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工业机器人技术及应用—工业机器人的机械结构和运动控制讲授：王兴章节目录2.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机2.1.2控制器2.1.3示教器2.2工业机器人的技术指标思考练习学习目标导入案例扩展与提高本章小结课堂认知2.3工业机器人的运动控制2.3.1机器人运动学问题2.3.2机器人的点位运动…2.3.3机器人的位置控制返回目录1/30课前回顾所处位置————何为工业机器人？工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？【课工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。前回顾】返回目录2/30学习目标所处位置————熟悉工业机器人的常见技能够正确识别工业机器人术指标的基本组成【学掌握工业机器人的机构组能够正确判别工业机器人习成及各部分的功能目的点位运动和连续路径运标动了解工业机器人的运动控】制返回目录3/30导入案例国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈所处位置————众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍【然落后于日、美、韩等发达国家。虽导然中国机器人产业经过30年的发展，入案形成了较为完善的产业基础，但与发例达国家相比，仍存在较大差距，产业】基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内95%的企业都集中在这个环节上）三个层面。返回目录4/302.1工业机器人的系统组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。所处对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别位由传感器及软件实现。置————示教器是机器人的人机交互接口，操作者【可通过它对机器人进行编程或手动课操纵机器人移动。堂认知】操作机控制器是完成机器人控制功能的结构实现用于完成各种作业任务的机械主，是决定机器人功能和水平的关键体，主要包含机械臂、驱动装置、部分。传动单元以及内部传感器等部分。返回目录工业机器人系统组成5/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作位置业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组————成。伺服电机减速器腕关节小臂【课堂肘关节认知】手腕大臂连接法兰皮带传动腰部肩关节腰关节基座▲机器人操作机的每个关节均采用1个交流伺服马达驱动返回目录关节型机器人操作机基本构造6/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机位置械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。————【课堂认知】吸盘焊枪夹紧爪返回目录7/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处(1)机械臂位置关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。实————质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节-连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）【课和手腕4部分。堂认1)基座基座是机器人的基础部分，起支撑作用。知】2)腰部腰部是机器人手臂的支承部分。3)手臂手臂是连接机身和手腕的部分，是执行结构中的主要运动部件，亦称主轴，主要用于改变手腕和末端执行器的空间位置。4)手腕手腕是连接末端执行器和手臂的部分，亦称次轴，主要用于改变末端执行器的空间姿态。返回目录8/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处(2)驱动装置位置————驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。【课机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类堂型。认知目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、】气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。返回目录9/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处(2)驱动装置三种驱动方式特点比较位置————特点使用范制造成输出力控制性能维修使用结构体积驱动方式围本油液不可压缩，【在输出力相液压元课压力、流量均容维修方便，液中、小同的情况下件成本堂液压压力高，可获易控制，可无级体对温度变化型及重，体积比气较高，认驱动得大的输出力调速，反应灵敏敏感，油液泄型机器知压驱动方式油路比，可实现连续轨漏易着火人】小较复杂迹控制可高速，冲击较气体压力低，严重，精确定位维修简单，能结构简输出力较小，困难。气体压缩在高温、粉尘中、小单，能气压如需输出力大性大，阻尼效果等恶劣环境中体积较大型机器源方便驱动时，其结构尺差，低速不易控使用，泄露无人，成本寸过大制，不易与CPU连影响低接容易与CPU连接，高性能控制性能好，响需要减速装电气输出力较小或维修使用较复、运动成本较应快，可精确定置，体积较返回驱动较大杂轨迹要高位，但控制系统小目录求严格复杂10/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处(3)传动单元位置目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的————减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。一般将RV减速器放置在基座、腰部、大臂等重负载的位置(主要用于20kg以上的机器人关节)；将谐波减速器放置在小【臂、腕部或手部等轻负载的位置(主要用于20kg以下的机器关节)。此外，机器人还课采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。堂认知】谐RV波减减速速器器皮带传动返回目录机器人关节传动单元11/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处(3)传动单元位置1)谐波减速器————通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的【课波发生器，在这3个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件。堂认知柔轮】波发生器刚轮返回谐波减速器原理图目录12/302.1工业机器人的系统组成2.1.1操作机所处(3)传动单元位置2)RV减速器————主要由太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及【较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用RV减速器。课堂针齿认知2级减速1级减速行星轮】太阳轮Z2输入Z1Z4输出Z3摆线轮转臂输出轴返回针齿壳目录RV减速器原理图13/302.1工业机器人的系统组成2.1.2控制器所处机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务位置————的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分，其基本功能有：示教功能、记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功【能、与外围设备联系功能、传感器接口、故障诊断安全保护功能等。课堂认知】依据控制系统的开放程度，机器人控制器分3类：封闭型、开放型和混合型。目前基本上都是封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统（如欧系机器人）。按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为集中式控制和分布式控制两种方式。返回目录14/302.1工业机器人的系统组成2.1.2控制器所处(1)集中式控制器位置优点：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，————整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。缺点：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面【广，后果严重；大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也课堂会与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，会降低系统的可靠性。认知】驱动器1机器人关节1运动接口卡1驱动器1机器人关节1多轴驱动器2机器人关节2运动控制卡1……运动接口卡2驱动器2机器人关节2机器人关节n驱动器n………机器人控制计算机机器人控制计算机多轴驱动器n+1机器人关节n+1运动接口卡n驱动器n机器人关节n运动控制卡2驱动器n+2机器人关节n+2返回a)单独接口卡驱动b)多轴运动控制卡驱动目录集中式机器人控制器结构15/302.1工业机器人的系统组成2.1.2控制器所处(2)分布式控制器位置主要思想为“分散控制，集中管理”，为一个开放、实时、精确的机器人控————制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。优点：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，【有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。课堂认知关节控制器1（下位机）】驱动器1机器人关节1关节控制器2（下位机）驱动器2机器人关节2通讯总线………关节控制器n机器人主控制器（下位机）（上位机）驱动器n机器人关节n返回分布式机器人控制器结构目录16/302.1工业机器人的系统组成2.1.3示教器所处亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手位持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完置————成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。控制器【课相关模块相关模块堂认?知操作机?S4S3】S2示教器S5S2串口指令解S0通S1释模块信模S5S2S2块?S4S3?相关模块相关模块返回示教时的数据流关系目录17/302.2工业机器人的技术指标机器人的技术指标反映机器人的适用范围和工作性能。一般都有：自由所处度、工作空间、额定负载、最大工作度速和工作精度等。位置————自由度物体能够对坐标系进行独立运动的数目，末端执行器的动作不包括在内。通常作为机器人的技术指标，反映机器人动作的灵活性，可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，目前，焊接和涂装作业机器【课人多为6或7自由度，而搬运、码垛和装配机器人多为4~6自由度。堂认知额定负载也称持重。正常操作条件下，作用于机器人手腕末端，不会使】机器人性能降低的最大载荷，目前，使用的工业机器人负载范围可从0.5kg直至800kg。工作精度机器人的工作精度主要指定位精度和重复定位精度。定位精度（也称绝对精度）是指机器人末端执行器实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度（简称重复精度）是指机器人重复定位其末端执行器于同一目标位置的能力，目前，工业机器人的重复精度可达±0.01~±0.5mm。依据作业任务和末端持重不同，机器人重复精度亦不同。返回目录18/302.2工业机器人的技术指标工业机器人典型行业应用的工作精度所处位额定负载（kg）重复定位精度（mm）作业任务置————搬运±0.2~±0.55~200码垛±0.550~800【点焊±0.2~±0.3课50~350堂弧焊±0.08~±0.1认3~20知喷涂±0.2~±0.55~20】±0.02~±0.032~5装配±0.06~±0.086~10±0.06~±0.110~20工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参考点所能掠过的空间，常用图形表示。目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5m左右。最大工作速度在各轴联动情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度。返回这在生产中是影响生产效率的重要指标。目录19/302.2工业机器人的技术指标所处位置————【课堂认知】b)水平串联多关节机器人MOTOMANMPP3Sa)垂直串联多关节机器人MOTOMANMH3F返回c)并联多关节机器人MOTOMANMYS650L目录不同本体结构YASKAWA机器人工作范围20/302.3工业机器人的运动控制2.3.1机器人运动学问题所处工业机器人操作机可看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的位基座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节（轴）连接在一起。置————对于一个6自由度工业机器人，它由6个连杆和6个关节（轴）组成。编号时，基座称为连杆0，不包含在这6个连杆内，连杆1与基座由关节1相连，连杆2通过关节2与连杆1相连，依此类推。【课堂连杆4连杆6连杆5连杆3认知】关节6关