2023/2/4武漢理工大學機電學院1/45一、概述二、工業機器人的機械結構三、工業機器人控制系統第七章工業機器人四、工業機器人運動及動力學分析五、工業機器人機器人軌跡規劃2023/2/4武漢理工大學機電學院2/45一、概述1、工業機器人的定義2、工業機器人的組成3、工業機器人的分類4、工業機器人的特性參數5、工業機器人發展趨勢6、工業機器人的用途2023/2/4武漢理工大學機電學院3/451、工業機器人的定義美國機器人協會(RIA)：“機器人是一種能自動控制、可重復編程、多功能多自由度的操作機，用于搬運材料、工件、工具的專用裝置。”

國際標準化組織(ISO)：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執行各種任務。

中國：機器人是一種擬人功能的機械電子裝置。2023/2/4武漢理工大學機電學院4/45

機器人是從初級到高級逐步完善起來的，它的發展過程可以分為三代。第一代機器人：示教再現型機器人。

通過示教－>記憶－>再現過程完成作業。第二代機器人：數控機器人。

具有對外部信息進行反饋的能力，諸如力覺、觸覺、視覺等。第三代機器人：智能機器人。

具有發現問題并能自主解決問題的能力。2023/2/4武漢理工大學機電學院5/452、工業機器人的組成

工業機器人是機電一體化的系統，它一般由以下幾個部分組成：（1）執行機構（2）驅動系統（3）控制系統（4）檢測系統2023/2/4武漢理工大學機電學院6/45組成部分關系圖2023/2/4武漢理工大學機電學院7/45（1）執行機構

一種具有與人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執行其他操作的機械裝置，通常包括：機座、手臂、手腕和末端執行器。1）機座——機器人承受載荷的基礎部件。可分為固定式和移動式(平移和旋轉)。旋轉的機座也稱“腰”。2）手臂——支承手腕和末端執行器的部件。它由動力關節和連桿組成，用來改變末端執行器的空間位置。3）手腕——連接手臂與末端執行器的部件，用來調整末端執行器的方位和姿態。4）末端執行器——又稱“手”，是直接執行工作的裝置，可以是擬人的手掌、手指和夾持器等，也可以是各種作業工具，如焊槍、噴漆槍等。2023/2/4武漢理工大學機電學院8/45

末端執行器可分為:機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。2023/2/4武漢理工大學機電學院9/45機械式夾持器機械式夾持器組成：手爪、傳動機構、驅動裝置等。通過手爪的開、合動作實現對物料的夾持。

夾持圓柱形物料的機械式夾持器1-手爪2-傳動機構3-驅動裝置4-支架5-物料2023/2/4武漢理工大學機電學院10/45吸附式末端執行器吸附式手部又分為氣吸式和磁吸式：氣吸式手部利用真空吸力及負壓吸力吸持工件，它適用于抓取薄片、易碎工件，通常吸盤由橡膠或塑料制成；磁吸式手部利用電磁鐵和永久磁鐵的磁場力吸取具有磁性物質的小五金工件。2023/2/4武漢理工大學機電學院11/45多指靈巧手

仿人多指靈巧手是一個高度集成、高度智能化的機電一體化系統，對仿人多指靈巧手及其操作控制的研究不僅對機電一體化系統和理論的研究具有重要的學術價值，而且對仿人多指靈巧手在空間機器人、工業機器人、服務機器人、殘疾人假肢等領域的應用具有重要的實際意義。2023/2/4武漢理工大學機電學院12/45（2）驅動系統

驅動系統是按照控制系統發出的控制指令將信號放大，驅動執行機構運動的傳動裝置。

根據不同的動力源，驅動系統的傳動方式分為機械液壓氣動電動2023/2/4武漢理工大學機電學院13/45（3）控制系統控制系統控制工業機器人按規定的程序動作。可分為開環控制系統和閉環控制系統。按內部功能劃分的不同，控制系統分成決策級、策略級和執行級三級。決策級——識別環境、建立模型、將作業任務分解為基本動作序列；策略級——將基本動作變為關節坐標協調變化的規律，分配給各關節的伺服系統；執行級——給出各關節伺服系統的具體指令。2023/2/4武漢理工大學機電學院14/45（4）檢測系統

檢測系統檢測執行機構的位姿，并將執行機構的實際位姿及時反饋給控制系統。并與設定的位姿進行比較，然后通過控制系統進行調整，使執行機構到達規定的位姿。常用傳感器：力、位置、觸覺、視覺等傳感器。2023/2/4武漢理工大學機電學院15/453、機器人的分類

分類方法：按坐標形式按控制方式按信息輸入方式

按系統功能按驅動方式按用途2023/2/4武漢理工大學機電學院16/45直角坐標型；圓柱坐標型；球坐標型。（1）按坐標形式分類2023/2/4武漢理工大學機電學院17/45結構簡單；定位精度高；空間因數低；用于印刷電路基板的元件插入、緊固螺絲等。直角坐標機器人2023/2/4武漢理工大學機電學院18/45圓柱坐標型（R2P）結構簡單；剛性好；空間利用率低；用于重物的裝卸和搬運，例如Versatran機器人Versatran機器人2023/2/4武漢理工大學機電學院19/45極坐標、球坐標型（2RP）結構緊湊，所占空間較小。2023/2/4武漢理工大學機電學院20/45（2）按控制方式分類

點位控制(PointtoPoint)

機器人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行器的位置和姿態。特點：控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業。

2023/2/4武漢理工大學機電學院21/45連續軌跡控制（ContinuousPath）機器人運動軌跡可以是空間的任意連續曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制；末端執行器在空間任何位置都可以控制姿態。2023/2/4武漢理工大學機電學院22/45（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定的順序、條件和位置，逐步地重復執行給定的作業任務的機械手。

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。

特點：

結構簡單，無獨立控制系統，造價低廉，如附設在加工中心機床上的自動換刀機械手。2023/2/4武漢理工大學機電學院23/454）程序控制機器人具有獨立的控制系統，作業任務指令是由計算機程序向機器人提供的，其控制方式與數控機床一樣。特點：結構復雜，工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于不斷變換生產品種的柔性制造系統。2023/2/4武漢理工大學機電學院24/455）示教再現機器人這類機器人能夠按照記憶裝置存儲的信息來復現由人示教的動作。其示教動作可自動地重復執行。

6）智能機器人采用傳感器來感知工作環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。2023/2/4武漢理工大學機電學院25/45（4）按用途分類

我國從應用環境上把機器人分為兩大類：工業機器人 指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。如：機械手。特種機器人指除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人。包括：服務機器人、水下機器人、微操作機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。2023/2/4武漢理工大學機電學院26/45工業機器人按用途分類焊接機器人噴漆機器人裝配機器人采礦機器人搬運機器人食品工業機器人2023/2/4武漢理工大學機電學院27/45典型機器人1——平面雙關節型機器人(SCARA)垂直方向上的剛性好，適于裝配工作（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）2023/2/4武漢理工大學機電學院28/45典型機器人2——可編程通用裝配操作手(PUMA)動作范圍寬；結構剛度低；精度較低；裝配、搬運、弧焊、噴涂、點焊等（ProgrammableUniversalManipulatorforAssembly）2023/2/4武漢理工大學機電學院29/454、工業機器人的特性參數

工業機器人的特性參數影響著機器人的工作效率和可靠性。在設計和選用機器人時應考慮如下特性參數：自由度工作空間提取重力運動速度位置精度2023/2/4武漢理工大學機電學院30/45（1）自由度工業機器人的運動自由度是指各關節在三維空間對于固定坐標系具有的獨立運動。各關節自由度的總和就是工業機器人的自由度數。自由度數越高，機器人可以完成的動作越復雜，通用性越強，應用范圍也越廣。每個自由度需要一個伺服軸進行驅動，相應地帶來的技術困難也越大。一般情況下，通用工業機器人有3～6個自由度。2023/2/4武漢理工大學機電學院31/45(2)工作空間

指機器人應用手爪進行工作的空間范圍。機器人的工作空間主要取決于臂部的自由度和每個關節的運動范圍。腕部的自由度主要用來調整手部在空間的方位。手指的開閉動作，僅用于夾放工件或工夾具，它不改變工件或工夾具的空間位置和方位，所一般不計入機器人的自由度數。2023/2/4武漢理工大學機電學院32/45直角坐標機器人的工作空間是一個矩形空間；圓柱坐標機器人的工作空間是一圓柱體；而球坐標機器人的工作空間是一個球體。2023/2/4武漢理工大學機電學院33/45

提取的重力是反映機器人負載能力的一個參數，根據提取重力的不同，可將機器人分為：①微型機器人，提取重力在10N以下；②小型機器人，提取重力為10～50N；③中型機器人，提取重力為50～300N；

④大型機器人，提取重力為300～500N；⑤重型機器人，提取重力在500N以上。目前實際應用機器人一般為中、小型機器人。(3)提取重力2023/2/4武漢理工大學機電學院34/45

運動速度影響機器人的工作效率，它與機器人所提取的重力和位置精度均有密切的關系。運動速度高，機器人所承受的動載荷增大，必將在加減速時承受較大的慣性力，影響機器人的工作平穩性和位置精度。目前的技術水平而言，通用機器人的最大直線運動速度大多在1000mm/s以下。(4)運動速度2023/2/4武漢理工大學機電學院35/45

位置精度是衡量機器人工作質量的又一技術指標。位置精度的高低取決于位置控制方式以及機器人運動部件本身的精度和剛度，此外還與提取重力和運動速度等因素有密切的關系。(5)位置精度工業機器人的用途與發展

用于一切可替代人操作的場合，尤其是勞動強度大、重復性高、環境惡劣的地方。工業、農業、服務業、科研

1)焊接：主要是指利用機器人進行點焊和弧焊。點焊時要求機器人手腕握持焊接工具準確地對準所要求的焊點，焊槍不與部件的其它部位接觸。通常，這些機器人所夾持的焊接工具大而重，同時還要求機器人有一個比較大的活動范圍。弧焊是對材料進行連續焊接，焊接前首先要將復雜的運行軌跡示教給機器人，在需要處理較寬的焊縫時，可以編程使機器人作編織狀的橫擺運動。汽車工業運用這種類型的機器人最多。本田車廠焊接機器人

三維激光切割與焊接2)噴漆：噴漆易引發火災，同時有害于身體健康，因此，噴漆作業是機器人特有的用途。使用噴漆機器人的另一個優點是涂層比人工噴涂的更加均勻。

機器人噴漆視頻

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