工业机器人认知一.ppt

项目一 工业机器人认知,内容及要求,知识要求：初步了解本课程完成的工程项目，掌握工业机器人的基本概念、工业机器人的任务。掌握工业机器人理论的主要内容。,要求：掌握对于实际生活及工业生产中工业机器人系统的基本分析能力。,实践内容：了解实训室中工业机器人系统的组成及类型。,项目实施方法,1.1 工业机器人认知与导读要求,1.2 工业机器人基础知识,1.3 工业机器人扩展知识,1.4工业机器人认知技能训练,1.1 工业机器人认知与导读要求,工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合的高新技术。工业机器人是最典型的机电一体化装备，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。因此工业机器人技术也成为广大工程技术人员迫切需要掌握的知识。,任务1.2工业机器人基础知识,1.2工业机器人基础知识,1.2.1 工业机器人的定义1920年捷克作家卡雷尔卡佩克（Karel Capek）在其剧本Rossums Universal Robots（中文意思是“罗萨姆的万能机器人”）中最早使用机器人一词，剧中“Robota”（奴隶）写成了“Robot”，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人（Industrial Robot）设想。,1.2.1 工业机器人的定义,美国机器人协会(RIA)提出的定义为：“工业机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手(manipulator)”。日本工业机器人协会(JIRA)提出的定义：“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器(end effector)的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。国际标准化组织(ISO)提出的定义：“工业机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。国家标准GBT12643-90将工业机器人定义为：工业机器人是一种能自动定位控制的、可重复编程的、多自由度的操作机，能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。总之，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。,1.2.2 工业机器人的基本组成,工业机器人技术是综合了当代机构运动学与动力学、精密机械设计发展起来的产物，是典型的机电一体化产品。从工业机器人体系结构，工业机器人有三大部分、六个子系统组成。,1.工业机器人三大部分,(1)机械本体部分工业机器人的机械本体部分是工业机器人的重要部分，其功能为实现各种动作。其他组成部分必须与机械本体相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统,(2)传感部分传感部分用于感知内部和外部的信息。要机器人与人一样有效地完成工作，对外界状况进行判别的感知功能是必不可少的。没有感知功能的机器人，只能按预先给定的顺序，重复地进行一定的动作。,(3)控制部分 控制部分用于控制机器人完成各种动作，工业机器人的控制主要包括：机器人的动作顺序、应实现的路径与位置、动作时间间隔以及作用于对象上的作用力等。工业机器人控制系统一般是以机器人的单轴或多轴运动协调为目的的控制系统。,工业机器人对机械本体有如下要求：最小运动惯量 尺度规划 材料的选择 刚度的设计 可靠性 工艺性,工业机器人对传感部分的要求是：,精度高、重复性好。机器人是否能够准确无误地正常工作，往往取决于其所用传感器的测量精度。稳定性和可靠性好。保证机器人能够长期稳定可靠地工作，尽可能避免在工作中出现故障。抗干扰能力强。工业机器人的工作环境往往比较恶劣，其所用传感器应能承受一定的电磁干扰、振动，能在高温、高压、高污染环境中正常工作。适应加工任务的要求。不同的加工任务对机器人的感觉要求是不同的，可根据其工作特点进行选择。满足机器人控制的要求。机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度和加速度。,工业机器人对控制部分有如下要求：,工业机器人的控制部分要着重本体与操作对象的相互关系。工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。多个独立的伺服系统必须有机的协调起来，组成一个多变量的控制系统。工业机器人还有一种特有的控制方式示教再现控制方式。,总而言之，工业机器人控制部分是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程控制，微处理机控制到小型计算机控制等。,2.工业机器人六个子系统(1)机械结构系统 机械结构系统是机器人的主体部分，由基座、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。基座如同机床的床身结构一样，机器人基座构成机器人的基础支撑。,机器人的机械结构部分可以看作是由一些连杆通过关节组装起来的。由关节完成实现基座、手臂各部分、末端操作器之间的相对运动。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。转动关节主要是伺服电机驱动。移动关节主要由伺服电机驱动也可以由气缸、液压缸或者线性电驱动器驱动。,(2)驱动系统 要使机器人运行起来，需要给各个关节即每个运动自由度安装传动装置，这就是驱动系统。相当于机械手的“肌肉”，驱动系统常见的驱动器有伺服电机等。可以直接驱动关节，也可以通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等传动机构进行间接驱动。,(3)传感系统 传感系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成。内部传感器模块负责收集机器人内部信息如各个关节和连杆的信息。如同人体肌腱内的中枢神经系统中的神经传感器。外部传感器负责获取外部环境信息。包括视觉系统、触觉传感器等。,(4)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置。例如：计算机的标准终端、指令控制台、示教盒、信息显示屏、报警器等。归结起来为两大类：指令给定装置和信息显示装置。,(5)控制系统机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。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执行结构去完成规定的运动和功能。根据有无反馈可分为开环控制系统和闭环控制系统等。根据控制原理可分为顺序控制系统、自适应控制系统和智能控制系统。根据控制运动的形式,控制系统可分为点位控制和轨迹控制。,(6)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。工业机器人可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、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。,工业机器人的技术参数工业机器人的技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据，也是工业机器人性能的主要体现。,例如：IRB 120是ABB推出一款迄今最小的多用途工业机器人紧凑、敏捷、轻量的六轴，仅重25kg，荷重3kg（垂直腕为4kg），工作范围达580mm,机器人的分类,1.按照应用类型分类 机器人按应用类型可分为工业机器人、极限作业机器人和娱乐机器人。(1)工业机器人。工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。(2)极限作业机器人。极限作业机器人主要是指在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，也包括建筑机器人、农业机器人等。(3)娱乐机器人。娱乐机器人包括弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等（具有某种程度的通用性），也有根据环境改变动作的机器人。,2.按照控制方式分类 机器人按控制方式可分为操作机器人、程序机器人、示教再现机器人、智能机器人和综合机器人。,(1)操作机器人。操作机器人的典型代表是在核电站处理放射性物质时远距离进行操作的机器人。在这种场合，相当于人手操纵的部分成为主动机械手，而从动机械手基本上与主动机械手类似，只是从动机械手要比主动机械手大一些，作业时的力量也更大。(2)程序机器人。计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。程序机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业,目前大部分机器人都采用这种控制方式工作。,(3)示教再现机器人。示教再现机器人同盒式磁带的录放一样，将所教的操作过程自动记录在储存器中，当需要再现操作时，可重复所教过的过程。,(4)智能机器人。智能机器人不仅可以预先设定的动作，还可以按照工作环境的变化改变动作。(5)综合机器人。综合机器人是由操作机器人、示教再现机器人、智能机器人组合而成的机器人，如火星机器人。,3.按驱动方式分类（1）气压式工业机器人。这类工业机器人以压缩空气来驱动操作机，其优点是空气来源方便，动作迅速，结构简单造价低，无污染，缺点是空气具有可压缩性，导致工作速度的稳定性较差，又因气源压力一般只有6kPa左右，所以这类工业机器人抓举力较小，一般只有几十牛顿，最大百余牛顿。（2）液压式工业机器人。液压压力比气压压力高得多，一般为70kPa左右，故液压传动工业机器人具有较大的抓举能力，可达上千牛顿。这类工业机器人结构紧凑，传动平稳，动作灵敏，但对密封要求较高，且不宜在高温或低温环境下工作。,（3）电动式工业机器人。这是目前用得最多的一类工业机器人，不仅因为电动机品种众多，为工业机器人设计提供了多种选择，也因为它们可以运用多种灵活控制的方法。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服驱动单元，目前常用交流伺服驱动单元。这些驱动单元或是直接驱动工业机器人，或是通过诸如谐波减速器的装置来减速后驱动，结构十分紧凑、简单。（4）新型驱动方式机器人，伴随着机器人技术的发展，出现了利用新的工作原理制造的新型驱动器，如静电驱动器、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、人工肌肉等工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。,工业机器人的坐标1.直角坐标笛卡儿坐标台架型(3P)直角坐标型工业机器人运动部分由三个相互垂直的直线移动关节（即PPP）组成，具有三个独立的自由度，可使末端操作器作三个方向的独立位移，其工作空间图形为长方形,2.圆柱坐标型(R2P)圆柱坐标型工业机器人有两个直线移动关节和一个转动关节(PPR)，其主体具有3个自由度：腰部转动、升降运动，手臂伸缩运动，其工作空间图形为圆柱。该种型式的工业机器人，空间尺寸较小，工作范围较大，末端操作器可获得较高的运动速度，其位置精度仅次于直角坐标型机器人。,3.球坐标型(2RP)球坐标型工业机器人又称极坐标型工业机器人，其手臂的运动由两个转动和一个直线移动（即RRP,一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动）所组成，其工作空间为一球体。该种型式的工业机器人，空间尺寸较小，工作范围较大。中心支架附近的工作范围大,两个转动驱动装置容易密封,覆盖工作空间较大。但该坐标复杂,难于控制,且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。球坐标型工业机器人不常用。,4.关节坐标型/拟人型(3R)关节坐标型工业机器人又称回转坐标型工业机器人，这种工业机器人的手臂类似于人的手臂，其前三个关节是回转副（即RRR），是工业机器人中最常见的结构。该种型式的工业机器人，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，能与其他工业机器人协调工作，但位置精度较低，有平衡问题，控制耦合，这种工业机器人喷涂、焊接等作业中应用越来越广泛。,5.平面关节型(SCARA)平面关节型工业机器人采用一个移动关节和两个回转关节（即PRR），移动关节实现上下运动，而两个回转关节则控制前后、左右运动。这种形式的工业机器人又称SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)装配机器人该种型式的工业机器人结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业的插接、装配中应用广泛。,6.并联机器人(Delta)并联机器人一般通过示教编程或视觉系统捕捉目标物体，由三个并联的伺服轴确定抓具中心（TCP）的空间位置，实现目标物体的运输，加工等操作。并联机器人是典型的空间三自由度并联机构，整体结构精密、紧凑，驱动部分均布于固定平台，这些特点使它具有承载能力强、刚度大、自重负荷比小、动态性能好；并行三自由度机械臂结构，重复定位精度高；超高速拾取物品，一秒钟多个节拍等特点。,1.2.6 工业机器人的主要特点,(1)可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。,(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，在控制上有控制器。,(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)工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。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，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。,1.2.7 工业机器人的应用,工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业。例如：,1.焊接机器人工业机器人应用最为广泛的一种类型，主要应用于汽车制造行业。分点焊和弧焊二种，其中：点焊对所用的机器人的要求不太高，因其对点与点之间的移动轨迹没有严格要求，只要求起点和终点的位姿准确；弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同，但对焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。,2.装配机器人装配机器人要求具有较高的位姿精度，手腕具有较大的柔性，主要用于各种电器的制造行业。装配机器人主要有可编程通用装配操作手和平面双关节型机器人两种类型。装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点。,3.搬运机器人,搬运机器人用途很广泛，一般只需要点位控制，用于工厂中一些工序的上下料作业、拆垛和码垛作业等。搬运机器人精度相对低一些，但负荷比较大，运动速度比较高。其机器人本体多采用点焊或弧焊机器人结构，也有的采用框架式和直角坐标式结构形式。,KUKA机器人化肥码垛,KUKA机器人工件搬运,4.激光加工机器人对工件实施切割、焊接或者是金属材料的表面特殊处理，可以实现金属及其他材料的特殊加工。实现对工件的精密切割、钻孔、焊接以及表面热处理。国外激光加工技术已经比较成熟，而国内较为落后，但其成长空间巨大。,5.移动机器人移动机器人广泛应用于各行业的柔性搬运、传输等功能。国际物流技术发展的新趋势之一，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。如装备有电磁或光学导航的AGV，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护和各种移栽功能,6.喷涂机器人,。,喷涂机器人多用于汽车、仪表、电器等工艺生产部门，重复定位精度不高，另外由于漆雾易燃，驱动装置必须防燃防爆。喷涂机器人多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。,7.其他根据应用领域划分，工业机器人还可以分为研磨抛光、清洁、水切割、净化、真空等机器人等类型。机器人打磨是机器人应用的新领域，独特的力度控制确保了物品被打磨的完美无瑕。打磨机器人主要由工业机器人本体和打磨机具、抓手等外围设备组成。机器人打磨主要有两种方式：一种是通过机器人末端执行器夹持打磨工具，主动接触工件，工件相对固定不动。这种打磨机器人可称为工具主动型打磨机器人；另一种是机器人末端执行器夹持工件，通过工件贴近接触去毛刺机具设备，机具设备相对固定不动，这种打磨机器人也称为工件主动打磨机器人。,1.3工业机器人扩展知识,工业机器人发展历程 早在1954 年美国乔治德沃尔首次设计出第一台电子程序可编的工业机器人，并于 1961 年发表了该项专利。1962年美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人诞生,第一代机器人，也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作,1982年，美国通用汽车公司在装配线上为机器人装备了视觉系统，从而宣告了第二代机器人感知机器人的问世。,第三代机器人，是机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，正在各国研制和发展。它不但具有感知功能，还具有一定决策和规划能力。能根据人的命令或按照所处环境自行做出决策规划动作即按任务编程。,工业机器人的现状,1）工业机器人的应用领域将会由传统的制造业，如冶金、石油、化学、船舶、采矿等领域扩大到航空、航天、核能、医药、生化等高科技领域，同时工业机器人也会逐步走向家庭，成为家庭机器人，以及一些高危行业也会逐步引入工业机器人代替人来完成危险的任务，如消防、排雷、修理高压线、下水道清洁。人类的生活将会越来越离不开工业机器人，它们将会丰富我们的文化生活。,2）工业机器人可能会有向小型化发展的趋势。ABB公司的一款小型机器人“IRBI20”自重只有25千克，但是工作能力位居业内领先水平，它的工作范围可达580毫米，每公斤物料拾取节拍仅需0.58秒，定位精度高达0.Olmm，投入市场后非常受欢迎。因此工业机器人有可能往小型化发展，小型的工业机器人有其优势，按照以往的思路都是机器人要比它加工的部件大，但随着航空、航天、核电等技术的发展，工件尺寸越来越大，想要继续扩大工业机器人的尺寸成本太高，因此可以换一种思路将工业机器人做小，直接在工件上实施加工。,3）工业机器人将会有和新发展的技术结合的趋势，如搅拌摩擦焊、高能激光切割、变速箱装配、板金属变形等。一些传统的加工过程也会由工业机器人来执行，如激光切割、激光焊接、粘接、去毛刺、测量等。4）同时降低工业机器人的生产成本，提高高端工业机器人的质量，增强机器人的灵活性，争 强 产 品 可 靠 性，降 低 机 器 人 整 个 生 命 周 期 的 维 护 费 用，简化机器人的安装过程、系统集成及编 程设置依旧是工业机器人的发展方向。,