機器人技術入門

機器人技術入門主講人：程晟老師2015年12月機器人創(chuàng)新系列講座之二TEL錄1組成和分類2基本概念3機器人的傳動機構4機器人的驅動方式5工業(yè)機器人機器人的組成和分類1機器人是什么？由什么組成的？一機器人的組成和分類國際標準化組織對機器人的定義機器人的動作機構具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能；機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變；機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學習等；機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴于人類的干預。1234

概括講，就是綜合運用機械、電氣、傳感器和計算機等手段來實現(xiàn)人類某些功能的裝置。它具有柔性化（示教、編程、自主）、智能化的特點。

機器人的組成機器人是一個機電一體化的設備。從控制觀點來看，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)。一機器人的組成和分類1）執(zhí)行機構包括：手部、腕部、臂部、肩部和基座等。相當于人的肢體。2）驅動裝置包括：驅動源、傳動機構等。相當于人的肌肉、筋絡。3）感知反饋系統(tǒng)包括：內部信息傳感器，檢測位置、速度等信息；外部信息傳感器，檢測機器人所處的環(huán)境信息。相當于人的感官和神經(jīng)。4）控制系統(tǒng)包括：處理器及關節(jié)伺服控制器等，進行任務及信息處理，并給出控制信號。相當于人的大腦和小腦。一機器人的組成和分類1）直角坐標型機器人

2）圓柱坐標型機器人

3）極坐標型機器人4）關節(jié)型機器人通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實現(xiàn)機器人手部空間位置的改變通過兩個移動和一個轉動實現(xiàn)位置的改變運動由一個直線運動和兩個轉動組成運動由前后的俯仰及立柱的回轉組成一機器人的組成和分類一機器人的組成和分類一機器人的組成和分類一機器人的組成和分類一機器人的組成和分類一機器人的組成和分類機器人常見的圖形符號機器人的結構與傳統(tǒng)的機械相比，所用的零件和材料以及裝配方法等與現(xiàn)有的各種機械完全相同。常用的關節(jié)有移動、旋轉運動副。一機器人的組成和分類

機器人的機構運動簡圖是為了用簡潔的線條和符號來表達機器人的各種運動及結構特征。在國標GB/T12643-90中規(guī)定了機器人有關的各種運動功能的圖形符號。機座：手部：關節(jié)平移回轉一機器人的組成和分類機構簡圖直角坐標式圓柱坐標式球坐標式關節(jié)坐標式一機器人的組成和分類基本概念2入門知識點1、連桿（Link）：機器人手臂上被相鄰兩關節(jié)分開的部分。基本概念二223、自由度（Degreeoffreedom）：自由度是指描述物體運動所需要的獨立坐標數(shù)。機器人的自由度表示機器人動作靈活的尺度，一般以軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(shù)目來表示，手部的動作不包括在內。機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結構越復雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設計中的一個矛盾。工業(yè)機器人一般多為４～６個自由度，７個以上的自由度是冗余自由度，是用來避障礙物的。2、剛度（Stiffness）：機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）之比來度量?；靖拍疃靖拍疃?、定位精度（Positioningaccuracy）：指機器人末端參考點實際到達的位置與所需要到達的理想位置之間的差距。5、重復性（Repeatability）或重復精度：在相同的位置指令下，機器人連續(xù)重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。oo基本概念二256、工作空間（Workingspace）：機器人手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能到達的所有空間區(qū)域，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。機器人所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，則其運動圖形不同；而自由度的變化量(即直線運動的距離和回轉角度的大小)則決定著運動圖形的大小?；靖拍疃ぷ骺臻g在機器人學中是重要的研究領域。1）工作空間

機器人手臂正常運動時手腕部坐標系原點P能到達的空間的集合,即由手腕參考點所掠過的空間,記作W(P),又稱可達空間,或總工作空間.基本概念二2）靈活工作空間末端執(zhí)行器可以任意姿態(tài)達到的工作空間,記作WP(P)。Ⅰ類:以全方位達到

Ⅱ類:只能以有限方位達到3）次工作空間總工作空間去掉靈活工作空間的部分,記作WS(p)

W(P)=WP(P)+WS(P)4）奇異形位W(P)總工作空間的邊界面上的點所對應的機器人的位置和姿態(tài)基本概念二

5）兩個基本問題正解、反解6）確定工作空間的方法解析法、圖解法基本概念二機器人的傳動機構3機器人301.機器人傳動機構的基本要求(1)結構緊湊，即同比體積最小、重量最輕；(2)傳動剛度大，即承受力矩作用時變形要小，以提高整機的固有領率，降低整機的低頻振動；(3)回差小，即由正轉到反轉時空行程要小，以得到較高的位置控制精度；(4)壽命長、價格低。微電機+減速器微小型減速器機器人傳動機構三312.機器人常用傳動機構類別

美國發(fā)明家C.WaltMusser馬瑟于上世紀50年代中期發(fā)明1926年德國人L.Brazen發(fā)明了擺線針輪減速器機器人傳動機構三機器人傳動機構三

其中腰關節(jié)最常用諧波傳動、齒輪/蝸輪傳動；臂關節(jié)最常用諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。腕關節(jié)最常用齒輪傳動、諧波傳動、同步帶傳動和綱繩傳動。機器人傳動機構三

諧波傳動：由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成。諧波傳動其工作原理是基于一種變形原理，即通過柔輪變形時其徑向位移和切向位移間的轉換關系，從而實現(xiàn)傳動機構的力和運動的轉換。機器人傳動機構三諧波齒輪傳動是靠柔性齒輪（柔輪）所產(chǎn)生的可控彈性變形來實現(xiàn)傳遞運動和動力的。它的基本構件有：柔輪、波發(fā)生器和剛輪。三個構件中可任意固定一個，其余兩個一為主動、一為從動，可實現(xiàn)減速或增速（固定傳動比），也可變換成兩個輸入，一個輸出，組成差動傳動。機器人傳動機構三與一般齒輪傳動比較，它有以下特點：

（1）傳動比大，且范圍廣。單級傳動的傳動比為50~320，復波傳動的傳動比可達107。

（2）同時參加嚙和的齒數(shù)多，承載能力高。傳遞公稱力矩時，同時參加嚙和的齒數(shù)可達到總齒數(shù)的30%~40%。

（3）體積小，重量輕。在傳動比和承載條件相同的情況下，諧波齒輪傳動比一般齒輪傳動的體積和重量減小1/3~1/2左右。

（4）運動精度高，回差小。

（5）傳動效率高，一般單級傳動效率為70%-90%。

（6）可向密閉空間傳遞運動和動力，這一點是其它任何機械傳動無法實現(xiàn)機器人傳動機構三

RV擺線針輪行星傳動：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。RV擺線針輪傳動除了具有相同的速比大、同軸線傳動、結構緊湊、效率高等待點外，最顯著的特點是剛性好，傳動剛度較諧波傳動要大2—6倍，但重量也增加了1—3倍。機器人傳動機構三

齒輪傳動、蝸輪傳動和齒輪齒條傳動應用于機器人傳動機構時，須特別注意消除間隙問題，否則回差很大，達不到應有的轉角精度要求。對于鏈傳動、齒形帶傳動、鋼帶傳動和鋼絲繩傳動，必須考慮張緊問題，否則也會產(chǎn)生很大的回差。機器人傳動機構三機器人的驅動方式4機器人的能量源（魔方）機器人的驅動方式四電液壓力流量伺服閥單桿活塞液壓缸旋轉液壓缸機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四直流伺服電機交流伺服電機步進電機機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四機器人的驅動方式四工業(yè)機器人5機器人的應用世界工業(yè)機器人的使用現(xiàn)狀1﹕世界工業(yè)機器人的使用現(xiàn)狀2:

各國年產(chǎn)每萬輛汽車所擁有的機器人數(shù)量日本德國意大利美國法國英國88臺64臺48臺33.8臺32.2臺26.9臺工業(yè)機器人的使用領域﹕

搬運(Handle)涂膠(Sealing)裝配(Assembly)噴漆(Painting)點焊(Spotwelding)切割(Cutting)弧焊(Arcwelding)檢測(Measurement)激光焊接打標打磨去毛刺

工業(yè)機器人的應用類型6軸垂直多關節(jié)型XYZ-直交ROBOTXYZ-R桌上型平行軸全球各品牌工業(yè)機器人的介紹日本◆FANUCROBOT(發(fā)那科機器人)◆KawasakiROBOT

(川崎機器人)日本◆MITSUBISHIROBOT

(三菱機器人)◆YAMAHAROBOT(雅瑪哈機器人)瑞典德國◆ABBROBOT(ABB機器人)◆KUKAROBOT(庫卡機器人)工業(yè)機器人技朮發(fā)的展趨勢﹕

◆工業(yè)機器人性能不斷提高﹕向高速、高精度、高可靠性、便于操作和維修的方向發(fā)展?！魴C械結構﹕向模塊化﹑可重構化方向發(fā)展﹐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。

◆控制系統(tǒng)﹕向基于PCBACE的開放型控制器方向發(fā)展﹐便于標準化﹑網(wǎng)絡化。

◆多傳感器融合技朮﹕基于視覺﹑聲覺﹑力覺﹑觸覺多傳感器的融合技朮在機器人中用來進行環(huán)境建模及決策控制。

◆虛擬仿真技朮﹕虛擬現(xiàn)實技朮已從仿真﹑預演發(fā)展到用于機器人的過程控制。

◆群體機器人系統(tǒng)﹕機器人的應用由單元式應用向系統(tǒng)式應用方向發(fā)展。

FOXBOT機器人FOXBOT機器人的型號

FOXBOT機器人的主要參數(shù)

◆腕部負載即最大工作負載。(5KG﹑16KG﹑20KG)◆運動軸數(shù)。(4軸﹑6軸)

◆運動范圍。(A-05:615mm,A-16:1717mm,S-05:400mm)◆最大運動速度。(A-05:2127mm/s,A-16:8000mm/s,S-05:3400mm/s)◆重復定位精度。(A-05:±0.02mm,A-16:±0.03mm,S-05:±0.02mm)

◆安裝方式。(落地式﹑吊掛式)

2.1.3FOXBOT機器人的參數(shù)示意圖

FOXBOT機器人的系統(tǒng)組成示意圖

FOXBOT機器人單機示意圖

機器人本體機器人電控箱機器人示教器FOXBOT機器人各軸示意圖

機器人本體各軸方向判定﹕右手螺旋定則機器人的直角坐標示教(XYZ)﹕◆沿著笛卡爾坐標系的軸直線移動機器人進行示教﹐分兩種坐標系﹕

1)基礎坐標系(WORK0)﹕機器人缺省的坐標系。

2)用戶坐標系(WORK1~10)﹕用戶自定義的坐標系。

機器人的工具坐標示教(Tool)﹕◆沿著當前工具坐標系直線移動機器人進行示教。工具坐標系是匹配在工具方向上的笛卡爾坐標系﹐也是利用工具的空間姿來設定的坐標系。

FOXBOT機器人的坐標系機器人的三種位姿描述方法

三種描述之間存在著確定的轉換關系機器人的軸坐標系(用每個軸的旋轉的角度來表示機器人的位姿)

各軸方向判定﹕右手螺旋定則機器人技術是多學科的融合，時間有限，僅講了個入門。如果想深入了解機器人機構的數(shù)學奧秘，請學好《線性代數(shù)》、《機械原理》、《機械設計》、《矩陣分析》等課程。這里我推薦一本教材--華中科技大學出版社熊有倫《機器人技術基礎》。如果想深入了解機器人結構的內在奧秘，請學好AUTOCAD、Solidworks、Croe等軟件來測繪、仿真。一定要學好C語言，它是編程基礎這里我推薦一個好方法—網(wǎng)上看教程自學軟件。謝謝鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字1234鍵入文字鍵入文字鍵入文字鍵入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字輸入文字鍵入此處輸入標題2鍵入這里輸入描述鍵入這里輸入描述鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字此處可以有一個深遠而又動人的故事……（隨便改什么文字）鍵入此處輸入標題3鍵入這里輸入描述鍵入這里輸入描述鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字標題鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字鍵入這里輸入文字“”鍵入這里輸入文字