工業(yè)機器人認知一課件

項目一工業(yè)機器人認知項目一工業(yè)機器人認知內容及要求知識要求：初步了解本課程完成的工程項目，掌握工業(yè)機器人的基本概念、工業(yè)機器人的任務。掌握工業(yè)機器人理論的主要內容。要求：掌握對于實際生活及工業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)機器人系統(tǒng)的基本分析能力。實踐內容：了解實訓室中工業(yè)機器人系統(tǒng)的組成及類型。內容及要求知識要求：初步了解本課程完成的工程項目，掌握工業(yè)機項目實施方法

1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求1.2工業(yè)機器人基礎知識1.3工業(yè)機器人擴展知識1.4工業(yè)機器人認知技能訓練項目實施方法1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求1.2工業(yè)機器1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求

工業(yè)機器人技術是近年來新技術發(fā)展的重要領域之一，是以微電子技術為主導的多種新興技術與機械技術交叉、融合而成的一種綜合的高新技術。工業(yè)機器人是最典型的機電一體化裝備，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。因此工業(yè)機器人技術也成為廣大工程技術人員迫切需要掌握的知識。工業(yè)機器人技術是近年來新技術發(fā)展的重要任務1.2工業(yè)機器人基礎知識任務1.2工業(yè)機器人基礎知識1.2工業(yè)機器人基礎知識1.2.1工業(yè)機器人的定義1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克（KarelCapek）在其劇本《Rossum’sUniversalRobots》（中文意思是“羅薩姆的萬能機器人”）中最早使用機器人一詞，劇中“Robota”（奴隸）寫成了“Robot”，即劇作家筆下的一個具有人的外表，特征和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機器人（IndustrialRobot）設想。1.2工業(yè)機器人基礎知識1.2.1工業(yè)機器人的定義1.2.1工業(yè)機器人的定義

美國機器人協(xié)會(RIA)提出的定義為：“工業(yè)機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手(manipulator)”。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)提出的定義：“工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。國際標準化組織(ISO)提出的定義：“工業(yè)機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”。國家標準GBT12643-90將工業(yè)機器人定義為：工業(yè)機器人是一種能自動定位控制的、可重復編程的、多自由度的操作機，能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。

總之，工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。1.2.1工業(yè)機器人的定義美國機器人協(xié)會(RIA)1.2.2工業(yè)機器人的基本組成

工業(yè)機器人技術是綜合了當代機構運動學與動力學、精密機械設計發(fā)展起來的產(chǎn)物，是典型的機電一體化產(chǎn)品。從工業(yè)機器人體系結構，工業(yè)機器人有三大部分、六個子系統(tǒng)組成。1.2.2工業(yè)機器人的基本組成工業(yè)機器人技術是綜合工業(yè)機器人認知一課件1.工業(yè)機器人三大部分(1)機械本體部分工業(yè)機器人的機械本體部分是工業(yè)機器人的重要部分，其功能為實現(xiàn)各種動作。其他組成部分必須與機械本體相匹配，相輔相成，組成一個完整的機器人系統(tǒng)(2)傳感部分傳感部分用于感知內部和外部的信息。要機器人與人一樣有效地完成工作，對外界狀況進行判別的感知功能是必不可少的。沒有感知功能的機器人，只能按預先給定的順序，重復地進行一定的動作。(3)控制部分

控制部分用于控制機器人完成各種動作，工業(yè)機器人的控制主要包括：機器人的動作順序、應實現(xiàn)的路徑與位置、動作時間間隔以及作用于對象上的作用力等。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)一般是以機器人的單軸或多軸運動協(xié)調為目的的控制系統(tǒng)。1.工業(yè)機器人三大部分(1)機械本體部分(2)傳感部分(3)工業(yè)機器人對機械本體有如下要求：

①

最小運動慣量

②

尺度規(guī)劃

③

材料的選擇

④

剛度的設計

⑤

可靠性

⑥

工藝性

工業(yè)機器人對機械本體有如下要求：工業(yè)機器人對傳感部分的要求是：

①精度高、重復性好。機器人是否能夠準確無誤地正常工作，往往取決于其所用傳感器的測量精度。②穩(wěn)定性和可靠性好。保證機器人能夠長期穩(wěn)定可靠地工作，盡可能避免在工作中出現(xiàn)故障。③抗干擾能力強。工業(yè)機器人的工作環(huán)境往往比較惡劣，其所用傳感器應能承受一定的電磁干擾、振動，能在高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。④適應加工任務的要求。不同的加工任務對機器人的感覺要求是不同的，可根據(jù)其工作特點進行選擇。⑤滿足機器人控制的要求。機器人控制需要采用傳感器檢測機器人的運動位置、速度和加速度。工業(yè)機器人對傳感部分的要求是：①精度高、重復性好。機器人是工業(yè)機器人對控制部分有如下要求：①工業(yè)機器人的控制部分要著重本體與操作對象的相互關系。②工業(yè)機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。③多個獨立的伺服系統(tǒng)必須有機的協(xié)調起來，組成一個多變量的控制系統(tǒng)。④工業(yè)機器人還有一種特有的控制方式——示教再現(xiàn)控制方式。

總而言之，工業(yè)機器人控制部分是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。隨著實際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡單的編程控制，微處理機控制到小型計算機控制等。工業(yè)機器人對控制部分有如下要求：①工業(yè)機器人的控制部分要著重2.工業(yè)機器人六個子系統(tǒng)(1)機械結構系統(tǒng)

機械結構系統(tǒng)是機器人的主體部分，由基座、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構成一個多自由度的機械系統(tǒng)。基座如同機床的床身結構一樣，機器人基座構成機器人的基礎支撐。

機器人的機械結構部分可以看作是由一些連桿通過關節(jié)組裝起來的。由關節(jié)完成實現(xiàn)基座、手臂各部分、末端操作器之間的相對運動。通常有兩種關節(jié)，即轉動關節(jié)和移動關節(jié)。轉動關節(jié)主要是伺服電機驅動。移動關節(jié)主要由伺服電機驅動也可以由氣缸、液壓缸或者線性電驅動器驅動。2.工業(yè)機器人六個子系統(tǒng)機器人的機械結構部分可以看作(2)驅動系統(tǒng)

要使機器人運行起來，需要給各個關節(jié)即每個運動自由度安裝傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)。相當于機械手的“肌肉”，驅動系統(tǒng)常見的驅動器有伺服電機等?？梢灾苯域寗雨P節(jié)，也可以通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等傳動機構進行間接驅動。(2)驅動系統(tǒng)(3)傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成。內部傳感器模塊負責收集機器人內部信息如各個關節(jié)和連桿的信息。如同人體肌腱內的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)傳感器。外部傳感器負責獲取外部環(huán)境信息。包括視覺系統(tǒng)、觸覺傳感器等。(3)傳感系統(tǒng)(4)人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制，與機器人進行聯(lián)系的裝置。例如：計算機的標準終端、指令控制臺、示教盒、信息顯示屏、報警器等。歸結起來為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。(4)人機交互系統(tǒng)(5)控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人執(zhí)行結構去完成規(guī)定的運動和功能。根據(jù)有無反饋可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)等。根據(jù)控制原理可分為順序控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式,控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。(5)控制系統(tǒng)(6)機器人－環(huán)境交互系統(tǒng)工業(yè)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。工業(yè)機器人可與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然,也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復雜任務的功能單元。

(6)機器人－環(huán)境交互系統(tǒng)1.2.3工業(yè)機器人的技術參數(shù)工業(yè)機器人的技術參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術數(shù)據(jù)，也是工業(yè)機器人性能的主要體現(xiàn)。例如：IRB120是ABB推出一款迄今最小的多用途工業(yè)機器人——緊湊、敏捷、輕量的六軸，僅重25kg，荷重3kg（垂直腕為4kg），工作范圍達580mm1.2.3工業(yè)機器人的技術參數(shù)例如：IRB120是ABB推工業(yè)機器人認知一課件工業(yè)機器人認知一課件工業(yè)機器人認知一課件1.2.4機器人的分類1.按照應用類型分類

機器人按應用類型可分為工業(yè)機器人、極限作業(yè)機器人和娛樂機器人。(1)工業(yè)機器人。工業(yè)機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢查等機器人，主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中。(2)極限作業(yè)機器人。極限作業(yè)機器人主要是指在人們難以進入的核電站、海底、宇宙空間進行作業(yè)的機器人，也包括建筑機器人、農業(yè)機器人等。(3)娛樂機器人。娛樂機器人包括彈奏樂器的機器人、舞蹈機器人、玩具機器人等（具有某種程度的通用性），也有根據(jù)環(huán)境改變動作的機器人。1.2.4機器人的分類1.按照應用類型分類2.按照控制方式分類

機器人按控制方式可分為操作機器人、程序機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人和綜合機器人。

(1)操作機器人。操作機器人的典型代表是在核電站處理放射性物質時遠距離進行操作的機器人。在這種場合，相當于人手操縱的部分成為主動機械手，而從動機械手基本上與主動機械手類似，只是從動機械手要比主動機械手大一些，作業(yè)時的力量也更大。

(2)程序機器人。計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。程序機器人按預先給定的程序、條件、位置進行作業(yè),目前大部分機器人都采用這種控制方式工作。2.按照控制方式分類(1)操作機器人。操作機器人的典(3)示教再現(xiàn)機器人。示教再現(xiàn)機器人同盒式磁帶的錄放一樣，將所教的操作過程自動記錄在儲存器中，當需要再現(xiàn)操作時，可重復所教過的過程。(4)智能機器人。智能機器人不僅可以預先設定的動作，還可以按照工作環(huán)境的變化改變動作。(5)綜合機器人。綜合機器人是由操作機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人組合而成的機器人，如火星機器人。(3)示教再現(xiàn)機器人。示教再現(xiàn)機器人同盒式磁帶的錄放一樣，將

3.按驅動方式分類（1）氣壓式工業(yè)機器人。這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。（2）液壓式工業(yè)機器人。液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業(yè)機器人結構緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。3.按驅動方式分類（3）電動式工業(yè)機器人。這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工業(yè)機器人設計提供了多種選擇，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅動，后來發(fā)展了直流伺服驅動單元，目前常用交流伺服驅動單元。這些驅動單元或是直接驅動工業(yè)機器人，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅動，結構十分緊湊、簡單。（4）新型驅動方式機器人，伴隨著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新的工作原理制造的新型驅動器，如靜電驅動器、壓電驅動器、形狀記憶合金驅動器、人工肌肉等工業(yè)機器人按執(zhí)行機構運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。（3）電動式工業(yè)機器人。這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不1.2.5工業(yè)機器人的坐標1.直角坐標／笛卡兒坐標／臺架型(3P)

直角坐標型工業(yè)機器人運動部分由三個相互垂直的直線移動關節(jié)（即PPP）組成，具有三個獨立的自由度，可使末端操作器作三個方向的獨立位移，其工作空間圖形為長方形1.2.5工業(yè)機器人的坐標2.圓柱坐標型(R2P)圓柱坐標型工業(yè)機器人有兩個直線移動關節(jié)和一個轉動關節(jié)(PPR)，其主體具有3個自由度：腰部轉動、升降運動，手臂伸縮運動，其工作空間圖形為圓柱。該種型式的工業(yè)機器人，空間尺寸較小，工作范圍較大，末端操作器可獲得較高的運動速度，其位置精度僅次于直角坐標型機器人。2.圓柱坐標型(R2P)3.球坐標型(2RP)球坐標型工業(yè)機器人又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉動和一個直線移動（即RRP,一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體。該種型式的工業(yè)機器人，空間尺寸較小，工作范圍較大。中心支架附近的工作范圍大,兩個轉動驅動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標復雜,難于控制,且直線驅動裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問題。球坐標型工業(yè)機器人不常用。3.球坐標型(2RP)4.關節(jié)坐標型/擬人型(3R)關節(jié)坐標型工業(yè)機器人又稱回轉坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂類似于人的手臂，其前三個關節(jié)是回轉副（即RRR），是工業(yè)機器人中最常見的結構。該種型式的工業(yè)機器人，其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人噴涂、焊接等作業(yè)中應用越來越廣泛。4.關節(jié)坐標型/擬人型(3R)5.平面關節(jié)型(SCARA)平面關節(jié)型工業(yè)機器人采用一個移動關節(jié)和兩個回轉關節(jié)（即PRR），移動關節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉關節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)機器人又稱SCARA(SeletiveComplianceAssemblyRobotArm)裝配機器人該種型式的工業(yè)機器人結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應用廣泛。5.平面關節(jié)型(SCARA)6.并聯(lián)機器人(Delta)并聯(lián)機器人一般通過示教編程或視覺系統(tǒng)捕捉目標物體，由三個并聯(lián)的伺服軸確定抓具中心（TCP）的空間位置，實現(xiàn)目標物體的運輸，加工等操作。并聯(lián)機器人是典型的空間三自由度并聯(lián)機構，整體結構精密、緊湊，驅動部分均布于固定平臺，這些特點使它具有承載能力強、剛度大、自重負荷比小、動態(tài)性能好；并行三自由度機械臂結構，重復定位精度高；超高速拾取物品，一秒鐘多個節(jié)拍等特點。6.并聯(lián)機器人(Delta)1.2.6工業(yè)機器人的主要特點(1)可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性啟動化。(2)擬人化。工業(yè)機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有控制器。(3)通用性。除了專門設計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性。(4)工業(yè)機器技術涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學的結合-機電一體化技術。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。1.2.6工業(yè)機器人的主要特點(1)可編程。生產(chǎn)自動化的進

1.2.7工業(yè)機器人的應用工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。例如：1.2.7工業(yè)機器人的應用工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人1.焊接機器人工業(yè)機器人應用最為廣泛的一種類型，主要應用于汽車制造行業(yè)。分點焊和弧焊二種，其中：點焊對所用的機器人的要求不太高，因其對點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求，只要求起點和終點的位姿準確；弧焊機器人的組成和原理與點焊機器人基本相同，但對焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數(shù)都要求精確控制。1.焊接機器人2.裝配機器人裝配機器人要求具有較高的位姿精度，手腕具有較大的柔性，主要用于各種電器的制造行業(yè)。裝配機器人主要有可編程通用裝配操作手和平面雙關節(jié)型機器人兩種類型。裝配機器人具有精度高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點。2.裝配機器人

3.搬運機器人搬運機器人用途很廣泛，一般只需要點位控制，用于工廠中一些工序的上下料作業(yè)、拆垛和碼垛作業(yè)等。搬運機器人精度相對低一些，但負荷比較大，運動速度比較高。其機器人本體多采用點焊或弧焊機器人結構，也有的采用框架式和直角坐標式結構形式。

KUKA機器人化肥碼垛

KUKA機器人工件搬運3.搬運機器人搬運機器人用途很廣泛，一般只需要點位控制，用于4.

激光加工機器人對工件實施切割、焊接或者是金屬材料的表面特殊處理，可以實現(xiàn)金屬及其他材料的特殊加工。實現(xiàn)對工件的精密切割、鉆孔、焊接以及表面熱處理。國外激光加工技術已經(jīng)比較成熟，而國內較為落后，但其成長空間巨大。4.激光加工機器人5.移動機器人移動機器人廣泛應用于各行業(yè)的柔性搬運、傳輸?shù)裙δ堋H物流技術發(fā)展的新趨勢之一，實現(xiàn)點對點自動存取的高架箱儲、作業(yè)和搬運相結合，實現(xiàn)精細化、柔性化、信息化，縮短物流流程，降低物料損耗，減少占地面積，降低建設投資等的高新技術和裝備。如裝備有電磁或光學導航的AGV，能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，具有安全保護和各種移栽功能5.移動機器人6.噴涂機器人。

噴涂機器人多用于汽車、儀表、電器等工藝生產(chǎn)部門，重復定位精度不高，另外由于漆霧易燃，驅動裝置必須防燃防爆。噴涂機器人多采用5或6自由度關節(jié)式結構，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴涂機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內部，噴涂其內表面。6.噴涂機器人。噴涂機器人多用于汽車、儀表、電器等7.其他根據(jù)應用領域劃分，工業(yè)機器人還可以分為研磨拋光、清潔、水切割、凈化、真空等機器人等類型。機器人打磨是機器人應用的新領域，獨特的力度控制確保了物品被打磨的完美無瑕。打磨機器人主要由工業(yè)機器人本體和打磨機具、抓手等外圍設備組成。機器人打磨主要有兩種方式：一種是通過機器人末端執(zhí)行器夾持打磨工具，主動接觸工件，工件相對固定不動。這種打磨機器人可稱為工具主動型打磨機器人；另一種是機器人末端執(zhí)行器夾持工件，通過工件貼近接觸去毛刺機具設備，機具設備相對固定不動，這種打磨機器人也稱為工件主動打磨機器人。7.其他

1.3工業(yè)機器人擴展知識

1.3工業(yè)機器人擴展知識

1.3.1工業(yè)機器人發(fā)展歷程

早在1954年美國喬治·德沃爾首次設計出第一臺電子程序可編的工業(yè)機器人，并于1961年發(fā)表了該項專利。1962年美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代機器人誕生第一代機器人，也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，機器人可以重復的根據(jù)人當時示教的結果，再現(xiàn)出這種動作1982年，美國通用汽車公司在裝配線上為機器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣告了第二代機器人—感知機器人的問世。

1.3.1工業(yè)機器人發(fā)展歷程第一代機器人，也叫示教再現(xiàn)型第三代機器人，是機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，正在各國研制和發(fā)展。它不但具有感知功能，還具有一定決策和規(guī)劃能力。能根據(jù)人的命令或按照所處環(huán)境自行做出決策規(guī)劃動作即按任務編程。第三代機器人，是機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫

1.3.2工業(yè)機器人的現(xiàn)狀1）工業(yè)機器人的應用領域將會由傳統(tǒng)的制造業(yè)，如冶金、石油、化學、船舶、采礦等領域擴大到航空、航天、核能、醫(yī)藥、生化等高科技領域，同時工業(yè)機器人也會逐步走向家庭，成為家庭機器人，以及一些高危行業(yè)也會逐步引入工業(yè)機器人代替人來完成危險的任務，如消防、排雷、修理高壓線、下水道清潔。人類的生活將會越來越離不開工業(yè)機器人，它們將會豐富我們的文化生活。

1.3.2工業(yè)機器人的現(xiàn)狀1）工業(yè)機器人的應用領域將會由2）工業(yè)機器人可能會有向小型化發(fā)展的趨勢。ABB公司的一款小型機器人“IRBI20”自重只有25千克，但是工作能力位居業(yè)內領先水平，它的工作范圍可達580毫米，每公斤物料拾取節(jié)拍僅需0.58秒，定位精度高達0.Olmm，投入市場后非常受歡迎。因此工業(yè)機器人有可能往小型化發(fā)展，小型的工業(yè)機器人有其優(yōu)勢，按照以往的思路都是機器人要比它加工的部件大，但隨著航空、航天、核電等技術的發(fā)展，工件尺寸越來越大，想要繼續(xù)擴大工業(yè)機器人的尺寸成本太高，因此可以換一種思路將工業(yè)機器人做小，直接在工件上實施加工。2）工業(yè)機器人可能會有向小型化發(fā)展的趨勢。

3）工業(yè)機器人將會有和新發(fā)展的技術結合的趨勢，如攪拌摩擦焊、高能激光切割、變速箱裝配、板金屬變形等。一些傳統(tǒng)的加工過程也會由工業(yè)機器人來執(zhí)行，如激光切割、激光焊接、粘接、去毛刺、測量等。

4）同時降低工業(yè)機器人的生產(chǎn)成本，提高高端工業(yè)機器人的質量，增強機器人的靈活性，爭強產(chǎn)品可靠性，降低機器人整個生命周期的維護費用，簡化機器人的安裝過程、系統(tǒng)集成及編程設置依舊是工業(yè)機器人的發(fā)展方向。

3）工業(yè)機器人將會有和新發(fā)展的技術結合的趨勢，如攪拌摩擦焊項目一工業(yè)機器人認知項目一工業(yè)機器人認知內容及要求知識要求：初步了解本課程完成的工程項目，掌握工業(yè)機器人的基本概念、工業(yè)機器人的任務。掌握工業(yè)機器人理論的主要內容。要求：掌握對于實際生活及工業(yè)生產(chǎn)中工業(yè)機器人系統(tǒng)的基本分析能力。實踐內容：了解實訓室中工業(yè)機器人系統(tǒng)的組成及類型。內容及要求知識要求：初步了解本課程完成的工程項目，掌握工業(yè)機項目實施方法

1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求1.2工業(yè)機器人基礎知識1.3工業(yè)機器人擴展知識1.4工業(yè)機器人認知技能訓練項目實施方法1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求1.2工業(yè)機器1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求1.1工業(yè)機器人認知與導讀要求

工業(yè)機器人技術是近年來新技術發(fā)展的重要領域之一，是以微電子技術為主導的多種新興技術與機械技術交叉、融合而成的一種綜合的高新技術。工業(yè)機器人是最典型的機電一體化裝備，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用。專家預測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術產(chǎn)業(yè)。因此工業(yè)機器人技術也成為廣大工程技術人員迫切需要掌握的知識。工業(yè)機器人技術是近年來新技術發(fā)展的重要任務1.2工業(yè)機器人基礎知識任務1.2工業(yè)機器人基礎知識1.2工業(yè)機器人基礎知識1.2.1工業(yè)機器人的定義1920年捷克作家卡雷爾·卡佩克（KarelCapek）在其劇本《Rossum’sUniversalRobots》（中文意思是“羅薩姆的萬能機器人”）中最早使用機器人一詞，劇中“Robota”（奴隸）寫成了“Robot”，即劇作家筆下的一個具有人的外表，特征和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業(yè)機器人（IndustrialRobot）設想。1.2工業(yè)機器人基礎知識1.2.1工業(yè)機器人的定義1.2.1工業(yè)機器人的定義

美國機器人協(xié)會(RIA)提出的定義為：“工業(yè)機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務的，并具有編程能力的多功能機械手(manipulator)”。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)提出的定義：“工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。國際標準化組織(ISO)提出的定義：“工業(yè)機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務”。國家標準GBT12643-90將工業(yè)機器人定義為：工業(yè)機器人是一種能自動定位控制的、可重復編程的、多自由度的操作機，能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。

總之，工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。1.2.1工業(yè)機器人的定義美國機器人協(xié)會(RIA)1.2.2工業(yè)機器人的基本組成

工業(yè)機器人技術是綜合了當代機構運動學與動力學、精密機械設計發(fā)展起來的產(chǎn)物，是典型的機電一體化產(chǎn)品。從工業(yè)機器人體系結構，工業(yè)機器人有三大部分、六個子系統(tǒng)組成。1.2.2工業(yè)機器人的基本組成工業(yè)機器人技術是綜合工業(yè)機器人認知一課件1.工業(yè)機器人三大部分(1)機械本體部分工業(yè)機器人的機械本體部分是工業(yè)機器人的重要部分，其功能為實現(xiàn)各種動作。其他組成部分必須與機械本體相匹配，相輔相成，組成一個完整的機器人系統(tǒng)(2)傳感部分傳感部分用于感知內部和外部的信息。要機器人與人一樣有效地完成工作，對外界狀況進行判別的感知功能是必不可少的。沒有感知功能的機器人，只能按預先給定的順序，重復地進行一定的動作。(3)控制部分

控制部分用于控制機器人完成各種動作，工業(yè)機器人的控制主要包括：機器人的動作順序、應實現(xiàn)的路徑與位置、動作時間間隔以及作用于對象上的作用力等。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)一般是以機器人的單軸或多軸運動協(xié)調為目的的控制系統(tǒng)。1.工業(yè)機器人三大部分(1)機械本體部分(2)傳感部分(3)工業(yè)機器人對機械本體有如下要求：

①

最小運動慣量

②

尺度規(guī)劃

③

材料的選擇

④

剛度的設計

⑤

可靠性

⑥

工藝性

工業(yè)機器人對機械本體有如下要求：工業(yè)機器人對傳感部分的要求是：

①精度高、重復性好。機器人是否能夠準確無誤地正常工作，往往取決于其所用傳感器的測量精度。②穩(wěn)定性和可靠性好。保證機器人能夠長期穩(wěn)定可靠地工作，盡可能避免在工作中出現(xiàn)故障。③抗干擾能力強。工業(yè)機器人的工作環(huán)境往往比較惡劣，其所用傳感器應能承受一定的電磁干擾、振動，能在高溫、高壓、高污染環(huán)境中正常工作。④適應加工任務的要求。不同的加工任務對機器人的感覺要求是不同的，可根據(jù)其工作特點進行選擇。⑤滿足機器人控制的要求。機器人控制需要采用傳感器檢測機器人的運動位置、速度和加速度。工業(yè)機器人對傳感部分的要求是：①精度高、重復性好。機器人是工業(yè)機器人對控制部分有如下要求：①工業(yè)機器人的控制部分要著重本體與操作對象的相互關系。②工業(yè)機器人的控制與機構運動學及動力學密切相關。③多個獨立的伺服系統(tǒng)必須有機的協(xié)調起來，組成一個多變量的控制系統(tǒng)。④工業(yè)機器人還有一種特有的控制方式——示教再現(xiàn)控制方式。

總而言之，工業(yè)機器人控制部分是一個與運動學和動力學原理密切相關的、有耦合的、非線性的多變量控制系統(tǒng)。隨著實際工作情況的不同，可以采用各種不同的控制方式，從簡單的編程控制，微處理機控制到小型計算機控制等。工業(yè)機器人對控制部分有如下要求：①工業(yè)機器人的控制部分要著重2.工業(yè)機器人六個子系統(tǒng)(1)機械結構系統(tǒng)

機械結構系統(tǒng)是機器人的主體部分，由基座、手臂、末端操作器三大件組成。每一大件都有若干自由度，構成一個多自由度的機械系統(tǒng)?；缤瑱C床的床身結構一樣，機器人基座構成機器人的基礎支撐。

機器人的機械結構部分可以看作是由一些連桿通過關節(jié)組裝起來的。由關節(jié)完成實現(xiàn)基座、手臂各部分、末端操作器之間的相對運動。通常有兩種關節(jié)，即轉動關節(jié)和移動關節(jié)。轉動關節(jié)主要是伺服電機驅動。移動關節(jié)主要由伺服電機驅動也可以由氣缸、液壓缸或者線性電驅動器驅動。2.工業(yè)機器人六個子系統(tǒng)機器人的機械結構部分可以看作(2)驅動系統(tǒng)

要使機器人運行起來，需要給各個關節(jié)即每個運動自由度安裝傳動裝置，這就是驅動系統(tǒng)。相當于機械手的“肌肉”，驅動系統(tǒng)常見的驅動器有伺服電機等?？梢灾苯域寗雨P節(jié)，也可以通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等傳動機構進行間接驅動。(2)驅動系統(tǒng)(3)傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成。內部傳感器模塊負責收集機器人內部信息如各個關節(jié)和連桿的信息。如同人體肌腱內的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)傳感器。外部傳感器負責獲取外部環(huán)境信息。包括視覺系統(tǒng)、觸覺傳感器等。(3)傳感系統(tǒng)(4)人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制，與機器人進行聯(lián)系的裝置。例如：計算機的標準終端、指令控制臺、示教盒、信息顯示屏、報警器等。歸結起來為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。(4)人機交互系統(tǒng)(5)控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人執(zhí)行結構去完成規(guī)定的運動和功能。根據(jù)有無反饋可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)等。根據(jù)控制原理可分為順序控制系統(tǒng)、自適應控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式,控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。(5)控制系統(tǒng)(6)機器人－環(huán)境交互系統(tǒng)工業(yè)機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。工業(yè)機器人可與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當然,也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復雜任務的功能單元。

(6)機器人－環(huán)境交互系統(tǒng)1.2.3工業(yè)機器人的技術參數(shù)工業(yè)機器人的技術參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在產(chǎn)品供貨時所提供的技術數(shù)據(jù)，也是工業(yè)機器人性能的主要體現(xiàn)。例如：IRB120是ABB推出一款迄今最小的多用途工業(yè)機器人——緊湊、敏捷、輕量的六軸，僅重25kg，荷重3kg（垂直腕為4kg），工作范圍達580mm1.2.3工業(yè)機器人的技術參數(shù)例如：IRB120是ABB推工業(yè)機器人認知一課件工業(yè)機器人認知一課件工業(yè)機器人認知一課件1.2.4機器人的分類1.按照應用類型分類

機器人按應用類型可分為工業(yè)機器人、極限作業(yè)機器人和娛樂機器人。(1)工業(yè)機器人。工業(yè)機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢查等機器人，主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中。(2)極限作業(yè)機器人。極限作業(yè)機器人主要是指在人們難以進入的核電站、海底、宇宙空間進行作業(yè)的機器人，也包括建筑機器人、農業(yè)機器人等。(3)娛樂機器人。娛樂機器人包括彈奏樂器的機器人、舞蹈機器人、玩具機器人等（具有某種程度的通用性），也有根據(jù)環(huán)境改變動作的機器人。1.2.4機器人的分類1.按照應用類型分類2.按照控制方式分類

機器人按控制方式可分為操作機器人、程序機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人和綜合機器人。

(1)操作機器人。操作機器人的典型代表是在核電站處理放射性物質時遠距離進行操作的機器人。在這種場合，相當于人手操縱的部分成為主動機械手，而從動機械手基本上與主動機械手類似，只是從動機械手要比主動機械手大一些，作業(yè)時的力量也更大。

(2)程序機器人。計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。程序機器人按預先給定的程序、條件、位置進行作業(yè),目前大部分機器人都采用這種控制方式工作。2.按照控制方式分類(1)操作機器人。操作機器人的典(3)示教再現(xiàn)機器人。示教再現(xiàn)機器人同盒式磁帶的錄放一樣，將所教的操作過程自動記錄在儲存器中，當需要再現(xiàn)操作時，可重復所教過的過程。(4)智能機器人。智能機器人不僅可以預先設定的動作，還可以按照工作環(huán)境的變化改變動作。(5)綜合機器人。綜合機器人是由操作機器人、示教再現(xiàn)機器人、智能機器人組合而成的機器人，如火星機器人。(3)示教再現(xiàn)機器人。示教再現(xiàn)機器人同盒式磁帶的錄放一樣，將

3.按驅動方式分類（1）氣壓式工業(yè)機器人。這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結構簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。（2）液壓式工業(yè)機器人。液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業(yè)機器人結構緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。3.按驅動方式分類（3）電動式工業(yè)機器人。這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工業(yè)機器人設計提供了多種選擇，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅動，后來發(fā)展了直流伺服驅動單元，目前常用交流伺服驅動單元。這些驅動單元或是直接驅動工業(yè)機器人，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅動，結構十分緊湊、簡單。（4）新型驅動方式機器人，伴隨著機器人技術的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新的工作原理制造的新型驅動器，如靜電驅動器、壓電驅動器、形狀記憶合金驅動器、人工肌肉等工業(yè)機器人按執(zhí)行機構運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。（3）電動式工業(yè)機器人。這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不1.2.5工業(yè)機器人的坐標1.直角坐標／笛卡兒坐標／臺架型(3P)

直角坐標型工業(yè)機器人運動部分由三個相互垂直的直線移動關節(jié)（即PPP）組成，具有三個獨立的自由度，可使末端操作器作三個方向的獨立位移，其工作空間圖形為長方形1.2.5工業(yè)機器人的坐標2.圓柱坐標型(R2P)圓柱坐標型工業(yè)機器人有兩個直線移動關節(jié)和一個轉動關節(jié)(PPR)，其主體具有3個自由度：腰部轉動、升降運動，手臂伸縮運動，其工作空間圖形為圓柱。該種型式的工業(yè)機器人，空間尺寸較小，工作范圍較大，末端操作器可獲得較高的運動速度，其位置精度僅次于直角坐標型機器人。2.圓柱坐標型(R2P)3.球坐標型(2RP)球坐標型工業(yè)機器人又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉動和一個直線移動（即RRP,一個回轉，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體。該種型式的工業(yè)機器人，空間尺寸較小，工作范圍較大。中心支架附近的工作范圍大,兩個轉動驅動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標復雜,難于控制,且直線驅動裝置仍存在密封及工作死區(qū)的問題。球坐標型工業(yè)機器人不常用。3.球坐標型(2RP)4.關節(jié)坐標型/擬人型(3R)關節(jié)坐標型工業(yè)機器人又稱回轉坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂類似于人的手臂，其前三個關節(jié)是回轉副（即RRR），是工業(yè)機器人中最常見的結構。該種型式的工業(yè)機器人，其結構最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調工作，但位置精度較低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人噴涂、焊接等作業(yè)中應用越來越廣泛。4.關節(jié)坐標型/擬人型(3R)5.平面關節(jié)型(SCARA)平面關節(jié)型工業(yè)機器人采用一個移動關節(jié)和兩個回轉關節(jié)（即PRR），移動關節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉關節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)機器人又稱SCARA(SeletiveComplianceAssemblyRobotArm)裝配機器人該種型式的工業(yè)機器人結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應用廣泛。5.平面關節(jié)型(SCARA)6.并聯(lián)機器人(Delta)并聯(lián)機器人一般通過示教編程或視覺系統(tǒng)捕捉目標物體，由三個并聯(lián)的伺服軸確定抓具中心（TCP）的空間位置，實現(xiàn)目標物體的運輸，加工等操作。并聯(lián)機器人是典型的空間三自由度并聯(lián)機構，整體結構精密、緊湊，驅動部分均布于固定平臺，這些特點使它具有承載能力強、剛度大、自重負荷比小、動態(tài)性能好；并行三自由度機械臂結構，重復定位精度高；超高速拾取物品，一秒鐘多個節(jié)拍等特點。6.并聯(lián)機器人(Delta)1.2.6工業(yè)機器人的主要特點(1)可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性啟動化。(2)擬人化。工業(yè)機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有控制器。(3)通用性。除了專門設計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性。(4)工業(yè)機器技術涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學的結合-機電一體化技術。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。1.2.6工業(yè)機器人的主要特點(1)可編程。生產(chǎn)自動化的進

1.2.7工業(yè)機器人的應用工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。例如：1.2.7工業(yè)機器人的應用工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人1.焊接機器人工業(yè)機器人應用最為廣泛的一種類型，主要應用于汽車制造行業(yè)。分點焊和弧焊二種，其中：點焊對所用的機器人的要求不太高，因其對點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求，只要求起點和終點的位姿準確；弧焊機器人的組成和原理與點焊機器人基本相同，但對焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態(tài)、焊接參數(shù)都要求精確控制。1.焊接機器人2.裝配機器人裝配機器人要求具有較高的位姿精度，手腕具有較大的柔性，主要用于各種電器的制造行業(yè)。裝配機器人主要有可編程通用裝配操作手和平面雙關節(jié)型機器人兩種類型。裝配機器人具有精度高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點。2.裝配機器人

3.搬運機器人搬運機器人用途很廣泛，一般只需要點位控制，用于工廠中一些工序的上下料作業(yè)、拆垛和碼垛作業(yè)等。搬運機器人精度相對低一些，但負荷比較大，運動速度比較高。其機器人本體多采用點焊或弧焊機器人結構，也有的采用框架式和直角坐標式結構形式。

KUKA機器人化肥碼垛

KUKA機器人工件搬運3.搬運機器人搬運機器人用途很廣泛，一般只需要點位控制，用于4.

激光加工機器人對工件實施切割、焊接或者是金屬材料的表面特殊處理，可以實現(xiàn)金屬及其他材料的特殊加工。實現(xiàn)對工件的精密切割、鉆孔、焊接以及表面熱處理。國外激光加工技術已經(jīng)比較成熟，而國內較為落后，但其成長空間巨大。4.激光加工機器人5.移動機器人移動機器人廣泛應用于各行業(yè)的柔性搬運、傳輸?shù)裙δ?。國際物流技術發(fā)展的新趨勢之一，實現(xiàn)點對點自動存取的高架箱儲、