工业机器人技术及应用教案工业机器人的机械结构和运动控制样本.docx

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工业机器人技术及应用教案工业机器人的机械结构和运动控制样本

第二章工业机器人机械构造和运动控制

章节目录

2.1工业机器人系统构成

2.1.1操作机

2.1.2控制器

2.1.3示教器

2.2工业机器人技术指标

学习目的导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习

2.3工业机器人运动控制

2.3.1机器人运动学问题

2.3.2机器人点位运动…

2.3.3机器人位置控制

课前回顾

何为工业机器人？

工业机器人具备几种明显特点，分别是什么？

工业机器人常用分类有哪些，简述其行业应用。

学习目的

认知目的

*熟悉工业机器人常用技术指标

*掌握工业机器人机构构成及各某些功能

*理解工业机器人运动控制

能力目的

*可以对的辨认工业机器人基本构成

*可以对的鉴别工业机器人点位运动和持续途径运动

导入案例

国产机器人竞争力缺失核心技术是瓶颈

众所周知，中华人民共和国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件依然落后于日、美、韩等发达国家。

虽然中华人民共和国机器人产业通过30年发展，形成了较为完善产业基本，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基本依然薄弱，核心零部件严重依赖进口。

整个机器人产业链重要分为上游核心零部件（重要是机器人三大核心零部件——伺服电机、减速器和控制系统，相称于机器人“大脑”）、中游机器人本体（机器人“身体”）和下游系统集成商（国内95%公司都集中在这个环节上）三个层面。

课堂认知

2.1工业机器人系统构成

第一代工业机器人重要由如下几某些构成：

操作机、控制器和示教器。

对于第二代及第三代工业机器人还涉及感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。

工业机器人系统构成

2.1.1操作机

操作机（或称机器人本体）是工业机器人机械主体，是用来完毕各种作业执行机构。

它重要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等某些构成。

关节型机器人操作机基本构造

机器人操作机最后一种轴机械接口普通为一连接法兰，可接装不同机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。

（1）机械臂

关节型工业机器人机械臂是由关节连在一起许多机械连杆集合体。

实质上是一种拟人手臂空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节-连杆构造所构成机械臂大体可分为基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕4某些。

1）基座基座是机器人基本某些，起支撑作用。

2）腰部腰部是机器人手臂支承某些。

3）手臂手臂是连接机身和手腕某些，是执行构造中重要运动部件，亦称主轴，主

要用于变化手腕和末端执行器空间位置。

4）手腕手腕是连接末端执行器和手臂某些，亦称次轴，重要用于变化末端执行器空

间姿态。

（2）驱动装置

驱使工业机器人机械臂运动机构。

它按照控制系统发出指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相称于人肌肉、筋络。

机器人惯用驱动方式重要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。

当前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆规定机器人采用液压、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种关节一种驱动器。

三种驱动方式特点比较

（3）传动单元

当前工业机器人广泛采用机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上减速器重要有两类：

RV减速器和谐波减速器。

普通将RV减速器放置在基座、腰部、大臂等重负载位置（重要用于20kg以上机器人关节）；将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部等轻负载位置（重要用于20kg如下机器关节）。

此外，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。

机器人关节传动单元

1）谐波减速器

普通由3个基本构件构成，涉及一种有内齿刚轮，一种工作时可产生径向弹性变形并带有外齿柔轮和一种装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承波发生器，在这3个基本构造中可任意固定一种，别的一种为积极件一种从动件。

谐波减速器原理图

2）RV减速器

重要由太阳轮（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构成。

具备较高疲劳强度和刚度以及较长寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用RV减速器。

RV减速器原理图

2.1.2控制器

机器人控制器是依照指令以及传感信息控制机器人完毕一定动作或作业任务装置，是决定机器人功能和性能重要因素，也是机器人系统中更新和发展最快某些，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。

根据控制系统开放限度，机器人控制器分3类：

封闭型、开放型和混合型。

当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）。

按计算机构造、控制方式和控制算法解决办法，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。

（1）集中式控制器

长处：

硬件成本较低，便于信息采集和分析，易于实现系统最优控制，整体性与协调性较好，基于PC系统硬件扩展较为以便。

缺陷：

系统控制缺少灵活性，控制危险容易集中，一旦浮现故障，其影响面广，后果严重；大量数据计算，会减少系统实时性，系统对多任务响应能力也会与系统实时性相冲突；系统连线复杂，会减少系统可靠性。

a）单独接口卡驱动b）多轴运动控制卡驱动

集中式机器人控制器构造

（2）分布式控制器

重要思想为“分散控制，集中管理”，为一种开放、实时、精准机器人控制系统。

分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机构成。

长处：

系统灵活性好，控制系统危险性减少，采用多解决器分散控制，有助于系统功能并行执行，提高系统解决效率，缩短响应时间。

分布式机器人控制器构造

2.1.3示教器

亦称示教编程器或示教盒，重要由液晶屏幕和操作按键构成。

可由操作者手持移动。

它是机器人人机交互接口，机器人所有操作基本上都是通过它来完毕。

示教器实质上就是一种专用智能终端。

示教时数据流关系

2.2工业机器人技术指标

机器人技术指标反映机器人合用范畴和工作性能。

普通均有：

自由度、工作空间、额定负载、最大工作度速和工作精度等。

自由度:

物体可以对坐标系进行独立运动数目，末端执行器动作不涉及在内。

普通作

为机器人技术指标，反映机器人动作灵活性，可用轴直线移动、摆动或旋转动作数目来表达，当前，焊接和涂装作业机器人多为6或7自由度，而搬运、码垛和装配机器人多为4~6自由度。

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，不会使机器人性能减少最大载荷，当前，使用工业机器人负载范畴可从0.5kg直至800kg。

工作精度:

机器人工作精度重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的位置之间差别。

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的位置能力，当前，工业机器人重复精度可达±0.01~±0.5mm。

根据作业任务和末端持重不同，机器人重复精度亦不同。

工业机器人典型行业应用工作精度

作业任务

额定负载（kg）

重复定位精度（mm）

搬运

5~200

±0.2~±0.5

码垛

50~800

±0.5

点焊

50~350

±0.2~±0.3

弧焊

3~20

±0.08~±0.1

喷涂

5~20

±0.2~±0.5

2~5

±0.02~±0.03

装配

6~10

±0.06~±0.08

10~20

±0.06~±0.1

工作空间也称工作范畴、工作行程。

工业机器人执行任务时，其手腕参照点所能掠过

空间，惯用图形表达。

当前，单体工业机器人本体工作范畴可达3.5m左右。

最大工作速度在各轴联动状况下，机器人手腕中心所能达到最大线速度。

这在生产中

是影响生产效率重要指标。

a）垂直串联多关节机器MOTOMANMH3Fb）水平串联多关节机器人MOTOMANMPP3S

c）并联多关节机器人MOTOMANMYS650L

不同本体构造YASKAWA机器人工作范畴

2.3工业机器人运动控制

2.3.1机器人运动学问题

工业机器人操作机可看作是一种开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人基座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一种关节（轴）连接在一起。

对于一种6自由度工业机器人，它由6个连杆和6个关节（轴）构成。

编号时，基座称

为连杆0，不包括在这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。

a）实物图b）机构简图

工业机器人操作机

（1）运动学正问题对给定机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相对于参照坐标系位姿，称之为正向运动学（运动学正解或Where问题），机器人示教时，机器人控制器即逐点进行运动学正解运算。

（2）运动学逆问题对给定机器人操作机，已知末端执行器在参照坐标系中初始位姿和目的（盼望）位姿，求各关节角矢量，称之为逆向运动学（运动学逆解或How问题），机器人再现时，机器人控制器即逐点进行运动学逆解运算，并将矢量分解到操作机各关节。

运动学正问题（示教）运动学逆问题（再现）

2.3.2机器人点位运动和持续途径运动

（1）点位运动（PointtoPoint，PTP）PTP运动只关怀机器人末端执行器运动起点和目的点位姿，不关怀这两点之间运动轨迹。

（2）持续途径运动（ContinuousPath，CP）CP运动不但关怀机器人末端执行器达到目的

点精度，并且必要保证机器人能沿所盼望轨迹在一定精度范畴内重复运动。

工业机器人PTP运动和CP运动

机器人CP运动实现是以点到点运动为基本，通过在相邻两点之间采用满足精度规定直线或圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹持续化。

机器人再现时主控制器（上位机从）存储器中逐点取出各示教点空间位姿坐标值，通过对其进行直线或圆弧或插补运算，生成相应途径规划，然后把各插补点位姿坐标值通过运动学逆解运算转换成关节角度值，分送机器人各关节或关节控制器（下位机）。

2.3.3机器人位置控制

实现机器人位置控制是工业机器人基本控制任务。

关节控制器（下位机）是执行计算机，负责伺服电机闭环控制及实现所关于节动作协调。

工业机器人位置控制

扩展与提高

运动控制电机及驱动

机器人核心技术是运动控制技术，当前工业机器人采用电气驱动重要有步进电动机和伺服电动机两类。

1．步进电动机系统

步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移开环控制精密驱动元件，分为反映式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机三种，其中混合式步进电机应用最为广泛，是一种精度高、控制简朴、成本低廉驱动方案。

步进电机与步进驱动器

2．伺服电动机系统

伺服电机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到电信号转换成电机轴上角位移或角速度输出，可分为直流和交流伺服电机两大类。

特点：

当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩增长而匀速下降。

长处：

①无电刷和换向器，工作可靠，对维护和保养规定低；②定子绕组散热比较以便；③惯量小，易于提高系统迅速性；④适应于高速大力矩工作状态；⑤同功率下有较小体积和重量。

伺服电机与伺服驱动器

本章小结

工业机器人机械构造某些称为操作机。

通惯用自由度、工作空间、额定负载、定位精度、重复定位精度和最大工作速度等技术指标来表征工业机器人操作机性能。

工业机器人普通由操作机、控制器和示教器三某些构成。

操作机是机器人赖以完毕各种作业主体某些，普通由机械臂、驱动-传动装置以及内部传感器等构成。

控制器是完毕机器人控制功能构造实现，普通由控制计算机和伺服控制器构成。

示教器是机器人人机交互接口，重要由显示屏和按键构成。

工业机器人运动控制是指工业机器人末端执行器从一点移动到另一点过程中，常采用点位（PTP）控制和持续途径（CP）控制两种方式。

思考练习

1、填空

（1）______普通作为机器人技术指标，反映了机器人动作灵活性，可

用轴直线移动、摆动或旋转动作数目来表达。

（2）工业机器人重要由________、_______和_______构成。

下图中1表

_______示；2表达_______；3表达_______和4表达_______。

题2图

（3）工业机器人运动控制重要是实现_____和_____两种。

当机器人进行

______运动控制时，末端执行器既要保证运动起点和目的点位姿，并且必

须保证机器人能沿所盼望轨迹在一定精度范畴内运动。

（4）对给定机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相对于参

考坐标系位姿，称之为_____运动学。

2、选取

（1）操作机是工业机器人机械主体，是用于完毕各种作业执行机构。

它主

要哪几某些构成？

（）

①机械臂；②驱动装置；③传动单元；④内部传感器

A.①②B.①②③C.①③D.①②③④

（2）示教器也称示教编程器或示教盒，重要由液晶屏幕和操作按键构成，可由

操作者手持移动。

它是机器人人机交互接口，试问如下哪些机器人操作可通

过示教器来完毕？

（）。

①点动机器人；②编写、测试和运营机器人程序；③设定机器人参数；④查

阅机器人状态

A.①②B.①②③C.①③D.①②③④

3、判断

（1）机器人手臂是连接机身和手腕某些。

它是执行构造中重要运动部件，重要用于变化手腕和末端执行器空间位置，满足机器人作业空间，并将各种载荷传递到机座。

（）

（2）除个别运动精度不高、重负载或有防爆规定机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人当前大多采用交流伺服电机驱动。

（）

（3）工业机器人腕部传动多采用RV减速器，臂部则采用谐波减速器。

（）