模块一 工业机器人基础知识

模块一 工业机器人基础知识
三、工业机器人的分类
１. 按机器人的技术等级划分 按照机器人技术发展水平可以将工业机器人分为三代。 (１) 示教再现机器人 第一代工业机器人是示教再现型。按照人类预先示教的轨迹、行为、顺 序和速度重复作业。 (２) 感知机器人 第二代工业机器人具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化， 目前已进入应用阶段。 (３) 智能机器人 第三代工业机器人称为智能机器人，具有发现问题并能自主地解决问题 的能力。
能力目标
１. 能结合工厂自动化生产线说出搬运机器人、码垛机器人、焊 接机器人、涂装机器人和装配机器人的应用场合。
２. 能进行简单的机器人操作。
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工作任务
本次任务的主要内容就是初步认知工业机器人，通过观看工业机器人在工 厂自动化生产线中的应用录像，参观工业机器人相关企业和生产现场，加深 对工业机器人应用领域的了解。最后在教师指导下，分组进行简单的工业机 器人操作练习。
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工作任务
机器人一般由驱动系统、执行机构、控制系统三个基本系统。 主要内容是认识工业机器人的本体构造及典型机器人操作机轴。
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相关知识
一、机器人结构运动简图
机器人结构运动简图是指用结构与运动符号表示机器人手臂、手 腕和手指等结构及运动形式的简易图形符号，见表。
五轴圆柱坐标机器人自由度
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(３) 球面 ( 极) 坐标机器人的自由度 如图所示为球面坐标机器人，其有 5 个自由度。
球面坐标机器人自由度
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(４) 关节机器人的自由度 １)SCARA 型平面关节机器人的自由度 SCARA 型平面关节机器人有 4 个自由度，如图所示。
机器人装配
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五、工业机器人的安全使用
机器人可在动作区域范围内高速自由运动，其最高运行速度可以达到 4m /s，所以在操作机器人时必须严格遵守机器人操作规程，并且熟知机器人 安全使用注意事项。
１. 工业机器人安全使用注意事项 ２. 工业机器人的安全操作规程 (１) 示教和手动操作机器人 (２) 生产运行
２) 水平多关节机器人。其自由度可以根据用途选择 2 ~ 4 个，动作空间 为一圆柱体，如图所示。
水平多关节机器人
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四、工业机器人的应用
主要分为日系和欧系两种。又可分成 “ 四大” 和“ 四小” 两个阵营： “四大” 即瑞典 ABB 公司、日本 FANUC 公司及 YASKAWA 公司、德国 KUKA 公司；“ 四小” 为日本 OTC 公司、PANASONIC 公司、NACHI 公司 及KAWASAKI 公司。 国内沈阳新松机器人自动化股份有限公司、南京埃斯 顿自动化股份有限公司、广州数控设备有限公司的伺服、数控系统厂商。当 今世界近 ４０％ 的工业机器人集中使用在汽车领域，主要进行搬运、码垛、 焊接、涂装和装配等复杂作业。
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四、工业机器人的工作空间
１. 工作空间的概念 (１) 工作空间 (２) 灵活工作空间 (３) 次工作空间 (４) 奇异形位
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２. 工作空间的两个基本问题 (１) 正问题 (２) 逆问题 ３. 图解法确定工作空间 用图解法求工作空间边界，得到的往往是工作空间的各类剖面 ( 或截 线) ，如图所示。 在应用图解法确定工作空间边界时，需要将关节分为两组，即前三关节 和后三关节 ( 有时为两关节或单关节) 。
平面关节机器人 SCARA
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(３) 四轴码垛机器人 四轴码垛机器人有 4 个旋转轴，具有机械手爪的定位锁紧装置，如图所 示。
四轴码垛机器人
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３. 关节机器人的结构及功能 六轴关节机器人的关节如图所示。
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COMAU 公司的码垛 机器人 SMART5 PAL
KUKA 公司的焊接 机器人 KR 5arc HW
FANUC 公司的装配 机器人 Robot M-3iA
国际工业机器人基本沿着两个路径发展：一是模仿人的手臂，实
现多维运动，在应用上比较典型的是点焊、弧焊机器人；二是模仿人
１. 自由度的概念 描述物体相对于坐标系进行独立运动的数目称为自由度。物体在三维空 间有 ６ 个自由度，如图所示。
物体在三维空间的自由度
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２. 工业机器人的自由度 机器人的自由度是指描述机器人本体 ( 不含末端执行器) 相对于基坐标 系 ( 机器人坐标系) 进行独立运动的数目。 机器人关节的种类决定了机器人的运动自由度，移动关节、转动关节、 球面关节和虎克铰关节是机器人机构中经常使用的关节类型。
模块一 工业机器人基础知识 二、工业机器人的历史和发展趋势
１. 工业机器人的诞生 20 世纪 60 年代初，美国发明家英格伯格与德沃尔制造出了世界 上第一台工业机器人Unimate。
世界上第一台工业机器人 Unimate
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２. 工业机器人的发展现状
YSKAWA 公司的机器人 ａ) 双臂机器人 MOTOMAN-DA20 ｂ) 七轴机器人 MOTOMAN-IA20
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近年来工业机器人行业应用分布
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１. 机器人搬运 从一个加工位置移到另一个加工位置。
机器人搬运
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２. 机器人码垛 满足中低产量的生产需要，也可按照要求的编组方式和层数，完成对料带、 胶块、箱体等各种产品的码垛。
机器人码垛
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任务实施 一、任务准备
实施本任务教学所使用的实训设备及工具材料可参考表。
实训设备及工具材料
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二、观看工业机器人在工厂自动化生产线中的应用录像
记录工业机器人的品牌及型号，并查阅相关资料，了解工业机器人的类 型、品牌和应用等，填写在表中。
观看工业机器人在工厂自动化生产线中的应用录像记录表
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２. 关节机器人的分类 (１) 多关节机器人 五轴和六轴关节机器人是常用的多关节机器人，这类机器人拥有 5 个或 6 个旋转轴，类似于人类的手臂。如图所示。
ABB IRB1520 六轴关节机器人
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(２) 平面关节机器人 SCARA 及类 SCARA 机器人 传统 SCARA 机器人具有 3 个互相平行的旋转轴和 1 个线性轴，如图所 示。
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学习目标 知识目标
１. 掌握机器人的结构运动简图。 ２. 掌握机器人的坐标系、自由度和工作空间。 ３. 掌握关节机器人机身、臂部、腕部及手部等结构的特点及功 能。
能力目标
１. 能根据机器人的结构组成确定其自由度。 ２. 能根据机器人的结构识别机器人的运动。 ３. 能根据工作需求正确选择机器人。
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２. 按机器人的机构特征划分 按基本动作机构不同，工业机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标 机器人、球面坐标机器人和多关节机器人等类型。 (１) 直角坐标机器人 直角坐标机器人具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通常为 3 个，如 图所示。
直角坐标机器人 ａ) 示意图 ｂ) 实物图
的下肢运动，实现物料输送、传递等搬运功能，例如搬运机器人。
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３. 工业机器人的发展趋势 (１) 高性能 (２) 机械结构向结构的模块化、可重构化发展 (３) 本体结构更新加快 (４) 控制系统向基于 PC 的开放型控制器方向发展 (５) 多传感器融合技术的实用化 (６) 多智能体协调控制技术
SCARA 型平面关节机器人自由度
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２) 六轴关节机器人的自由度 六轴关节机器人有 6 个自由度，如图所示。
六轴关节机器人自由度
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(５) 并联机器人的自由度 并联机器人是由并联方式驱动的闭环机构组成的机器人。如图所示。
Gough-Stewart 并联机构和并联机器人 ａ) 并联机器人 ｂ) Gough-Stewart 并联机构
３. 机器人焊接 恶劣的环境下连续工作并能提供稳定的焊接质量，提高工作效率，减轻工 人的劳动强度。
机器人焊接
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４. 机器人涂装 适用于生产量大、产品型号多、表面形状不规则的工件外表面涂装。
机器人涂装
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５. 机器人装配 适应不同的装配对象而设计成各种手爪，传感系统用于获取装配机器人与 环境和装配对象之间相互作用的信息。 在工业生产中应用机器人，可以灵活迅速地改变作业内容或方式，以满足 生产要求的变化。
球面坐标机器人 ａ) 示意图 ｂ) 实物图
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(４) 多关节机器人 多关节机器人由多个旋转和摆动机构组合而成。这类机器人又可分为垂直 多关节机器人和水平多关节机器人。 １) 垂直多关节机器人。手腕通常有 2~3 个自由度。多关节球面机器人， 如图所示。
垂直多关节机器人
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(２) 柱面坐标机器人 柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动轴和水平移动 轴构成，如图所示。
柱面坐标机器人 ａ) 示意图 ｂ) 实物图
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(３) 球面坐标机器人 如图所示，其空间位置分别由旋转、摆动和平移 3 个自由度确定，动作空 间为球面的一部分。
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相关知识 一、工业机器人的定义及特点
１. 工业机器人的定义 美国机器人工业协会 ( RIA) 定义。 日本工业机器人协会 (JIRA ) 定义。 在我国 1989 年的国标草案中定义。 国际标准化组织 ( ISO) 定义。
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２. 工业机器人的特点 (１) 可编程 (２) 拟人化 (３) 通用性 (４) 机电一体化
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机器人结构运动简图
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机器人结构运动简图
模块一 工业机器人基础知识 二、工业机器人的坐标系
工业机器人的运动实质是根据不同作业内容和轨迹的要求，在各种坐标 系下的运动。坐标系主要包括基坐标系、关节坐标系、工件坐标系及工具 坐标系。
工业机器人坐标系
模块一 工业机器人基础知识 三、工业机器人的自由度
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任务 １ 认识工业机器人
01
任务 ２ 认识工业机器人的机械结构 任务 ３ 认识工业机器人中的传感器
02 03
任务 ４ 认识工业机器人的控制与驱动系统 04
任务 １ 认识工业机器人
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学习目标 知识目标
１. 了解工业机器人的定义及特点。 ２. 了解工业机器人的历史和发展趋势。 ３. 熟悉工业机器人的常见分类及其行业应用。 ４. 熟悉工业机器人的安全使用注意事项和安全操作规程。
工业机器人关节类型 ａ) 移动关节 ｂ) 转动关节 ｃ) 球面关节 ｄ) 虎克铰关节
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(１) 直角坐标机器人的自由度 如图所示为直角坐标机器人，其臂部具有 ３ 个自由度。
直角坐标机器人自由度
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(２) 柱面坐标机器人的自由度 如图所示为五轴圆柱坐标机器人，其有 5 个自由度。
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NB4L 型关节机器人外形尺寸与动作范围
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五、典型工业机器人结构
关节机器人也称为关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中 最常见的工业机器人形态之一。
１. 关节机器人的特点 (１) 有较多的自由度，适合于几乎任何轨迹或角度的工作。 (２) 可以自由编程，完成全自动化的工作。 (３) 提高了生产效率，降低了错误率。 (４) 代替人类完成很多不适合人力完成、对人体健康有害的工作。 (５) 价格高，初期投资成本高。 (６) 生产前期的工作量大。
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三、参观工厂或实训室
参观工厂或实训室，记录工业机器人的品牌及型号，并查阅相关资料， 了解工业厂或实训室记录表
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工业机器人基础操作实训室
四、分组进行简单的机器人操作练习
任务 ２ 认识工业机器人的机械结构