1、模塊目標模塊目標 1.掌握工業機器人的組成和分類； 2.掌握串聯關節機器人、并聯機器人、檢測機器人、搬運工業機器人等四種典型工業機器人的工作原理； 3.熟悉工業機器人的定義、運動學和力學分析； 4.了解幾種典型工業機器人的編程方式。重點:1.工業機器人的組成和分類； 2.串聯關節機器人、并聯機器人的工作原理。難點:1.串聯關節機器人、并聯機器人、檢測機器人、搬運工業機器人的工作原理； 2.典型工業機器人的編程方式。模模 塊塊 6 工業機器工業機器人人 模塊導學模塊導學 模模 塊塊 6 工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人，是一種高度自動化的機電一體化設備。作為工業自動控制系

2、統中最常用的設備之一，在其中起著舉足輕重的作用，對于提高生產自動化水平、勞動生產率和經濟效益、保證產品質量、改善勞動條件等方面的作用尤為顯著。 本模塊內容為串聯關節機器人、并聯機器人、檢測機器人、搬運工業機器人等四個單獨的工業機器人系統應用實例，學生主要從機電如何結合方面來分析這四個典型的工業機器人系統。項目項目6-1串聯關節機器人串聯關節機器人模模 塊塊 6項目思考一個完整的工業機器人的組成？串聯關節機器人工業機器人的分類？典型串聯關節機器人的動作過程？工業機器人的定義與發展工業機器人的組成與分類工業機器人的技術參數基本原理項目實施相關設備項目實踐知識分布網絡光伏電池片搬運領域PCBA測試行

3、業的應用知識拓展實施步驟工業機器人的運動學與力學分析工業機器人的控制方式工業機器人的結構與設計項目知識機器手與小型焊接、切割設備的協調作業模模 塊塊 66.1.1 6.1.1 項目思考（思）項目思考（思） 機器人(Robot)一詞來源于1920年捷克作家卡雷爾查培克(Kapelcapek)所編寫的戲劇中的人造勞動者，在那里機器人被描寫成像奴隸那樣進行勞動的機器?，F在已被人們作為機器人的專用名詞。目前，機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過可編程序動作來執行任務的，并具有編程能力的多功能機械手，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化設

4、備。機器人按照用途可分為工業機器人和特種機器人，本項目中，主要介紹在自動搬運、裝配、焊接、噴涂等工業現場中有廣泛應用的串聯關節機器人。問題思考：1.一個完整的工業機器人的組成？2.工業機器人的分類？3.典型串聯關節機器人的動作過程？模模 塊塊 66.1.2 6.1.2 項目知識（學）項目知識（學）知識點知識點1 1工業機器人的定義與發展：工業機器人的定義與發展： 機器人是一個在三維空間中具有較多自由度的，并能實現諸多擬人動作和功能的機器；而工業機器人（Industrial Robot）則是在工業生產上應用的機器人，是一種具有高度靈活性的自動化機器，是一種復雜的機電一體化設備。 (1)美國機器人

5、工業協會（RIA）提出的工業機器人定義; (2)日本工業機器人協會（JIRA）的定義; (3) 我國國家標準GB/T1264390將工業機器人定義。 綜合上述，可知工業機器人具有以下幾個最顯著的特點:（1）可以再編程。（2）擬人化。（3）通用性。（4）機電一體化。模模 塊塊 6工業機器人的發展通?？蓜澐譃槿?。（1）第一代機器人 19世紀50、60年代，隨著機構理論和伺服理論的發展，機器人進入了實用階段。1954年美國G.C.Devol發表了“通用機器人”專利；1960年美國AMF公司生產了柱坐標型Versatran機器人，可進行點位和軌跡控制，這是世界上第一種應用于工業生產的機器人。 （2）

6、第二代機器人 進入80年代，隨著傳感技術，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術的發展，出現了第二代機器人有感覺的機器人。（3）第三代機器人 目前正在研究的“智能機器人”，它不僅具有比第二代機器人更加完善的環境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據作業要求與環境信息自主地進行工作。模模 塊塊 6知識點知識點2 2工業機器人的組成：工業機器人的組成： 工業機器人是一個機電一體化的設備。從控制觀點來看，一個較完善的機器人系統可以分成四大部分：機器人執行機構、驅動裝置、控制系統、感知反饋系統，如圖6-1所示。圖6-1 工業機器人的組成模模 塊塊 6工業機器

7、人的分類：工業機器人的分類： 1）按機械結構類型分類 機器人的機械結構部分可以看作是由一些連桿和關節組裝起來的。連桿和關節按照不同的坐標形式組裝，機器人可分為五種： （1）直角坐標式機器人 （2）圓柱坐標式機器人 （3）球坐標式機器人 （4）關節坐標式機器人 （5）平面關節式機器人模模 塊塊 62）按驅動方式分類（1) 氣力驅動式（2）液力驅動式（3）電力驅動式（4）新型驅動方式3）按幾何結構分類 從機構幾何結構角度可將機器人機構分為開環機構和閉環機構兩大類：以開環機構為機器人機構原型的叫串聯機器人；以閉環機構為機器人原型的叫并聯機器人。 模模 塊塊 6圖6-4 幾種常見串聯機器人a) 6自由

8、度并聯機器人 b) 新型3自由度機器人圖6-5 兩種并聯機器人模模 塊塊 6 4）按控制方式分類 （1）點位控制 （2）連續軌跡控制5）按機器人的性能指標分類（1）超大型機器人，負載能力為107N以上；（2）大型機器人，負載能力為106107N，作業空間為10m3以上；（3）中型機器人，負載能力為105106N，作業空間為110m3；（4）小型機器人，負載能力為1104 N，作業空間為0.11m3；（5）超小型機器人，負載能力為1N以下，作業空間為0.1m3以下。 6）按用途和作業類別分類 工業機器人分為焊接機器人、沖壓機器人、澆注機器人、裝配機器人、噴漆機器人、搬運機器人、切削加工機器人、檢

9、測機器人、采掘機器人、水下機器人等。模模 塊塊 6知識點知識點3 3 工業機器人的技術參數：工業機器人的技術參數：自由度自由度 自由度是指機器人具有的獨立運動的數目，一般不包括末端操作器的自由度（如手爪的開合）。關節關節 機器人的機械結構部分可以看作是由一些連桿通過關節組裝起來的，如圖6-6所示。由關節完成連桿之間的相對運動。通常有兩種關節，即轉動關節和移動關節。圖6-6 T3型工業機器人模模 塊塊 6精度精度 精度：包括定位精度和重復定位精度。工作空間工作空間 工作空間：指工業機器人正常運行時，其手腕參考點在空間所能達到的區域，用來衡量機器人工作范圍的大小。最大工作速度最大工作速度 最大工作

10、速度：廠家不同對最大工作速度規定的內容亦有不同，有的廠家定義為工業機器人主要自由度上最大的穩定速度；有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度，通常在技術參數中加以說明。承載能力承載能力 承載能力：指機器人在工作范圍內的任何位姿上所能承受的最大重量。模模 塊塊 6知識點知識點4 4工業機器人的運動學與力學分析：工業機器人的運動學與力學分析： 串聯機器人是一開式運動鏈，它是由一系列連桿通過轉動關節或移動關節串聯而成的。已知機器人各關節的位移值，求其手部的位姿，這稱為機器人運動學的正問題；其逆問題則是：已知手部位姿，求解各關節變量的位移值。圖6-7工業機器人運動學正問題和逆問題模模 塊塊 6知識點知識點

11、5 5工業機器人的控制方式：工業機器人的控制方式： 1）“示教再現”方式 它通過“示教盒”或人“手把手”兩種方式教機械手如何動作，控制器將示教過程記憶下來，然后機器人就按照記憶周而復始地重復示教動作，。 2）“可編程控制”方式 工作人員事先根據機器人的工作任務和運動軌跡編制控制程序，然后將控制程序輸入給機器人的控制器，起動控制程序，機器人就按照程序所規定的動作一步一步地去完成，如果任務變更，只要修改或重新編寫控制程序，非常靈活方便。 3）“遙控”方式 由人用有線或無線遙控器控制機器人在人難以到達或危險的場所完成某項任務。 4）“自主控制”方式 它要求機器人在復雜的非結構化環境中具有識別環境和自

12、主決策能力，也就是要具有人的某些智能行為。模模 塊塊 6知識點知識點6 6工業機器人的結構與設計：工業機器人的結構與設計：機械設計步驟機械設計步驟（1）作業分析 作業分析包括任務分析和環境分析，（2）方案設計 確定動力源； 確定機型； 確定自由度； 確定動力容量和傳動方式； 優化運動參數和結構參數； 確定平衡方式和平衡質量； 繪制機構運動簡圖。 （3）結構設計 包括機器人驅動系統、傳動系統的配置及結構設計，關節及桿件的結構設計，平衡機構的設計，走線及電器接口設計等。（4）動特性分析 估算慣性參數，建立系統動力學模型進行仿真分析，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

13、相關技術文件。模模 塊塊 6機器人控制系統結構的選擇機器人控制系統結構的選擇 機器人控制系統按其控制方式可分為三類。 （1）集中控制方式 （2）主從控制方式 （3）分散控制方式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（1）驅動傳動系統的構成 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。（2）驅動器的類型和特點電動驅動器電動驅動器 電動驅動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯，直接驅動比較困難。液壓驅動器液壓驅動器 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

14、緊湊，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，不適合高、低溫場合，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統。氣動驅動器氣動驅動器 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。 模模 塊塊 6（3）機器人的常用傳動機構 工業機器人對傳動機構的基本要求： 結構緊湊； 傳動剛度大； 回差??； 壽命長、價格低。 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。 1）諧波傳動 諧波傳動是利用一個構件的可控制的彈性變

15、形來實現機械運動的傳遞。 2）RV擺線針輪傳動 RV擺線針輪傳動裝置，是由一級行星輪系再串聯一級擺線針輪減速器組合而成的。 3）滾動螺旋傳動 滾動螺旋傳動是在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間放入適當的滾珠。使絲杠與螺母之間由滑動摩擦變為滾動摩擦的一種螺旋傳動。模模 塊塊 6工業機器人的機械結構系統設計工業機器人的機械結構系統設計 1工業機器人的手臂和機座 工業機器人機械結構系統由機座、手臂、手腕、末端執行器和移動裝置組成。 1）設計要求 （1)手臂結構設計要求 （2)機座結構設計要求 2） 典型結構 電動機驅動機械傳動圓柱坐標型機器人手臂和機座結構，如圖6-12所示。圖6-12 圓柱坐標型機器人手臂

16、和機座結構模模 塊塊 63）工業機器人的手腕 手腕是連接手臂和末端執行器的部件，如圖6-13所示。圖6-13 手腕的三個自由度（1）設計要求 力求手腕部件的結構緊湊，為減輕其質量和體積； 自由度愈多，運動范圍愈大，動作靈活性愈高，機器人對作業的適應能力愈強； 提高傳動剛度，盡量減少反轉誤差； 對手腕回轉各關節軸上要設置限位開關和機械擋塊，以防止關節超限造成事故。模模 塊塊 6（2）手腕的結構用擺動液壓缸驅動實現回轉運動的手腕結構，如圖6-14所示。圖6-14 用擺動液壓缸驅動實現回轉運動的手腕結構模模 塊塊 6（3）工業機器人的末端執行器 分類和設計要求 根據用途和結構的不同可以分為機械式夾持

17、器、吸附式末端執行器和專用工具三類。 設計末端執行器時，要求：滿足作業需要的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度；盡可能使末端執行器結構簡單、緊湊，質量輕，以減輕手臂的負荷。 機械式夾持器的結構與設計 工業機器人中應用的機械夾持器多為雙指手爪式，按其手爪的運動方式可分為平移型和回轉型，圖6-15 滑槽杠桿式回轉型夾持器 吸附式末端執行器的結構與設計 吸附式末端執行器（又稱吸盤），有氣吸式和磁吸式兩種。模模 塊塊 66.1.3 6.1.3 項目制作（做）項目制作（做）項項 目目 要要 求求1.了解串聯關節機器人的機構組成；2.掌握串聯關節機器人的工作原理；3.熟悉串聯關節機器人的性能指標；4.掌握串

18、聯關節機器人的基本功能及示教運動過程。項項 目目 實實 施施 1.1.基本原理基本原理 本項目所使用的機器人為蘇州博實機器人技術有限公司開發的6自由度串聯關節式機器人RBT-6T/S02S，其軸線相互平行或垂直，能夠在空間內進行定位，采用伺服電機和步進電機混合驅動，主要傳動部件采用可視化設計，控制簡單，編程方便，它是一個多輸入多輸出的動力學復雜系統，是進行控制系統設計的理想平臺。它具有高度的能動性和靈活性，具有廣闊的開闊空間，是進行運動規劃和編程系統設計的理想對象。 整個系統包括機器人1臺、控制柜1臺、控制卡2塊、實驗附件1套（包括軸、套）和機器人控制軟件1套（實驗設備用戶可選）。 機器人采用

19、串聯式開鏈結構，即機器人各連桿由旋轉關節或移動關節串聯連接， 機器人各關節采用伺服電機和步進電機混合驅動，并通過Windows環境下的軟件編程和運動控制卡實現對機器人的控制，使機器人能夠在工作空間內任意位置精確定位。模模 塊塊 6圖6-16 機器人結構模模 塊塊 6機器人技術參數如表6-1所示。表6-1 機器人技術參數結構形式串聯關節式驅動方式步進伺服混合驅動負載能力6Kg重復定位精度0.08mm動作范圍關節-150 150關節-150 -30關節-70 50關節-150 150關節-90 90關節-180 180最大速度關節60o / S關節60o / S關節60o / S關節60o / S

20、關節60o / S關節120o / S最大展開半徑870mm高度1150mm本體重量100Kg操作方式示教再現/編程電源容量單相220V 50Hz 4A模模 塊塊 62 2項目實施相關設備項目實施相關設備 1.RBT-6T/S02S機器人一臺； 2.RBT-6T/S02S機器人控制柜一臺； 3.裝有運動控制卡和控制軟件的計算機一臺； 4.軸和軸套各一個。3. 3. 實施步驟實施步驟 （1）連接好氣路，啟動氣泵到預定壓力； （2）啟動計算機，運行機器人軟件，出現如圖6-17所示主界面； （3）接通控制柜電源，按下“啟動”按鈕；圖6-17 主界面模模 塊塊 6 （4）點擊主界面“機器人復位”按鈕，

21、機器人進行回零運動。觀察機器人的運動，六個關節全部運動完成后，機器人處于零點位置； （5）點擊“關節示教”按鈕，出現如圖6-18所示界面，按下“打開”按鈕，在機器人軟件安裝目錄下選擇示教文件BANYUN.RBT6，示教數據會在示教列表中顯示； （6）裝配操作演示，在2個支架的相應位置上分別放置軸和軸套，然后按下“再現”按鈕，機器人實現裝配動作； （7）運動完畢后，按下“復位”按鈕，機器人回到零點位置，關閉對話框； （8）如果想再做一次裝配動作，把軸放回相應位置，按下“再現”按鈕即可； （9）點擊“機器人復位”按鈕，使機器人回到零點位置； （10）按下控制柜上的“停止”按鈕，斷開控制柜電源； （

22、11）退出機器人軟件，關閉計算機。圖6-18 關節示教界面模模 塊塊 6項項 目目 總總 結結 通過本項目使學生了解串聯關節機器人的機構組成，掌握其工作原理、基本功能以及示教運動過程。通過項目實施步驟，熟悉RBT-6T/S02S機器人的控制形式，及其控制軟件的“機器人復位”、“關節示教”、“復位”等基本操作。項項 目目 評評 價價表6-2 項目評價表項目目標分值評分得分機械手機械結構的認識1.正確認識機械手各關節組成2.熟悉各關節技術參數50不正確，扣510分機器人控制系統硬件連接將機器人與控制計算機正確連接20不正確，扣510分實驗動作的運行正確完成實施步驟要求的動作30不正確，扣510分總

23、分100模模 塊塊 66.1.4 6.1.4 知識拓展（拓）知識拓展（拓）工業機器人的應用行業與案例工業機器人的應用行業與案例1.光伏電池片搬運領域2.PCBA測試行業的應用3.機器手與小型焊接、切割設備的協調作業模模 塊塊 6項目項目6-2 6-2 并聯機器人并聯機器人項目思考并聯機器人的類型？并聯機器人一個完整的并聯機器人的組成？典型DELTA機構的運動過程？并聯機構的發展概況并聯機器人機構學理論并聯機器人動力學分析與控制定平臺的設計驅動桿的設計項目知識項目實踐知識分布網絡模擬運動對接動作裝置知識拓展從動桿的設計DELTA機構介紹動平臺的設計并聯機床模模 塊塊 66.2.1 6.2.1 項

24、目思考（思）項目思考（思） 近年來并聯機器人的發展已成為機器人研究領域的熱點之一，在某些方面它具有串聯結構所無法相比的優點，因而擴大了機器人領域的應用范圍。與串聯結構相比，并聯結構具有剛度大、動態性能優越、誤差小、精度高、結構緊湊、使用壽命長等一系列優點，眾多研究機構和制造企業都看好其在制造領域的應用前景。目前多種并聯機器人已經被設計和開發出來，應用的領域涉及機床、定位裝置、娛樂、醫療衛生等。 本項目主要對并聯機器人分類和應用做了簡要分析和概括，對其機構學、運動學、系統控制策略等關鍵技術做了概括性分析，并以三自由度并聯機器人-DELTA機構平臺為例，對并聯機器人在數控機床上的應用作了重點介紹。

25、問題思考： 1. 并聯機器人的類型？ 2. 一個完整的并聯機器人的組成？ 3. 典型DELTA機構的運動過程？模模 塊塊 66.2.2 6.2.2 項目知識（學）項目知識（學）知識點知識點1 1并聯機構的發展概況：并聯機構的發展概況：并聯機構并聯機構 并聯機構（Parallel Mechanism）是一組由兩個或兩個以上的分支機構通過運動副按一定的方式連接而成的閉環機構。它的特點是所有分支機構可以同時接受驅動器輸入，而最終共同給出輸出。組成并聯機構的運動副可分為簡單運動副和復雜運動副兩大類。 圖6-22 Stewart平臺機構模模 塊塊 6并聯機構特點并聯機構特點 并聯機構是一種閉環機構，其動

26、平臺或稱末端執行器通過至少2個獨立的運動鏈與機架相聯接，必備的要素如下：末端執行器必須具有運動自由度；這種末端執行器通過幾個相互關聯的運動鏈或分支與機架相聯接；每個分支或運動鏈由惟一的移動副或轉動副驅動。 與傳統的串聯機構相比，并聯機構的零部件數目較串聯構造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構件、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成。 除了在結構上的優點，并聯機構在實際應用中更是有串聯機構不可比擬的優勢。其主要優點如下： （1）剛度質量比大。 （2）動態性能優越。 （3）運動精度高。 （4）多功能靈活性強。 （5）使用壽命長。模模 塊塊 6并聯機構種類并聯機構種類 從已經問世的并聯機

27、構來看，其中2自由度的占有10.5%，3、6自由度的各占40%，4自由度的占6%，5自由度的占3.5%。圖6-23 天津大學研制的二自由度并聯機構Diamond機器人圖6-24 Delta三自由度并聯機構模模 塊塊 6知識點知識點2 2并聯機器人機構學理論：并聯機器人機構學理論：運動學運動學 關于并聯機器人的運動學問題可分成兩個子問題：正向運動學問題和逆向運動學問題。當給定并聯機器人上平臺的位姿參數，求解各輸入關節的位置參數是并聯機器人運動學位置反解問題；當給定并聯機器人各輸入關節的位置參數求解上平臺的位姿參數是并聯機器人的運動學正解問題。 由于并聯機構結構復雜，位置正解的難度較大，其中一種比

28、較有效的方法是采用數值方法求解一組非線性方程，從而求得與輸入對應的動平臺的位置和姿態。 解析法是通過消元法消去機構約束方程中的未知數，從而獲得輸入輸出方程中僅含一個未知數的高次多項式。 為了克服非線性方程組數值解法的復雜性，有一些學者應用遺傳算法以及神經網絡，利用這些非數值并行算法來解決6-SPS并聯機構的位置正解問題。模模 塊塊 6奇異位形奇異位形 奇異位形是并聯機器人機構學研究的又一項重要內容，同串聯機器人一樣，并聯機器人也存在奇異位形，當機構處于奇異位形時其Jacobian矩陣為奇異陣，行列式值為零，此時機構速度反解不存在，存在某些不可控的自由度。另外當機構處于奇異位形附近時，關節驅動力

29、將趨于無窮大從而造成并聯機器人的損壞，因此在設計和應用并聯機器人時應避開奇異位形。工作空間工作空間 工作空間分析是設計并聯機器人操作器的首要環節，機器人的工作空間是機器人操作器的工作區域，它是衡量機器人性能的重要指標，并聯機器人的一個最大的弱點就是空間小，應該說這是一個相對的概念。同樣的機構尺寸，串聯機器人工作空間大，并聯機構?。痪邆渫瑯拥墓ぷ骺臻g，串聯機構小，并聯機構大，由此可見開發并聯機構的工作空間是非常重要的。 根據操作器工作時的位姿特點，工作空間又可分為可達工作空間和靈活工作空間。模模 塊塊 6知識點知識點3 3并聯機器人動力學分析與控制：并聯機器人動力學分析與控制：動力學分析動力學分

30、析 并聯機器人的動力學及動力學建模是并聯機器人研究的一個重要分支，其中動力學模型是并聯機器人實現控制的基礎，因而在研究中占有重要的地位。動力學是研究物體的運動和作用力之間的關系。并聯機器人的控制分析并聯機器人的控制分析 在并聯機器人控制領域，目前主要有PID控制、自適應控制、變結構滑?？刂?。模模 塊塊 6知識點知識點4 4DELTADELTA機構介紹：機構介紹： DELTA機構是并聯機構的一種，它屬于少自由度空間并聯機構，于1985年首次由瑞士洛桑工學院（EPEL）的Reymond Clavel博士提出，由于該機構的上下兩個平臺均呈三角形狀而得名。 DELTA機構是由三組擺動桿機構連接靜平臺和

31、動平臺的空間機構，其機構示意圖如圖6-25所示。圖6-25 Delta機構示意圖模模 塊塊 66.2.3 6.2.3 項目制作（做）項目制作（做）項項 目目 要要 求求1.對DELTA機構各組成部件的演示，掌握并聯機器人組裝過程；2.熟悉并聯機械人的機械結構組成。項項 目目 實實 施施1 1定平臺的設計定平臺的設計 定平臺又稱基座，在結構中屬于固定的，具體的參數見圖6-27，厚度20cm。圖6-27 定平臺設計圖模模 塊塊 62 2驅動桿的設計驅動桿的設計 具體參數為長厚寬：880mm10mm20mm。孔的參數為1010mm。材料用鋁合金，設計為桿式，質量小，經濟，同時也滿足載荷條件。圖6-2

32、8 驅動桿的設計圖3 3從動桿的設計從動桿的設計 具體參數為長寬高：6202010mm。孔參數為1010mm。材料選用鋁合金。圖6-29 從動桿的設計圖模模 塊塊 64 4動平臺的設計動平臺的設計 參數如下圖，考慮到重量因素，采用鋁合金，切削加工。動平臺的等效圓半徑為50mm，分布角為21.5。圖6-30 動平臺的設計圖5 5鏈接銷的設計鏈接銷的設計 45號鋼，為主動桿和定平臺的連接銷：966mm。模模 塊塊 66 6球鉸鏈的選型球鉸鏈的選型 本項目選用球鉸鏈設計，是主要因為球鉸鏈的可控性，以及結構簡單，易于裝配，且有很好的可維護性。 本項目選用了伯納德的SD系列球鉸鏈，相對運動角為60。圖6

33、-31 SD系列球鉸鏈7 7墊圈的選型墊圈的選型 此處我們選用標準件。GB/T 97.1 10140HV，10.5*1.6mm。模模 塊塊 68 8電機的選型電機的選型 本項目的Delta機器人，主要面向工業中輕載的場合。由于需要對角度的精確控制，因此決定選用伺服電機。 在本項目中，電動機的功率計算如下：機構的最高速度不超過2m/s，考慮到運動桿件重量，摩擦力等，綜合載重5kg。則，P=FV=5kg10m/s22m/s=100W。取安全因子為1.2，則每個電機的功率為1.2100W/3=40W。故初步選用表6-3中兩款：表6-3 選用的電動機型號 考慮到經濟原因，在其它參數相似的情況下，我們在

34、這里選擇三菱的HC-MFS/kfso53k。 9 9執行器的設計與選型執行器的設計與選型 考慮選用電控吸盤或機械手。模模 塊塊 6項項 目目 總總 結結 本項目以DELTA機構為例，訓練學生按照定平臺、動平臺、驅動桿及從動桿圖紙進行實物制作，合理選用合適連接件、墊圈及電動機等。在實驗過程中，使學生對并聯機器人的機械結構組成，以及電動機選用等方面有較為清晰的認識和了解。項項 目目 評評 價價表6-4 項目評價表項目目標分值評分得分DELTA機構定、動平臺等部分的制作正確認識DELTA機構各組成部分50不正確，扣510分DELTA機構機械結構組裝正確組裝各連接件30不正確，扣510分實驗動作的運行

35、正確完成DELTA機構的正常動作20不正確，扣510分總分100模模 塊塊 66.2.4 6.2.4 知識拓展（拓）知識拓展（拓） 并聯機構由于其本身特點,一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需很大空間的場合。主要應用有以下幾個方面： （1）模擬運動飛行員三維空間訓練模擬器駕駛模擬器工程模擬器,如船用搖擺臺等檢測產品在模擬的反復沖擊、振動下的運行可靠性娛樂運動模擬臺。 （2）對接動作宇宙飛船的空間對接汽車裝配線上的車輪安裝醫院中的假肢接骨。 （3）金屬切削加工，可應用于各類銑床、磨床鉆床或點焊機、切割機。 （4）并聯機構還可用作機器人的關節，爬行機構，食品、醫藥包裝和移載機械手等。模模 塊

36、塊 6項目項目6-3 6-3 檢測機器人檢測機器人 項目思考一個完整的管道檢測機器人的結構組成？檢測機器人管道檢測機器人的驅動方式？管道檢測機器人的檢測技術原理？管道檢測機器人的發展管道檢測機器人的結構管道檢測機器人的驅動方式驅動方式的選擇移動方式的選擇項目實踐知識分布網絡管道檢測機器人的技術要點知識拓展控制系統整體設計方案管道檢測機器人的移動方式管道檢測機器人的檢測技術原理管道檢測機器人中的控制技術項目知識模模 塊塊 66.3.1 6.3.1 項目思考（思）項目思考（思） 城市的污水、天然氣輸送、工業物料運輸、給排水和建筑物的通風系統等，均使用大量復雜隱蔽的管道。對管道進行定期維護，提高管道

37、的壽命、保持管道通暢、防止泄漏等故障的發生，就必須對管道進行有效的檢測。長期以來，如何對管道進行經濟方便、快捷有效地檢測和故障的準確定位，是管道系統維護和檢修面臨的難題。 本項目介紹的管道檢測機器人是一種可在管道內、外行走的機電一體化裝置，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置(如CCD 攝像機位置和姿態傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道接口焊接裝置、防腐噴涂裝置等操作裝置)，在操作人員的遠距離控制下進行一系列的管道檢測維修作業。問題思考： 1.一個完整的管道檢測機器人的結構組成？ 2.管道檢測機器人的驅動方式？ 3.管道檢測機器人的檢測技術原理？ 模模 塊塊 66.3.2 6.

38、3.2 項目知識（學）項目知識（學）知識點知識點1 1管道檢測機器人的發展：管道檢測機器人的發展：1.1.國外研究現狀國外研究現狀 從20世紀50年代起，為滿足長距離管道運輸、檢測的需要，美、英、法等國相繼展開了管道檢測機器人的研究，其最初成果就是一種無動力的管內檢測設備，一般譯名稱“管道豬”。 日本在管道微型檢測機器人方面的研究最為活躍和富有代表性，日本通產省的“微機械技術”十年計劃要制造出能進管道檢修的智能微型機器人和能進入人體診斷和手術的微機器人。美國加州理工學院研制了一種主動內窺檢查微型機器人。法國在1995年已研制出直徑10mm，長度為30mm的醫用管道微型機器人。意大利開發了用于結

39、腸檢查的攜帶主動內窺鏡的微型機器人，機器入由母體微型手臂和人機接口組成。2.2.國內研究現狀國內研究現狀 國內在管道檢測機器人方面的研究起步較晚，開始于20世紀80年代末。哈爾濱工業大學、上海交通大學、廣東工業大學、大慶石油管理局、中原油田以及勝利油田等先后參與了這方面的研究工作。模模 塊塊 6知識點知識點2 2管道檢測機器人的結構；管道檢測機器人的結構； 一個完整的管道檢測機器人系統應由移動載體（行走機構）、管道內部環境識別檢測系統（操作系統）、信號傳遞和動力傳輸系統及控制系統組成。 移動載體按移動方式分，可分為輪式、履帶式、輪腿式、蠕動式等不同結構。 一個典型的管道檢測機器人的結構組成如圖

40、6-37所示，由電源、驅動系統、采樣裝置、攝像機、傳感器、控制板等幾部分組成。圖6-37 管道檢測機器人的結構框圖模模 塊塊 6知識點知識點3 3管道檢測機器人的驅動方式：管道檢測機器人的驅動方式： 驅動器的選擇在很大程度上決定了管道機器人的體積、重量和性能指標。 現在使用的驅動方式主要有： （1）電磁驅動。 （2）壓電驅動。 （3）形狀記憶合金。 （4）超聲波驅動。 （5）氣動驅動。 （6）人工肌肉。模模 塊塊 6知識點知識點4 4管道檢測機器人的移動方式：管道檢測機器人的移動方式： 管道檢測機器人的移動方式可以分為輪式、履帶式、足式、蠕動式、螺旋式和流體推動式等，如圖6-39所示。圖6-3

41、9 管道檢測機器人的移動方式a輪式 b履帶式 c足式 d螺旋式 e張緊式 f流體推動式 g蠕動式模模 塊塊 6知識點知識點5 5管道檢測機器人的檢測技術原理：管道檢測機器人的檢測技術原理： 當今國內外管道檢測常用的技術手段有超聲檢測、渦流檢測、漏磁檢測、遠場渦流檢測及磁記憶檢測等。漏磁檢測漏磁檢測 管道漏磁檢測的工作原理如圖6-40所示。 漏磁檢測局限于材料表面和近表面的檢測，因此，適用于薄壁的檢測，而不適于厚壁管的檢測。圖6-40 管道漏磁檢測原理模模 塊塊 6遠場渦流檢測遠場渦流檢測 遠場渦流檢測的理論基礎為渦流檢測，兩者的區別在于，遠場渦流探頭的激勵線圈與檢測線圈必須相距約2倍以上的管徑

42、長度，如圖6-41所示。圖6-41 遠場渦流檢測原理磁記憶檢測磁記憶檢測 磁記憶檢測是利用金屬磁記憶效應進行檢測的，其原理是：處于地磁環境下的鐵制工件受工作載荷的作用，其內部會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區形成最大的漏磁場Hp的變化。模模 塊塊 6知識點知識點6 6管道檢測機器人中的控制技術：管道檢測機器人中的控制技術： 近十年來，嵌入式系統與現場總線技術的發展為運動控制系統的結構帶來了重大變革，產生了利用數字通訊的開放的分布式控制結構。目前，國內外的許多機器人系統一般都采用了分布式控制結構。即上一級主控計算機負責整個系統管理、坐標變換和軌跡插補運

43、算等，下一級由許多微處理器組成，每一個微處理器控制一個關節運動，它們并行的完成控制任務，因而提高了工作速度和處理能力。 機器人越來越復雜，人們對其控制的要求越來越高。機器人的控制系統具有以下特點： 數學模型難建立、擾動有界但未知； 僅含有控制對象的輸入輸出數據或在操作過程中積累起來的經驗信息。模模 塊塊 66.3.3 6.3.3 項目制作（做）項目制作（做）項項 目目 要要 求求1.熟悉履帶式管道檢測機器人的整體設計方案；2.掌握其驅動方式、移動方式、控制系統等的設計過程。項項 目目 實實 施施 1.1.驅動方式的選擇驅動方式的選擇 本項目的管道檢測機器人選用電磁驅動的驅動方式，采用微型直流電

44、動機進行驅動，選用充電電池作為電源。2.2.移動方式的選擇移動方式的選擇 由于管道內避的情況復雜，會有許多突起的障礙，管壁的環境也可能較泥濘，行走條件苛刻，因此選擇履帶式為管道機器人的移動方式，結構如圖6-42所示。圖6-42 管道檢測機器人的結構示意圖模模 塊塊 6本項目的履帶式機器人具有以下特點： 1）履帶式移動機器人支撐面積大，接地比壓小。 2）履帶式移動機器人轉向半徑極小，可以實現原地轉向。 3）履帶支撐面上有履齒，不易打滑牽引附著性能好，有利于發揮較大的牽引力。 4）履帶式移動機器人具有良好的自復位和越障能力。 當然，履帶式移動機器人也存在一些不足之處，比如在機器人轉向時，為了實現轉

45、大彎，往往要采用較大的牽引力，在轉彎時會產生側滑現象，所以在轉向時對地面有較大的剪切破壞作用。模模 塊塊 63.3.控制系統整體設計方案控制系統整體設計方案 系統的整體設計方案如圖6-43所示。設計的思路及其方案如下： 1）控制器采用ATMEL系列的AT90CANl28單片機，內部集成了CAN控制器，支持CAN2.0B和CAN2.0A協議。能完成運動控制算法，數據采集處理； 2）自動升降的云臺滿足不同管徑采集圖像的需要，兩舵機運動通過單片機PWM控制來實現0-180 的兩個自由度線性運動； 3）利用溫度傳感器和漏水檢測電路實現安全檢測措施； 4）LED燈光用于CCD攝像頭的照明，實現光線強弱可

46、控制功能，這里采用的是PWM控制方式，輸出電壓的不同調節燈光的強弱； 5）電子羅盤把收集到數據返回給單片機，通過神經網絡的BP算法對數據進行處理改變控制的方向，實現位姿平穩的實時控制； 6）機器人的運動采取四輪驅動的方式，能很好的實現前進、后退、左轉等控制命令。圖6-43 管道檢測機器人的控制系統圖 模模 塊塊 6項項 目目 總總 結結 本項目以履帶式管道機器人為例，訓練學生按照要求合理選用合適的驅動、移動方式等，并且能掌握該類型機器人控制系統的整體設計方案。在實驗過程中，學生能夠對管道檢測機器人的結構組成有較為清晰的認識和了解。項項 目目 評評 價價表6-5 項目評價表項目目標分值評分得分驅

47、動方式選擇正確選擇管道檢測檢測機器人的驅動方式30不正確，扣510分移動方式選擇正確選擇管道檢測檢測機器人的移動方式為履帶式30不正確，扣510分控制系統設計根據控制系統圖嘗試機器人控制系統連接40不正確，扣510分總分100模模 塊塊 66.3.4 6.3.4 知識拓展（拓）知識拓展（拓）管道檢測機器人的技術要點：管道檢測機器人的技術要點：1.1.數據存儲數據存儲2.2.數據處理數據處理3.3.電源電源4.4.機體機體 模模 塊塊 6項目項目6-4 6-4 工業搬運機器人工業搬運機器人項目思考工業搬運機器人的種類有哪些？搬運工業機器人工業搬運機器人的控制系統類型？典型DELTA機構的運動過程

48、？工業搬運機器人研究現狀工業搬運機器人的種類工業搬運機器人的控制系統設備組成機械結構裝配項目知識項目實踐知識分布網絡工業搬運機器人的未來發展趨勢知識拓展電氣接線工業搬運機器人的應用領域模模 塊塊 66.4.1 6.4.1 項目思考（思）項目思考（思） 在現代工業中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。目前，專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，數控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。據資料統計，金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5。這說明零件在加工過程中，除了切

49、削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業，搬運機械人就是為實現這些工序的自動化而產生的。搬運機械人可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線、自動化倉庫等場合的物料搬運工作。問題思考： 1.工業搬運機器人的種類有哪些？ 2.工業搬運機器人的控制系統類型？ 3.工業搬運機器人的應用領域？模模 塊塊 66.4.2 6.4.2 項目知識（學）項目知識（學）知識點知識點1 1工業搬運機器人研究現狀：工業搬運機器人研究現狀： 我國工業搬運機器人是從二十世紀八十年代開始起步，經過二十多年的努力，已經形成了一些具有競爭力的工業機器人研究機構和企業。

50、先后研發出弧焊、電焊、裝配、搬運、注塑、沖壓及噴漆等工業機器人。 目前，工業機器人的應用領域主要有弧焊、點焊、裝配、搬用、噴漆、檢測、碼垛、研磨拋光和激光加工等復雜作業。知識點知識點2 2工業搬運機器人的種類：工業搬運機器人的種類：1.1.機床上下料搬運機器人機床上下料搬運機器人 目前在機床加工行業中，要求加工精度高、批量加工速度快導致生產線體自動化程度要有很大的提升，首先一點就是針對機床方面進行全方位自動化處理，使人力從中解放出來，直角坐標機器人目前在機床行業內正在逐步大量使用，包括數控車床上下料機器人、數控沖床上下料機器人、數控加工中心上下料機器人等等。2.2.物料搬運機器人物料搬運機器人

51、 搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手，機械手的發展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。模模 塊塊 6知識點知識點3 3工業搬運機器人的控制系統：工業搬運機器人的控制系統：1.1.工業機器人控制系統的特點和基本要求工業機器人控制系統的特點和基本要求 工業機器人的特點有： 1）工業機器人有若干個關節，每個關節由一個伺服系統控制。 2）工業機器人的工作任

52、務是要求操作機的手部進行空間點位運動或連續軌跡運動。 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。 4）較高級的工業機器人要求對環境條件、控制指令進行測定和分析，采用計算機建立龐大的信息庫，用人工智能的方法進行控制、決策、管理和操作，按照給定的要求，自動選擇最佳控制規律。 對工業機器人控制系統的基本要求有： 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）方便的人一機交互功能，操作人員采用直接指令代碼對工業機器人進行作業指示。 3）具有對外部環境（包括作業條件）的檢測和感覺功能。

53、 4）具有診斷、故障監視等功能。模模 塊塊 62.2.工業機器人控制的分類工業機器人控制的分類 工業機器人控制的分類，沒有統一的標準，如按運動坐標控制的方式來分，有關節空間運動控制、直角坐標空間運動控制；按控制系統對工作環境變化的適應程度來分，有程序控制系統、適應性控制系統、人工智能控制系統；按軌跡控制方式的不同，可分為點位控制、連續軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制、力控制。 這里主要介紹按發展階段的分類方法。（1）程序控制系統 目前工業用的絕大多數第一代機器人屬于程序控制機器人，其程序控制系統的結構簡圖如圖6-44所示，包括程序裝置、信息處理器和放大執行裝置。圖6-

54、44 程序控制系統模模 塊塊 6（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，即具有知覺的工業機器人，它具有力覺、觸覺或視覺等功能。系統框圖如圖6-45所示。圖6-45 適應控制系統模模 塊塊 6 （3）人工智能控制系統 人工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，其框圖如圖6-46所示。圖6-46 人工智能控制系統模模 塊塊 63.3.工業機器人的控制系統工業機器人的控制系統 目前大部分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。（1）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，反饋工作狀態，完成作業所需的各種計算，建立于伺服控制級之間的接口。它由以下幾個主要部分組成 主控制計算機 主控制軟件 外圍設備（2）伺服控制級 伺服控制級是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。關節運動參數來自主控制級的輸出。主要組成部分有伺服驅動器 伺服控制器 模模 塊塊 6圖6-47 示教方式（a）手把手示教 （b）示教盒示教模模 塊塊 6知識點知識點4 4工業搬運機器人的應用領域：工業搬運機器人的應用領域： 國內外機械工業搬運機械人主要應用于以下