工业机器人技术课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level, H P U,IRC5,Compact Controller,工 业 机 器 人 技 术 与 应 用,-,基于,IRB120,指导教师简介,王红旗，河南理工大学 电气工程与自动化学院 自动化系，博士，研究方向：机器人控制技术,邮箱：,QQ,群：,手机：,159 9379 0676,地址：电气学院 先进控制实验室（,D218,）,欢迎机械设计、机电一体化、电气（自动化）专业的学生报考我的研究生，或参与我的研究课题。,课程介绍,课程性质：实践性公共选修课,学时：,16,考核：实验（,50,）,+,理论（,30,）,+,考勤（,20,）,教学内容：,中国机器人技术的发展状况（,1,学时）,机器人技术基础（,6,学时）,工业机器人控制系统的组成、技术参数及分类（,1,学时）,机器人运动学分析（,4,学时）,机器人运动规划（,1,学时）,工业机器人实验（,9,学时）,熟悉,ABB IRB120,工业机器人控制系统（,3,学时）,IRB120,的,TCP,及重定向实验（,2,学时）,IRB120,建立工件坐标系实验（,2,学时）,IRB120,运动编程实验（,2,学时）,1,中国机器人技术的发展状况,中国，作为亚洲第三大工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域。 随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。,对于国外的先发、领先优势，我国的机器人产业的研发远远落后于美、日两国，甚至比起韩国也落后一步，尤其是在青少年中远未开展机器人的组装、制作的科学活动，这将关系到二、三十年后我国的产业发展。,近年来，国外正在兴起一个与文化产业和科学技术有紧密关系的未来产业,机器人的研究、开发及制造。参与者除了传统从事学术研究的科技工作者、大学研究梯队、企业产品的专门研究人员之外，更有一大批的青少年积极加入这一新兴的科学技术新潮流之中。,1,中国机器人技术的发展状况,与国外差距,基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从质量、产品系列，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，造成关键零部件长期依赖进口，影响了我国机器人的价格竞争力。,中国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。,认识不到位，鼓励工业机器人产业化发展的政策少。工业机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，应从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性 。,1,中国机器人技术的发展状况,我国工业机器人起步于,20,世纪,70,年代初，大致可分为三个阶段：,70,年代的萌芽期，,80,年代的开发期，,90,年代的实用化期。,在,80,年代中期，国家组织了对工业机器人的需求的行业的调研，对第二代工业机器人的需求主要集中于汽车行业（占总需要的,60%,70%,）,1985,年，工业机器人被列入了国家 “七五” 科技攻关计划研究重点，目标锁定在工业机器人基础技术、基础器件开发、搬运、喷涂和焊接机器人开发研究等五个方面。拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。 “七五” 期间，完成了示教再现式工业机器人成套技术 ，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机 。在应用方面，在第二汽车厂建立的我国第一条采用国产机器人的生产线东风系列驾驶室多品种混流机器人喷涂生产线。,1,中国机器人技术的发展状况,在基础技术研究方面，进行了机构学，控制编程，驱、传动方式，检测等基础理论与技术的研究。开发出具有国际先进水平的测量系统，编制了我国工业机器人标准体系和,12,项国标、行标。,80,年代，在国家高技术计划中，安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人，高功能装配机器人和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构，机构控制，人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究已取得一批成果。形成了京津、东北、华东、华南等机器人技术地区。,80,年代中期，我国机器人的研发单位大大小小已有,200,多家，然而，由于多半从事的是低水平、重复性的研究，全国尚无一台机器人产品问世，直至,1985,年，我国机器人才迎来了“春天”。,从,90,年代初期起，在国家 “,863”,计划支持下，我国工业机器人又在实践中迈进一大步，具有自主知识产权的点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等,7,种工业机器人产品相继问世，还实施了,100,多项机器人应用工程、建立了,20,余个机器人产业化基地。,1,中国机器人技术的发展状况,90,年代初期，主要开发了下列机器人及相关技术：,喷涂机器人。开发了交流伺服离线编程机器人，喷涂机器人（顶喷、侧喷、仿形喷）小型马达等系列产品，但还未达到产品的定型。开发了汽车喷涂生产线，马达，箱体，陶瓷等生产线的机器人应用工程，共完成,20,条生产线及工作站。,焊接机器人。进行了新机构的探索和焊缝跟踪、工装、变位机等的研究。,搬运机器人。根据用户需求，一些单位开发了码垛机器人，已在多条生产线上应用。,装配机器人及视觉、力觉等传感器技术得到高技术计划的支持，研制了高档样机，开始了工程应用。,90,年代后期，国产机器人的商品化，为产业化奠定基础。,1,中国机器人技术的发展状况,一些机器人专家认为：应继续开发和完善喷涂、点焊、弧焊、搬运等机器人系统成套应用技术，完成交钥匙工程。在掌握机器人开发和应用技术基础上，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐渐扩展到其他制造业和非制造业领域，开发第二代工业机器人及各类适合我国国情的经济型机器人，以满足不同行业多层次的需求，开展机器人柔性装配系统的研究，充分发挥工业机器人在,CIMS,（计算机集成制造系统）中的核心技术作用。嫁接国外技术，促进国际合作，促使我国工业机器人得到进一步发展，为,21,世纪机器人产业奠定更坚实的基础。,“十五” 期间是我国机器人产业发展的一个关键转折点。经过多年的研究开发，我国的机器人技术已日趋成熟；市场需求在 “十五” 初期也有了一个 “井喷式” 的发展，此外我国已经形成了几家具有一定竞争力的机器人公司和产业化基地。,1,中国机器人技术的发展状况,1980,年,研制成功中国第一台工业机器人样机。,1985,年,中国第一台水下机器人（“海人一号”）首航成功。,1986,年,中国第一台水下机器人深海试验成功。,1988,年,中国第一台中型水下机器人（“瑞康号”）投入使用。,1989,年,水下机器人首次出口美国。,1990,年,中国第一台工业机器人通用控制器研制成功。,1992,年,国产第一次应用于柔性生产线。,1993,年,中国唯一的机器人技术国家工程研究中心成立。,1994,年,中国第一台五自由度高压水切割机器人投入使用。,1994,年,中国第一台,1000,米水下机器人（“探索者”）海试成功。,1995,年,中国第一台,6000,米水下机器人（“,-,”）海试成功。,1995,年,中国首台四自由度点焊机器人开发成功，第一条点焊机器人生产线投入使用。,1995,年,自主开发的机器人技术技术出口韩国。,1997,年,具有自主版权的高性能机器人控制器小批量生产。,1997,年,自主开发的国内第一条机器人冲压自动化线用于一汽大众生产线。,1998,年,国内首台激光加工机器人开发成功。,1998,年,国内首台浇注机器人用于生产。,1998,年,中国机器人领域唯一一家通过了国际质量体系认证。,1,中国机器人技术的发展状况,我国从上世纪,80,年代开始，在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究，近,20,年来取得不少的科研成果。但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。,目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司（首钢莫特曼机器人公司）外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。,近,10,年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，我国自行制造的普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。尤其是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，使得国内企业在生产的机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。,随着中国经济持续快速的发展，劳动力过剩程度降低、单个工人成本上升、对产品质量有更高的要求、国家对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使用环境，工业机器人及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。,1,中国机器人技术的发展状况,市场特征,以汽车制造业为主的制造业发展促进了工业机器人的发展。汽车制造业属于技术、资金密集型产业，也是工业机器人应用最广泛的行业。在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。,2000,年开始，受国家宏观政策调控及居民消费水平提高的影响,我国汽车工业进入了一个高速增长期，整个行业的增产扩能增加了对工业机器人需求。,沿海经济发达地区是工业机器人的主要市场。我国工业机器人的使用集中在广东、江苏、上海、北京等地，工业机器人的拥有量占全国的一半以上，这种分布态势和增长趋势符合我国现阶段经济发展状况。,外商独资企业、中外合资企业和国有企业是工业机器人的主要客户。工业机器人属于技术含量高，价格相对昂贵的制造装备，采用工业机器人较多的企业，一般对产品的质量要求较高，企业在市场上具有更高的影响力。现阶段，工业机器人使用量最多的仍是外商独资或中外合资企业。国有企业也在加大对工业机器人的采购用于技术改造。另外,我国的民营企业正逐渐认识到工业机器人的优势，对工业机器人的采用量也在逐步增加。,国内进口工业机器人的国家和地区分布。,2001,2004,年，我国进口的工业机器人主要来自日本与台湾，,2004,年日本对华出口金额占我国进口工业机器人金额的一半。,1,中国机器人技术的发展状况,目前，国际制造业中心已经转向中国，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业，已成为我国工业发展的必由之路。作为先进制造装备之典型代表的工业机器人必将拥有一个很大的产业发展空间，市场前景广阔。但是，国外机器人巨头已经全部涌入中国，市场竞争日益加剧，所以中国未来机器人产业的发展不会一帆风顺。,国家应借鉴日本机器人产业发展的成功做法，制定机器人产业发展战略和相关政策，这是我国机器人产业发展成败之关键。,趋势,工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：,结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、,PC,化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化、作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。,1,中国机器人技术的发展状况,机器人是人造机器的 “终极” 形式。它涉及机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科的发展密切相关。,当今工业机器人的发展趋势主要有：,性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），单机价格不断下降。,机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。,控制系统向基于,PC,机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。,1,中国机器人技术的发展状况,机器人中的传感器作用日益重要，除传统的位置、速度、加速度等内部传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。,机器人化的机械正逐步兴起。从,1994,年美国开发出 “虚拟轴机床” 以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，各国纷纷探索开拓其实际应用的领域。,总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来紧凑，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。,1,中国机器人技术的发展状况,中国未来工业机器人技术发展的重点有：,危险、恶劣环境作业机器人。主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道、灾难救援等机器人。,医用及辅助医疗机器人。主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨机器人、护理机器人等。,仿生机器人。主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。,工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发和生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要途径，政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持，加大技术投入与改造。,在国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面。,2,机器人技术基础,2.1,工业机器人概况,工业机器人发展过程可以分为三代。第一代机器人是目前工业中大量使用的示教再现型机器人，它主要由夹持器、手臂、驱动器和控制器组成。第二代机器人是带感觉的机器人，它具有一些对外部信息进行反馈的能力，如力觉、触觉、视觉等。第三代是智能机器人，它能自主适应环境，具有逻辑判断和自主能力，能在未知环境中独立工作 。,2.2,工业机器人的组成,工业机器人一般由操作臂、驱动系统、控制系统和末端执行器等组成。,工业机器人的组成,操作臂,是机器人的机械主体，因任务不同具有不同的结构形式和尺寸。,控制系统,是机器人的大脑，由控制电路和软件结合起来操作机器人，并协调机器人与生产系统中的其他设备。一个完整的控制系统除了作业控制器和运动控制器外，还包括伺服控制器和多种传感器。现代机器人的电子控制装置可由可编程控制器、数控控制器或计算机构成，控制系统是决定机器人功能和水平的关键部分，也是机器人系统中更新和发展最快的部分。,驱动系统,是指驱动操作臂动作的装置，即动力装置。常用的动力源：压缩空气，压力油和电能，相应的动力装置：气缸、油缸和电机。要求装置紧凑、重量轻、惯性小、工作稳定。,末端执行器,指连接子啊操作臂腕部直接用于作业的机构，它可能是手爪、喷枪、焊枪和测量工具等等。,工业机器人技术参数,一般的技术参数有：自由度、工作范围、工作精度、最大工作速度和承载能力等。,IRB120,机器人技术参数,规格,性能,运动范围,特性,电气连接,物理特性,工作环境,工业机器人分类,按用途,点焊、弧焊、搬运、喷漆、涂胶、装配等机器人；,按,运动形式,直角坐标、极（球）坐标、圆柱坐标、关节式和组合式机器人；,按负荷,(,含工具负荷,),和工作范围,大型,-,工作负荷,110kN,，工作空间,10m3,；中型,-,工作负荷,1001000N,，工作空间,110m3,；小型,-,工作负荷,1100N,，工作空间,0.11m3;,超小型,-,工作负荷,1N,，工作空间,0.1m3,。,按自由度数,一般，,27,个；简易，,24,个；复杂，,57,个。,按编程方式,示教,-,在线式；离线编程示教式。,按控制方式,点位控制；连续轨迹控制。,按驱动方式,气动、液压驱动和电动。,工业机器人的结构形式,3,工业机器人的运动学分析,3.1,机器人位姿与齐次坐标变换,3.1.1,刚体位姿描述,3.1.2,齐次坐标变换,3.2,工业机器人运动学,3.2.1,连杆参数及关节变量,3.2.2,连杆坐标系和齐次坐标变换,3.2.3,工业机器人的运动学正解,3.2.4,工业机器人的运动学逆解,3.3,机器人的工作空间,3,工业机器人的运动学分析,3.1,机器人位姿与齐次坐标变换,机器人的位姿即机器人末端工具中心点的位置和姿态。机器人可视为由一系列连杆按照某种特殊结构形式组成的多体系统，机器人位姿的改变可用连杆坐标系之间的齐次坐标变换来表示。,3.1.1,刚体位姿描述,点的位置描述,图,3.1,空间点的位置,3,工业机器人的运动学分析,坐标轴的方向描述,图,3.2,向量的方位描述,3,工业机器人的运动学分析,刚体的位姿描述,图,3.3,刚体位姿描述,3,工业机器人的运动学分析,姿态的四元数表示,3,工业机器人的运动学分析,3.1.2,齐次变换及运算,刚体连杆的运动一般包括平移运动、旋转运动和混合运动。我们把每次简单的运动用一个变换矩阵表示，那么多次运动就可以用多个变换矩阵的积来表示，这个积的矩阵称为齐次变换矩阵。这样，用连杆的初始位姿矩阵乘以齐次变换矩阵，就可得到经过多次变换后连杆的最终位姿。,图,3.4,点平移变换,3,工业机器人的运动学分析,图,3.5,点旋转变换,3,工业机器人的运动学分析,图,3.6,一般点旋转变换,3,工业机器人的运动学分析,3.2,工业机器人运动学,机器人运动学研究各个连杆尺寸、运动副类型、杆间相互关系（位移、速度和加速度）等。末端执行器相对于固定坐标系的位姿是我们研究的重点。,2.3.1,连杆参数和关节变量,图,3.7,连杆几何参数,3,工业机器人的运动学分析,图,3.8,连杆关节参数,3,工业机器人的运动学分析,每个连杆建立一个坐标系。坐标系建立的规则：,（,1,）连杆,i,坐标系的坐标原点位于关节,i+1,轴线上，是关节,i+1,的关节轴线与,i,和,i+1,关节轴线公垂线的交点。,（,2,）,Z,轴与,i+1,关节轴线重合。,（,3,）,X,轴与,i,和,i+1,关节轴线的公垂线重合，并从关节,i,指向关节,i+1,。,（,4,）,Y,轴按右手法则确定。,各连杆坐标系建立后，坐标系,i-1,与坐标系,i,之间的变换关系就可用坐标系的平移、旋转来实现。从坐标系,i-1,与坐标系,i,的变换步骤：,3.3,连杆坐标系和齐次变换,3,工业机器人的运动学分析,3.4,机器人运动学,用,A,i,表示第,i,个连杆相对于第,i-1,个连杆的位姿变换矩阵，那么第二个连杆坐标系在固定坐标系中的位姿可表示为：,T= A,1,A,2,依此类推，对六连杆机器人，有：,T= A,1,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,该等式称为机器人的运动学方程。方程右边是从固定坐标系到末端执行器坐标系的各个连杆坐标系间的变换矩阵的连乘；左边,T,就是机器人末端执行器坐标系相对于固定坐标系的位姿矩阵，也称位姿。,3,工业机器人的运动学分析,例：,已知四轴平面关节,SCARA,机器,人如图所示，试计算：,（,1,）机器人的运动学方程；,（,2,）当关节变量取,q,i,=30,，,-60,，,120,，,90,T,时，机器人手部的位置和姿态；,（,3,）机器人运动学逆解的数学,表达式。,800,400,300,200,解：,（,1,）运动学方程,a.,建立坐标系（第一种）,机座坐标系,0,杆件坐标系,i,手部坐标系,h,x,0,z,0,x,1,z,1,x,4,h,z,4,h,800,400,300,200,x,2,z,2,x,3,z,3,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,1,）运动学方程,b.,确定参数,i,d,i,i,l,i,i,q,i,1,800,1,400,0,1,2,0,2,300,0,2,3,d,3,0,0,0,d,3,4,-200,4,0,0,4,800,400,300,200,x,0,z,0,x,1,z,1,x,2,z,2,x,3,z,3,x,4,h,z,4,h,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,1,）运动学方程,c.,相邻杆件位姿矩阵,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,1,）运动学方程,c.,相邻杆件位姿矩阵,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,1,）运动学方程,c.,相邻杆件位姿矩阵,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,1,）运动学方程,c.,相邻杆件位姿矩阵,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,1,）运动学方程,d.,建立方程,解,：,（,2,）已知,q,=30,，,-60,，,120,，,90,T,，则：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,已知运动学方程，用通式表示为：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,联立方程：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,由上面（,a,）、（,b,）两式可得,：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,由上面（,c,）、（,d,）两式平方再相加可得 ：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,由上面（,c,）、（,d,）两式展开可得,：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,由上面两式可得 ：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,由上面两式可得 ：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,已知,1,，,2,可得 ：,3,工业机器人的运动学分析,解,：,（,3,）逆解数学表达式,最后由（,e),式可得 ：,解,：,（,3,）逆解数学表达式,逆解数学表达式为：,3,工业机器人的运动学分析,4,机器人基本操作,4.1,操作中,安全措施,4.2,操作模式,4.3,建立,工作站,4.4,示教器,使用,4.5,工具和坐标系,的选择,4.6,手动操作：,单轴,、,线性,、,重定向,4.7,工件坐标系,建立,4.8 I/O,单元及信号,4.8,机器人,编程基础,4.9,编程,案例,1,、,案例,2,、,案例,3,、,案例,4,3,工业机器人的运动学分析,3,工业机器人的运动学分析,