工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用(教案)2-工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制

1、第二章 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制章節(jié)目錄2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成2.1.1 操作機(jī)2.1.2 控制器2.1.3 示教器2.2 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 導(dǎo)入案例 課堂認(rèn)知 擴(kuò)展與提高 本章小結(jié) 思考練習(xí)2.3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問題2.3.2 機(jī)器人的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng) 2.3.3 機(jī)器人的位置控制課前回顧何為工業(yè)機(jī)器人？工業(yè)機(jī)器人具有幾個(gè)顯著特點(diǎn)，分別是什么？工業(yè)機(jī)器人的常見分類有哪些，簡(jiǎn)述其行業(yè)應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)認(rèn)知目標(biāo)*熟悉工業(yè)機(jī)器人的常見技術(shù)指標(biāo)*掌握工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成及各部分的功能*了解工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制能力目標(biāo)*能夠正確識(shí)別工業(yè)機(jī)器人的基本組成*能夠正

2、確判別工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)和連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)導(dǎo)入案例國產(chǎn)機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)力缺失 關(guān)鍵技術(shù)是瓶頸眾所周知，中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)由于先天因素，在單體與核心零部件仍然落后于日、美、韓等發(fā)達(dá)國家。雖然中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)過 30 年的發(fā)展，形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但與發(fā)達(dá)國家相比，仍存在較大差距，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)依然薄弱，關(guān)鍵零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口。整個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游核心零部件（主要是機(jī)器人三大核心零部件 伺服電機(jī)、減速器和控制系統(tǒng)，相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”）、 中游機(jī)器人本體（機(jī)器人的“身體”）和下游系統(tǒng)集成商（國內(nèi) 95% 的企業(yè)都集中在這個(gè)環(huán)節(jié)上）三個(gè)層面。課堂認(rèn)知2.1 工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)組成第一代工業(yè)機(jī)器人主要由以

3、下幾部分組成： 操作機(jī)、控制器和示教器 。對(duì)于第二代及第三代工業(yè)機(jī)器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別由傳感器及軟件實(shí)現(xiàn)。 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成2.1.1 操作機(jī)操作機(jī)（或稱機(jī)器人本體）是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它主要由機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)單元及內(nèi)部傳感器等部分組成。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作機(jī)基本構(gòu)造 機(jī)器人操作機(jī)最后一個(gè)軸的機(jī)械接口通常為一連接法蘭，可接裝不同的機(jī)械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等。 (1) 機(jī)械臂關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂是由關(guān)節(jié)連在一起的許多機(jī)械連桿的集合體 。實(shí)質(zhì)上是一個(gè)擬人手臂的空間開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，一端固定在基座上，另一端可自由運(yùn)動(dòng)，由關(guān)節(jié) -

4、連桿結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的機(jī)械臂大體可分為 基座 、 腰部 、 臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。1) 基座 基座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分 ，起支撐作用。2) 腰部 腰部是機(jī)器人手臂的支承部分 。3) 手臂 手臂是連接機(jī)身和手腕的部分，是執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，亦稱主軸， 主要用于改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置。4) 手腕 手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部分，亦稱次軸，主要用于改變末端執(zhí)行器的空間姿態(tài)。(2) 驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)使工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。它按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人產(chǎn)生動(dòng)作，相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)三種基本類型。 目前，

5、除個(gè)別運(yùn)動(dòng)精度不高、重負(fù)載或有防爆要求的機(jī)器人采用液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)外，工業(yè)機(jī)器人大多采用電氣驅(qū)動(dòng)，而其中屬交流伺服電機(jī)應(yīng)用最廣，且驅(qū)動(dòng)器布置大都采用一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。 三種驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)比較(3) 傳動(dòng)單元目前工業(yè)機(jī)器人廣泛采用的機(jī)械傳動(dòng)單元是減速器，應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機(jī)器人上的減速器主要有兩類： RV 減速器 和 諧波減速器 。 一般將 RV 減速器放置在基座、腰部、大臂等重負(fù)載的位置 ( 主要用于 20kg 以上的機(jī)器人關(guān)節(jié) ) ；將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部等輕負(fù)載的位置 ( 主要用于 20kg 以下的機(jī)器關(guān)節(jié) ) 。 此外，機(jī)器人還采用齒輪傳動(dòng)、鏈條（帶）傳動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)單元等。 機(jī)器人關(guān)

6、節(jié)傳動(dòng)單元 1) 諧波減速器通常由 3 個(gè)基本構(gòu)件組成，包括一個(gè)有內(nèi)齒的剛輪，一個(gè)工作時(shí)可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個(gè)裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動(dòng)軸承的波發(fā)生器，在這 3個(gè)基本結(jié)構(gòu)中可任意固定一個(gè)，其余一個(gè)為主動(dòng)件一個(gè)從動(dòng)件。 諧波減速器原理圖 2) RV 減速器主要由 太陽輪（中心輪）、行星輪、轉(zhuǎn)臂（曲柄軸）、轉(zhuǎn)臂軸承、擺線輪（RV 齒輪）、針齒、剛性盤與輸出盤 等零部件組成。具有較高的疲勞強(qiáng)度和剛度以及較長的壽命，回差精度穩(wěn)定，高精度機(jī)器人傳動(dòng)多采用 RV 減速器。 RV 減速器原理圖2.1.2 控制器機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)

7、的裝置，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素，也是機(jī)器人系統(tǒng)中更新和發(fā)展最快的部分 ，其基本功能有：示教功能 、 記憶功能、位置伺服功能、坐標(biāo)設(shè)定功能、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能、傳感器接口、故障診斷安全保護(hù)功能等。依據(jù)控制系統(tǒng)的開放程度，機(jī)器人控制器分 3 類：封閉型、開放型和混合型。目前基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系機(jī)器人）或混合型系統(tǒng)（如歐系機(jī)器人）。按計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機(jī)器人控制器又可分為 集中式控制 和 分布式控制 兩種方式。(1) 集中式控制器優(yōu)點(diǎn)：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于 PC 的系統(tǒng)硬件擴(kuò)展較為方便。缺點(diǎn)：系

8、統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險(xiǎn)容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴(yán)重；大量數(shù)據(jù)計(jì)算，會(huì)降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)的響應(yīng)能力也會(huì)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相沖突；系統(tǒng)連線復(fù)雜，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。 a) 單獨(dú)接口卡驅(qū)動(dòng) b) 多軸運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)集中式機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)(2) 分布式控制器主要思想為“分散控制，集中管理”，為一個(gè)開放、實(shí)時(shí)、精確的機(jī)器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級(jí)控制方式，由上位機(jī)和下位機(jī)組成。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險(xiǎn)性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時(shí)間。 分布式機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)2.1.3 示教器亦稱示教編程器或示教盒，主要

9、由液晶屏幕和操作按鍵組成。可由操作者手持移動(dòng)。它是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，機(jī)器人的所有操作基本上都是通過它來完成的。示教器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)專用的智能終端。 示教時(shí)的數(shù)據(jù)流關(guān)系2.2 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)反映機(jī)器人的適用范圍和工作性能。一般都有： 自由度、工作空間、額定負(fù)載、最大工作度速和 工作精度 等。自由度:物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，末端執(zhí)行器的動(dòng)作不包括在內(nèi)。通常作為機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，反映機(jī)器人動(dòng)作的靈活性，可用軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來表示，目前，焊接和涂裝作業(yè)機(jī)器人多為 6 或 7 自由度，而搬運(yùn)、碼垛和裝配機(jī)器人多為 46 自由度。額定負(fù)載:也稱持重。

10、正常操作條件下，作用于機(jī)器人手腕末端，不會(huì)使機(jī)器人性能降低的最大載荷，目前，使用的工業(yè)機(jī)器人負(fù)載范圍可從 0.5kg 直至 800kg 。工作精度:機(jī)器人的工作精度主要指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度（也稱絕對(duì)精度）是指機(jī)器人末端執(zhí)行器實(shí)際到達(dá)位置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度（簡(jiǎn)稱重復(fù)精度）是指機(jī)器人重復(fù)定位其末端執(zhí)行器于同一目標(biāo)位置的能力，目前，工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)精度可達(dá)± 0.01 ± 0.5mm 。依據(jù)作業(yè)任務(wù)和末端持重不同，機(jī)器人重復(fù)精度亦不同。工業(yè)機(jī)器人典型行業(yè)應(yīng)用的工作精度作業(yè)任務(wù) 額定負(fù)載（ kg ） 重復(fù)定位精度（ mm ）搬運(yùn) 5200 ±

11、 0.2 ± 0.5碼垛 50800 ± 0.5點(diǎn)焊 50350 ± 0.2 ± 0.3弧焊 320 ± 0.08 ± 0.1噴涂 520 ± 0.2 ± 0.525 ± 0.02 ± 0.03裝配 610 ± 0.06 ± 0.081020 ± 0.06 ± 0.1工作空間 也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其手腕參考點(diǎn)所能掠過的空間，常用圖形表示。目前，單體工業(yè)機(jī)器人本體的工作范圍可達(dá) 3.5 m 左右。最大工作速度 在各軸聯(lián)動(dòng)情況下，機(jī)器

12、人手腕中心所能達(dá)到的最大線速度。這在生產(chǎn)中是影響生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)。 a)垂直串聯(lián)多關(guān)節(jié)機(jī)器 MOTOMAN MH3F b)水平串聯(lián)多關(guān)節(jié)機(jī)器人 MOTOMAN MPP3Sc) 并聯(lián)多關(guān)節(jié)機(jī)器人 MOTOMAN MYS650L不同本體結(jié)構(gòu) YASKAWA 機(jī)器人工作范圍 2.3 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問題工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)可看作是一個(gè)開鏈?zhǔn)蕉噙B桿機(jī)構(gòu) ，始 端連桿就是機(jī)器人的基座 ， 末端連桿與工具相連 ， 相鄰連桿之間用一個(gè)關(guān)節(jié)（軸）連接在一起 。對(duì)于一個(gè) 6 自由度工業(yè)機(jī)器人，它由 6 個(gè)連桿和 6 個(gè)關(guān)節(jié)（軸）組成。編號(hào)時(shí)，基座稱為連桿 0 ，不包含在這 6 個(gè)連桿內(nèi)

13、，連桿 1 與基座由關(guān)節(jié) 1 相連，連桿 2 通過關(guān)節(jié) 2 與連桿 1 相連，依此類推。 a) 實(shí)物圖 b) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖工業(yè)機(jī)器人操作機(jī) (1) 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題 對(duì)給定的機(jī)器人操作機(jī)，己知各關(guān)節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿，稱之為正向運(yùn)動(dòng)學(xué) （運(yùn)動(dòng)學(xué)正解或 Where 問題）， 機(jī)器人示教時(shí)，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解運(yùn)算。(2) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題 對(duì)給定的機(jī)器人操作機(jī)，已知末端執(zhí)行器在參考坐標(biāo)系中的初始位姿和目標(biāo)（期望）位姿，求各關(guān)節(jié)角矢量，稱之為逆向運(yùn)動(dòng)學(xué) （運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解或 How 問題）， 機(jī)器人再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制器即逐點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解運(yùn)算，并將矢量分解到操作機(jī)各關(guān)節(jié)。 運(yùn)動(dòng)學(xué)

14、正問題（示教） 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題（再現(xiàn)）2.3.2 機(jī)器人的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)和連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)(1) 點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)（ Point to Point, PTP ） PTP 運(yùn)動(dòng)只關(guān)心機(jī)器人末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)位姿，不關(guān)心這兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡。(2) 連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)（ Continuous Path, CP ） CP 運(yùn)動(dòng)不僅關(guān)心機(jī)器人末端執(zhí)行器達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的精度，而且必須保證機(jī)器人能沿所期望的軌跡在一定精度范圍內(nèi)重復(fù)運(yùn)動(dòng)。 工業(yè)機(jī)器人 PTP 運(yùn)動(dòng)和 CP 運(yùn)動(dòng)機(jī)器人 CP 運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是以點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過在相鄰兩點(diǎn)之間采用滿足精度要求的直線或圓弧軌跡插補(bǔ)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)軌跡的連續(xù)化。 機(jī)器人再現(xiàn)時(shí)主控制器（上

15、位機(jī)從）存儲(chǔ)器中逐點(diǎn)取出各示教點(diǎn)空間位姿坐標(biāo)值，通過對(duì)其進(jìn)行直線或圓弧或插補(bǔ)運(yùn)算，生成相應(yīng)路徑規(guī)劃，然后把各插補(bǔ)點(diǎn)的位姿坐標(biāo)值通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解運(yùn)算轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，分送機(jī)器人各關(guān)節(jié)或關(guān)節(jié)控制器（下位機(jī)）。2.3.3 機(jī)器人的位置控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的 位置控制 是工業(yè)機(jī)器人的基本控制任務(wù)。關(guān)節(jié)控制器（下位機(jī)）是執(zhí)行計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制及實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作協(xié)調(diào)。 工業(yè)機(jī)器人的位置控制 擴(kuò)展與提高運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)及驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的核心技術(shù)是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，目前工業(yè)機(jī)器人采用的電氣驅(qū)動(dòng)主要有 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī) 兩類。1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制精密驅(qū)動(dòng)元件

16、 ，分為 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī) 三種，其中混合式步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，是一種精度高、控制簡(jiǎn)單、成本低廉的驅(qū)動(dòng)方案。步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 2 伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)伺服電機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度輸出，可分為 直流 和 交流伺服電機(jī) 兩大類。特點(diǎn)：當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。優(yōu)點(diǎn)：無電刷和換向器，工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低；定子繞組散熱比較 方便；慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；同功率下有較小的體積和重量。 伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器 本章小結(jié)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分稱為

17、操作機(jī)。通常用自由度、工作空間、額定負(fù)載、定位精度、重復(fù)定位精度和最大工作速度等技術(shù)指標(biāo)來表征工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的性能。工業(yè)機(jī)器人通常由操作機(jī)、控制器和示教器三部分組成。操作機(jī)是機(jī)器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，一般由機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng) - 傳動(dòng)裝置以及內(nèi)部傳感器等組成?？刂破魇峭瓿蓹C(jī)器人控制功能的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，一般由控制計(jì)算機(jī)和伺服控制器組成。示教器是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，主要由顯示屏和按鍵組成。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是指工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)的過程中，常采用點(diǎn)位（ PTP ）控制和連續(xù)路徑（ CP ）控制兩種方式。 思考練習(xí)1 、填空(1) _ 通常作為機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)，反映了機(jī)器人動(dòng)

18、作的靈活性，可用軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來表示。(2) 工業(yè)機(jī)器人主要由 _ 、_ 和 _ 組成。下圖中 1 表_ 示 ； 2 表示 _ ； 3 表示 _ 和 4 表示_。題 2 圖 (3) 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要是實(shí)現(xiàn) _ 和 _ 兩種。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行_ 運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，末端執(zhí)行器既要保證運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)位姿，而且必須保證機(jī)器人能沿所期望的軌跡在一定精度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。(4) 對(duì)給定的機(jī)器人操作機(jī)，己知各關(guān)節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿，稱之為 _ 運(yùn)動(dòng)學(xué)。 2 、選擇(1) 操作機(jī)是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是用于完成各種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它主要哪幾部分組成？（ ）機(jī)械臂；驅(qū)動(dòng)裝置；傳動(dòng)單元；內(nèi)部傳感器A. B. C. D. (2) 示教器也稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組