《工業(yè)機器人》結(jié)課論文

PAGEPAGE1-機械與##學(xué)院《工業(yè)機器人》結(jié)課論文（2013-2014學(xué)年第一學(xué)期）論文題目：認識工業(yè)機器人姓名：陳koujin學(xué)號：110401061038班級：機械電子工程18班指導(dǎo)老師：mayuanla老師時間：2013年01月28日成績：摘要近年來，高速發(fā)展的經(jīng)濟和工業(yè)技術(shù)，為我國工業(yè)機器人的發(fā)展提供了良好的條件，工業(yè)機器人也越來越受到重視，工業(yè)機器人的運用帶來了客觀的經(jīng)濟效益，國家經(jīng)濟的快速穩(wěn)定發(fā)展離不開工業(yè)化，離不開更加先進的工業(yè)機器人的運用。論文主要介紹了工業(yè)機器人的應(yīng)用、發(fā)展和工業(yè)機器人的簡單知識，力爭對工業(yè)機器人有初步的正確的認識。關(guān)鍵詞：工業(yè)技術(shù)，工業(yè)化，工業(yè)機器人AbstractInrecentyears，thehighspeeddevelopmentofeconomyandindustrialtechnology，forthedevelopmentofourcountryindustrialrobottoprovideagoodconditions.industrialrobothadtakenmoreandmoreattention.theuseofindustrialrobothaveproducedtheobjectiveeconomicbenefits.Thecountry'seconomicrapidandsteadydevelopmentcannotleavetheindustrialization,italsocannottoleavetheuseofmoreadvancedindustrialrobot.Thispaperintroducetheuseofindustrialrobot、thedevelopofindustrialrobotandsimpleknowledgeaboutindustrialrobot，wordhardformakingrightsimplerecognizeaboutindustrialrobot.Keywords:technologyindustrializationindustrialrobottransfer”中，首次提成“示教再現(xiàn)機器人的概念”。1958年，“工業(yè)機器人之父”JosephF.EngelBerger創(chuàng)建了世界上第一個機器人公司，并參加設(shè)計了第一臺Unimate機器人。1970年在伊利諾斯工學(xué)院召開了全美第一屆工業(yè)機器人會議，此時的美國已經(jīng)有200余臺工業(yè)機器人工作在自動化生產(chǎn)線上了。日本機器人的發(fā)展則經(jīng)過了20世紀60年代的搖籃曲、70年代的實用化時期、80年代的普及、提高期三個階段。1967年，日本東京機械貿(mào)易公司首次從美國AMF公司引進了Versatran機器人。1968年，日本川琦重公業(yè)公司又從美國Unimation公司引進Unimation機器人，1970年實現(xiàn)了國產(chǎn)化。從此日本進入了開發(fā)和運用機器人技術(shù)的時期。幾年后，美國反而要從日本進口機器人。1983年，美國從日本進口的機器人達到進口機器人的78%.日本的工業(yè)機器人制造技術(shù)現(xiàn)在依然處于領(lǐng)先水平，日本的專業(yè)和業(yè)余機器人愛好者的比例也為世界之首。我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，大致可以分為三個階段：70年代的萌芽期、80年代的開發(fā)期、90年代的適用化期。目前，我國研制的工業(yè)機器人已經(jīng)達到工業(yè)運用水平，國家也對工業(yè)機器人的發(fā)展很重視，越來越多的企業(yè)和科研人員投入到機器人的開發(fā)和研究中。隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)及先進制造業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人在技術(shù)層次和功能上也有了很大的提高，移動機器人（水下游泳機器人、飛行機器人）和機器人的視覺和觸覺等就是先進技術(shù)的代表。當(dāng)前，與信息技術(shù)的融合和交互產(chǎn)生了“軟件機器人”“網(wǎng)絡(luò)機器人”，這些充分說明了機器人技術(shù)始終代表最流行最前沿的技術(shù)。二：工業(yè)機器人的基本組成及技術(shù)參數(shù)2.1工業(yè)機器人的基本組成工業(yè)機器人由六個子系統(tǒng)三大部分組成。三大部分是：傳感部分、控制部分、機械部分。六個子系統(tǒng)是：機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)，如圖1.21所示。六個子系統(tǒng)的作用分述如下：圖1.21機器人系統(tǒng)組成機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由手臂、手腕、末端操作器、機身四大件組成，每一大件都有若干自由度，構(gòu)成了一個多自由度的機械系統(tǒng)。手臂一般由手腕、上臂、下臂組成。末端操作器是直接裝在手腕上的重要部件，可以是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。感受系統(tǒng)感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成，獲取有意義的內(nèi)部和外部信息。也可以運用智能傳感器提高機器人的機動性、智能化的水平和適應(yīng)性。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息極其靈敏。而對于一些特殊信息機器人的傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效、更準(zhǔn)確。驅(qū)動系統(tǒng)使機器人運行起來需要各個關(guān)節(jié)安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是氣壓、液壓或電動的，也可以是把它們結(jié)合一起應(yīng)用的綜合系統(tǒng)?？梢允侵苯域?qū)動或者通過同步帶、輪系、鏈條、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)機器人環(huán)境交互系統(tǒng)實現(xiàn)了工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備互相聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元。當(dāng)然也可以是多臺機器人、多個零件存儲裝置、多臺機床或設(shè)備等集成一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)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的執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定的功能和運動。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交互進行的裝置，可分為兩大類：信息顯示裝置，如顯示器等；指令給定裝置，如示教盒、觸摸屏等。2.2工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)工業(yè)機器人的技術(shù)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(shù)數(shù)據(jù)，也是工業(yè)機器人性能的主要表現(xiàn)。工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)一般應(yīng)包括自由度、工作范圍、重復(fù)定位精度、最大工作速度、承受能力等自由度是指機器人所具有的獨立坐標(biāo)軸運動的數(shù)目，不包括手爪（末端操作器）的開合自由度。從運動學(xué)的觀點，在完成某一特定作業(yè)時具有多余自由度的機器人叫做冗余自由度機器人。冗余自由度可以增加機器人的靈活性，躲避障礙物和改善動力性能。無論工業(yè)機器人的自由度有多少，在運動形式上分直線運動（P）和旋轉(zhuǎn)運動（R），如RPRR表示有四個運動自由度，從基座到臂端，關(guān)節(jié)的運動方式旋轉(zhuǎn)-直線-旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)。工作范圍是機器人手臂末端或者手腕中心所能到達的所有點的集合。工作范圍的大小和形狀是很重要的，機器人在執(zhí)行作業(yè)時可能會因為作業(yè)死區(qū)（手部不能到達）而不能完成任務(wù)。工業(yè)機器人的精度是指定位精度和重復(fù)定位精度。定位精度指機器人手部實際到達位置同目標(biāo)位置的差異。重復(fù)定位精度是機器人重復(fù)定位其手部于同一目標(biāo)位置的能力。工業(yè)機器人的速度和加速度是衡量機器人運動特性的主要指標(biāo)。承載能力指機器人在工作范圍內(nèi)所能承受的最大質(zhì)量。承載能力既取決于負載的質(zhì)量，也跟機器人運行速度和加速度的大小和方向有關(guān)。三：工業(yè)機器人的控制3.1工業(yè)機器人控制基礎(chǔ)工業(yè)機器人的控制技術(shù)是在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此兩者之間十分相似，但工業(yè)機器人控制系統(tǒng)也有許多特殊之處。其特點如下：（1）工業(yè)機器人有若干關(guān)節(jié)，典型工業(yè)機器人有五到六個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)由一個伺服系統(tǒng)控制，多個關(guān)節(jié)的運動要求各個伺服系統(tǒng)協(xié)同工作。（2）工業(yè)機器人的工作任務(wù)是要求操作機的手部進行空間點位運動或連續(xù)軌跡運動，對工業(yè)機器人的運動控制，需要進行復(fù)雜的坐標(biāo)變換運算，以及矩陣函數(shù)的逆運算。（3）工業(yè)機器人的數(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，因此工業(yè)機器人的控制中經(jīng)常使用前饋、補償、解耦和自適應(yīng)等復(fù)雜控制技術(shù)。（4）較高級的工業(yè)機器人要求對環(huán)境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、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?？偠灾畽C器人控制系統(tǒng)是一個與運動學(xué)和動力學(xué)原理密切相關(guān)的、非線性的、耦合的多變量控制系統(tǒng)。3.2工業(yè)機器人的驅(qū)動器驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，從而機器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，驅(qū)動器一般有步進電機驅(qū)動器、氣壓驅(qū)動器、液壓驅(qū)動器、直流電機驅(qū)動器、交流電機驅(qū)動器，還有一些特殊的新型驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器是一種將輸入脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的旋轉(zhuǎn)電機，能實習(xí)高精度的角度控制。步進電機驅(qū)動器可以對數(shù)字信號直接進行控制，所以能夠很容易地與微型計算機相連接，是位置控制中不可或缺的執(zhí)行裝置。步進電機無需反饋控制，電路簡單，可以用微型計算機控制，停止時能保持轉(zhuǎn)矩，維護簡單，但工作效率低，有時出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，容易引起失步。氣壓驅(qū)動器是把壓縮的空氣的能量轉(zhuǎn)變成直線、旋轉(zhuǎn)或者擺動等運動來驅(qū)動機械做功。氣動驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜且體積??；對使用環(huán)境無特殊要求；力和運動轉(zhuǎn)換簡單，維護簡單，組成系統(tǒng)容易。液壓驅(qū)動器可以把液壓能轉(zhuǎn)化成直線運動、旋轉(zhuǎn)運動或擺動運動的機械能，從而帶動機械做功的裝置。直流電機驅(qū)動器。我們知道使用直流電源的電機叫做直流電機。直流電機使用簡單，只要把直流電機的端連接到直流電源上就可以運轉(zhuǎn)。直流電機是一種具有優(yōu)良控制特性的電機。交流伺服電機的最大特點就是免維護，交流伺服電機沒有直流伺服電機的機械接觸部分，因此可以免維護。新型驅(qū)動器隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的發(fā)展會越來越多，這些驅(qū)動器有的已經(jīng)運用于機器人，例如超聲波驅(qū)動器、形狀記憶金屬驅(qū)動器、磁致伸縮驅(qū)動器、靜電驅(qū)動器。四：工業(yè)機器人的傳感器4.1工業(yè)機器人傳感器的分類及要求工業(yè)機器人根據(jù)所完成的任務(wù)不同，一般配置的傳感器類型和規(guī)格不同，一般分為外部信息傳感器和內(nèi)部信息傳感器。外部信息傳感器主要用來采集機器人和外部環(huán)境以及工作對象之間相互作用的信息；內(nèi)部信息傳感器主要用來采集機器人本體、手爪和關(guān)節(jié)的速度、加速度和位移。對工業(yè)機器人傳感器的一般要求如下：（1）精度高、重復(fù)性好。傳感器的精度直接影響機器人的工作質(zhì)量。機器人能否準(zhǔn)確無誤的正常工作，往往取決于傳感器的測量精度。（2）抗干擾能力強。工業(yè)機器人的工作環(huán)境都很惡劣，所以應(yīng)當(dāng)能夠承受強電磁干擾、強振動，能夠在高溫、高壓、高污染的環(huán)境中正常工作。（3）穩(wěn)定性好，可靠性高。保證機器人能夠長期穩(wěn)定的工作的必要條件就是傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。機器人經(jīng)常在無人看管的環(huán)境下代替人勞動，如果工作過程出現(xiàn)錯誤，輕則生產(chǎn)無法繼續(xù)進行重則造成嚴重事故。所以穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。（4）價格便宜?？山档蜋C器人生產(chǎn)成本。（5）體積小、質(zhì)量輕、安裝方便。安裝在機器人手臂等運動部件上的傳感器質(zhì)量要小，否則會加大運動部件的慣性，影響運動性能。4.2常用工業(yè)機器人傳感器機器人的接觸覺，為使機器人準(zhǔn)確完成工作，需時刻檢測工業(yè)機器人與對象物體的配合關(guān)系，所以需要觸覺傳感器。機器人的觸覺可分為接觸覺、接近覺、力覺、壓覺和滑覺。接觸覺傳感器主要判斷機器人(主要指四肢)是否接觸到外界物體或測量被接觸物體的特征的傳感器。接觸覺傳感器有微動開關(guān)、含碳海綿、導(dǎo)電橡膠、碳素纖維、氣動復(fù)位式裝置等類型。①微動開關(guān)：由彈簧和觸頭構(gòu)成。觸頭接觸外界物體后離開基板，造成信號通路斷開，從而測到與外界物體的接觸。微動開關(guān)的優(yōu)點是使用方便、結(jié)構(gòu)簡單，缺點是易產(chǎn)生機械振蕩和觸頭易氧化。②含碳海綿式：它在基板上裝有海綿構(gòu)成的彈性體，在海綿中按陣列布以含碳海綿。接觸物體受壓后,含碳海綿的電阻減小,測量流經(jīng)含碳海綿電流的大小，可確定受壓程度。這種傳感器也可用作壓力覺傳感器。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、彈性好。缺點是碳素分布均勻性直接影響測量結(jié)果和受壓后恢復(fù)能力較差。③導(dǎo)電橡膠式：以導(dǎo)電橡膠為敏感元件。當(dāng)觸頭接觸外界物體受壓后，壓迫導(dǎo)電橡膠，使它的電阻發(fā)生改變，從而使流經(jīng)導(dǎo)電橡膠的電流發(fā)生變化。這種傳感器的缺點是由于導(dǎo)電橡膠的材料配方存在差異，出現(xiàn)的漂移和滯后特性也不一致，優(yōu)點是具有柔性。④碳素纖維式：以碳素纖維為上表層，下表層為基板，中間裝以氨基甲酸酯和金屬電極。接觸外界物體時碳素纖維受壓與電極接觸導(dǎo)電。優(yōu)點是柔性好，可裝于機械手臂曲面處，但滯后較大。⑤氣動復(fù)位式：它有柔性絕緣表面，受壓時變形，脫離接觸時則由壓縮空氣作為復(fù)位的動力。與外界物體接觸時其內(nèi)部的彈性圓泡(鈹銅箔)與下部觸點接觸而導(dǎo)電。優(yōu)點是柔性好、可靠性高，但需要壓縮空氣源。力覺傳感器用于測量機器人自身或與外界相互作用而產(chǎn)生的力或力矩的傳感器。它通常裝在機器人各關(guān)節(jié)處。剛體在空間的運動可以用6個坐標(biāo)來描述，例如用表示剛體質(zhì)心位置的三個直角坐標(biāo)和分別繞三個直角坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度坐標(biāo)來描述?？梢杂枚喾N結(jié)構(gòu)的彈性敏感元件來敏感機器人關(guān)節(jié)所受的6個自由度的力或力矩，再由粘貼其上的應(yīng)變片，將力或力矩的各個分量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。常用彈性敏感元件的形式有十字交叉式、三根豎立彈性梁式和八根彈性梁的橫豎混合結(jié)構(gòu)等。壓覺傳感器測量接觸外界物體時所受壓力和壓力分布的傳感器。它有助于機器人對接觸對象的幾何形狀和硬度的識別。壓覺傳感器的敏感元件可由各類壓敏材料制成，常用的有壓敏導(dǎo)電橡膠、由碳纖維燒結(jié)而成的絲狀碳素纖維片和繩狀導(dǎo)電橡膠的排列面等?；X傳感器用于判斷和測量機器人抓握或搬運物體時物體所產(chǎn)生的滑移。它實際上是一種位移傳感器。按有無滑動方向檢測功能可分為無