模塊二機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)

1、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù),機(jī)器人的基本屬于與圖形符號(hào),1,機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),2,機(jī)器人的舉例分析,3,機(jī)器人的工作原理與應(yīng)用技術(shù),4,本模塊主要介紹機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，包括機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ)與各類圖形符號(hào)，機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)等，并介紹了幾種實(shí)際產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格和機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,學(xué)習(xí)完本模塊的內(nèi)容后，學(xué)生應(yīng)熟練掌握機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ)和各類圖形符號(hào)的含義；能夠讀懂并解釋機(jī)器人技術(shù)規(guī)格書的內(nèi)容，能夠熟練繪制出機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖和各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖；掌握運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題，理解機(jī)器人的位置與變量的關(guān)系，了解運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的一般表示方法，能用上述所學(xué)解釋機(jī)器人的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,學(xué)習(xí)單元一 機(jī)器人

2、的基本術(shù)語(yǔ)與 圖形符號(hào),一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),關(guān)節(jié)（joint）即運(yùn)動(dòng)副，是允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，是兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)連接，如圖2-1所示。A、B兩部件可以做互動(dòng)連接,圖1-13 不同坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人,一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),連桿（link）指機(jī)器人手臂上被相鄰兩關(guān)節(jié)分開的部分，是保持各關(guān)節(jié)間固定關(guān)系的剛體，是機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)中，兩端分別與主動(dòng)和從動(dòng)構(gòu)件鉸接，以傳遞運(yùn)動(dòng)和力的桿件。例如，在往復(fù)活塞式動(dòng)力機(jī)械和壓縮機(jī)中，用連桿來(lái)連接活塞與曲柄。連桿多為鋼

3、件，其主體部分的截面多為圓形或工字形，兩端有孔，孔內(nèi)裝有青銅襯套或滾針軸承，供裝入軸銷而構(gòu)成鉸接。 連桿是機(jī)器人中的重要部件，它連接著關(guān)節(jié)，其作用是將一種運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)形式，并把作用在主動(dòng)構(gòu)件上的力傳給從動(dòng)構(gòu)件，以輸出功率,一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),剛度（stiffness）是機(jī)器人機(jī)身或臂部在外力作用下抵抗變形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的變形量（位移）之比來(lái)度量的。在彈性范圍內(nèi)，剛度是零件載荷與位移成正比的比例系數(shù)，即引起單位位移所需的力。剛度的倒數(shù)稱為柔度，即單位力引起的位移。剛度可分為靜剛度和動(dòng)剛度。 在任何力的作用下，體積和形狀都不發(fā)生改變的物體稱為剛體(rigid b

4、ody)。在物理學(xué)中，理想的剛體是一個(gè)固體的、尺寸值有限的、形變可以被忽略的物體。不論是否受力，在剛體內(nèi)任意兩點(diǎn)間的距離都不會(huì)改變。在運(yùn)動(dòng)中，剛體上任意條直線在各個(gè)時(shí)刻的位置都保持平行,一、機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ),二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,二、機(jī)器人的圖形符號(hào)體系,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖是描述機(jī)器人組成機(jī)構(gòu)的直觀圖形表達(dá)形式，可以將機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件用簡(jiǎn)便的符號(hào)和圖形表達(dá)出來(lái)，此圖可用上述圖形符號(hào)體系中的文字與代號(hào)表示,圖2

5、-2 4種坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,由圖可見，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖可以簡(jiǎn)化為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖，以明確主要因素,圖2-3 PUMA-262機(jī)器人的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,圖2-4 PUMA-262機(jī)器人的傳動(dòng)原理圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,該四自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、1個(gè)螺紋移動(dòng)關(guān)節(jié)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-5所示,圖2-5 KR5 SCARA的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,ABB、FUNAC、KUKA的大多數(shù)產(chǎn)品均為六自由度機(jī)器人，MOTOMAN也有六自由度產(chǎn)品，它們的關(guān)節(jié)分布比較類似，多采用安川交流驅(qū)動(dòng)

6、電動(dòng)機(jī)。其中，ABB公司的IRB 2400產(chǎn)品是全球銷量最大的型號(hào)之一，已安裝20 000套,圖2-6 IRB 2400的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,ABB、FUNAC、KUKA的大多數(shù)產(chǎn)品均為六自由度機(jī)器人，MOTOMAN也有六自由度產(chǎn)品，它們的關(guān)節(jié)分布比較類似，多采用安川交流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。其中，ABB公司的IRB 2400產(chǎn)品是全球銷量最大的型號(hào)之一，已安裝20 000套,圖2-7 R2000iB的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,MOTOMAN的IA20是七自由度機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-8所示,圖2-8 IA20的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,MOTOMAN的DIA10產(chǎn)

7、品的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有15個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-9所示,圖2-9 DIA10的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,三、機(jī)器人的圖形符號(hào)表示,學(xué)習(xí)單元二 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),一、自由度,自由度是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。機(jī)器人的自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，其中不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。機(jī)器人的自由度反映機(jī)器人動(dòng)作靈活的尺度，一般以軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來(lái)表示,如圖2-10所示的機(jī)器人，臂部在xO1y面內(nèi)有3個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)升降（L1）、伸縮（L2）和轉(zhuǎn)動(dòng)（1），腕部在xO1y面內(nèi)有一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)（2）。機(jī)器人手部位置需要一個(gè)獨(dú)立變量手部繞自身軸線O3C的旋轉(zhuǎn)3。這種用

8、來(lái)確定手部相對(duì)于機(jī)身（其他參照系統(tǒng)）位置的獨(dú)立變化的參數(shù)（L1、L2、1、2、3）即為機(jī)器人的自由度,二、機(jī)器人的歷史與發(fā)展,圖2-10 五自由度機(jī)器人簡(jiǎn)圖,二、機(jī)器人的分類,二、機(jī)器人的歷史與發(fā)展,二、機(jī)器人的分類,二、工作空間,二、工作空間,不同廠家對(duì)工作速度規(guī)定的內(nèi)容也有所不同，有的廠家定義工作速度為工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義工作速度為手臂末端最大的合成速度，通常在技術(shù)參數(shù)中加以說(shuō)明。一般來(lái)說(shuō)，工作速度是指機(jī)器人在工作載荷條件下、勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)的距離或轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 顯而易見，工作速度越高，工作效率就越高。但是，工作速度越

9、高，就要花費(fèi)越多的時(shí)間去升速或降速，對(duì)工業(yè)機(jī)器人最大加速度變化率及最大減速度變化率的要求也越高,三、工作速度,在使用或設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，確定機(jī)器人手臂的最大行程后，根據(jù)循環(huán)時(shí)間安排每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，并確定各動(dòng)作是同時(shí)進(jìn)行還是順序進(jìn)行，這樣就可以確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。分配各動(dòng)作的時(shí)間除考慮工藝動(dòng)作要求外，還要考慮慣性和行程大小、驅(qū)動(dòng)和控制方式、定位和精度要求。 為了提高生產(chǎn)率，要求縮短整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間。運(yùn)動(dòng)循環(huán)包括加速起動(dòng)、等速運(yùn)行和減速制動(dòng)3個(gè)過(guò)程。過(guò)大的加(減)速度會(huì)導(dǎo)致慣性力加大，影響動(dòng)作的平穩(wěn)和精度。為了保證定位精度，加減速過(guò)程往往占用較長(zhǎng)時(shí)間,三、工作速度,四、工作載荷,負(fù)載大小主要考慮機(jī)器

10、人各運(yùn)動(dòng)軸上所受的力和力矩。承載能力不僅決定于負(fù)載的重量、機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量，即手部的重量、抓取工件的重量，而且與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向，即由運(yùn)動(dòng)速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩有關(guān)。 一般機(jī)器人在低速運(yùn)行時(shí)承載能力大，為安全考慮，規(guī)定在高速運(yùn)行時(shí)所能抓取的工件重量作為承載能力指標(biāo)，即承載能力這一技術(shù)指標(biāo)是指高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。目前使用的工業(yè)機(jī)器人，其承載能力范圍較大，最大可達(dá)1 000 kg,二、機(jī)器人的歷史與發(fā)展,五、分辨率,編程分辨率是指程序中可以設(shè)定的最小距離單位，又稱為基準(zhǔn)分辨率。例如，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)0.1，機(jī)器人腕點(diǎn)(手臂尖端點(diǎn))移動(dòng)的直線距離為0.01 mm時(shí)，

11、其基準(zhǔn)分辨率為 0.01 mm。 控制分辨率是位置反饋回路能夠檢測(cè)到的最小位移量。例如，若每周（轉(zhuǎn)）1 000個(gè)脈沖的增量式編碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，則電動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)0.36(360，1 000 r/min)，編碼盤就發(fā)出一個(gè)脈沖，0.36以下的角度變化無(wú)法檢測(cè)，則該系統(tǒng)的控制分辨率為0.36。顯然，當(dāng)編程分辨率與控制分辨率相等時(shí)，系統(tǒng)性能最高,五、分辨率,六、精度,2) 控制算法誤差主要指算法能否得到直接解和算法在計(jì)算機(jī)內(nèi)的運(yùn)算字長(zhǎng)所造成的比特(bit)誤差。因?yàn)?6位以上CPU進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，精度可達(dá)到82位以上，所以比特誤差與機(jī)構(gòu)誤差相比基本可以忽略不計(jì)。 (3) 分辨率系統(tǒng)誤差可取1/2基

12、準(zhǔn)分辨率，其理由是基準(zhǔn)分辨率以下的變位既無(wú)法編程又無(wú)法檢測(cè)。機(jī)器人的精度可認(rèn)為是1/2基準(zhǔn)分辨率與機(jī)械誤差之和，即 機(jī)器人的精度=1/2基準(zhǔn)分辨率+機(jī)械誤差 若能夠做到使機(jī)械的綜合誤差達(dá)到1/2基準(zhǔn)分辨率，則精度等于分辨率。但是，就目前的科技水平而言，除納米領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)以外，工業(yè)機(jī)器人尚難以實(shí)現(xiàn),六、精度,重復(fù)定位精度是指在相同的運(yùn)動(dòng)位置命令下，機(jī)器人連續(xù)若干次運(yùn)動(dòng)軌跡之間的誤差度量。若機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行某位置給定指令，它每次走過(guò)的距離并不相同，而是在一平均值附近變化，則該平均值代表精度，而變化的幅度代表重復(fù)定位精度。因此，重復(fù)定位精度是關(guān)于精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。 任何一臺(tái)機(jī)器人即使在同一環(huán)境、同一條件、

13、同一動(dòng)作、同一命令之下，每一次動(dòng)作的位置也不可能完全一致。例如，對(duì)某一個(gè)型號(hào)的機(jī)器人的測(cè)試結(jié)果為：在20 mm/s、200 mm/s的速度下分別重復(fù)10次，其重復(fù)定位精度為0.4 mm，如圖2-11所示，則重復(fù)定位精度為 0.2 mm，指所有的動(dòng)作位置停止點(diǎn)均在以平均值位置為中心的0.2 mm范圍內(nèi),七、重復(fù)定位精度,圖2-11 重復(fù)定位精度,七、重復(fù)定位精度,七、重復(fù)定位精度,七、重復(fù)定位精度,圖2-12 精度和重復(fù)定位精度測(cè)試的典型情況,精度、重復(fù)定位精度和分辨率都用來(lái)表示機(jī)器人手部的定位能力。工業(yè)機(jī)器人的精度、重復(fù)定位精度和分辨率要求是根據(jù)其使用要求來(lái)確定的。機(jī)器人本身所能達(dá)到的精度取決

14、于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的剛度、運(yùn)動(dòng)速度控制和驅(qū)動(dòng)方式、定位和緩沖等因素。由于機(jī)器人有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，回轉(zhuǎn)半徑不同時(shí)其直線分辨率是變化的，因而造成了機(jī)器人的精度難以確定。由于精度一般較難測(cè)定，通常工業(yè)機(jī)器人只給出重復(fù)精度,七、重復(fù)定位精度,八、其他參數(shù),安裝方式是指機(jī)器人本體安裝的工作場(chǎng)合的形式，通常有地面安裝、架裝、吊裝等形式,驅(qū)動(dòng)方式是指關(guān)節(jié)執(zhí)行器的動(dòng)力源形式，通常有氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)等形式,控制方式是指機(jī)器人用于控制軸的方式，是伺服還是非伺服，伺服控制方式是實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡還是點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),八、其他參數(shù),環(huán)境參數(shù)是指機(jī)器人在運(yùn)輸、存儲(chǔ)和工作時(shí)需要提供的環(huán)境條件，如溫度、濕度、振動(dòng)、防護(hù)等級(jí)和防爆等級(jí)等,本體質(zhì)量

15、是指機(jī)器人在不加任何負(fù)載時(shí)本體的重量，用于估,動(dòng)力源容量是指機(jī)器人動(dòng)力源的規(guī)格和消耗功率的大小，如氣壓的大小和耗氣量、液壓高低、電壓形式與大小、消耗功率等,學(xué)習(xí)單元三 機(jī)器人的舉例分析,一、直角坐標(biāo)型機(jī)器人分析,1）XYC4-G系列直角坐標(biāo)型機(jī)器人適用于小型工作空間的緊湊尺寸。利用扁平電纜實(shí)現(xiàn)該級(jí)別內(nèi)的最小尺寸，此種型號(hào)機(jī)器人適用于較小空間，可利用其建立較小的設(shè)備。 （2）寬泛的變化。XYC4-G系列機(jī)器人直角坐標(biāo)型左臂類型、右臂類型，且有48種行程，針對(duì)用戶需要可以有多種選擇,一、直角坐標(biāo)型機(jī)器人分析,3）利用高強(qiáng)度滑動(dòng)單元可獲得最大負(fù)載。高強(qiáng)度滑動(dòng)單元和大功率交流伺服電動(dòng)機(jī)可使機(jī)械手搬動(dòng)重

16、達(dá)10 kg的物體，適用于搬運(yùn)重物或使用雙手的情況。 （4）大功率或低功率兩種驅(qū)動(dòng)功率模式。通過(guò)控制電流，用戶可以用大功率模式執(zhí)行高速或重載任務(wù)，而用低功率模式執(zhí)行精細(xì)任務(wù)。 （5）標(biāo)準(zhǔn)配置。該設(shè)備包括6套空氣管線系統(tǒng)，10個(gè)信號(hào)閥和電磁閥,一、直角坐標(biāo)型機(jī)器人分析,圖2-13 XYC4-G系列直角坐標(biāo)型機(jī)器人的外形,一、直角坐標(biāo)型機(jī)器人分析,圖2-14 XYC4-G系列直角坐標(biāo)型機(jī)器人的工作范圍,一、直角坐標(biāo)型機(jī)器人分析,一、直角坐標(biāo)型機(jī)器人分析,美國(guó)Unimation公司的Versatran系列圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-15(a)所示，它是一臺(tái)持重30 kg，供搬運(yùn)、檢測(cè)、裝配用的

17、圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人。這臺(tái)機(jī)器人的主要技術(shù)指標(biāo)如下。 (1)自由度。該機(jī)器人共有3個(gè)基本關(guān)節(jié)1、2、3和兩個(gè)選用關(guān)節(jié)4、5。 (2)該機(jī)器人的工作范圍如圖2-15（b）所示,二、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人分析,二、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人分析,圖2-15 美國(guó)Unimation公司的Versatran系列圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人,3)該機(jī)器人的關(guān)節(jié)移動(dòng)范圍及速度如表2-7所示。 (4)重復(fù)定位誤差：0.05 mm。 (5)控制方式：五軸同時(shí)可控，點(diǎn)位控制。 (6)持重（最大伸長(zhǎng)、最高速度下）：30 kg。 (7)驅(qū)動(dòng)方式：3個(gè)基本關(guān)節(jié)由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并采用增量式角位移檢測(cè)裝置,二、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人分析,激光切割機(jī)

18、器人有CO2氣體激光切割機(jī)器人和YAG固體激光切割機(jī)器人。通常激光切割機(jī)器人既可進(jìn)行切割又能用于焊接,三、極坐標(biāo)型機(jī)器人分析,圖2-16 L-1000型CO2氣體激光切割機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,L-1000型CO2氣體激光切割機(jī)器人是極坐標(biāo)式5軸控制機(jī)器人，配用C1000C3000型激光器。光束經(jīng)由設(shè)置在機(jī)器人手臂內(nèi)的4個(gè)反射鏡傳送，聚焦后從噴嘴射出。反射鏡用銅制成，表面經(jīng)過(guò)反射處理，使光束傳遞損失不超過(guò)0.8%，且焦點(diǎn)的位置精度較高。 為了防止反射鏡受到污損，光路完全不與外界接觸，同時(shí)還在光路內(nèi)充入經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾的潔凈空氣，并具有一定的壓力，從而防止周圍的灰塵進(jìn)入,三、極坐標(biāo)型機(jī)器人分析,三、極坐標(biāo)

19、型機(jī)器人分析,三、極坐標(biāo)型機(jī)器人分析,三、極坐標(biāo)型機(jī)器人分析,四、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,四、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,四、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,適用領(lǐng)域：搬運(yùn)與裝卸，包裝及揀選，釬焊、涂漆、表面處理、涂膠水和密封材料，安裝、固定塑料加工設(shè)備，置入、裝夾、操作其他機(jī)床，測(cè)量、檢測(cè)或檢驗(yàn),五、平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,五、平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,五、平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,五、平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,五、平面關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人分析,圖2-19 ADT-6004G300-5機(jī)器人本體的外形尺寸與動(dòng)作范圍,學(xué)習(xí)單元四 機(jī)器人的工作原理 與應(yīng)用技術(shù),一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理,圖2-20 工業(yè)機(jī)器

20、人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1）機(jī)械手總成。機(jī)械手總成是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、手臂、末端執(zhí)行器及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端執(zhí)行器所要求的位置、姿態(tài)，并實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)。 （2）控制器?？刂破魇菣C(jī)器人的神經(jīng)中樞。它由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語(yǔ)言、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷和自保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人工作過(guò)程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。 （3）示教系統(tǒng)。示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過(guò)程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作，并將其全部信息送入控制器的存儲(chǔ)器中，示教系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)專用的智能終端,一、機(jī)器人

21、的結(jié)構(gòu)及工作原理,一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理,一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理,一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理,當(dāng)一臺(tái)機(jī)器人機(jī)械手的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程已給定，它的控制目的就是按預(yù)定性能要求保持機(jī)械手的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是由于機(jī)器人機(jī)械手的慣性力、耦合反應(yīng)力和重力負(fù)載都隨運(yùn)動(dòng)空間的變化而變化，因此要對(duì)它進(jìn)行高精度、高速度、高動(dòng)態(tài)品質(zhì)的控制是相當(dāng)復(fù)雜而困難的。 目前工業(yè)機(jī)器人上采用的控制方法是把機(jī)械手上每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，即把一個(gè)非線性的、關(guān)節(jié)間耦合的變負(fù)載系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線性的非耦合單獨(dú)系統(tǒng),一、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理,二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制工程、電子技術(shù)、傳感器技

22、術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科為一體的綜合技術(shù)，它是多學(xué)科科技革命的必然結(jié)果。每一臺(tái)機(jī)器人都是一個(gè)知識(shí)密集和技術(shù)密集的高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品,二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),圖2-21 機(jī)器人與外部的關(guān)系,1）傳感器技術(shù)：得到與人類感覺機(jī)能相似的傳感器技術(shù)。 （2）人工智能計(jì)算機(jī)科學(xué)：得到與人類智能或控制機(jī)能相似能力的人工智能或計(jì)算機(jī)科學(xué)。 （3）假肢技術(shù)。 （4）工業(yè)機(jī)器人技術(shù)：把人類作業(yè)技能具體化的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。 （5）移動(dòng)機(jī)械技術(shù)：實(shí)現(xiàn)動(dòng)物行走機(jī)能的行走技術(shù)。 （6）生物功能：以實(shí)現(xiàn)生物機(jī)能為目的的生物學(xué)技術(shù),二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),空間機(jī)構(gòu)在機(jī)器人中的應(yīng)用體現(xiàn)在機(jī)器人機(jī)身和臂部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人手部機(jī)

23、構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器人關(guān)節(jié)部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上,二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)多剛體系統(tǒng)，研究要涉及組成這一系統(tǒng)的各桿件之間及系統(tǒng)與對(duì)象之間的相互關(guān)系，需要一種有效的數(shù)學(xué)描述方法,二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，要研究和控制這個(gè)系統(tǒng)，首先要建立它的動(dòng)力學(xué)方程。動(dòng)力學(xué)方程是指作用于機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的力或力矩與其位置、速度、加速度關(guān)系的方程式,二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),機(jī)器人編程語(yǔ)言是機(jī)器人和用戶的軟件接口，編程的功能決定了機(jī)器人的適應(yīng)性和給用戶的方便性。機(jī)器人編程與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)編程不同，機(jī)

24、器人操作的對(duì)象是各類三維物體，其運(yùn)動(dòng)在一個(gè)復(fù)雜的空間環(huán)境，還要監(jiān)視和處理傳感器信息。因此，機(jī)器人編程語(yǔ)言主要有面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言和面向任務(wù)的編程語(yǔ)言兩類。面向機(jī)器人的編程語(yǔ)言的主要特點(diǎn)是其可以描述機(jī)器人的動(dòng)作序列，每一條語(yǔ)句大約相當(dāng)于機(jī)器人的一個(gè)動(dòng)作。面向任務(wù)的編程語(yǔ)言允許用戶發(fā)出直接命令，以控制機(jī)器人去完成一個(gè)具體的任務(wù)，而不需要說(shuō)明機(jī)器人需要采取的每一個(gè)動(dòng)作的細(xì)節(jié),二、機(jī)器人的應(yīng)用技術(shù),當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、多種感覺能力及對(duì)作業(yè)環(huán)境的較強(qiáng)自適應(yīng)能力方面發(fā)展。美國(guó)某公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝到芯片上，其分析速度比普通計(jì)算機(jī)快千萬(wàn)倍，可更快、更好地完成語(yǔ)言識(shí)別、圖像處理等工作。

25、 目前，對(duì)全球機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最有影響力的國(guó)家是美國(guó)和日本。美國(guó)在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量、種類方面居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人學(xué)的建立，許多國(guó)家成立了機(jī)器人協(xié)會(huì)，美國(guó)、日本、英國(guó)、瑞典等國(guó)家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,20世紀(jì)70年代以來(lái)，許多大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人課程，開展了機(jī)器人學(xué)的研究工作，如美國(guó)的麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)等都是研究機(jī)器人學(xué)富有成果的著名學(xué)府。隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也日漸增多，目前最有影響力的國(guó)際會(huì)議是IEEE每年舉行的機(jī)器人學(xué)及自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議，此外還有國(guó)際工業(yè)機(jī)器

26、人會(huì)議(ISIR)和國(guó)際工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會(huì)議（CIRT）等。 目前，世界上機(jī)器人總數(shù)最多的國(guó)家是日本，占世界機(jī)器人總數(shù)的一半以上。歐洲約占20%，美國(guó)約占10,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,北美機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)在2014年年初的報(bào)告中指出，2013年汽車行業(yè)仍然是北美機(jī)器人最大的應(yīng)用市場(chǎng)，但出貨量基本與2012年持平，而機(jī)器人在非汽車市場(chǎng)的出貨量卻猛增31%。在非汽車行業(yè)中，生命科學(xué)、制藥、生物醫(yī)藥領(lǐng)域出貨量增幅高達(dá)142%，食品及消費(fèi)品市場(chǎng)漲幅達(dá)61%，塑料和橡膠行業(yè)漲幅為36%。2013年，來(lái)自非汽車市場(chǎng)的機(jī)器人訂單同比增長(zhǎng)了22%，對(duì)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)而言，這是一個(gè)積極的信

27、號(hào)。 2013年11月，國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)曾發(fā)布報(bào)告稱，中國(guó)已成為世界上增長(zhǎng)最快的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，并預(yù)言中國(guó)或在2016年成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)。也有美國(guó)媒體指出，機(jī)器人時(shí)代將很快來(lái)臨，并將引領(lǐng)一場(chǎng)工業(yè)革命,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,我國(guó)的機(jī)器人市場(chǎng)已成為全球增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。2010年市場(chǎng)銷量為14 980臺(tái)，2011年達(dá)到22 577臺(tái)，同比增長(zhǎng)50.7%， 2012年銷量達(dá)到26 902臺(tái)，同比增長(zhǎng)19.2%。20082012年，國(guó)內(nèi)機(jī)器人銷量復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到28%，而同期世界機(jī)器人市場(chǎng)銷量復(fù)合增長(zhǎng)率為10%。 2012年，國(guó)內(nèi)機(jī)器人安裝量已占到當(dāng)年全球安裝量的14.6%。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(

28、IFR)預(yù)測(cè)，到2015年，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)需求總量將達(dá)3.5萬(wàn)臺(tái)，占全球銷量比重的 16.9,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,未來(lái)我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)仍有很大的發(fā)展空間。截至2012年年底，國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人累計(jì)安裝量已超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)，占全世界正在服役的工業(yè)機(jī)器人總量的8%左右。目前，我國(guó)制造業(yè)總產(chǎn)值占全球的比重已接近20%，機(jī)器人的普及率仍有很大的上升空間。 從制造業(yè)使用機(jī)器人密度的指標(biāo)來(lái)看，我國(guó)每萬(wàn)名工人擁有機(jī)器人的數(shù)量?jī)H為25臺(tái)（按照制造業(yè)4 000萬(wàn)名工人估算），而在發(fā)達(dá)國(guó)家，這一指標(biāo)普遍在50臺(tái)以上。國(guó)內(nèi)制造業(yè)的自動(dòng)化水平與發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大。從機(jī)器人行業(yè)占機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值的比例來(lái)看，2010年我國(guó)機(jī)器人行

29、業(yè)銷售額達(dá)到93.1億元，僅占當(dāng)年機(jī)床行業(yè)總產(chǎn)值的2%左右，顯示國(guó)內(nèi)加工制造領(lǐng)域的自動(dòng)化水平仍偏低。假設(shè)未來(lái)5年我國(guó)機(jī)器人使用密度達(dá)到50臺(tái)萬(wàn)人的水平，則國(guó)內(nèi)機(jī)器人銷量復(fù)合增速將達(dá)到30,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,按照提供產(chǎn)品的差異區(qū)分，行業(yè)內(nèi)企業(yè)可分為單元產(chǎn)品供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商兩類。工業(yè)機(jī)器人的下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，需求千差萬(wàn)別，而機(jī)器人商業(yè)化的前提是產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化。單元產(chǎn)品供應(yīng)商負(fù)責(zé)生產(chǎn)機(jī)器人本體，產(chǎn)品具有較高開放性，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可批量化生產(chǎn)。系統(tǒng)集成商則根據(jù)下游客戶的需要，將單元產(chǎn)品組成可實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)系統(tǒng)，起著供需雙方橋梁的作用。單元產(chǎn)品是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，系統(tǒng)集成商是機(jī)器人商業(yè)化、大規(guī)

30、模普及的關(guān)鍵。從國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，機(jī)器人單元產(chǎn)品由于技術(shù)壁壘較高，處于金字塔頂端，屬于賣方市場(chǎng)。系統(tǒng)集成商的壁壘相對(duì)較低，與上、下游的議價(jià)能力較弱，毛利水平不高，但市場(chǎng)規(guī)模遠(yuǎn)大于單元產(chǎn)品,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)與外資企業(yè)的差距仍很大。根據(jù)中國(guó)機(jī)器人網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，2012年本土品牌機(jī)器人銷量?jī)H為1 112臺(tái)，而獨(dú)資及合資品牌銷量高達(dá)25 790臺(tái)，市場(chǎng)占有率分別為4%和96%。 中國(guó)的自動(dòng)化系統(tǒng)集成市場(chǎng)是機(jī)器人單元產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模的10倍以上，根據(jù)工控網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模2011年已達(dá)920億元，2012年已超過(guò)1 000億元。國(guó)內(nèi)自動(dòng)化市場(chǎng)下游應(yīng)用領(lǐng)域以裝備制造業(yè)為主，占比40%左右，其中機(jī)床工業(yè)是自動(dòng)化產(chǎn)品的主要客戶，需求占裝備制造業(yè)總需求的1/4,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,三、機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)狀,機(jī)器人本身的技術(shù)難度降低了量產(chǎn)的可能性。像機(jī)械手這種簡(jiǎn)單的工業(yè)機(jī)器人，因?yàn)槭窃谑覂?nèi)從事標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，所以量產(chǎn)已經(jīng)逐步展開。但對(duì)于具備運(yùn)動(dòng)能力需要在室外工作的特種機(jī)器人來(lái)說(shuō)，環(huán)境的復(fù)雜性及非標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)流程增加了量產(chǎn)的難度。 國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也是制約機(jī)器