工业机器人介绍和应用

柱坐标系机器人
2、工业机器人的分类
• 柱坐标机器人 • 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人
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 ）。
球坐标系机器人
2、工业机器人的分类
• 柱坐标机器人 • 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人
端操作器）的开合自由度。
2
冗余度机器人：
1
从运动学的观点看，在完成某一
特定作业时具有多余自由度的机
器人，就叫做冗余自由度机器人，
亦可简称冗余度机器人。
(a)
3 3
2 C
1 要定位 的球体
(b)
5 4
要定位的 旋转钻头
3、工业机器人的组成和性能参数
3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数
z
• 柱坐标机器人
• 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人
1、手臂可伸缩（沿r方向）； 2、滑动架（托板）可沿柱上下移动（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）。
r R
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约束。
2、工业机器人的分类
2、工业机器人的分类
•C 圆柱状
圆柱状关节机器人也称为SCARA 机器人，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 或步进电机控制，而其它轴则采用 较精巧的电气执行器（如伺服电机 ）。
1 • 工业机器人意义与定义 2 • 工业机器人分类 3 • 工业机器人组成和性能参数 4 • 工业机器人的结构 5 • 工业机器人控制技术 6 • 工业机器人传感系统 7 • 工业机器人的应用 8 • 工业机器人发展方向
2、工业机器人的分类
根据机械结构（坐标形式）分类
2.1 串联机器人
2.2 并联机器人
A 纯球状
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。
优点：机械臂可以方便灵活的到达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。
工作范围的形状和大小是十分重 要的，机器人在执行某作业时可 能会因为存在手部不能到达的作 业死区而不能完成任务。
3、工业机器人的组成和性能参数
3.2 工业机器人的性能参数
D 最大工作速度
有的厂家指工业机器人主要自由度上最大 的稳定速度，有的厂家指手臂末端最大的 合成速度，通常都在技术参数中加以说明。
3.1 工业机器人的组成
工 执行机构 业 控制系统 机 器 驱动系统（液压缸、电机等） 人 检测系统
控制系统
驱动系统
执行机构
各组成部分关系
检测系统
操作对象
3、工业机器人的组成和性能参数
3.1 工业机器人的组成
A 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。
工作速度愈高，工作效率愈高。 工作速度愈高就要花费更多的时间去升速
或降速，或者对工业机器人的最大加速度 率或最大减速度率的要求更高。
3、工业机器人的组成和性能参数
3.2 工业机器人的性能参数
E 最大承载能力（负载）
根据承载能力的不同，可将机器人分为： ① 微型机器人，提取重力在10 N以下； ② 小型机器人， 提取重力为10～50 N； ③ 中型机器人， 提取重力为50～300 N； ④ 大型机器人， 提取重力为300～500 N； ⑤ 重型机器人，提取重力在500N以上。
并联机器人上下料
并联机器人分拣
并联机器人装配
6自由度并联机构
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3、工业机器人的组成和性能参数
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。
3、工业机器人的组成和性能参数
3.1 工业机器人的组成
B 驱动系统
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。
承载能力是指机器人在工作范 围内的任何位置上所能承受的 最大质量。
承载能力不仅决定于负载的质 量，而且还与机器人运行的速 度和加速度的大小和方向有关。
为了安全起见，承载能力这一 技术指标是指高速运行时的承 载能力。
通常，承载能力包含了机器人 末端操作器的质量。
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• 其坐标更近乎自然状态，故
z
编程容易；
• 但有些运动形式，由于需要 大量计算，此结构可能较难 完成，如方向与任何轴都不 平行的直线轨迹。
2、工业机器人的分类
2、工业机器人的分类
B 门形笛卡尔式（桁架机器人）
一般在需要精确移动以及负载较大 的时候使用，这类机器人常常安在 顶板（天花板）上。
2、工业机器人的分类
2、工业机器人的分类
•B 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。
优点： • 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； • 机械刚度比其它大多数机械手大。 缺点：工作范围受到的限制较大。
定位精度是指机器 人手部实际到达位 置与目标位置之间 的差异。
重复定位精度是指 机器人重复定位其 手部至同一目标位 置的能力，可以用 标准偏差这个统计 量来表示，它是衡 量一列误差值的密 集度，即重复度，
3、工业机器人的组成和性能参数
3.2 工业机器人的性能参数
C 工作范围
工作范围是指机器人手臂末端或 手腕中心所能到达的所有点的集 合，也叫做工作区域。
“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编 程操作机。”——国际标准化组织，1987
三大特征： （1）拟人功能：机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工 具。因此，数控机床和汽车不是机器人； （2）可编程性：机器人具有智力或具有感觉与识别能力，可随工作环境变化 的需要而再编程。一般的电动玩具没有感觉和识别能力，不能再编程，因此 不能称为机器人； （3）通用性：一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性。比如， 通过更换机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的任务。
工业机器人基础知识介绍
科普式交流
1 • 工业机器人意义与定义 2 • 工业机器人分类 3 • 工业机器人组成和性能参数 4 • 工业机器人的结构 5 • 工业机器人控制技术 6 • 工业机器人传感系统 7 • 工业机器人的应用 8 • 工业机器人发展方向
1、工业机器人意义与定义
为什么要用机器人？
3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数
性能参数
自由度数 负载能力 工作空间 精度/重复定位精度 最大工作速度 其它动态特性
3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数
A 自由度
自由度英文名称为Degree of freedom，缩写为DOF。 机器人自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末
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。
3、工业机器人的组成和性能参数 3.1 工业Байду номын сангаас器人的组成
D 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状况，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。
末端执行器大致可分为以下几类： • A 夹钳式取料手； • B 吸附式取料手； • C 专用操作器及转换器。
4、工业机器人的结构
A 夹钳式取料手
导轨 十字头 中间连杆 指尖点 平行连杆 指
连杆圆弧平动式手爪
R
齿轮齿条摆动式手爪
10 23
4 5
3 2 1
6
75 D
(a)
(b)
r2
z r1
腕的
r3
横滚
2、工业机器人的分类
2、工业机器人的分类
2、工业机器人的分类
• 柱坐标机器人
• 球坐标机器人 • 关节机器人 • 笛卡尔坐标机器人
(直角坐标)
y 腕的俯仰
腕的横滚
腕的偏摆
腕的横滚
腕的偏摆
x
A 悬臂笛卡尔式
• 从支撑架伸出的长度有限， 刚性差，但其工作空间所受 约束较其它机器人所受的约 束少，故重复性和精度高；
有些工作对人体有伤害，如 喷漆，重物搬运；
有些产品要求极高的质量， 如焊接、精密装配；
有些工作人难以参与，如核 燃料加注、高温熔炉；
提高效率 降低成本
有些工作枯燥乏味，如流水 生产线。。。
1、工业机器人意义与定义
什么是工业机器人？
如何定义？
1、工业机器人意义与定义
什么是工业机器人？
缺点： • 工作空间较小。
2、工业机器人的分类
2.2 并联机器人
从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动 机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动 机构。
按并联机构的自由度数分类：
2自由度并联机构
3/4自由度并联机构
6自由度并联机构
3自由度并联机构
例如： 机器人去执行印刷电路板 上接插电子器件的作业时 就成为冗余度机器人。
利用冗余的自由度可以增 加机器人的灵活性，躲避 障碍物和改善动力性能。
3、工业机器人的组成和性能参数 3.2 工业机器人的性能参数
B 定位精度/重复定位精度
A
O B
h
B
h
(b)
(c)
O B
h (d)
（a）重复定位精度的测定；（b）合理定位精度，良好重复定位精度； （c）良好定位精度，很差重复定位精度；（d）很差定位精度，良好重 复定位精度
4、工业机器人的结构
工业机器人的机械部分主要由末端执行器、手腕、手臂和机座组成。
末端执行器
工 业 机 器 人
机 械 部 分
手腕 手臂
机座
4、工业机器人的结构 4.1 机器人末端执行器
末端执行器是机器人直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或夹持专用工 具（如喷枪、扳手、焊接工具）进行操作的部件，它具有模仿人手动作 的功能，并安装于机器人手臂的前端。
2、工业机器人的分类
2.2 并联机器人
并联机器人可以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链 相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一 种闭环机器人。
优点： • 无累积误差，精度高； • 驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重
量轻，速度高，动态响应好； • 结构紧凑，刚度高，承载能力大； • 完全对称的并联机构具有较好的各向同性。
驱动器通常有： • 电机驱动：直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机。 • 液压驱动； • 气动驱动。
3、工业机器人的组成和性能参数
3.1 工业机器人的组成
C 控制系统
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。
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。
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。
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。
腰部：又称立柱，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部运动，与臂部运动结合，把腕 部传递到需到的工作位置。