1、工业机器人的分类与技术参数2.1工业机器人的分类 关于工业机器人的分类，国际上没有制定统一的标准，有的按照负载重量分，有的按照控制方式分，有的按照应用领域分，有的按照结构分。下面列举几种具有代表性的分类按照技术等级划分 示教再现型示教再现型机器人由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。感知型感知型机器人机器人对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成
2、工作。智能智能机器人智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。按坐标形式划分1、直角坐标型(3P)2、圆柱坐标型(R2P)3、极坐标型（也称球面坐标型）(2RP)4、关节坐标型(3R)5、平面关节型(SCARA)6、并联式坐标形式坐标形式是指是指执行机构的手臂执行机构的手臂在运动时在运动时所取的所取的参考坐标系的形式参考坐标系的形式。直角坐标笛卡儿坐标台架型笛卡儿坐标台架型 机器人的末端执行器（或手部）在空间位置的改变是通过三个互相垂直的轴线移动来实现的 特点：在直角坐标空间内解耦，空间轨
3、迹易于求解易于实现高定位精度；当具有相同的工作空间时，本体所占空间体积较大动作范围小，灵活性差。直角坐标机器人的用途 直角坐标机器人可以非常方便的用作各种自动化设备，完成如焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、7圆柱坐标机器人（2）圆柱坐标机器人 机器人是通过两个移动（升降运动及手臂伸缩运动）和一个转动（腰转）来实现末端执行器空间位置的改变。腰部转运动及升降运动通常由机身来实现。圆柱坐标型机器人的结构如右图所示，R、和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果机器人手臂的径向坐标R保持不变，机器人手臂的运动将形成一个圆柱表面。2.圆柱坐标型圆
4、柱坐标型(R2P)优点：且计算简单;直线部分可采用液压驱动,可输出较大的动力;能够伸入型腔式机器内部。缺点：它的手臂可以到达的空间受到限制,不能到达近立柱或近地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘;后臂工作时,手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。10（3）极坐标机器人）极坐标机器人 机器人机器人手臂手臂的运动由的运动由一个直线运动一个直线运动和和两个转动组成两个转动组成，即手臂的即手臂的绕绕的的（回转运动）、绕（回转运动）、绕的的（俯仰运（俯仰运动）。通常把回转及俯仰运动）。通常把回转及俯仰运动归属于机身动归属于机身。特点特点：占地面积小、结构紧凑、位置精度尚可，但占地面积小、结构紧凑、位置精
5、度尚可，但避障性差、有平衡问题避障性差、有平衡问题(3)极坐标型机器人极坐标型机器人又称为球坐标型机器人，其结构如右图所示，R，和为坐标系的坐标。其中是绕手臂支撑底座垂直的转动角，是手臂在铅垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。极坐标机器人13关节坐标机器人关节坐标机器人 关节坐标关节坐标机器人主要机器人主要由由立柱、大臂立柱、大臂和小臂和小臂组成组成，立柱绕立柱绕Z 轴轴做做旋转运动旋转运动，形成，形成腰关节腰关节，立柱和大臂立柱和大臂形成形成肩关节肩关节，大臂和小臂大臂和小臂形成形成肘关节肘关节，大臂和小臂做大臂和小臂做俯仰运动俯仰运动。特点：特点：工作范围大，动作灵工作
6、范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度活，避障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦较低，有平衡问题，控制耦合较复杂合较复杂多关节机器人垂直串联 相关关节处本体结构相关关节处本体结构手部手部：又称抓取机构或夹持器，用于直接抓取工件或工具。：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、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。螺钉螺帽拧紧器等，可视为专用的特殊手部。腕部：腕部：是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态是连接手部和手臂的部件，用以调整手部的姿态和方位。和方位。手臂：手臂：是支
7、承手腕和手部的部件，由动力关节和连杆组成，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，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。手臂由并将它们送至预定的位置。手臂由大臂和小臂大臂和小臂组成。组成。机座：机座：包括立柱，是整个工业机器人的基础部件，起着支包括立柱，是整个工业机器人的基础部件，起着支承和连接的作用。承和连接的作用。水平多关节机器人（SCARASCARA）水平多关节机器人具有四个轴和四个运动自由度：X,Y,Z方向的平动自由度和绕Z轴的转动自由度。它的第一，二，四轴具有转动特性，第三轴具有线性移动特
8、性，并且第三和第四可以根据工作需要的不同，制造成相应多种不同的形态SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm（选择顺应性装配机器手臂）并联机器人机构可以严格定义为：上，下平台用2个或2个以上分支相连，机构具有2个或2个以上的自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。从广义机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器分配在不同环境上的多环路机构都可称之为并联机构，如步行机器人，多指手爪等。并联机器人机器人结构形式应用占比 由2002年的产量统计可知，垂直多关节型机器人占日本国内生产总数的一半以上，其次是直角坐标型机器人、水平多关节型机器人分类
9、产量/台直角坐标型机器人8912圆柱坐标型机器人1949极坐标型机器人132垂直多关节机器人31547水平多关节机器人5143并联机器人30其他机器人889总计48602机器人的产量（2002年）2)2)按驱动方式分类按驱动方式分类(1)(1)气压传动机器人气压传动机器人：以压缩空气作为动力源驱动执行机构：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，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。适用于高速轻载、高温和粉尘大的作业环境。(2)(2)液压传动机器人液压传动机器人：采用液压元器件驱动，具有负载能
10、力：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。低速驱动场合。(3)(3)电气传动机器人电气传动机器人：用交流或直流伺服电动机驱动的机器：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。制精度高，是近年来常用的机器人传动方式。按照用途分工业机器人：工业机器人：焊接、喷漆、码垛、装配、搬运焊接、喷漆、码垛、装配、搬运 农业机器人：农业机器人：耕种、施肥、喷药、嫁接、
11、移载、收获、灌溉、养殖耕种、施肥、喷药、嫁接、移载、收获、灌溉、养殖 探索机器人：探索机器人：水下、太空、空间、危险环境水下、太空、空间、危险环境 服务机器人：服务机器人：清洁、护理、救援、娱乐、保安清洁、护理、救援、娱乐、保安 其它机器人：其它机器人：医疗、福利、林业、渔业、建筑等医疗、福利、林业、渔业、建筑等2.2 机器人的主要技术参数机器人的主要技术参数自由度自由度工作空间工作空间工作速度工作速度工作载荷工作载荷精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率工业机器人的技术参数反工业机器人的技术参数反映了机器人的适用范围和映了机器人的适用范围和工作性能，是选择、使用工作性能，是选择、使用机
12、器人必须考虑的关键问机器人必须考虑的关键问题。题。自由度自由度自由度是指描述物体运动所需要的独立坐标数。机器人的自由度表示机器人动作灵活的尺度，一般以轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示，手部的动作不包括在内。自由物体在空间有6个自由度，即3个移动自由度和3个转动自由度。机器人的自由度数就等于它的关节数。机器人的自由度数就等于它的关节数。机器人的自由度越多，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。工业机器人一般多为个自由度，个以上的自由度是冗余自由度，是用来避障碍物的。22六关节工业机器人的自由度垂直关节六轴
13、机器人有6个自由度。目前在工业领域中以六轴机器人应用最为广泛。工作空间工作空间机器人的工作空间是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括不包括手部本身手部本身所能达到的区域。机器人所具有的自由度数目及其组合不同，则其运动图形不同；而自由度的变化量(即直线运动的距离和回转角度的大小)则决定着运动图形的大小。2324图图1-3 工业机器人的工作范围工业机器人的工作范围工作速度工作速度工作速度是指机器人在工作载荷条件和匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度，一般来说的运动速度，指的是机器人在运动过程中的最大的运动速度。机器人的工作速度反映了机器人的
14、作业水平，运动速度的快慢。机器人的运动速度与它的驱动方式、定位方式、抓取物体的质量和行程距离有关系。机器人手部的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性和定位精度等要求来决定，同时也直接影响机器人的运动周期。为了提高机器人的最大工作速度，机器人需缩短整个运动循环时间。运动循环包括加速度启动、等速运动和减速制动的整个过程。过大的加减速度会导致惯性力加大，影响动作的平稳和精度。为了保证定位精度，加减速过程往往占去较长时间。目前，工业机器人的最大直线速度为1000mm/s左右，最大回转速度为120/s左右。工作载荷工作载荷机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大最大负载量负载量(包括手部)。
15、用质量、力矩、惯性矩来表示。负载大小主要考虑机器人各运动轴上的受力和力矩，包括手部的重量、抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。一般低速运行时，承载能力大，为安全考虑，规定在高速运行时所能抓取的工件重量作为承载能力指标。微型机器人，提取重力在10 N以下；小型机器人，提取重力为1050 N；中型机器人，提取重力为50300 N；大型机器人，提取重力为300500 N；重型机器人，提取重力在500N以上目前使用的工业机器人，其承载能力范围较大，最大可大9KN。5精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率精度：精度：一个位置相对于其参照系的绝对度量，指机器人手部实际到达位置
16、与所需要到达的理想位置之间的差距。重复精度：重复精度：在同一环境、同一条件、同一目标动作及同一命令下，机器人连续若干次运动轨迹之间的误差度量。代表工业机器人连续运动若干次重复定位至同一目标位置的能力。分辨率：分辨率：指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。精度和分辨率不一定相关。一台设备的运动精度是指命令设定的运动位置与该设备执行此命令后能够达到的运动位置之间的差距，分辨率则反映了实际需要的运动位置和命令所能够设定的位置之间的差距。5精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率图中圆心A为设计的理想位置，离散的点表示手部实际到达的位置。图中（b）具有合理的定位精度和良好的重复定位精
17、度；图中（c）具有良好定位精度和较差的重复定位精度；图中（d）具有很差的定位精度和良好的重复定位精度。通常工业机器人具有绝对精度低，重复定位精度高的特点。大部分的机器人的重复定位精度都在0.1mm以内。5精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率工业机器人的精度、重复精度和分辨率要求是根据其使用要求确定的。机器人本身所能达到的精度取决于机器人结构的刚度、运动速度控制和驱动方式、定位和缓冲等因素。由于机器人有转动关节，不同回转半径时其直线分辨率是变化的，因此造成了机器人的精度难以确定。由于精度一般难测定，通常工业机器人只给出重复精度。反馈尺反馈尺实实 际际 位位 置置重复重复精度精度精度精度分
18、辨率分辨率TBRU给定位置给定位置 分辨率、精度、重复精度的关系分辨率、精度、重复精度的关系5精度、重复精度和分辨率精度、重复精度和分辨率不同作业机器人要求的重复精度。任务任务机床上下机床上下料料冲床上下料冲床上下料点焊点焊模锻模锻喷漆喷漆装配装配测量测量弧焊弧焊重复重复性性（0.051)110.123(0.010.5)(0.010.5)(0.20.5)机械结构6自由度载荷重量7kg定位精度0.06mm安装方式落地式本体重量380kg电源容量4kVA运动范围1731mm标准涂色橘黄色最大工作范围1轴（旋转）3602轴（立臂）2003轴（横臂）1254轴（腕）3705轴（腕摆）2406轴（腕转）
19、800表表1-1 ABB2400L型机器人的技术指标型机器人的技术指标最大速度1轴（旋转）150/s2轴（臂）150/s3轴（臂）150/s4轴（腕）360/s5轴（弯曲）360/s6轴（旋转）450/s安装环境环境温度545相对湿度最高95%防护等级IP54噪音水平最高70dB(A)表表1-1 ABB2400L型机器人的技术指标（续）型机器人的技术指标（续）2.3 工业机器人的坐标系坐标的概念 为了说明空间某一点的位置、运动的快慢、方向等，需要按规定方法选取的有次序的一组数据来表示，这样的一组数据就叫做该点的“坐标”。机器人末端的位置和姿态通过沿坐标系的坐标来定位。机器人使用若干坐标系，每一
20、坐标系都适用于特定类型的微动控制或编程，工业机器人的坐标系主要包括：基坐标系、关节基坐标系、关节坐标系、工件坐标系及工具坐标系坐标系、工件坐标系及工具坐标系。关节坐标系 机器人每个关节相对关节零点偏移的绝对角度构成一个坐标系，称之为关节坐标系 来对6关节机器人来说，它的关节坐标系共有6个分量，分别是6个关节相对坐标系原点位置的绝对角度（J1、J2、J3、J4、J5、J6）。一般机器人初始状态下的关节坐标为（0,0,0,0,0,0），如图所示。机器人的J1、J2、J3为定位关为定位关节节，这3个关节决定机器人末端末端的位置的位置；机器人的J4，J5，J6为定向关节，决定机器人末端为定向关节，决定
21、机器人末端的姿态的姿态。这6个关节的转动有各自的正方向和负方向，其中J2、J3、J5控制机器人的俯仰俯仰，这3个轴的“抬起抬起/后仰后仰”方向为正，方向为正，“降降下下/前倾前倾”为负为负；对于J1、J4、J6轴控制机器人的转动，这轴控制机器人的转动，这3个个轴的正方向满足旋转（螺旋）轴的正方向满足旋转（螺旋）右手定则右手定则。右手定则如图所示，即右手大拇指指向轴的末端，四指弯曲方向为正方向，反之为负方向。笛卡尔坐标系 机器人末端的位置位置由三个方向的坐标值坐标值确定，姿态姿态由三个方向的旋转角度旋转角度的坐标值所唯一确定，这个坐标系称之为笛卡尔坐标系。（直角坐标系）工业机器人末端的位置P可以
22、用直角坐标来表示空间直角坐标x，y，z表示，而机器人的姿态则有机器人末端位置P绕着3个坐标轴的旋转角度a，b，c表示，因此，对于机器人在笛卡尔坐标系中的坐标位置由6个分量(x，y，z，a，b，c)表示。根据机器人特定类型的控制或编程，机器人的笛卡尔坐标系又分为基坐标系，工具坐标系和工件坐标系+Y+Z+X基坐标系基坐标系位于机器人基座。它是最便于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。一般来说，通常站立于机器人的前方，机器人前进的方向为基坐标系x轴的正方向，反之为x轴的负方向；同样的，机器人向左移动的方向为y轴的正方向，反之为y轴负方向；机器人向上移动的方向为z轴的正方向，反之为负方向。基坐标
23、系中机器人末端的坐标按照（X、Y、Z、A、B、C）的方式表示，其中（X，Y，Z）代表在基坐标系下工具中心点（TCP）相对基坐标原点在XYZ轴上的距离，（A，B，C）代表工具中心点（TCP）在基坐标系下沿着机器人末端沿着XYZ轴方向下的旋转角度。工具坐标系 工具坐标系是为机器人应用时对机器人腕部法兰盘所握的工所握的工具而制定具而制定的坐标系 工具坐标系的原点位于机器人安装的工具的尖端点，以工具延伸的方向为Z轴正方向其他方向则按照右手定则分配。工具坐标系的原点也叫做工具中心点（tool center point，TCP)，因此工具坐标系经常被缩写为 TCPF(Tool Center Point F
24、rame)。工具坐标系当机器人没有安装外加工具时，工业机器人默认的工具中心点位于第5轴和第6轴的交点，即位于机器人手腕中心点，坐标原点位于法兰的中心处，Z轴的正方向为机器人的延伸方向。该坐标系被称为tool0。机器人其他的工具坐标系都是预定义工具坐标系tool0的偏移。工具坐标的运动不受机器人位置或姿势的变化影响，主要以工具的有效方向为基准。所以工具坐标运动最适合在工具姿势始终与工件保持不变，平行移动的应用。工件坐标系 工件坐标系是用户自定义的坐标系，有时也称之为用户坐标系。用户可以任意定义工件坐标系的坐标原点，也可以使工件坐标系与基坐标系相重合。机器人可以拥有若干个工件坐标系对应不同工件，或
25、者表示同一工件在不同位置的若干副本。机器人可以拥有若干工件坐标系，或者表示不同工件，或者表示同一工件在不同位置的若干副本.使用在工件坐标系进行机器人编程时，具有优点：重新定位工作站中的工件时，您只需更改工件坐标系的位置，所有路径将即刻随之更新.允许操作以外轴或传送导轨移动的工件，因为整个工件可连同其路径一起移动.A 基坐标系B 工件坐标系 1C 工件坐标系 2A是机器人的基坐标，为了方便编程为第一个工件建立了一个工件坐标B，并在这个工件坐标B进行轨迹编程。如果台子上还有一个一样的工件需要走一样的轨迹，那你只需要建立一个工件坐标C，将工件坐标B中的轨迹复制一份，然后将工件坐标从B更新为C，则无需
26、对一样的工件重复的轨迹编程了。2.4机器人运动的奇异状态奇异点是由机器人的逆运动学引起的。当机器人运动到奇点时，机器人无法通过运动逆向运算将笛卡尔坐标系的位置转化为轴的角度，此时，机器人关节可能被命令以一种无限大的速度移动，而且笛卡儿坐笛卡儿坐标系内一点微小的变化就会引起轴角度的剧烈变化标系内一点微小的变化就会引起轴角度的剧烈变化。六轴工业机器人存在3种类型的奇点：腕关节奇点-发生在机器人的两个腕关节轴（关节4和6）成一条直线。这可能会导致这些关节尝试瞬间旋转180度。肩关节奇点-发生在机器人中心的腕关节和1关节的轴对齐时。它导致关节1和4试图瞬间旋转180度。肘关节奇点-发生在机器人中心的腕关节跟关节2和3处于同一平面时。肘关节奇点看起来就像机器人“伸得太远”，导致肘关节被锁在某个位置。如果机器人遇上了这样的奇点，他们需要被关闭，移动机械臂，然后手动重启。腕部奇点（4轴和6轴重合或平行)肘部奇点（腕部中心和2轴3轴一条线）肩部奇点（腕部中心位于1轴旋转中心线）
