1、课前回顾 所 处 位 置 工业机器人的系统由哪几部分组成？工业机器人的驱动方式，常见的有哪几种？【课 前 回 顾】1第1页，共40页。章节目录 思考练习 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 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 2第2页，共40页。学习目标 所 处 位 置 熟悉工业机器人的常见技熟悉工业机器人的常见技术指标术指标 能够正确识别工业机能够正确识别工业机器人的点位运动
2、和连续器人的点位运动和连续路径运动路径运动【学 习 目 标】返回 目录 认知目标认知目标能力目标能力目标了解工业机器人的运动了解工业机器人的运动控制控制能够掌握工业机器人能够掌握工业机器人的技术指标的含义的技术指标的含义3第3页，共40页。2.2 2.2 工业机器人的技术指标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适用范围范围和工作性能工作性能。所 处 位 置 【课 堂认 知 自由度自由度工作空间工作空间额定负载额定负载最大工作速度最大工作速度工作精度工作精度一般都有：4第4页，共40页。一、关节（一、关节（Joint）：即运动副，允许机器人手臂各零件之间发生：即运动副，允许机器
3、人手臂各零件之间发生相对运动的机构。相对运动的机构。5第5页，共40页。6第6页，共40页。7第7页，共40页。8第8页，共40页。9第9页，共40页。10第10页，共40页。11第11页，共40页。12第12页，共40页。13第13页，共40页。14第14页，共40页。15第15页，共40页。16第16页，共40页。17第17页，共40页。二、连杆二、连杆（Link）：）：机器人手臂上被机器人手臂上被相邻两关节相邻两关节分开的部分。分开的部分。三、刚度（三、刚度（Stiffness）：）：机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力。它是用外力和在外力作用方向上的
4、变形量（位移）之比来度量它是用外力和在外力作用方向上的变形量（位移）之比来度量。18第18页，共40页。1、自由度（Degree of freedom）：或者称坐标轴数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。手指的开、合，以及手指关节的自手指的开、合，以及手指关节的自由度一般不包括在内。由度一般不包括在内。工业机器人的技术指标工业机器人的技术指标 通常作为机器人的技术指标，反映机器人动作的灵活性灵活性，可用轴的直线移动、摆动直线移动、摆动或旋转动作旋转动作的数目来表示。目前，焊接和涂装作业机器人多为目前，焊接和涂装作业机器人多为 6 或或 7 自由度，而搬运、自由度，而搬运、码垛和装配机器人多为
5、码垛和装配机器人多为 46 自由度。自由度。19第19页，共40页。机器人的自由度越多，就机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个这是机器人设计中的一个矛盾矛盾。是不是自由度是不是自由度越多越好呢？越多越好呢？20第20页，共40页。2、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。3、工作精度 目前，工业机器人的重复精度可达目前，工业机器人的重复精度可达 0.01
6、 0.5mm。依据作业任务和末端持重不同，机器人重复精。依据作业任务和末端持重不同，机器人重复精度亦不同。度亦不同。目前，使用的工业机器人负载范围可从目前，使用的工业机器人负载范围可从 0.5kg直至 800kg。21第21页，共40页。工业机器人典型行业应用的工作精度工业机器人典型行业应用的工作精度 所 处 位 置 【课 堂 认 知】额定负载（额定负载（kg）重复定位精度（重复定位精度（mm）作业任务作业任务 搬运搬运 0.2 0.5 5200 码垛码垛 0.5 50800 点焊点焊 0.2 0.3 50350 弧焊弧焊 0.08 0.1 320 喷涂喷涂 0.2 0.5 520 0.02
7、0.03 25 装配装配 0.06 0.08 610 0.06 0.1 1020 19/30 22第22页，共40页。4、工作空间 也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手手腕参考点或腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。目前，单体工业机器人本体的工作范围可达目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。左右。23第23页，共40页。所 处 位 置 【课 堂 认 知】b)水平串联多关节机器人 MOTOMAN MPP3S a)垂直串联多关
8、节机器人 MOTOMAN MH3F 返回 c)并联多关节机器人 MOTOMAN MYS650L 目录 不同本体结构 YASKAWA 机器人工作范围 20/30 24第24页，共40页。最大工作速度最大工作速度通常指机器人通常指机器人手腕中心手腕中心的的最大速度。最大速度。这在生产中是影响生产效率这在生产中是影响生产效率的重要指标。的重要指标。5、工作速度、工作速度 机器人在工作载荷条件下、机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在中心点在单位时间单位时间内所内所移动的距离移动的距离或或转转动的角度动的角度机器人的运动速度机器人的运动速度
9、是指单关节速度；是指单关节速度；25第25页，共40页。2.3 工业机器人的运动控制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开链式多连杆机构，始 端连杆就是机器人的基座，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。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，基座称为连杆基座称为连杆 0，不包含在这，不包含在这 6 个连杆内个连杆内，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。位 置 【课 堂 认 知】返回 目录 26第26页，共40页。a)
10、实物图实物图 连杆连杆 4 连杆连杆 6 连杆连杆 5 连杆连杆 3 关节关节 6 关节关节 5 关节关节 4 关节关节 3 连杆连杆 2 关节关节 2 连杆连杆 1 关节关节 1 连杆连杆 0 b)机构简图机构简图 工业机器人操作机工业机器人操作机 27第27页，共40页。2.3.1 机器人运动学问题 所 处(1)运动学正问题 对给定的机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相对于参考坐标系的位姿，称之为正向运动学正向运动学（运动学正解或 Where 问题）。）。位 置 【课 堂 认 知】Where is my hand?返回 目录 运动学正问题（示教）运动学正问题（示教）机器人示教时，
11、机器人示教时，机器人控制器机器人控制器即逐点进行运即逐点进行运动学正解运算。动学正解运算。28第28页，共40页。(2)运动学逆问题 对给定的机器人操作机，已知末端执行器在参考坐标系中的初始位姿和目标（期望）位姿，求各关节角矢量，称之为逆向运动学逆向运动学（运动学逆解或 How 问题）。）。How do I put my hand here?运动学逆问题（再现）运动学逆问题（再现）机器人再现时，机机器人再现时，机器人控制器即逐点器人控制器即逐点进行运动学逆解运进行运动学逆解运算，并将矢量分解算，并将矢量分解到操作机各关节到操作机各关节。29第29页，共40页。2.3.2 机器人的点位运动和连续
12、路径运动 所 处 位(1)点位运动（Point to Point,PTP）PTP 运动只关心机器人末端执行器运动的起点和目标点位姿，不关心这两点之间的运动轨迹。不关心这两点之间的运动轨迹。置 (2)连续路径运动（Continuous Path,CP）CP 运动不仅关心机器人末端执行器达到目标点的精度，而且必须保证机器人能沿所期望的轨而且必须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度范围内重复运动迹在一定精度范围内重复运动。【课 堂 认 知】Z Y A X E D B C 工业机器人工业机器人 PTP 运动和运动和 CP 运动运动 30第30页，共40页。2.3.2 机器人的点位运动和连续路径运动 所
13、 机器人机器人 CP 运动的实现是以点到点运动为基础，运动的实现是以点到点运动为基础，通过在相邻两点之间采用满足精度要求的直线或圆弧通过在相邻两点之间采用满足精度要求的直线或圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化。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，生成相应路径规划，然后把各插补点的位姿坐标值通过运动学逆解运算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）。处 位 置 【课 堂 认 知】31第31页，共40页。关节控制器 1（下位机）机器人主控制器（上位机）关节控制器 2（下位
14、机）机器人关节 轨迹 角度值 i 示教点位姿 中间位姿 直线/圆弧插补 运动学逆问题 关节控制器 n（下位机）工业机器人的连续路径运动工业机器人的连续路径运动 32第32页，共40页。2.3.3 机器人的位置控制 所 处 位 实现机器人的 位置控制 是工业机器人的基本控制任务。关节控制器（下位机）是执行计算机，负责伺服电机的闭环控制闭环控制及实现实现所有关节的动作协调所有关节的动作协调。置 【课 堂 认 知】关节控制器 位置调节器 速度调节器 转矩调节器 功率放大 给定+期望+M 位置 位置-电流反馈 光电 码盘 位置反馈 速度反馈 工业机器人的位置控制工业机器人的位置控制 33第33页，共4
15、0页。运动控制电机及驱动运动控制电机及驱动 机器人的核心技术是运动控制技术运动控制技术，目前工业机器人采用的电气电气驱动驱动主要有 步进电动机步进电动机和伺服电动机伺服电动机 两类。所 处 位 1 步进电动机系统 置 步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环开环控制精密驱动元件驱动元件，分为 反应式步进电机、永磁式步进电机反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式混合式步进电机步进电机 三种，其中混合式步进电机的应用最为广泛，是一种精度高、控制简单、成本低廉的驱动方案。【扩 展 与 提 高】步进电机与步进驱动器步进电机与步进驱动器 34第34页，共40页。2 伺服电动机系统伺服电动机系
16、统 所 处 伺服电机，在自动控制系统中，用作执行元件执行元件，把所收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出，可分为 直流直流 和 交流交流伺服电机伺服电机 两大类。位 置 特点：当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。优点：无电刷和换向器，工作可靠，对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方便；惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；同功率下有较小的体积和重量。【扩 展 与 提 高】伺服电机与伺服驱动器伺服电机与伺服驱动器 35第35页，共40页。本章小结本章小结 所 工业机器人的机械结构部分称为操作机。通常用工业机器人的机械结构部分称为操作机。通常用自由度
17、、工作空间、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等技术指标来表征工业机器人操作机的性能。工业机器人操作机的性能。处 位 置 工业机器人通常由操工业机器人通常由操作机、控制器作机、控制器和和示教器示教器三部分组成。操作机是机三部分组成。操作机是机器人赖以完成各种作业的主体部分，一般由机械臂、驱动器人赖以完成各种作业的主体部分，一般由机械臂、驱动-传动装置以及传动装置以及内部传感器等组成。控制器是完成机器人控制功能的结构实现，一般由控制内部传感器等组成。控制器是完成机器人控制功能的结构实现，一般由控制计算机和
18、伺服控制器组成。示教器是机器人的人机交互接口，主要由显示屏计算机和伺服控制器组成。示教器是机器人的人机交互接口，主要由显示屏和按键组成。和按键组成。【本 章 小 结 】工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一点移动到工业机器人的运动控制是指工业机器人的末端执行器从一点移动到另一点的过程中，常采用点位（另一点的过程中，常采用点位（PTP）控制和连续路径（）控制和连续路径（CP）控制）控制两种方式。两种方式。36第36页，共40页。思考练习 1、填空 所(1)_ 通常作为机器人的技术指标，反映了机器人动作的灵活性，可 处 用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。位 置(2)工业机器人
19、主要由 _、_ 和 _ 组成。下图中 1 表示 _；2 表示 _；3 表示 _ 和 4 表示 _。1【2 思 考 3 练 4 习】题 2 图(3)工业机器人的运动控制主要是实现 _ 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的起点和目标点位姿，而且必 须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度范围内运动。(4)对给定的机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相对于参 考坐标系的位姿，称之为 _ 运动学。29/30 37第37页，共40页。思考练习 2、选择 所(1)操作机是工业机器人的机械主体，是用于完成各种作业的执行机构。它主 处 要哪几部分组成？（）位 置 机械臂；
20、驱动装置；传动单元；内部传感器 A.B.C.D.(2)示教器也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【操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，试问以下哪些机器人操作可通 思 考 过示教器来完成？（）。练 点动机器人；编写、测试和运行机器人程序；设定机器人参数；查 习】阅机器人状态 A.B.C.D.3、判断(1)机器人手臂是连接机身和手腕的部分。它是执行结构中的主要运动部件，主 要用于改变手腕和末端执行器的空间位置，满足机器人的作业空间，并将各种载 荷传递到机座。（）(2)除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人目前大多采用交流伺服电机驱动。（）(3)工业机器人的腕部传动多采用 RV 减速器，臂部则采用谐波减速器。（）返回 30/30 38第38页，共40页。（1）定位精度）定位精度（2）重复定位精度）重复定位精度oo 也称也称绝对精度绝对精度。指机器人末端参考点指机器人末端参考点实际到达的位置与所需要到达的理想实际到达的位置与所需要到达的理想位置之间的差距。位置之间的差距。在相同的位置指令下，机器人在相同的位置指令下，机器人连续连续重复若干次重复若干次其位置的分散情况。它其位置的分散情况。它是衡量一列误差值的密集程度，即是衡量一列误差值的密集程度，即重复度。重复度。39第39页，共40页。40第40页，共40页。
