1、大家好1工业机器人概述工业机器人概述机械工业出版社机械工业出版社大家好2工业机器人工业机器人 8.1 8.1 工业机器人概述工业机器人概述 1.1.什么是机器人？什么是机器人？n 工业机器人（见图工业机器人（见图8-18-1）“Robot”Robot”一词一词是人类型或动物型的人工机器装置总称。是人类型或动物型的人工机器装置总称。机器人涉及到机械工程、电子学、控制理机器人涉及到机械工程、电子学、控制理论、传感器技术、计算机科学、仿生学、论、传感器技术、计算机科学、仿生学、人工智能等学科领域，是典型的机电一体人工智能等学科领域，是典型的机电一体化系统。化系统。n 19871987年国际标准化组织
2、对工业机器人的年国际标准化组织对工业机器人的定义：定义：工业机器人是一种具有控制的操作工业机器人是一种具有控制的操作和移动功能，并能完成各种作业的可编程和移动功能，并能完成各种作业的可编程操作机。操作机。日本工业标准日本工业标准JISB0134-1986JISB0134-1986则定则定义为义为“一种在自动控制下，能够编程完成一种在自动控制下，能够编程完成某些操作或者动作功能的机械装置某些操作或者动作功能的机械装置”。图图8-l 8-l 工业机器人工业机器人大家好3综合上述定义综合上述定义，工业机器人有以下三个重要特性：工业机器人有以下三个重要特性：1)1)是一种机械装置，可搬运材料、零件、工
3、具或完成多是一种机械装置，可搬运材料、零件、工具或完成多种操作和动作功能，即具是有通用性。种操作和动作功能，即具是有通用性。2)2)可以再编程并具有多样程序流程，这为人可以再编程并具有多样程序流程，这为人-机联系提供机联系提供了可能，也使具有独立的柔软性。了可能，也使具有独立的柔软性。3)3)有一个自动控别系统，可以在无人的参与下，自动完有一个自动控别系统，可以在无人的参与下，自动完成操作作业和动作。成操作作业和动作。大家好42.2.工业机器人的基本参数工业机器人的基本参数n机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特
4、性、动态特性等。精度、运动特性、动态特性等。n一般一般,机器人自由度等于它的关节数机器人自由度等于它的关节数,大多是有大多是有6-86-8个自由度，个自由度，自由度越多，机器人的功能就越强。图自由度越多，机器人的功能就越强。图8-28-2左图所示的就是具左图所示的就是具有有6 6个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和齿轮减速传动机械来实现的。齿轮减速传动机械来实现的。6 6个自由度如下：个自由度如下：手臂扫掠（腰左转或右转）；手臂扫掠（腰左转或右转）；肩旋转（肩向上或向下）；肩旋转（肩向上或向下）；肘伸展（肘缩进或伸出）；肘伸展（肘
5、缩进或伸出）；俯仰（手腕上转或下转）；俯仰（手腕上转或下转）；偏航（手腕左转或右转）；偏航（手腕左转或右转）；横滚（手腕顺时针转或反时针转）。横滚（手腕顺时针转或反时针转）。大家好53.3.工业机器人的组成与分类工业机器人的组成与分类 (1)(1)工业机器人的组成工业机器人的组成 一般由操作机械、计算机控制系统、驱动伺服单元、传感器检测一般由操作机械、计算机控制系统、驱动伺服单元、传感器检测系统和输入输出接口等几部份组成。如图系统和输入输出接口等几部份组成。如图8-28-2所示。所示。图图8-2 工业机器人的组成工业机器人的组成大家好6 操作机械操作机械 操作机为工业机器人完成作业的执行机构，
6、它具有和手臂相似的动操作机为工业机器人完成作业的执行机构，它具有和手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。包括机座、作功能，是可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。包括机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分。有时为增加工作空间，在机座处装有立柱、手臂、手腕和手部等部分。有时为增加工作空间，在机座处装有行走机构行走机构实现移动功能，例如有轮式、履帶式、足腿式结抅实现移动功能，例如有轮式、履帶式、足腿式结抅.驱动系统驱动系统 驱动系统指驱动执行机构的传动装置。由驱动器、减速器、检测元驱动系统指驱动执行机构的传动装置。由驱动器、减速器、检测元件等组件组成。根据驱动器的不同，可
7、分为电动、液动和气动驱动系统。件等组件组成。根据驱动器的不同，可分为电动、液动和气动驱动系统。计算机计算机控制系统控制系统 控制系统是工业机器人的核心部分，作用是支配操作机按所需的顺控制系统是工业机器人的核心部分，作用是支配操作机按所需的顺序，沿规定的位置或轨迹运动。序，沿规定的位置或轨迹运动。从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统；从控制方从控制系统的构成看，有开环控制系统和闭环控制系统；从控制方式看有程序控制系统、自适应性控制系统和智能控制系统。式看有程序控制系统、自适应性控制系统和智能控制系统。大家好7 传感系统传感系统 为了使机器人能获得外围环境信息，除关节伺服驱动系统的位置
8、传为了使机器人能获得外围环境信息，除关节伺服驱动系统的位置传感器外感器外(例如装于电机同轴上的光电编码器例如装于电机同轴上的光电编码器)，有时还要配备视觉、力，有时还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多类型的传感器及信号的转换与采样处理。觉、触觉、接近觉等多类型的传感器及信号的转换与采样处理。输入输出接口输入输出接口 为了机器人与周边系统及相应操作进行联系，还应有各种通信接口为了机器人与周边系统及相应操作进行联系，还应有各种通信接口和人机通信装置。例如和人机通信装置。例如PLCPLC控制系统中用的控制系统中用的RS-232RS-232、RS-485RS-485等异步通信等异步通信接口模块，实现接
9、口模块，实现PLCPLC与与PLCPLC、PLCPLC与上位与上位PCPC机、机、PLCPLC与现场设备或远程与现场设备或远程I/OI/O之间的信息交换。此外还包括语言合成、识别技术及多媒体系统，以之间的信息交换。此外还包括语言合成、识别技术及多媒体系统，以实现人机对话。实现人机对话。人工智能系统人工智能系统 人工智能系统是机器人计算机控制系统的更高层次发展。主要由两人工智能系统是机器人计算机控制系统的更高层次发展。主要由两部分组成：部分组成：其一，感觉系统（硬件）。主要靠各类传感器来实现其感觉功能；其一，感觉系统（硬件）。主要靠各类传感器来实现其感觉功能；其二其二,决策、规划系统（软件）。包
10、括辑判断、模式识别、大容量决策、规划系统（软件）。包括辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。数据库和规划操作程序等功能。大家好8（2 2）工业机器人的分类）工业机器人的分类 1 1）按操作机构坐标形式分类）按操作机构坐标形式分类 按操作机械坐标形式分类，操作机械的坐标形式是指按操作机械坐标形式分类，操作机械的坐标形式是指操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。操作机的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。n直角坐标型工业机器人直角坐标型工业机器人n圆柱坐标型工业机器人圆柱坐标型工业机器人n球坐标型工业机器人球坐标型工业机器人n多关节型工业机器人多关节型工业机器人n平面关节型工业
11、机器人平面关节型工业机器人大家好9图图8-3 8-3 直角坐标型工业机器人直角坐标型工业机器人 1）按操作机构坐标形式分类）按操作机构坐标形式分类 直角坐标型工业机器人直角坐标型工业机器人 运动部分由三个相互垂直的直运动部分由三个相互垂直的直线移动组成如图线移动组成如图8-38-3所示，其工所示，其工作空间图形为长方体。各个轴向作空间图形为长方体。各个轴向的移动距离，可在各个坐标轴上的移动距离，可在各个坐标轴上直接读出，直观性强；易于位置直接读出，直观性强；易于位置和姿态的编程计算，定位精度最和姿态的编程计算，定位精度最高，控制无耦合，结构简单。高，控制无耦合，结构简单。但机体所占空间体积大，
12、动作但机体所占空间体积大，动作范围小，灵活性较差，难与其它范围小，灵活性较差，难与其它工业机器人协调工作。工业机器人协调工作。大家好10图图8-4 8-4 圆柱坐标型工业机器圆柱坐标型工业机器人人 圆柱坐标型工业机器人圆柱坐标型工业机器人 运动形式是通过一个转动和运动形式是通过一个转动和两个移动组成的运动系统来实两个移动组成的运动系统来实现的，其工作空间图形为圆柱现的，其工作空间图形为圆柱形如图形如图8-48-4所示。所示。与直角坐标型工业机器人相与直角坐标型工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，比，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围机体所占体积小，而运动范围大，其位置精度仅
13、次于直角坐大，其位置精度仅次于直角坐标型，与其它机器人协调工作标型，与其它机器人协调工作难难。大家好11图图8-5 8-5 球坐标型工业机器人球坐标型工业机器人 球坐标型工业机器人球坐标型工业机器人 又称为极坐标型工业机器人，又称为极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一其手臂的运动由两个转动和一个直线移动所组成，如图个直线移动所组成，如图8-58-5所所示。示。其工作空间为一球体，它可其工作空间为一球体，它可以作上下俯仰动作并能抓取地以作上下俯仰动作并能抓取地面上或较低位置的工件。具有面上或较低位置的工件。具有结构紧凑、工作空间范围大的结构紧凑、工作空间范围大的特点，能与其它工业机器人
14、协特点，能与其它工业机器人协调工作，其位置精度尚可以，调工作，其位置精度尚可以，位置误差与臂长成正比。位置误差与臂长成正比。大家好12图图8-6 多关节型工业机器人多关节型工业机器人 多关节型工业机器人多关节型工业机器人 又又称回转坐标型工业机器人，它称回转坐标型工业机器人，它的手臂与人体上肢类似的手臂与人体上肢类似,前三个关节前三个关节都是回转副。都是回转副。该工业机器人由立柱和大小臂组成。该工业机器人由立柱和大小臂组成。立柱与大臂间形成肩关节，大臂与小立柱与大臂间形成肩关节，大臂与小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和俯仰摆动，小臂作俯仰摆动动和俯仰摆动，小
15、臂作俯仰摆动,如如图图8-6所示所示。其结构紧凑，灵活性大，占地面积其结构紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其它工业最小，工作空间最大，能与其它工业机器人协调工作。机器人协调工作。但是位置控制精度但是位置控制精度较低，存在平衡问题，控制耦合也比较低，存在平衡问题，控制耦合也比较复杂。目前，这种机器人的应用越较复杂。目前，这种机器人的应用越来越广泛。来越广泛。大家好13图图8-7 8-7 平面关节型工业机器人平面关节型工业机器人 平面关节型工业机器人平面关节型工业机器人 采用一个移动关节和两个回转采用一个移动关节和两个回转关节，移动关节实现上下运动，关节，移动关节实现上下运动，而两
16、个回转关节则控制前后、左而两个回转关节则控制前后、左右运动，右运动，如图如图8-7所示所示。这种型式的工业机器人又称这种型式的工业机器人又称SCARASCARA装配机器人。在水平方向具装配机器人。在水平方向具有柔顺性，而在垂直方向则有较有柔顺性，而在垂直方向则有较大的刚性。大的刚性。结构简单，动作灵活，多用于结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。件的插接、装配中应用广泛。大家好14 2)2)按控制方式分类按控制方式分类 点位控制工业机器人点位控制工业机器人n 采用点到点
17、的控制方式，它只在目标点处准确控制工采用点到点的控制方式，它只在目标点处准确控制工业机器人手部的位姿，完成预定的操作要求，而不对点与业机器人手部的位姿，完成预定的操作要求，而不对点与点之间的运动过程进行严格的控制。点之间的运动过程进行严格的控制。n 目前应用的工业机器人中，多数属于点位控制方式，目前应用的工业机器人中，多数属于点位控制方式，如上下料搬运机器人、点焊机器人等。如上下料搬运机器人、点焊机器人等。连续轨迹控制工业机器人连续轨迹控制工业机器人 各关节同时作受控运动，准确控制工业机器人手部按各关节同时作受控运动，准确控制工业机器人手部按预定轨迹和速度运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的预
18、定轨迹和速度运动，而手部的姿态也可以通过腕关节的运动得以控制。运动得以控制。弧焊、喷漆和检测机器人均属连续轨迹控制方式。弧焊、喷漆和检测机器人均属连续轨迹控制方式。大家好15 3)3)按驱动方式分类按驱动方式分类 气动式工业机器人气动式工业机器人 以压缩空气来驱动操作机。其优点是空气来源方便，动作以压缩空气来驱动操作机。其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单，造价低，无污染，适合防爆环境。缺点是空迅速，结构简单，造价低，无污染，适合防爆环境。缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因为气源压气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因为气源压力只有力只有6KPa6KPa左右，所
19、以抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大左右，所以抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。百余牛顿。液压式工业机器人液压式工业机器人 因为液压比气压压力高，一般为因为液压比气压压力高，一般为70KPa70KPa左右，故液压机器人左右，故液压机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温、凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温、低温和易燃易爆环境下工作。低温和易燃易爆环境下工作。电动式工业机器人电动式工业机器人 目前用得最多的一类工业机器人。不仅电动机品种众多
20、，目前用得最多的一类工业机器人。不仅电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择；而且可运用多种灵活的控为工业机器人设计提供了多种选择；而且可运用多种灵活的控制方法。制方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。目前交流伺服驱动单元也在迅速发展。大家好168.2 8.2 工业机器人操作机的机械结构工业机器人操作机的机械结构n 工业机器人操作机械由机座、立柱、手工业机器人操作机械由机座、立柱、手臂、手腕和手部等部分组成，如图臂、手腕和手部等部分组成，如图8-88-8。n 确定一个工业机器人操作机
21、位置时所确定一个工业机器人操作机位置时所需要的独立运动参数的数目称为工业机器需要的独立运动参数的数目称为工业机器人的运动自由度。人的运动自由度。n 自由度数取决于作业目标所要求的动自由度数取决于作业目标所要求的动作。对于进行二维平面作业需三个自由度；作。对于进行二维平面作业需三个自由度；若要具有随意的位姿，则至少需要六个自若要具有随意的位姿，则至少需要六个自由度；而对于回避障碍作业的工业机器人由度；而对于回避障碍作业的工业机器人则需要有比六个自由度更多的冗余自由度。则需要有比六个自由度更多的冗余自由度。n 工业机器人操作机常采用回转副或移工业机器人操作机常采用回转副或移动副主动关节来实现各个自
22、由度。动副主动关节来实现各个自由度。图图8-8 工业机器人操作机构工业机器人操作机构 1-手臂手臂 2-腕关节腕关节 3-手部手部 4-立柱立柱 5-机座机座大家好171.1.手臂手臂 手臂是操作机中的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，调整手臂是操作机中的主要运动部件，它用来支承手腕和手部，调整手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度手部在空间的位置。手臂一般至少应有三个自由度,可以是移动副可以是移动副和回转副。因此按运动副不同的组合方案，可有和回转副。因此按运动副不同的组合方案，可有2727种方案。种方案。手臂的直线运动多数通过液压（气）缸驱动来实现，也可通过齿手臂的直线运动多数通过液
23、压（气）缸驱动来实现，也可通过齿轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机等来实现。轮齿条、滚珠丝杠、直线电动机等来实现。手臂回转运动的实现手段很多，如蜗轮蜗杆式；液压缸活塞杆上手臂回转运动的实现手段很多，如蜗轮蜗杆式；液压缸活塞杆上的齿条驱动齿轮的方式；利用液压缸活塞杆直接驱动手臂回转；由的齿条驱动齿轮的方式；利用液压缸活塞杆直接驱动手臂回转；由回转液压（气）缸直接驱动手臂回转；由步进电动机通过齿轮传动回转液压（气）缸直接驱动手臂回转；由步进电动机通过齿轮传动使手臂回转；由直流电动机通过谐波传动装置驱动手臂回转等。使手臂回转；由直流电动机通过谐波传动装置驱动手臂回转等。PUMAPUMA型工业机器人是由直流
24、伺服电动机驱动的六自由度关节型工型工业机器人是由直流伺服电动机驱动的六自由度关节型工业机器人。其大臂和小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结业机器人。其大臂和小臂是用高强度铝合金材料制成的薄臂框形结构，各运动都是采用齿轮传动。驱动大臂的传动机构如图构，各运动都是采用齿轮传动。驱动大臂的传动机构如图8-9a)8-9a)所示，所示，驱动小臂的传动机构如图驱动小臂的传动机构如图8-9b)8-9b)所示，腰座所示，腰座(用转机座用转机座)的回转运动的回转运动11如图如图8-9C)8-9C)所示。所示。大家好18 图图8-9 PUMA机器人手臂传动机构机器人手臂传动机构 1 1、10-10-大臂，大臂
25、，2 2、3 3、5 5、6 6、8 8、9 9、1414、1515、1919、2121、2222、23-23-齿轮齿轮 ，4 4、1313、1616、20-20-偏心套偏心套7 7、1111、24-24-驱动电动机驱动电动机 12-12-驱动轴驱动轴17-17-小臂小臂 18-18-腰座腰座大家好192.2.手腕手腕 手腕是连接手臂和末端执行器的部件，作用是调整或改变工件的方向，手腕是连接手臂和末端执行器的部件，作用是调整或改变工件的方向，因而具有独立的自由度。一般需要三个自由度，由因而具有独立的自由度。一般需要三个自由度，由3 3个回转关节组合个回转关节组合而成，常用的组合结构如图而成，常
26、用的组合结构如图8-108-10所示。各回转方向的名称如下：所示。各回转方向的名称如下：臂转臂转:绕小劈轴线方向的旋转称臂转。绕小劈轴线方向的旋转称臂转。腕摆腕摆:使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。使末端执行器相对于手臂进行的摆动称腕摆。手转手转:使末端执行器绕自身轴线方向的旋转称手转。使末端执行器绕自身轴线方向的旋转称手转。实现手腕回转运动的机构，应用最多的是气压实现手腕回转运动的机构，应用最多的是气压(液压液压)缸。结构简单缸。结构简单,但回转角度小于但回转角度小于360360o o，并要求严格密封。若回转角度等于，并要求严格密封。若回转角度等于360360o o时可采时可采用齿轮齿
27、条或链条链轮传动。用齿轮齿条或链条链轮传动。图图8-10 8-10 腕部回转关节的组合形式腕部回转关节的组合形式大家好203.3.手部手部 手部装在操作机手腕前端，它是操作机直接执行工作的装置。手部装在操作机手腕前端，它是操作机直接执行工作的装置。根据其用途和结构的不同可以分为机械夹持器、专用工具和根据其用途和结构的不同可以分为机械夹持器、专用工具和万能手三类。多数情况下手部是为特定的用途而专门设计的，但万能手三类。多数情况下手部是为特定的用途而专门设计的，但也可设计成一种适用性较大的多用途手部。为实现快速和自动更也可设计成一种适用性较大的多用途手部。为实现快速和自动更换手部，可以采用电磁吸盘
28、或气动锁紧的接换器。换手部，可以采用电磁吸盘或气动锁紧的接换器。(1)(1)机械夹持器机械夹持器 回转式机械夹持器回转式机械夹持器 图图8-11a)8-11a)示出了楔块杠杆式回转机械夹持器。当夹持器驱动示出了楔块杠杆式回转机械夹持器。当夹持器驱动向前推动时，通过楔块向前推动时，通过楔块4 4楔面和杠杆楔面和杠杆1 1，使手爪产生夹紧动作和夹，使手爪产生夹紧动作和夹紧力；当楔块后移时靠弹黄紧力；当楔块后移时靠弹黄2 2的拉力使手爪松开。的拉力使手爪松开。同理，图同理，图8-11b8-11b）示出了滑槽杠杆式回转夹持器。图）示出了滑槽杠杆式回转夹持器。图8-11C)8-11C)示出了连杆杠杆式回
29、转夹持器，工作原理类似。示出了连杆杠杆式回转夹持器，工作原理类似。大家好21 图图8-11 8-11 回转式机械夹持器回转式机械夹持器 a)a)楔块杠杆式回转型夹持器楔块杠杆式回转型夹持器 b)b)滑槽杠杆式回转型夹持器滑槽杠杆式回转型夹持器 c)c)连杆杠杆式回转型夹持器连杆杠杆式回转型夹持器 1 1、9-9-杠杆杠杆 2 2弹簧弹簧 3-3-滚子滚子 4-4-楔块楔块 5-5-驱动器驱动器 6-6-支架支架 7 7、10-10-杆杆 8-8-圆柱销圆柱销 11-11-连杆连杆 12-12-摆动钳爪摆动钳爪 13-13-调整垫片调整垫片大家好22移动式机械夹持器移动式机械夹持器 图图8-12
30、a)8-12a)所示为齿轮齿条平行连杆式移动夹持器，电磁式驱动器所示为齿轮齿条平行连杆式移动夹持器，电磁式驱动器3 3驱驱动齿条杆动齿条杆2 2和和2 2个扇形齿轮个扇形齿轮l l，带动杆，带动杆5 5绕绕O1O1、O2O2旋转。连杆旋转。连杆5 5、6 6，钳爪，钳爪7 7和夹持器和夹持器4 4构成一平行四杆机构，驱动两钳爪作平移以夹紧和松开工件。构成一平行四杆机构，驱动两钳爪作平移以夹紧和松开工件。图图8-12b)8-12b)所示的是左右旋丝杆式移动夹持器，由电动机所示的是左右旋丝杆式移动夹持器，由电动机8 8驱动一对旋驱动一对旋向相反的丝杠向相反的丝杠9 9提供准确的移动夹紧动作。提供准
31、确的移动夹紧动作。图图8-12 移动式机械夹持器移动式机械夹持器 a)齿轮齿条平行连杆式平移夹持器 b)左右旋丝杠平移型夹持器1-扇形齿轮 2-齿条杆 3-电磁式驱动器 4-夹持器体 5、6-连杆 7钳爪 8-电动机 9-丝杠 10-导轨 11-钳瓜杆大家好23内撑式机械夹持器内撑式机械夹持器 内撑式机械夹持器采用四连内撑式机械夹持器采用四连杆机构传递撑紧力，如图杆机构传递撑紧力，如图8-138-13所示。所示。其撑紧方向与上述两种方式其撑紧方向与上述两种方式的外夹式相反。钳爪的外夹式相反。钳爪3 3从工件内从工件内孔撑紧工件，为使撑紧后能准孔撑紧工件，为使撑紧后能准确地用内孔定位，多采用三个
32、确地用内孔定位，多采用三个钳爪钳爪(图中只画了两个图中只画了两个)。图图8-13 内撑连杆杠杆式夹持器内撑连杆杠杆式夹持器 1-驱动器驱动器 2-杆杆 3-钳爪钳爪大家好24(2)(2)专用工具专用工具n专用工具是供工业机器人完成某类特定的作业之用。如专用工具是供工业机器人完成某类特定的作业之用。如吸附手、喷枪、焊枪等。吸附手、喷枪、焊枪等。图图8-14 8-14 工业机器人专用工具工业机器人专用工具 a)a)真空吸附手真空吸附手 b)b)喷枪喷枪 C)C)空气袋膨胀手空气袋膨胀手 d)d)弧焊焊枪弧焊焊枪 e)电磁吸附手电磁吸附手 f)f)点焊枪点焊枪大家好258.3 8.3 工业机器人的控
33、制系统工业机器人的控制系统8.3.1 8.3.1 工业机器人控制系统的特点和要求工业机器人控制系统的特点和要求 1.1.工业机器人控制系统的特点工业机器人控制系统的特点 工业机器人有若干个关节，典型工业机器人有五至六个关节，工业机器人有若干个关节，典型工业机器人有五至六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。协同工作。工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐动或连续轨迹运动，对工业
34、机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。标变换运算，以及矩阵函数的逆运算。工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、分析，采用计算机建立庞大的
35、信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。大家好26 2.2.对工业机器人控制系统的基本要求对工业机器人控制系统的基本要求 实现对工业机器人的位姿、速度、加速度等的控制功能实现对工业机器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，对于连续，对于连续轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹的规划与控制功能。方便的人方便的人-机交互功能。机交互功能。操作人员采用直接指令代码对工业机器人操作人员采用直接指令代码对工业机器人进行作业指示。使工业机器人具有作业知识
36、的记忆、修正和工作程序进行作业指示。使工业机器人具有作业知识的记忆、修正和工作程序的跳转功能。的跳转功能。具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。具有对外部环境（包括作业条件）的检测和感觉功能。为使工业机为使工业机器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应能对视觉、力觉、器人具有对外部状态变化的适应能力，工业机器人应能对视觉、力觉、触觉等有关信息进行检测、识别、判断、理解等功能。在自动生产线触觉等有关信息进行检测、识别、判断、理解等功能。在自动生产线中，工业机器人应有与其它设备交换信息，协调工作的能力。中，工业机器人应有与其它设备交换信息，协调工作的能力。具有诊断、故障监视等功能。
37、具有诊断、故障监视等功能。目前大部分工业机器人都采用二级计目前大部分工业机器人都采用二级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级。算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级。主控制级由主控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用以接受主控制级由主控制计算机及示教盒等外围设备组成，主要用以接受作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机、每一伺服控伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机、每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算级向各关节发出的位置、制系统对应一定关节
38、，用于接收主控制计算级向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。大家好278.3.2 8.3.2 工业机器人控制系统的分类工业机器人控制系统的分类 控制系统可以从不同角度进行分类，如按控制运动的方式分为关节运控制系统可以从不同角度进行分类，如按控制运动的方式分为关节运动控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式可分为点动控制、笛卡尔空间运动控制和自适应控制；按轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式可分为速度控制、加速度控制、位控制和连续轨迹控制；按速度控制方式可分为速度控制、加速度控制、力
39、控制。例如按发展阶段可作以下分类：力控制。例如按发展阶段可作以下分类：(1)(1)程序控制系统程序控制系统 目前工业用的绝大多数第一代机器人属于程序控制机器人，其系统结目前工业用的绝大多数第一代机器人属于程序控制机器人，其系统结构如图构如图8-158-15所示，包括程序控制器、信息处理器和放大执行装置。系统所示，包括程序控制器、信息处理器和放大执行装置。系统输出量输出量X X为操作机构运动状态，一般为各关节的转角或位移；给定量为操作机构运动状态，一般为各关节的转角或位移；给定量G G是是输出量输出量X X的要达到的目标值，通常是以程序形式给出的时间函数；的要达到的目标值，通常是以程序形式给出的
40、时间函数；U U是控是控制器输出，作用于操作机的输入端。制器输出，作用于操作机的输入端。G G的给定可以通过计算工业机器人的的给定可以通过计算工业机器人的运动规迹来编制程序，也可通过示教法来编制程序。运动规迹来编制程序，也可通过示教法来编制程序。图图8-15 8-15 程序控制系统程序控制系统大家好28(2)(2)自自适应性控制系统适应性控制系统 自自适应性控制系统多用于第二代工业机器人，即具有知觉的工业机适应性控制系统多用于第二代工业机器人，即具有知觉的工业机器人，它具有力觉、触觉或视觉等功能。这类控制系统一般不事先给出器人，它具有力觉、触觉或视觉等功能。这类控制系统一般不事先给出运动规迹，
41、由系统根据外界环境的瞬时状态变化即对控制系统的扰动量运动规迹，由系统根据外界环境的瞬时状态变化即对控制系统的扰动量来进行实时控制，见图来进行实时控制，见图8-168-16。图中图中F是外部扰动向量，代表外部环境条件的变化；是外部扰动向量，代表外部环境条件的变化；G是给定量是机是给定量是机器人的目标值；控制器输出值器人的目标值；控制器输出值U根据操作机与目标值之间坐标的偏差值根据操作机与目标值之间坐标的偏差值而变化，从而控制操作机运动。显然，此类系统比程序控制系统复杂。而变化，从而控制操作机运动。显然，此类系统比程序控制系统复杂。图图8-16 8-16 自适应控制系统自适应控制系统大家好29(3
42、)(3)智能控制系统智能控制系统 智能控制系统是最高级、最完善的控制系统，在外界环境变化不定智能控制系统是最高级、最完善的控制系统，在外界环境变化不定的条件下，为保证所要求的品质，控制系统的结构和参数能自动改变。的条件下，为保证所要求的品质，控制系统的结构和参数能自动改变。其系统框图见其系统框图见8-178-17。智能控制系统具有检测所需新信息的能力，并能通过学习和积累经智能控制系统具有检测所需新信息的能力，并能通过学习和积累经验不断完善计划，该系统在其种程度上模拟了人的智力活动过程。具验不断完善计划，该系统在其种程度上模拟了人的智力活动过程。具有智能控制系统的工业机器人为第三代工业机器人。有
43、智能控制系统的工业机器人为第三代工业机器人。图图8-17 8-17 智能控制系统智能控制系统大家好30 目前大部份工业机器人都采用两级计算机控制，第一级为主控制级，目前大部份工业机器人都采用两级计算机控制，第一级为主控制级，第二级为伺服控制级，系统框图如图第二级为伺服控制级，系统框图如图8-188-18所示。所示。主控制级由主控制计算机及示教盒等外部设备组成，主要用以接受主控制级由主控制计算机及示教盒等外部设备组成，主要用以接受作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。作业指令，协调关节运动，控制运动轨迹，完成作业操作。伺服控制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机，每一伺服控伺服控
44、制级为一组伺服控制系统，其主体亦为计算机，每一伺服控制系统对应一定关节，用于接收主控制计算机向各关节发出的位置、速制系统对应一定关节，用于接收主控制计算机向各关节发出的位置、速度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。度等运动指令信号，以实时控制操作机各关节的运行。8.3.3 工业机器人控制系统的构成工业机器人控制系统的构成图图8-18 工业机器人两级计算机控制系统构成原理框图工业机器人两级计算机控制系统构成原理框图大家好311.1.主控制级主控制级 主控制级的功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业主控制级的功能是建立操作和工业机器人之间的信息通道，传递作业指令和参数，反馈工
45、作状态，完成作业所需的各种计算，建立与伺服控指令和参数，反馈工作状态，完成作业所需的各种计算，建立与伺服控制级之间的接口。它由以下几个部纷组成：制级之间的接口。它由以下几个部纷组成：（1 1）主控制计算机）主控制计算机 主要完成从作业任务、运动指令到关节运动之间的全部运算以及各设主要完成从作业任务、运动指令到关节运动之间的全部运算以及各设备之间的运动协调。对主控计算机硬件的要求是：要有相应的运算速度、备之间的运动协调。对主控计算机硬件的要求是：要有相应的运算速度、运算精度、存储容量和中断处理能力。运算精度、存储容量和中断处理能力。（2 2）主控制软件）主控制软件 主控制软件主要包括：指令的的分
46、析和解释即编译程序；运动的规划主控制软件主要包括：指令的的分析和解释即编译程序；运动的规划程序程序(根据运动轨迹规划出沿轨迹的运动参数根据运动轨迹规划出沿轨迹的运动参数)；插补计算程序；插补计算程序(求取直求取直线或圆弧的运动规迹，两坐标点之间的加密点数据线或圆弧的运动规迹，两坐标点之间的加密点数据)及坐标变换程序等。及坐标变换程序等。（3 3）外围设备）外围设备 主控制级外围设备除具有显示器、控制键盘、硬盘、和打印机等一般主控制级外围设备除具有显示器、控制键盘、硬盘、和打印机等一般设备外，还具有示教控制盒。设备外，还具有示教控制盒。大家好32（4 4）示教控制盒）示教控制盒 示教控制盒是第一
47、代机器人示教控制盒是第一代机器人-示教再现工业机器人操作的重要外示教再现工业机器人操作的重要外围设备。围设备。要使工业机器人具有完成预定作业任务的功能，须将预先要要使工业机器人具有完成预定作业任务的功能，须将预先要完成的作业教给机器人，这一操作过程称为完成的作业教给机器人，这一操作过程称为“示教示教”。将示教内容由计算机记忆下来，称为将示教内容由计算机记忆下来，称为“存储存储”。工业机器人按存储。工业机器人按存储的示教内容进行动作，称为的示教内容进行动作，称为“再现再现”。工业机器人的动作就是通过。工业机器人的动作就是通过“示教示教-存储存储-再现再现”的过程来实现的。示教主要两种方式，即间接
48、示的过程来实现的。示教主要两种方式，即间接示教和直接示教方式。教和直接示教方式。图图8-19 8-19 工业机械手控制示教方式工业机械手控制示教方式a)手把手示教 b)示教盒示教大家好33n 间接示教方式间接示教方式-是一种人工数据输入编程方式。将数据、图形等是一种人工数据输入编程方式。将数据、图形等与作业有关的指令信息，采用工业计算机编程语言进行离线编程方与作业有关的指令信息，采用工业计算机编程语言进行离线编程方法，再通过键盘、图像读取装置等输入设备输入计算机。法，再通过键盘、图像读取装置等输入设备输入计算机。n 直接示教方式直接示教方式-是一种在线示教方法。它又可分两种形式：手是一种在线示
49、教方法。它又可分两种形式：手把手示教和示教盒示教方式。把手示教和示教盒示教方式。n 手把手示教方式手把手示教方式-就是由操作人员直接利用示教手柄，操作机就是由操作人员直接利用示教手柄，操作机器人完成预定作业的全部运动器人完成预定作业的全部运动(路径和姿态路径和姿态)，如图，如图8-19a)8-19a)所示。所示。n 示教编程方式示教编程方式-是利用示教盒进行的，如图是利用示教盒进行的，如图8-19b)8-19b)所示。示教所示。示教盒是一种以微处理器为基础编的程装置，如图盒是一种以微处理器为基础编的程装置，如图8-208-20所示。示教盒面所示。示教盒面板上有一组控制操作机运动的按钮；一组实现
50、编程与修改的按钮以板上有一组控制操作机运动的按钮；一组实现编程与修改的按钮以及运行、测试按钮等。操作示教盒相应功能按键，可控制机器人各及运行、测试按钮等。操作示教盒相应功能按键，可控制机器人各关节的单轴运动或多关节的协调运动，以预定的空间直线和曲线运关节的单轴运动或多关节的协调运动，以预定的空间直线和曲线运动规迹到达规定位置，完成示教编程操作。动规迹到达规定位置，完成示教编程操作。n 与手把手示教相比，该方法安全但编程精度不高。与手把手示教相比，该方法安全但编程精度不高。大家好34 图图8-208-20工业机器人示教盒工业机器人示教盒1-1-紧急仃紧急仃 2-2-字符数字显示字符数字显示 3-
