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工业机器人机器人三原则与机器人学IsaacAsimov在《I’mRobot》中提出了“机器人三原则”：Arobotmustnotharmahumanbeingor,throughinaction,allowonetocomeharm.Arobotmustalwaysobeyhumanbeingsunlessthatisconflictwiththefirstlaw.Arobotprotectitselffromharmunlessthatisconflictwiththefirstorsecondlaws.并首次出现了“机器人学Robotics”的概念第一节概述什么是机器人学？机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知识。机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同完成必需的任务。机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程、电气与电子工程、计算机科学、生物学以及其他许多学科。第一节概述什么是机器人？不同国家、不同学者给出的定义不同ISO采用了美国的定义:Areprogrammableandmultifunctionalmanipulator,devisedforthetransportofmaterials,parts,toolsorspecializedsystems,withvariedandprogrammedmovements,withtheaimofcarryingoutvariedtasks.不同时期，机器人的内涵也不同第一节概述1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。机器人的四大特征仿生特征：模仿人的肢体动作柔性特征：对作业具有广泛适应性智能特征：具有对外界的感知能力自动特征：自动完成作业任务第一节概述工业机器人(通用及专用)一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造，某些家电产品(电视机、电冰箱、洗衣机)、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配，以及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。图4-8分别示出了搬运机器人、涂料机器人和焊接机器人。图4-8机器人(a)搬运机器人；(b)涂料机器人；(c)焊接机器人2.工业机器人的组成如图4-9所示，工业机器人一般由执行机构、控制系统、驱动系统以及位置检测机构等几个部分组成。图4-9工业机器人的结构组成及运动方式(1)执行机构执行机构是一种具有和人手相似的动作功能，可在空间抓放物体或执行其它操作的机械装置，通常包括如下一些部件：手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。此外，在手部安装的某些专用工具，如焊枪、喷枪、电钻、螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。腕部：是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。手臂：是支承手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，用以承受工件或工具的负荷，改变工件或工具的空间位置，并将它们送至预定的位置。机座：包括立柱，是整个工业机器人的基础部件，起着支承和连接的作用。(2)控制系统。控制系统是机器人的大脑，支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度等)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出执行指令。(3)驱动系统。驱动系统是按照控制系统发来的控制指令进行信息放大，驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压、气压、电气和机械等四种传动形式。(4)位置检测装置位置检测装置通过力、位置、触觉、视觉等传感器检测机器人的运动位置和工作状态，并随时反馈给控制系统，以便使执行机构以一定的精度达到设定的位置。二、机器人的组成第一节概述机械手或移动车末端执行器驱动器传感器控制器和处理器软件机器人的主体部分，由连杆、活动关节和其他构件构成。连接在机械手最后一个关节上，用来执行任务。是由公司工程师或外面的顾问为某种用途而专门设计的。通常，其动作有机器人控制器直接控制。“肌肉”，常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸及液压缸等，还有一些新型驱动器。它们由控制器控制。“五官”，收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。“大脑”，计算机器人关节的运动，确定每个关节应移动多少和多远才能达到预定的速度和位置，并监督控制器和传感器。“小脑”，从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机器人的运动。•操作系统：用来操作计算机•机器人软件：根据机器人的运动方程计算每个关节的必要动作，然后将这些信息传给控制器•例行程序集合和应用程序：为了使用机器人外部设备或为了执行特定任务而开发3.工业机器人的分类1)按系统功能分类(1)专用机器人：在固定地点以固定程序工作的机器人。其结构简单，无独立控制系统，造价低廉，如附设在加工中心机床上的自动换刀机械手。(2)通用机器人：具有独立控制系统，通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。其结构复杂，工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于不断变换生产品种的柔性制造系统。(3)示教再现式机器人：具有记忆功能，在操作者的示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。(4)智能机器人：采用计算机控制，具有视觉、听觉、触觉等多种感觉功能和识别功能机器人，通过比较和识别，能自主作出决策和规划，自动进行信息反馈，完成预定的动作。2)按驱动方式分类(1)气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构运动的机器人，具有动作迅速、结构简单、成本低廉的特点，适用于高速轻载、高温和粉尘大的作业环境。(2)液压传动机器人：采用液压元器件驱动，具有负载能力强、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏的特点，适用于重载或低速驱动场合。(3)电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器人，不需要中间转换机构，机械结构简单，响应速度快，控制精度高，是近年来常用的机器人传动方式。3)按结构形式分类(1)直角坐标机器人：由三个相互正交的平移坐标轴组成(见图4-10(a))，各个坐标轴运动独立，具有控制简单、定位精度高等特点。(2)圆坐标机器人：由支柱和一个安状在立柱上的水平臂组成，其立柱安装座上，水平臂可以自由伸缩，并可沿立柱上下移动。该类机器人具有一个旋转轴和两个平移轴(见图4-10(b))。(3)球坐标机器人：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成，具有两个旋转轴和一个平移轴(见图4-10(c))。可伸缩摇臂的运动结构与坦克的转塔类似，可实现旋转和俯仰运动。(4)关节机器人：其运动类似人的手臂，由大小两臂和立柱等机构组成。大小臂之间用铰链连接形成肘关节，大臂和立柱连接形成肩关节，可实现三个方向的旋转运动(见图4-10(d))。它能抓取靠近机座的物件，也能绕过机座和目标间的障碍物去抓取物件，具有较高的运动速度和极好的灵活性，成为最通用的机器人。工业机器人按臂部的运动形式分为四种直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；PPP圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；PPR球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；RRP关节型的臂部有多个转动关节。PPP三、机器人的分类第一节概述直角坐标机器人结构简单；定位精度高；空间因数低；用于印刷电路基板的元件插入、紧固螺丝等。三、机器人的分类第一节概述圆柱坐标型（R2P）结构简单；刚性好；空间利用率低；用于重物的装卸和搬运，例如Versatran机器人三、机器人的分类第一节概述极坐标、球坐标型（2RP）结构紧凑，所占空间较小。三、机器人的分类第一节概述水平多关节型垂直方向上的刚性好，适于装配工作三、机器人的分类第一节概述垂直多关节动作范围宽；结构刚度低；精度较低；装配、搬运、弧焊、喷涂、点焊等图4-10工业机器人的基本结构形式和工作空间(a)直角坐标机器人；(b)圆坐标机器人；(c)球坐标机器人；d)关节机器人工业机器人按控制系统分类，分为伺服控制和非伺服控制。伺服控制机器人又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型工业机器人通过穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体输入已编好的程序。示教输入型机器人的示教方法有两种：一种由操作者手动操作控制器(示教操纵盒)，如图4-11所示，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种由操作者直接控制执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。三、机器人的分类按照机器人的用途分类：工业机器人：焊接、喷漆、码垛、装配、搬运农业机器人：耕种、施肥、喷药、嫁接、移载、收获、灌溉、养殖探索机器人：水下、太空、空间、危险环境服务机器人：清洁、护理、救援、娱乐、保安其它机器人：医疗、福利、林业·、渔业、建筑等第一节概述4.工业机器人的性能特征工业机器人的性能特征影响着机器人的工作效率和可靠性。在设计和选用机器人时应考虑如下几个性能指标：(1)自由度。自由度是衡量机器人技术水平的主要指标。所谓自由度，是指运动件相对于固定坐标系所具有的独立运动。每个自由度需要一个伺服轴进行驱动，因而自由度数越高，机器人可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但相应地带来的技术困难也越大。一般情况下，通用工业机器人有3～6个自由度。(2)工作空间。工作空间是指机器人应用手爪进行工作的空间范围。机器人的工作空间取决于机器人的结构形式和每个关节的运动范围。图4-10中分别画出了各类机器人的工作空间，其中直角坐标机器人的工作空间是一个矩形空间，圆柱坐标机器人的工作空间是一圆柱体，而球坐标机器人的工作空间是一个球体。(3)提取重力。机器人提取的重力是反映其负载能力的一个参数，根据提取重力的不同，可将机器人大致分为：①微型机器人，提取重力在10N以下；②小型机器人，提取重力为10～50N；③中型机器人，提取重力为50～300N；④大型机器人，提取重力为300～500N；⑤重型机器人，提取重力在500N以上。目前实际应用机器人一般为中、小型机器人。(4)运动速度。运动速度影响机器人的工作效率，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运动速度高，机器人所承受的动载荷增大，必将在加减速时承受较大的惯性力，影响机器人的工作平稳性和位置精度。就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下。(5)位置精度。位置精度是衡量机器人工作质量的又一技术指标。位置精度的高低取决于位置控制方式以及机器人运动部件本身的精度和刚度，此外还与提取重力和运动速度等因素有密切的关系。5.工业机器人的机械结构1)工业机器人的手部结构工业机器人的手部是直接用于抓取和握紧(或吸附)工件或夹紧专用工具进行操作的部件。它安装在机器人手臂的前端，具有模仿人手动作的功能。由于被握持工件的形状、尺寸、质量、材料性能以及表面形状不同，故工业机器人的手部结构多种多样，大部分手部结构都是根据特定的工作要求而专门设计的，它们不仅结构形式不完全相同，其工作原理也并不一样。如按握持工件的原理分，机器人的手部可大致分为夹持式和吸附式两大类。夹持式手部是利用夹钳的开闭来夹紧和抓取工件的，按其结构又分为两指或多指、回转和平移、外夹和内撑等多种形式。吸附式手部又分为气吸式和磁吸式：气吸式手部利用真空吸力及负压吸力吸持工件，它适用于抓取薄片工件，通常吸盘由橡胶或塑料制成；磁吸式手部利用电磁铁和永久磁铁的磁场力吸取具有磁性物质的小五金工件。除此之外，在机器人腕部可直接安装被视为特殊手部的专用工具，如焊枪、喷枪、电动扳手、电钻等。图4-12机器人手部的结构类型2)手臂的机