第七章工業機器人教學目的及要求了解工業機器人的定義、分類和組成，了解工業機器人的機械系統。了解工業機器人的相關控制技術

了解機器人的視覺及機器人的智能第一節概述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。2.工業機器人的組成工業機器人一般由執行機構、控制系統和驅動系統組成。工業機器人的典型結構如下圖所示。執行機構執行機構是一種具有和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。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”。手臂：分為大臂、小臂和手腕，完成各種動作。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。控制系統控制工業機器人按照規定要求動作，可分為開環控制系統和閉環控制系統。多采用計算機控制。計算機控制系統按內部功能劃分的不同，可細分為：決策級：識別環境、建立模型、任務分解。策略級：按關節坐標協調變化的規律，將動作轉化為各關節的運動參數，傳遞給伺服控制系統。執行級：按給定指令執行動作。驅動系統按照控制指令，放大驅動信號，驅動執行機構動作。常用的有：機械、液壓、氣動和電氣四種。機器人的組成視頻3.工業機器人的分類1)按坐標形式分(1)直角坐標式

執行器通過沿三個互相垂直的軸線移動改變位置，機器人主體結構的關節都是移動關節。位置精度高，控制無耦合，簡單可靠結構龐大，動作范圍小，靈活性差(2)圓柱坐標型圓柱坐標式機器人主體結構具有三個自由度：腰轉、升降和伸縮，亦即具有一個旋轉運動和兩個直線運動。通用性強，結構緊湊機器人腰轉時將手臂縮回，減少了轉動慣量受結構限制，手臂不能抵達底部，減少了工作范圍(3)球面坐標式(極坐標式)機器人主體結構具有三個自由度，兩個旋轉運動和一個直線運動。結構緊湊，位置精度尚可，工作范圍大，占地面積小，控制系統復雜。(4)關節坐標式主要由立柱、大臂和小臂組成，形成腰關節、肩關節和肘關節。工作范圍大、動作

靈活，但位置精度低，控制有復雜的耦合問題。水平多關節型垂直方向上的剛性好，適于裝配工作動作范圍寬；結構剛度低；精度較低；裝配、搬運、弧焊、噴涂、點焊等垂直多關節2)按控制方式分點位控制(Point

to

Point)運動是連接兩點之間的直線運動，關心的是末端執行器在兩個給定點的位置精度和姿態，具體運動軌跡如何、運動時執行器的姿態并不是重點。控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業。連續軌跡控制(Continuous

Path)運動軌跡可以是空間內的任意連續曲線，在整個運動過程中，機器人和末端執行器均處于可控制狀態。3)按驅動方式分液壓驅動精度高，反應速度快，輸出力或力矩大液壓機構維護復雜，成本高氣壓驅動由氣動機構產生動力驅動關節運動。動作迅速，結構簡單，但受空氣可壓縮性影響，穩定性差，定位精度低，抓取力小電力驅動能完成高速運動，具有傳動機構少，成本低等優點，在現代工業生產中已基本普及。步進電動機 直流伺服電動機 交流伺服電動機4)按信息輸入方式分人工操作機械手固定程序機器人可變程序機器人程序控制機器人示教再現機器人示教－>記憶－>再現智能機器人具有發現問題并能自主解決問題的能力機器人的分類視頻1

機器人的分類視頻24.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

機器人噴脫模劑視頻磨削：利用工業機器人對焊縫或工作表面進行磨削。機器人磨刀視頻機器人磨削汽車變速箱零件視頻機器人拋光視頻1

機器人拋光視頻24)零部件裝卸和傳送：常用于生產線上。將零件從一個位置移至工作區的另一個位置，有碼放和卸貨兩種操作，或在金屬加工中，將零件從一個工作區送至另一個工作區。下頁圖表示用機器人傳送鍛造毛坯的工作流程：進料器將工件送至A點→機器人R1將工件送至B點→涂膜并轉至C點→機器人R1將工件送至D點（干燥臺）并旋轉至E點正好干燥→大機器人將工件從E移至F點（加熱轉臺）旋轉一周至G點→從G點至H點鍛打→機器人R2將加工好的工件料箱或傳送帶上。自動鍛造工作站示意圖5)其他應用水下機器人：用于海底礦物探測、打撈沉船、在海上或干式船塢中修理船舶等。軍用機器人：海軍和空軍對移動式消防機器人感興趣，由于配有紅外傳感器，在緊急關頭，能夠作出比人更快的反應。還有裝炮彈機器人等。發電廠機器人：在核發電廠，由于核燃料有放射作用，很多工作更適合于機器人操作。如：給活動篩附屬裝置上潤滑油；閥門密封件的檢修等。家用機器人：組裝機器人：自動工廠中的機器人：機器人的未來用途是成為全自動化工廠或加工車間的一個組成部分工業機器人的發展：提高速度和運動精度，減少重量和占地面積部件的標準化和模塊化使用新型結構開發各種新型傳感檢測設備發展人工智能的推理和決策技術第二節工業機器人的機械系統手部(末端執行器)工業機器人的手部也叫末端操作器，它直接裝在工業機器人的手腕上用于夾持工件或讓工具按照規定的程序完成指定的工作。手部的特點手部與手腕相連處可拆卸手部與手腕處有可拆卸的機械接口：根據夾持對象的不同，手部結構會有差異，通常一個機器人配有多個手部裝置或工具，因此要求手部與手腕處的接頭具有通用性和互換性。手部可能還有一些電、氣、液的接口：由于手部的驅動方式不同造成。對這些部件的接口一定要求具有互換性。(2)手部是末端操作器可以具有手指，也可以不具有手指；可以有手爪，也可以是專用工具。每個手指有三個或四個關節。技術關鍵是手指之間的協調控制。末端操作器圖例(2)手部是一個獨立的部件工業機器人通常分為三個大的部件：機身、手臂（含手腕）、手部。手部對整個機器人完成任務的好壞起著關鍵的作用，它直接關系著夾持工件時的定位精度、夾持力的大小等。手部的通用性比較差工業機器人的手部通常是專用裝置：一種手爪往往只能抓住一種或幾種在形狀、尺寸、重量等方面相近的工件；一種工具只能執行一種作業任務。2)手部的設計要求具有足夠的夾持力。保證適當的夾持精度手指應能順應被夾持工件的形狀，應對被夾持工件形成所要求的約束。考慮手部自身的大小、形狀、機構和運動自由度主要是根據作業對象的大小、形狀、位置、姿態、重量、硬度和表面質量等來綜合考慮。智能化手部還應配有相應的傳感器由于感知手爪和物體之間的接觸狀態、物體表面狀況和夾持力的大小等，以便根據實際工況進行調整等3)手部的構成主要有手指、驅動機構和傳動機構組成。4)手部的分類按用途分手爪：具有一定的通用性。主要功能是：抓住工件、握持工件、釋放工件。抓住：在給定的目標位置和期望姿態上抓住工件，工件必須有可靠的定位，保持工件和手爪之間的準確的相對位置關系，以保持機器人后續作業的準確性。握住：確保工件在搬運過程中或零件裝配過程中定義了的位置和姿態的準確性。釋放：在指定位置結束手部和工件之間的約束關系。工具：進行作業的專用工具。工件的定位和夾緊F(2)按夾持方式分外夾式手部與被夾件的外表面相接觸。內撐式手部與工件的內表面相接觸。內外夾持式手部與工件的內、外表面相接觸。夾持方式圖例(3)按手爪的運動形式分回轉型當手爪夾緊和松開物體時，手指作回轉運動。當被抓物體的直徑大小變化時，需要調整手爪的位置才能保持物體的中心位置不變。平動型手指由平行四桿機構傳動，當手爪夾緊和松開物體時，手指姿態不變，作平動。平移型當手爪夾緊和松開工件時，手指作平移運動，并保持夾持中心的固定不變，不受工件直徑變化的影響。回轉型圖例壓縮彈簧拉伸彈簧平動型圖例平移型圖例該絲桿的螺紋具有什么特點？此時手部是張開還是合攏？(4)按夾持原理分手指式：外夾式、內撐式、內外夾持式。平移式、平動式、旋轉式。二指式、多指式。單關節式、多關節式。吸盤式：負壓吸盤：真空式、噴氣式、擠氣式。磁力吸盤：永磁吸盤、電磁吸盤。5)典型結構(1)機械式手爪結構氣動驅動手爪：氣缸驅動活塞平移→齒條移動→扇形齒輪擺動→連桿機構擺動→手爪平動其它四種機械式手爪機構氣動手爪圖例問題：1、分析手部的運動。2、手部作的是什么類型運動？機械手爪圖例重力式手爪齒輪齒條式手爪滑槽式手爪撥桿杠桿式手爪(2)電磁吸盤電磁吸盤的結構：主要由磁盤、防塵蓋、線圈、殼體等組成。工作原理：夾持工件：線圈通電→空氣間隙的存在→線圈產生大的電感和啟動電流→周圍產生磁場(通電導體一定會在周圍產生磁場)→吸附工件放開工件：線圈斷電→磁吸力消失→工件落位適用范圍：適用于用鐵磁材料做成的工件；不適合于由有色金屬和非金屬材料制成的工件。適合于被吸附工件上有剩磁也不影響其工作性能的工件。適合于定位精度要求不高的工件。適合于常溫狀況下工作。鐵磁材料高溫下的磁性會消失。電磁吸盤圖例(3)真空式吸盤構成:由真空泵、電磁閥、電機和吸盤等構成。工作原理：形成真空吸附工件：電機→真空泵→3＃電磁閥左側→從吸盤5處抽氣釋放工件：電機、泵停轉→大氣經6＃口→4＃電磁閥左側→3＃電磁閥右側→送氣至吸盤5處真空吸盤控制系統圖例1Y2Y真空吸盤結構圖例(4)自適應吸盤結構特點：該吸盤具有一個球關節，使吸盤能傾斜自如，適應工件表面傾角的變化。(5)異形吸盤結構特點：可用來吸附雞蛋、錐頸瓶等物件。擴大了真空吸盤在機器人上的應用。(6)噴氣式吸盤工作原理：壓縮空氣進入噴嘴后，利用伯努利效應，當壓縮空氣剛進入時，由于噴嘴口逐漸縮小，致使氣流速度逐漸增加。當管路截面收縮到最小處時，氣流速度達到臨界速度，然后噴嘴管路的截面逐漸增加，使與橡膠皮碗相連的吸氣口處，造成很高的氣流速度而形成負壓。應用：在工廠一般都有空壓站，噴氣式吸盤在工廠得到廣泛的應用。噴氣式吸盤圖例(7)擠氣式吸盤主要構成：吸盤架、壓蓋、密封墊、吸盤工作原理：擠氣式吸盤工作原理圖6)手部結構的應用實例(1)平行指手爪機構工作原理：回轉動力源1和6驅動構件2和5順時針或逆時針旋轉，通過平行四邊形機構帶動手指3和4作平動，夾緊或釋放工件。(2)設有檢測開關的手爪裝置

工作原理：手爪裝有限位開關5和7。在指爪4沿垂直方向

接近工件6的過

程中，限位開關

檢測手爪與工件

的相對位置。當

工件接觸限位開

關時發信號，汽

缸通過連桿3驅動指爪夾緊工件。(3)上料吸盤A(4)上料吸盤B2.工業機器人的驅動系統工業機器人常用驅動系統主要有液壓驅動、氣壓驅動和電氣驅動三種形式。每種方式都有直線型和旋轉型。直線型電動直線電機液壓活塞液壓缸氣壓伸縮軟管、氣缸旋轉型電動直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機液壓旋轉馬達氣壓氣壓馬達、渦輪各種主要驅動方式特點的比較方式內容液壓驅動氣壓驅動電氣驅動交、直流電機伺服電機、步進電機輸出力大小大小控制性能可無級調速，反應靈敏，可實現連續軌跡控制氣體壓縮性大，精確定位難，

阻尼效果差，

低速不易控制控制性能較差，慣性大，不易

精確定位控制性能好，能精確定位，但控制系統復雜體積在輸出力相同條件下體積小較大要有減速裝置，故體積較大較小維修及使用方便，但油液對環境溫度有一定要求方便方便較復雜對環境影響易漏油，易燃排氣有噪聲無無應用范圍重型低速驅動中小型快速驅動抓取重量大而速度低的中、重型機器人可用于要求嚴格控制運動軌跡的中小型機器人成本元件成本較高低低較高3.工業機器人的傳動機構傳動機構用來將原動機發出的機械能傳遞給關節或其他工作部分，以實現機器人各種必要的運動。常用傳動方案如下表所示。常用傳動機構有齒輪傳動、螺旋傳動、帶及鏈傳動等。方案原動機傳動機構執行部件I液壓泵或空壓機 (液壓或氣動驅動器) (連桿機構、擺桿機構)II變速電機 (回轉關節)伺服電機 (減速機構)(回轉變直線機構) (直動關節)III直線電機1)齒輪傳動齒輪傳動最常用，包括：圓柱齒輪傳動：直/斜齒，內/外嚙合，齒輪齒條圓錐齒輪傳動：直齒、曲齒交錯軸斜齒輪傳動蝸輪蝸桿傳動準雙曲面齒輪傳動行星齒輪減速機構諧波減速器RV減速器：內齒輪為帶滾針的圓弧齒，外齒輪采用周擺線齒，內外齒輪在整個圓周上始終保持嚙合。RV減速器工作原理圖2)螺旋傳動螺旋傳動可實現旋轉運動和平移運動的轉換。螺旋傳動均勻準確，主動件上作用較小扭矩，即可在從動件上獲得很大的軸向力。螺桿旋轉一周，螺母只移動一個導程。按摩擦性質分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋。滑動螺旋：絲杠螺母副滾動螺旋：滾珠絲杠副靜壓螺旋：變滑動、滾動摩擦為流體自身的粘性力摩擦，如使用氣體靜壓螺旋，則摩擦力很小，但承載能力也小。滑動螺旋傳動原理圖滾動螺旋傳動內部結構圖滾珠絲杠實物圖靜壓螺旋傳動內部結構示意圖帶、鏈傳動工業機器人中的帶傳動主要指同步齒形帶傳動，鏈傳動主要指精密套筒滾子鏈傳動。主要用于平行軸之間的傳動。其他傳動方式除上述三種主要傳動形式外，工業機器人中還有采用液壓傳動、氣壓傳動、連桿機構和凸輪機構等。4.工業機器人的手臂手臂用來調節末端執行器在空間的位置，或把物料、工具運送到工作范圍內的指定位置上。一般具有三個自由度，這些自由度可以是移動副、繞同軸回轉的回轉副和繞銷軸擺轉的回轉副。關節型機器人目前用得最多，其手臂上的最重要部件就是關節。回轉關節用來連接手臂與機座、手臂相鄰桿件及手臂與手腕，并實現兩構件間的相對回轉(或擺動)。它由驅動器、回轉軸和軸承組成。驅動電機和關節之間沒有速度和轉矩的轉換。這種驅動方式具有以下特點：A.機械傳動精度高；B.振動小，結構剛性好；C.結構緊湊，可靠性高；D.電機的重量會增加轉動負擔。回轉關節回轉軸與驅動器裝在同一軸上。SCARA型機器人中常

用。本形式位置精度高，但應注意加強手臂剛度

和選擇緊湊的減速裝置。移動關節由直線運動機構和直線導軌組成。在工業機器人中，為滿足高速、高精度要求，常采用緊湊、低價的滾動導軌。直線滾動導軌結構示意圖直線滾動導軌產品5.工業機器人的手腕手腕位于手臂末端，用來支撐末端執行器并調整其姿態。一般手腕由多個同軸回轉副(R)或銷軸回轉副(B)的關節組成。手腕按自由度分類，可分為單回轉、雙回轉、三回轉三種。常見的雙回轉副配置形式有B-R和R-B；

三回轉副的配置形式有B-B-R，B-R-R，R-B-R，R-R-R，

R-B-B五種。三回轉手腕結構形式有偏置結構和球腕結構兩類。前者手腕各關節軸作相對偏置，這在計算控制上較為復雜；后者手腕各關節軸線相交于一點，這在運動分析和計算

時，可等效于一高副球腕結構處理。手腕自由度配置形式手腕結構實例6.機身與行走機構機器人機械結構由三大部分構成：機身、手臂(含手腕)、手部。其中機身又稱立柱，是支承臂部的部件。同時，大多數工業機器人必須有一個便于安裝的基礎部件，這就是機器人的基座，基座往往與機身做成一體。有些

機器人需要行走，機身下面還會安裝有行走機構。1)機身機身的自由度機身往往具有升降、回轉及俯仰三個自由度。機身的運動由上面三個自由度可以組合成機身五種運動形式。分別是：回轉運動；升降運動；回轉—升降運動；回轉—俯仰運動；回轉—升降運動—俯仰運動。(3)各種坐標類型機身運動方案設計圓柱坐標式機器人：這種類型的機器人主體結構通常具有三個自由度：一個回轉運動(腰轉)及兩個直線移動(升降運動及手臂伸縮運動)。腰轉運動及升降運動通常由機身來實現。球面坐標式機器人：這種類型的機器人主體結構通常具有三個自由度：繞垂直軸線的回轉運動(回轉運動)、繞水平軸線的回轉運動(俯仰運動)及手臂的伸縮運動。通常把回轉及俯仰運動歸屬于機身。、。關節坐標式機器人：這種類型的機器人主體結構的三個自由度均為回轉運動，構成機器人的回轉運動俯仰運動和偏轉運動通常僅把回轉運動歸結為機身。。直角坐標式機器人：這種類型的機器人主體結構具有三個自由度且都是直線運動通常把升降運動或水平移動的自由度歸為機身部分。鏈輪—液壓缸機構圖例問題：要使立柱作大于360°的旋轉，對活塞的行程有什么要求？每個液壓缸只有一個油口。回轉與俯仰機身機器人手臂的俯仰運動，一般采用活塞缸與連桿機構實現。手臂俯仰運動用的活塞缸位于手臂的下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接好，缸體采用尾部耳環或中部銷軸等方法與立柱連接。回轉與俯仰機身圖例2)機器人行走機構行走機構的構成機器人行走機構通常由驅動裝置、傳動裝置、位置檢測裝置、傳感器、電纜和管路等構成。行走機構的分類按運行軌跡分：分為固定軌跡式和無固定軌跡式兩種。固定軌跡式主要用于工業機器人。按行走機構的特點分：對于無固定軌跡機器人，可分為輪式、履帶式和步行式等。前兩者與地面連續接觸，后者與地面為間斷接觸。固定軌道式機器人運動的實現機器人機身底座，安裝在一個可移動的拖板上，依靠絲桿螺母副的運動將來自電機的旋轉運動轉化為直線運動。車輪式行走機器人分類：車輪式行走機器人通常有三輪、四輪、六輪之分。它們或有驅動輪和自位輪，或有驅動輪和轉向機構，用來轉彎。適用范圍：最適合平地行走，不能跨越高度，不能爬樓梯。三輪行走機器人圖例三輪行走機器人結構及驅動構成：三個車輪、轉向叉、驅動裝置等。驅動方案：電機5驅動輪1：通過V1、V2的不同速度控制小車的移動方向，同時，轉向叉3自動地轉向正確的方向。此時輪2受到地面的摩擦而滾動。電機6驅動輪2：由電機6驅動，小車的方向由專用電機7驅動轉向叉實現。此時輪1自由滾動。缺陷：施加在角落的力容易產生使機器人翻倒，對負載有一定的限制。四輪行走機器人(5)履帶式行走機器人特點：可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階。沒有自位輪，依靠左右兩個履帶的速度差轉彎，會產生滑動，轉彎阻力大，且不能準確地確定回轉半徑。履帶式行走機器人圖例A履帶式行走機器人圖例B(6)腳踏行走機器人腳踏行走機器人即步行機器人，典型特征是不僅能

在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越溝壑，上下臺階，具有廣泛的適應性。主要設計難點是機器人跨步時自動轉移重心而保持平衡的問題。兩足步行機器人圖例控制特點：使機器人的重心經常在接地的腳掌上，一邊不斷取得準靜態平衡，一邊穩定的步行。結構特點：為了能變換方向和上下臺階，一定要具備多自由度。兩足步行機器人圖例主要構成：1-框架 2-大腿3-小腿 4-腳5-肩 6-肘7-手 8-液壓缸兩足步行機器人視頻四足機器人圖例A特點：四足機器人在靜止狀態下是穩定的，具有很高的實用性。四足機器人步行時，一只腳抬起，三只腳支撐自重，這時有必要移動身體，讓重心落在三只腳接地點組成的三角形內。四足機器人圖例B四足機器人圖例C(7)其它行走機器人爬壁機器人車輪和腳混合式機器人其它行走機器人圖例第三節工業機器人控制系統1.概述控制系統是機器人的指揮中樞，負責對作業指令、內外環境信息進行處理，并依據預定的本體模型、環境模型和控制程序做出決策，產生相應的控制信號，通過驅動器驅動執行機構的各個關節，按確定的順序、軌跡、速度和加速度運動，完成制定的任務。機器人控制系統不僅要考慮運動學關系，還要考慮動力學因素，是一個多變量耦合系統，特殊、復雜。目前，機器人控制器是一個由計算機控制的高性能控制器，并且控制軸數日益增多，體積減小，價格走低，并實現了軟件控制和數字控制，系統的可靠性增強。