工業(yè)機器人技術課件

工業(yè)機器人技術與應用

-----基于IRB120指導教師簡介王紅旗，河南理工大學電氣工程與自動化學院自動化系，博士，研究方向：機器人控制技術郵箱：wanghq2008@QQ群：4380188手機址：電氣學院先進控制實驗室（D218）歡迎機械設計、機電一體化、電氣（自動化）專業(yè)的學生報考我的研究生，或參與我的研究課題。課程介紹課程性質：實踐性公共選修課學時：16考核：實驗（50）+理論（30）+考勤（20）教學內容：中國機器人技術的發(fā)展狀況（1學時）機器人技術基礎（6學時）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成、技術參數(shù)及分類（1學時）機器人運動學分析（4學時）機器人運動規(guī)劃（1學時）工業(yè)機器人實驗（9學時）熟悉ABBIRB120工業(yè)機器人控制系統(tǒng)（3學時）IRB120的TCP及重定向實驗（2學時）IRB120建立工件坐標系實驗（2學時）IRB120運動編程實驗（2學時）1中國機器人技術的發(fā)展狀況中國，作為亞洲第三大工業(yè)機器人需求國，市場發(fā)展穩(wěn)定，汽車及其零部件制造仍然是工業(yè)機器人的主要應用領域。隨著我國產(chǎn)業(yè)結構調整升級不斷深入和國際制造業(yè)中心向中國的轉移，我國的機器人市場會進一步加大，市場擴展的速度也會進一步提高。對于國外的先發(fā)、領先優(yōu)勢，我國的機器人產(chǎn)業(yè)的研發(fā)遠遠落后于美、日兩國，甚至比起韓國也落后一步，尤其是在青少年中遠未開展機器人的組裝、制作的科學活動，這將關系到二、三十年后我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。近年來，國外正在興起一個與文化產(chǎn)業(yè)和科學技術有緊密關系的未來產(chǎn)業(yè)——機器人的研究、開發(fā)及制造。參與者除了傳統(tǒng)從事學術研究的科技工作者、大學研究梯隊、企業(yè)產(chǎn)品的專門研究人員之外，更有一大批的青少年積極加入這一新興的科學技術新潮流之中。1中國機器人技術的發(fā)展狀況與國外差距基礎零部件制造能力差。雖然我國在相關零部件方面有了一定的基礎，但是無論從質量、產(chǎn)品系列，還是批量化供給方面都與國外存在較大的差距。特別是在高性能交流伺服電機和精密減速器方面的差距尤其明顯，造成關鍵零部件長期依賴進口，影響了我國機器人的價格競爭力。中國的機器人還沒有形成自己的品牌。雖然已經(jīng)擁有一批企業(yè)從事機器人的開發(fā)，但是都沒有形成較大的規(guī)模，缺乏市場的品牌認知度，在機器人市場方面一直面臨國外機器人品牌的打壓。認識不到位，鼓勵工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的政策少。工業(yè)機器人的制造及應用水平，代表了一個國家的制造業(yè)水平，應從國家高度認識發(fā)展中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的重要性。1中國機器人技術的發(fā)展狀況我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初，大致可分為三個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代的實用化期。在80年代中期，國家組織了對工業(yè)機器人的需求的行業(yè)的調研，對第二代工業(yè)機器人的需求主要集中于汽車行業(yè)（占總需要的60%～70%）1985年，工業(yè)機器人被列入了國家“七五”科技攻關計劃研究重點，目標鎖定在工業(yè)機器人基礎技術、基礎器件開發(fā)、搬運、噴涂和焊接機器人開發(fā)研究等五個方面。撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究?！捌呶濉逼陂g，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術，研制出噴涂、弧焊、點焊和搬運等作業(yè)機器人整機。在應用方面，在第二汽車廠建立的我國第一條采用國產(chǎn)機器人的生產(chǎn)線－東風系列駕駛室多品種混流機器人噴涂生產(chǎn)線。1中國機器人技術的發(fā)展狀況在基礎技術研究方面，進行了機構學，控制編程，驅、傳動方式，檢測等基礎理論與技術的研究。開發(fā)出具有國際先進水平的測量系統(tǒng)，編制了我國工業(yè)機器人標準體系和12項國標、行標。80年代，在國家高技術計劃中，安排了智能機器人的研究開發(fā)，包括水下無纜機器人，高功能裝配機器人和各類特種機器人，進行了智能機器人體系結構，機構控制，人工智能、機器視覺，高性能傳感器及新材料的應用研究已取得一批成果。形成了京津、東北、華東、華南等機器人技術地區(qū)。

80年代中期，我國機器人的研發(fā)單位大大小小已有200多家，然而，由于多半從事的是低水平、重復性的研究，全國尚無一臺機器人產(chǎn)品問世，直至1985年，我國機器人才迎來了“春天”。從90年代初期起，在國家“863”計劃支持下，我國工業(yè)機器人又在實踐中邁進一大步，具有自主知識產(chǎn)權的點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝、碼垛等7種工業(yè)機器人產(chǎn)品相繼問世，還實施了100多項機器人應用工程、建立了20余個機器人產(chǎn)業(yè)化基地。1中國機器人技術的發(fā)展狀況90年代初期，主要開發(fā)了下列機器人及相關技術：噴涂機器人。開發(fā)了交流伺服離線編程機器人，噴涂機器人（頂噴、側噴、仿形噴）小型馬達等系列產(chǎn)品，但還未達到產(chǎn)品的定型。開發(fā)了汽車噴涂生產(chǎn)線，馬達，箱體，陶瓷等生產(chǎn)線的機器人應用工程，共完成20條生產(chǎn)線及工作站。焊接機器人。進行了新機構的探索和焊縫跟蹤、工裝、變位機等的研究。搬運機器人。根據(jù)用戶需求，一些單位開發(fā)了碼垛機器人，已在多條生產(chǎn)線上應用。裝配機器人及視覺、力覺等傳感器技術得到高技術計劃的支持，研制了高檔樣機，開始了工程應用。90年代后期，國產(chǎn)機器人的商品化，為產(chǎn)業(yè)化奠定基礎。1中國機器人技術的發(fā)展狀況一些機器人專家認為：應繼續(xù)開發(fā)和完善噴涂、點焊、弧焊、搬運等機器人系統(tǒng)成套應用技術，完成交鑰匙工程。在掌握機器人開發(fā)和應用技術基礎上，進一步開拓市場，擴大應用領域，從汽車制造業(yè)逐漸擴展到其他制造業(yè)和非制造業(yè)領域，開發(fā)第二代工業(yè)機器人及各類適合我國國情的經(jīng)濟型機器人，以滿足不同行業(yè)多層次的需求，開展機器人柔性裝配系統(tǒng)的研究，充分發(fā)揮工業(yè)機器人在CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）中的核心技術作用。嫁接國外技術，促進國際合作，促使我國工業(yè)機器人得到進一步發(fā)展，為21世紀機器人產(chǎn)業(yè)奠定更堅實的基礎。“十五”期間是我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個關鍵轉折點。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，我國的機器人技術已日趨成熟；市場需求在“十五”初期也有了一個“井噴式”的發(fā)展，此外我國已經(jīng)形成了幾家具有一定競爭力的機器人公司和產(chǎn)業(yè)化基地。1中國機器人技術的發(fā)展狀況1980年—研制成功中國第一臺工業(yè)機器人樣機。1985年—中國第一臺水下機器人（“海人一號”）首航成功。1986年—中國第一臺水下機器人深海試驗成功。1988年—中國第一臺中型水下機器人（“瑞康４號”）投入使用。1989年—水下機器人首次出口美國。1990年—中國第一臺工業(yè)機器人通用控制器研制成功。1992年—國產(chǎn)ＡＧＶ第一次應用于柔性生產(chǎn)線。1993年—中國唯一的機器人技術國家工程研究中心成立。1994年—中國第一臺五自由度高壓水切割機器人投入使用。1994年—中國第一臺1000米水下機器人（“探索者”）海試成功。1995年—中國第一臺6000米水下機器人（“ＣＲ-０１”）海試成功。1995年—中國首臺四自由度點焊機器人開發(fā)成功，第一條點焊機器人生產(chǎn)線投入使用。1995年—自主開發(fā)的機器人技術－ＡＧＶ技術出口韓國。1997年—具有自主版權的高性能機器人控制器小批量生產(chǎn)。1997年—自主開發(fā)的國內第一條機器人沖壓自動化線用于一汽大眾生產(chǎn)線。1998年—國內首臺激光加工機器人開發(fā)成功。1998年—國內首臺澆注機器人用于生產(chǎn)。1998年—中國機器人領域唯一一家通過了ＩＳＯ９００１國際質量體系認證。1中國機器人技術的發(fā)展狀況我國從上世紀80年代開始，在高校和科研單位全面開展工業(yè)機器人的研究，近20年來取得不少的科研成果。但是由于沒有和企業(yè)有機地進行聯(lián)合，至今仍未形成具有影響力的產(chǎn)品和有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。目前國內除了一家以組裝為主的中日合資的機器人公司（首鋼莫特曼機器人公司）外，具有自主知識產(chǎn)權的工業(yè)機器人尚停留在高?；蚩蒲袉挝唤M織的零星生產(chǎn)，未能形成氣候。近10年來，進口機器人的價格大幅度降低，對我國工業(yè)機器人的發(fā)展造成了一定的影響，我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上根本無法與之競爭。尤其是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應的零部件產(chǎn)業(yè)，使得國內企業(yè)在生產(chǎn)的機器人過程中，只能依賴配套進口的零部件，更削弱了我國企業(yè)的價格競爭力。隨著中國經(jīng)濟持續(xù)快速的發(fā)展，勞動力過剩程度降低、單個工人成本上升、對產(chǎn)品質量有更高的要求、國家對裝備制造業(yè)的重視等變化改善了機器人的使用環(huán)境，工業(yè)機器人及技術在中國已逐步得到了政府和企業(yè)的重視。1中國機器人技術的發(fā)展狀況市場特征以汽車制造業(yè)為主的制造業(yè)發(fā)展促進了工業(yè)機器人的發(fā)展。汽車制造業(yè)屬于技術、資金密集型產(chǎn)業(yè)，也是工業(yè)機器人應用最廣泛的行業(yè)。在我國，工業(yè)機器人的最初應用是在汽車和工程機械行業(yè)，主要用于汽車及工程機械的噴涂及焊接。2000年開始，受國家宏觀政策調控及居民消費水平提高的影響,我國汽車工業(yè)進入了一個高速增長期，整個行業(yè)的增產(chǎn)擴能增加了對工業(yè)機器人需求。沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)是工業(yè)機器人的主要市場。我國工業(yè)機器人的使用集中在廣東、江蘇、上海、北京等地，工業(yè)機器人的擁有量占全國的一半以上，這種分布態(tài)勢和增長趨勢符合我國現(xiàn)階段經(jīng)濟發(fā)展狀況。外商獨資企業(yè)、中外合資企業(yè)和國有企業(yè)是工業(yè)機器人的主要客戶。工業(yè)機器人屬于技術含量高，價格相對昂貴的制造裝備，采用工業(yè)機器人較多的企業(yè)，一般對產(chǎn)品的質量要求較高，企業(yè)在市場上具有更高的影響力?，F(xiàn)階段，工業(yè)機器人使用量最多的仍是外商獨資或中外合資企業(yè)。國有企業(yè)也在加大對工業(yè)機器人的采購用于技術改造。另外,我國的民營企業(yè)正逐漸認識到工業(yè)機器人的優(yōu)勢，對工業(yè)機器人的采用量也在逐步增加。國內進口工業(yè)機器人的國家和地區(qū)分布。2001～2004年，我國進口的工業(yè)機器人主要來自日本與臺灣，2004年日本對華出口金額占我國進口工業(yè)機器人金額的一半。1中國機器人技術的發(fā)展狀況目前，國際制造業(yè)中心已經(jīng)轉向中國，用信息化帶動工業(yè)化、用高新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，已成為我國工業(yè)發(fā)展的必由之路。作為先進制造裝備之典型代表的工業(yè)機器人必將擁有一個很大的產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間，市場前景廣闊。但是，國外機器人巨頭已經(jīng)全部涌入中國，市場競爭日益加劇，所以中國未來機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不會一帆風順。國家應借鑒日本機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成功做法，制定機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和相關政策，這是我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展成敗之關鍵。趨勢工業(yè)機器人技術正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結構的模塊化和可重構化；控制技術的開放化、PC化和網(wǎng)絡化；伺服驅動技術的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術的實用化；工作環(huán)境設計的優(yōu)化、作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和智能化等方面。

1中國機器人技術的發(fā)展狀況機器人是人造機器的“終極”形式。它涉及機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學科的發(fā)展密切相關。當今工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢主要有：性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），單機價格不斷下降。機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人。控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化，網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，采用模塊化結構，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。1中國機器人技術的發(fā)展狀況機器人中的傳感器作用日益重要，除傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等內部傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。機器人化的機械正逐步興起。從1994年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，各國紛紛探索開拓其實際應用的領域?？傮w趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人概念轉移，從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術的內涵已變?yōu)殪`活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統(tǒng)。機器人結構越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來緊湊，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。1中國機器人技術的發(fā)展狀況中國未來工業(yè)機器人技術發(fā)展的重點有：危險、惡劣環(huán)境作業(yè)機器人。主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測、油汽管道、災難救援等機器人。醫(yī)用及輔助醫(yī)療機器人。主要有腦外科手術輔助機器人，遙控操作輔助正骨機器人、護理機器人等。仿生機器人。主要有移動機器人，網(wǎng)絡遙控操作機器人等。其發(fā)展趨勢是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。工業(yè)機器人市場競爭越來越激烈，中國制造業(yè)面臨著與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)，加快工業(yè)機器人技術的研究開發(fā)和生產(chǎn)是我們抓住這個歷史機遇的主要途徑。工業(yè)機器人技術是我國由制造大國向制造強國轉變的主要途徑，政府要對國產(chǎn)工業(yè)機器人有更多的政策與經(jīng)濟支持，加大技術投入與改造。在國家的科技發(fā)展計劃中，應該繼續(xù)對智能機器人研究開發(fā)與應用給予大力支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調的新局面。2機器人技術基礎2.1工業(yè)機器人概況工業(yè)機器人發(fā)展過程可以分為三代。第一代機器人是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型機器人，它主要由夾持器、手臂、驅動器和控制器組成。第二代機器人是帶感覺的機器人，它具有一些對外部信息進行反饋的能力，如力覺、觸覺、視覺等。第三代是智能機器人，它能自主適應環(huán)境，具有邏輯判斷和自主能力，能在未知環(huán)境中獨立工作。2.2工業(yè)機器人的組成工業(yè)機器人一般由操作臂、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和末端執(zhí)行器等組成。工業(yè)機器人的組成操作臂是機器人的機械主體，因任務不同具有不同的結構形式和尺寸?？刂葡到y(tǒng)是機器人的大腦，由控制電路和軟件結合起來操作機器人，并協(xié)調機器人與生產(chǎn)系統(tǒng)中的其他設備。一個完整的控制系統(tǒng)除了作業(yè)控制器和運動控制器外，還包括伺服控制器和多種傳感器?，F(xiàn)代機器人的電子控制裝置可由可編程控制器、數(shù)控控制器或計算機構成，控制系統(tǒng)是決定機器人功能和水平的關鍵部分，也是機器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分。驅動系統(tǒng)是指驅動操作臂動作的裝置，即動力裝置。常用的動力源：壓縮空氣，壓力油和電能，相應的動力裝置：氣缸、油缸和電機。要求裝置緊湊、重量輕、慣性小、工作穩(wěn)定。末端執(zhí)行器指連接子啊操作臂腕部直接用于作業(yè)的機構，它可能是手爪、噴槍、焊槍和測量工具等等。工業(yè)機器人技術參數(shù)一般的技術參數(shù)有：自由度、工作范圍、工作精度、最大工作速度和承載能力等。IRB120機器人技術參數(shù)規(guī)格性能運動范圍特性電氣連接物理特性工作環(huán)境工業(yè)機器人分類按用途點焊、弧焊、搬運、噴漆、涂膠、裝配等機器人；按運動形式直角坐標、極（球）坐標、圓柱坐標、關節(jié)式和組合式機器人；按負荷(含工具負荷)和工作范圍大型---工作負荷1~10kN，工作空間>10m^3；中型---工作負荷100~1000N，工作空間1~10m^3；小型---工作負荷1~100N，工作空間0.1~1m^3;超小型---工作負荷<1N，工作空間<0.1m^3。按自由度數(shù)一般，2~7個；簡易，2~4個；復雜，5~7個。按編程方式示教-在線式；離線編程示教式。按控制方式點位控制；連續(xù)軌跡控制。按驅動方式氣動、液壓驅動和電動。工業(yè)機器人的結構形式3工業(yè)機器人的運動學分析3.1機器人位姿與齊次坐標變換3.1.1剛體位姿描述3.1.2齊次坐標變換3.2工業(yè)機器人運動學3.2.1連桿參數(shù)及關節(jié)變量3.2.2連桿坐標系和齊次坐標變換3.2.3工業(yè)機器人的運動學正解3.2.4工業(yè)機器人的運動學逆解3.3機器人的工作空間3工業(yè)機器人的運動學分析3.1機器人位姿與齊次坐標變換

機器人的位姿即機器人末端工具中心點的位置和姿態(tài)。機器人可視為由一系列連桿按照某種特殊結構形式組成的多體系統(tǒng)，機器人位姿的改變可用連桿坐標系之間的齊次坐標變換來表示。3.1.1剛體位姿描述點的位置描述圖3.1空間點的位置3工業(yè)機器人的運動學分析坐標軸的方向描述圖3.2向量的方位描述3工業(yè)機器人的運動學分析剛體的位姿描述圖3.3剛體位姿描述3工業(yè)機器人的運動學分析姿態(tài)的四元數(shù)表示3工業(yè)機器人的運動學分析3.1.2齊次變換及運算

剛體連桿的運動一般包括平移運動、旋轉運動和混合運動。我們把每次簡單的運動用一個變換矩陣表示，那么多次運動就可以用多個變換矩陣的積來表示，這個積的矩陣稱為齊次變換矩陣。這樣，用連桿的初始位姿矩陣乘以齊次變換矩陣，就可得到經(jīng)過多次變換后連桿的最終位姿。圖3.4點平移變換3工業(yè)機器人的運動學分析圖3.5點旋轉變換3工業(yè)機器人的運動學分析圖3.6一般點旋轉變換3工業(yè)機器人的運動學分析3.2工業(yè)機器人運動學

機器人運動學研究各個連桿尺寸、運動副類型、桿間相互關系（位移、速度和加速度）等。末端執(zhí)行器相對于固定坐標系的位姿是我們研究的重點。2.3.1連桿參數(shù)和關節(jié)變量圖3.7連桿幾何參數(shù)3工業(yè)機器人的運動學分析圖3.8連桿關節(jié)參數(shù)3工業(yè)機器人的運動學分析每個連桿建立一個坐標系。坐標系建立的規(guī)則：（1）連桿i坐標系的坐標原點位于關節(jié)i+1軸線上，是關節(jié)i+1的關節(jié)軸線與i和i+1關節(jié)軸線公垂線的交點。（2）Z軸與i+1關節(jié)軸線重合。（3）X軸與i和i+1關節(jié)軸線的公垂線重合，并從關節(jié)i指向關節(jié)i+1。（4）Y軸按右手法則確定。各連桿坐標系建立后，坐標系i-1與坐標系i之間的變換關系就可用坐標系的平移、旋轉來實現(xiàn)。從坐標系i-1與坐標系i的變換步驟：3.3連桿坐標系和齊次變換

3工業(yè)機器人的運動學分析3.4機器人運動學用Ai表示第i個連桿相對于第i-1個連桿的位姿變換矩陣，那么第二個連桿坐標系在固定坐標系中的位姿可表示為：T=A1A2依此類推，對六連桿機器人，有：T=A1A2A3A4A5A6該等式稱為機器人的運動學方程。方程右邊是從固定坐標系到末端執(zhí)行器坐標系的各個連桿坐標系間的變換矩陣的連乘；左邊T就是機器人末端執(zhí)行器坐標系相對于固定坐標系的位姿矩陣，也稱位姿。3工業(yè)機器人的運動學分析例：已知四軸平面關節(jié)SCARA機器人如圖所示，試計算：（1）機器人的運動學方程；（2）當關節(jié)變量取qi=[30°，-60°，－120，90°]T時，機器人手部的位置和姿態(tài)；（3）機器人運動學逆解的數(shù)學表達式。

800400300200解：（1）運動學方程a.建立坐標系（第一種）機座坐標系｛0｝桿件坐標系｛i｝手部坐標系｛h｝x0z0x1z1x4hz4h800400300200x2z2x3z33工業(yè)機器人的運動學分析解：（1）運動學方程b.確定參數(shù)

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