機(jī)電一體化技術(shù)模塊六 工業(yè)機(jī)器人

1、模塊目標(biāo)模塊目標(biāo) 1.掌握工業(yè)機(jī)器人的組成和分類； 2.掌握串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、檢測機(jī)器人、搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人等四種典型工業(yè)機(jī)器人的工作原理； 3.熟悉工業(yè)機(jī)器人的定義、運(yùn)動學(xué)和力學(xué)分析； 4.了解幾種典型工業(yè)機(jī)器人的編程方式。重點(diǎn):1.工業(yè)機(jī)器人的組成和分類； 2.串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人的工作原理。難點(diǎn):1.串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、檢測機(jī)器人、搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人的工作原理； 2.典型工業(yè)機(jī)器人的編程方式。模模 塊塊 6 工業(yè)機(jī)器工業(yè)機(jī)器人人 模塊導(dǎo)學(xué)模塊導(dǎo)學(xué) 模模 塊塊 6 工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，是一種高度自動化的機(jī)電一體化設(shè)備。作為工業(yè)自動控制系

2、統(tǒng)中最常用的設(shè)備之一，在其中起著舉足輕重的作用，對于提高生產(chǎn)自動化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動條件等方面的作用尤為顯著。 本模塊內(nèi)容為串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、檢測機(jī)器人、搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人等四個單獨(dú)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例，學(xué)生主要從機(jī)電如何結(jié)合方面來分析這四個典型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。項(xiàng)目項(xiàng)目6-1串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人模模 塊塊 6項(xiàng)目思考一個完整的工業(yè)機(jī)器人的組成？串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人的分類？典型串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的動作過程？工業(yè)機(jī)器人的定義與發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的組成與分類工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)基本原理項(xiàng)目實(shí)施相關(guān)設(shè)備項(xiàng)目實(shí)踐知識分布網(wǎng)絡(luò)光伏電池片搬運(yùn)領(lǐng)域PCBA測試行

3、業(yè)的應(yīng)用知識拓展實(shí)施步驟工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)與力學(xué)分析工業(yè)機(jī)器人的控制方式工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與設(shè)計項(xiàng)目知識機(jī)器手與小型焊接、切割設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)模模 塊塊 66.1.1 6.1.1 項(xiàng)目思考（思）項(xiàng)目思考（思） 機(jī)器人(Robot)一詞來源于1920年捷克作家卡雷爾查培克(Kapelcapek)所編寫的戲劇中的人造勞動者，在那里機(jī)器人被描寫成像奴隸那樣進(jìn)行勞動的機(jī)器。現(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞。目前，機(jī)器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化設(shè)

4、備。機(jī)器人按照用途可分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人，本項(xiàng)目中，主要介紹在自動搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場中有廣泛應(yīng)用的串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人。問題思考：1.一個完整的工業(yè)機(jī)器人的組成？2.工業(yè)機(jī)器人的分類？3.典型串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的動作過程？模模 塊塊 66.1.2 6.1.2 項(xiàng)目知識（學(xué)）項(xiàng)目知識（學(xué)）知識點(diǎn)知識點(diǎn)1 1工業(yè)機(jī)器人的定義與發(fā)展：工業(yè)機(jī)器人的定義與發(fā)展： 機(jī)器人是一個在三維空間中具有較多自由度的，并能實(shí)現(xiàn)諸多擬人動作和功能的機(jī)器；而工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot）則是在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)器人，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器，是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備。 (1)美國機(jī)器人

5、工業(yè)協(xié)會（RIA）提出的工業(yè)機(jī)器人定義; (2)日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會（JIRA）的定義; (3) 我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1264390將工業(yè)機(jī)器人定義。 綜合上述，可知工業(yè)機(jī)器人具有以下幾個最顯著的特點(diǎn):（1）可以再編程。（2）擬人化。（3）通用性。（4）機(jī)電一體化。模模 塊塊 6工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展通?？蓜澐譃槿?。（1）第一代機(jī)器人 19世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了實(shí)用階段。1954年美國G.C.Devol發(fā)表了“通用機(jī)器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可進(jìn)行點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人。 （2）

6、第二代機(jī)器人 進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人有感覺的機(jī)器人。（3）第三代機(jī)器人 目前正在研究的“智能機(jī)器人”，它不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)2 2工業(yè)機(jī)器人的組成：工業(yè)機(jī)器人的組成： 工業(yè)機(jī)器人是一個機(jī)電一體化的設(shè)備。從控制觀點(diǎn)來看，一個較完善的機(jī)器人系統(tǒng)可以分成四大部分：機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)、感知反饋系統(tǒng)，如圖6-1所示。圖6-1 工業(yè)機(jī)器人的組成模模 塊塊 6工業(yè)機(jī)器

7、人的分類：工業(yè)機(jī)器人的分類： 1）按機(jī)械結(jié)構(gòu)類型分類 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可以看作是由一些連桿和關(guān)節(jié)組裝起來的。連桿和關(guān)節(jié)按照不同的坐標(biāo)形式組裝，機(jī)器人可分為五種： （1）直角坐標(biāo)式機(jī)器人 （2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人 （3）球坐標(biāo)式機(jī)器人 （4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)器人 （5）平面關(guān)節(jié)式機(jī)器人模模 塊塊 62）按驅(qū)動方式分類（1) 氣力驅(qū)動式（2）液力驅(qū)動式（3）電力驅(qū)動式（4）新型驅(qū)動方式3）按幾何結(jié)構(gòu)分類 從機(jī)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)角度可將機(jī)器人機(jī)構(gòu)分為開環(huán)機(jī)構(gòu)和閉環(huán)機(jī)構(gòu)兩大類：以開環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人機(jī)構(gòu)原型的叫串聯(lián)機(jī)器人；以閉環(huán)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人原型的叫并聯(lián)機(jī)器人。 模模 塊塊 6圖6-4 幾種常見串聯(lián)機(jī)器人a) 6自由

8、度并聯(lián)機(jī)器人 b) 新型3自由度機(jī)器人圖6-5 兩種并聯(lián)機(jī)器人模模 塊塊 6 4）按控制方式分類 （1）點(diǎn)位控制 （2）連續(xù)軌跡控制5）按機(jī)器人的性能指標(biāo)分類（1）超大型機(jī)器人，負(fù)載能力為107N以上；（2）大型機(jī)器人，負(fù)載能力為106107N，作業(yè)空間為10m3以上；（3）中型機(jī)器人，負(fù)載能力為105106N，作業(yè)空間為110m3；（4）小型機(jī)器人，負(fù)載能力為1104 N，作業(yè)空間為0.11m3；（5）超小型機(jī)器人，負(fù)載能力為1N以下，作業(yè)空間為0.1m3以下。 6）按用途和作業(yè)類別分類 工業(yè)機(jī)器人分為焊接機(jī)器人、沖壓機(jī)器人、澆注機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、切削加工機(jī)器人、檢

9、測機(jī)器人、采掘機(jī)器人、水下機(jī)器人等。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)3 3 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)：工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)：自由度自由度 自由度是指機(jī)器人具有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目，一般不包括末端操作器的自由度（如手爪的開合）。關(guān)節(jié)關(guān)節(jié) 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可以看作是由一些連桿通過關(guān)節(jié)組裝起來的，如圖6-6所示。由關(guān)節(jié)完成連桿之間的相對運(yùn)動。通常有兩種關(guān)節(jié)，即轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。圖6-6 T3型工業(yè)機(jī)器人模模 塊塊 6精度精度 精度：包括定位精度和重復(fù)定位精度。工作空間工作空間 工作空間：指工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行時，其手腕參考點(diǎn)在空間所能達(dá)到的區(qū)域，用來衡量機(jī)器人工作范圍的大小。最大工作速度最大工作速度 最大工作

10、速度：廠家不同對最大工作速度規(guī)定的內(nèi)容亦有不同，有的廠家定義為工業(yè)機(jī)器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度；有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度，通常在技術(shù)參數(shù)中加以說明。承載能力承載能力 承載能力：指機(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大重量。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)4 4工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)與力學(xué)分析：工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)與力學(xué)分析： 串聯(lián)機(jī)器人是一開式運(yùn)動鏈，它是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的。已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位移值，求其手部的位姿，這稱為機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的正問題；其逆問題則是：已知手部位姿，求解各關(guān)節(jié)變量的位移值。圖6-7工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正問題和逆問題模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)

11、5 5工業(yè)機(jī)器人的控制方式：工業(yè)機(jī)器人的控制方式： 1）“示教再現(xiàn)”方式 它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機(jī)械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機(jī)器人就按照記憶周而復(fù)始地重復(fù)示教動作，。 2）“可編程控制”方式 工作人員事先根據(jù)機(jī)器人的工作任務(wù)和運(yùn)動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機(jī)器人的控制器，起動控制程序，機(jī)器人就按照程序所規(guī)定的動作一步一步地去完成，如果任務(wù)變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。 3）“遙控”方式 由人用有線或無線遙控器控制機(jī)器人在人難以到達(dá)或危險的場所完成某項(xiàng)任務(wù)。 4）“自主控制”方式 它要求機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有識別環(huán)境和自

12、主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)6 6工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與設(shè)計：工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與設(shè)計：機(jī)械設(shè)計步驟機(jī)械設(shè)計步驟（1）作業(yè)分析 作業(yè)分析包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，（2）方案設(shè)計 確定動力源； 確定機(jī)型； 確定自由度； 確定動力容量和傳動方式； 優(yōu)化運(yùn)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)； 確定平衡方式和平衡質(zhì)量； 繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。 （3）結(jié)構(gòu)設(shè)計 包括機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計，走線及電器接口設(shè)計等。（4）動特性分析 估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，確定其結(jié)構(gòu)固有頻率和響應(yīng)特性。（5）施工設(shè)計 完成施工圖設(shè)計，編制

13、相關(guān)技術(shù)文件。模模 塊塊 6機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇 機(jī)器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。 （1）集中控制方式 （2）主從控制方式 （3）分散控制方式工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）驅(qū)動傳動系統(tǒng)的構(gòu)成 在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運(yùn)動。（2）驅(qū)動器的類型和特點(diǎn)電動驅(qū)動器電動驅(qū)動器 電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。液壓驅(qū)動器液壓驅(qū)動器 液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)

14、緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。氣動驅(qū)動器氣動驅(qū)動器 氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。 模模 塊塊 6（3）機(jī)器人的常用傳動機(jī)構(gòu) 工業(yè)機(jī)器人對傳動機(jī)構(gòu)的基本要求： 結(jié)構(gòu)緊湊； 傳動剛度大； 回差??； 壽命長、價格低。 機(jī)器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機(jī)構(gòu)，其中最常用的為諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。 1）諧波傳動 諧波傳動是利用一個構(gòu)件的可控制的彈性變

15、形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的傳遞。 2）RV擺線針輪傳動 RV擺線針輪傳動裝置，是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪減速器組合而成的。 3）滾動螺旋傳動 滾動螺旋傳動是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當(dāng)?shù)臐L珠。使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種螺旋傳動。模模 塊塊 6工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計 1工業(yè)機(jī)器人的手臂和機(jī)座 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和移動裝置組成。 1）設(shè)計要求 （1)手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 （2)機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 2） 典型結(jié)構(gòu) 電動機(jī)驅(qū)動機(jī)械傳動圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂和機(jī)座結(jié)構(gòu)，如圖6-12所示。圖6-12 圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人手臂

16、和機(jī)座結(jié)構(gòu)模模 塊塊 63）工業(yè)機(jī)器人的手腕 手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，如圖6-13所示。圖6-13 手腕的三個自由度（1）設(shè)計要求 力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，為減輕其質(zhì)量和體積； 自由度愈多，運(yùn)動范圍愈大，動作靈活性愈高，機(jī)器人對作業(yè)的適應(yīng)能力愈強(qiáng)； 提高傳動剛度，盡量減少反轉(zhuǎn)誤差； 對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機(jī)械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。模模 塊塊 6（2）手腕的結(jié)構(gòu)用擺動液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的手腕結(jié)構(gòu)，如圖6-14所示。圖6-14 用擺動液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的手腕結(jié)構(gòu)模模 塊塊 6（3）工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器 分類和設(shè)計要求 根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)的不同可以分為機(jī)械式夾持

17、器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。 設(shè)計末端執(zhí)行器時，要求：滿足作業(yè)需要的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度；盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，以減輕手臂的負(fù)荷。 機(jī)械式夾持器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的機(jī)械夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運(yùn)動方式可分為平移型和回轉(zhuǎn)型，圖6-15 滑槽杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器 吸附式末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計 吸附式末端執(zhí)行器（又稱吸盤），有氣吸式和磁吸式兩種。模模 塊塊 66.1.3 6.1.3 項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)項(xiàng) 目目 要要 求求1.了解串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成；2.掌握串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的工作原理；3.熟悉串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的性能指標(biāo)；4.掌握串

18、聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的基本功能及示教運(yùn)動過程。項(xiàng)項(xiàng) 目目 實(shí)實(shí) 施施 1.1.基本原理基本原理 本項(xiàng)目所使用的機(jī)器人為蘇州博實(shí)機(jī)器人技術(shù)有限公司開發(fā)的6自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)式機(jī)器人RBT-6T/S02S，其軸線相互平行或垂直，能夠在空間內(nèi)進(jìn)行定位，采用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)混合驅(qū)動，主要傳動部件采用可視化設(shè)計，控制簡單，編程方便，它是一個多輸入多輸出的動力學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)，是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計的理想平臺。它具有高度的能動性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計的理想對象。 整個系統(tǒng)包括機(jī)器人1臺、控制柜1臺、控制卡2塊、實(shí)驗(yàn)附件1套（包括軸、套）和機(jī)器人控制軟件1套（實(shí)驗(yàn)設(shè)備用戶可選）。 機(jī)器人采用

19、串聯(lián)式開鏈結(jié)構(gòu)，即機(jī)器人各連桿由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)連接， 機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)混合驅(qū)動，并通過Windows環(huán)境下的軟件編程和運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制，使機(jī)器人能夠在工作空間內(nèi)任意位置精確定位。模模 塊塊 6圖6-16 機(jī)器人結(jié)構(gòu)模模 塊塊 6機(jī)器人技術(shù)參數(shù)如表6-1所示。表6-1 機(jī)器人技術(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)關(guān)節(jié)式驅(qū)動方式步進(jìn)伺服混合驅(qū)動負(fù)載能力6Kg重復(fù)定位精度0.08mm動作范圍關(guān)節(jié)-150 150關(guān)節(jié)-150 -30關(guān)節(jié)-70 50關(guān)節(jié)-150 150關(guān)節(jié)-90 90關(guān)節(jié)-180 180最大速度關(guān)節(jié)60o / S關(guān)節(jié)60o / S關(guān)節(jié)60o / S關(guān)節(jié)60o / S

20、關(guān)節(jié)60o / S關(guān)節(jié)120o / S最大展開半徑870mm高度1150mm本體重量100Kg操作方式示教再現(xiàn)/編程電源容量單相220V 50Hz 4A模模 塊塊 62 2項(xiàng)目實(shí)施相關(guān)設(shè)備項(xiàng)目實(shí)施相關(guān)設(shè)備 1.RBT-6T/S02S機(jī)器人一臺； 2.RBT-6T/S02S機(jī)器人控制柜一臺； 3.裝有運(yùn)動控制卡和控制軟件的計算機(jī)一臺； 4.軸和軸套各一個。3. 3. 實(shí)施步驟實(shí)施步驟 （1）連接好氣路，啟動氣泵到預(yù)定壓力； （2）啟動計算機(jī)，運(yùn)行機(jī)器人軟件，出現(xiàn)如圖6-17所示主界面； （3）接通控制柜電源，按下“啟動”按鈕；圖6-17 主界面模模 塊塊 6 （4）點(diǎn)擊主界面“機(jī)器人復(fù)位”按鈕，

21、機(jī)器人進(jìn)行回零運(yùn)動。觀察機(jī)器人的運(yùn)動，六個關(guān)節(jié)全部運(yùn)動完成后，機(jī)器人處于零點(diǎn)位置； （5）點(diǎn)擊“關(guān)節(jié)示教”按鈕，出現(xiàn)如圖6-18所示界面，按下“打開”按鈕，在機(jī)器人軟件安裝目錄下選擇示教文件BANYUN.RBT6，示教數(shù)據(jù)會在示教列表中顯示； （6）裝配操作演示，在2個支架的相應(yīng)位置上分別放置軸和軸套，然后按下“再現(xiàn)”按鈕，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)裝配動作； （7）運(yùn)動完畢后，按下“復(fù)位”按鈕，機(jī)器人回到零點(diǎn)位置，關(guān)閉對話框； （8）如果想再做一次裝配動作，把軸放回相應(yīng)位置，按下“再現(xiàn)”按鈕即可； （9）點(diǎn)擊“機(jī)器人復(fù)位”按鈕，使機(jī)器人回到零點(diǎn)位置； （10）按下控制柜上的“停止”按鈕，斷開控制柜電源； （

22、11）退出機(jī)器人軟件，關(guān)閉計算機(jī)。圖6-18 關(guān)節(jié)示教界面模模 塊塊 6項(xiàng)項(xiàng) 目目 總總 結(jié)結(jié) 通過本項(xiàng)目使學(xué)生了解串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成，掌握其工作原理、基本功能以及示教運(yùn)動過程。通過項(xiàng)目實(shí)施步驟，熟悉RBT-6T/S02S機(jī)器人的控制形式，及其控制軟件的“機(jī)器人復(fù)位”、“關(guān)節(jié)示教”、“復(fù)位”等基本操作。項(xiàng)項(xiàng) 目目 評評 價價表6-2 項(xiàng)目評價表項(xiàng)目目標(biāo)分值評分得分機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的認(rèn)識1.正確認(rèn)識機(jī)械手各關(guān)節(jié)組成2.熟悉各關(guān)節(jié)技術(shù)參數(shù)50不正確，扣510分機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件連接將機(jī)器人與控制計算機(jī)正確連接20不正確，扣510分實(shí)驗(yàn)動作的運(yùn)行正確完成實(shí)施步驟要求的動作30不正確，扣510分總

23、分100模模 塊塊 66.1.4 6.1.4 知識拓展（拓）知識拓展（拓）工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用行業(yè)與案例工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用行業(yè)與案例1.光伏電池片搬運(yùn)領(lǐng)域2.PCBA測試行業(yè)的應(yīng)用3.機(jī)器手與小型焊接、切割設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)模模 塊塊 6項(xiàng)目項(xiàng)目6-2 6-2 并聯(lián)機(jī)器人并聯(lián)機(jī)器人項(xiàng)目思考并聯(lián)機(jī)器人的類型？并聯(lián)機(jī)器人一個完整的并聯(lián)機(jī)器人的組成？典型DELTA機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程？并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)分析與控制定平臺的設(shè)計驅(qū)動桿的設(shè)計項(xiàng)目知識項(xiàng)目實(shí)踐知識分布網(wǎng)絡(luò)模擬運(yùn)動對接動作裝置知識拓展從動桿的設(shè)計DELTA機(jī)構(gòu)介紹動平臺的設(shè)計并聯(lián)機(jī)床模模 塊塊 66.2.1 6.2.1 項(xiàng)

24、目思考（思）項(xiàng)目思考（思） 近年來并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，在某些方面它具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)所無法相比的優(yōu)點(diǎn)，因而擴(kuò)大了機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有剛度大、動態(tài)性能優(yōu)越、誤差小、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)，眾多研究機(jī)構(gòu)和制造企業(yè)都看好其在制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景。目前多種并聯(lián)機(jī)器人已經(jīng)被設(shè)計和開發(fā)出來，應(yīng)用的領(lǐng)域涉及機(jī)床、定位裝置、娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生等。 本項(xiàng)目主要對并聯(lián)機(jī)器人分類和應(yīng)用做了簡要分析和概括，對其機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、系統(tǒng)控制策略等關(guān)鍵技術(shù)做了概括性分析，并以三自由度并聯(lián)機(jī)器人-DELTA機(jī)構(gòu)平臺為例，對并聯(lián)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用作了重點(diǎn)介紹。

25、問題思考： 1. 并聯(lián)機(jī)器人的類型？ 2. 一個完整的并聯(lián)機(jī)器人的組成？ 3. 典型DELTA機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程？模模 塊塊 66.2.2 6.2.2 項(xiàng)目知識（學(xué)）項(xiàng)目知識（學(xué)）知識點(diǎn)知識點(diǎn)1 1并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況：并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況：并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel Mechanism）是一組由兩個或兩個以上的分支機(jī)構(gòu)通過運(yùn)動副按一定的方式連接而成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是所有分支機(jī)構(gòu)可以同時接受驅(qū)動器輸入，而最終共同給出輸出。組成并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副可分為簡單運(yùn)動副和復(fù)雜運(yùn)動副兩大類。 圖6-22 Stewart平臺機(jī)構(gòu)模模 塊塊 6并聯(lián)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其動

26、平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少2個獨(dú)立的運(yùn)動鏈與機(jī)架相聯(lián)接，必備的要素如下：末端執(zhí)行器必須具有運(yùn)動自由度；這種末端執(zhí)行器通過幾個相互關(guān)聯(lián)的運(yùn)動鏈或分支與機(jī)架相聯(lián)接；每個分支或運(yùn)動鏈由惟一的移動副或轉(zhuǎn)動副驅(qū)動。 與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機(jī)等通用組件組成。 除了在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中更是有串聯(lián)機(jī)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢。其主要優(yōu)點(diǎn)如下： （1）剛度質(zhì)量比大。 （2）動態(tài)性能優(yōu)越。 （3）運(yùn)動精度高。 （4）多功能靈活性強(qiáng)。 （5）使用壽命長。模模 塊塊 6并聯(lián)機(jī)構(gòu)種類并聯(lián)機(jī)構(gòu)種類 從已經(jīng)問世的并聯(lián)機(jī)

27、構(gòu)來看，其中2自由度的占有10.5%，3、6自由度的各占40%，4自由度的占6%，5自由度的占3.5%。圖6-23 天津大學(xué)研制的二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)Diamond機(jī)器人圖6-24 Delta三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)2 2并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論：并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論：運(yùn)動學(xué)運(yùn)動學(xué) 關(guān)于并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)問題可分成兩個子問題：正向運(yùn)動學(xué)問題和逆向運(yùn)動學(xué)問題。當(dāng)給定并聯(lián)機(jī)器人上平臺的位姿參數(shù)，求解各輸入關(guān)節(jié)的位置參數(shù)是并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)位置反解問題；當(dāng)給定并聯(lián)機(jī)器人各輸入關(guān)節(jié)的位置參數(shù)求解上平臺的位姿參數(shù)是并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)正解問題。 由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置正解的難度較大，其中一種比

28、較有效的方法是采用數(shù)值方法求解一組非線性方程，從而求得與輸入對應(yīng)的動平臺的位置和姿態(tài)。 解析法是通過消元法消去機(jī)構(gòu)約束方程中的未知數(shù)，從而獲得輸入輸出方程中僅含一個未知數(shù)的高次多項(xiàng)式。 為了克服非線性方程組數(shù)值解法的復(fù)雜性，有一些學(xué)者應(yīng)用遺傳算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用這些非數(shù)值并行算法來解決6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置正解問題。模模 塊塊 6奇異位形奇異位形 奇異位形是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究的又一項(xiàng)重要內(nèi)容，同串聯(lián)機(jī)器人一樣，并聯(lián)機(jī)器人也存在奇異位形，當(dāng)機(jī)構(gòu)處于奇異位形時其Jacobian矩陣為奇異陣，行列式值為零，此時機(jī)構(gòu)速度反解不存在，存在某些不可控的自由度。另外當(dāng)機(jī)構(gòu)處于奇異位形附近時，關(guān)節(jié)驅(qū)動力

29、將趨于無窮大從而造成并聯(lián)機(jī)器人的損壞，因此在設(shè)計和應(yīng)用并聯(lián)機(jī)器人時應(yīng)避開奇異位形。工作空間工作空間 工作空間分析是設(shè)計并聯(lián)機(jī)器人操作器的首要環(huán)節(jié)，機(jī)器人的工作空間是機(jī)器人操作器的工作區(qū)域，它是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，并聯(lián)機(jī)器人的一個最大的弱點(diǎn)就是空間小，應(yīng)該說這是一個相對的概念。同樣的機(jī)構(gòu)尺寸，串聯(lián)機(jī)器人工作空間大，并聯(lián)機(jī)構(gòu)??；具備同樣的工作空間，串聯(lián)機(jī)構(gòu)小，并聯(lián)機(jī)構(gòu)大，由此可見開發(fā)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間是非常重要的。 根據(jù)操作器工作時的位姿特點(diǎn)，工作空間又可分為可達(dá)工作空間和靈活工作空間。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)3 3并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)分析與控制：并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)分析與控制：動力學(xué)分析動力學(xué)分

30、析 并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)及動力學(xué)建模是并聯(lián)機(jī)器人研究的一個重要分支，其中動力學(xué)模型是并聯(lián)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)，因而在研究中占有重要的地位。動力學(xué)是研究物體的運(yùn)動和作用力之間的關(guān)系。并聯(lián)機(jī)器人的控制分析并聯(lián)機(jī)器人的控制分析 在并聯(lián)機(jī)器人控制領(lǐng)域，目前主要有PID控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)滑?？刂?。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)4 4DELTADELTA機(jī)構(gòu)介紹：機(jī)構(gòu)介紹： DELTA機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一種，它屬于少自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，于1985年首次由瑞士洛桑工學(xué)院（EPEL）的Reymond Clavel博士提出，由于該機(jī)構(gòu)的上下兩個平臺均呈三角形狀而得名。 DELTA機(jī)構(gòu)是由三組擺動桿機(jī)構(gòu)連接靜平臺和

31、動平臺的空間機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖6-25所示。圖6-25 Delta機(jī)構(gòu)示意圖模模 塊塊 66.2.3 6.2.3 項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)項(xiàng) 目目 要要 求求1.對DELTA機(jī)構(gòu)各組成部件的演示，掌握并聯(lián)機(jī)器人組裝過程；2.熟悉并聯(lián)機(jī)械人的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。項(xiàng)項(xiàng) 目目 實(shí)實(shí) 施施1 1定平臺的設(shè)計定平臺的設(shè)計 定平臺又稱基座，在結(jié)構(gòu)中屬于固定的，具體的參數(shù)見圖6-27，厚度20cm。圖6-27 定平臺設(shè)計圖模模 塊塊 62 2驅(qū)動桿的設(shè)計驅(qū)動桿的設(shè)計 具體參數(shù)為長厚寬：880mm10mm20mm。孔的參數(shù)為1010mm。材料用鋁合金，設(shè)計為桿式，質(zhì)量小，經(jīng)濟(jì)，同時也滿足載荷條件。圖6-2

32、8 驅(qū)動桿的設(shè)計圖3 3從動桿的設(shè)計從動桿的設(shè)計 具體參數(shù)為長寬高：6202010mm?？讌?shù)為1010mm。材料選用鋁合金。圖6-29 從動桿的設(shè)計圖模模 塊塊 64 4動平臺的設(shè)計動平臺的設(shè)計 參數(shù)如下圖，考慮到重量因素，采用鋁合金，切削加工。動平臺的等效圓半徑為50mm，分布角為21.5。圖6-30 動平臺的設(shè)計圖5 5鏈接銷的設(shè)計鏈接銷的設(shè)計 45號鋼，為主動桿和定平臺的連接銷：966mm。模模 塊塊 66 6球鉸鏈的選型球鉸鏈的選型 本項(xiàng)目選用球鉸鏈設(shè)計，是主要因?yàn)榍蜚q鏈的可控性，以及結(jié)構(gòu)簡單，易于裝配，且有很好的可維護(hù)性。 本項(xiàng)目選用了伯納德的SD系列球鉸鏈，相對運(yùn)動角為60。圖6

33、-31 SD系列球鉸鏈7 7墊圈的選型墊圈的選型 此處我們選用標(biāo)準(zhǔn)件。GB/T 97.1 10140HV，10.5*1.6mm。模模 塊塊 68 8電機(jī)的選型電機(jī)的選型 本項(xiàng)目的Delta機(jī)器人，主要面向工業(yè)中輕載的場合。由于需要對角度的精確控制，因此決定選用伺服電機(jī)。 在本項(xiàng)目中，電動機(jī)的功率計算如下：機(jī)構(gòu)的最高速度不超過2m/s，考慮到運(yùn)動桿件重量，摩擦力等，綜合載重5kg。則，P=FV=5kg10m/s22m/s=100W。取安全因子為1.2，則每個電機(jī)的功率為1.2100W/3=40W。故初步選用表6-3中兩款：表6-3 選用的電動機(jī)型號 考慮到經(jīng)濟(jì)原因，在其它參數(shù)相似的情況下，我們在

34、這里選擇三菱的HC-MFS/kfso53k。 9 9執(zhí)行器的設(shè)計與選型執(zhí)行器的設(shè)計與選型 考慮選用電控吸盤或機(jī)械手。模模 塊塊 6項(xiàng)項(xiàng) 目目 總總 結(jié)結(jié) 本項(xiàng)目以DELTA機(jī)構(gòu)為例，訓(xùn)練學(xué)生按照定平臺、動平臺、驅(qū)動桿及從動桿圖紙進(jìn)行實(shí)物制作，合理選用合適連接件、墊圈及電動機(jī)等。在實(shí)驗(yàn)過程中，使學(xué)生對并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，以及電動機(jī)選用等方面有較為清晰的認(rèn)識和了解。項(xiàng)項(xiàng) 目目 評評 價價表6-4 項(xiàng)目評價表項(xiàng)目目標(biāo)分值評分得分DELTA機(jī)構(gòu)定、動平臺等部分的制作正確認(rèn)識DELTA機(jī)構(gòu)各組成部分50不正確，扣510分DELTA機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝正確組裝各連接件30不正確，扣510分實(shí)驗(yàn)動作的運(yùn)行

35、正確完成DELTA機(jī)構(gòu)的正常動作20不正確，扣510分總分100模模 塊塊 66.2.4 6.2.4 知識拓展（拓）知識拓展（拓） 并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于其本身特點(diǎn),一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需很大空間的場合。主要應(yīng)用有以下幾個方面： （1）模擬運(yùn)動飛行員三維空間訓(xùn)練模擬器駕駛模擬器工程模擬器,如船用搖擺臺等檢測產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動下的運(yùn)行可靠性娛樂運(yùn)動模擬臺。 （2）對接動作宇宙飛船的空間對接汽車裝配線上的車輪安裝醫(yī)院中的假肢接骨。 （3）金屬切削加工，可應(yīng)用于各類銑床、磨床鉆床或點(diǎn)焊機(jī)、切割機(jī)。 （4）并聯(lián)機(jī)構(gòu)還可用作機(jī)器人的關(guān)節(jié)，爬行機(jī)構(gòu)，食品、醫(yī)藥包裝和移載機(jī)械手等。模模 塊

36、塊 6項(xiàng)目項(xiàng)目6-3 6-3 檢測機(jī)器人檢測機(jī)器人 項(xiàng)目思考一個完整的管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成？檢測機(jī)器人管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動方式？管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理？管道檢測機(jī)器人的發(fā)展管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動方式驅(qū)動方式的選擇移動方式的選擇項(xiàng)目實(shí)踐知識分布網(wǎng)絡(luò)管道檢測機(jī)器人的技術(shù)要點(diǎn)知識拓展控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案管道檢測機(jī)器人的移動方式管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理管道檢測機(jī)器人中的控制技術(shù)項(xiàng)目知識模模 塊塊 66.3.1 6.3.1 項(xiàng)目思考（思）項(xiàng)目思考（思） 城市的污水、天然氣輸送、工業(yè)物料運(yùn)輸、給排水和建筑物的通風(fēng)系統(tǒng)等，均使用大量復(fù)雜隱蔽的管道。對管道進(jìn)行定期維護(hù)，提高管道

37、的壽命、保持管道通暢、防止泄漏等故障的發(fā)生，就必須對管道進(jìn)行有效的檢測。長期以來，如何對管道進(jìn)行經(jīng)濟(jì)方便、快捷有效地檢測和故障的準(zhǔn)確定位，是管道系統(tǒng)維護(hù)和檢修面臨的難題。 本項(xiàng)目介紹的管道檢測機(jī)器人是一種可在管道內(nèi)、外行走的機(jī)電一體化裝置，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置(如CCD 攝像機(jī)位置和姿態(tài)傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置)，在操作人員的遠(yuǎn)距離控制下進(jìn)行一系列的管道檢測維修作業(yè)。問題思考： 1.一個完整的管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成？ 2.管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動方式？ 3.管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理？ 模模 塊塊 66.3.2 6.

38、3.2 項(xiàng)目知識（學(xué)）項(xiàng)目知識（學(xué)）知識點(diǎn)知識點(diǎn)1 1管道檢測機(jī)器人的發(fā)展：管道檢測機(jī)器人的發(fā)展：1.1.國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀 從20世紀(jì)50年代起，為滿足長距離管道運(yùn)輸、檢測的需要，美、英、法等國相繼展開了管道檢測機(jī)器人的研究，其最初成果就是一種無動力的管內(nèi)檢測設(shè)備，一般譯名稱“管道豬”。 日本在管道微型檢測機(jī)器人方面的研究最為活躍和富有代表性，日本通產(chǎn)省的“微機(jī)械技術(shù)”十年計劃要制造出能進(jìn)管道檢修的智能微型機(jī)器人和能進(jìn)入人體診斷和手術(shù)的微機(jī)器人。美國加州理工學(xué)院研制了一種主動內(nèi)窺檢查微型機(jī)器人。法國在1995年已研制出直徑10mm，長度為30mm的醫(yī)用管道微型機(jī)器人。意大利開發(fā)了用于結(jié)

39、腸檢查的攜帶主動內(nèi)窺鏡的微型機(jī)器人，機(jī)器入由母體微型手臂和人機(jī)接口組成。2.2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)在管道檢測機(jī)器人方面的研究起步較晚，開始于20世紀(jì)80年代末。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、大慶石油管理局、中原油田以及勝利油田等先后參與了這方面的研究工作。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)2 2管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)； 一個完整的管道檢測機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)由移動載體（行走機(jī)構(gòu)）、管道內(nèi)部環(huán)境識別檢測系統(tǒng)（操作系統(tǒng)）、信號傳遞和動力傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。 移動載體按移動方式分，可分為輪式、履帶式、輪腿式、蠕動式等不同結(jié)構(gòu)。 一個典型的管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成如圖

40、6-37所示，由電源、驅(qū)動系統(tǒng)、采樣裝置、攝像機(jī)、傳感器、控制板等幾部分組成。圖6-37 管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框圖模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)3 3管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動方式：管道檢測機(jī)器人的驅(qū)動方式： 驅(qū)動器的選擇在很大程度上決定了管道機(jī)器人的體積、重量和性能指標(biāo)。 現(xiàn)在使用的驅(qū)動方式主要有： （1）電磁驅(qū)動。 （2）壓電驅(qū)動。 （3）形狀記憶合金。 （4）超聲波驅(qū)動。 （5）氣動驅(qū)動。 （6）人工肌肉。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)4 4管道檢測機(jī)器人的移動方式：管道檢測機(jī)器人的移動方式： 管道檢測機(jī)器人的移動方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動式、螺旋式和流體推動式等，如圖6-39所示。圖6-3

41、9 管道檢測機(jī)器人的移動方式a輪式 b履帶式 c足式 d螺旋式 e張緊式 f流體推動式 g蠕動式模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)5 5管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理：管道檢測機(jī)器人的檢測技術(shù)原理： 當(dāng)今國內(nèi)外管道檢測常用的技術(shù)手段有超聲檢測、渦流檢測、漏磁檢測、遠(yuǎn)場渦流檢測及磁記憶檢測等。漏磁檢測漏磁檢測 管道漏磁檢測的工作原理如圖6-40所示。 漏磁檢測局限于材料表面和近表面的檢測，因此，適用于薄壁的檢測，而不適于厚壁管的檢測。圖6-40 管道漏磁檢測原理模模 塊塊 6遠(yuǎn)場渦流檢測遠(yuǎn)場渦流檢測 遠(yuǎn)場渦流檢測的理論基礎(chǔ)為渦流檢測，兩者的區(qū)別在于，遠(yuǎn)場渦流探頭的激勵線圈與檢測線圈必須相距約2倍以上的管徑

42、長度，如圖6-41所示。圖6-41 遠(yuǎn)場渦流檢測原理磁記憶檢測磁記憶檢測 磁記憶檢測是利用金屬磁記憶效應(yīng)進(jìn)行檢測的，其原理是：處于地磁環(huán)境下的鐵制工件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場Hp的變化。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)6 6管道檢測機(jī)器人中的控制技術(shù)：管道檢測機(jī)器人中的控制技術(shù)： 近十年來，嵌入式系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為運(yùn)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)帶來了重大變革，產(chǎn)生了利用數(shù)字通訊的開放的分布式控制結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外的許多機(jī)器人系統(tǒng)一般都采用了分布式控制結(jié)構(gòu)。即上一級主控計算機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)管理、坐標(biāo)變換和軌跡插補(bǔ)運(yùn)

43、算等，下一級由許多微處理器組成，每一個微處理器控制一個關(guān)節(jié)運(yùn)動，它們并行的完成控制任務(wù)，因而提高了工作速度和處理能力。 機(jī)器人越來越復(fù)雜，人們對其控制的要求越來越高。機(jī)器人的控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 數(shù)學(xué)模型難建立、擾動有界但未知； 僅含有控制對象的輸入輸出數(shù)據(jù)或在操作過程中積累起來的經(jīng)驗(yàn)信息。模模 塊塊 66.3.3 6.3.3 項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)目制作（做）項(xiàng)項(xiàng) 目目 要要 求求1.熟悉履帶式管道檢測機(jī)器人的整體設(shè)計方案；2.掌握其驅(qū)動方式、移動方式、控制系統(tǒng)等的設(shè)計過程。項(xiàng)項(xiàng) 目目 實(shí)實(shí) 施施 1.1.驅(qū)動方式的選擇驅(qū)動方式的選擇 本項(xiàng)目的管道檢測機(jī)器人選用電磁驅(qū)動的驅(qū)動方式，采用微型直流電

44、動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，選用充電電池作為電源。2.2.移動方式的選擇移動方式的選擇 由于管道內(nèi)避的情況復(fù)雜，會有許多突起的障礙，管壁的環(huán)境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機(jī)器人的移動方式，結(jié)構(gòu)如圖6-42所示。圖6-42 管道檢測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖模模 塊塊 6本項(xiàng)目的履帶式機(jī)器人具有以下特點(diǎn)： 1）履帶式移動機(jī)器人支撐面積大，接地比壓小。 2）履帶式移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑極小，可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。 3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力。 4）履帶式移動機(jī)器人具有良好的自復(fù)位和越障能力。 當(dāng)然，履帶式移動機(jī)器人也存在一些不足之處，比如在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)

45、大彎，往往要采用較大的牽引力，在轉(zhuǎn)彎時會產(chǎn)生側(cè)滑現(xiàn)象，所以在轉(zhuǎn)向時對地面有較大的剪切破壞作用。模模 塊塊 63.3.控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案如圖6-43所示。設(shè)計的思路及其方案如下： 1）控制器采用ATMEL系列的AT90CANl28單片機(jī)，內(nèi)部集成了CAN控制器，支持CAN2.0B和CAN2.0A協(xié)議。能完成運(yùn)動控制算法，數(shù)據(jù)采集處理； 2）自動升降的云臺滿足不同管徑采集圖像的需要，兩舵機(jī)運(yùn)動通過單片機(jī)PWM控制來實(shí)現(xiàn)0-180 的兩個自由度線性運(yùn)動； 3）利用溫度傳感器和漏水檢測電路實(shí)現(xiàn)安全檢測措施； 4）LED燈光用于CCD攝像頭的照明，實(shí)現(xiàn)光線強(qiáng)弱可

46、控制功能，這里采用的是PWM控制方式，輸出電壓的不同調(diào)節(jié)燈光的強(qiáng)弱； 5）電子羅盤把收集到數(shù)據(jù)返回給單片機(jī)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理改變控制的方向，實(shí)現(xiàn)位姿平穩(wěn)的實(shí)時控制； 6）機(jī)器人的運(yùn)動采取四輪驅(qū)動的方式，能很好的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)等控制命令。圖6-43 管道檢測機(jī)器人的控制系統(tǒng)圖 模模 塊塊 6項(xiàng)項(xiàng) 目目 總總 結(jié)結(jié) 本項(xiàng)目以履帶式管道機(jī)器人為例，訓(xùn)練學(xué)生按照要求合理選用合適的驅(qū)動、移動方式等，并且能掌握該類型機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生能夠?qū)艿罊z測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成有較為清晰的認(rèn)識和了解。項(xiàng)項(xiàng) 目目 評評 價價表6-5 項(xiàng)目評價表項(xiàng)目目標(biāo)分值評分得分驅(qū)

47、動方式選擇正確選擇管道檢測檢測機(jī)器人的驅(qū)動方式30不正確，扣510分移動方式選擇正確選擇管道檢測檢測機(jī)器人的移動方式為履帶式30不正確，扣510分控制系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)圖嘗試機(jī)器人控制系統(tǒng)連接40不正確，扣510分總分100模模 塊塊 66.3.4 6.3.4 知識拓展（拓）知識拓展（拓）管道檢測機(jī)器人的技術(shù)要點(diǎn)：管道檢測機(jī)器人的技術(shù)要點(diǎn)：1.1.數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲2.2.數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理3.3.電源電源4.4.機(jī)體機(jī)體 模模 塊塊 6項(xiàng)目項(xiàng)目6-4 6-4 工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人項(xiàng)目思考工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類有哪些？搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)類型？典型DELTA機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程

48、？工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人研究現(xiàn)狀工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)備組成機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配項(xiàng)目知識項(xiàng)目實(shí)踐知識分布網(wǎng)絡(luò)工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的未來發(fā)展趨勢知識拓展電氣接線工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域模模 塊塊 66.4.1 6.4.1 項(xiàng)目思考（思）項(xiàng)目思考（思） 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。目前，專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。據(jù)資料統(tǒng)計，金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5。這說明零件在加工過程中，除了切

49、削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，搬運(yùn)機(jī)械人就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。搬運(yùn)機(jī)械人可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線、自動化倉庫等場合的物料搬運(yùn)工作。問題思考： 1.工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類有哪些？ 2.工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)類型？ 3.工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域？模模 塊塊 66.4.2 6.4.2 項(xiàng)目知識（學(xué)）項(xiàng)目知識（學(xué)）知識點(diǎn)知識點(diǎn)1 1工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人研究現(xiàn)狀：工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人研究現(xiàn)狀： 我國工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人是從二十世紀(jì)八十年代開始起步，經(jīng)過二十多年的努力，已經(jīng)形成了一些具有競爭力的工業(yè)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)。

50、先后研發(fā)出弧焊、電焊、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓及噴漆等工業(yè)機(jī)器人。 目前，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復(fù)雜作業(yè)。知識點(diǎn)知識點(diǎn)2 2工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類：工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的種類：1.1.機(jī)床上下料搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)床上下料搬運(yùn)機(jī)器人 目前在機(jī)床加工行業(yè)中，要求加工精度高、批量加工速度快導(dǎo)致生產(chǎn)線體自動化程度要有很大的提升，首先一點(diǎn)就是針對機(jī)床方面進(jìn)行全方位自動化處理，使人力從中解放出來，直角坐標(biāo)機(jī)器人目前在機(jī)床行業(yè)內(nèi)正在逐步大量使用，包括數(shù)控車床上下料機(jī)器人、數(shù)控沖床上下料機(jī)器人、數(shù)控加工中心上下料機(jī)器人等等。2.2.物料搬運(yùn)機(jī)器人物料搬運(yùn)機(jī)器人

51、 搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)3 3工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)：工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)：1.1.工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和基本要求工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和基本要求 工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)有： 1）工業(yè)機(jī)器人有若干個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制。 2）工業(yè)機(jī)器人的工作任

52、務(wù)是要求操作機(jī)的手部進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動或連續(xù)軌跡運(yùn)動。 3）工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個多變量、非線性和變參數(shù)的復(fù)雜模型，各變量之間還存在著耦合。 4）較高級的工業(yè)機(jī)器人要求對環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測定和分析，采用計算機(jī)建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進(jìn)行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規(guī)律。 對工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求有： 1）實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，對于連續(xù)軌跡運(yùn)動的工業(yè)機(jī)器人還必須具有軌跡的規(guī)劃與控制功能。 2）方便的人一機(jī)交互功能，操作人員采用直接指令代碼對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)指示。 3）具有對外部環(huán)境（包括作業(yè)條件）的檢測和感覺功能。

53、 4）具有診斷、故障監(jiān)視等功能。模模 塊塊 62.2.工業(yè)機(jī)器人控制的分類工業(yè)機(jī)器人控制的分類 工業(yè)機(jī)器人控制的分類，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如按運(yùn)動坐標(biāo)控制的方式來分，有關(guān)節(jié)空間運(yùn)動控制、直角坐標(biāo)空間運(yùn)動控制；按控制系統(tǒng)對工作環(huán)境變化的適應(yīng)程度來分，有程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)、人工智能控制系統(tǒng)；按軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。 這里主要介紹按發(fā)展階段的分類方法。（1）程序控制系統(tǒng) 目前工業(yè)用的絕大多數(shù)第一代機(jī)器人屬于程序控制機(jī)器人，其程序控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6-44所示，包括程序裝置、信息處理器和放大執(zhí)行裝置。圖6-

54、44 程序控制系統(tǒng)模模 塊塊 6（2）適應(yīng)性控制系統(tǒng) 適應(yīng)性控制系統(tǒng)多用于第二代工業(yè)機(jī)器人，即具有知覺的工業(yè)機(jī)器人，它具有力覺、觸覺或視覺等功能。系統(tǒng)框圖如圖6-45所示。圖6-45 適應(yīng)控制系統(tǒng)模模 塊塊 6 （3）人工智能控制系統(tǒng) 人工智能控制系統(tǒng)是最高級、最完善的控制系統(tǒng)，在外界環(huán)境變化不定的條件下，為了保證所要求的品質(zhì)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能自動改變，其框圖如圖6-46所示。圖6-46 人工智能控制系統(tǒng)模模 塊塊 63.3.工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng) 目前大部分工業(yè)機(jī)器人都采用二級計算機(jī)控制，第一級為主控制級，第二級為伺服控制級。（1）主控制級 主控制級的主要功能是建立操作和工業(yè)機(jī)器人之間的信息通道，傳遞作業(yè)指令和參數(shù)，反饋工作狀態(tài)，完成作業(yè)所需的各種計算，建立于伺服控制級之間的接口。它由以下幾個主要部分組成 主控制計算機(jī) 主控制軟件 外圍設(shè)備（2）伺服控制級 伺服控制級是由一組伺服控制系統(tǒng)組成，每一個伺服控制系統(tǒng)分別驅(qū)動操作機(jī)的一個關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)來自主控制級的輸出。主要組成部分有伺服驅(qū)動器 伺服控制器 模模 塊塊 6圖6-47 示教方式（a）手把手示教 （b）示教盒示教模模 塊塊 6知識點(diǎn)知識點(diǎn)4 4工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域： 國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械人主要應(yīng)用于以下