工業(yè)機(jī)器人概述

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1、揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 概 述 機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 2 工 業(yè) 機(jī) 器 人 8.1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 概 述 1.什 么 是 機(jī) 器 人 ？ u 工 業(yè) 機(jī) 器 人 （ 見 圖 8-1） “ Robot” 一 詞是 人 類 型 或 動(dòng) 物 型 的 人 工 機(jī) 器 裝 置 總 稱 。機(jī) 器 人 涉 及 到 機(jī) 械 工 程 、 電 子 學(xué) 、 控 制 理論 、 傳 感 器 技 術(shù) 、 計(jì) 算 機(jī) 科 學(xué) 、 仿 生 學(xué) 、人 工 智 能 等 學(xué) 科 領(lǐng) 域 ， 是 典 型 的 機(jī) 電 一 體化 系 統(tǒng) 。

2、 u 1987年 國(guó) 際 標(biāo) 準(zhǔn) 化 組 織 對(duì) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的定 義 ： 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 一 種 具 有 控 制 的 操 作和 移 動(dòng) 功 能 ， 并 能 完 成 各 種 作 業(yè) 的 可 編 程操 作 機(jī) 。 日 本 工 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) JISB0134-1986則 定義 為 “ 一 種 在 自 動(dòng) 控 制 下 ， 能 夠 編 程 完 成某 些 操 作 或 者 動(dòng) 作 功 能 的 機(jī) 械 裝 置 ” 。 圖 8-l 工 業(yè) 機(jī) 器 人 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 3 綜 合 上 述 定 義 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 有 以 下 三 個(gè) 重 要 特 性 ：1) 是 一

3、種 機(jī) 械 裝 置 ， 可 搬 運(yùn) 材 料 、 零 件 、 工 具 或 完 成 多種 操 作 和 動(dòng) 作 功 能 ， 即 具 是 有 通 用 性 。2) 可 以 再 編 程 并 具 有 多 樣 程 序 流 程 ， 這 為 人 -機(jī) 聯(lián) 系 提 供了 可 能 ， 也 使 具 有 獨(dú) 立 的 柔 軟 性 。3) 有 一 個(gè) 自 動(dòng) 控 別 系 統(tǒng) ， 可 以 在 無 人 的 參 與 下 ， 自 動(dòng) 完成 操 作 作 業(yè) 和 動(dòng) 作 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 4 2.工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 基 本 參 數(shù)n 機(jī) 器 人 的 基 本 參 數(shù) 主 要 有 工 作 空 間 、 自 由

4、度 、 有 效 負(fù) 載 、 運(yùn) 動(dòng)精 度 、 運(yùn) 動(dòng) 特 性 、 動(dòng) 態(tài) 特 性 等 。n 一 般 ,機(jī) 器 人 自 由 度 等 于 它 的 關(guān) 節(jié) 數(shù) ,大 多 是 有 6-8個(gè) 自 由 度 ，自 由 度 越 多 ， 機(jī) 器 人 的 功 能 就 越 強(qiáng) 。 圖 8-2左 圖 所 示 的 就 是 具有 6個(gè) 自 由 度 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 各 關(guān) 節(jié) 動(dòng) 作 是 由 電 動(dòng) 執(zhí) 行 裝 置 和齒 輪 減 速 傳 動(dòng) 機(jī) 械 來 實(shí) 現(xiàn) 的 。 6個(gè) 自 由 度 如 下 ： 手 臂 掃 掠 （ 腰 左 轉(zhuǎn) 或 右 轉(zhuǎn) ） ； 肩 旋 轉(zhuǎn) （ 肩 向 上 或 向 下 ） ； 肘 伸 展 （

5、 肘 縮 進(jìn) 或 伸 出 ） ； 俯 仰 （ 手 腕 上 轉(zhuǎn) 或 下 轉(zhuǎn) ） ； 偏 航 （ 手 腕 左 轉(zhuǎn) 或 右 轉(zhuǎn) ） ； 橫 滾 （ 手 腕 順 時(shí) 針 轉(zhuǎn) 或 反 時(shí) 針 轉(zhuǎn) ） 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 5 3.工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 組 成 與 分 類 (1) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 組 成 一 般 由 操 作 機(jī) 械 、 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 、 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 單 元 、 傳 感 器 檢 測(cè)系 統(tǒng) 和 輸 入 輸 出 接 口 等 幾 部 份 組 成 。 如 圖 8-2所 示 。 圖 8-2 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 組 成 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿

6、2014.6 6 操 作 機(jī) 械 操 作 機(jī) 為 工 業(yè) 機(jī) 器 人 完 成 作 業(yè) 的 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) ， 它 具 有 和 手 臂 相 似 的 動(dòng)作 功 能 ， 是 可 在 空 間 抓 放 物 體 或 進(jìn) 行 其 它 操 作 的 機(jī) 械 裝 置 。 包 括 機(jī) 座 、立 柱 、 手 臂 、 手 腕 和 手 部 等 部 分 。 有 時(shí) 為 增 加 工 作 空 間 ， 在 機(jī) 座 處 裝 有行 走 機(jī) 構(gòu) 實(shí) 現(xiàn) 移 動(dòng) 功 能 ， 例 如 有 輪 式 、 履 帶 式 、 足 腿 式 結(jié) 抅 . 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 指 驅(qū) 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 傳 動(dòng) 裝 置 。 由 驅(qū) 動(dòng) 器

7、、 減 速 器 、 檢 測(cè) 元件 等 組 件 組 成 。 根 據(jù) 驅(qū) 動(dòng) 器 的 不 同 ， 可 分 為 電 動(dòng) 、 液 動(dòng) 和 氣 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 。 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 控 制 系 統(tǒng) 是 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 核 心 部 分 ， 作 用 是 支 配 操 作 機(jī) 按 所 需 的 順序 ， 沿 規(guī) 定 的 位 置 或 軌 跡 運(yùn) 動(dòng) 。 從 控 制 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成 看 ， 有 開 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 和 閉 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) ； 從 控 制 方式 看 有 程 序 控 制 系 統(tǒng) 、 自 適 應(yīng) 性 控 制 系 統(tǒng) 和 智 能 控 制 系 統(tǒng) 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿

8、 2014.6 7 傳 感 系 統(tǒng) 為 了 使 機(jī) 器 人 能 獲 得 外 圍 環(huán) 境 信 息 ， 除 關(guān) 節(jié) 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 位 置 傳感 器 外 (例 如 裝 于 電 機(jī) 同 軸 上 的 光 電 編 碼 器 ) ， 有 時(shí) 還 要 配 備 視 覺 、 力覺 、 觸 覺 、 接 近 覺 等 多 類 型 的 傳 感 器 及 信 號(hào) 的 轉(zhuǎn) 換 與 采 樣 處 理 。 輸 入 輸 出 接 口 為 了 機(jī) 器 人 與 周 邊 系 統(tǒng) 及 相 應(yīng) 操 作 進(jìn) 行 聯(lián) 系 ， 還 應(yīng) 有 各 種 通 信 接 口和 人 機(jī) 通 信 裝 置 。 例 如 PLC控 制 系 統(tǒng) 中 用 的 RS-

9、232、 RS-485等 異 步 通 信接 口 模 塊 ， 實(shí) 現(xiàn) PLC與 PLC、 PLC與 上 位 PC機(jī) 、 PLC與 現(xiàn) 場(chǎng) 設(shè) 備 或 遠(yuǎn) 程 I/O之 間 的 信 息 交 換 。 此 外 還 包 括 語 言 合 成 、 識(shí) 別 技 術(shù) 及 多 媒 體 系 統(tǒng) ， 以實(shí) 現(xiàn) 人 機(jī) 對(duì) 話 。 人 工 智 能 系 統(tǒng) 人 工 智 能 系 統(tǒng) 是 機(jī) 器 人 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 更 高 層 次 發(fā) 展 。 主 要 由 兩部 分 組 成 ： 其 一 ， 感 覺 系 統(tǒng) （ 硬 件 ） 。 主 要 靠 各 類 傳 感 器 來 實(shí) 現(xiàn) 其 感 覺 功 能 ； 其 二 , 決 策

10、 、 規(guī) 劃 系 統(tǒng) （ 軟 件 ） 。 包 括 輯 判 斷 、 模 式 識(shí) 別 、 大 容 量數(shù) 據(jù) 庫 和 規(guī) 劃 操 作 程 序 等 功 能 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 8 （ 2） 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 分 類 1） 按 操 作 機(jī) 構(gòu) 坐 標(biāo) 形 式 分 類 按 操 作 機(jī) 械 坐 標(biāo) 形 式 分 類 ， 操 作 機(jī) 械 的 坐 標(biāo) 形 式 是 指操 作 機(jī) 的 手 臂 在 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) 所 取 的 參 考 坐 標(biāo) 系 的 形 式 。n 直 角 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人n 圓 柱 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人n 球 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 n 多 關(guān)

11、 節(jié) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人n 平 面 關(guān) 節(jié) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 9圖 8-3 直 角 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 1） 按 操 作 機(jī) 構(gòu) 坐 標(biāo) 形 式 分 類 直 角 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 運(yùn) 動(dòng) 部 分 由 三 個(gè) 相 互 垂 直 的 直線 移 動(dòng) 組 成 如 圖 8-3所 示 ， 其 工作 空 間 圖 形 為 長(zhǎng) 方 體 。 各 個(gè) 軸 向的 移 動(dòng) 距 離 ， 可 在 各 個(gè) 坐 標(biāo) 軸 上直 接 讀 出 ， 直 觀 性 強(qiáng) ； 易 于 位 置和 姿 態(tài) 的 編 程 計(jì) 算 ， 定 位 精 度 最高 ， 控 制 無 耦

12、合 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 。 但 機(jī) 體 所 占 空 間 體 積 大 ， 動(dòng) 作范 圍 小 ， 靈 活 性 較 差 ， 難 與 其 它 工 業(yè) 機(jī) 器 人 協(xié) 調(diào) 工 作 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 10圖 8-4 圓 柱 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 圓 柱 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 運(yùn) 動(dòng) 形 式 是 通 過 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 和兩 個(gè) 移 動(dòng) 組 成 的 運(yùn) 動(dòng) 系 統(tǒng) 來 實(shí)現(xiàn) 的 ， 其 工 作 空 間 圖 形 為 圓 柱形 如 圖 8-4所 示 。 與 直 角 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 相比 ， 在 相 同 的 工 作 空 間 條 件 下 ，機(jī) 體 所

13、占 體 積 小 ， 而 運(yùn) 動(dòng) 范 圍大 ， 其 位 置 精 度 僅 次 于 直 角 坐標(biāo) 型 ， 與 其 它 機(jī) 器 人 協(xié) 調(diào) 工 作難 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 11圖 8-5 球 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 球 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 又 稱 為 極 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ，其 手 臂 的 運(yùn) 動(dòng) 由 兩 個(gè) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 和 一個(gè) 直 線 移 動(dòng) 所 組 成 ， 如 圖 8-5所示 。 其 工 作 空 間 為 一 球 體 ， 它 可以 作 上 下 俯 仰 動(dòng) 作 并 能 抓 取 地面 上 或 較 低 位 置 的 工 件 。 具 有結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、

14、 工 作 空 間 范 圍 大 的特 點(diǎn) ， 能 與 其 它 工 業(yè) 機(jī) 器 人 協(xié)調(diào) 工 作 ， 其 位 置 精 度 尚 可 以 ，位 置 誤 差 與 臂 長(zhǎng) 成 正 比 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 12圖 8-6 多 關(guān) 節(jié) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 多 關(guān) 節(jié) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 又 稱 回 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 它的 手 臂 與 人 體 上 肢 類 似 ,前 三 個(gè) 關(guān) 節(jié)都 是 回 轉(zhuǎn) 副 。 該 工 業(yè) 機(jī) 器 人 由 立 柱 和 大 小 臂 組 成 。立 柱 與 大 臂 間 形 成 肩 關(guān) 節(jié) ， 大 臂 與 小臂 間 形 成 肘 關(guān) 節(jié) ，

15、可 使 大 臂 作 回 轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng) 和 俯 仰 擺 動(dòng) ， 小 臂 作 俯 仰 擺 動(dòng) ,如圖 8-6所 示 。 其 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 靈 活 性 大 ， 占 地 面 積最 小 ， 工 作 空 間 最 大 ， 能 與 其 它 工 業(yè)機(jī) 器 人 協(xié) 調(diào) 工 作 。 但 是 位 置 控 制 精 度 較 低 ， 存 在 平 衡 問 題 ， 控 制 耦 合 也 比較 復(fù) 雜 。 目 前 ， 這 種 機(jī) 器 人 的 應(yīng) 用 越來 越 廣 泛 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 13圖 8-7 平 面 關(guān) 節(jié) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 平 面 關(guān) 節(jié) 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 采 用 一 個(gè) 移 動(dòng)

16、 關(guān) 節(jié) 和 兩 個(gè) 回 轉(zhuǎn)關(guān) 節(jié) ， 移 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 實(shí) 現(xiàn) 上 下 運(yùn) 動(dòng) ，而 兩 個(gè) 回 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) 則 控 制 前 后 、 左右 運(yùn) 動(dòng) ， 如 圖 8-7所 示 。 這 種 型 式 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 又 稱SCARA裝 配 機(jī) 器 人 。 在 水 平 方 向 具有 柔 順 性 ， 而 在 垂 直 方 向 則 有 較大 的 剛 性 。 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 動(dòng) 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) 零 件 的 插 接 、 裝 配 中 應(yīng) 用 廣 泛 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 201

17、4.6 14 2)按 控 制 方 式 分 類 點(diǎn) 位 控 制 工 業(yè) 機(jī) 器 人n 采 用 點(diǎn) 到 點(diǎn) 的 控 制 方 式 ， 它 只 在 目 標(biāo) 點(diǎn) 處 準(zhǔn) 確 控 制 工業(yè) 機(jī) 器 人 手 部 的 位 姿 ， 完 成 預(yù) 定 的 操 作 要 求 ， 而 不 對(duì) 點(diǎn) 與點(diǎn) 之 間 的 運(yùn) 動(dòng) 過 程 進(jìn) 行 嚴(yán) 格 的 控 制 。n 目 前 應(yīng) 用 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 中 ， 多 數(shù) 屬 于 點(diǎn) 位 控 制 方 式 ，如 上 下 料 搬 運(yùn) 機(jī) 器 人 、 點(diǎn) 焊 機(jī) 器 人 等 。 連 續(xù) 軌 跡 控 制 工 業(yè) 機(jī) 器 人 各 關(guān) 節(jié) 同 時(shí) 作 受 控 運(yùn) 動(dòng) ， 準(zhǔn) 確 控 制

18、工 業(yè) 機(jī) 器 人 手 部 按預(yù) 定 軌 跡 和 速 度 運(yùn) 動(dòng) ， 而 手 部 的 姿 態(tài) 也 可 以 通 過 腕 關(guān) 節(jié) 的運(yùn) 動(dòng) 得 以 控 制 。 弧 焊 、 噴 漆 和 檢 測(cè) 機(jī) 器 人 均 屬 連 續(xù) 軌 跡 控 制 方 式 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 15 3)按 驅(qū) 動(dòng) 方 式 分 類 氣 動(dòng) 式 工 業(yè) 機(jī) 器 人 以 壓 縮 空 氣 來 驅(qū) 動(dòng) 操 作 機(jī) 。 其 優(yōu) 點(diǎn) 是 空 氣 來 源 方 便 ， 動(dòng) 作迅 速 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 造 價(jià) 低 ， 無 污 染 ， 適 合 防 爆 環(huán) 境 。 缺 點(diǎn) 是 空氣 具 有 可 壓 縮 性 ， 導(dǎo) 致

19、工 作 速 度 的 穩(wěn) 定 性 較 差 ， 又 因 為 氣 源 壓力 只 有 6KPa左 右 ， 所 以 抓 舉 力 較 小 ， 一 般 只 有 幾 十 牛 頓 ， 最 大百 余 牛 頓 。 液 壓 式 工 業(yè) 機(jī) 器 人 因 為 液 壓 比 氣 壓 壓 力 高 ， 一 般 為 70KPa左 右 ， 故 液 壓 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(dòng) 平 穩(wěn) ， 動(dòng) 作 靈 敏 ， 但 對(duì) 密 封 要 求 較 高 ， 且 不 宜 在 高 溫 、低 溫 和 易 燃 易 爆 環(huán) 境 下 工 作 。 電 動(dòng)

20、式 工 業(yè) 機(jī) 器 人 目 前 用 得 最 多 的 一 類 工 業(yè) 機(jī) 器 人 。 不 僅 電 動(dòng) 機(jī) 品 種 眾 多 ，為 工 業(yè) 機(jī) 器 人 設(shè) 計(jì) 提 供 了 多 種 選 擇 ； 而 且 可 運(yùn) 用 多 種 靈 活 的 控制 方 法 。 早 期 多 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) ， 后 來 發(fā) 展 了 直 流 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 單 元 ，目 前 交 流 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 單 元 也 在 迅 速 發(fā) 展 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 16 8.2 工 業(yè) 機(jī) 器 人 操 作 機(jī) 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu)l 工 業(yè) 機(jī) 器 人 操 作 機(jī) 械 由 機(jī) 座 、 立 柱 、 手臂 、 手

21、 腕 和 手 部 等 部 分 組 成 ， 如 圖 8-8。l 確 定 一 個(gè) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 操 作 機(jī) 位 置 時(shí) 所需 要 的 獨(dú) 立 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) 的 數(shù) 目 稱 為 工 業(yè) 機(jī) 器人 的 運(yùn) 動(dòng) 自 由 度 。l 自 由 度 數(shù) 取 決 于 作 業(yè) 目 標(biāo) 所 要 求 的 動(dòng)作 。 對(duì) 于 進(jìn) 行 二 維 平 面 作 業(yè) 需 三 個(gè) 自 由 度 ；若 要 具 有 隨 意 的 位 姿 ， 則 至 少 需 要 六 個(gè) 自由 度 ； 而 對(duì) 于 回 避 障 礙 作 業(yè) 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人則 需 要 有 比 六 個(gè) 自 由 度 更 多 的 冗 余 自 由 度 。 l 工 業(yè) 機(jī) 器

22、人 操 作 機(jī) 常 采 用 回 轉(zhuǎn) 副 或 移動(dòng) 副 主 動(dòng) 關(guān) 節(jié) 來 實(shí) 現(xiàn) 各 個(gè) 自 由 度 。 圖 8-8 工 業(yè) 機(jī) 器 人 操 作 機(jī) 構(gòu) 1-手 臂 2-腕 關(guān) 節(jié) 3-手 部 4-立 柱 5-機(jī) 座 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 17 1.手 臂 手 臂 是 操 作 機(jī) 中 的 主 要 運(yùn) 動(dòng) 部 件 ， 它 用 來 支 承 手 腕 和 手 部 ， 調(diào) 整手 部 在 空 間 的 位 置 。 手 臂 一 般 至 少 應(yīng) 有 三 個(gè) 自 由 度 , 可 以 是 移 動(dòng) 副和 回 轉(zhuǎn) 副 。 因 此 按 運(yùn) 動(dòng) 副 不 同 的 組 合 方 案 ， 可 有 27種 方 案

23、 。 手 臂 的 直 線 運(yùn) 動(dòng) 多 數(shù) 通 過 液 壓 （ 氣 ） 缸 驅(qū) 動(dòng) 來 實(shí) 現(xiàn) ， 也 可 通 過 齒輪 齒 條 、 滾 珠 絲 杠 、 直 線 電 動(dòng) 機(jī) 等 來 實(shí) 現(xiàn) 。 手 臂 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 的 實(shí) 現(xiàn) 手 段 很 多 ， 如 蝸 輪 蝸 桿 式 ； 液 壓 缸 活 塞 桿 上的 齒 條 驅(qū) 動(dòng) 齒 輪 的 方 式 ； 利 用 液 壓 缸 活 塞 桿 直 接 驅(qū) 動(dòng) 手 臂 回 轉(zhuǎn) ； 由回 轉(zhuǎn) 液 壓 （ 氣 ） 缸 直 接 驅(qū) 動(dòng) 手 臂 回 轉(zhuǎn) ； 由 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 通 過 齒 輪 傳 動(dòng)使 手 臂 回 轉(zhuǎn) ； 由 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 通 過 諧 波 傳 動(dòng)

24、 裝 置 驅(qū) 動(dòng) 手 臂 回 轉(zhuǎn) 等 。 PUMA型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 是 由 直 流 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 的 六 自 由 度 關(guān) 節(jié) 型 工業(yè) 機(jī) 器 人 。 其 大 臂 和 小 臂 是 用 高 強(qiáng) 度 鋁 合 金 材 料 制 成 的 薄 臂 框 形 結(jié) 構(gòu) ， 各 運(yùn) 動(dòng) 都 是 采 用 齒 輪 傳 動(dòng) 。 驅(qū) 動(dòng) 大 臂 的 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 如 圖 8-9a)所 示 ，驅(qū) 動(dòng) 小 臂 的 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 如 圖 8-9b)所 示 ， 腰 座 (用 轉(zhuǎn) 機(jī) 座 )的 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 1如 圖 8-9C)所 示 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 18 圖 8-9 PUM

25、A機(jī) 器 人 手 臂 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 1、 10-大 臂 ， 2、 3、 5、 6、 8、 9、 14、 15、 19、 21、 22、 23-齒 輪 ， 4、 13、 16、 20-偏 心 套7、 11、 24-驅(qū) 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 12-驅(qū) 動(dòng) 軸 17-小 臂 18-腰 座 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 19 2.手 腕 手 腕 是 連 接 手 臂 和 末 端 執(zhí) 行 器 的 部 件 ， 作 用 是 調(diào) 整 或 改 變 工 件 的 方 向 ，因 而 具 有 獨(dú) 立 的 自 由 度 。 一 般 需 要 三 個(gè) 自 由 度 ， 由 3個(gè) 回 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) 組 合而 成 ， 常 用 的

26、 組 合 結(jié) 構(gòu) 如 圖 8-10所 示 。 各 回 轉(zhuǎn) 方 向 的 名 稱 如 下 ： 臂 轉(zhuǎn) :繞 小 劈 軸 線 方 向 的 旋 轉(zhuǎn) 稱 臂 轉(zhuǎn) 。 腕 擺 :使 末 端 執(zhí) 行 器 相 對(duì) 于 手 臂 進(jìn) 行 的 擺 動(dòng) 稱 腕 擺 。 手 轉(zhuǎn) :使 末 端 執(zhí) 行 器 繞 自 身 軸 線 方 向 的 旋 轉(zhuǎn) 稱 手 轉(zhuǎn) 。 實(shí) 現(xiàn) 手 腕 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 的 機(jī) 構(gòu) ， 應(yīng) 用 最 多 的 是 氣 壓 (液 壓 )缸 。 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ,但 回 轉(zhuǎn) 角 度 小 于 360o， 并 要 求 嚴(yán) 格 密 封 。 若 回 轉(zhuǎn) 角 度 等 于 360o時(shí) 可 采用 齒 輪 齒 條 或 鏈

27、條 鏈 輪 傳 動(dòng) 。 圖 8-10 腕 部 回 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) 的 組 合 形 式 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 20 3.手 部 手 部 裝 在 操 作 機(jī) 手 腕 前 端 ， 它 是 操 作 機(jī) 直 接 執(zhí) 行 工 作 的 裝 置 。 根 據(jù) 其 用 途 和 結(jié) 構(gòu) 的 不 同 可 以 分 為 機(jī) 械 夾 持 器 、 專 用 工 具 和萬 能 手 三 類 。 多 數(shù) 情 況 下 手 部 是 為 特 定 的 用 途 而 專 門 設(shè) 計(jì) 的 ， 但也 可 設(shè) 計(jì) 成 一 種 適 用 性 較 大 的 多 用 途 手 部 。 為 實(shí) 現(xiàn) 快 速 和 自 動(dòng) 更換 手 部 ， 可 以 采

28、用 電 磁 吸 盤 或 氣 動(dòng) 鎖 緊 的 接 換 器 。(1)機(jī) 械 夾 持 器 回 轉(zhuǎn) 式 機(jī) 械 夾 持 器 圖 8-11a)示 出 了 楔 塊 杠 桿 式 回 轉(zhuǎn) 機(jī) 械 夾 持 器 。 當(dāng) 夾 持 器 驅(qū) 動(dòng)向 前 推 動(dòng) 時(shí) ， 通 過 楔 塊 4楔 面 和 杠 桿 1， 使 手 爪 產(chǎn) 生 夾 緊 動(dòng) 作 和 夾緊 力 ； 當(dāng) 楔 塊 后 移 時(shí) 靠 彈 黃 2的 拉 力 使 手 爪 松 開 。 同 理 ， 圖 8-11b） 示 出 了 滑 槽 杠 桿 式 回 轉(zhuǎn) 夾 持 器 。 圖 8-11C) 示 出 了 連 桿 杠 桿 式 回 轉(zhuǎn) 夾 持 器 ， 工 作 原 理 類 似 。

29、 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 21 圖 8-11 回 轉(zhuǎn) 式 機(jī) 械 夾 持 器 a)楔 塊 杠 桿 式 回 轉(zhuǎn) 型 夾 持 器 b)滑 槽 杠 桿 式 回 轉(zhuǎn) 型 夾 持 器 c)連 桿 杠 桿 式 回 轉(zhuǎn) 型 夾 持 器 1、 9-杠 桿 2彈 簧 3-滾 子 4-楔 塊 5-驅(qū) 動(dòng) 器 6-支 架 7、 10-桿 8-圓 柱 銷 11-連 桿 12-擺 動(dòng) 鉗 爪 13-調(diào) 整 墊 片 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 22 移 動(dòng) 式 機(jī) 械 夾 持 器 圖 8-12a)所 示 為 齒 輪 齒 條 平 行 連 桿 式 移 動(dòng) 夾 持 器 ， 電 磁 式 驅(qū) 動(dòng) 器

30、 3驅(qū)動(dòng) 齒 條 桿 2和 2個(gè) 扇 形 齒 輪 l， 帶 動(dòng) 桿 5繞 O1、 O2旋 轉(zhuǎn) 。 連 桿 5、 6， 鉗 爪 7和 夾 持 器 4構(gòu) 成 一 平 行 四 桿 機(jī) 構(gòu) ， 驅(qū) 動(dòng) 兩 鉗 爪 作 平 移 以 夾 緊 和 松 開 工 件 。 圖 8-12b)所 示 的 是 左 右 旋 絲 桿 式 移 動(dòng) 夾 持 器 ， 由 電 動(dòng) 機(jī) 8驅(qū) 動(dòng) 一 對(duì) 旋向 相 反 的 絲 杠 9提 供 準(zhǔn) 確 的 移 動(dòng) 夾 緊 動(dòng) 作 。 圖 8-12 移 動(dòng) 式 機(jī) 械 夾 持 器 a)齒 輪 齒 條 平 行 連 桿 式 平 移 夾 持 器 b)左 右 旋 絲 杠 平 移 型 夾 持 器1-

31、扇 形 齒 輪 2-齒 條 桿 3-電 磁 式 驅(qū) 動(dòng) 器 4-夾 持 器 體 5、 6-連 桿 7鉗 爪 8-電 動(dòng) 機(jī) 9-絲 杠 10-導(dǎo) 軌 11-鉗 瓜 桿 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 23 內(nèi) 撐 式 機(jī) 械 夾 持 器 內(nèi) 撐 式 機(jī) 械 夾 持 器 采 用 四 連桿 機(jī) 構(gòu) 傳 遞 撐 緊 力 ， 如 圖 8-13所 示 。 其 撐 緊 方 向 與 上 述 兩 種 方 式的 外 夾 式 相 反 。 鉗 爪 3從 工 件 內(nèi)孔 撐 緊 工 件 ， 為 使 撐 緊 后 能 準(zhǔn)確 地 用 內(nèi) 孔 定 位 ， 多 采 用 三 個(gè)鉗 爪 (圖 中 只 畫 了 兩 個(gè) )。

32、圖 8-13 內(nèi) 撐 連 桿 杠 桿 式 夾 持 器 1-驅(qū) 動(dòng) 器 2-桿 3-鉗 爪 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 24 (2)專 用 工 具n 專 用 工 具 是 供 工 業(yè) 機(jī) 器 人 完 成 某 類 特 定 的 作 業(yè) 之 用 。 如吸 附 手 、 噴 槍 、 焊 槍 等 。 圖 8-14 工 業(yè) 機(jī) 器 人 專 用 工 具 a)真 空 吸 附 手 b)噴 槍 C)空 氣 袋 膨 脹 手 d)弧 焊 焊 槍 e)電 磁 吸 附 手 f)點(diǎn) 焊 槍 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 25 8.3 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 控 制 系 統(tǒng)8.3.1 工 業(yè) 機(jī) 器 人

33、控 制 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) 和 要 求 1.工 業(yè) 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 有 若 干 個(gè) 關(guān) 節(jié) ， 典 型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 有 五 至 六 個(gè) 關(guān) 節(jié) ，每 個(gè) 關(guān) 節(jié) 由 一 個(gè) 伺 服 系 統(tǒng) 控 制 ， 多 個(gè) 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動(dòng) 要 求 各 個(gè) 伺 服 系 統(tǒng)協(xié) 同 工 作 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 工 作 任 務(wù) 是 要 求 操 作 機(jī) 的 手 部 進(jìn) 行 空 間 點(diǎn) 位 運(yùn)動(dòng) 或 連 續(xù) 軌 跡 運(yùn) 動(dòng) ， 對(duì) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 運(yùn) 動(dòng) 控 制 ， 需 要 進(jìn) 行 復(fù) 雜 的 坐標(biāo) 變 換 運(yùn) 算 ， 以 及 矩 陣 函 數(shù) 的

34、逆 運(yùn) 算 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 數(shù) 學(xué) 模 型 是 一 個(gè) 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(jī) 器 人 的 控 制 中 經(jīng) 常使 用 前 饋 、 補(bǔ) 償 、 解 耦 和 自 適 應(yīng) 等 復(fù) 雜 控 制 技 術(shù) 。 較 高 級(jí) 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 要 求 對(duì) 環(huán) 境 條 件 、 控 制 指 令 進(jìn) 行 測(cè) 定 和分 析 ， 采 用 計(jì) 算 機(jī) 建 立 龐 大 的 信 息 庫 ， 用 人 工 智 能 的 方 法 進(jìn) 行 控 制 、決 策 、 管 理 和 操 作 ， 按 照 給 定 的 要

35、求 ， 自 動(dòng) 選 擇 最 佳 控 制 規(guī) 律 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 26 2.對(duì) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 位 姿 、 速 度 、 加 速 度 等 的 控 制 功 能 ， 對(duì) 于 連 續(xù)軌 跡 運(yùn) 動(dòng) 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 還 必 須 具 有 軌 跡 的 規(guī) 劃 與 控 制 功 能 。 方 便 的 人 -機(jī) 交 互 功 能 。 操 作 人 員 采 用 直 接 指 令 代 碼 對(duì) 工 業(yè) 機(jī) 器 人進(jìn) 行 作 業(yè) 指 示 。 使 工 業(yè) 機(jī) 器 人 具 有 作 業(yè) 知 識(shí) 的 記 憶 、 修 正 和 工

36、 作 程 序的 跳 轉(zhuǎn) 功 能 。 具 有 對(duì) 外 部 環(huán) 境 （ 包 括 作 業(yè) 條 件 ） 的 檢 測(cè) 和 感 覺 功 能 。 為 使 工 業(yè) 機(jī)器 人 具 有 對(duì) 外 部 狀 態(tài) 變 化 的 適 應(yīng) 能 力 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 應(yīng) 能 對(duì) 視 覺 、 力 覺 、觸 覺 等 有 關(guān) 信 息 進(jìn) 行 檢 測(cè) 、 識(shí) 別 、 判 斷 、 理 解 等 功 能 。 在 自 動(dòng) 生 產(chǎn) 線中 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 應(yīng) 有 與 其 它 設(shè) 備 交 換 信 息 ， 協(xié) 調(diào) 工 作 的 能 力 。 具 有 診 斷 、 故 障 監(jiān) 視 等 功 能 。 目 前 大 部 分 工 業(yè) 機(jī) 器 人 都 采 用

37、 二 級(jí) 計(jì)算 機(jī) 控 制 ， 第 一 級(jí) 為 主 控 制 級(jí) ， 第 二 級(jí) 為 伺 服 控 制 級(jí) 。 主 控 制 級(jí) 由 主 控 制 計(jì) 算 機(jī) 及 示 教 盒 等 外 圍 設(shè) 備 組 成 ， 主 要 用 以 接 受作 業(yè) 指 令 ， 協(xié) 調(diào) 關(guān) 節(jié) 運(yùn) 動(dòng) ， 控 制 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 ， 完 成 作 業(yè) 操 作 。 伺 服 控 制 級(jí) 為 一 組 伺 服 控 制 系 統(tǒng) ， 其 主 體 亦 為 計(jì) 算 機(jī) 、 每 一 伺 服 控制 系 統(tǒng) 對(duì) 應(yīng) 一 定 關(guān) 節(jié) ， 用 于 接 收 主 控 制 計(jì) 算 級(jí) 向 各 關(guān) 節(jié) 發(fā) 出 的 位 置 、速 度 等 運(yùn) 動(dòng) 指 令 信 號(hào) ， 以

38、 實(shí) 時(shí) 控 制 操 作 機(jī) 各 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 行 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 27 8.3.2 工 業(yè) 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 的 分 類 控 制 系 統(tǒng) 可 以 從 不 同 角 度 進(jìn) 行 分 類 ， 如 按 控 制 運(yùn) 動(dòng) 的 方 式 分 為 關(guān) 節(jié) 運(yùn)動(dòng) 控 制 、 笛 卡 爾 空 間 運(yùn) 動(dòng) 控 制 和 自 適 應(yīng) 控 制 ； 按 軌 跡 控 制 方 式 可 分 為 點(diǎn)位 控 制 和 連 續(xù) 軌 跡 控 制 ； 按 速 度 控 制 方 式 可 分 為 速 度 控 制 、 加 速 度 控 制 、力 控 制 。 例 如 按 發(fā) 展 階 段 可 作 以 下 分 類

39、： (1)程 序 控 制 系 統(tǒng) 目 前 工 業(yè) 用 的 絕 大 多 數(shù) 第 一 代 機(jī) 器 人 屬 于 程 序 控 制 機(jī) 器 人 ， 其 系 統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 如 圖 8-15所 示 ， 包 括 程 序 控 制 器 、 信 息 處 理 器 和 放 大 執(zhí) 行 裝 置 。 系 統(tǒng)輸 出 量 X為 操 作 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) ， 一 般 為 各 關(guān) 節(jié) 的 轉(zhuǎn) 角 或 位 移 ； 給 定 量 G是輸 出 量 X的 要 達(dá) 到 的 目 標(biāo) 值 ， 通 常 是 以 程 序 形 式 給 出 的 時(shí) 間 函 數(shù) ； U是 控制 器 輸 出 ， 作 用 于 操 作 機(jī) 的 輸 入 端 。 G的 給 定 可

40、以 通 過 計(jì) 算 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 跡 來 編 制 程 序 ， 也 可 通 過 示 教 法 來 編 制 程 序 。 圖 8-15 程 序 控 制 系 統(tǒng) 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 28 (2) 自 適 應(yīng) 性 控 制 系 統(tǒng) 自 適 應(yīng) 性 控 制 系 統(tǒng) 多 用 于 第 二 代 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 即 具 有 知 覺 的 工 業(yè) 機(jī)器 人 ， 它 具 有 力 覺 、 觸 覺 或 視 覺 等 功 能 。 這 類 控 制 系 統(tǒng) 一 般 不 事 先 給 出運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 跡 ， 由 系 統(tǒng) 根 據(jù) 外 界 環(huán) 境 的 瞬 時(shí) 狀 態(tài) 變 化 即 對(duì) 控 制 系

41、統(tǒng) 的 擾 動(dòng) 量來 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 控 制 ， 見 圖 8-16。 圖 中 F是 外 部 擾 動(dòng) 向 量 ， 代 表 外 部 環(huán) 境 條 件 的 變 化 ； G是 給 定 量 是 機(jī)器 人 的 目 標(biāo) 值 ； 控 制 器 輸 出 值 U根 據(jù) 操 作 機(jī) 與 目 標(biāo) 值 之 間 坐 標(biāo) 的 偏 差 值而 變 化 ， 從 而 控 制 操 作 機(jī) 運(yùn) 動(dòng) 。 顯 然 ， 此 類 系 統(tǒng) 比 程 序 控 制 系 統(tǒng) 復(fù) 雜 。 圖 8-16 自 適 應(yīng) 控 制 系 統(tǒng) 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 29 (3)智 能 控 制 系 統(tǒng) 智 能 控 制 系 統(tǒng) 是 最 高 級(jí) 、 最 完

42、善 的 控 制 系 統(tǒng) ， 在 外 界 環(huán) 境 變 化 不 定的 條 件 下 ， 為 保 證 所 要 求 的 品 質(zhì) ， 控 制 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) 和 參 數(shù) 能 自 動(dòng) 改 變 。其 系 統(tǒng) 框 圖 見 8-17。 智 能 控 制 系 統(tǒng) 具 有 檢 測(cè) 所 需 新 信 息 的 能 力 ， 并 能 通 過 學(xué) 習(xí) 和 積 累 經(jīng)驗(yàn) 不 斷 完 善 計(jì) 劃 ， 該 系 統(tǒng) 在 其 種 程 度 上 模 擬 了 人 的 智 力 活 動(dòng) 過 程 。 具有 智 能 控 制 系 統(tǒng) 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 為 第 三 代 工 業(yè) 機(jī) 器 人 。 圖 8-17 智 能 控 制 系 統(tǒng) 揚(yáng) 州 職 大 周

43、 德 卿 2014.6 30 目 前 大 部 份 工 業(yè) 機(jī) 器 人 都 采 用 兩 級(jí) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 ， 第 一 級(jí) 為 主 控 制 級(jí) ，第 二 級(jí) 為 伺 服 控 制 級(jí) ， 系 統(tǒng) 框 圖 如 圖 8-18所 示 。 主 控 制 級(jí) 由 主 控 制 計(jì) 算 機(jī) 及 示 教 盒 等 外 部 設(shè) 備 組 成 ， 主 要 用 以 接 受作 業(yè) 指 令 ， 協(xié) 調(diào) 關(guān) 節(jié) 運(yùn) 動(dòng) ， 控 制 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 ， 完 成 作 業(yè) 操 作 。 伺 服 控 制 級(jí) 為 一 組 伺 服 控 制 系 統(tǒng) ， 其 主 體 亦 為 計(jì) 算 機(jī) ， 每 一 伺 服 控制 系 統(tǒng) 對(duì) 應(yīng) 一 定 關(guān) 節(jié)

44、， 用 于 接 收 主 控 制 計(jì) 算 機(jī) 向 各 關(guān) 節(jié) 發(fā) 出 的 位 置 、 速度 等 運(yùn) 動(dòng) 指 令 信 號(hào) ， 以 實(shí) 時(shí) 控 制 操 作 機(jī) 各 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 行 。8.3.3 工 業(yè) 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成 圖 8-18 工 業(yè) 機(jī) 器 人 兩 級(jí) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 原 理 框 圖 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 31 1.主 控 制 級(jí) 主 控 制 級(jí) 的 功 能 是 建 立 操 作 和 工 業(yè) 機(jī) 器 人 之 間 的 信 息 通 道 ， 傳 遞 作 業(yè)指 令 和 參 數(shù) ， 反 饋 工 作 狀 態(tài) ， 完 成 作 業(yè) 所 需 的

45、各 種 計(jì) 算 ， 建 立 與 伺 服 控制 級(jí) 之 間 的 接 口 。 它 由 以 下 幾 個(gè) 部 紛 組 成 ：（ 1） 主 控 制 計(jì) 算 機(jī) 主 要 完 成 從 作 業(yè) 任 務(wù) 、 運(yùn) 動(dòng) 指 令 到 關(guān) 節(jié) 運(yùn) 動(dòng) 之 間 的 全 部 運(yùn) 算 以 及 各 設(shè)備 之 間 的 運(yùn) 動(dòng) 協(xié) 調(diào) 。 對(duì) 主 控 計(jì) 算 機(jī) 硬 件 的 要 求 是 ： 要 有 相 應(yīng) 的 運(yùn) 算 速 度 、運(yùn) 算 精 度 、 存 儲(chǔ) 容 量 和 中 斷 處 理 能 力 。（ 2） 主 控 制 軟 件 主 控 制 軟 件 主 要 包 括 ： 指 令 的 的 分 析 和 解 釋 即 編 譯 程 序 ； 運(yùn) 動(dòng) 的

46、 規(guī) 劃程 序 (根 據(jù) 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 規(guī) 劃 出 沿 軌 跡 的 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) )； 插 補(bǔ) 計(jì) 算 程 序 (求 取 直線 或 圓 弧 的 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 跡 ， 兩 坐 標(biāo) 點(diǎn) 之 間 的 加 密 點(diǎn) 數(shù) 據(jù) )及 坐 標(biāo) 變 換 程 序 等 。 （ 3） 外 圍 設(shè) 備 主 控 制 級(jí) 外 圍 設(shè) 備 除 具 有 顯 示 器 、 控 制 鍵 盤 、 硬 盤 、 和 打 印 機(jī) 等 一 般設(shè) 備 外 ， 還 具 有 示 教 控 制 盒 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 32 （ 4） 示 教 控 制 盒 示 教 控 制 盒 是 第 一 代 機(jī) 器 人 -示 教 再 現(xiàn) 工 業(yè)

47、 機(jī) 器 人 操 作 的 重 要 外圍 設(shè) 備 。 要 使 工 業(yè) 機(jī) 器 人 具 有 完 成 預(yù) 定 作 業(yè) 任 務(wù) 的 功 能 ， 須 將 預(yù) 先 要完 成 的 作 業(yè) 教 給 機(jī) 器 人 ， 這 一 操 作 過 程 稱 為 “ 示 教 ” 。 將 示 教 內(nèi) 容 由 計(jì) 算 機(jī) 記 憶 下 來 ， 稱 為 “ 存 儲(chǔ) ” 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 按 存 儲(chǔ)的 示 教 內(nèi) 容 進(jìn) 行 動(dòng) 作 ， 稱 為 “ 再 現(xiàn) ” 。 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 動(dòng) 作 就 是 通 過“ 示 教 -存 儲(chǔ) -再 現(xiàn) ” 的 過 程 來 實(shí) 現(xiàn) 的 。 示 教 主 要 兩 種 方 式 ， 即 間 接 示教

48、和 直 接 示 教 方 式 。 圖 8-19 工 業(yè) 機(jī) 械 手 控 制 示 教 方 式a) 手 把 手 示 教 b)示 教 盒 示 教 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 33 n 間 接 示 教 方 式 -是 一 種 人 工 數(shù) 據(jù) 輸 入 編 程 方 式 。 將 數(shù) 據(jù) 、 圖 形等 與 作 業(yè) 有 關(guān) 的 指 令 信 息 ， 采 用 工 業(yè) 計(jì) 算 機(jī) 編 程 語 言 進(jìn) 行 離 線 編 程方 法 ， 再 通 過 鍵 盤 、 圖 像 讀 取 裝 置 等 輸 入 設(shè) 備 輸 入 計(jì) 算 機(jī) 。 n 直 接 示 教 方 式 -是 一 種 在 線 示 教 方 法 。 它 又 可 分 兩

49、 種 形 式 ： 手把 手 示 教 和 示 教 盒 示 教 方 式 。n 手 把 手 示 教 方 式 -就 是 由 操 作 人 員 直 接 利 用 示 教 手 柄 ， 操 作 機(jī)器 人 完 成 預(yù) 定 作 業(yè) 的 全 部 運(yùn) 動(dòng) (路 徑 和 姿 態(tài) )， 如 圖 8-19a)所 示 。 n 示 教 編 程 方 式 -是 利 用 示 教 盒 進(jìn) 行 的 ， 如 圖 8-19b)所 示 。 示 教盒 是 一 種 以 微 處 理 器 為 基 礎(chǔ) 編 的 程 裝 置 ， 如 圖 8-20所 示 。 示 教 盒 面板 上 有 一 組 控 制 操 作 機(jī) 運(yùn) 動(dòng) 的 按 鈕 ； 一 組 實(shí) 現(xiàn) 編 程

50、與 修 改 的 按 鈕 以及 運(yùn) 行 、 測(cè) 試 按 鈕 等 。 操 作 示 教 盒 相 應(yīng) 功 能 按 鍵 ， 可 控 制 機(jī) 器 人 各關(guān) 節(jié) 的 單 軸 運(yùn) 動(dòng) 或 多 關(guān) 節(jié) 的 協(xié) 調(diào) 運(yùn) 動(dòng) ， 以 預(yù) 定 的 空 間 直 線 和 曲 線 運(yùn)動(dòng) 規(guī) 跡 到 達(dá) 規(guī) 定 位 置 ， 完 成 示 教 編 程 操 作 。n 與 手 把 手 示 教 相 比 ， 該 方 法 安 全 但 編 程 精 度 不 高 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 34 圖 8-20工 業(yè) 機(jī) 器 人 示 教 盒1-緊 急 仃 2-字 符 數(shù) 字 顯 示 3-工 具 鍵4-是 /真 鍵 5-否 假 鍵

51、 6-連 續(xù) 鍵 7-向 后 鍵 8-向 前 鍵 9-關(guān) 節(jié) 運(yùn) 動(dòng) 鍵 10-機(jī) 械 接 口 坐 標(biāo) 運(yùn) 動(dòng)鍵 11-基 座 坐 標(biāo) 運(yùn) 動(dòng) 鍵 12-向 前 /向 后 漸 近 鍵 13-報(bào) 警 請(qǐng) 除 鍵 14-循 環(huán) 停 止 鍵 15-循 環(huán) 再 啟動(dòng) 鍵 16-精 確 位 置 鍵 17-路 徑 點(diǎn) 鍵18-關(guān) 節(jié) 坐 標(biāo) 鍵 19-笛 卡 爾 坐 標(biāo) 鍵 20-修 改 鍵 21-記 錄 鍵 22-數(shù) 字 輸 入 鍵 23-刪 除 鍵 24-速度 鍵 25-步 號(hào) 鍵 26-子 程 序 鍵 27-I/0輸 入 鍵 28-I/0輸 出 鍵 29-電 源 開 關(guān) 鍵 30-安 金 開 關(guān) 揚(yáng)

52、 州 職 大 周 德 卿 2014.6 35 2 伺 服 控 制 級(jí) 伺 服 控 制 級(jí) 由 一 組 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 ， 每 一 個(gè) 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 分 別驅(qū) 動(dòng) 工 業(yè) 機(jī) 器 人 操 作 機(jī) 構(gòu) 的 一 個(gè) 關(guān) 節(jié) 。 每 一 個(gè) 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) 來 自 控制 級(jí) 計(jì) 算 機(jī) 的 輸 出 。 伺 服 控 制 級(jí) 主 要 組 成 部 份 有 ：（ 1） 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 工 業(yè) 機(jī) 器 人 常 用 的 的 電 動(dòng) 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 通 常 由 伺 服 電 動(dòng) 機(jī) (氣 動(dòng) 伺 服驅(qū) 動(dòng) 器 則 通 過 電 磁 伐 控 制 )、 位 置 傳 感 器 、

53、速 度 傳 感 器 及 制 動(dòng) 器 組 成 。伺 服 電 動(dòng) 機(jī) 的 輸 出 軸 直 接 與 操 作 機(jī) 構(gòu) 的 關(guān) 節(jié) 軸 相 聯(lián) 接 ， 以 完 成 預(yù) 定 的關(guān) 節(jié) 運(yùn) 動(dòng) 。 關(guān) 節(jié) 運(yùn) 動(dòng) 的 位 置 和 速 度 ， 由 裝 在 電 動(dòng) 機(jī) 同 軸 上 的 光 電 編 碼盤 等 傳 感 器 檢 測(cè) 并 各 自 反 饋 至 位 置 環(huán) 和 速 度 環(huán) 。 制 動(dòng) 器 是 在 失 電 時(shí) 保持 關(guān) 節(jié) 現(xiàn) 有 位 置 用 的 ， 由 電 磁 鐵 和 摩 擦 盤 構(gòu) 成 。 實(shí) 際 伺 服 驅(qū) 動(dòng) 器 控 制系 統(tǒng) 往 往 在 速 度 環(huán) 后 面 還 有 一 個(gè) 電 流 環(huán) 調(diào) 節(jié) 器 ，

54、 取 樣 電 機(jī) 電 流 反 饋 電流 環(huán) ， 以 保 證 操 作 機(jī) 構(gòu) 的 輸 出 力 矩 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 36 （ 2） 伺 服 控 制 器 電 路 伺 服 控 制 器 的 基 本 電 路 是 比 較 器 、 偏 差 放 大 器 、 運(yùn) 算 器 和 功率 放 大 器 等 。 輸 入 信 號(hào) 除 參 考 信 號(hào) 外 ， 還 有 各 種 傳 感 器 反 饋 信 號(hào) 。 控 制 器 可 以 采 用 模 擬 調(diào) 節(jié) 電 路 也 可 用 微 處 理 器 構(gòu) 成 的 數(shù) 字 調(diào)節(jié) 器 構(gòu) 成 。 數(shù) 字 伺 服 系 統(tǒng) 靈 活 性 強(qiáng) ， 調(diào) 節(jié) 參 數(shù) 可 自 動(dòng) 改

55、 變 適 應(yīng) 性強(qiáng) ， 便 于 實(shí) 現(xiàn) 各 種 復(fù) 雜 控 制 。 圖 8-21 具 有 位 置 和 速 度 反 饋 的 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 37 3 工 業(yè) 機(jī) 器 人 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 實(shí) 例 1978年 美 國(guó) Unimation公 司 (現(xiàn) 稱 Staubli Unimation)推 出 通用 工 業(yè) 機(jī) 器 人 PUMA。 以 PUMA-560為 例 ， 其 所 確 定 的 關(guān) 節(jié) 式 機(jī) 器 人的 幾 何 模 型 如 一 般 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 安 全 保 障 措 施 、 機(jī) 器 人 的 初 始 化 、初 始 校 準(zhǔn)

56、過 程 等 技 術(shù) ， 在 現(xiàn) 今 工 業(yè) 機(jī) 器 人 制 造 領(lǐng) 域 都 還 在 應(yīng) 用 。 PUMA 560型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 ， 由 PUMA 560機(jī) 械 手 臂 、 Mark II 控 制器 、 示 教 盒 和 VALII控 制 軟 件 組 成 ， 其 工 作 行 程 為 878mm， 負(fù) 載2.2kg， 如 圖 8-22所 示 PUMA 500型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 PUMA-560型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 如 圖 8-23所 示 ， 它 由 主控 制 計(jì) 算 機(jī) 、 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 和 外 圍 設(shè) 備 三 部 份 組 成 。 笫 一 級(jí) 主

57、控制 級(jí) 計(jì) 算 機(jī) 包 括 CPU(LSI-11， 16位 )、 EPROM、 RAM存 儲(chǔ) 器 和 串 并 行接 口 等 。 第 二 級(jí) 伺 服 控 制 級(jí) 有 6套 伺 服 控 制 系 統(tǒng) （ 如 圖 8-24 ） ，分 別 對(duì) 6個(gè) 關(guān) 節(jié) 進(jìn) 行 獨(dú) 立 控 制 。 每 個(gè) 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 包 括 微 處 理 器 (6503， 8位 )、 D/A轉(zhuǎn) 換 器 、 速 度 單 元 和 位 置 編 碼 器 等 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 38圖 8-22 PUMA 560型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 39圖 8-23 PUMA-

58、560型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 40圖 8-24 PUMA-560型 工 業(yè) 機(jī) 器 人 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 41 8.4 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 應(yīng) 用n 目 前 工 業(yè) 機(jī) 器 人 主 要 用 于 制 造 業(yè) 中 ， 特 別 是 電 器 制 造 、汽 車 制 造 、 塑 料 加 工 、 金 屬 加 工 及 金 屬 制 品 業(yè) 等 。 在 日本 、 美 國(guó) 和 西 歐 等 工 業(yè) 發(fā) 達(dá) 國(guó) 家 中 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 應(yīng) 用越 來 越 廣 泛 。n 隨 著 生 產(chǎn) 的

59、發(fā) 展 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 功 能 和 性 能 的 不 斷 完 善和 提 高 ， 工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 在 日 益 擴(kuò) 大 ， 其 應(yīng) 用 范圍 已 不 限 于 制 造 業(yè) ， 還 用 于 農(nóng) 業(yè) 、 林 業(yè) 、 交 通 運(yùn) 輸 業(yè) 、原 子 能 工 業(yè) 、 醫(yī) 療 福 利 事 業(yè) 、 海 洋 和 太 空 開 發(fā) 等 事 業(yè) 中 。工 業(yè) 機(jī) 器 人 的 需 求 量 越 來 越 大 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 42 8.4.1 工 業(yè) 機(jī) 器 人 從 事 重 復(fù) 勞 動(dòng) 工 作 工 業(yè) 機(jī) 器 人 能 高 強(qiáng) 度 地 、 持 久 地 在 各 種 工 作

60、環(huán) 境 中 從 事 單 調(diào)重 復(fù) 的 勞 動(dòng) ， 使 人 類 從 繁 重 的 體 力 勞 動(dòng) 中 解 放 出 來 。 例 如 在 汽 車 制 造 生 產(chǎn) 線 中 ， 一 般 都 是 用 傳 送 帶 流 水 作 業(yè) ， 生產(chǎn) 速 度 快 、 節(jié) 奏 高 、 上 下 工 序 銜 接 嚴(yán) 格 ， 要 是 按 傳 統(tǒng) 人 工 方 式 作業(yè) ， 生 產(chǎn) 數(shù) 量 與 質(zhì) 量 很 難 提 高 。 因 為 僅 是 點(diǎn) 焊 和 屬 于 螺 紋 件 裝 配等 作 業(yè) 數(shù) 量 就 極 大 ， 例 如 每 輛 汽 有 上 個(gè) 焊 接 點(diǎn) 。 采 用 工 業(yè) 機(jī) 器 人 作 業(yè) ， 就 可 以 保 質(zhì) 保 量 地 完

61、生 產(chǎn) 任 務(wù) 。 如 圖8-25所 示 的 汽 車 制 造 生 產(chǎn) 線 就 布 置 了 12臺(tái) 點(diǎn) 焊 機(jī) 器 人 。 該 生 產(chǎn) 線采 用 往 復(fù) 傳 送 系 統(tǒng) ， 先 把 汽 車 車 身 移 出 生 產(chǎn) 裝 配 線 ， 傳 送 帶 布 置有 7個(gè) 工 位 12臺(tái) 機(jī) 器 人 并 步 進(jìn) 式 傳 送 ， 每 個(gè) 工 位 的 機(jī) 器 人 進(jìn) 行 固定 的 焊 接 作 業(yè) ， 整 個(gè) 車 身 焊 接 完 成 后 ， 工 件 被 送 回 主 裝 配 線 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 43圖 8-25 汽 車 制 造 生 產(chǎn) 線 上 的 車 身 點(diǎn) 焊 系 統(tǒng)1 12-點(diǎn) 焊 機(jī)

62、 器 人 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 44 8.4.2 工 業(yè) 機(jī) 器 人 從 事 有 害 危 險(xiǎn) 作 業(yè) 工 作 工 業(yè) 機(jī) 器 人 對(duì) 工 作 環(huán) 境 有 很 強(qiáng) 的 適 應(yīng) 能 力 ， 能 代 替 人 在 有 害 、 有 毒或 危 險(xiǎn) 場(chǎng) 所 下 作 業(yè) 。 只 要 根 據(jù) 工 作 環(huán) 境 情 況 ， 對(duì) 機(jī) 器 人 的 材 料 、 元 器 件 、結(jié) 構(gòu) 、 防 護(hù) 和 可 靠 性 等 作 精 心 設(shè) 計(jì) ， 即 可 適 應(yīng) 高 溫 、 低 溫 、 高 壓 、 水 下 、有 害 氣 體 、 粉 塵 、 煙 霧 或 放 射 性 等 環(huán) 境 下 作 業(yè) ， 如 圖 8-26所

63、示 就 是 一 臺(tái)從 事 噴 漆 作 業(yè) 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 示 意 圖 。 圖 8-27示 出 了 一 臺(tái) 平 面 關(guān) 節(jié) 型(有 五 個(gè) 關(guān) 節(jié) ， 直 流 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) )電 弧 焊 接 和 切 割 的 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 。 圖 8-26 噴 漆 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 示 意 圖 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 45圖 8-27 弧 焊 工 業(yè) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 1-總 機(jī) 座 2、 6軸 旋 轉(zhuǎn) 換 位 器 (胎 具 ) 3-機(jī) 器 人 本 體 控 制 裝 置4-旋 轉(zhuǎn) 胎 具 控 制 裝 置 5-工 件 夾 具 6-工 件 7-焊 接 電 源

64、 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 46 8.4.3 工 業(yè) 機(jī) 器 人 用 于 柔 性 生 產(chǎn) 線 當(dāng) 今 制 造 業(yè) 特 別 是 家 用 消 費(fèi) 品 的 制 造 業(yè) (如 各 種 家 用 電器 、 汽 車 等 )正 面 臨 著 人 們 對(duì) 產(chǎn) 品 多 品 種 、 小 批 量 、 個(gè) 性 化和 更 新 快 等 需 求 形 勢(shì) ， 這 就 要 求 制 造 業(yè) 有 很 好 的 適 應(yīng) 能 力 ，必 須 有 很 強(qiáng) 的 柔 性 制 造 能 力 。 所 謂 柔 性 制 造 就 是 在 不 更 換 或 少 更 換 設(shè) 備 的 情 況 下 ，靠 改 變 制 造 軟 件 就 能 重 組 生 產(chǎn) 線

65、 ， 編 排 新 的 作 業(yè) 流 程 。 顯然 ， 可 用 計(jì) 算 機(jī) 控 制 的 數(shù) 控 機(jī) 床 、 機(jī) 器 人 、 物 料 小 車 及 通信 網(wǎng) 絡(luò) 等 設(shè) 備 ， 來 組 成 一 種 現(xiàn) 代 先 進(jìn) 制 造 生 產(chǎn) 線 即 柔 性 生產(chǎn) 制 造 線 -FMS（ Flexibl Manufactring System） 系 統(tǒng) 。 該 制 造 系 統(tǒng) 不 但 能 滿 足 多 品 種 小 批 量 的 要 求 ， 而 且 能將 工 廠 自 動(dòng) 化 推 向 更 高 階 段 。 圖 8-28所 示 的 FMS柔 性 制 造 線 ，就 是 由 計(jì) 算 機(jī) (多 級(jí) )、 數(shù) 控 加 工 中 心 (多

66、 臺(tái) )、 工 業(yè) 機(jī) 器 人 (多 種 類 型 )、 搬 運(yùn) 小 車 及 自 動(dòng) 化 侖 庫 組 成 。 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 47圖 8-28 工 業(yè) 機(jī) 器 人 在 FMS中 的 應(yīng) 用 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 48用 于 喂 料 的 八 軸 機(jī) 器 人 數(shù) 控 沖 床 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 49“勇 氣 ” 號(hào) 火 星 探 測(cè) 器 航 空 、 航 天 、 軍 事 用 途 機(jī) 器 人 揚(yáng) 州 職 大 周 德 卿 2014.6 50 1.什 么 是 機(jī) 器 人 ？ 它 有 哪 幾 個(gè) 部 份 組 成 ？ 舉 例 說 明 其 應(yīng) 用 2.什 么 是 機(jī) 器 人 的 自 由 度 ？ 如 下 圖 所 示 的 機(jī) 器 人 有 幾 個(gè) 自 由 度 ？ 3.機(jī) 器 人 操 作 機(jī) 械 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 有 哪 些 ？ 簡(jiǎn) 要 說 明 其 結(jié) 構(gòu) 及 用 途 。 4.按 控 制 方 法 分 類 有 哪 幾 種 機(jī) 器 人 ？ 舉 例 說 明 。