人的控制技術

1.機器人示教再現(xiàn)控制

通過示教盒或手把手將動作順序、速度、位置等信息預先教給機器人。第三節(jié)工業(yè)機器人控制技術2.機器人的運動控制機器人末端執(zhí)行器從一點到另一點的過程中,對其位置、速度和加速度的控制。3.機器人的自適應控制機器人依據從周圍環(huán)境所獲得的信息來修正對其自身的控制。4.機器人的智能控制無需人的干預就能夠獨立地驅動智能機器人實現(xiàn)其目標的自動控制方式。機器人控制第四節(jié)工業(yè)機器人的應用實例一、切削加工機器人切削加工機器人是用于自由曲面打磨和拋光的加工設備，