機電一體化技術模塊六工業(yè)機器人

模塊目標

1.掌握工業(yè)機器人的組成和分類；

2.掌握串聯(lián)關節(jié)機器人、并聯(lián)機器人、檢測機器人、搬運工業(yè)機器人等四種典型工業(yè)機器人的工作原理；

3.熟悉工業(yè)機器人的定義、運動學和力學分析；

4.了解幾種典型工業(yè)機器人的編程方式。重點:1.工業(yè)機器人的組成和分類；

2.串聯(lián)關節(jié)機器人、并聯(lián)機器人的工作原理。難點:1.串聯(lián)關節(jié)機器人、并聯(lián)機器人、檢測機器人、搬運工業(yè)機器人的工作原理；

2.典型工業(yè)機器人的編程方式。模塊6工業(yè)機器人

模塊導學

模塊6

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人，是一種高度自動化的機電一體化設備。作為工業(yè)自動控制系統(tǒng)中最常用的設備之一，在其中起著舉足輕重的作用，對于提高生產(chǎn)自動化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件等方面的作用尤為顯著。本模塊內(nèi)容為串聯(lián)關節(jié)機器人、并聯(lián)機器人、檢測機器人、搬運工業(yè)機器人等四個單獨的工業(yè)機器人系統(tǒng)應用實例，學生主要從機電如何結合方面來分析這四個典型的工業(yè)機器人系統(tǒng)。項目6-1 串聯(lián)關節(jié)機器人模塊6項目思考一個完整的工業(yè)機器人的組成？串聯(lián)關節(jié)機器人工業(yè)機器人的分類？典型串聯(lián)關節(jié)機器人的動作過程？工業(yè)機器人的定義與發(fā)展工業(yè)機器人的組成與分類工業(yè)機器人的技術參數(shù)基本原理項目實施相關設備項目實踐知識分布網(wǎng)絡光伏電池片搬運領域PCBA測試行業(yè)的應用知識拓展實施步驟工業(yè)機器人的運動學與力學分析工業(yè)機器人的控制方式工業(yè)機器人的結構與設計項目知識機器手與小型焊接、切割設備的協(xié)調(diào)作業(yè)模塊66.1.1項目思考（思）

機器人(Robot)一詞來源于1920年捷克作家卡雷爾·查培克(Kapelcapek)所編寫的戲劇中的人造勞動者，在那里機器人被描寫成像奴隸那樣進行勞動的機器?，F(xiàn)在已被人們作為機器人的專用名詞。目前，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行任務的，并具有編程能力的多功能機械手，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化設備。機器人按照用途可分為工業(yè)機器人和特種機器人，本項目中，主要介紹在自動搬運、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場中有廣泛應用的串聯(lián)關節(jié)機器人。問題思考：1.一個完整的工業(yè)機器人的組成？2.工業(yè)機器人的分類？3.典型串聯(lián)關節(jié)機器人的動作過程？模塊66.1.2項目知識（學）知識點1工業(yè)機器人的定義與發(fā)展：機器人是一個在三維空間中具有較多自由度的，并能實現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機器；而工業(yè)機器人（IndustrialRobot）則是在工業(yè)生產(chǎn)上應用的機器人，是一種具有高度靈活性的自動化機器，是一種復雜的機電一體化設備。

(1)美國機器人工業(yè)協(xié)會（RIA）提出的工業(yè)機器人定義;(2)日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）的定義;(3)我國國家標準GB/T12643——90將工業(yè)機器人定義。

綜合上述，可知工業(yè)機器人具有以下幾個最顯著的特點:（1）可以再編程。（2）擬人化。（3）通用性。（4）機電一體化。模塊6工業(yè)機器人的發(fā)展通常可劃分為三代。（1）第一代機器人

19世紀50、60年代，隨著機構理論和伺服理論的發(fā)展，機器人進入了實用階段。1954年美國G.C.Devol發(fā)表了“通用機器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標型Versatran機器人，可進行點位和軌跡控制，這是世界上第一種應用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人。

（2）第二代機器人進入80年代，隨著傳感技術，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機器人——有感覺的機器人。（3）第三代機器人目前正在研究的“智能機器人”，它不僅具有比第二代機器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進行工作。模塊6知識點2工業(yè)機器人的組成：

工業(yè)機器人是一個機電一體化的設備。從控制觀點來看，一個較完善的機器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機器人執(zhí)行機構、驅動裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)，如圖6-1所示。圖6-1工業(yè)機器人的組成模塊6工業(yè)機器人的分類：

1）按機械結構類型分類機器人的機械結構部分可以看作是由一些連桿和關節(jié)組裝起來的。連桿和關節(jié)按照不同的坐標形式組裝，機器人可分為五種：

（1）直角坐標式機器人（2）圓柱坐標式機器人（3）球坐標式機器人（4）關節(jié)坐標式機器人（5）平面關節(jié)式機器人模塊62）按驅動方式分類（1)氣力驅動式（2）液力驅動式（3）電力驅動式（4）新型驅動方式3）按幾何結構分類從機構幾何結構角度可將機器人機構分為開環(huán)機構和閉環(huán)機構兩大類：以開環(huán)機構為機器人機構原型的叫串聯(lián)機器人；以閉環(huán)機構為機器人原型的叫并聯(lián)機器人。模塊6圖6-4幾種常見串聯(lián)機器人a)6自由度并聯(lián)機器人b)新型3自由度機器人圖6-5兩種并聯(lián)機器人模塊64）按控制方式分類（1）點位控制（2）連續(xù)軌跡控制5）按機器人的性能指標分類（1）超大型機器人，負載能力為107N以上；（2）大型機器人，負載能力為106～107N，作業(yè)空間為10m3以上；（3）中型機器人，負載能力為105～106N，作業(yè)空間為1～10m3；（4）小型機器人，負載能力為1～104N，作業(yè)空間為0.1～1m3；（5）超小型機器人，負載能力為1N以下，作業(yè)空間為0.1m3以下。6）按用途和作業(yè)類別分類工業(yè)機器人分為焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、裝配機器人、噴漆機器人、搬運機器人、切削加工機器人、檢測機器人、采掘機器人、水下機器人等。模塊6知識點3

工業(yè)機器人的技術參數(shù)：自由度自由度是指機器人具有的獨立運動的數(shù)目，一般不包括末端操作器的自由度（如手爪的開合）。關節(jié)機器人的機械結構部分可以看作是由一些連桿通過關節(jié)組裝起來的，如圖6-6所示。由關節(jié)完成連桿之間的相對運動。通常有兩種關節(jié)，即轉動關節(jié)和移動關節(jié)。圖6-6T3型工業(yè)機器人模塊6精度精度：包括定位精度和重復定位精度。工作空間工作空間：指工業(yè)機器人正常運行時，其手腕參考點在空間所能達到的區(qū)域，用來衡量機器人工作范圍的大小。最大工作速度最大工作速度：廠家不同對最大工作速度規(guī)定的內(nèi)容亦有不同，有的廠家定義為工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度，通常在技術參數(shù)中加以說明。承載能力承載能力：指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大重量。模塊6知識點4工業(yè)機器人的運動學與力學分析：串聯(lián)機器人是一開式運動鏈，它是由一系列連桿通過轉動關節(jié)或移動關節(jié)串聯(lián)而成的。已知機器人各關節(jié)的位移值，求其手部的位姿，這稱為機器人運動學的正問題；其逆問題則是：已知手部位姿，求解各關節(jié)變量的位移值。圖6-7工業(yè)機器人運動學正問題和逆問題模塊6知識點5工業(yè)機器人的控制方式：1）“示教再現(xiàn)”方式它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而復始地重復示教動作，。

2）“可編程控制”方式工作人員事先根據(jù)機器人的工作任務和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成，如果任務變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。

3）“遙控”方式由人用有線或無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。

4）“自主控制”方式它要求機器人在復雜的非結構化環(huán)境中具有識別環(huán)境和自主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。模塊6知識點6工業(yè)機器人的結構與設計：機械設計步驟（1）作業(yè)分析作業(yè)分析包括任務分析和環(huán)境分析，（2）方案設計確定動力源；確定機型；確定自由度；確定動力容量和傳動方式；優(yōu)化運動參數(shù)和結構參數(shù)；確定平衡方式和平衡質(zhì)量；繪制機構運動簡圖。（3）結構設計包括機器人驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及結構設計，關節(jié)及桿件的結構設計，平衡機構的設計，走線及電器接口設計等。（4）動特性分析估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學模型進行仿真分析，確定其結構固有頻率和響應特性。（5）施工設計完成施工圖設計，編制相關技術文件。模塊6機器人控制系統(tǒng)結構的選擇機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。（1）集中控制方式（2）主從控制方式（3）分散控制方式工業(yè)機器人的驅動與傳動系統(tǒng)結構（1）驅動—傳動系統(tǒng)的構成在機器人機械系統(tǒng)中，驅動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝置(一般為減速器)，再通過關節(jié)軸帶動桿件運動。（2）驅動器的類型和特點電動驅動器電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅動比較困難。液壓驅動器液壓驅動的優(yōu)點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。氣動驅動器氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。

模塊6（3）機器人的常用傳動機構工業(yè)機器人對傳動機構的基本要求：結構緊湊；傳動剛度大；回差?。粔勖L、價格低。機器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機構，其中最常用的為諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。1）諧波傳動諧波傳動是利用一個構件的可控制的彈性變形來實現(xiàn)機械運動的傳遞。2）RV擺線針輪傳動RV擺線針輪傳動裝置，是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪減速器組合而成的。3）滾動螺旋傳動滾動螺旋傳動是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當?shù)臐L珠。使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋傳動。模塊6工業(yè)機器人的機械結構系統(tǒng)設計1．工業(yè)機器人的手臂和機座工業(yè)機器人機械結構系統(tǒng)由機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。

1）設計要求（1)手臂結構設計要求（2)機座結構設計要求2）典型結構電動機驅動機械傳動圓柱坐標型機器人手臂和機座結構，如圖6-12所示。圖6-12圓柱坐標型機器人手臂和機座結構模塊63）工業(yè)機器人的手腕手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，如圖6-13所示。圖6-13手腕的三個自由度（1）設計要求①力求手腕部件的結構緊湊，為減輕其質(zhì)量和體積；②自由度愈多，運動范圍愈大，動作靈活性愈高，機器人對作業(yè)的適應能力愈強；③提高傳動剛度，盡量減少反轉誤差；④對手腕回轉各關節(jié)軸上要設置限位開關和機械擋塊，以防止關節(jié)超限造成事故。模塊6（2）手腕的結構用擺動液壓缸驅動實現(xiàn)回轉運動的手腕結構，如圖6-14所示。圖6-14用擺動液壓缸驅動實現(xiàn)回轉運動的手腕結構模塊6（3）工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器①分類和設計要求根據(jù)用途和結構的不同可以分為機械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。設計末端執(zhí)行器時，要求：滿足作業(yè)需要的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度；盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單、緊湊，質(zhì)量輕，以減輕手臂的負荷。②機械式夾持器的結構與設計工業(yè)機器人中應用的機械夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉型，圖6-15滑槽杠桿式回轉型夾持器③吸附式末端執(zhí)行器的結構與設計吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），有氣吸式和磁吸式兩種。模塊66.1.3項目制作（做）項目要求1.了解串聯(lián)關節(jié)機器人的機構組成；2.掌握串聯(lián)關節(jié)機器人的工作原理；3.熟悉串聯(lián)關節(jié)機器人的性能指標；4.掌握串聯(lián)關節(jié)機器人的基本功能及示教運動過程。項目實施

1.基本原理本項目所使用的機器人為蘇州博實機器人技術有限公司開發(fā)的6自由度串聯(lián)關節(jié)式機器人RBT-6T/S02S，其軸線相互平行或垂直，能夠在空間內(nèi)進行定位，采用伺服電機和步進電機混合驅動，主要傳動部件采用可視化設計，控制簡單，編程方便，它是一個多輸入多輸出的動力學復雜系統(tǒng)，是進行控制系統(tǒng)設計的理想平臺。它具有高度的能動性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進行運動規(guī)劃和編程系統(tǒng)設計的理想對象。整個系統(tǒng)包括機器人1臺、控制柜1臺、控制卡2塊、實驗附件1套（包括軸、套）和機器人控制軟件1套（實驗設備用戶可選）。機器人采用串聯(lián)式開鏈結構，即機器人各連桿由旋轉關節(jié)或移動關節(jié)串聯(lián)連接，機器人各關節(jié)采用伺服電機和步進電機混合驅動，并通過Windows環(huán)境下的軟件編程和運動控制卡實現(xiàn)對機器人的控制，使機器人能夠在工作空間內(nèi)任意位置精確定位。模塊6圖6-16機器人結構模塊6機器人技術參數(shù)如表6-1所示。表6-1機器人技術參數(shù)結構形式串聯(lián)關節(jié)式驅動方式步進伺服混合驅動負載能力6Kg重復定位精度±0.08mm動作范圍關節(jié)Ⅰ-150°～150°關節(jié)Ⅱ-150°～-30°關節(jié)Ⅲ-70°～50°關節(jié)Ⅳ-150°～150°關節(jié)Ⅴ-90°～90°關節(jié)Ⅵ-180°～180°最大速度關節(jié)Ⅰ60o/S關節(jié)Ⅱ60o/S關節(jié)Ⅲ60o/S關節(jié)Ⅳ60o/S關節(jié)Ⅴ60o/S關節(jié)Ⅵ120o/S最大展開半徑870mm高度1150mm本體重量≤100Kg操作方式示教再現(xiàn)/編程電源容量單相220V50Hz4A模塊62．項目實施相關設備

1.RBT-6T/S02S機器人一臺；

2.RBT-6T/S02S機器人控制柜一臺；

3.裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺；

4.軸和軸套各一個。3.實施步驟（1）連接好氣路，啟動氣泵到預定壓力；（2）啟動計算機，運行機器人軟件，出現(xiàn)如圖6-17所示主界面；（3）接通控制柜電源，按下“啟動”按鈕；圖6-17主界面模塊6

（4）點擊主界面“機器人復位”按鈕，機器人進行回零運動。觀察機器人的運動，六個關節(jié)全部運動完成后，機器人處于零點位置；（5）點擊“關節(jié)示教”按鈕，出現(xiàn)如圖6-18所示界面，按下“打開”按鈕，在機器人軟件安裝目錄下選擇示教文件BANYUN.RBT6，示教數(shù)據(jù)會在示教列表中顯示；（6）裝配操作演示，在2個支架的相應位置上分別放置軸和軸套，然后按下“再現(xiàn)”按鈕，機器人實現(xiàn)裝配動作；（7）運動完畢后，按下“復位”按鈕，機器人回到零點位置，關閉對話框；（8）如果想再做一次裝配動作，把軸放回相應位置，按下“再現(xiàn)”按鈕即可；（9）點擊“機器人復位”按鈕，使機器人回到零點位置；（10）按下控制柜上的“停止”按鈕，斷開控制柜電源；（11）退出機器人軟件，關閉計算機。圖6-18關節(jié)示教界面模塊6項目總結

通過本項目使學生了解串聯(lián)關節(jié)機器人的機構組成，掌握其工作原理、基本功能以及示教運動過程。通過項目實施步驟，熟悉RBT-6T/S02S機器人的控制形式，及其控制軟件的“機器人復位”、“關節(jié)示教”、“復位”等基本操作。項目評價表6-2項目評價表項目目標分值評分得分機械手機械結構的認識1.正確認識機械手各關節(jié)組成2.熟悉各關節(jié)技術參數(shù)50不正確，扣5～10分機器人控制系統(tǒng)硬件連接將機器人與控制計算機正確連接20不正確，扣5～10分實驗動作的運行正確完成實施步驟要求的動作30不正確，扣5～10分總分100模塊66.1.4知識拓展（拓）工業(yè)機器人的應用行業(yè)與案例1.光伏電池片搬運領域2.PCBA測試行業(yè)的應用3.機器手與小型焊接、切割設備的協(xié)調(diào)作業(yè)模塊6項目6-2并聯(lián)機器人項目思考并聯(lián)機器人的類型？并聯(lián)機器人一個完整的并聯(lián)機器人的組成？典型DELTA機構的運動過程？并聯(lián)機構的發(fā)展概況并聯(lián)機器人機構學理論并聯(lián)機器人動力學分析與控制定平臺的設計驅動桿的設計項目知識項目實踐知識分布網(wǎng)絡模擬運動對接動作裝置知識拓展從動桿的設計DELTA機構介紹動平臺的設計并聯(lián)機床模塊66.2.1項目思考（思）

近年來并聯(lián)機器人的發(fā)展已成為機器人研究領域的熱點之一，在某些方面它具有串聯(lián)結構所無法相比的優(yōu)點，因而擴大了機器人領域的應用范圍。與串聯(lián)結構相比，并聯(lián)結構具有剛度大、動態(tài)性能優(yōu)越、誤差小、精度高、結構緊湊、使用壽命長等一系列優(yōu)點，眾多研究機構和制造企業(yè)都看好其在制造領域的應用前景。目前多種并聯(lián)機器人已經(jīng)被設計和開發(fā)出來，應用的領域涉及機床、定位裝置、娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生等。本項目主要對并聯(lián)機器人分類和應用做了簡要分析和概括，對其機構學、運動學、系統(tǒng)控制策略等關鍵技術做了概括性分析，并以三自由度并聯(lián)機器人-DELTA機構平臺為例，對并聯(lián)機器人在數(shù)控機床上的應用作了重點介紹。問題思考：

1.并聯(lián)機器人的類型？

2.一個完整的并聯(lián)機器人的組成？

3.典型DELTA機構的運動過程？模塊66.2.2項目知識（學）知識點1并聯(lián)機構的發(fā)展概況：并聯(lián)機構并聯(lián)機構（ParallelMechanism）是一組由兩個或兩個以上的分支機構通過運動副按一定的方式連接而成的閉環(huán)機構。它的特點是所有分支機構可以同時接受驅動器輸入，而最終共同給出輸出。組成并聯(lián)機構的運動副可分為簡單運動副和復雜運動副兩大類。

圖6-22Stewart平臺機構模塊6并聯(lián)機構特點并聯(lián)機構是一種閉環(huán)機構，其動平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少2個獨立的運動鏈與機架相聯(lián)接，必備的要素如下：①末端執(zhí)行器必須具有運動自由度；②這種末端執(zhí)行器通過幾個相互關聯(lián)的運動鏈或分支與機架相聯(lián)接；③每個分支或運動鏈由惟一的移動副或轉動副驅動。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構相比，并聯(lián)機構的零部件數(shù)目較串聯(lián)構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構件、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成。除了在結構上的優(yōu)點，并聯(lián)機構在實際應用中更是有串聯(lián)機構不可比擬的優(yōu)勢。其主要優(yōu)點如下：（1）剛度質(zhì)量比大。（2）動態(tài)性能優(yōu)越。（3）運動精度高。（4）多功能靈活性強。（5）使用壽命長。模塊6并聯(lián)機構種類從已經(jīng)問世的并聯(lián)機構來看，其中2自由度的占有10.5%，3、6自由度的各占40%，4自由度的占6%，5自由度的占3.5%。圖6-23天津大學研制的二自由度并聯(lián)機構——Diamond機器人圖6-24Delta三自由度并聯(lián)機構模塊6知識點2并聯(lián)機器人機構學理論：運動學關于并聯(lián)機器人的運動學問題可分成兩個子問題：正向運動學問題和逆向運動學問題。當給定并聯(lián)機器人上平臺的位姿參數(shù)，求解各輸入關節(jié)的位置參數(shù)是并聯(lián)機器人運動學位置反解問題；當給定并聯(lián)機器人各輸入關節(jié)的位置參數(shù)求解上平臺的位姿參數(shù)是并聯(lián)機器人的運動學正解問題。由于并聯(lián)機構結構復雜，位置正解的難度較大，其中一種比較有效的方法是采用數(shù)值方法求解一組非線性方程，從而求得與輸入對應的動平臺的位置和姿態(tài)。解析法是通過消元法消去機構約束方程中的未知數(shù)，從而獲得輸入輸出方程中僅含一個未知數(shù)的高次多項式。為了克服非線性方程組數(shù)值解法的復雜性，有一些學者應用遺傳算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡，利用這些非數(shù)值并行算法來解決6-SPS并聯(lián)機構的位置正解問題。模塊6奇異位形奇異位形是并聯(lián)機器人機構學研究的又一項重要內(nèi)容，同串聯(lián)機器人一樣，并聯(lián)機器人也存在奇異位形，當機構處于奇異位形時其Jacobian矩陣為奇異陣，行列式值為零，此時機構速度反解不存在，存在某些不可控的自由度。另外當機構處于奇異位形附近時，關節(jié)驅動力將趨于無窮大從而造成并聯(lián)機器人的損壞，因此在設計和應用并聯(lián)機器人時應避開奇異位形。工作空間工作空間分析是設計并聯(lián)機器人操作器的首要環(huán)節(jié)，機器人的工作空間是機器人操作器的工作區(qū)域，它是衡量機器人性能的重要指標，并聯(lián)機器人的一個最大的弱點就是空間小，應該說這是一個相對的概念。同樣的機構尺寸，串聯(lián)機器人工作空間大，并聯(lián)機構??；具備同樣的工作空間，串聯(lián)機構小，并聯(lián)機構大，由此可見開發(fā)并聯(lián)機構的工作空間是非常重要的。根據(jù)操作器工作時的位姿特點，工作空間又可分為可達工作空間和靈活工作空間。模塊6知識點3并聯(lián)機器人動力學分析與控制：動力學分析并聯(lián)機器人的動力學及動力學建模是并聯(lián)機器人研究的一個重要分支，其中動力學模型是并聯(lián)機器人實現(xiàn)控制的基礎，因而在研究中占有重要的地位。動力學是研究物體的運動和作用力之間的關系。并聯(lián)機器人的控制分析在并聯(lián)機器人控制領域，目前主要有PID控制、自適應控制、變結構滑?？刂?。模塊6知識點4DELTA機構介紹：

DELTA機構是并聯(lián)機構的一種，它屬于少自由度空間并聯(lián)機構，于1985年首次由瑞士洛桑工學院（EPEL）的ReymondClavel博士提出，由于該機構的上下兩個平臺均呈三角形狀而得名。

DELTA機構是由三組擺動桿機構連接靜平臺和動平臺的空間機構，其機構示意圖如圖6-25所示。圖6-25Delta機構示意圖模塊66.2.3項目制作（做）項目要求1.對DELTA機構各組成部件的演示，掌握并聯(lián)機器人組裝過程；2.熟悉并聯(lián)機械人的機械結構組成。項目實施1．定平臺的設計

定平臺又稱基座，在結構中屬于固定的，具體的參數(shù)見圖6-27，厚度20cm。圖6-27定平臺設計圖模塊62．驅動桿的設計具體參數(shù)為長×厚×寬：880mm×10mm×20mm?？椎膮?shù)為φ10×10mm。材料用鋁合金，設計為桿式，質(zhì)量小，經(jīng)濟，同時也滿足載荷條件。圖6-28驅動桿的設計圖3．從動桿的設計具體參數(shù)為長×寬×高：620×20×10mm?？讌?shù)為φ10×10mm。材料選用鋁合金。圖6-29從動桿的設計圖模塊64．動平臺的設計參數(shù)如下圖，考慮到重量因素，采用鋁合金，切削加工。動平臺的等效圓半徑為50mm，分布角為21.5°。圖6-30動平臺的設計圖5．鏈接銷的設計

45號鋼，為主動桿和定平臺的連接銷：φ9×66mm。模塊66．球鉸鏈的選型本項目選用球鉸鏈設計，是主要因為球鉸鏈的可控性，以及結構簡單，易于裝配，且有很好的可維護性。本項目選用了伯納德的SD系列球鉸鏈，相對運動角為60°。圖6-31SD系列球鉸鏈7．墊圈的選型此處我們選用標準件。GB/T

97.110‐140HV，10.5*1.6mm。模塊68．電機的選型本項目的Delta機器人，主要面向工業(yè)中輕載的場合。由于需要對角度的精確控制，因此決定選用伺服電機。在本項目中，電動機的功率計算如下：機構的最高速度不超過2m/s，考慮到運動桿件重量，摩擦力等，綜合載重5kg。則，P=FV=5kg×10m/s2×2m/s=100W。取安全因子為1.2，則每個電機的功率為1.2×100W/3=40W。故初步選用表6-3中兩款：表6-3選用的電動機型號

考慮到經(jīng)濟原因，在其它參數(shù)相似的情況下，我們在這里選擇三菱的HC-MFS/kfso53k。9．執(zhí)行器的設計與選型考慮選用電控吸盤或機械手。模塊6項目總結

本項目以DELTA機構為例，訓練學生按照定平臺、動平臺、驅動桿及從動桿圖紙進行實物制作，合理選用合適連接件、墊圈及電動機等。在實驗過程中，使學生對并聯(lián)機器人的機械結構組成，以及電動機選用等方面有較為清晰的認識和了解。項目評價表6-4項目評價表項目目標分值評分得分DELTA機構定、動平臺等部分的制作正確認識DELTA機構各組成部分50不正確，扣5～10分DELTA機構機械結構組裝正確組裝各連接件30不正確，扣5～10分實驗動作的運行正確完成DELTA機構的正常動作20不正確，扣5～10分總分100模塊66.2.4知識拓展（拓）

并聯(lián)機構由于其本身特點,一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需很大空間的場合。主要應用有以下幾個方面：（1）模擬運動①飛行員三維空間訓練模擬器駕駛模擬器②工程模擬器,如船用搖擺臺等③檢測產(chǎn)品在模擬的反復沖擊、振動下的運行可靠性④娛樂運動模擬臺。（2）對接動作①宇宙飛船的空間對接②汽車裝配線上的車輪安裝③醫(yī)院中的假肢接骨。（3）金屬切削加工，可應用于各類銑床、磨床鉆床或點焊機、切割機。（4）并聯(lián)機構還可用作機器人的關節(jié)，爬行機構，食品、醫(yī)藥包裝和移載機械手等。模塊6項目6-3檢測機器人

項目思考一個完整的管道檢測機器人的結構組成？檢測機器人管道檢測機器人的驅動方式？管道檢測機器人的檢測技術原理？管道檢測機器人的發(fā)展管道檢測機器人的結構管道檢測機器人的驅動方式驅動方式的選擇移動方式的選擇項目實踐知識分布網(wǎng)絡管道檢測機器人的技術要點知識拓展控制系統(tǒng)整體設計方案管道檢測機器人的移動方式管道檢測機器人的檢測技術原理管道檢測機器人中的控制技術項目知識模塊66.3.1項目思考（思）

城市的污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運輸、給排水和建筑物的通風系統(tǒng)等，均使用大量復雜隱蔽的管道。對管道進行定期維護，提高管道的壽命、保持管道通暢、防止泄漏等故障的發(fā)生，就必須對管道進行有效的檢測。長期以來，如何對管道進行經(jīng)濟方便、快捷有效地檢測和故障的準確定位，是管道系統(tǒng)維護和檢修面臨的難題。本項目介紹的管道檢測機器人是一種可在管道內(nèi)、外行走的機電一體化裝置，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置(如CCD攝像機位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置)，在操作人員的遠距離控制下進行一系列的管道檢測維修作業(yè)。問題思考：

1.一個完整的管道檢測機器人的結構組成？

2.管道檢測機器人的驅動方式？

3.管道檢測機器人的檢測技術原理？

模塊66.3.2項目知識（學）知識點1管道檢測機器人的發(fā)展：1.國外研究現(xiàn)狀從20世紀50年代起，為滿足長距離管道運輸、檢測的需要，美、英、法等國相繼展開了管道檢測機器人的研究，其最初成果就是一種無動力的管內(nèi)檢測設備，一般譯名稱“管道豬”。日本在管道微型檢測機器人方面的研究最為活躍和富有代表性，日本通產(chǎn)省的“微機械技術”十年計劃要制造出能進管道檢修的智能微型機器人和能進入人體診斷和手術的微機器人。美國加州理工學院研制了一種主動內(nèi)窺檢查微型機器人。法國在1995年已研制出直徑10mm，長度為30mm的醫(yī)用管道微型機器人。意大利開發(fā)了用于結腸檢查的攜帶主動內(nèi)窺鏡的微型機器人，機器入由母體微型手臂和人機接口組成。2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)在管道檢測機器人方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代末。哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、廣東工業(yè)大學、大慶石油管理局、中原油田以及勝利油田等先后參與了這方面的研究工作。模塊6知識點2管道檢測機器人的結構；一個完整的管道檢測機器人系統(tǒng)應由移動載體（行走機構）、管道內(nèi)部環(huán)境識別檢測系統(tǒng)（操作系統(tǒng)）、信號傳遞和動力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。移動載體按移動方式分，可分為輪式、履帶式、輪腿式、蠕動式等不同結構。一個典型的管道檢測機器人的結構組成如圖6-37所示，由電源、驅動系統(tǒng)、采樣裝置、攝像機、傳感器、控制板等幾部分組成。圖6-37管道檢測機器人的結構框圖模塊6知識點3管道檢測機器人的驅動方式：驅動器的選擇在很大程度上決定了管道機器人的體積、重量和性能指標?，F(xiàn)在使用的驅動方式主要有：（1）電磁驅動。（2）壓電驅動。（3）形狀記憶合金。（4）超聲波驅動。（5）氣動驅動。（6）人工肌肉。模塊6知識點4管道檢測機器人的移動方式：管道檢測機器人的移動方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動式、螺旋式和流體推動式等，如圖6-39所示。圖6-39管道檢測機器人的移動方式a—輪式b—履帶式c—足式d—螺旋式e—張緊式f—流體推動式g—蠕動式模塊6知識點5管道檢測機器人的檢測技術原理：當今國內(nèi)外管道檢測常用的技術手段有超聲檢測、渦流檢測、漏磁檢測、遠場渦流檢測及磁記憶檢測等。漏磁檢測管道漏磁檢測的工作原理如圖6-40所示。

漏磁檢測局限于材料表面和近表面的檢測，因此，適用于薄壁的檢測，而不適于厚壁管的檢測。圖6-40管道漏磁檢測原理模塊6遠場渦流檢測遠場渦流檢測的理論基礎為渦流檢測，兩者的區(qū)別在于，遠場渦流探頭的激勵線圈與檢測線圈必須相距約2倍以上的管徑長度，如圖6-41所示。圖6-41遠場渦流檢測原理磁記憶檢測磁記憶檢測是利用金屬磁記憶效應進行檢測的，其原理是：處于地磁環(huán)境下的鐵制工件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場Hp的變化。模塊6知識點6管道檢測機器人中的控制技術：近十年來，嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術的發(fā)展為運動控制系統(tǒng)的結構帶來了重大變革，產(chǎn)生了利用數(shù)字通訊的開放的分布式控制結構。目前，國內(nèi)外的許多機器人系統(tǒng)一般都采用了分布式控制結構。即上一級主控計算機負責整個系統(tǒng)管理、坐標變換和軌跡插補運算等，下一級由許多微處理器組成，每一個微處理器控制一個關節(jié)運動，它們并行的完成控制任務，因而提高了工作速度和處理能力。機器人越來越復雜，人們對其控制的要求越來越高。機器人的控制系統(tǒng)具有以下特點：①數(shù)學模型難建立、擾動有界但未知；②僅含有控制對象的輸入／輸出數(shù)據(jù)或在操作過程中積累起來的經(jīng)驗信息。模塊66.3.3項目制作（做）項目要求1.熟悉履帶式管道檢測機器人的整體設計方案；2.掌握其驅動方式、移動方式、控制系統(tǒng)等的設計過程。項目實施

1.驅動方式的選擇本項目的管道檢測機器人選用電磁驅動的驅動方式，采用微型直流電動機進行驅動，選用充電電池作為電源。2.移動方式的選擇由于管道內(nèi)避的情況復雜，會有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機器人的移動方式，結構如圖6-42所示。圖6-42管道檢測機器人的結構示意圖模塊6本項目的履帶式機器人具有以下特點：

1）履帶式移動機器人支撐面積大，接地比壓小。

2）履帶式移動機器人轉向半徑極小，可以實現(xiàn)原地轉向。

3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。

4）履帶式移動機器人具有良好的自復位和越障能力。當然，履帶式移動機器人也存在一些不足之處，比如在機器人轉向時，為了實現(xiàn)轉大彎，往往要采用較大的牽引力，在轉彎時會產(chǎn)生側滑現(xiàn)象，所以在轉向時對地面有較大的剪切破壞作用。模塊63.控制系統(tǒng)整體設計方案系統(tǒng)的整體設計方案如圖6-43所示。設計的思路及其方案如下：

1）控制器采用ATMEL系列的AT90CANl28單片機，內(nèi)部集成了CAN控制器，支持CAN2.0B和CAN2.0A協(xié)議。能完成運動控制算法，數(shù)據(jù)采集處理；

2）自動升降的云臺滿足不同管徑采集圖像的需要，兩舵機運動通過單片機PWM控制來實現(xiàn)0o-180o的兩個自由度線性運動；

3）利用溫度傳感器和漏水檢測電路實現(xiàn)安全檢測措施；

4）LED燈光用于CCD攝像頭的照明，實現(xiàn)光線強弱可控制功能，這里采用的是PWM控制方式，輸出電壓的不同調(diào)節(jié)燈光的強弱；

5）電子羅盤把收集到數(shù)據(jù)返回給單片機，通過神經(jīng)網(wǎng)絡的BP算法對數(shù)據(jù)進行處理改變控制的方向，實現(xiàn)位姿平穩(wěn)的實時控制；

6）機器人的運動采取四輪驅動的方式，能很好的實現(xiàn)前進、后退、左轉等控制命令。圖6-43管道檢測機器人的控制系統(tǒng)圖模塊6項目總結

本項目以履帶式管道機器人為例，訓練學生按照要求合理選用合適的驅動、移動方式等，并且能掌握該類型機器人控制系統(tǒng)的整體設計方案。在實驗過程中，學生能夠對管道檢測機器人的結構組成有較為清晰的認識和了解。項目評價表6-5項目評價表項目目標分值評分得分驅動方式選擇正確選擇管道檢測檢測機器人的驅動方式30不正確，扣5～10分移動方式選擇正確選擇管道檢測檢測機器人的移動方式為履帶式30不正確，扣5～10分控制系統(tǒng)設計根據(jù)控制系統(tǒng)圖嘗試機器人控制系統(tǒng)連接40不正確，扣5～10分總分100模塊66.3.4知識拓展（拓）管道檢測機器人的技術要點：1.數(shù)據(jù)存儲2.數(shù)據(jù)處理3.電源4.機體

模塊6項目6-4工業(yè)搬運機器人項目思考工業(yè)搬運機器人的種類有哪些？搬運工業(yè)機器人工業(yè)搬運機器人的控制系統(tǒng)類型？典型DELTA機構的運動過程？工業(yè)搬運機器人研究現(xiàn)狀工業(yè)搬運機器人的種類工業(yè)搬運機器人的控制系統(tǒng)設備組成機械結構裝配項目知識項目實踐知識分布網(wǎng)絡工業(yè)搬運機器人的未來發(fā)展趨勢知識拓展電氣接線工業(yè)搬運機器人的應用領域模塊66.4.1項目思考（思）

在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。目前，專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。據(jù)資料統(tǒng)計，金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5％。這說明零件在加工過程中，除了切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，搬運機械人就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。搬運機械人可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應用于柔性自動線、自動化倉庫等場合的物料搬運工作。問題思考：

1.工業(yè)搬運機器人的種類有哪些？

2.工業(yè)搬運機器人的控制系統(tǒng)類型？

3.工業(yè)搬運機器人的應用領域？模塊66.4.2項目知識（學）知識點1工業(yè)搬運機器人研究現(xiàn)狀：我國工業(yè)搬運機器人是從二十世紀八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機器人研究機構和企業(yè)。先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機器人。

目前，工業(yè)機器人的應用領域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業(yè)。知識點2工業(yè)搬運機器人的種類：1.機床上下料搬運機器人目前在機床加工行業(yè)中，要求加工精度高、批量加工速度快導致生產(chǎn)線體自動化程度要有很大的提升，首先一點就是針對機床方面進行全方位自動化處理，使人力從中解放出來，直角坐標機器人目前在機床行業(yè)內(nèi)正在逐步大量使用，包括數(shù)控車床上下料機器人、數(shù)控沖床上下料機器人、數(shù)控加工中心上下料機器人等等。2.物料搬運機器人搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。模塊6知識點3工業(yè)搬運機器人的控制系統(tǒng)：1.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的特點和基本要求工業(yè)機器人的特點有：

1）工業(yè)機器人有若干個關節(jié)，每個關節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制。

2）工業(yè)機器人的工作任務是要求操作機的手部進行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動。

3）工業(yè)機器人的數(shù)學模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復雜模型，各變量之間還存在著耦合。

4）較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的基本要求有：

1）實現(xiàn)對工業(yè)機器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，對于連續(xù)軌跡運動的工業(yè)機器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。

2）方便的人一機交互功能，操作人員采用直接指令代碼對工業(yè)機器人進行作業(yè)指示。

3）具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。

4）具有診斷、故障監(jiān)視等功能。模塊62.工業(yè)機器人控制的分類工業(yè)機器人控制的分類，沒有統(tǒng)一的標準，如按運動坐標控制的方式來分，有關節(jié)空間運動控制、直角坐標空間運動控制；按控制系統(tǒng)對工作環(huán)境變化的適應程度來分，有程序控制系統(tǒng)、適應性控制系統(tǒng)、人工智能控制系統(tǒng)；按軌跡控制方式的不同，可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。這里主要介紹按發(fā)展階段的分類方法。（1）程序控制系統(tǒng)目前工業(yè)用的絕大多數(shù)第一代機器人屬于程序控制機器人，其程序控制系統(tǒng)的結構簡圖如圖6-44所示，包括程序裝置、信息處理器和放大執(zhí)行裝置。圖6-44程序控制系統(tǒng)模塊6（2）適應性控制系統(tǒng)適應性控制系統(tǒng)多用于第二代工業(yè)機器人，即具有知覺的工業(yè)機器人，它具有力覺、觸覺或視覺等功能。系統(tǒng)框圖如圖6-45所示。圖6-45適應控制系統(tǒng)模塊6

（3）人工智能控制系統(tǒng)人工智能控制系統(tǒng)是最高級、最完善的控制系統(tǒng)，在外界環(huán)境變化不定的條件下，為了保證所要求的品質(zhì)，控制系統(tǒng)的結構和參數(shù)能自動改變，其框圖如圖6-46所示。圖6-46人工智能控制系統(tǒng)模塊63.工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)目前大部分工業(yè)機器人都采用二級計算機控制，第一級為主控制級，第二級為伺服控制級。（1）主控制級主控制級的主要功能是建立操作和工業(yè)機器人之間的信息通道，傳遞作業(yè)指令和參數(shù)，反饋工作狀態(tài)，完成作業(yè)所需的各種計算，建立于伺服控制級之間的接口。它由以下幾個主要部分組成①主控制計算機②主控制軟件③外圍設備（2）伺服控制級伺服控制級是由一組伺服控制系統(tǒng)組成，每一個伺服控制系統(tǒng)分別驅動操作機的一個關節(jié)。關節(jié)運動參數(shù)來自主控制級的輸出。主要組成部分有①伺服驅動器②伺服控制器模塊6圖6-47示教方式（a）手把手示教（b）示教盒示教模塊6知識點4工業(yè)搬運機器人的應用領域：國內(nèi)外機械工業(yè)搬運機械人主要應用于以下幾方面：（1）熱加工方面的應用（2）冷加工方面的應用（3）拆修裝