第一章工业机器人概论

第一章概论提起机器人，我们都不陌生，脱口就能说出一大串机器人的名字：铁臂阿童木、霹雳五号、奥特曼、终结者等，这些都是小说或影视作品中的主人翁。

可以说大多数人都是从影视作品中了解机器人的，影视作品中的机器人，功能都很强大，看起来很神奇，正是由于这些影视作品的影响，人们对机器人给予了非常高的希望，但现实中的机器人并不像人，与其说是机器人，还不如说是一台机器。

但是只有想到了，才能做到，那些神奇的机器人正是我们共同奋斗的目标。

我们只有了解了现实的机器人，才能创造出未来更好的机器人。

机器人技术是一门高新技术，作为21世纪的人才，面临高新技术和自动化技术的冲击，面临国际市场经济和技术迅猛发展的激烈竞争，机器人技术是迎接未来挑战的有力武器和理想助手，机器人使人类从繁琐、恶劣的作业环境中解脱出来，而从事更加雄伟的事业，开创未来世界。

对年青朋友来说，不管你以后搞不搞机器人技术，也不管你涉不涉足机器人产业，都有必要了解一些机器人知识，因为未来的机器人将对你的生活和工作产生巨大的影响。

[作业1] 机器人发展概况综述。

第一节工业机器人的概念关于工业机器人，目前世界各国尚无统一定义，分类方法也不尽相同。

①美国：工业机器人是一种可重复编辑的多功能操作装置，它可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件和工具。

②日本：1）工业机器人是整机能够回转，有抓取（或吸住）物体的手抓和能够进行伸缩、弯曲、升降（仰俯），回转及其复合动作的臂部，带有记忆部件，可部分地代替人进行自动操作的具有通用性的机械。

2）具有人体上肢（臂、手）动作功能，可进行多种动作的装置，或者具有感觉功能，可自主进行多种动作的装置。

日本定义的工业机器人的范围是较广的，他们将工业机器人分为六类：人控机械手固定程序控制机器人可变程序控制机器人示教再现机器人数值控制机器人③我国对“机械手”和“工业机器人”的定义：机械手：就是附属于主机，动作简单，工作程序固定，定位点不能灵活改变；用来重复抓放物料的操作手。

manipulator工业机器人：是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程序高的自动操作机械。

Industrial robot工业机器人，无论从它的外形或结构来说，都和人有很大的差别，它虽然不完全具备人体的许多功能（如人四肢多自由度灵活机能、五官的感觉机能等），但在做某些动作时，它具有和人相同甚至超过人的能力。

一部功能完整的机器设备一般由动力装置、传动装置、电气控制系统、执行装置、机架等部分组成。

动力装置：为设备提供合适类型的动力源。

一般由电动机或内燃机等原动机组成。

执行装置：按照机器设备的性能要求，输出参数合理的功率并做出正确的动作。

一般由机械机构或机械装置组成。

传动装置：由于动力装置所能提供的功率、转速、转矩等技术参数的变化范围有限，很难直接满足执行装置输出功率参数千变万化与具体要求，因此在机器设备的动力装置和执行装置之间往往需要设置的动力装置，以满足执行装置输出参数的技术要求。

通常有机械传动、电气传动和流体传动等形式，这三种传动装置各有自己的特点与不足，分别用于不同类型，不同要求的机器设备中，在有些机器设备的传动装置中，也有同时采用不同类型的传动装置组成组合传动装置，如机液联合传动装置、电液联合传动装置等，以便获得更优的传动与控制效果。

流体传动是以流体（液体或压缩空气）为传动工作介质进行能量传递与控制的一种传动形式，包括：液体传动两种形式气体传动液体传动：工作介质是液体。

气体传动：工作介质是压缩空气（压缩能）。

液力传动：利用高速流动液体的动能与刚体叶轮进行能量交换来实现能量传递，工作时液体的流速很多但压力较低。

液体传动液压传动：利用封闭容腔中流动液体的流量和压力进行能量传递，工作时液体的流速较低但压力很大。

电气控制系统：对机器设备上述各部分进行准确协调的控制，确保整台机器设备正常有序地工作。

第二节工业机器人的组成工业机器人通常由执行机构、驱动——装置机构、控制系统和监测系统四部分组成。

这些部分之间的相互作用为：一、执行机构：执行机构也称操作机，使机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。

从功能角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部（立柱）和基座等。

1 手部：又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分，其作用是直接抓取和放置物件。

可以是各种手持器。

2 腕部：是连接手部和臂部的部件。

其作用是调整或改变手部的姿态，是操作机中结构最复杂的部分。

3 臂部：又称手臂，用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（大臂和小臂）组成，用以带动腕部运动。

4 腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，于臂部运动结合，把腕部传递到须到的工作位置。

5 基座：（行走机构）基座是机器人的支持部分，有固定式和移动式两种，该部件必须具有足够的刚度、强度和稳定性。

二驱动——传动装置工业机器人的驱动——传动装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成机器人本体。

传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝杆、链、带以及各种齿轮系。

电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。

驱动器通常有液压驱动：气动驱动：三控制系统这个系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作。

一般由控制计算机和伺服控制器组成。

控制计算机发出指令，协调各关节驱动之间的运动，同时还要完成编程、示教/再现，以及和其他环境状态（传感器信息）、工艺要求，外部相关设备（如电焊机）之间的信息传递和协调工作。

伺服控制各个关节驱动器，使各杆按一定的速度、加速度、和位置要求进行运动。

四检测系统检测系统的作用就是通过各种检测器、传感器、检测执行机构的运动境况，根据需要反馈给控制系统，与设定值进行比较后对执行机构进行调整以保证其动作符合设计要求。

第三节工业机器人的主要性能参数工业机器人规格表示如下：1 名称与型号2 主要用途3 类别（主要根据控制系统功能来分）4 坐标形式5 自由度自由度是机器人的一种重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接影响到机器人的机动性。

①刚度自由度物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。

物体的自由度是指：物体能够相对坐标系进行独立运动的数目。

（DOF：degree freedom）①沿着坐标轴ox,oy和oz的三个平移运动：T1,T2和T3.②绕着坐标轴ox，oy和oz的三个旋转运动R1,R2和R3这意味着物体能够运用三个评议和三个旋转，相对于坐标系进行定向和运动。

一个物体有六个自由度，当两个物体间确立起某种关系时，每一物体就对另一物体失去一些自由度。

这种关系也可以用两物体间由于建立连接关系而不能进行的移动和转动来表示。

②机器人自由度人们期望机器人能够以准确的方位把它的端部执行装置或与它的连接的工具移动到给定点。

如果机器人的用途预先不知道，那么它应当具有六个自由度；例如，要把一个球放到空间某个给定位置，又三个自由度就足够了；又如，要对某旋转砖头进行定位与定向，就需要五个自由度。

机器人机械手的手臂一般具有3个自由度，其他的自由度数为末端执行装置所具有。

例如，当要求某一机器人钻孔时，其钻头必须转动，不过，这一转动总是由外部的马达带动的，因此，不把它看作机器人的一个自由度，这同样适用于机器人的一个自由度，这同样适用于机器人的机械手爪，机械手的夹手应能开闭，这个开闭所用的自由度不能当作机器人的自由度，因为这个自由度只对夹手的操作起作用。

6 抓重：又称臂力，指额定抓取重量，以kg表示。

7 动作范围与速度：指各运动自由度的行程范围和动作速度：手臂运动参数包括②手腕运动参数③手指夹持范围(mm)和握力(加紧力或吸力)8 定位方式：是指采用的固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关、电位器或其它位置设定和检测装置。

9 控制方式：(是采用PTP，还是CP控制)10 定位精度：位置设定精度或重复定位精度。

11 驱动方式：指采用液压、气动、电动、机械等何种方式以及驱动机构情况。

12 驱动源：油泵规格、电动机功率、类型、规格。

13 编程方法与程序容量：程序存储方式。

14 外形尺寸15 整机重量16 控制系统电源规格。

第三节机器人的分类机器人的分类方法主要有三种： (1) 按设备的机械结构（坐标形式）分类。

(2) 按控制部件(即关节或轴)分类。

(3) 按用途分类。

一根据坐标系分类虽然机器人的结构差异很大，但所有机器人均能将一个部件移动到空间的某一点。

装置（机器人）的主要运动轴一般有1～3个自由度，由结实耐用的关节（多半紧靠基座部位）构成。

因而，大部分机器人按这些关节所用的坐标系将机器人分为四类，即柱坐标、球坐标、笛卡尔坐标和垂直多关节机器人。

1 柱坐标系机器人当水平臂或杆架安装在一垂直柱上，而该柱有安装在一个旋转基座上，这种结构可称为柱坐标机器人。

①手臂可伸缩（沿r方向）②滑动架（托板）可沿柱上下移（Z轴方向）③水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕Z轴）（一般旋转不允许旋转360°，因为有液压，电气或气动联结机构或连线造成的这种约束。

）根据机械上的要求，其伸出长度有一最小值和最大值，所以，此机器人总的体积或工作包络范围是圆柱体的一部分。

2 球坐标系机器人①其臂可升出缩回（R）类似于可伸缩的望远镜套筒。

②在垂直面内绕轴回转（φ）③在基座水平面内转动（θ）机器人的结构机构的运动是球坐标运动，机器人称为球坐标机器人。

由于机械和驱动器连线的限制，机器人的工作包络范围是球体的一部分。

3 关节机器人关节机器人实际上有三种不同的形状：①纯球状②平行四边形球状③圆柱状(1)纯球状这种最普通的关节结构中，机器人所有的连杆都用枢轴装置而成，因而都可以旋转。

机械臂的上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂转动角度α；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可绕此肩关节进行角度Φ；而基座可自由转动，因而整个组合件可在与基座平行的平面内移动角度θ，具有这类结构的机器人的工作包络范围大体上是球状的。

这种设计的优点主要是机械臂可以够的找机器人基座附近的地方，并越过其工作范围内的人和障碍物。

(2)平行四边形球状用多重闭合的平行四边形的连杆机构代替单一的刚性构件的上臂，这种结构的主要优点是：①它允许关节驱动器位置靠近机器人的基座或装在机器人的基座上，这就意味着它们不是装在前臂或上臂之内或之上，从而使臂的惯性机重量大为减少，结果是采用同样大小的执行器时它们所具有的承载能力就比球体关节的机器人要大。

②其另一个优点是机械刚度比其它大多数机械手大。

平行四边形结构的主要缺点是与相应的关节球状坐标机器人的工作范围相比较，受到的限制较大。

(3)圆柱状这种结构用多重铰接开放运动学链系代替纯圆柱状机器人中的单一γ轴部件。

这种机器人有精密且快速的优点，但一般垂直作用范围有限（Z方向），通常Z轴运动用一简单的气缸或步进店及控制，而其它轴则采用较复杂的精巧的电气执行器（如伺服电机）。