工业机器人概述;工业机器人;综合上述定义 ，工业机器人有以下三个重要特性： 1) 是一种机械装置，可搬运材料、零件、工具或完成多种操作和动作功能，即具是有通用性。 2) 可以再编程并具有多样程序流程，这为人-机联系提供了可能，也使具有独立的柔软性。 3) 有一个自动控别系统，可以在无人的参与下，自动完成操作作业和动作。;2.工业机器人的基本参数 机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。 一般,机器人自由度等于它的关节数,大多是有6-8个自由度，自由度越多，机器人的功能就越强。图8-2左图所示的就是具有6个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和齿轮减速传动机械来实现的。6个自由度如下： ①手臂扫掠（腰左转或右转）； ②肩旋转（肩向上或向下）； ③肘伸展（肘缩进或伸出）； ④俯仰（手腕上转或下转）； ⑤偏航（手腕左转或右转）； ⑥横滚（手腕顺时针转或反时针转）。;3.工业机器人的组成与分类 (1) 工业机器人的组成 一般由操作机械、计算机控制系统、驱动伺服单元、传感器检测系统和输入输出接口等几部份组成。如图8-2所示。; ① 操作机械 操作机为工业机器人完成作业的执行机构，它具有和手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。包括机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分。有时为增加工作空间，在机座处装有行走机构实现移动功能，例如有轮式、履帶式、足腿式结抅. ② 驱动系统 驱动系统指驱动执行机构的传动装置。由驱动器、减速器、检测元件等组件组成。根据驱动器的不同，可分为电动、液动和气动驱动系统。 ③ 计算机控制系统 控制系统是工业机器人的核心部分，作用是支配操作机按所需的顺序，沿规定的位置或轨迹运动。 从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统；从控制方式看有程序控制系统、自适应性控制系统和智能控制系统。;④ 传感系统 为了使机器人能获得外围环境信息，除关节伺服驱动系统的位置传感器外(例如装于电机同轴上的光电编码器) ，有时还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多类型的传感器及信号的转换与采样处理。 ⑤ 输入输出接口 为了机器人与周边系统及相应操作进行联系，还应有各种通信接口和人机通信装置。例如PLC控制系统中用的RS-232、RS-485等异步通信接口模块，实现PLC与PLC、PLC与上位PC机、PLC与现场设备或远程I/O之间的信息交换。此外还包括语言合成、识别技术及多媒体系统，以实现人机对话。 ⑥ 人工智能系统 人工智能系统是机器人计算机控制系统的更高层次发展。主要由两部分组成： 其一，感觉系统（硬件）。主要靠各类传感器来实现其感觉功能； 其二, 决策、规划系统（软件）。包括辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。;（2）工业机器人的分类 1）按操作机构坐标形式分类 按操作机械坐标形式分类，操作机械的坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。 直角坐标型工业机器人 圆柱坐标型工业机器人 球坐标型工业机器人 多关节型工业机器人 平面关节型工业机器人;图8-3 直角坐标型工业机器人;图8-4 圆柱坐标型工业机器人;图8-5 球坐标型工业机器人;图8-6 多关节型工业机器人;图8-7 平面关节型工业机器人; 2)按控制方式分类 ① 点位控制工业机器人 采用点到点的控制方式，它只在目标点处准确控制工业机器人手部的位姿，完成预定的操作要求，而不对点与点之间的运动过程进行严格的控制。 目前应用的工业机器人中，多数属于点位控制方式，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。 ② 连续轨迹控制工业机器人 各关节同时作受控运动，准确控制工业机器人手部按预定轨迹和速度运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的运动得以控制。 弧焊、喷漆和检测机器人均属连续轨迹控制方式。; 3)按驱动方式分类 ①气动式工业机器人 以压缩空气来驱动操作机。其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低，无污染，适合防爆环境。缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因为气源压力只有6KPa左右，所以抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。 ②液压式工业机器人 因为液压比气压压力高，一般为70KPa左右，故液压机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温、低温和易燃易爆环境下工作。 ③电动式工业机器人 目前用得最多的一类工业机器人。不仅电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择；而且可运用多种灵活的控制方法。 早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。;8.2 工业机器人操作机的机械结构;1.手臂 手臂是操作机中的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，调整手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度, 可以是移动副和回转副。因此按运动副不同的组合方案，可有27种方案。 手臂的直线运动多数通过液压（气）缸驱动来实现，也可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机等来实现。 手臂回转运动的实现手段很多，如蜗轮蜗杆式；液压缸活塞杆上的齿条驱动齿轮的方式；利用液压缸活塞杆直接驱动手臂回转；由回转液压（气）缸直接驱动手臂回转；由步进电动机通过齿轮传动使手臂回转；由直流电动机通过谐波传动装置驱动手臂回转等。 PUMA型工业机器人是由直流伺服电动机驱动的六自由度关节型工业机器人。其大臂和小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结构，各运动都是采用齿轮传动。驱动大臂的传动机构如图8-9a)所示，驱动小臂的传动机构如图8-9b)所示，腰座(用转机座)的回转运动θ1如图8-9C)所示。 ; 图8-9 PUMA机器人手臂传动机构 1、10-大臂，2、3、5、6、8、9、14、15、19、21、22、23-齿轮 ，4、13、16、20-偏心套 7、11、24-驱动电动机 12-驱动轴17-小臂 18-腰座;2.手腕 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，作用是调整或改变工件的方向，因而具有独立的自由度。一般需要三个自由度，由3个回转关节组合而成，常用的组合结构如图8-10所示。各回转方向的名称如下： ①臂转:绕小劈轴线方向的旋转称臂转。 ②腕摆:使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。 ③手转:使末端执行器绕自身轴线方向的旋转称手转。 实现手腕回转运动的机构，应用最多的是气压(液压)缸。结构简单,但回转角度小于360o，并要求严格密封。若回转角度等于360o时可采用齿轮齿条或链条链轮传动。;3.手部 手部装在操作机手腕前端，它是操作机直接执行工作的装置。 根据其用途和结构的不同可以分为机械夹持器、专用工具和万能手三类。多数情况下手部是为特定的用途而专门设计的，但也可设计成一种适用性较大的多用途手部。为实现快速和自动更换手部，可以采用电磁吸盘或气动锁紧的接换器。 (1)机械夹持器 ① 回转式机械夹持器 图8-11a)示出了楔块杠杆式回转机械夹持器。当夹持器驱动向前推动时，通过楔块4楔面和杠杆1，使手爪产生夹紧动作和夹紧力；当楔块后移时靠弹黄2的拉力使手爪松开。 同理，图8-11b）示出了滑槽杠杆式回转夹持器。图8-11C)示出了连杆杠杆式回转夹持器，工作原理类似。 ; 图8-11 回转式机械夹持器 a)楔块杠杆式回转型夹持器 b)滑槽杠杆式回转型夹持器 c)连杆杠杆式回转型夹持器 1、9-杠杆 2弹簧 3-滚子 4-楔块 5-驱动器 6-支架 7、10-杆 8-圆柱销 11-连杆 12-摆动钳爪 13-调整垫片;②移动式机械夹持器 图8-12a)所示为齿轮齿条平行连杆式移动夹持器，电磁式驱动器3驱动齿条杆2和2个扇形齿轮l，带动杆5绕O1、O2旋转。连杆5、6，钳爪7和夹持器4构成一平行四杆机构，驱动两钳爪作平移以夹紧和松开工件。 图8-12b)所示的是左右旋丝杆式移动夹持器，由电动机8驱动一对旋向相反的丝杠9提供准确的移动夹紧动作。;③内撑式机械夹持器 内撑式机械夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，如图8-13所示。 其撑紧方向与上述两种方式的外夹式相反。钳爪3从工件内孔撑紧工件，为使撑紧后能准确地用内孔定位，多采用三个钳爪(图中只画了两个)。;(2)专用工具 专用工具是供工业机器人完成某类特定的作业之用。如吸附手、喷枪、焊枪等。;8.3 工业机器人的控制系统; 2.对工业机器人控制系统的基本要求 ① 实现对工业机器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。 ② 方便的人-机交互功能。操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作业指示。使工业机器人具有作业知识的记忆、修正和工作程序的跳转功能。 ③ 具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。为使工业机器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应能对视觉、力觉、触觉等有关信息进行检测、识别、判断、理解等功能。在自动生产线中，工业机器人应有与其它设备交换信息，协调工作的能力。 ④ 具有诊断、故障监视等功能。目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级。 主控制级由主控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用以接受作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。 伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机、每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算级向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。;8.3.2 工业机器人控制系统的分类 控制系统可以从不同角度进行分类，如按控制运动的方式分为关节运动控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式可分为速度控制、加速度控制、力控制。例如按发展阶段可作以下分类： (1)程序控制系统 目前工业用的绝大多数第一代机器人属于程序控制机器人，其系统结构如图8-15所示，包括程序控制器、信息处理器和放大执行装置。系统输出量X为操作机构运动状态，一般为各关节的转角或位移；给定量G是输出量X的要达到的目标值，通常是以程序形式给出的时间函数；U是控制器输出，作用于操作机的输入端。G的给定可以通过计算工业机器人的运动规迹来编制程序，也可通过示教法来编制程序。;(2) 自适应性控制系统 自适应性控制系统多用于第二代工业机器人，即具有知觉的工业机器人，它具有力觉、触觉或视觉等功能。这类控制系统一般不事先给出运动规迹，由系统根据外界环境的瞬时状态变化即对控制系统的扰动量来进行实时控制，见图8-16。 图中F是外部扰动向量，代表外部环境条件的变化；G是给定量是机器人的目标值；控制器输出值U根据操作机与目标值之间坐标的偏差值而变化，从而控制操作机运动。显然，此类系统比程序控制系统复杂。;(3)智能控制系统 智能控制系统是最高级、最完善的控制系统，在外界环境变化不定的条件下，为保证所要求的品质，控制系统的结构和参数能自动改变。其系统框图见8-17。 智能控制系统具有检测所需新信息的能力，并能通过学习和积累经验不断完善计划，该系统在其种程度上模拟了人的智力活动过程。具有智能控制系统的工业机器人为第三代工业机器人。; 目前大部份工业机器人都采用两级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级，系统框图如图8-18所示。 主控制级由主控制计算机及示教盒等外部设备组成，主要用以接受作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。 伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机，每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算机向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。;1.主控制级 主控制级的功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指令和参数，反馈工作状态，完成作业所需的各种计算，建立与伺服控制级之间的接口。它由以下几个部纷组成： （1）主控制计算机 主要完成从作业任务、运动指令到关节运动之间的全部运算以及各设备之间的运动协调。对主控计算机硬件的要求是：要有相应的运算速度、运算精度、存储容量和中断处理能力。 （2）主控制软件 主控制软件主要包括：指令的的分析和解释即编译程序；运动的规划程序(根据运动轨迹规划出沿轨迹的运动参数)；插补计算程序(求取直线或圆弧的运动规迹，两坐标点之间的加密点数据)及坐标变换程序等。 （3）外围设备 主控制级外围设备除具有显示器、控制键盘、硬盘、和打印机等一般设备外，还具有示教控制盒。;（4）示教控制盒 示教控制盒是第一代机器人---示教再现工业机器人操作的重要外围设备。要使工业机器人具有完成预定作业任务的功能，须将预先要完成的作业教给机器人，这一操作过程称为“示教”。 将示教内容由计算机记忆下来，称为“存储”。工业机器人按存储的示教内容进行动作，称为“再现”。工业机器人的动作就是通过“示教-存储-再现”的过程来实现的。示教主要两种方式，即间接示教和直接示教方式。 ; 间接示教方式---是一种人工数据输入编程方式。将数据、图形等与作业有关的指令信息，采用工业计算机编程语言进行离线编程方法，再通过键盘、图像读取装置等输入设备输入计算机。 直接示教方式---是一种在线示教方法。它又可分两种形式：手把手示教和示教盒示教方式。 手把手示教方式---就是由操作人员直接利用示教手柄，操作机器人完成预定作业的全部运动(路径和姿态)，如图8-19a)所示。 示教编程方式---是利用示教盒进行的，如图8-19b)所示。示教盒是一种以微处理器为基础编的程装置，如图8-20所示。示教盒面板上有一组控制操作机运动的按钮；一组实现编程与修改的按钮以及运行、测试按钮等。操作示教盒相应功能按键，可控制机器人各关节的单轴运动或多关节的协调运动，以预定的空间直线和曲线运动规迹到达规定位置，完成示教编程操作。 与手把手示教相比，该方法安全但编程精度不高。; 图8-20工业机器人示教盒 1-紧急仃 2-字符数字显示 3-工具键 4-是/线-关节运动键 10-机械接口坐标运动键 11-基座坐标运动键 12-向前/向后渐近键 13-报警请除键 14-循环停止键 15-循环再启动键 16-精确位置键 17-路径点键 18-关节坐标键 19-笛卡尔坐标键 20-修改键 21-记录键 22-数字输入键 23-删除键 24-速度键 25-步号键 26-子程序键 27-I/0输入键 28-I/0输出键 29-电源开关键 30-安金开关;2．伺服控制级 伺服控制级由一组伺服控制系统构成，每一个伺服控制系统分别驱动工业机器人操作机构的一个关节。每一个关节的运动参数来自控制级计算机的输出。伺服控制级主要组成部份有： （1）伺服驱动器 工业机器人常用的的电动伺服驱动器通常由伺服电动机(气动伺服驱动器则通过电磁伐??制)、位置传感器、速度传感器及制动器组成。伺服电动机的输出轴直接与操作机构的关节轴相联接，以完成预定的关节运动。关节运动的位置和速度，由装在电动机同轴上的光电编码盘等传感器检测并各自反馈至位置环和速度环。制动器是在失电时保持关节现有位置用的，由电磁铁和摩擦盘构成。实际伺服驱动器控制系统往往在速度环后面还有一个电流环调节器，取样电机电流反馈电流环，以保证操作机构的输出力矩。;（2）伺服控制器电路 伺服控制器的基本电路是比较器、偏差放大器、运算器和功率放大器等。输入信号除参考信号外，还有各种传感器反馈信号。 控制器可以采用模拟调节电路也可用微处理器构成的数字调节器构成。数字伺服系统灵活性强，调节参数可自动改变适应性强，便于实现各种复杂控制。;3．工业机器人计算机控制系统的实例 1978年美国Unimation公司(现称Staubli Unimation)推出通用工业机器人PUMA。以PUMA-560为例，其所确定的关节式机器人的几何模型如一般工业机器人的安全保障措施、机器人的初始化、初始校准过程等技术，在现今工业机器人制造领域都还在应用。 PUMA 560型工业机器人，由PUMA 560机械手臂、Mark II 控制器、示教盒和VALII控制软件组成，其工作行程为878mm，负载2.2kg，如图8-22所示PUMA 500型工业机器人 PUMA-560型工业机器人计算机控制系统如图8-23所示，它由主控制计算机、伺服控制系统和外围设备三部份组成。笫一级主控制级计算机包括CPU(LSI-11，16位)、EPROM、RAM存储器和串并行接口等。第二级伺服控制级有6套伺服控制系统（如图8-24 ），分别对6个关节进行独立控制。每个伺服控制系统包括微处理器(6503，8位)、D/A转换器、速度单元和位置编码器等。;图8-22 PUMA 560型工业机器人;图8-23 PUMA-560型工业机器人计算机控制系统;图8-24 PUMA-560型工业机器人伺服控制系统;8.4 工业机器人的应用;8.4.1 工业机器人从事重复劳动工作 工业机器人能高强度地、持久地在各种工作环境中从事单调重复的劳动，使人类从繁重的体力劳动中解放出来。 例如在汽车制造生产线中，一般都是用传送带流水作业，生产速度快、节奏高、上下工序衔接严格，要是按传统人工方式作业，生产数量与质量很难提高。因为仅是点焊和属于螺纹件装配等作业数量就极大，例如每辆汽有上个焊接点。 采用工业机器人作业，就可以保质保量地完生产任务。如图8-25所示的汽车制造生产线台点焊机器人。该生产线采用往复传送系统，先把汽车车身移出生产装配线台机器人并步进式传送，每个工位的机器人进行固定的焊接作业，整个车身焊接完成后，工件被送回主装配线 工业机器人从事有害危险作业工作 工业机器人对工作环境有很强的适应能力，能代替人在有害、有毒或危险场所下作业。只要根据工作环境情况，对机器人的材料、元器件、结构、防护和可靠性等作精心设计，即可适应高温、低温、高压、水下、有害气体、粉尘、烟雾或放射性等环境下作业，如图8-26所示就是一台从事喷漆作业的工业机器人系统示意图。图8-27示出了一台平面关节型(有五个关节，直流电机驱动)电弧焊接和切割的工业机器人系统。 ;图8-27 弧焊工业机器人系统 1-总机座 2、6轴旋转换位器(胎具) 3-机器人本体控制装置4-旋转胎具控制装置 5-工件夹具 6-工件 7-焊接电源;8.4.3 工业机器人用于柔性生产线 当今制造业特别是家用消费品的制造业(如各种家用电器、汽车等)正面临着人们对产品多品种、小批量、个性化和更新快等需求形势，这就要求制造业有很好的适应能力，必须有很强的柔性制造能力。 所谓柔性制造就是在不更换或少更换设备的情况下，靠改变制造软件就能重组生产线，编排新的作业流程。显然，可用计算机控制的数控机床、机器人、物料小车及通信网络等设备，来组成一种现代先进制造生产线即柔性生产制造线---FMS（Flexibl Manufactring System）系统。 该制造系统不但能满足多品种小批量的要求，而且能将工厂自动化推向更高阶段。图8-28所示的FMS柔性制造线，就是由计算机(多级)、数控加工中心(多台)、工业机器人(多种类型)、搬运小车及自动化仑库组成。;图8-28 工业机器人在FMS中的应用;用于喂料的八轴机器人数控冲床;“勇气”号火星探测器; 1.什么是机器人？它有哪几个部份组成？举例说明其应用 2.什么是机器人的自由度？如下图所示的机器人有几个自由度？ 3.机器人操作机械的机械结构有哪些？简要说明其结构及用途。 4.按控制方法分类有哪几种机器人？举例说明。

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