工业机器人概述

周德清，扬州职业学院，2014年6月1日，工业机器人概述，机械工业出版社，周德清，扬州职业学院，2014年6月2日，工业机器人，8.1工业机器人概述1。什么是机器人？工业机器人(见图8-1)“机器人”一词是人类或动物型人工机械的总称。机器人涉及机械工程、电子学、控制理论、传感器技术、计算机科学、仿生学、人工智能等学科，是典型的机电一体化系统。1987年，国际标准化组织对工业机器人进行了定义：工业机器人是一种具有受控操作和运动功能的可编程机械手，能够完成各种操作。日本工业标准JISB0134-1986定义为“一种可编程的机械装置，用于在自动控制下完成某些操作或动作功能。”图8-1工业机器人，周德清，扬州职业学院，2014年6月3日。基于上述定义，工业机器人具有以下三个重要特征：1)它是一种能够搬运材料、零件和工具或完成各种操作和动作功能的机械装置，即它是通用的。2)可重编程，程序流程多样，使人机接触和独立灵活性成为可能。3)有一个自动控制系统，可以在没有任何人参与的情况下自动完成操作和动作。周德清，扬州职业学院，2014年6月、4月和2月。工业机器人的基本参数机器人的基本参数主要包括工作空间、自由度、有效载荷、运动精度、运动特性和动态特性。一般来说，机器人的自由度等于关节的数量，大多数机器人有6-8个自由度。自由度越多，机器人的功能越强。图8-2的左图显示了一个具有六个自由度的工业机器人，每个关节动作都是由电动执行器和齿轮减速传动机构实现的。六个自由度如下：手臂后掠角(左腰部或右腰部)；肩部旋转(肩部向上或向下)；肘部伸展(肘部收缩或伸展)；投球(手腕向上或向下)；偏航(手腕向左或向右转动)；滚动(手腕顺时针或逆时针转动)。周德清，扬州职业学院，2014年6月、5月和3月。工业机器人的组成和分类(1)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、传感器检测系统和输入/输出接口组成。如图8-2所示。图8-2工业机器人构成，周德清，扬州职业学院，2014年6月和6月。机械机械手是工业机器人完成操作的执行机构。它具有与手臂类似的动作功能，是一种能够抓取物体并将其放入空间或执行其他操作的机械装置。包括底座、立柱、手臂、手腕、手等。有时，为了增加工作空间，在机座上安装行走机构来实现移动功能，如轮式、履带式和脚腿式。驱动系统是指驱动致动器的传动装置。它由驱动器、减速器、检测元件等部件组成。根据不同的驱动器，它可以分为电动，液压和气动驱动系统。计算机控制系统是工业机器人的核心部分，其功能是控制机械手按照所需的顺序沿着指定的位置或轨迹移动。从控制系统的组成来看，有开环控制系统和闭环控制系统；从控制方式来看，有程序控制系统、自适应控制系统和智能控制系统。周德清，扬州职业学院，2014年6月7日，为了使机器人能够获取周边环境的信息，除了关节伺服驱动系统的位置传感器(如安装在同轴电机上的光电编码器)之外，有时还配有视觉、力、触摸和接近等各种类型的传感器，以及信号转换和采样处理。输入输出接口还应具有各种通信接口和人机通信装置，以便机器人与外围系统和相应的操作进行通信。例如，可编程控制器控制系统中使用的RS-232、RS-485等异步通信接口模块可以实现可编程控制器与可编程控制器之间、可编程控制器与上位机之间、可编程控制器与现场设备之间或远程输入输出之间的信息交换，此外还包括语言合成、识别技术和多媒体它主要由两部分组成：第一，感觉系统(硬件)。主要依靠各种传感器来实现其感官功能；第二，决策和规划系统(软件)。包括编辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。周德清，扬州职业学院，2014年6月8日，(2)工业机器人分类1)按操作机构的坐标形式分类，指操作机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。笛卡尔工业机器人、圆柱形工业机器人、球形工业机器人、多关节工业机器人、平面关节工业机器人，扬州职业学院周德清，2014年6月9日，图8-3。1)笛卡儿工业机器人的运动部分按操作机构的坐标形式分类，由三个相互垂直的直线运动组成，如图8-3所示，其工作空间为矩形。每个轴向的移动距离可以在每个坐标轴上直接读出，直观；位置和姿态易于编程和计算，定位精度最高，解耦控制，结构简单。然而，由于机体占用空间大，运动范围小，灵活性差，很难与其他工业机器人协调。周德清，扬州职业学院，2014年6月10日，图8-4。圆柱形工业机器人的运动形式是由一个旋转和两个运动组成的运动系统实现的，其工作空间是圆柱形的，如图8-4所示。与笛卡儿工业机器人相比，在相同的工作空间条件下，机身体积小，移动范围大，其位置精度仅次于笛卡儿工业机器人，难以与其他机器人协调。周德清，扬州职业学院，2014年6月11日，图8-5球坐标工业机器人，又称极坐标工业机器人，其手臂运动由两次旋转和一次直线运动组成，如图8-5所示。它的工作空间是一个球体，可以上下俯仰，在地面或较低位置抓取工件。它具有结构紧凑、工作空间大的特点，可以与其他工业机器人协调工作。它的位置精度是可以接受的，位置误差与臂长成正比。周德清，扬州职业学院，2014年6月12日，图8-6多关节工业机器人，又称旋转坐标工业机器人，手臂与人体上肢相似，前三个关节为旋转副。工业机器人由立柱和大大小小的手臂组成。立柱和大臂之间形成肩关节，大臂和小臂之间形成肘关节，可以使大臂摆动和俯仰，如图8-6所示。它结构紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，可与其他工业机器人协调工作。然而，位置控制的精度低，存在平衡问题，并且控制耦合复杂。目前，这种机器人被广泛使用。周德清，扬州职业学院，2014年6月13日，图8-7。平面关节式工业机器人采用一个移动关节和两个旋转关节，移动关节上下运动，两个旋转关节控制前后和左右运动，如图8-7所示。这种工业机器人也被称为SCARA组装机器人。它在水平方向是柔性的，在垂直方向是刚性的。它结构简单，运动灵活，主要用于装配作业，尤其适用于小尺寸零件的插接装配，如广泛用于电子行业零件的插接装配。周德清，扬州职业学院，2014年6月-4月)点对点控制工业机器人采用点对点控制模式，只在目标点精确控制工业机器人的手部位置和姿态，满足预定的操作要求，但不严格控制点与点之间的运动过程。目前使用的工业机器人大多属于点控制模式，如装卸机器人、点焊机器人等。连续轨迹同时控制工业机器人的各个关节做受控运动，精确控制工业机器人的手按照预设的轨迹和速度运动，手的姿态也可以通过腕关节的运动来控制。弧焊、喷漆和检测机器人都属于连续轨迹控制周德清，扬州职业学院，2014年6月，5月，3月)驱动方式分类气动工业机器人利用压缩空气驱动机械手。其优点是气源方便，动作迅速，结构简单，成本低，无污染，适用于防爆环境。缺点是空气是可压缩的，这导致工作速度稳定性差。此外，由于气源压力只有6千帕左右，抓举力很小，一般只有几十牛顿，最大值超过100牛顿。由于液压工业机器人的液压高于气压，一般在70KPa左右，因此液压机器人具有很大的抓取能力，可以达到几千牛顿。这种工业机器人结构紧凑、传动稳定、动作灵敏，但对密封要求高，不适合在高温、低温和易燃易爆环境下工作。电动工业机器人是目前应用最广泛的工业机器人。不仅有多种电机，而且它们还为工业机器人设计提供了多种选择；并且可以使用多种灵活的控制方法。早期采用步进电机驱动，后来发展了DC伺服驱动单元。目前，交流伺服驱动单元发展迅速。周德清，扬州职业学院，2014年6月16日，2014年8月2日。工业机器人机械手的机械结构由底座、立柱、手臂、手腕和手组成，如图8-8所示。确定工业机器人机械手位置所需的独立运动参数的数量称为工业机器人的运动自由度。自由度取决于工作目标所需的动作。二维平面操作需要三个自由度；如果你想有随意的姿势，你至少需要六个自由度；然而，避开障碍物的工业机器人需要比六自由度更多的冗余自由度。工业机器人通常采用旋转副或移动副主动关节来实现各种自由度。图8-8工业机器人操作机构1臂2腕关节3手4柱5基扬州职业学院周德清2014年6月17日。手臂是机械手的主要运动部件，用来支撑手腕和手，调节手在空间的位置。通常，臂应该至少有三个自由度，可以是移动副和旋转副。因此，根据运动副的不同组合方案，有27种方案。机械臂的直线运动主要由液压(气动)缸驱动实现，也可以由齿条、滚珠丝杠、直线电机等实现。实现手臂旋转的方法有很多，比如蜗轮蜗杆；液压缸活塞杆上的齿条驱动齿轮；利用液压缸的活塞杆直接驱动臂转动；旋转的液压(气动)缸直接驱动手臂旋转；臂由步进电机通过齿轮传动转动；臂由DC电机通过谐波传动装置驱动旋转。彪马工业机器人是由DC伺服电机驱动的6自由度关节式工业机器人。它的大臂和小臂是由高强度铝合金制成的细臂框架状结构，所有运动都由齿轮驱动。驱动大臂的传动机构如图8-9a)所示，驱动小臂的传动机构如图8-9b)所示，腰座(转动座)的旋转运动1如图8-9C)所示。周德清，扬州职业学院，2014年6月18日，图8-9: 1，10-大臂，2，3，5，6，8，9，14，15，19，21，22，23-齿轮，4，13，16，20-偏心距PUMA机器人手臂传动机构一般需要三个自由度，由三个旋转关节组成。常用的组合结构如图8-10所示。每个旋转方向的名称如下：臂绕楔轴方向旋转：的旋转称为臂旋转。手腕摆动：使末端执行器相对于手臂的摆动称为手腕摆动。手部旋转：使得末端执行器围绕其自身轴线的旋转被称为手部旋转。最广泛使用的手腕旋转机构是气动(液压)缸。结构简单，但旋转角度小于360，需要严格密封。如果旋转角度等于360度，它可以由齿条和小齿轮或链轮驱动。图8-10腕部旋转关节组合形式，周德清，扬州职业学院，2014年6月20日和3月。手安装在机械手手腕的前端，是机械手直接工作的装置。根据它们的不同用途和结构，它们可以分为三类：机械手爪、专用工具和万能手。在大多数情况下，手是专门为特定目的而设计的，但它也可以被设计成具有很强适用性的多用途手。为了快速和自动地换手，可以使用电磁吸盘或气动锁定转换器。(1)机械夹爪旋转机械夹爪图8-11a)显示了楔形杠杆旋转机械夹爪。当夹持器被驱动向前推动时，夹持器通过楔形块4的楔形面和杠杆1产生夹紧动作和夹紧力；当楔块向后移动时，弹簧黄2的拉力会释放爪。同样，图8-11b)显示了滑槽杠杆式旋转夹爪。图8-11C)显示了连杆杠杆式旋转夹爪，其工作原理类似。周德清，扬州职业学院，2014年6月21日，图8-11旋转机械手爪A)楔形杠杆式旋转手爪B)滑槽杠杆式旋转手爪C)连杆杠杆式旋转手爪1，9杠杆2弹簧3滚轮4楔形5驱动器6支架7，10杆8圆柱销11连杆12-周德清，扬州职业学院，2014年6月22日，移动机械手爪图8-12a)显示了一个齿条齿轮平行连杆式移动手爪。电磁驱动器3驱动齿条2和两个扇形齿轮L，并驱动杆5绕O1和O2旋转。连杆5、6、夹爪7和夹具4形成平行的四杆机构，该机构驱动两个夹爪平移以夹紧和释放工件。图8-12b)示出了左右螺旋型移动夹具，其中一对旋转方向相反的螺杆9由马达8驱动，以提供精确的移动夹紧动作。图8-12移动机械手爪a)齿轮齿条平行连杆式平移手爪b)左右螺旋式平移手爪1-扇形齿轮2-齿条杆3-电磁驱动器4-手爪体5，6-连杆7爪8-电机9-丝杠10-导轨11-夹具，扬州职业学院周德清2014.6.23，内支撑式机械手爪其拧紧方向与外夹紧式相反，在上述两种情况下。钳口3从工件的内孔支撑工件。为了在支撑后用内孔精确定位工件，使用了三个夹爪(图中仅显示了两个)。图8-13内支撑连杆夹爪1-驱动器2杆3爪，周德清，扬州职业学院，2014年6月24日，(2)专用工具工业机器人使用专用工具完成特定操作。如吸附手、喷枪、焊枪等。图8-14工业机器人专用工具A)真空吸附手B)喷枪C)气囊膨胀手D)电弧焊枪E)电磁吸附手F)点焊机，扬州职业学院周德清2014.6.25.8.3工业机器人控制系统，8.3.1工业机器人控制系统的特点和要求1。工业机器人控制系统的特点工业机器人有几个关节，典型的工业机器人工业机器人的任务是要求机械手的手进行空间点运动或连续轨迹运动。为了控制工业机器人的运动，需要进行复杂的坐标变换和矩阵函数的逆运算。工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性、变参数的复杂模型，且变量之间仍然是耦合的，因此工业机器人的控制通常采用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。先进的工业机器人要求对环境条件和控制指令进行测量和分析，用计算机建立庞大的信息库，用人工智能进行控制、决策、管理和操作，并根据给定的要求自动选择最佳的控制律。周德清，扬州职业学院，2014年6月26日。工业机器人控制系统的基本要求。为了实现工业机器人的姿态、速度和加速度控制功能，具有连续轨迹运动的工业机器人还必须具有轨迹规划和控制功能。方便的人机交互功能。操作员使用直接指令代码来指示工业使工业机器人具有记忆和修正工作知识以及跳转工作程序的功能。它具有检测和感知外部环境(包括工作条件)的功能。为了制造工业机器人