1、一、工業機器人的定義與開展機器人問世已有幾十年，但沒有一個統一的意見。原因之一是機器人還在開展，另一原因主要是因為機器人涉與到了人的概念，成為一個難以回答的哲學問題。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創造空間。1987 年國際標準化組織(iso) 對工業機器人的定義： “工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的編程操作機。我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。盡管各國定義不同，但根本上指明了工業機器人所具有的三個特性：1

2、) 是一種自動機械裝置，可以搬運材料、零件或完成多種操作和動作功能；2) 可以再編程，程序流程可變，即具有柔性( 適應性。3) 可以在無人參與下，自動完成多種操作或動作功能，即具有通用性。1954 年，美國人 george c. devol提出了第一個工業機器人方案并在1956 年獲得美國專利。1960 年， conder 公司購置專利并制造了樣機。1961 年， unimation 公司通用機械公司成立，生產和銷售了第一臺工業機器“unimate，即萬能自動之意。1962 年， a.m.f.機械與鑄造公司，研制出一臺數控自動通用機，取名“versatran ，即多用途搬運之意并以“ indu

3、strial robot 為商品廣告投入市場。日本、西歐各國、前聯也相斷引進或自行研制工業機器人。60 70 年代是機器技術獲得巨大開展的階段。80 年代，機器人在興旺國家的工業量普與應用，如焊接、噴漆、搬運、裝配。并向各個領域拓展，如航天、水下、排險、核工業等，機器人的感知技術得到相應的開展，產生第二代機器人。90 年代，機器人技術在興旺國家應用更為廣泛，如軍用、醫療、服務、娛樂等領域，并開始向智能型第三代機器人開展。二、工業機器人的組成工業機器人一般由主構架手臂、手腕、驅動系統、測量系統、控制器與傳感器等組成。工業機器人的運動由主構架和手腕完成。 主構架具有三個自由度， 其運動由兩種根本運

4、動組成，即沿著坐標軸的直線移動和繞坐標軸的回轉運動。 不同運動的組合形成各種類型的機器人，工業機器人的根本結構形式有：直角坐標型 a 中有三個直線坐標軸 ；圓柱坐標型 b 中有兩個直線坐標軸和一個回轉軸 ；球坐標型 c 中有一個直線坐標軸和兩個回轉軸 ；關節型 d 中有三個回轉軸關節， e 中有三個平面運動關節 。5 / 5三、機器人機械設計的步驟1、作業分析作業分析包括任務分析和環境分析，不同的作業任務和環境對機器人操作與的方案設計有著決定性的影響。2、方案設計1確定動力源2確定機型3確定自由度4確定動力容量和傳動方式5優化運動參數和結構參數6確定平衡方式和平衡質量7繪制機構運動簡圖3、結構

5、設計包括機器人驅動系統、傳動系統的配置與結構設計，關節與桿件的結構設計，平衡機構的設計，走線與電器接口設計等。4、動特性分析估算慣性參數，建立系統動力學模型進展仿真分析，確定其結構固有頻率和響應特性。5、施工設計完成施工圖設計，編制相關技術文件。四、工業機器人的驅動與傳動系統結構工業機器人的驅動與傳動系統結構在機器人機械系統中，驅動器通過聯軸器帶動傳動裝置(一般為減速器 )，再通過關節軸帶動桿件運動。機器人一般有兩種運動關節 轉動關節和移( 直)動關節。為了進展位置和速度控制，驅動系統中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多， 但都要求有適宜的精度、連接方式以與有利于控制的輸出方式。對于伺

6、服電機驅動， 檢測元件常與電機直接相聯；對于液壓驅動， 那么常通過聯軸器或銷軸與被驅動的桿件相聯。驅動 傳動系統的構成1 碼盤； 2 測速機； 3 電機； 4 聯軸器； 5 傳動裝置； 6 轉動關節； 7 桿 8 電機； 9 聯軸器； 10 螺旋副； 11 移動關節； 12 電位器( 或光柵尺 )1驅動器1. 電動驅動器電動驅動器的能源簡單，速度變化圍大，效率高， 速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯， 直接驅動比擬困難。步進電機驅動多為開環控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統。2. 液壓驅動器液壓驅動的優點是功率大，可省去減速裝置而直接與被驅動的桿件相連，結構緊湊，

7、 剛度好， 響應快，伺服驅動具有較高的精度。但需要增設液壓源，易產生液體泄漏，適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統。3. 氣動驅動器氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅動器相比，功率較小， 剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。驅動器的選擇應以作業要求、生產環境為先決條件，以價格上下、技術水平為評價標準。一般說來，目前負荷為100 kg 以下的 ,可優先考慮電動驅動器；只須點位控制且功率較小者，可采用氣動驅動器；負荷較大或機器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅動器。對于驅動器來說， 最重要的是要求起動力矩大，調速圍寬，

8、 慣量小， 尺寸小， 同時還要有性能好的、與之配套的數字控制系統。機器人幾乎使用了目前出現的絕大多數傳動機構，其中最常用的為諧波傳動、rv 擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。2 機器人的常用傳動機構機器人傳動機構的根本要求：結構緊湊，即同比體積最小、重量最輕； 傳動剛度大，即承受扭矩時角度變形要小，以提高整機的固有頻率，降低整機的低頻振動； 回差小，即由正轉到反轉時空行程要小，以得到較高的位置控制精度；壽命長、價格低。四、工業機器人操作機的機械結構工業機器人操作機由機座、立柱、手臂、手腕和手部等局部組成， 一、手臂手臂是操作機的主要運動部件，它用來支承手腕和手部，并用來調整手部在空間的位置。手臂

9、一般至少應有三個自由度。手臂的直線運動多數通過液壓氣缸驅動來實現，也可通齒輪齒條、滾珠絲杠、直線電動機來實現。回轉運動可通過蝸輪蝸桿、液壓缸活塞桿上齒條驅動齒輪的方式等。puma型工業機器人是由直流伺服電動機驅動的六自由度關節型工業機器人， 7二、手腕手腕是聯結手臂和手部的部件，其功能是在手臂和腰部實現了手部在空間的三個位置坐標的根底上， 再由手腕來實現手部在作業空間的三個姿態坐標，即實現三個旋轉自由度。通過機械接口聯接并支承的手部。手腕一般由彎曲式關節和轉動式關節組成。三、手部手部裝在操作機手腕的前端，它是操作機直接執行工作的裝置，分為機械夾持器、專用工具和萬能手三類。五、工業機器人運動學和

10、力學分析一、工業機器人運動學坐標系的建立原那么坐標系的建立原那么桿件坐標系間的變換過程桿件坐標系間的變換過程- 1 1 旋轉矩陣旋轉矩陣7.37.3工業機器人運動學和力學分析工業機器人運動學和力學分析工業機器人力學分析主要包括靜力學分析和動力學分析。靜力學分析是研究操作機在靜態工作條件下，手臂的受力情況；動力學分析是研究操作機各主動關節驅動力與手臂運動的關系，從而得出工業機器人動力學方程。1 靜力學分析632 動力學分析一個剛體的運動可分解為固定在剛體上的任意點的移動以與該剛體繞這一定點的轉動兩局部。同樣動力學方程也可以用兩個方程來表達：一個用于描述質心的移動，另一個描述繞質心的轉動。前者稱為

11、牛頓運動方程，后者稱為歐拉運動方程。 677.3 7.3 工業機器人運動學和力學分析 工業機器人運動學和力學分析一、工業機器人控制系統的特點和根本要求工業機器人的特點：1工業機器人有假設干個關節，每個關節由一個伺服系統控制，多個關節的運動要求各個伺服系統協同工作。2工業機器人的工作任務是要求操作機的手部進展空間點位運動或連續軌跡 運動，對工業機器人的運動控制，需要進展復雜的坐標變換運算，以與矩陣函數的逆運算。3工業機器人的數學模型是一個多變量、非線性和變參數的復雜模型，各變 量之間還存在著耦合，因此工業機器人的控制中經常使用前饋、補償、解耦和自適應等復雜控制技術。4較高級的工業機器人要求對環境

12、條件、控制指令進展測定和分析，采用計 算機建立信息庫，用人工智能的方法進展控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最正確控制規律。697.4 7.4工業機器人的控制系統工業機器人的控制系統對工業機器人控制系統的根本要求有：1實現對工業機器人的位姿、速度、加速度等的控制功能，對于連續軌跡運動的工業機器人還必須具有軌跡的規劃與控制功能。2方便的人 -機交互功能，操作人員采用直接指令代碼對工業機器人進展作業指示。3具有對外部環境的檢測和感覺功能。4具有診斷、故障監視等功能。707.47.4工業機器人的控制系統工業機器人的控制系統二、工業機器人控制系統的分類1 程序控制系統絕大多數第一代機器人

13、屬于程序控制機器人。2 適應性控制系統適應性控制系統多用于第二代工業機器人。71工業機器人的控制系統3 智能控制系統智能控制系統是最高級、最完善的控制系統，在外界環境變化不定的條件下，為了保證所要求的品質，控制系統的結構和參數能自動改變，框圖如圖7-28。727.47.4工業機器人的控制系統工業機器人的控制系統三、工業機器人的控制系統目前大局部工業機器人都采用二級計算機控制，第一級為主控制級，第二級為伺服控制級。系統框圖如圖7-29 所示。主控制級由主控制計算機與示教盒等外圍設備組成，主要用以承受作業指令、協調關節運動、控制運動軌跡、完成作業操作。伺服控制級為一組伺服控制系統，其主體亦為計算機

14、，每一伺服控制系統對應一個關節，用于接收主控制計算機向各關節發出的位置、速度等運動指令信號。 73系統的工作過程是：操作人員利用控制鍵盤或示教盒輸入作業要求，如要求工業機器人手部在兩 點之間作連續軌跡運動。主控制計算機完成以下工作：分析解釋指令、坐標變換、插補運算、矯正計算，最后求取相應的各關節協調運動參數。坐標變換用坐標變換原理，根據運動學方程和動力學方程計算工業機器人與工件關系、相對位置和絕對位置關系；插補運算是用直線的方式解決示教點之間的過渡問題；矯正計算是為保證在手腕各軸運動過程中保持與工件的距離和姿態不變對手腕各軸的運動誤差補償量的計算。運動參數輸出到伺服控制級作為各關節伺服控制系統

15、的給定信號，實現各關節確實定運動。控制操作機完成兩點間的連續軌跡運動，操作人員可直接監視操作機的運動，也可以從顯示器控制屏上得到有關的信息。這一過程反映了操作人員、主控制級、伺服控制級和操作機的關系。 741 主控制級主控制級的主要功能是建立操作和工業機器人之間的信息通道，傳遞作業指令和參數、反應工作狀態、完成作業所需的各種計算、建立與伺服控制級之間的接口。主要由以下幾個局部組成：1主控制計算機主要完成從作業任務、運動指令到關節運動要求之間的全部運算，完成機器人與所有設備之間的運動協調。對主控制計算機硬件方面的主要要運算速度和精度、存儲容量與中斷處理能力。2主控制軟件工業機器人控制編程軟件是工業機器人控制系統的重要組成局部，其功能主要包括：指令的分析解釋、運動的規劃、插值計算和坐標變換。3外圍設備主控制級除具有顯示器、控制鍵盤等一般外圍設備外，還具有示教控制盒。757.4 7.4工業機器人的控制系統工業機器人的控制系統2 伺服控制級伺服控制級由一組伺服控制系統組成，每一個伺服控制系統分別驅動操作機的一個關節。主要