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大家好1大家好1dongcl@機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院董春利

機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)機(jī)器人的分類第三節(jié)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)第二節(jié)機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ)第四節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)4Compiledby:DongChunli第二章機(jī)Compiledby:DongChunli5Compiledby:DongChunli5dongcl@機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)機(jī)器人的分類一、機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類二、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分類三、機(jī)器人的智能方式分類四、機(jī)器人的控制方式分類五、機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類6dongcl@機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)機(jī)器人Compiledby:DongChunli2.1機(jī)器人的分類應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人可按照不同的功能、目的、用途、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)、驅(qū)動(dòng)方式等分成很多類型。按機(jī)器人的用途分類,可以分為工業(yè)機(jī)器人、操縱型機(jī)器人。按機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)分類,可以分為氣動(dòng)機(jī)器人、液動(dòng)機(jī)器人、電動(dòng)機(jī)器人。按機(jī)器人的智能分類,可以分為一般機(jī)器人、傳感機(jī)器人、智能機(jī)器人。按機(jī)器人的控制分類,可以分為伺服機(jī)器人、非伺服機(jī)器人機(jī)器人。按機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)分類,可以分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、柱面坐標(biāo)機(jī)器人、球面坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人。按機(jī)器人的移動(dòng)性分類,可以分為固定機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人。按機(jī)器人的規(guī)模分類,可以分為超大型、大型、中型、小型、超小型、微型機(jī)器人。7Compiledby:DongChunli2.1機(jī)器Compiledby:DongChunli我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類,即工業(yè)機(jī)器人和操縱型機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。操縱型機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人,包括:服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中,有些分支發(fā)展很快,有獨(dú)立成體系的趨勢(shì),如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等2.1.1機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類8Compiledby:DongChunli我國(guó)的機(jī)器人Compiledby:DongChunli工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人(industrialrobot)是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機(jī)器人的總稱,主要用于完成工業(yè)生產(chǎn)中的某些作業(yè)。依據(jù)具體應(yīng)用目的的不同,又常常以其主要用途命名。焊接機(jī)器人是到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的工業(yè)機(jī)器人,包括點(diǎn)焊和弧焊機(jī)器人,用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接作業(yè);裝配機(jī)器人比較多地用于電子部件或電器的裝配;噴涂機(jī)器人代替人進(jìn)行各種噴涂作業(yè);搬運(yùn)、上料、下料及碼垛機(jī)器人,根據(jù)工況要求的速度和精度,將物品從一處運(yùn)到另一處;2.1.1機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類9Compiledby:DongChunli工業(yè)機(jī)器人2Compiledby:DongChunli操縱型機(jī)器人操縱型機(jī)器人(teleoperatorrobot)主要用于非工業(yè)生產(chǎn)的各種作業(yè),又可分為服務(wù)機(jī)器人與特種作業(yè)機(jī)器人等。服務(wù)機(jī)器人通常是可移動(dòng)的,在多數(shù)情況下,可由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成,平臺(tái)上裝有一只或幾只手臂,代替或協(xié)助人完成為人類提供服務(wù)和安全保障的各種工作,如清潔、護(hù)理、娛樂和執(zhí)勤等。除以上服務(wù)機(jī)器人外,還有一些其他種類的特種作業(yè)機(jī)器人。如水下機(jī)器人,又稱水下無人深潛器,代替人在水下危險(xiǎn)的環(huán)境中作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘已有很長(zhǎng)的歷史,人類已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而,由于危險(xiǎn)很大,而且費(fèi)用極高,所以人類積極尋找可以代替人類進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)的技術(shù),水下機(jī)器人變成了十分受關(guān)注的發(fā)展方向。2.1.1機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類10Compiledby:DongChunli操縱型機(jī)器人Compiledby:DongChunli1.氣動(dòng)式機(jī)器人機(jī)器人以壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此類機(jī)器人適宜抓舉力要求較小的場(chǎng)合。2.液動(dòng)式機(jī)器人機(jī)器人以液體壓縮來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人具有大得多的抓舉能力,可高達(dá)上百千克。3.電動(dòng)式機(jī)器人電力驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩,直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,以獲得所需的位置、速度、加速度。電力驅(qū)動(dòng)可分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、無刷伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。4.新型驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人利用新的工作原理制造的新型驅(qū)動(dòng)器,如靜電驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、人工肌肉及光驅(qū)動(dòng)器等。2.1.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分類11Compiledby:DongChunli1.氣動(dòng)式機(jī)Compiledby:DongChunli1.一般型機(jī)器人一般型機(jī)器人,是第一代機(jī)器人,又叫示教-再現(xiàn)型機(jī)器人,主要指只能以示教-再現(xiàn)方式工作的工業(yè)機(jī)器人。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作結(jié)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。所謂示教,即由人教機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡、停留點(diǎn)位、停留時(shí)間等。然后,機(jī)器人依照教給的行為、順序和速度重復(fù)運(yùn)動(dòng),即所謂的再現(xiàn)。示教可由操作員手把手地進(jìn)行。例如,操作人員抓住機(jī)器人上的噴槍把噴涂時(shí)要走的位置走一遍,機(jī)器人記住了這一連串運(yùn)動(dòng),工作時(shí)自動(dòng)重復(fù)這些運(yùn)動(dòng),從而完成給定位置的噴涂工作。但是現(xiàn)在比較普遍的示教方式是通過控制面板完成的。操作人員利用控制面板上的開關(guān)或鍵盤控制機(jī)器人一步一步地運(yùn)動(dòng),機(jī)器人自動(dòng)記錄下每一步,然后重復(fù)。目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的機(jī)器人大多采用這一方式。2.1.3機(jī)器人的智能方式分類12Compiledby:DongChunli1.一般型機(jī)Compiledby:DongChunli2.傳感機(jī)器人傳感機(jī)器人,是第二代機(jī)器人,又叫感覺機(jī)器人,它帶有一些可感知環(huán)境的裝置,對(duì)外界環(huán)境有一定感知能力。工作時(shí),根據(jù)感覺器官(傳感器)獲得的信息,通過反饋控制,使機(jī)器人能在一定程度上靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài),保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。這樣的技術(shù)現(xiàn)在正越來越多地應(yīng)用在機(jī)器人上,例如焊縫跟蹤技術(shù)。在機(jī)器人焊接的過程中,一般通過示教方式給出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線,機(jī)器人攜帶焊槍走這個(gè)曲線進(jìn)行焊接。焊縫跟蹤技術(shù)是在機(jī)器人上加一個(gè)傳感器,通過傳感器感知焊縫的位置,再通過反饋控制,機(jī)器人自動(dòng)跟蹤焊縫,從而對(duì)示教的位置進(jìn)行修正。即使實(shí)際焊縫相對(duì)于原始設(shè)定的位置有變化,機(jī)器人仍然可以很好地完成焊接工作。2.1.3機(jī)器人的智能方式分類13Compiledby:DongChunli2.傳感機(jī)器Compiledby:DongChunli3.智能機(jī)器人智能機(jī)器人,是第三代機(jī)器人,它不僅具有感覺能力,而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力,并具有記憶、推理和決策的能力,因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。智能機(jī)器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界——對(duì)象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能。從控制方式看是以一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式自律地進(jìn)行操作。這類機(jī)器人帶有多種傳感器,使機(jī)器人可以知道其自身的狀態(tài),例如在什么位置,自身的系統(tǒng)是否有故障等;且可通過裝在機(jī)器人身上或者工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)。機(jī)器人能夠根據(jù)得到的這些信息進(jìn)行邏輯推理、判斷、決策,在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中,自主決定自身的行為。這類機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性和自治能力,這是人們努力使機(jī)器人達(dá)到的目標(biāo)。智能機(jī)器人的發(fā)展方向大致有兩種,一種是類人型智能機(jī)器人,這是人類夢(mèng)想的機(jī)器人;另一種外形并不像人,但具有機(jī)器智能。2.1.3機(jī)器人的智能方式分類14Compiledby:DongChunli3.智能機(jī)器Compiledby:DongChunli2.1.4機(jī)器人的控制方式分類按照機(jī)器人的控制類型和結(jié)構(gòu)空間特點(diǎn)分為:(1)非伺服機(jī)器人(2)伺服控制機(jī)器人伺服控制機(jī)器人分為:1)點(diǎn)位伺服控制2)連續(xù)軌跡伺服控制15Compiledby:DongChunli2.1.4Compiledby:DongChunli1.非伺服機(jī)器人非伺服機(jī)器人按照預(yù)先編好的程序順序進(jìn)行工作,使用限位開關(guān)、制動(dòng)器、插銷板和定序器來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。插銷板是用來預(yù)先規(guī)定機(jī)器人的工作順序,而且往往是可調(diào)的。定序器是一種按照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動(dòng)裝置的能源。驅(qū)動(dòng)裝置接通能源后,就帶動(dòng)機(jī)器人的手臂、腕部和手部等裝置運(yùn)動(dòng)。非伺服機(jī)器人工作能力比較有限。當(dāng)他們移動(dòng)到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時(shí),限位開關(guān)切換工作狀態(tài),給定序器送去一個(gè)工作任務(wù)已經(jīng)完成的信號(hào),并始終端制動(dòng)器動(dòng)作,切斷驅(qū)動(dòng)能源,使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。2.1.4機(jī)器人的控制方式分類16Compiledby:DongChunli1.非伺服機(jī)Compiledby:DongChunli2.伺服控制機(jī)器人。伺服控制機(jī)器人通過傳感器取得的反饋信號(hào)與來自給定裝置的綜合信號(hào)比較后,得到誤差信號(hào),經(jīng)過放大后用以激發(fā)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置,進(jìn)而帶動(dòng)手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運(yùn)動(dòng),到達(dá)規(guī)定的位置或速度等,這是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的被控量可為機(jī)器人手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。伺服控制機(jī)器人比非伺服機(jī)器人有更強(qiáng)的工作能力。伺服控制機(jī)器人按照控制的空間位置不同,可以分為點(diǎn)位伺服控制、連續(xù)軌跡伺服控制2.1.4機(jī)器人的控制方式分類17Compiledby:DongChunli2.伺服控制Compiledby:DongChunli(1)點(diǎn)位伺服控制點(diǎn)位伺服控制機(jī)器人的受控運(yùn)動(dòng)方式為從一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo),只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。機(jī)器人可以以最快的和最直接的路徑從一個(gè)端點(diǎn)移到另一端點(diǎn)。按點(diǎn)位方式進(jìn)行控制的機(jī)器人,其運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng),在作業(yè)過程中只控制幾個(gè)特定工作點(diǎn)的位置,不對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制。在點(diǎn)位伺服控制的機(jī)器人中,所能控制點(diǎn)數(shù)的多少取決于控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通常,點(diǎn)位伺服控制機(jī)器人能用于只有終端位置是重要而對(duì)編程點(diǎn)之間的路徑和速度不做主要考慮的場(chǎng)合。點(diǎn)位控制主要用于點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人2.1.4機(jī)器人的控制方式分類18Compiledby:DongChunli(1)點(diǎn)位伺Compiledby:DongChunli(2)連續(xù)軌跡伺服控制連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人能夠平滑地跟隨某個(gè)規(guī)定的路徑,其軌跡往往是某條不在預(yù)編程端點(diǎn)停留的曲線路徑。按連續(xù)軌跡方式控制的機(jī)器人,其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都處于控制之下,能同時(shí)控制兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)軸,使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運(yùn)動(dòng),而手部的姿態(tài)也可以通過腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)得以控制,這對(duì)于焊接和噴涂作業(yè)是十分有利的。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人具有良好的控制和運(yùn)行特性,由于數(shù)據(jù)是依時(shí)間采樣的,而不是依預(yù)先規(guī)定的空間采樣,因此機(jī)器人的運(yùn)行速度較快、功率較小、負(fù)載能力也較小。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測(cè)機(jī)器人。2.1.4機(jī)器人的控制方式分類19Compiledby:DongChunli(2)連續(xù)軌Compiledby:DongChunli按結(jié)構(gòu)形式,機(jī)器人可分為關(guān)節(jié)型機(jī)器人和非關(guān)節(jié)型機(jī)器人兩大類,其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體部分一般為由若干關(guān)節(jié)與連桿串聯(lián)組成的開式鏈機(jī)構(gòu)。通常關(guān)節(jié)機(jī)器人依據(jù)坐標(biāo)形式的不同可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型以及多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類20Compiledby:DongChunli按結(jié)構(gòu)形式,Compiledby:DongChunli2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類它在x,y,z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的。機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)將形成一個(gè)立方體表面。又叫笛卡兒坐標(biāo)型機(jī)器人或臺(tái)架型機(jī)器人。(1)直角坐標(biāo)系機(jī)器人其手部空間位置的改變通過沿三個(gè)互相垂直的軸線的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn),即沿著X軸的縱向移動(dòng),沿著Y軸的橫向移動(dòng)及沿著Z軸的升降。21Compiledby:DongChunli2.1.5Compiledby:DongChunli(2)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人R、θ和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo),其中R、是手臂的徑向長(zhǎng)度,θ是手臂的角位置,x是垂直方向上手臂的位置。如果機(jī)器人手臂的徑向坐標(biāo)R保持不變,機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)將形成一個(gè)圓柱表面。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類22Compiledby:DongChunli(2)圓柱坐Compiledby:DongChunli(3)極坐標(biāo)型機(jī)器人極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)型機(jī)器人,R,θ和β為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。θ是繞手臂支撐底座垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)角,β是手臂在鉛垂面內(nèi)的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類23Compiledby:DongChunli(3)極坐標(biāo)Compiledby:DongChunli(4)多關(guān)節(jié)機(jī)器人它是以其各相鄰運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)角位移作為坐標(biāo)系的。θ、α和Φ為坐標(biāo)系的坐標(biāo),其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角,Φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角,α是第二臂相對(duì)于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機(jī)器人手臂可以達(dá)到球形體積內(nèi)絕大部分位置,所能達(dá)到區(qū)域的形狀取決于兩個(gè)臂的長(zhǎng)度比例。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類24Compiledby:DongChunli(4)多關(guān)節(jié)Compiledby:DongChunli(5)平面關(guān)節(jié)機(jī)器人平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人可以看成是關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人的特例,平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人很類似人的手臂的運(yùn)動(dòng),它用平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng),關(guān)節(jié)軸線共面;腕關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng),在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向,是一種固定式的工業(yè)機(jī)器人。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快,比一般的關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng),全臂在垂直方向的剛度大,在水平方向的柔性大,具有柔順性。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類25Compiledby:DongChunli(5)平面關(guān)Compiledby:DongChunli26Compiledby:DongChunli26Compiledby:DongChunli27Compiledby:DongChunli27Compiledby:DongChunli28Compiledby:DongChunli28Compiledby:DongChunli29Compiledby:DongChunli291.直角坐標(biāo)/笛卡兒坐標(biāo)/臺(tái)架型(3P)優(yōu)點(diǎn):很容易通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn),容易達(dá)到高精度。缺點(diǎn):妨礙工作,且占地面積大,運(yùn)動(dòng)速度低,密封性不好。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間示意圖

301.直角坐標(biāo)/笛卡兒坐標(biāo)/臺(tái)架型(3P)優(yōu)點(diǎn):很容易通過計(jì)2.圓柱坐標(biāo)型(R2P)優(yōu)點(diǎn):且計(jì)算簡(jiǎn)單;直線部分可采用液壓驅(qū)動(dòng),可輸出較大的動(dòng)力;能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部。缺點(diǎn):它的手臂可以到達(dá)的空間受到限制,不能到達(dá)近立柱或近地面的空間;直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵;后臂工作時(shí),手臂后端會(huì)碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。312.圓柱坐標(biāo)型(R2P)優(yōu)點(diǎn):且計(jì)算簡(jiǎn)單;直線部分可采用3.球坐標(biāo)型(2RP)特點(diǎn):中心支架附近的工作范圍大,兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標(biāo)復(fù)雜,難于控制,且直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問題。323.球坐標(biāo)型(2RP)特點(diǎn):中心支架附324.關(guān)節(jié)坐標(biāo)型/擬人型(3R)關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的,類似于人的手臂,工業(yè)機(jī)器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜。關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人334.關(guān)節(jié)坐標(biāo)型/擬人型(3R)關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)5.平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè),最顯著的特點(diǎn)是它們?cè)趚-y平面上的運(yùn)動(dòng)具有較大的柔性,而沿z軸具有很強(qiáng)的剛性,所以,它具有選擇性的柔性。這種機(jī)器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。平面關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作空間

345.平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人常用于裝配作業(yè),最顯著的特大家好35大家好1dongcl@機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院董春利

機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)機(jī)器人的分類第三節(jié)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)第二節(jié)機(jī)器人的基本術(shù)語(yǔ)第四節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)38Compiledby:DongChunli第二章機(jī)Compiledby:DongChunli39Compiledby:DongChunli5dongcl@機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)機(jī)器人的分類一、機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類二、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分類三、機(jī)器人的智能方式分類四、機(jī)器人的控制方式分類五、機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類40dongcl@機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)機(jī)器人Compiledby:DongChunli2.1機(jī)器人的分類應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人可按照不同的功能、目的、用途、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、坐標(biāo)、驅(qū)動(dòng)方式等分成很多類型。按機(jī)器人的用途分類,可以分為工業(yè)機(jī)器人、操縱型機(jī)器人。按機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)分類,可以分為氣動(dòng)機(jī)器人、液動(dòng)機(jī)器人、電動(dòng)機(jī)器人。按機(jī)器人的智能分類,可以分為一般機(jī)器人、傳感機(jī)器人、智能機(jī)器人。按機(jī)器人的控制分類,可以分為伺服機(jī)器人、非伺服機(jī)器人機(jī)器人。按機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)分類,可以分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、柱面坐標(biāo)機(jī)器人、球面坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人。按機(jī)器人的移動(dòng)性分類,可以分為固定機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人。按機(jī)器人的規(guī)模分類,可以分為超大型、大型、中型、小型、超小型、微型機(jī)器人。41Compiledby:DongChunli2.1機(jī)器Compiledby:DongChunli我國(guó)的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類,即工業(yè)機(jī)器人和操縱型機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。操縱型機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人,包括:服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)器等。在特種機(jī)器人中,有些分支發(fā)展很快,有獨(dú)立成體系的趨勢(shì),如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、微操作機(jī)器人等2.1.1機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類42Compiledby:DongChunli我國(guó)的機(jī)器人Compiledby:DongChunli工業(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人(industrialrobot)是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機(jī)器人的總稱,主要用于完成工業(yè)生產(chǎn)中的某些作業(yè)。依據(jù)具體應(yīng)用目的的不同,又常常以其主要用途命名。焊接機(jī)器人是到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的工業(yè)機(jī)器人,包括點(diǎn)焊和弧焊機(jī)器人,用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接作業(yè);裝配機(jī)器人比較多地用于電子部件或電器的裝配;噴涂機(jī)器人代替人進(jìn)行各種噴涂作業(yè);搬運(yùn)、上料、下料及碼垛機(jī)器人,根據(jù)工況要求的速度和精度,將物品從一處運(yùn)到另一處;2.1.1機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類43Compiledby:DongChunli工業(yè)機(jī)器人2Compiledby:DongChunli操縱型機(jī)器人操縱型機(jī)器人(teleoperatorrobot)主要用于非工業(yè)生產(chǎn)的各種作業(yè),又可分為服務(wù)機(jī)器人與特種作業(yè)機(jī)器人等。服務(wù)機(jī)器人通常是可移動(dòng)的,在多數(shù)情況下,可由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成,平臺(tái)上裝有一只或幾只手臂,代替或協(xié)助人完成為人類提供服務(wù)和安全保障的各種工作,如清潔、護(hù)理、娛樂和執(zhí)勤等。除以上服務(wù)機(jī)器人外,還有一些其他種類的特種作業(yè)機(jī)器人。如水下機(jī)器人,又稱水下無人深潛器,代替人在水下危險(xiǎn)的環(huán)境中作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘已有很長(zhǎng)的歷史,人類已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而,由于危險(xiǎn)很大,而且費(fèi)用極高,所以人類積極尋找可以代替人類進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)的技術(shù),水下機(jī)器人變成了十分受關(guān)注的發(fā)展方向。2.1.1機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類44Compiledby:DongChunli操縱型機(jī)器人Compiledby:DongChunli1.氣動(dòng)式機(jī)器人機(jī)器人以壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此類機(jī)器人適宜抓舉力要求較小的場(chǎng)合。2.液動(dòng)式機(jī)器人機(jī)器人以液體壓縮來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人具有大得多的抓舉能力,可高達(dá)上百千克。3.電動(dòng)式機(jī)器人電力驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩,直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,以獲得所需的位置、速度、加速度。電力驅(qū)動(dòng)可分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、無刷伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等。4.新型驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人利用新的工作原理制造的新型驅(qū)動(dòng)器,如靜電驅(qū)動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器、人工肌肉及光驅(qū)動(dòng)器等。2.1.2機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分類45Compiledby:DongChunli1.氣動(dòng)式機(jī)Compiledby:DongChunli1.一般型機(jī)器人一般型機(jī)器人,是第一代機(jī)器人,又叫示教-再現(xiàn)型機(jī)器人,主要指只能以示教-再現(xiàn)方式工作的工業(yè)機(jī)器人。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作結(jié)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。所謂示教,即由人教機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡、停留點(diǎn)位、停留時(shí)間等。然后,機(jī)器人依照教給的行為、順序和速度重復(fù)運(yùn)動(dòng),即所謂的再現(xiàn)。示教可由操作員手把手地進(jìn)行。例如,操作人員抓住機(jī)器人上的噴槍把噴涂時(shí)要走的位置走一遍,機(jī)器人記住了這一連串運(yùn)動(dòng),工作時(shí)自動(dòng)重復(fù)這些運(yùn)動(dòng),從而完成給定位置的噴涂工作。但是現(xiàn)在比較普遍的示教方式是通過控制面板完成的。操作人員利用控制面板上的開關(guān)或鍵盤控制機(jī)器人一步一步地運(yùn)動(dòng),機(jī)器人自動(dòng)記錄下每一步,然后重復(fù)。目前在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的機(jī)器人大多采用這一方式。2.1.3機(jī)器人的智能方式分類46Compiledby:DongChunli1.一般型機(jī)Compiledby:DongChunli2.傳感機(jī)器人傳感機(jī)器人,是第二代機(jī)器人,又叫感覺機(jī)器人,它帶有一些可感知環(huán)境的裝置,對(duì)外界環(huán)境有一定感知能力。工作時(shí),根據(jù)感覺器官(傳感器)獲得的信息,通過反饋控制,使機(jī)器人能在一定程度上靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài),保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。這樣的技術(shù)現(xiàn)在正越來越多地應(yīng)用在機(jī)器人上,例如焊縫跟蹤技術(shù)。在機(jī)器人焊接的過程中,一般通過示教方式給出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線,機(jī)器人攜帶焊槍走這個(gè)曲線進(jìn)行焊接。焊縫跟蹤技術(shù)是在機(jī)器人上加一個(gè)傳感器,通過傳感器感知焊縫的位置,再通過反饋控制,機(jī)器人自動(dòng)跟蹤焊縫,從而對(duì)示教的位置進(jìn)行修正。即使實(shí)際焊縫相對(duì)于原始設(shè)定的位置有變化,機(jī)器人仍然可以很好地完成焊接工作。2.1.3機(jī)器人的智能方式分類47Compiledby:DongChunli2.傳感機(jī)器Compiledby:DongChunli3.智能機(jī)器人智能機(jī)器人,是第三代機(jī)器人,它不僅具有感覺能力,而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力,并具有記憶、推理和決策的能力,因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。智能機(jī)器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界——對(duì)象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能。從控制方式看是以一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式自律地進(jìn)行操作。這類機(jī)器人帶有多種傳感器,使機(jī)器人可以知道其自身的狀態(tài),例如在什么位置,自身的系統(tǒng)是否有故障等;且可通過裝在機(jī)器人身上或者工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)。機(jī)器人能夠根據(jù)得到的這些信息進(jìn)行邏輯推理、判斷、決策,在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中,自主決定自身的行為。這類機(jī)器人具有高度的適應(yīng)性和自治能力,這是人們努力使機(jī)器人達(dá)到的目標(biāo)。智能機(jī)器人的發(fā)展方向大致有兩種,一種是類人型智能機(jī)器人,這是人類夢(mèng)想的機(jī)器人;另一種外形并不像人,但具有機(jī)器智能。2.1.3機(jī)器人的智能方式分類48Compiledby:DongChunli3.智能機(jī)器Compiledby:DongChunli2.1.4機(jī)器人的控制方式分類按照機(jī)器人的控制類型和結(jié)構(gòu)空間特點(diǎn)分為:(1)非伺服機(jī)器人(2)伺服控制機(jī)器人伺服控制機(jī)器人分為:1)點(diǎn)位伺服控制2)連續(xù)軌跡伺服控制49Compiledby:DongChunli2.1.4Compiledby:DongChunli1.非伺服機(jī)器人非伺服機(jī)器人按照預(yù)先編好的程序順序進(jìn)行工作,使用限位開關(guān)、制動(dòng)器、插銷板和定序器來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。插銷板是用來預(yù)先規(guī)定機(jī)器人的工作順序,而且往往是可調(diào)的。定序器是一種按照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動(dòng)裝置的能源。驅(qū)動(dòng)裝置接通能源后,就帶動(dòng)機(jī)器人的手臂、腕部和手部等裝置運(yùn)動(dòng)。非伺服機(jī)器人工作能力比較有限。當(dāng)他們移動(dòng)到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時(shí),限位開關(guān)切換工作狀態(tài),給定序器送去一個(gè)工作任務(wù)已經(jīng)完成的信號(hào),并始終端制動(dòng)器動(dòng)作,切斷驅(qū)動(dòng)能源,使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。2.1.4機(jī)器人的控制方式分類50Compiledby:DongChunli1.非伺服機(jī)Compiledby:DongChunli2.伺服控制機(jī)器人。伺服控制機(jī)器人通過傳感器取得的反饋信號(hào)與來自給定裝置的綜合信號(hào)比較后,得到誤差信號(hào),經(jīng)過放大后用以激發(fā)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置,進(jìn)而帶動(dòng)手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運(yùn)動(dòng),到達(dá)規(guī)定的位置或速度等,這是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的被控量可為機(jī)器人手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。伺服控制機(jī)器人比非伺服機(jī)器人有更強(qiáng)的工作能力。伺服控制機(jī)器人按照控制的空間位置不同,可以分為點(diǎn)位伺服控制、連續(xù)軌跡伺服控制2.1.4機(jī)器人的控制方式分類51Compiledby:DongChunli2.伺服控制Compiledby:DongChunli(1)點(diǎn)位伺服控制點(diǎn)位伺服控制機(jī)器人的受控運(yùn)動(dòng)方式為從一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo),只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。機(jī)器人可以以最快的和最直接的路徑從一個(gè)端點(diǎn)移到另一端點(diǎn)。按點(diǎn)位方式進(jìn)行控制的機(jī)器人,其運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng),在作業(yè)過程中只控制幾個(gè)特定工作點(diǎn)的位置,不對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制。在點(diǎn)位伺服控制的機(jī)器人中,所能控制點(diǎn)數(shù)的多少取決于控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通常,點(diǎn)位伺服控制機(jī)器人能用于只有終端位置是重要而對(duì)編程點(diǎn)之間的路徑和速度不做主要考慮的場(chǎng)合。點(diǎn)位控制主要用于點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人2.1.4機(jī)器人的控制方式分類52Compiledby:DongChunli(1)點(diǎn)位伺Compiledby:DongChunli(2)連續(xù)軌跡伺服控制連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人能夠平滑地跟隨某個(gè)規(guī)定的路徑,其軌跡往往是某條不在預(yù)編程端點(diǎn)停留的曲線路徑。按連續(xù)軌跡方式控制的機(jī)器人,其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都處于控制之下,能同時(shí)控制兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)軸,使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運(yùn)動(dòng),而手部的姿態(tài)也可以通過腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)得以控制,這對(duì)于焊接和噴涂作業(yè)是十分有利的。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人具有良好的控制和運(yùn)行特性,由于數(shù)據(jù)是依時(shí)間采樣的,而不是依預(yù)先規(guī)定的空間采樣,因此機(jī)器人的運(yùn)行速度較快、功率較小、負(fù)載能力也較小。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)器人主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測(cè)機(jī)器人。2.1.4機(jī)器人的控制方式分類53Compiledby:DongChunli(2)連續(xù)軌Compiledby:DongChunli按結(jié)構(gòu)形式,機(jī)器人可分為關(guān)節(jié)型機(jī)器人和非關(guān)節(jié)型機(jī)器人兩大類,其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體部分一般為由若干關(guān)節(jié)與連桿串聯(lián)組成的開式鏈機(jī)構(gòu)。通常關(guān)節(jié)機(jī)器人依據(jù)坐標(biāo)形式的不同可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型以及多關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類54Compiledby:DongChunli按結(jié)構(gòu)形式,Compiledby:DongChunli2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類它在x,y,z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的。機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)將形成一個(gè)立方體表面。又叫笛卡兒坐標(biāo)型機(jī)器人或臺(tái)架型機(jī)器人。(1)直角坐標(biāo)系機(jī)器人其手部空間位置的改變通過沿三個(gè)互相垂直的軸線的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn),即沿著X軸的縱向移動(dòng),沿著Y軸的橫向移動(dòng)及沿著Z軸的升降。55Compiledby:DongChunli2.1.5Compiledby:DongChunli(2)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人R、θ和x為坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo),其中R、是手臂的徑向長(zhǎng)度,θ是手臂的角位置,x是垂直方向上手臂的位置。如果機(jī)器人手臂的徑向坐標(biāo)R保持不變,機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)將形成一個(gè)圓柱表面。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類56Compiledby:DongChunli(2)圓柱坐Compiledby:DongChunli(3)極坐標(biāo)型機(jī)器人極坐標(biāo)型機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)型機(jī)器人,R,θ和β為坐標(biāo)系的坐標(biāo)。θ是繞手臂支撐底座垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)角,β是手臂在鉛垂面內(nèi)的擺動(dòng)角。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡表面是半球面。2.1.5機(jī)器人的坐標(biāo)系統(tǒng)分類57Compiledby:DongChunli(3)極

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