第1章 工业机器人概论

目录第一章工业机器人概论第二章工业机器人的数学基础第三章工业机器人的机械系统第四章工业机器人的动力系统第五章工业机器人的感知系统第六章工业机器人的控制系统第七章工业机器人编程与调试工业机器人技术基础第1章工业机器人概论主要内容1.1工业机器人定义及其发展（了解）1.2工业机器人基本组成及技术参数（掌握）1.3工业机器人的分类及典型应用（了解）工业机器人技术基础1.1工业机器人定义及其发展工业机器人定义机器人（Robot）一词来源于捷克斯洛伐克作家KarelCapek（卡雷尔.萨佩克）1921年创作的一个名为“RossumsUniersalRobots”（罗萨姆万能机器人）的剧本。在剧本中，Capek把在罗萨姆万能机器人公司生产劳动的那些家伙取名为“Robot”（汉语音译为“罗伯特”），其意为“不知疲倦的劳动”。Capek把机器人定义为服务于人类的家伙，机器人的名字也正式由此而生。后来，机器人一词频繁出现在现代科幻小说和电影中。随着现代科技的不断前进，机器人这一概念逐步演变成现实。在现代工业的发展过程中，机器人逐渐融合了机械、电子、运动、动力、控制、传感检测、计算技术等多门学科，成为现代科技发展极为重要的组成部分。目前，虽然机器人面世已有几十年历史，但仍然没有一个统一的定义。其原因之一就是机器人还在不断的发展，新的机型，新的功能不断涌现。第1章工业机器人概论工业机器人技术基础1.1工业机器人定义及其发展工业机器人定义美国机器人协会对工业机器人定义为：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能操作机。日本机器人协会指出：工业机器人是一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。我国科学家对工业机器人的定义是：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。国际标准化组织定义：工业机器人是一种仿生的、具有自动控制能力的、可重复编程的多功能、多自由度的操作机械。第1章工业机器人概论工业机器人技术基础1.1工业机器人定义及其发展工业机器人定义定义虽不同，但有一定的共性：工业机器人是由仿生机械结构，电机、减速机和控制系统组成的，用于从事工业生产，能够自动执行工作指令的机械装置。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领行动。一般情况下，工业机器人应该具有四个特征：1.特定的机械结构；2.从事各种工作的通用性能；3.具有感知、学习、计算、决策等不同程度的智能；4.相对独立性。第1章工业机器人概论工业机器人技术基础1.1工业机器人定义及其发展工业机器人发展概况：（1）早在三千多年前的西周时代，中国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。（2）1954年，美国的G.C.Devol（乔治.德沃尔）提出了一个工业机器人有关的技术方案，并申请了“通用机器人”专利。（3）1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人Unimate。机器人的历史才真正拉开了帷幕。第1章工业机器人概论工业机器人技术基础Unimate机器人工业机器人发展概况：（4）1960年美国机器和铸造公司AMF生产了柱坐标型Versatran机器人。世界上第一台用于工业生产的机器人。第1章工业机器人概论工业机器人技术基础Versatran机器人工业机器人在不同国家发展概况第1章工业机器人概论工业机器人技术基础国名主要进程及特点占有量排名备注日本1967年美国引进第一机器人王国德国引进较晚第二法国注重机器人基础研究英国二十世纪70年代末开始研究，但中途限制发展在西欧处于末位意大利、瑞典等发展迅速中国70年代萌芽期，80年代的开发期和90年代后的应用期。靠后沈阳新松、清华、哈工大国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系有：安川、OTC、松下、发那科(FANUC)和安川电机(Yaskawa)。欧系有：德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU，英国的AutoTechRobotics等。工业机器人在我国发展概况第1章工业机器人概论工业机器人技术基础目前，我国基本掌握了工业机器人的结构设计和制造、控制系统硬件和软件、运动学和轨迹规划等技术，形成了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。一些公司开发出的喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人已经在多家企业的自动化生产线上获得规模应用，弧焊机器人也已广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。总体来看，在技术开发和工程应用水平与国外相比还有一定的差距。主要表现在以下几个反方面：第一，创新能力较弱，核心技术和核心关键部件受制于人，尤其是高精度的减速器长期需要进口，缺乏自主研发产品，影响总体机器人产业发展。第二，产业规模小，市场满足率低，相关基础设施服务体系建设明显滞后。中国工业机器人企业虽然形成了自己的部分品牌，但不能与国际知名品牌形成有力竞争。第三，行业归口，产业规划需要进一步明确。随着工业机器人的应用越来越广泛，我国也在积极推动我国机器人产业的发展。尤其是进入“十三.五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016-2020）》对机器人产业进行了全面规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进工业机器人产业化进程。工业机器人总体发展趋势第1章工业机器人概论工业机器人技术基础（1）技术发展趋势在技术发展方面，工业机器人正向结构轻量化、智能化、模块化和系统化的方向发展。未来主要的发展趋势有：1）机器人结构的模块化和可重构化；2）控制技术的高性能化、网络化；3）控制软件架构的开放化、高级语言化；4）伺服驱动技术的高集成度和一体化；5）多传感器融合技术的集成化和智能化；6）人机交互界简单化、协同化。工业机器人总体发展趋势第1章工业机器人概论工业机器人技术基础（2）应用发展趋势自工业机器人诞生以来，汽车行业一直是其应用的主要场合。2014年北美机器人工业协会在年度报告中指出，截止2013年底，汽车行业仍然是北美机器人最大的应用市场，但其在电子/电气行业、金属加工行业、化工行业、食品等行业的出货量却增速迅猛。由此可见，未来工业机器人的应用依托汽车产业，并迅速向各行业延伸。对于机器人行业来讲，这是一个非常积极的信号。（3）产业发展趋势据国际机器人联合会公布的数据显示，2013年全球机器人装机量达到17.9万台，亚洲/澳洲占10万台，中国36560台，整个行业产值300亿美元。2014年，全球机器人销量22.5万台，亚洲的销量占到2/3，中国市场的机器人销量近45500台，增长35%。到目前为止，全球的主要机器人市场集中在亚洲、澳洲、欧洲、北美，其累计安装量已超过200万台。相信在不久的将来，工业机器人的时代将很快来临，并将在智能制造领域掀起一场变革。1.2工业机器人基本组成及技术参数第1章工业机器人概论工业机器人技术基础控制器机器人本体示教器工业机器人基本组成工业机器人基本组成■工业机器人本体■控制器及控制系统■示教器1.2.1工业机器人基本组成1.2工业机器人基本组成及技术参数第1章工业机器人概论工业机器人技术基础■工业机器人本体机器人本体：工业机器人的机械主体，是完成各种作业的执行机构。一般包含互相连接的机械臂、驱动及传动装置以及各种内外部传感器。工作时通过末端夹具也称末端执行器用于实现机器人对工作目标的夹取、搬用等动作。1）机械臂大部分工业机器人为关节型机器人，关节型机器人的机械臂是由若干个机械关节连接在一起的集合体。典型6关节工业机器人，由机座、腰部关节1、大臂关节2、肘部关节3、操作臂关节4、腕部关节5和手部关节6构成。1.2工业机器人基本组成及技术参数第1章工业机器人概论工业机器人技术基础■工业机器人本体1）本体结构组成①机座：是构成机器人的支撑部分，内部安装有机器人的执行机构和驱动装置。②腰部：是连接机器人机座和大臂的中间支撑部分。工作时，腰部可以通过关节1在机座上转动。③臂部：6关节机器人的臂部一般由大臂和小臂构成，大臂通过关节2与腰部相连，小臂通过肘关节3与大臂相连。工作时，大、小臂各自通过关节电机转动，实现移动或转动。④手腕：连接小臂和末端执行器的部分，主要用于改变末端执行器的空间位姿，联合机器人的所有关节实现机器人预期的动作和状态。第1章工业机器人概论工业机器人技术基础2）本体驱动及传动装置工业机器人的机座、腰部关节、大臂关节、肘部关节、操作臂关节、腕部关节和手部关节构成了机器人的外部结构或机械结构。机器人运动时，每个关节必须有驱动装置和传动机构完成。典型的驱动或运动关节组成驱动装置是向机器人各机械臂提供动力和运动的装置。不同类型的机器人，驱动采用的动力源不同，驱动系统的传动方式也不同。驱动系统的传动方式主要有四种：液压式、气压式、电气式和机械式。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机。■工业机器人本体第1章工业机器人概论工业机器人技术基础2）本体驱动及传动装置典型的驱动或运动关节组成目前也有采用力矩电机，但是造价较高，控制也较为复杂，和电机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。3）本体所用传感器为检测作业对象及工作环境，在工业机器人上安装了诸如触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近传感器、超声波传感器和听觉传感器。这些传感器可以大大改善机器人工作状况和工作质量，使它能够更充分地完成复杂的工作。■工业机器人本体第1章工业机器人概论工业机器人技术基础控制系统控制系统是构成工业机器人的神经中枢，由计算机硬件、软件和一些专用电路、控制器、驱动器等构成。工作时，根据编写的指令以及传感信息控制机器人本体完成一定的动作或路径，主要用于处理机器人工作的全部信息，其正面内部结构如图所示。■工业机器人本体控制器及控制系统第1章工业机器人概论工业机器人技术基础示教器示教器是人机交互的一个接口，也称示教盒或示教编程器，主要由液晶屏和可供触摸的操作按键组成。操作时由控制者手持设备，通过按键将需要控制的全部信息通过与控制器连接的电缆送入控制柜中的存储器中，实现对机器人的控制。示教器是机器人控制系统的重要组成部分，操作者可以通过示教器进行手动示教，控制机器人到达不同位姿，并记录各个位姿点坐标，也可以利用机器人语言进行在线编程，实现程序回放，让机器人按编写好的程序完成轨迹运动。■工业机器人示教器第1章工业机器人概论工业机器人技术基础1.2.2工业机器人技术参数工业机器人技术参数■自由度■分辨率■定位精度■重复定位精度■作业范围■承载能力第1章工业机器人概论工业机器人技术基础1.2.2工业机器人技术参数■自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端执行器的开合自由度。一般情况下机器人的一个自由度对应一个关节，所以自由度与关节的概念是相等的。自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，自由度越多就越灵活，但结构也越复杂，控制难度越大，所以机器人的自由度要根据其用途设计，一般在3~6个之间。■分辨率分辨率是指机器人每个关节所能实现的最小移动距离或最小转动角度。工业机器人的分辨率分编程分辨率和控制分辨率两种。编程分辨率是指控制程序中可以设定的最小距离，又称基准分辨率。当机器人某关节电机转动0.1°，机器人关节端点移动直线距离为0.01mm，其基准分辨率即为0.01mm。控制分辨率是系统位置反馈回路所能检测到的最小位移，即与机器人关节电机同轴安装的编码盘发出单个脉冲电机转过的角度。第1章工业机器人概论工业机器人技术基础1.2.2工业机器人技术参数■定位精度定位精度是指机器人末端执行器的实际位置与目标位置之间的偏差，由机械误差、控制算法与系统分辨率等部分组成。典型的工业机器人定位精度一般在土0.02mm~±5mm范围。■重复定位精度重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一