機器人的基礎(chǔ)知識課件

機器人的基礎(chǔ)知識第一節(jié)機器人的分類第三節(jié)機器人的技術(shù)參數(shù)第二節(jié)機器人的基本術(shù)語第四節(jié)機器人的運動學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)機器人的動力學(xué)基礎(chǔ)4Compiledby:DongChunli第二章機Compiledby:DongChunli5Compiledby:DongChunli5dongcl@機器人應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)機器人的分類一、機器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類二、機器人的驅(qū)動方式分類三、機器人的智能方式分類四、機器人的控制方式分類五、機器人的坐標系統(tǒng)分類6dongcl@機器人應(yīng)用技術(shù)第一節(jié)機器人Compiledby:DongChunli2.1機器人的分類應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機器人可按照不同的功能、目的、用途、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、坐標、驅(qū)動方式等分成很多類型。按機器人的用途分類，可以分為工業(yè)機器人、操縱型機器人。按機器人的驅(qū)動分類，可以分為氣動機器人、液動機器人、電動機器人。按機器人的智能分類，可以分為一般機器人、傳感機器人、智能機器人。按機器人的控制分類，可以分為伺服機器人、非伺服機器人機器人。按機器人的幾何結(jié)構(gòu)分類，可以分為直角坐標機器人、柱面坐標機器人、球面坐標機器人、關(guān)節(jié)坐標機器人。按機器人的移動性分類，可以分為固定機器人、移動機器人。按機器人的規(guī)模分類，可以分為超大型、大型、中型、小型、超小型、微型機器人。7Compiledby:DongChunli2.1機器Compiledby:DongChunli我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和操縱型機器人。工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。操縱型機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等2.1.1機器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類8Compiledby:DongChunli我國的機器人Compiledby:DongChunli工業(yè)機器人工業(yè)機器人（industrialrobot）是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機器人的總稱，主要用于完成工業(yè)生產(chǎn)中的某些作業(yè)。依據(jù)具體應(yīng)用目的的不同，又常常以其主要用途命名。焊接機器人是到現(xiàn)在為止應(yīng)用最多的工業(yè)機器人，包括點焊和弧焊機器人，用于實現(xiàn)自動化焊接作業(yè)；裝配機器人比較多地用于電子部件或電器的裝配；噴涂機器人代替人進行各種噴涂作業(yè)；搬運、上料、下料及碼垛機器人，根據(jù)工況要求的速度和精度，將物品從一處運到另一處；2.1.1機器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類9Compiledby:DongChunli工業(yè)機器人2Compiledby:DongChunli操縱型機器人操縱型機器人（teleoperatorrobot）主要用于非工業(yè)生產(chǎn)的各種作業(yè)，又可分為服務(wù)機器人與特種作業(yè)機器人等。服務(wù)機器人通常是可移動的，在多數(shù)情況下，可由一個移動平臺構(gòu)成，平臺上裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人完成為人類提供服務(wù)和安全保障的各種工作，如清潔、護理、娛樂和執(zhí)勤等。除以上服務(wù)機器人外，還有一些其他種類的特種作業(yè)機器人。如水下機器人，又稱水下無人深潛器，代替人在水下危險的環(huán)境中作業(yè)。人類借助潛水器具潛入到大海之中探秘已有很長的歷史，人類已可以利用深海潛水器具潛入深海。然而，由于危險很大，而且費用極高，所以人類積極尋找可以代替人類進行危險作業(yè)的技術(shù)，水下機器人變成了十分受關(guān)注的發(fā)展方向。2.1.1機器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類10Compiledby:DongChunli操縱型機器人Compiledby:DongChunli1．氣動式機器人機器人以壓縮空氣來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。此類機器人適宜抓舉力要求較小的場合。2．液動式機器人機器人以液體壓縮來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。液力驅(qū)動的機器人具有大得多的抓舉能力，可高達上百千克。3．電動式機器人電力驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)驅(qū)動機器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電力驅(qū)動可分為步進電動機驅(qū)動、直流伺服電動機驅(qū)動、無刷伺服電動機驅(qū)動等。4．新型驅(qū)動方式機器人利用新的工作原理制造的新型驅(qū)動器，如靜電驅(qū)動器、壓電驅(qū)動器、形狀記憶合金驅(qū)動器、人工肌肉及光驅(qū)動器等。2.1.2機器人的驅(qū)動方式分類11Compiledby:DongChunli1．氣動式機Compiledby:DongChunli1．一般型機器人一般型機器人，是第一代機器人，又叫示教-再現(xiàn)型機器人，主要指只能以示教-再現(xiàn)方式工作的工業(yè)機器人。示教內(nèi)容為機器人操作結(jié)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。所謂示教，即由人教機器人運動的軌跡、停留點位、停留時間等。然后，機器人依照教給的行為、順序和速度重復(fù)運動，即所謂的再現(xiàn)。示教可由操作員手把手地進行。例如，操作人員抓住機器人上的噴槍把噴涂時要走的位置走一遍，機器人記住了這一連串運動，工作時自動重復(fù)這些運動，從而完成給定位置的噴涂工作。但是現(xiàn)在比較普遍的示教方式是通過控制面板完成的。操作人員利用控制面板上的開關(guān)或鍵盤控制機器人一步一步地運動，機器人自動記錄下每一步，然后重復(fù)。目前在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的機器人大多采用這一方式。2.1.3機器人的智能方式分類12Compiledby:DongChunli1．一般型機Compiledby:DongChunli2．傳感機器人傳感機器人，是第二代機器人，又叫感覺機器人，它帶有一些可感知環(huán)境的裝置，對外界環(huán)境有一定感知能力。工作時，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，通過反饋控制，使機器人能在一定程度上靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。這樣的技術(shù)現(xiàn)在正越來越多地應(yīng)用在機器人上，例如焊縫跟蹤技術(shù)。在機器人焊接的過程中，一般通過示教方式給出機器人的運動曲線，機器人攜帶焊槍走這個曲線進行焊接。焊縫跟蹤技術(shù)是在機器人上加一個傳感器，通過傳感器感知焊縫的位置，再通過反饋控制，機器人自動跟蹤焊縫，從而對示教的位置進行修正。即使實際焊縫相對于原始設(shè)定的位置有變化，機器人仍然可以很好地完成焊接工作。2.1.3機器人的智能方式分類13Compiledby:DongChunli2．傳感機器Compiledby:DongChunli3．智能機器人智能機器人，是第三代機器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動作。智能機器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界——對象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機能。從控制方式看是以一種“認知—適應(yīng)”的方式自律地進行操作。這類機器人帶有多種傳感器，使機器人可以知道其自身的狀態(tài)，例如在什么位置，自身的系統(tǒng)是否有故障等；且可通過裝在機器人身上或者工作環(huán)境中的傳感器感知外部的狀態(tài)。機器人能夠根據(jù)得到的這些信息進行邏輯推理、判斷、決策，在變化的內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境中，自主決定自身的行為。這類機器人具有高度的適應(yīng)性和自治能力，這是人們努力使機器人達到的目標。智能機器人的發(fā)展方向大致有兩種，一種是類人型智能機器人，這是人類夢想的機器人；另一種外形并不像人，但具有機器智能。2.1.3機器人的智能方式分類14Compiledby:DongChunli3．智能機器Compiledby:DongChunli2.1.4機器人的控制方式分類按照機器人的控制類型和結(jié)構(gòu)空間特點分為：（1）非伺服機器人（2）伺服控制機器人伺服控制機器人分為：1）點位伺服控制2）連續(xù)軌跡伺服控制15Compiledby:DongChunli2.1.4Compiledby:DongChunli1．非伺服機器人非伺服機器人按照預(yù)先編好的程序順序進行工作，使用限位開關(guān)、制動器、插銷板和定序器來控制機器人的運動。插銷板是用來預(yù)先規(guī)定機器人的工作順序，而且往往是可調(diào)的。定序器是一種按照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動裝置的能源。驅(qū)動裝置接通能源后，就帶動機器人的手臂、腕部和手部等裝置運動。非伺服機器人工作能力比較有限。當他們移動到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時，限位開關(guān)切換工作狀態(tài)，給定序器送去一個工作任務(wù)已經(jīng)完成的信號，并始終端制動器動作，切斷驅(qū)動能源，使機器人停止運動。2.1.4機器人的控制方式分類16Compiledby:DongChunli1．非伺服機Compiledby:DongChunli2．伺服控制機器人。伺服控制機器人通過傳感器取得的反饋信號與來自給定裝置的綜合信號比較后，得到誤差信號，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機器人的驅(qū)動裝置，進而帶動手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運動，到達規(guī)定的位置或速度等，這是一個反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的被控量可為機器人手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。伺服控制機器人比非伺服機器人有更強的工作能力。伺服控制機器人按照控制的空間位置不同，可以分為點位伺服控制、連續(xù)軌跡伺服控制2.1.4機器人的控制方式分類17Compiledby:DongChunli2．伺服控制Compiledby:DongChunli（1）點位伺服控制點位伺服控制機器人的受控運動方式為從一個點位目標移向另一個點位目標，只在目標點上完成操作。機器人可以以最快的和最直接的路徑從一個端點移到另一端點。按點位方式進行控制的機器人，其運動為空間點到點之間的直線運動，在作業(yè)過程中只控制幾個特定工作點的位置，不對點與點之間的運動過程進行控制。在點位伺服控制的機器人中，所能控制點數(shù)的多少取決于控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通常，點位伺服控制機器人能用于只有終端位置是重要而對編程點之間的路徑和速度不做主要考慮的場合。點位控制主要用于點焊、搬運機器人2.1.4機器人的控制方式分類18Compiledby:DongChunli（1）點位伺Compiledby:DongChunli（2）連續(xù)軌跡伺服控制連續(xù)軌跡伺服控制機器人能夠平滑地跟隨某個規(guī)定的路徑，其軌跡往往是某條不在預(yù)編程端點停留的曲線路徑。按連續(xù)軌跡方式控制的機器人，其運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都處于控制之下，能同時控制兩個以上的運動軸，使得手部位置可沿任意形狀的空間曲線運動，而手部的姿態(tài)也可以通過腕關(guān)節(jié)的運動得以控制，這對于焊接和噴涂作業(yè)是十分有利的。連續(xù)軌跡伺服控制機器人具有良好的控制和運行特性，由于數(shù)據(jù)是依時間采樣的，而不是依預(yù)先規(guī)定的空間采樣，因此機器人的運行速度較快、功率較小、負載能力也較小。連續(xù)軌跡伺服控制機器人主要用于弧焊、噴涂、打飛邊毛刺和檢測機器人。2.1.4機器人的控制方式分類19Compiledby:DongChunli（2）連續(xù)軌Compiledby:DongChunli按結(jié)構(gòu)形式，機器人可分為關(guān)節(jié)型機器人和非關(guān)節(jié)型機器人兩大類，其中關(guān)節(jié)型機器人的機械本體部分一般為由若干關(guān)節(jié)與連桿串聯(lián)組成的開式鏈機構(gòu)。通常關(guān)節(jié)機器人依據(jù)坐標形式的不同可分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型以及多關(guān)節(jié)坐標型。2.1.5機器人的坐標系統(tǒng)分類20Compiledby:DongChunli按結(jié)構(gòu)形式，Compiledby:DongChunli2.1.5機器人的坐標系統(tǒng)分類它在x，y，z軸上的運動是獨立的。機器人手臂的運動將形成一個立方體表面。又叫笛卡兒坐標型機器人或臺架型機器人。（1）直角坐標系機器人其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直的軸線的移動來實現(xiàn)，即沿著X軸的縱向移動，沿著Y軸的橫向移動及沿著Z軸的升降。21Compiledby:DongChunli2.1.5Compiledby:DongChunli（2）圓柱坐標機器人R、θ和x為坐標系的三個坐標，其中R、是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果機器人手臂的徑向坐標R保持不變，機器人手臂的運動將形成一個圓柱表面。2.1.5機器人的坐標系統(tǒng)分類22Compiledby:DongChunli（2）圓柱坐Compiledby:DongChunli（3）極坐標型機器人極坐標型機器人又稱為球坐標型機器人，R，θ和β為坐標系的坐標。θ是繞手臂支撐底座垂直的轉(zhuǎn)動角，β是手臂在鉛垂面內(nèi)的擺動角。這種機器人運動所形成的軌跡表面是半球面。2.1.5機器人的坐標系統(tǒng)分類23Compiledby:DongChunli（3）極坐標Compiledby:DongChunli（4）多關(guān)節(jié)機器人它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α和Φ為坐標系的坐標，其中θ是繞底座鉛垂軸的轉(zhuǎn)角，Φ是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α是第二臂相對于第一臂的轉(zhuǎn)角。這種機器人手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。2.1.5機器人的坐標系統(tǒng)分類24Compiledby:DongChunli（4）多關(guān)節(jié)Compiledby:DongChunli（5）平面關(guān)節(jié)機器人平面關(guān)節(jié)式機器人可以看成是關(guān)節(jié)坐標式機器人的特例，平面關(guān)節(jié)型機器人很類似人的手臂的運動，它用平行的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)實現(xiàn)水平運動，關(guān)節(jié)軸線共面；腕關(guān)節(jié)來實現(xiàn)垂直運動，在平面內(nèi)進行定位和定向，是一種固定式的工業(yè)機器人。這類機器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，比一般的關(guān)節(jié)式機器人快數(shù)倍。它能實現(xiàn)平面運動，全臂在垂直方向的剛度大，在水平方向的柔性大，具有柔順性。2.1.5機器人的坐標系統(tǒng)分類25Compiledby:DongChunli（5）平面關(guān)Compiledby:DongChunli26Compiledby:DongChunli26Compiledby:DongChunli27Compiledby:DongChunli27Compiledby:DongChunli28Compiledby:DongChunli28Compiledby:DongChunli29Compiledby:DongChunli291.直角坐標／笛卡兒坐標／臺架型(3P)優(yōu)點：很容易通過計算機控制實現(xiàn)，容易達到高精度。缺點：妨礙工作,且占地面積大,運動速度低,密封性不好。直角坐標機器人的工作空間示意圖

301.直角坐標／笛卡兒坐標／臺架型(3P)優(yōu)點：很容易通過計2.圓柱坐標型(R2P)優(yōu)點：且計算簡單;直線部分可采用液壓驅(qū)動,可輸出較大的動力;能夠伸入型腔式機器內(nèi)部。缺點：它的手臂可以到達的空間受到限制,不能到達近立柱或近地面的空間;直線驅(qū)動部分難以密封、防塵;后臂工作時,手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。312.圓柱坐標型(R2P)優(yōu)點：且計算簡單;直線部分可采用3.球坐標型(2RP)特點：中心支架附近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標復(fù)雜,難于控制,且直線驅(qū)動裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問題。323.球坐標型(2RP)特點：中心支架附324.關(guān)節(jié)坐標型/擬人型(3R)關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的,類似于人的手臂,工業(yè)機器人中最常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜。關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人334.關(guān)節(jié)坐標型/擬人型(3R)關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)5.平面關(guān)節(jié)型SCARA機器人常用于裝配作業(yè),最顯著的特點是它們在x-y平面上的運動具有較大的柔性,而沿z軸具有很強的剛性,所以,它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。平面關(guān)節(jié)機器人的工作空間

345.平面關(guān)節(jié)型SCARA機器人常用于裝配作業(yè),最顯著的特大家好35大家好1dongcl@機器人應(yīng)用技術(shù)大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院董春利