工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知一

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1、項 目 一 工 業(yè) 機(jī) 器 人 認(rèn) 知 內(nèi) 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(jī) 器 人 的 基 本 概 念 、 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 任 務(wù) 。 掌 握工 業(yè) 機(jī) 器 人 理 論 的 主 要 內(nèi) 容 。要 求 ： 掌 握 對 于 實 際 生 活 及 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 工 業(yè) 機(jī) 器 人系 統(tǒng) 的 基 本 分 析 能 力 。實 踐 內(nèi) 容 ： 了 解 實 訓(xùn) 室 中 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 的 組 成及 類 型 。 項 目 實 施 方 法 1.1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 認(rèn) 知 與 導(dǎo) 讀 要 求1.2 工 業(yè) 機(jī)

2、器 人 基 礎(chǔ) 知 識1.3 工 業(yè) 機(jī) 器 人 擴(kuò) 展 知 識1.4工 業(yè) 機(jī) 器 人 認(rèn) 知 技 能 訓(xùn) 練 1.1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 認(rèn) 知 與 導(dǎo) 讀 要 求 工 業(yè) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 是 近 年 來 新 技 術(shù) 發(fā) 展 的 重要 領(lǐng) 域 之 一 ， 是 以 微 電 子 技 術(shù) 為 主 導(dǎo) 的 多 種 新興 技 術(shù) 與 機(jī) 械 技 術(shù) 交 叉 、 融 合 而 成 的 一 種 綜 合的 高 新 技 術(shù) 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 最 典 型 的 機(jī) 電 一 體化 裝 備 ， 應(yīng) 用 范 圍 很 廣 ， 作 為 先 進(jìn) 制 造 業(yè) 的 支撐 技 術(shù) 和 信 息 化 社 會 的 新 興

3、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(yù)測 ， 機(jī) 器 人 產(chǎn) 業(yè) 是 繼 汽 車 、 計 算 機(jī) 之 后 出 現(xiàn) 的一 種 新 的 大 型 高 技 術(shù) 產(chǎn) 業(yè) 。 因 此 工 業(yè) 機(jī) 器 人 技術(shù) 也 成 為 廣 大 工 程 技 術(shù) 人 員 迫 切 需 要 掌 握 的 知識 。 任 務(wù) 1.2工 業(yè) 機(jī) 器 人 基 礎(chǔ) 知 識 1.2工 業(yè) 機(jī) 器 人 基 礎(chǔ) 知 識1.2.1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 定 義1920年 捷 克 作 家 卡 雷 爾 卡 佩 克 （ Karel Capek） 在 其 劇 本 Rossum s U

4、niversal Robots （ 中 文 意 思 是 “ 羅 薩 姆 的 萬 能 機(jī) 器 人 ” ） 中 最 早使 用 機(jī) 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(jī) 器 ， 是 一 種 人 造 的 勞 力 。它 是 最 早 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 （ Industrial Robot） 設(shè) 想 。 1.2.1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 定 義 美 國 機(jī) 器 人 協(xié) 會 (RIA)提 出 的 定 義 為 ： “ 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 一 種 用

5、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(wù) 的 ， 并 具 有編 程 能 力 的 多 功 能 機(jī) 械 手 (manipulator)” 。 日 本 工 業(yè) 機(jī) 器 人 協(xié) 會 (JIRA) 提 出的 定 義 ： “ 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 一 種 裝 備 有 記 憶 裝 置 和 末 端 執(zhí) 行 器 (end effector)的 ，能 夠 轉(zhuǎn) 動 并 通 過 自 動 完 成 各 種 移 動 來 代 替 人 類 勞 動 的 通 用 機(jī) 器 ” 。 國 際 標(biāo) 準(zhǔn) 化組 織 (ISO) 提 出 的 定 義

6、 ： “ 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 一 種 自 動 的 、 位 置 可 控 的 、 具 有 編 程能 力 的 多 功 能 機(jī) 械 手 ， 這 種 機(jī) 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(wù) ” 。 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) GBT12643-90將 工 業(yè) 機(jī) 器 人 定 義 為 ： 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 一 種 能 自 動 定 位控 制 的 、 可 重 復(fù) 編 程 的 、 多 自 由 度 的 操 作 機(jī) ， 能 搬 運 材 料 、 零 件 或 操 持 工 具 ，用

7、以 完 成 各 種 作 業(yè) 。 總 之 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 面 向 工 業(yè) 領(lǐng) 域 的 多 關(guān) 節(jié) 機(jī) 械 手 或 多 自 由 度 的 機(jī) 器 人 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 自 動 執(zhí) 行 工 作 的 機(jī) 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(jī) 器 。 1.2.2 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 基 本 組 成 工 業(yè) 機(jī) 器 人 技 術(shù) 是 綜 合 了 當(dāng) 代 機(jī) 構(gòu) 運 動學(xué) 與 動 力 學(xué) 、 精 密 機(jī) 械 設(shè) 計 發(fā) 展 起 來 的 產(chǎn) 物 ，是 典 型 的 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 。 從 工 業(yè) 機(jī) 器 人 體系

8、結(jié) 構(gòu) ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 有 三 大 部 分 、 六 個 子 系統(tǒng) 組 成 。 1.工 業(yè) 機(jī) 器 人 三 大 部 分(1)機(jī) 械 本 體 部 分工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 機(jī) 械 本 體 部 分 是 工 業(yè) 機(jī) 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(jī) 械 本 體 相 匹 配 ， 相 輔 相 成 ， 組成 一 個 完 整 的 機(jī) 器 人 系 統(tǒng)(2)傳 感 部 分傳 感 部 分 用 于 感 知 內(nèi) 部 和 外 部 的 信 息 。 要 機(jī) 器 人 與 人 一 樣 有 效 地 完成 工 作 ， 對 外 界 狀 況 進(jìn) 行

9、判 別 的 感 知 功 能 是 必 不 可 少 的 。 沒 有 感 知功 能 的 機(jī) 器 人 ， 只 能 按 預(yù) 先 給 定 的 順 序 ， 重 復(fù) 地 進(jìn) 行 一 定 的 動 作 。(3) 控 制 部 分 控 制 部 分 用 于 控 制 機(jī) 器 人 完 成 各 種 動 作 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 控 制 主 要包 括 ： 機(jī) 器 人 的 動 作 順 序 、 應(yīng) 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(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 一 般 是 以 機(jī) 器 人 的 單 軸 或 多 軸 運 動 協(xié) 調(diào)為 目 的 的

10、 控 制 系 統(tǒng) 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 對 機(jī) 械 本 體 有 如 下 要 求 ： 最 小 運 動 慣 量 尺 度 規(guī) 劃 材 料 的 選 擇 剛 度 的 設(shè) 計 可 靠 性 工 藝 性 工 業(yè) 機(jī) 器 人 對 傳 感 部 分 的 要 求 是 ： 精 度 高 、 重 復(fù) 性 好 。 機(jī) 器 人 是 否 能 夠 準(zhǔn) 確 無 誤 地 正 常 工 作 ， 往往 取 決 于 其 所 用 傳 感 器 的 測 量 精 度 。 穩(wěn) 定 性 和 可 靠 性 好 。 保 證 機(jī) 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 。 抗 干 擾 能 力 強(qiáng)

11、 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 工 作 環(huán) 境 往 往 比 較 惡 劣 ， 其 所 用傳 感 器 應(yīng) 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 。 適 應(yīng) 加 工 任 務(wù) 的 要 求 。 不 同 的 加 工 任 務(wù) 對 機(jī) 器 人 的 感 覺 要 求 是不 同 的 ， 可 根 據(jù) 其 工 作 特 點 進(jìn) 行 選 擇 。 滿 足 機(jī) 器 人 控 制 的 要 求 。 機(jī) 器 人 控 制 需 要 采 用 傳 感 器 檢 測 機(jī) 器 人 的 運 動 位 置 、 速 度 和 加 速 度 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 對 控 制

12、部 分 有 如 下 要 求 ： 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 控 制 部 分 要 著 重 本 體 與 操 作 對 象 的 相 互 關(guān) 系 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 控 制 與 機(jī) 構(gòu) 運 動 學(xué) 及 動 力 學(xué) 密 切 相 關(guān) 。 多 個 獨 立 的 伺 服 系 統(tǒng) 必 須 有 機(jī) 的 協(xié) 調(diào) 起 來 ， 組 成 一 個 多 變 量 的控 制 系 統(tǒng) 。 工 業(yè) 機(jī) 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(jī) 器 人 控 制 部 分 是 一 個 與 運 動 學(xué)和 動 力 學(xué) 原 理 密 切 相 關(guān) 的 、 有 耦 合 的

13、、 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(jī) 控制 到 小 型 計 算 機(jī) 控 制 等 。 2. 工 業(yè) 機(jī) 器 人 六 個 子 系 統(tǒng)(1)機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 是 機(jī) 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(gòu) 成 一 個 多 自 由 度 的 機(jī)械 系 統(tǒng) 。 基 座 如 同 機(jī) 床 的 床 身 結(jié)

14、構(gòu) 一 樣 ， 機(jī) 器 人 基 座 構(gòu) 成 機(jī) 器 人 的基 礎(chǔ) 支 撐 。 機(jī) 器 人 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 部 分 可 以看 作 是 由 一 些 連 桿 通 過 關(guān) 節(jié) 組裝 起 來 的 。 由 關(guān) 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(guān) 節(jié) ， 即 轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié) 和 移 動 關(guān) 節(jié) 。轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié) 主 要 是 伺 服 電 機(jī) 驅(qū) 動 。移 動 關(guān) 節(jié) 主 要 由 伺 服 電 機(jī) 驅(qū) 動也 可 以 由 氣 缸 、 液 壓 缸 或 者 線 性 電 驅(qū) 動 器 驅(qū) 動 。 (2)驅(qū) 動 系 統(tǒng) 要 使 機(jī)

15、器 人 運 行 起 來 ， 需 要 給 各 個 關(guān) 節(jié) 即 每 個 運 動 自 由 度安 裝 傳 動 裝 置 ， 這 就 是 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 。 相 當(dāng) 于 機(jī) 械 手 的 “ 肌 肉 ” ，驅(qū) 動 系 統(tǒng) 常 見 的 驅(qū) 動 器 有 伺 服 電 機(jī) 等 。 可 以 直 接 驅(qū) 動 關(guān) 節(jié) ， 也可 以 通 過 同 步 帶 、 鏈 條 、 輪 系 、 諧 波 齒 輪 等 傳 動 機(jī) 構(gòu) 進(jìn) 行 間 接驅(qū) 動 。 (3)傳 感 系 統(tǒng) 傳 感 系 統(tǒng) 由 內(nèi) 部 傳 感 器 模 塊 和 外 部 傳 感 器 模 塊 組 成 。 內(nèi) 部傳 感 器 模 塊 負(fù) 責(zé) 收 集 機(jī) 器 人 內(nèi) 部 信 息

16、如 各 個 關(guān) 節(jié) 和 連 桿 的 信 息 。如 同 人 體 肌 腱 內(nèi) 的 中 樞 神 經(jīng) 系 統(tǒng) 中 的 神 經(jīng) 傳 感 器 。 外 部 傳 感 器負(fù) 責(zé) 獲 取 外 部 環(huán) 境 信 息 。 包 括 視 覺 系 統(tǒng) 、 觸 覺 傳 感 器 等 。 (4)人 機(jī) 交 互 系 統(tǒng) 人 機(jī) 交 互 系 統(tǒng) 是 使 操 作 人 員 參 與 機(jī) 器 人 控 制 ， 與 機(jī) 器 人進(jìn) 行 聯(lián) 系 的 裝 置 。 例 如 ： 計 算 機(jī) 的 標(biāo) 準(zhǔn) 終 端 、 指 令 控 制 臺 、示 教 盒 、 信 息 顯 示 屏 、 報 警 器 等 。 歸 結(jié) 起 來 為 兩 大 類 ： 指 令給 定 裝 置 和

17、信 息 顯 示 裝 置 。 (5)控 制 系 統(tǒng)機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 是 機(jī) 器 人 的 大 腦 ， 是 決 定 機(jī) 器 人 功 能 和 性 能的 主 要 因 素 。 控 制 系 統(tǒng) 的 任 務(wù) 是 根 據(jù) 機(jī) 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(jī) 器 人 執(zhí) 行 結(jié) 構(gòu) 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(yīng) 控制 系 統(tǒng) 和 智 能 控 制 系 統(tǒng) 。

18、 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 。 (6)機(jī) 器 人 環(huán) 境 交 互 系 統(tǒng)工 業(yè) 機(jī) 器 人 -環(huán) 境 交 互 系 統(tǒng) 是 實 現(xiàn) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 與 外 部 環(huán) 境 中的 設(shè) 備 相 互 聯(lián) 系 和 協(xié) 調(diào) 的 系 統(tǒng) 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 可 與 外 部 設(shè) 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(dāng) 然 , 也 可 以 是 多 臺 機(jī) 器 人 、 多 臺 機(jī) 床 或 設(shè) 備 、 多 個 零件 存 儲 裝 置 等 集 成 為 一 個 去

19、執(zhí) 行 復(fù) 雜 任 務(wù) 的 功 能 單 元 。 1.2.3工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 技 術(shù) 參 數(shù)工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 技 術(shù) 參 數(shù) 是 各 工 業(yè) 機(jī) 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(jī) 器 人 性 能 的 主 要 體 現(xiàn) 。例 如 ： IRB 120是 ABB推 出 一 款 迄 今 最小 的 多 用 途 工 業(yè) 機(jī) 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(dá)580mm 1.2.4機(jī) 器 人 的 分 類1.按 照 應(yīng) 用 類 型 分

20、類 機(jī) 器 人 按 應(yīng) 用 類 型 可 分 為 工 業(yè) 機(jī) 器 人 、 極 限 作 業(yè) 機(jī) 器 人 和娛 樂 機(jī) 器 人 。 (1)工 業(yè) 機(jī) 器 人 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 有 搬 運 、 焊 接 、 裝 配 、 噴 漆 、檢 查 等 機(jī) 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(jī) 器 人 。 極 限 作 業(yè) 機(jī) 器 人 主 要 是 指 在 人 們 難以 進(jìn) 入 的 核 電 站 、 海 底 、 宇 宙 空 間 進(jìn) 行 作 業(yè) 的 機(jī) 器 人 ， 也 包 括建 筑 機(jī) 器 人 、 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 器 人 等 。 (3)娛 樂 機(jī)

21、 器 人 。 娛 樂 機(jī) 器 人 包 括 彈 奏 樂 器 的 機(jī) 器 人 、 舞蹈 機(jī) 器 人 、 玩 具 機(jī) 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(jī) 器 人 。 2.按 照 控 制 方 式 分 類 機(jī) 器 人 按 控 制 方 式 可 分 為 操 作 機(jī) 器 人 、 程 序 機(jī) 器 人 、示 教 再 現(xiàn) 機(jī) 器 人 、 智 能 機(jī) 器 人 和 綜 合 機(jī) 器 人 。 (1)操 作 機(jī) 器 人 。 操 作 機(jī) 器 人 的 典 型 代 表 是 在 核 電 站 處 理 放射 性 物 質(zhì) 時 遠(yuǎn) 距 離 進(jìn) 行 操 作 的 機(jī) 器

22、人 。 在 這 種 場 合 ， 相 當(dāng) 于 人手 操 縱 的 部 分 成 為 主 動 機(jī) 械 手 ， 而 從 動 機(jī) 械 手 基 本 上 與 主 動 機(jī)械 手 類 似 ， 只 是 從 動 機(jī) 械 手 要 比 主 動 機(jī) 械 手 大 一 些 ， 作 業(yè) 時 的力 量 也 更 大 。 (2)程 序 機(jī) 器 人 。 計 算 機(jī) 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(jī) 器 人 控 制 柜 。 程 序 機(jī)器 人 按 預(yù) 先 給 定 的 程 序 、 條 件 、 位 置 進(jìn) 行 作 業(yè) ,目 前 大 部 分 機(jī) 器人 都

23、 采 用 這 種 控 制 方 式 工 作 。 (3)示 教 再 現(xiàn) 機(jī) 器 人 。 示 教 再 現(xiàn) 機(jī) 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(dāng)需 要 再 現(xiàn) 操 作 時 ， 可 重 復(fù) 所 教 過 的 過 程 。(4)智 能 機(jī) 器 人 。 智 能 機(jī) 器 人 不 僅 可 以 預(yù) 先 設(shè) 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(jī) 器 人 。 綜 合 機(jī) 器 人 是 由 操 作 機(jī) 器 人 、 示 教 再現(xiàn) 機(jī) 器 人 、 智 能 機(jī) 器 人 組 合

24、而 成 的 機(jī) 器 人 ， 如 火 星 機(jī)器 人 。 3.按 驅(qū) 動 方 式 分 類（ 1） 氣 壓 式 工 業(yè) 機(jī) 器 人 。 這 類 工 業(yè) 機(jī) 器 人 以 壓 縮 空 氣 來 驅(qū)動 操 作 機(jī) ， 其 優(yōu) 點 是 空 氣 來 源 方 便 ， 動 作 迅 速 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 造 價低 ， 無 污 染 ， 缺 點 是 空 氣 具 有 可 壓 縮 性 ， 導(dǎo) 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(jī) 器人 抓 舉 力 較 小 ， 一 般 只 有 幾 十 牛 頓 ， 最 大 百 余 牛 頓 。（ 2）

25、 液 壓 式 工 業(yè) 機(jī) 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(jī) 器 人 具 有 較 大 的 抓 舉 能 力 ，可 達(dá) 上 千 牛 頓 。 這 類 工 業(yè) 機(jī) 器 人 結(jié) 構(gòu) 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） 電 動 式 工 業(yè) 機(jī) 器 人 。 這 是 目 前 用 得 最 多 的 一 類 工 業(yè)機(jī) 器 人 ， 不 僅 因 為 電 動 機(jī) 品 種 眾 多 ， 為 工 業(yè) 機(jī) 器 人 設(shè) 計

26、 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(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動 ， 后 來 發(fā) 展 了 直 流 伺 服 驅(qū) 動 單 元 ， 目前 常 用 交 流 伺 服 驅(qū) 動 單 元 。 這 些 驅(qū) 動 單 元 或 是 直 接 驅(qū) 動 工 業(yè)機(jī) 器 人 ， 或 是 通 過 諸 如 諧 波 減 速 器 的 裝 置 來 減 速 后 驅(qū) 動 ， 結(jié)構(gòu) 十 分 緊 湊 、 簡 單 。（ 4） 新 型 驅(qū) 動 方 式 機(jī) 器 人 ， 伴 隨 著 機(jī) 器 人 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ，出 現(xiàn) 了 利 用 新 的 工 作 原 理 制 造 的

27、 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 等 工 業(yè) 機(jī) 器 人按 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 運 動 的 控 制 機(jī) 能 ， 又 可 分 點 位 型 和 連 續(xù) 軌 跡 型 。 1.2.5工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 坐 標(biāo)1. 直 角 坐 標(biāo) 笛 卡 兒 坐 標(biāo) 臺 架 型 (3P) 直 角 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 運 動 部 分 由 三 個 相 互 垂 直 的 直 線 移 動關(guān) 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

28、立 位 移 ， 其 工 作 空 間 圖 形 為 長 方 形 2. 圓 柱 坐 標(biāo) 型 (R2P)圓 柱 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 有 兩 個 直 線 移 動 關(guān) 節(jié) 和 一 個 轉(zhuǎn) 動 關(guān) 節(jié)(PPR)， 其 主 體 具 有 3個 自 由 度 ： 腰 部 轉(zhuǎn) 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(jī) 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(biāo) 型 機(jī) 器 人 。 3.球

29、坐 標(biāo) 型 (2RP)球 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 又 稱 極 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 其 手 臂 的 運 動 由兩 個 轉(zhuǎn) 動 和 一 個 直 線 移 動 （ 即 RRP,一 個 回 轉(zhuǎn) ， 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(jī) 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(zhuǎn) 動 驅(qū) 動 裝 置 容 易 密 封 , 覆 蓋 工 作 空 間 較 大 。 但 該 坐 標(biāo) 復(fù) 雜 , 難 于 控 制 , 且

30、直 線 驅(qū) 動 裝 置 仍 存 在 密 封 及 工 作 死 區(qū) 的 問 題 。 球 坐標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 不 常 用 。 4. 關(guān) 節(jié) 坐 標(biāo) 型 /擬 人 型 (3R)關(guān) 節(jié) 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 又 稱 回 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 這 種 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 手 臂 類似 于 人 的 手 臂 ， 其 前 三 個 關(guān) 節(jié) 是 回 轉(zhuǎn) 副 （ 即 RRR） ， 是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 中 最 常 見 的結(jié) 構(gòu) 。 該 種 型 式 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 其 結(jié) 構(gòu) 最 緊 湊 ， 靈 活 性 大 ， 占 地 面 積 最 小 ， 能與 其 他 工 業(yè) 機(jī)

31、 器 人 協(xié) 調(diào) 工 作 ， 但 位 置 精 度 較 低 ， 有 平 衡 問 題 ， 控 制 耦 合 ， 這 種工 業(yè) 機(jī) 器 人 噴 涂 、 焊 接 等 作 業(yè) 中 應(yīng) 用 越 來 越 廣 泛 。 5. 平 面 關(guān) 節(jié) 型 (SCARA)平 面 關(guān) 節(jié) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 采 用 一 個 移 動 關(guān) 節(jié) 和 兩 個 回 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) （ 即 PRR） ， 移 動 關(guān)節(jié) 實 現(xiàn) 上 下 運 動 ， 而 兩 個 回 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) 則 控 制 前 后 、 左 右 運 動 。 這 種 形 式 的 工 業(yè)機(jī) 器 人 又 稱 SCARA(Seletive Compliance Assembly Robo

32、t Arm)裝 配 機(jī)器 人 該 種 型 式 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 結(jié) 構(gòu) 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(yīng) 用 廣 泛 。 6. 并 聯(lián) 機(jī) 器 人 (Delta)并 聯(lián) 機(jī) 器 人 一 般 通 過 示 教 編 程 或 視 覺 系 統(tǒng) 捕 捉 目 標(biāo) 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(biāo) 物 體 的 運 輸 ， 加 工 等 操 作 。 并聯(lián) 機(jī) 器 人 是 典

33、 型 的 空 間 三 自 由 度 并 聯(lián) 機(jī) 構(gòu) ， 整 體 結(jié) 構(gòu) 精 密 、 緊 湊 ， 驅(qū) 動 部 分均 布 于 固 定 平 臺 ， 這 些 特 點 使 它 具 有 承 載 能 力 強(qiáng) 、 剛 度 大 、 自 重 負(fù) 荷 比 小 、動 態(tài) 性 能 好 ； 并 行 三 自 由 度 機(jī) 械 臂 結(jié) 構(gòu) ， 重 復(fù) 定 位 精 度 高 ； 超 高 速 拾 取 物 品 ，一 秒 鐘 多 個 節(jié) 拍 等 特 點 。 1.2.6 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 主 要 特 點(1)可 編 程 。 生 產(chǎn) 自 動 化 的 進(jìn) 一 步 發(fā) 展 是 柔 性 啟 動 化 。(2)擬 人 化 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人

34、在 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 上 有 類 似 人 的 行 走 、腰 轉(zhuǎn) 、 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(shè) 計 的 專 用 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 外 ， 一 般 工業(yè) 機(jī) 器 人 在 執(zhí) 行 不 同 的 作 業(yè) 任 務(wù) 時 具 有 較 好 的 通 用 性 。(4)工 業(yè) 機(jī) 器 技 術(shù) 涉 及 的 學(xué) 科 相 當(dāng) 廣 泛 ， 歸 納 起 來 是 機(jī) 械 學(xué)和 微 電 子 學(xué) 的 結(jié) 合 -機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù) 。 第 三 代 智 能 機(jī) 器 人 不僅 具 有 獲 取 外 部 環(huán) 境 信 息 的

35、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(shù) 的 應(yīng) 用 ， 特 別 是 計 算 機(jī) 技 術(shù) 的 應(yīng) 用密 切 相 關(guān) 。 1.2.7 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 應(yīng) 用工 業(yè) 機(jī) 器 人 在 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中 能 代 替 人 做 某 些單 調(diào) 、 頻 繁 和 重 復(fù) 的 長 時 間 作 業(yè) ， 或 是 危險 、 惡 劣 環(huán) 境 下 的 作 業(yè) 。例 如 ： 1. 焊 接 機(jī) 器 人工 業(yè) 機(jī) 器 人 應(yīng) 用 最 為 廣 泛 的 一 種 類 型

36、 ， 主 要 應(yīng) 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(jī) 器 人 的 要 求 不 太 高 ， 因 其 對 點 與 點 之 間 的 移 動 軌跡 沒 有 嚴(yán) 格 要 求 ， 只 要 求 起 點 和 終 點 的 位 姿 準(zhǔn) 確 ； 弧焊 機(jī) 器 人 的 組 成 和 原 理 與 點 焊 機(jī) 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 。 2.裝 配 機(jī) 器 人裝 配 機(jī) 器 人 要 求 具 有 較 高 的 位 姿 精 度 ， 手 腕 具有 較

37、 大 的 柔 性 ， 主 要 用 于 各 種 電 器 的 制 造 行 業(yè) 。裝 配 機(jī) 器 人 主 要 有 可 編 程 通 用 裝 配 操 作 手 和 平面 雙 關(guān) 節(jié) 型 機(jī) 器 人 兩 種 類 型 。 裝 配 機(jī) 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 。 3.搬 運 機(jī) 器 人搬 運 機(jī) 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(jī) 器 人 精 度 相 對 低 一 些 ，

38、但 負(fù)荷 比 較 大 ， 運 動 速 度 比 較 高 。 其 機(jī) 器 人 本 體 多采 用 點 焊 或 弧 焊 機(jī) 器 人 結(jié) 構(gòu) ， 也 有 的 采 用 框 架式 和 直 角 坐 標(biāo) 式 結(jié) 構(gòu) 形 式 。 KUKA機(jī) 器 人 化 肥 碼垛 KUKA機(jī) 器 人 工 件 搬運 4. 激 光 加 工 機(jī) 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(shù)

39、 已經(jīng) 比 較 成 熟 ， 而 國 內(nèi) 較 為 落 后 ， 但 其 成 長 空 間 巨 大 。 5.移 動 機(jī) 器 人移 動 機(jī) 器 人 廣 泛 應(yīng) 用 于 各 行 業(yè) 的 柔 性 搬 運 、 傳 輸 等 功 能 。 國際 物 流 技 術(shù) 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(jié) 合 ， 實 現(xiàn) 精 細(xì) 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(shè) 投資 等 的 高 新 技 術(shù) 和 裝 備 。 如 裝 備 有 電 磁 或 光

40、 學(xué) 導(dǎo) 航 的 AGV，能 夠 沿 規(guī) 定 的 導(dǎo) 引 路 徑 行 駛 ， 具 有 安 全 保 護(hù) 和 各 種 移 栽 功能 6.噴 涂 機(jī) 器 人。 噴 涂 機(jī) 器 人 多 用 于 汽 車 、 儀 表 、 電 器 等 工 藝 生 產(chǎn) 部 門 ， 重 復(fù)定 位 精 度 不 高 ， 另 外 由 于 漆 霧 易 燃 ， 驅(qū) 動 裝 置 必 須 防 燃 防 爆 。 噴涂 機(jī) 器 人 多 采 用 5或 6自 由 度 關(guān) 節(jié) 式 結(jié) 構(gòu) ， 手 臂 有 較 大 的 運 動 空 間 ，并 可 做 復(fù) 雜 的 軌 跡 運 動 ， 其 腕 部 一 般 有 2 3個 自 由 度 ， 可 靈 活 運動 。 較

41、先 進(jìn) 的 噴 涂 機(jī)器 人 腕 部 采 用 柔 性 手腕 ， 既 可 向 各 個 方 向彎 曲 ， 又 可 轉(zhuǎn) 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(nèi) 部 ， 噴涂 其 內(nèi) 表 面 。 7.其 他根 據(jù) 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 劃 分 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 還 可 以 分 為 研 磨 拋 光 、 清 潔 、 水 切 割 、 凈 化 、 真 空 等 機(jī)器 人 等 類 型 。 機(jī) 器 人 打 磨 是 機(jī) 器 人 應(yīng) 用 的 新 領(lǐng) 域 ， 獨 特 的 力 度 控 制 確 保 了 物 品 被 打 磨 的完 美 無 瑕 。 打 磨 機(jī) 器 人

42、主 要 由 工 業(yè) 機(jī) 器 人 本 體 和 打 磨 機(jī) 具 、 抓 手 等 外 圍 設(shè) 備 組 成 。 機(jī) 器人 打 磨 主 要 有 兩 種 方 式 ： 一 種 是 通 過 機(jī) 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(jī) 器 人 可 稱 為 工 具 主 動 型 打 磨 機(jī) 器 人 ； 另 一 種 是 機(jī) 器 人 末端 執(zhí) 行 器 夾 持 工 件 ， 通 過 工 件 貼 近 接 觸 去毛 刺 機(jī) 具 設(shè) 備 ， 機(jī) 具 設(shè) 備 相 對 固 定 不 動 ，這 種 打 磨 機(jī) 器 人 也 稱 為 工 件 主

43、 動 打 磨 機(jī) 器人 。 1.3工 業(yè) 機(jī) 器 人 擴(kuò) 展 知 識 1.3.1工 業(yè) 機(jī) 器 人 發(fā) 展 歷 程 早 在 1954 年 美 國 喬 治 德 沃 爾 首 次 設(shè) 計 出 第 一 臺 電 子 程 序 可 編 的 工業(yè) 機(jī) 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(biāo) 志 著 第 一 代 機(jī) 器 人 誕 生第 一 代 機(jī) 器 人 ， 也 叫 示 教 再 現(xiàn) 型 機(jī) 器 人 ， 它 是 通 過 一 個 計 算 機(jī) ， 來 控制 一 個 多 自 由 度 的 一 個 機(jī) 械 ， 通 過 示 教 存 儲

44、程 序 和 信 息 ， 工 作 時 把 信息 讀 取 出 來 ， 然 后 發(fā) 出 指 令 ， 機(jī) 器 人 可 以 重 復(fù) 的 根 據(jù) 人 當(dāng) 時 示 教 的 結(jié)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(jī) 器 人 裝 備 了 視 覺 系 統(tǒng) ， 從 而 宣告 了 第 二 代 機(jī) 器 人 感 知 機(jī) 器 人 的 問 世 。 第 三 代 機(jī) 器 人 ， 是 機(jī) 器 人 學(xué) 中 一 個 理 想 的 所 追 求 的 最 高 級 的 階段 ， 叫 智 能 機(jī) 器 人 ， 正 在 各 國 研 制 和 發(fā) 展 。 它 不 但 具 有 感 知 功

45、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(wù) 編 程 。 1.3.2工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 現(xiàn) 狀1） 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 將 會 由 傳 統(tǒng) 的 制 造 業(yè) ， 如 冶金 、 石 油 、 化 學(xué) 、 船 舶 、 采 礦 等 領(lǐng) 域 擴(kuò) 大 到 航 空 、 航天 、 核 能 、 醫(yī) 藥 、 生 化 等 高 科 技 領(lǐng) 域 ， 同 時 工 業(yè) 機(jī) 器人 也 會 逐 步 走 向 家 庭 ， 成 為 家 庭 機(jī) 器 人 ， 以 及 一 些 高危 行 業(yè) 也

46、會 逐 步 引 入 工 業(yè) 機(jī) 器 人 代 替 人 來 完 成 危 險 的任 務(wù) ，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(jī) 器 人 ， 它 們將 會 豐 富 我 們 的 文 化 生 活 。 2） 工 業(yè) 機(jī) 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(jī) 器 人 “ IRBI20” 自 重 只 有 25千克 ，但 是 工 作 能 力 位 居 業(yè) 內(nèi) 領(lǐng) 先 水 平 ， 它 的 工 作 范 圍 可 達(dá)580毫 米 ， 每 公 斤 物 料 拾 取 節(jié)

47、 拍 僅 需 0.58秒 ， 定 位 精度 高 達(dá) 0.Olmm， 投 入 市 場 后 非 常 受 歡 迎 。 因 此 工 業(yè) 機(jī)器 人 有 可 能 往 小 型 化 發(fā) 展 ， 小 型 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 有 其 優(yōu)勢 ， 按 照 以 往 的 思 路 都 是 機(jī) 器 人 要 比 它 加 工 的 部 件 大 ，但 隨 著 航 空 、 航 天 、 核 電 等 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 工 件 尺 寸 越來 越 大 ， 想 要 繼 續(xù) 擴(kuò) 大 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 尺 寸 成 本 太 高 ，因 此 可 以 換 一 種 思 路 將 工 業(yè) 機(jī) 器 人 做 小 ， 直 接 在 工 件上 實 施 加

48、工 。 3） 工 業(yè) 機(jī) 器 人 將 會 有 和 新 發(fā) 展 的 技 術(shù) 結(jié) 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(jī) 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(jī) 器 人 的 生 產(chǎn) 成 本 ， 提 高 高 端工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 質(zhì) 量 ， 增 強(qiáng) 機(jī) 器 人 的 靈 活 性 ， 爭 強(qiáng) 產(chǎn) 品 可 靠 性 ， 降 低 機(jī) 器 人 整 個 生 命 周 期 的 維 護(hù) 費 用 ， 簡 化機(jī) 器 人 的 安 裝 過 程 、 系 統(tǒng) 集 成 及 編 程 設(shè) 置 依 舊是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 發(fā) 展 方 向 。