工業(yè)機器人技術(shù)及應(yīng)用[教學(xué)案]2_工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動控制

1、<p>　　第二章 工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動控制</p><p>　　章節(jié)目錄2.1 工業(yè)機器人的系統(tǒng)組成2.1.1 操作機2.1.2 控制器2.1.3 示教器2.2 工業(yè)機器人的技術(shù)指標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 導(dǎo)入案例 課堂認(rèn)知 擴展與提高 本章小結(jié) 思考練習(xí)2.3 工業(yè)機器人的運動控制2.3.1 機器人運動學(xué)問題2.3.2 機器人的點位運動 …2.3.3 機器人的位置控制課前回顧何為工業(yè)

2、機器人？工業(yè)機器人具有幾個顯著特點，分別是什么？工業(yè)機器人的常見分類有哪些，簡述其行業(yè)應(yīng)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)認(rèn)知目標(biāo)*熟悉工業(yè)機器人的常見技術(shù)指標(biāo)*掌握工業(yè)機器人的機構(gòu)組成及各部分的功能*了解工業(yè)機器人的運動控制能力目標(biāo)*能夠正確識別工業(yè)機器人的基本組成*能夠正確判別工業(yè)機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動導(dǎo)入案例國產(chǎn)機器人競爭力缺失 關(guān)鍵技術(shù)是瓶頸眾所周知，中國機器人產(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

3、等發(fā)達(dá)國家。雖然中國機器人產(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。整個機器人產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游核心零部件（主要是機器人三大核心零部件 ——</p><p><b>　　工業(yè)機器人系統(tǒng)組成</b></p><p>　　2.1.1 操作機操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體

4、，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)。它主要由機械臂、驅(qū)動裝置、傳動單元及內(nèi)部傳感器等部分組成。 </p><p>　　關(guān)節(jié)型機器人操作機基本構(gòu)造</p><p>　　機器人操作機最后一個軸的機械接口通常為一連接法蘭，可接裝不同的機械操作裝置，如夾緊爪、吸盤、焊槍等。 </p><p>　　(1) 機械臂關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人的機械臂是由關(guān)節(jié)連在一起的許多機械連桿的集合體 。

5、實質(zhì)上是一個擬人手臂的空間開鏈?zhǔn)綑C構(gòu)，一端固定在基座上，另一端可自由運動，由關(guān)節(jié) - 連桿結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的機械臂大體可分為 基座 、 腰部 、 臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。1) 基座 基座是機器人的基礎(chǔ)部分 ，起支撐作用。2) 腰部 腰部是機器人手臂的支承部分 。3) 手臂 手臂是連接機身和手腕的部分，是執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的主要運動部件，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

6、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)動裝置驅(qū)使工業(yè)機器人機械臂運動的機構(gòu)。它按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人產(chǎn)生動作，相當(dāng)于人的肌肉、筋絡(luò)。機器人常用的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種基本類型。 </p><p>　　目前，除個別運動精度不高、重負(fù)載或有防爆要求的機器人采用液壓、氣壓驅(qū)動外，工業(yè)機器人大多采用電氣驅(qū)動，而其中屬交流伺服電機應(yīng)用最廣，且驅(qū)

7、動器布置大都采用一個關(guān)節(jié)一個驅(qū)動器。 </p><p>　　三種驅(qū)動方式特點比較</p><p>　　(3) 傳動單元目前工業(yè)機器人廣泛采用的機械傳動單元是減速器，應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機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

8、位置 ( 主要用于 20kg 以下的機器關(guān)節(jié) ) 。 此外，機器人還采用齒輪傳動、鏈條（帶）傳動、直線運動單元等。 </p><p>　　機器人關(guān)節(jié)傳動單元 </p><p>　　1) 諧波減速器通常由 3 個基本構(gòu)件組成，包括一個有內(nèi)齒的剛輪，一個工作時可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有柔性滾動軸承的波發(fā)生器，在這 3個基本結(jié)構(gòu)中可任意固定一個，其

9、余一個為主動件一個從動件。 </p><p><b>　　諧波減速器原理圖 </b></p><p>　　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。具有較高的疲勞強度和剛度以及較長的壽命，回差精度穩(wěn)定，高精度機器人傳動多采用 RV 減速器。 </p><

10、p><b>　　RV 減速器原理圖</b></p><p>　　2.1.2 控制器機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定動作或作業(yè)任務(wù)的裝置，是決定機器人功能和性能的主要因素，也是機器人系統(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，機器人

11、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)（如日系機器人）或混合型系統(tǒng)（如歐系機器人）。按計算機結(jié)構(gòu)、控制方式和控制算法的處理方法，機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：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(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)硬件擴展較為方便。缺點：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果

12、嚴(yán)重；大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；系統(tǒng)連線復(fù)雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。 </p><p>　　a) 單獨接口卡驅(qū)動 b) 多軸運動控制卡驅(qū)動集中式機器人控制器結(jié)構(gòu)</p><p>　　(2) 分布式控制器主要思想為“分散控制，集中管理”，為一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采

13、用兩級控制方式，由上位機和下位機組成。優(yōu)點：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，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)時間。 </p><p>　　分布式機器人控制器結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.3 示教器亦稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成。可由操作者手持移動。它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都是通過它來完成

14、的。示教器實質(zhì)上就是一個專用的智能終端。 </p><p><b>　　示教時的數(shù)據(jù)流關(guān)系</b></p><p>　　2.2 工業(yè)機器人的技術(shù)指標(biāo)機器人的技術(shù)指標(biāo)反映機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)行獨立運動的數(shù)目，末端執(zhí)行器的動作不包括在內(nèi)。通常作為機器人的技術(shù)指標(biāo)，

15、反映機器人動作的靈活性，可用軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示，目前，焊接和涂裝作業(yè)機器人多為 6 或 7 自由度，而搬運、碼垛和裝配機器人多為 4~6 自由度。額定負(fù)載:也稱持重。正常操作條件下，作用于機器人手腕末端，不會使機器人性能降低的最大載荷，目前，使用的工業(yè)機器人負(fù)載范圍可從 0.5kg 直至 800kg 。工作精度:機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（也稱絕對精度）是指機器人末端執(zhí)行器實際到達(dá)位

16、置與目標(biāo)位置之間的差異。重復(fù)定位精度（簡稱重復(fù)精度）是指機器人重復(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，機器人重復(fù)精度亦不同。</p><p>　　工業(yè)機器人典型行業(yè)應(yīng)用的工作精度</p><p>　　工作空間 也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務(wù)時，其手腕參考點所能掠過的

17、空間，常用圖形表示。目前，單體工業(yè)機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)動情況下，機器人手腕中心所能達(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)。 </p><p>　　a)垂直串聯(lián)多關(guān)節(jié)機器 MOTOMAN MH3F b)水平串聯(lián)多關(guān)節(jié)機器人 MOTOMAN MPP3S</p><p>　　c) 并聯(lián)多關(guān)節(jié)機器人 MOTOMAN MYS650L

18、不同本體結(jié)構(gòu) YASKAWA 機器人工作范圍 </p><p>　　2.3 工業(yè)機器人的運動控制2.3.1 機器人運動學(xué)問題工業(yè)機器人操作機可看作是一個開鏈?zhǔn)蕉噙B桿機構(gòu) ，始 端連桿就是機器人的基座 ， 末端連桿與工具相連 ， 相鄰連桿之間用一個關(guān)節(jié)（軸）連接在一起 。對于一個 6 自由度工業(yè)機器人，它由 6 個連桿和 6 個關(guān)節(jié)（軸）組成。編號時，基座稱為連桿 0 ，不包含在這 6 個連桿內(nèi)，連桿 1

19、 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。 </p><p>　　a) 實物圖 b) 機構(gòu)簡圖工業(yè)機器人操作機 </p><p>　　(1) 運動學(xué)正問題 對給定的機器人操作機，己知各關(guān)節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位姿，稱之為正向運動學(xué) （運動學(xué)正解或 Where 問題）， 機器人示教時

20、，機器人控制器即逐點進(jìn)行運動學(xué)正解運算。(2) 運動學(xué)逆問題 對給定的機器人操作機，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，稱之為逆向運動學(xué) （運動學(xué)逆解或 How 問題）， 機器人再現(xiàn)時，機器人控制器即逐點進(jìn)行運動學(xué)逆解運算，并將矢量分解到操作機各關(guān)節(jié)。 </p><p>　　運動學(xué)正問題（示教） 運動學(xué)逆問題（再現(xiàn)）</p><p>　　2.3.2

21、機器人的點位運動和連續(xù)路徑運動(1) 點位運動（ Point to Point, PTP ） PTP 運動只關(guān)心機器人末端執(zhí)行器運動的起點和目標(biāo)點位姿，不關(guān)心這兩點之間的運動軌跡。(2) 連續(xù)路徑運動（ Continuous Path, CP ） CP 運動不僅關(guān)心機器人末端執(zhí)行器達(dá)到目標(biāo)點的精度，而且必須保證機器人能沿所期望的軌跡在一定精度范圍內(nèi)重復(fù)運動。 </p><p>　　工業(yè)機器人 PTP 運動和

22、 CP 運動</p><p>　　機器人 CP 運動的實現(xiàn)是以點到點運動為基礎(chǔ)，通過在相鄰兩點之間采用滿足精度要求的直線或圓弧軌跡插補運算即可實現(xiàn)軌跡的連續(xù)化。 機器人再現(xiàn)時主控制器（上位機從）存儲器中逐點取出各示教點空間位姿坐標(biāo)值，通過對其進(jìn)行直線或圓弧或插補運算，生成相應(yīng)路徑規(guī)劃，然后把各插補點的位姿坐標(biāo)值通過運動學(xué)逆解運算轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，分送機器人各關(guān)節(jié)或關(guān)節(jié)控制器（下位機）。</p>&l

23、t;p>　　2.3.3 機器人的位置控制實現(xiàn)機器人的 位置控制 是工業(yè)機器人的基本控制任務(wù)。關(guān)節(jié)控制器（下位機）是執(zhí)行計算機，負(fù)責(zé)伺服電機的閉環(huán)控制及實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作協(xié)調(diào)。 </p><p>　　工業(yè)機器人的位置控制 </p><p>　　擴展與提高運動控制電機及驅(qū)動機器人的核心技術(shù)是運動控制技術(shù)，目前工業(yè)機器人采用的電氣驅(qū)動主要有 步進(jìn)電動機和伺服電動機 兩類。1 ．步進(jìn)

24、電動機系統(tǒng)步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制精密驅(qū)動元件 ，分為 反應(yīng)式步進(jìn)電機、永磁式步進(jìn)電機和混合式步進(jìn)電機 三種，其中混合式步進(jìn)電機的應(yīng)用最為廣泛，是一種精度高、控制簡單、成本低廉的驅(qū)動方案。</p><p>　　步進(jìn)電機與步進(jìn)驅(qū)動器 </p><p>　　2 ．伺服電動機系統(tǒng)伺服電機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或

25、角速度輸出，可分為 直流 和 交流伺服電機 兩大類。特點：當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。優(yōu)點：①無電刷和換向器，工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低；②定子繞組散熱比較 方便；③慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；④適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；⑤同功率下有較小的體積和重量。 </p><p>　　伺服電機與伺服驅(qū)動器 </p><p>　　本章小結(jié)工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)部分

26、稱為操作機。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)機器人操作機的性能。工業(yè)機器人通常由操作機、控制器和示教器三部分組成。操作機是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，一般由機械臂、驅(qū)動 - 傳動裝置以及內(nèi)部傳感器等組成。控制器是完成機器人控制功能的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，一般由控制計算機和伺服控制器組成。示教器是機器人的人機交互接口，主要由顯示屏和按鍵組成。工業(yè)機器人的運動控制是指工業(yè)機器人的末端執(zhí)

27、行器從一點移動到另一點的過程中，常采用點位（ PTP ）控制和連續(xù)路徑（ CP ）控制兩種方式。 </p><p>　　思考練習(xí)1 、填空(1) ______ 通常作為機器人的技術(shù)指標(biāo)，反映了機器人動作的靈活性，可用軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示。(2) 工業(yè)機器人主要由 ________ 、_______ 和 _______ 組成。下圖中 1 表_______ 示 ； 2 表示 ______

28、_ ； 3 表示 _______ 和 4 表示_______。</p><p><b>　　題 2 圖 </b></p><p>　　(3) 工業(yè)機器人的運動控制主要是實現(xiàn) _____ 和 _____ 兩種。當(dāng)機器人進(jìn)行______ 運動控制時，末端執(zhí)行器既要保證運動的起點和目標(biāo)點位姿，而且必須保證機器人能沿所期望的軌跡在一定精度范圍內(nèi)運動。(4) 對給定的機器

29、人操作機，己知各關(guān)節(jié)角矢量，求末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位姿，稱之為 _____ 運動學(xué)。 </p><p>　　2 、選擇(1) 操作機是工業(yè)機器人的機械主體，是用于完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構(gòu)。它主要哪幾部分組成？（ ）①機械臂；②驅(qū)動裝置；③傳動單元；④內(nèi)部傳感器A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④(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成，可由操作者手持移

30、動。它是機器人的人機交互接口，試問以下哪些機器人操作可通過示教器來完成？（ ）。①點動機器人；②編寫、測試和運行機器人程序；③設(shè)定機器人參數(shù)；④查閱機器人狀態(tài)A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④3 、判斷(1) 機器人手臂是連接機身和手腕的部分。它是執(zhí)行結(jié)構(gòu)中的主要運動部件，主要用于改變手腕和末端執(zhí)行器的空間位置，滿足機器人的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機座。（ ）(2) 除個別運動精度不高、重負(fù)載或有防爆