伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人課件第8章 工業(yè)機(jī)器人概論

第八章工業(yè)機(jī)器人概論李鑫合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院第八章工業(yè)機(jī)器人概論8.1工業(yè)機(jī)器人定義8.2工業(yè)機(jī)器人分類8.3工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)8.4工業(yè)機(jī)器人實(shí)例8.5工業(yè)機(jī)器人的歷史及發(fā)展趨勢總結(jié)2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut28.1工業(yè)機(jī)器人定義2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut3國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對工業(yè)機(jī)器人的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具來完成各種作業(yè)。美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）對機(jī)器人的定義：一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序動(dòng)作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)。日本機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）對工業(yè)機(jī)器人的定義：一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的，能夠完成各種移動(dòng)來代替人類勞動(dòng)的通用機(jī)器。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）的定義：機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。英國簡明牛津字典的定義：機(jī)器人是“貌似人的自動(dòng)機(jī)，具有智力的和順從于人但不具有人格的機(jī)器”。我國對機(jī)器人的定義：一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或者生物相似的智能，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。8.2工業(yè)機(jī)器人的分類2024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut48.2.1按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點(diǎn)分類52024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut直角坐標(biāo)機(jī)器人圓柱坐標(biāo)機(jī)器人多關(guān)節(jié)型機(jī)器人8.2.2按機(jī)器人的控制方式分類62024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut非伺服機(jī)器人功能示意圖伺服控制機(jī)器人功能示意圖8.2.3按機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)分類72024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut并聯(lián)機(jī)器人串聯(lián)機(jī)器人8.2.4按機(jī)器人的應(yīng)用分類82024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut工業(yè)機(jī)器人分類焊接機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人碼垛機(jī)器人裝配機(jī)器人8.3.1自由度92024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut

自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它是由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定的，并直接影響到機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。自由度是指物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，末端執(zhí)行器的動(dòng)作不包括在內(nèi)。自由度主要有三種類型：剛體自由度，機(jī)器人的自由度和機(jī)器人的機(jī)動(dòng)度。剛體自由度是指剛體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度。機(jī)器人的自由度是指其末端相對于參考坐標(biāo)系能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。機(jī)器人的機(jī)動(dòng)度是指機(jī)器人各關(guān)節(jié)所具有的能自由運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。機(jī)器人自由度越多就越接近人手的動(dòng)作機(jī)能，但結(jié)構(gòu)會(huì)變得復(fù)雜。工業(yè)機(jī)器人一般多為4-6個(gè)自由度。8.3.2工作空間102024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut機(jī)器人工作空間是指機(jī)器人末端執(zhí)行器上參考點(diǎn)能達(dá)到的空間的集合。通常，工業(yè)機(jī)器人的工作空間用其在垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)的投影表示。對于一些結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)器人，其工作空間也可用解析方程表示。工作空間是衡量和評價(jià)機(jī)器人性能的重要方面，特別對于機(jī)動(dòng)型機(jī)械如裝載機(jī)、挖掘機(jī)和鉆機(jī)等來說尤為重要。研究證實(shí)，機(jī)器人工作空間與機(jī)器人的結(jié)構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及關(guān)節(jié)（球鉸）變量的允許活動(dòng)范圍密切相關(guān)。8.3.3工作載荷112024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut機(jī)器人負(fù)載是指機(jī)器人在工作時(shí)能夠承受的最大載重。它一般用質(zhì)量、力矩、慣性矩表示，還和運(yùn)行速度和加速度大小、方向有關(guān)。要確定機(jī)器人負(fù)載，首先要知道機(jī)器人將要從事何種工作，之后才是負(fù)載數(shù)值。如果需要將零件從一臺設(shè)備上搬至另外一處，則需要將零件的重量和機(jī)器人抓手的重量合并計(jì)算在負(fù)載內(nèi)。一般低速運(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)。8.3.4控制方式122024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut機(jī)器人用于控制軸的方式，可分為伺服控制和非伺服控制。伺服控制又可分為連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)控制和點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制。點(diǎn)動(dòng)伺服控一般只為其一段路徑的端點(diǎn)進(jìn)行示教，而且機(jī)器人以最快和最直接的路徑從一個(gè)端點(diǎn)移到另一端點(diǎn)。點(diǎn)到點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)總是有些不平穩(wěn)，即使同時(shí)控制兩根軸，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡也很難完全一樣，因此，點(diǎn)動(dòng)伺服控制機(jī)器人用于只有終端位置有要求而對點(diǎn)位之間的路徑和速度不作要求的場合?？捎糜邳c(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)器人。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)定的軌跡，它能較準(zhǔn)確復(fù)原示教路徑。連續(xù)軌跡伺服機(jī)器人具有良好的控制和運(yùn)行特性，其數(shù)據(jù)是依時(shí)間采樣的，而不是依預(yù)先規(guī)定的空間點(diǎn)采樣。因此其運(yùn)行速度較快、功率較小、負(fù)載能力也較小，主要用于弧焊、噴涂、大飛邊毛刺和檢測機(jī)器人。8.3.5精度132024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut機(jī)器人的工作精度主要指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度（也稱絕對精度）是指機(jī)器人末端執(zhí)行器實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度（簡稱重復(fù)精度）是指機(jī)器人重復(fù)定位其末端執(zhí)行器于同一目標(biāo)位置的能力。機(jī)器人精度主要體現(xiàn)在末端執(zhí)行器的位姿誤差。研究表明，工作精度上的誤差主要是由零部件制造、裝配、鉸鏈間隙，伺服控制，載荷及熱變形等因素導(dǎo)致的準(zhǔn)靜態(tài)誤差，以及由機(jī)器人結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)特性和作業(yè)中振動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)誤差這兩方面引起。8.3.6最大工作速度142024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut最大工作速度是指在各軸聯(lián)動(dòng)情況下，機(jī)器人手腕中心所能達(dá)到的最大線速度。這在生產(chǎn)中是影響生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)，因生產(chǎn)廠家不同而標(biāo)注不同，一般都會(huì)在技術(shù)參數(shù)中加以說明。很明顯，最大工作速度越高，生產(chǎn)效率也就越高，然而，工作速度越高，對機(jī)器人最大加速度的要求也就越高。8.3.7安裝方式152024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut機(jī)器人的安裝方式與結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般而言，直角坐標(biāo)型機(jī)器人大都采用底面安裝，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人則采用倒置安裝；水平串聯(lián)結(jié)構(gòu)的多關(guān)節(jié)型機(jī)器人可采用底面和壁掛安裝；而垂直串聯(lián)結(jié)構(gòu)的多關(guān)節(jié)機(jī)器人除了常規(guī)的底面安裝方式外，還可根據(jù)實(shí)際需要，選擇壁掛式、框架式、傾斜式、倒置式等安裝方式。同其他設(shè)備相似，機(jī)器人重量也是設(shè)計(jì)者、應(yīng)用者關(guān)注的一個(gè)重要參數(shù)。例如，如果工業(yè)機(jī)器人需要安裝在定制的工作臺甚至軌道上，就需要知道它的重量并設(shè)計(jì)相應(yīng)的支撐。8.4工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)實(shí)例162024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfutDRS系列機(jī)器人型號說明機(jī)器人DRS30L3SS1BN002外觀與工作范圍圖8.5.1工業(yè)機(jī)器人的歷史172024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut家用機(jī)器人ElektroUnimate機(jī)器人Versation的圓柱坐標(biāo)型的數(shù)控自動(dòng)機(jī)械我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了如下四個(gè)階段：第一個(gè)階段（理論研究階段）：20世紀(jì)70年代處于萌芽期，1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人，當(dāng)時(shí)主要是局限于理論探。第二個(gè)階段（樣機(jī)研發(fā)階段）：20世紀(jì)80年代處于開發(fā)期，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴漆、點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)機(jī)器人。第三個(gè)階段（示范應(yīng)用階段）：20世紀(jì)90年代處于應(yīng)用期，我國的工業(yè)機(jī)器人在實(shí)踐中又邁進(jìn)了一大步，先后研制了點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)和碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地。第四個(gè)階段（產(chǎn)業(yè)化階段）：進(jìn)入21世紀(jì)，我國工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段。經(jīng)過40多年的發(fā)展，我國在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)和工程應(yīng)用上取得了快速的發(fā)展，奠定了獨(dú)立自主發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。8.5.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢182024/8/7伺服系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人.hfut高效率、高精度智能化、數(shù)字化結(jié)構(gòu)的模塊化、可重構(gòu)化控制技術(shù)的PC化、開放化和