工業(yè)機(jī)器人論文機(jī)電一體化

1、一、工業(yè)機(jī)器人的定義及發(fā)展機(jī)器人問世已有幾十年，但沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因之一是機(jī)器人還在發(fā)展，另一原因主要是因?yàn)闄C(jī)器人涉及到了人的概念，成為一個(gè)難以回答的哲學(xué)問題。也許正是由于機(jī)器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。1987年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的編程操作機(jī)。我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器盡管各國(guó)定義不同，但基本上指明了工業(yè)機(jī)器人所具有的三個(gè)特性：1）是一種自動(dòng)

2、機(jī)械裝置，可以搬運(yùn)材料、零件或完成多種操作和動(dòng)作功能；2）可以再編程，程序流程可變，即具有柔性（適應(yīng)性）。3）可以在無人參與下，自動(dòng)完成多種操作或動(dòng)作功能，即具有通用性。1954年，美國(guó)人GeorgeC.Devol提出了第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人方案并在1956年獲得美國(guó)專利。1960年，Conder公司購(gòu)買專利并制造了樣機(jī)。1961年，Unimation公司（通用機(jī)械公司）成立，生產(chǎn)和銷售了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器“Unimate；即萬能自動(dòng)之意。1962年，A.M.F.（機(jī)械與鑄造）公司，研制出一臺(tái)數(shù)控自動(dòng)通用機(jī)，取名“ersatran:即多用途搬運(yùn)之意并以aIndustrialRobot為商品廣告投入市場(chǎng)。

3、日本、西歐各國(guó)、前蘇聯(lián)也相斷引進(jìn)或自行研制工業(yè)機(jī)器人。6070年代是機(jī)器技術(shù)獲得巨大發(fā)展的階段。80年代，機(jī)器人在發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)中大量普及應(yīng)用，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配。并向各個(gè)領(lǐng)域拓展，如航天、水下、排險(xiǎn)、核工業(yè)等，機(jī)器人的感知技術(shù)得到相應(yīng)的發(fā)展，產(chǎn)生第二代機(jī)器人。90年代，機(jī)器人技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用更為廣泛，如軍用、醫(yī)療、服務(wù)、娛樂等領(lǐng)域，并開始向智能型（第三代）機(jī)器人發(fā)展。二、工業(yè)機(jī)器人的組成工業(yè)機(jī)器人一般由主構(gòu)架（手臂）、手腕、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、控制器及傳感器等組成。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由主構(gòu)架和手腕完成。主構(gòu)架具有三個(gè)自由度，其運(yùn)動(dòng)由兩種基本運(yùn)動(dòng)組成，即沿著坐標(biāo)軸的直線移動(dòng)和繞坐標(biāo)軸的回

4、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。不同運(yùn)動(dòng)的組合形成各種類型的機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式有：直角坐標(biāo)型（a中有三個(gè)直線坐標(biāo)軸）；圓柱坐標(biāo)型（b中有兩個(gè)直線坐標(biāo)軸和一個(gè)回轉(zhuǎn)軸）；球坐標(biāo)型（c中有一個(gè)直線坐標(biāo)軸和兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸）關(guān)節(jié)型（d中有三個(gè)回轉(zhuǎn)軸關(guān)節(jié)，e中有三個(gè)平面運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)）。機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的步驟1、作業(yè)分析作業(yè)分析包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務(wù)和環(huán)境對(duì)機(jī)器人操作及的方案設(shè)計(jì)有著決定性的影響。2、方案設(shè)計(jì)(1)確定動(dòng)力源(2)確定機(jī)型(3)確定自由度(4)確定動(dòng)力容量和傳動(dòng)方式(5)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(6)確定平衡方式和平衡質(zhì)量(7)繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置及結(jié)構(gòu)設(shè)

5、計(jì)，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，走線及電器接口設(shè)計(jì)等。4、動(dòng)特性分析估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動(dòng)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(jì)完成施工圖設(shè)計(jì)，編制相關(guān)技術(shù)文件。四、工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器通過聯(lián)軸器帶動(dòng)傳動(dòng)裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動(dòng)桿件運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人一般有兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)一一轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移(直)動(dòng)關(guān)節(jié)。為了進(jìn)行位置和速度控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測(cè)元件。檢測(cè)元件類型很多，但都要求有合適的精度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對(duì)于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)

6、，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動(dòng)的桿件相聯(lián)。驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成1一碼盤；2測(cè)速機(jī)；3電機(jī)；4聯(lián)軸器；5傳動(dòng)裝置；6轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)；7一桿8電機(jī)；9聯(lián)軸器；10一螺旋副；11移動(dòng)關(guān)節(jié)；12一電位器(或光柵尺)(1)驅(qū)動(dòng)器1 .電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源簡(jiǎn)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(dòng)比較困難。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多為開環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。2 .液壓驅(qū)動(dòng)器液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度。但需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，適合高、低溫場(chǎng)合，故液

7、壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。3 .氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器氣壓驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，清潔，動(dòng)作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動(dòng)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。驅(qū)動(dòng)器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價(jià)格高低、技術(shù)水平為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為100kg以下的，可優(yōu)先考慮電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場(chǎng)合，可采用液壓驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器來說，最重要的是要求起動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時(shí)還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。機(jī)器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中

8、最常用的為諧波傳動(dòng)、RV擺線針輪行星傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。(2)機(jī)器人的常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求：結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕；傳動(dòng)剛度大，即承受扭矩時(shí)角度變形要小，以提高整機(jī)的固有頻率，降低整機(jī)的低頻振動(dòng)；回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，以得到較高的位置控制精度；壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。四、工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)由機(jī)座、立柱、手臂、手腕和手部等部分組成，一、手臂手臂是操作機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來支承手腕和手部，并用來調(diào)整手部在空間的位置。手臂一般至少應(yīng)有三個(gè)自由度。手臂的直線運(yùn)動(dòng)多數(shù)通過液壓(氣)缸驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，也可通齒輪齒條、滾珠絲杠、直線電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。回轉(zhuǎn)運(yùn)

9、動(dòng)可通過蝸輪蝸桿、液壓缸活塞桿上齒條驅(qū)動(dòng)齒輪的方式等。PUMA型工業(yè)機(jī)器人是由直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，7二、手腕手腕是聯(lián)結(jié)手臂和手部的部件，其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了手部在空間的三個(gè)位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，再由手腕來實(shí)現(xiàn)手部在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。通過機(jī)械接口聯(lián)接并支承的手部。手腕一般由彎曲式關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)式關(guān)節(jié)組成。三、手部手部裝在操作機(jī)手腕的前端，它是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，分為機(jī)械夾持器、專用工具和萬能手三類。五、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析一、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系的建立原則坐標(biāo)系的建立原則桿件坐標(biāo)系間的變換過程桿件坐標(biāo)系間的變換過程-(11)旋轉(zhuǎn)矩

10、陣旋轉(zhuǎn)矩陣7.37.3工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析工業(yè)機(jī)器人力學(xué)分析主要包括靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。靜力學(xué)分析是研究操作機(jī)在靜態(tài)工作條件下，手臂的受力情況；動(dòng)力學(xué)分析是研究操作機(jī)各主動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力與手臂運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，從而得出工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程。1靜力學(xué)分析632動(dòng)力學(xué)分析一個(gè)剛體的運(yùn)動(dòng)可分解為固定在剛體上的任意點(diǎn)的移動(dòng)以及該剛體繞這一定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分。同樣動(dòng)力學(xué)方程也可以用兩個(gè)方程來表達(dá)：一個(gè)用于描述質(zhì)心的移動(dòng)，另一個(gè)描述繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)。前者稱為牛頓運(yùn)動(dòng)方程，后者稱為歐拉運(yùn)動(dòng)方程。677.37.3工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)分析一、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的特

11、點(diǎn)和基本要求工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)：1）工業(yè)機(jī)器人有若干個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)伺服系統(tǒng)控制，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)要求各個(gè)伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。2）工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)是要求操作機(jī)的手部進(jìn)行空間點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)或連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運(yùn)算，以及矩陣函數(shù)的逆運(yùn)算。3）工業(yè)機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)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，因此工業(yè)機(jī)器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補(bǔ)償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。4）較高級(jí)的工業(yè)機(jī)器人要求對(duì)環(huán)境條件、控制指令進(jìn)行測(cè)定和分析，采用計(jì)算機(jī)建立信息庫(kù)，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(dòng)選擇最佳控制規(guī)律。6

12、97.47.4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)對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本要求有：1）實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，對(duì)于連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)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-機(jī)交互功能，操作人員采用直接指令代碼對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)指示。3）具有對(duì)外部環(huán)境的檢測(cè)和感覺功能。4）具有診斷、故障監(jiān)視等功能。707.47.4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)二、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類1程序控制系統(tǒng)絕大多數(shù)第一代機(jī)器人屬于程序控制機(jī)器人。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。71工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)3 智能控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)是最高級(jí)、

13、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(dòng)改變，框圖如圖7-28。727.47.4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)三、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(jí)計(jì)算機(jī)控制，第一級(jí)為主控制級(jí)，第二級(jí)為伺服控制級(jí)。系統(tǒng)框圖如圖7-29所示。主控制級(jí)由主控制計(jì)算機(jī)及示教盒等外圍設(shè)備組成，主要用以接受作業(yè)指令、協(xié)調(diào)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、控制運(yùn)動(dòng)軌跡、完成作業(yè)操作。伺服控制級(jí)為一組伺服控制系統(tǒng)，其主體亦為計(jì)算機(jī)，每一伺服控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)，用于接收主控制計(jì)算機(jī)向各關(guān)節(jié)發(fā)出的位置、速度等運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)。73系統(tǒng)的工作過程是：操作人員利用控制鍵盤或示教

14、盒輸入作業(yè)要求，如要求工業(yè)機(jī)器人手部在兩點(diǎn)之間作連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)。主控制計(jì)算機(jī)完成以下工作：分析解釋指令、坐標(biāo)變換、插補(bǔ)運(yùn)算、矯正計(jì)算，最后求取相應(yīng)的各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。坐標(biāo)變換用坐標(biāo)變換原理，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算工業(yè)機(jī)器人與工件關(guān)系、相對(duì)位置和絕對(duì)位置關(guān)系；插補(bǔ)運(yùn)算是用直線的方式解決示教點(diǎn)之間的過渡問題；矯正計(jì)算是為保證在手腕各軸運(yùn)動(dòng)過程中保持與工件的距離和姿態(tài)不變對(duì)手腕各軸的運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償量的計(jì)算。運(yùn)動(dòng)參數(shù)輸出到伺服控制級(jí)作為各關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的確定運(yùn)動(dòng)?？刂撇僮鳈C(jī)完成兩點(diǎn)間的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，操作人員可直接監(jiān)視操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)，也可以從顯示器控制屏上得到有關(guān)的信息。這一

15、過程反映了操作人員、主控制級(jí)、伺服控制級(jí)和操作機(jī)的關(guān)系。741主控制級(jí)主控制級(jí)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(jì)算、建立與伺服控制級(jí)之間的接口。主要由以下幾個(gè)部分組成：(1)主控制計(jì)算機(jī)主要完成從作業(yè)任務(wù)、運(yùn)動(dòng)指令到關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)要求之間的全部運(yùn)算，完成機(jī)器人與所有設(shè)備之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。對(duì)主控制計(jì)算機(jī)硬件方面的主要要求是運(yùn)算速度和精度、存儲(chǔ)容量及中斷處理能力。(2)主控制軟件工業(yè)機(jī)器人控制編程軟件是工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要組成部分，其功能主要包括：指令的分析解釋、運(yùn)動(dòng)的規(guī)劃、插值計(jì)算和坐標(biāo)變換。(3)外圍設(shè)備主控制級(jí)除具有顯示器、控制鍵盤等一般外圍設(shè)備外，還具有示教控制盒。757.4 7.4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)2伺服控制級(jí)伺服控制級(jí)由一組伺服控制系統(tǒng)組成，每一個(gè)伺服控制系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)操作機(jī)的一個(gè)關(guān)節(jié)。主要由以下幾個(gè)部