7物流自动化技术——工业机器人

图7-16 球座标几何机器人


图7-17显示之球座标几何机器人的工作空 间。此类机器手臂经常使用于早期工业应 用中。 球坐标几何机器人使用油压或电子以驱动 六个轴向的主要运动；并采用气压致动器 打开或关闭握爪。
图7-17


4.关节式几何：关节式工业机器人也称作关 节式手臂、迴转式或是拟人式机器，具有一 个不规则的工作空间。 这类机器人包括垂直关节式与水平关节式。 垂直关节式机械手臂如图7-18所示有三个包 含基座旋转(轴1)、肩部(轴2)以及前臂(轴3) 的主要角度移动，其不规则的工作空间如图 7-19所示，如同前面所设计的机械手臂般， 工具板的方位是由腕部的三个旋转所决定。


在高架式例子中，三个定位自由度由箭头指出 其在X、Y及Z方向的移动，而腕部的A、B与C 三个自由度可以用来定向工具板上工具的方位。 卡式几何的第二种型态横向式如图7-13所示。
图7-12 高架式机器人
图7-13 卡式几何机器人


2.圆柱座标几何：圆柱座标机械手臂系统如 7-14所示，可以在一个圆柱体的体积内移 动握爪，系统由R及Z两个线性移动方向与 一个绕着Z轴旋转的方向所定位。 圆柱座标式机器人是由气压、液压或电力 方式驱动。一部小型的气压圆柱几何式机 器人如图7-15所示。
②机械结构系统

要使机器人运行起来，就需给各个关节即 每个运动自由度安臵传动装臵，这就是驱 动系统。驱动系统可以是液压传动、气动 传动、电动传动，或者把它们结合起来应 用的综合系统；可以直接驱动或者通过同 步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动 机构进行间接驱动。
图7-10 机械结构系统
③感受系统
图7-14 圆柱座标机器人
图7-15 小型圆柱座标机器人


3.球座标几何：球座标几何手臂也叫做极座标 式如图7-16所示。球座标几何式机械手臂以 两个旋转及一个线性移动所驱动而定位。 工具板上的方向可以透过手腕部位的三个旋 转(A、B与C)所达成。理论上，绕着Y轴的角 度是180度或者得更大，而绕着Z轴的腕部旋 转可达360度。
图7-6 平行四边形连杆关节型机器人
3）SCARA型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm，见图7-7)：手臂的前端结构采用在二 维空间内能任意移动的自由度。所以，它具有垂 直方向刚性高、水平面内刚性低(柔顺洼)的特征。 但在实际操作中主要不是由于它所具有的这种特 殊柔顺性质，而是因为它更能简单地实现二维平 面上的动作，因而在装配作业中普遍采用。
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机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。 一个简单的机器人也至少有3~5个自由度，比较 复杂的机器人有十几个，甚至几十个自由度。 把多个独立的伺服系统有机地协调起来，使其按 照人的意志行动，甚至赋予机器人一定的“智 能”，这个任务只能由计算机来完成。 描述机器人状态和运动的数学模型是一个非线性 模型，随着状态的不同和外力的变化，其参数也 在变化，各变量之间还存在耦合。 机器人的动作往往可以通过不同的方式和路径来 完成，因此存在一个“最优”的问题。
图7-2 球坐标型机器人
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③直角坐标型机器人（cartesian coordinate robot）：由独立沿x、y、z轴的自由度构成。 其结构简单，精度高，坐标计算和控制也 都极为简单。
图7-3 直角坐标型机器人
④关节型机器人（articulated robot）：主要 由回转和旋转自由度构成。它可以看成是 仿人手臂的结构，具有肘关节的连杆关节 结构。
7.3、机械手臂
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②
机械手臂是由电动马达、气压装臵或油压致动 器所驱动的机械装臵。 按手臂的结构形式区分，手臂有单臂、双臂及 悬挂式。 按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的， 如手臂的伸缩、升降及横向(或纵向)移动；有 回转运动的，如手臂的左右回转、上下摆动 (即俯仰)；有复合运动的，如直线运动和回转 运动的组合，两直线运动的组合，两回转运动 的组合。
图7-11 机械手臂的结构形式
机器手臂几何分类
机器人的操纵器之基本机械结构可分成： 1.卡式座标 2.圆柱座标 3.球座标 4.关节式 卡式座标分成两类:横向式与高架式。 关节式分成水平式与垂直式两类。



1.卡式座标几何(直角座标)：具有卡式座标几 何的机器人可移动握爪到工作空间的任何位， 两种几何结构包含横向式及高架式。 图7-12所示是一个可以在X、Y及Z方向移动的 高架式例子，工具连接于工具板上可从上面加 工，此类机器人的长方体工作空间经常用来从 输送带系统将工件移动至生产机器中。
图7-4 关节型机器人

关节型机器人根据其自由度的构成方法， 可再进一步分成几类：
1）仿人关节型机器人(anthropomorphic)：在标准 手臂上再加上一个自由度(冗余自由度)。
图7-5 仿人关节型机器人
2）平行四边形连杆关节型机器人：手臂采用平行四 边形连杆，并把前臂关节驱动用的电动机装在手 臂的根部，可获得更高的运动速度。
图7-8 并联机构机器人
7.2、工业机器人基本组成

工业机器人系统由三大部分六个子系统组 成。三大部分是：机械部分、传感部分、 控制部分。六个子系统是：驱动系统、机 械结构系统、感受系统、机器人环境交互 系统、人机交互系统、控制系统。
图7-9 工业机器人系统
①驱动系统

工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端 操作器三大件组成。每一大件都有若干自由度， 构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走 机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰 转机构，则构成单机器人臂（Single Robot Arm）。 手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器 是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二 手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等 作业工具。

它由内部传感器模块和外部传感器模块组 成，获取内部和外部环境状态中有意义的 信息。智能传感器的使用提高了机器人的 机动性、适应性和智能化的水准。人类的 感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧 的。然而，对于一些特殊的信息，传感器 比人类的感受系统更有效。
④机器人、环境交互系统

工业机器人环境交互系统是实现工业机器 人与外部环境中的设备相互联系和协调的 系统。工业机器人与外部设备集成为一个 功能单元，如加工制造单元、焊接单元、 装配单元等。当然，也可以是多台机器人、 多台机床或设备、多个零件存储等集成一 个去执行复杂任务的功能单元。
⑤人-机交互系统

人-机交互系统是使操作人员参与机器人控 制，与机器人进行联系的装臵。例如，计 算机的标准终端、指令控制台、信息显示 板、危险信号报警器等。归纳起来为两大 类：指令给定装臵和信息显示装臵。
⑥控制系统

控制系统的任务是根据机器人的作业指令 程序，以及从传感器反馈回来的信号，支 配机器人的执行机构去完成规定的运动和 功能。假如工业机器人不具备信息反馈特 征，则为开环控制系统；若具备信息反馈 特征，则为闭环控制系统。根据控制原理 可分为程序控制系统，适应性控制系统和 人工智能控制系统。根据控制运动的形式 可分为点位控制和轨迹控制。
工业机器人特点
① 可编程：工业机器人可随其工作环境变化的需要 而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效 率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性 制造系统（FMS）中的一个重要组成部分。 ② 拟人化：工业机器人在机械结构上有类似人的行 走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在 控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许 多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传 感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声 觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器 人对周围环境的自适应能力。
图7-21 SCARA机器手臂



SCARA机器手臂有两个固定于刚性垂直件上 的水平关节手臂部分。 改变此两轴可以达到圆柱工作空间内任何 位臵，夹爪板的垂直运动是根据位于手臂 的端点的Z轴所致。 因为此类机器擅长于垂直方向插入工件。
7.4、生产工具


单独的机器人并没有生产能力，但机器手臂 上若有生产工具则会变成一个有效率的生产 系统，执行工作的工具是附着于手臂端点的 工具板上。 用来夹持工件具有开关动作的工具一般称为 握爪，图7-22显示出两种标准的握爪结构:夹 角式与平行式。
图7-23 码垛堆放货物的机器人握爪
图7-24 安装汽车前挡风窗的真空握爪


工具的第二种分类包含钻头、焊枪以及火嘴、 喷漆枪以及研磨器。 第三类的握爪工具包含针对特殊工作所设计的 特殊功能握爪，例如，具有特殊工具的机器人 可以举起一个折叠箱子并打开填充之。
7.5、机器人控制系统

机器人的结构是一个空间开链机构，其各 个关节的运动是独立的，为了实现末端点 的运动轨迹，需要多关节的运动协调。因 此，其控制系统与普通的控制系统相比要 复杂得多，具体表现如下：
图7-7 SCARA型机器人
4）并联机构机器人：是一种新型结构的机器人，它 通过各连杆的复合运动，给出末端的运动轨迹， 以完成不同类型的作业。该结构的机器人特点在 于刚性好，可用来完成数控机床的一些功能，因 此也称之为并联机床。目前已有这方面的样机， 它可完成复杂曲面的加工，是数控机床的一种新 的结构形式，也是机器人功能的一种拓展。其不 足是控制复杂，工作范围比较小，精度也比数控 机床低一些。
工业机器人特点
③ 通用性：除了专门设计的专用的工业机器人外， 一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较 好的通用性。 ④ 机电一体化：第三代智能机器人不仅具有获取外 部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、 语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等 人工智能，这些都和微电子技术的应用，特别是 计算机技术的应用密切相关。
第七章 工业机器人
1.工业机器人基本概念及分类 2.工业机器人基本组成 3.机械手臂 4.生产工具 5.机器人控制系统 6.机器人在自动化领域中的应用 7.机器人的选择准则
7.1、工业机器人基本概念


美国机器人工业协会（U.S.RIA）提出的工 业机器人定义为: 工业机器人是用来进行搬运材料、零 件、工具等可再编程的多功能机械手，或 通过不同程序的调用来完成各种工作任务 的特种装臵。 国际标准化组织定义： 工业机器人是一种具有自动控制的操 作和移动功能，能够完成各种作业的可编 程操作机。
图7-22 标准夹角握爪


现今机器人所使用的臂端工具可分成下列 三类: 1.依据握爪支撑工件的方法。 2.依据最后握爪设计的特殊用途工具。 3.依据握爪的多功能能力。


第一类的握爪机构包含： 标准机械压力握爪(图7-23)，利用机器人的 握爪将纸箱、袋装品等快速搬运到传送带上 进行传输，有效的提高了物料搬运的效率。 使用真空支撑或举起工具(图7-24)以及电磁 装臵。 四个具有特殊设计的臂端工具之真空 握爪，可用来在汽车生产线中将窗户放臵于 车上。
工业机器人的分类
工业机器人的分类方法很多，可以按其坐 标形式、控制方式和功能的进行分类。 ⑴按坐标形式分 ①圆柱坐标型机器人(cylindrical coordinate robot）：由一个回转和两个平移的自由度 组合构成，如图7-1所示。

图7-1 圆柱坐标型机器人
②球坐标型机器人(polar coordinate robot）： 由回转、旋转、平移三个自由度构成。
机器人的控制方式
①点位式 很多机器人要求能准确地控制末端执 行器的工作位臵，而路径却无关紧要。例 如，在印刷电路板上安插元件以及点焊、 装配等工作，都属于点位式工作方式。一 般来说，这种方式比较简单，但是要达到 2~3µm的定位精度也是相当困难的。
图7-18 垂直关节式手臂之机器人
图7-19 垂直关节式机器人的工作空间

大部分机器都其有回馈控制系统的电子装 臵，一个关节式球座标结构如图7-20所示， 注意其三个滚动腕部是用来产生工具板上 点焊工具的三个腕部方位运动。
图7-20关节式机器手臂进行点焊


水平关节式机械手臂由两个决定工具位臵的角度 移动(手臂与前臂旋转)以及一个垂直方向的线性 移动。 水平关节式机械手臂具有两种机械结构: (1)如图7-21所示的选择性顺从关节机器手臂。 (2)水平关节式基座的手臂。