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1、工业机器人设计与应用,机电工程学院,课程介绍,课程性质：专业课课程内容：设计工业机器人所需要的基本知识学习方法：课堂学习+课后实践课程要求：,学习内容：1.1 机器人 1.2 工业机器人定义及工作环境 1.3 工业机器人基本组成及技术参数 1.4 工业机器人的分类及应用 1.5 工业机器人的未来,第1章 概述,重点内容：工业机器人的定义、分类、技术参数及组成,学习要求：了解：机器人的工作环境、应用、发展 熟悉：熟悉工业机器人的定义、分类、技术参数 掌握：工业机器人组成,1.1 机器人,一、什么是机器人？,机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能，可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置。,
2、二、机器人的分类,机器人的分类方法很多，这里依据2个有代表性的分类方法列举机器人的分类：分别按照应用和控制方式分类。,第1章 概述,视频1,视频2,视频3,机器人按应用分类：,工业机器人：,极限机器人：,娱乐机器人：,搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人。,弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等，也有根据环境而改变动作的机器人。,主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。,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、农业机器人等。,观看图片,观看图片,观看图片,第1章 概述,机器人按控制方式分类：,操作机器人：,程序机器人：,示教再现机器人：,机器人将所教的操作
3、过程自动地记录在磁盘、磁带等存贮器中，当需要再现操作时，可重复所教过的动作过程。,典型代表是核电站处理放射性物质时远距离进行操作的机器人。,按预先给定的程序、条件、位置进行作业。,智能机器人：,综合机器人：,不仅可以进行预先设定的动作，还可以按照工作环境的变化改变动作。,由操纵机器人、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。,第1章 概述,1.2 工业机器人定义及工作环境,一、工业机器人定义及特点,U.S.RIA提出的定义：工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。,ISO定义：工业机器人是一种具有自动
4、控制的操作和移动功能，能够完成各种作业的可编程操作机。,ISO8373提出更具体的定义：机器人具有自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有三个或三个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。,1、定义,第1章 概述,2、特点,（1）可编程（2）拟人化（3）通用性（4）机电一体化,第1章 概述,二、工业机器人与环境交互,工业机器人与外部环境的交互包括硬件环境和软件环境,（1）与硬件环境的交互主要是与外部设备的通信、工作域中障碍和自由空间的描述、操作对象的描述。（2）与软件环境的交互主要是与生产单元监控计算机所提供的管理信息系统的通信。,第1章 概述,工业机器人与环境
5、交互是机器人技术的关键。工业机器人在没有人工干预的情况下对外部环境的自我适应，行动的自我规划，将是今后机器人技术及其应用的研究方向！,第1章 概述,1.3 工业机器人基本组成及技术参数,一、工业机器人的基本组成,工业机器人由3大部分或6个子系统组成!,“=”,图1-8 工业机器人的基本组成,第1章 概述,要使机器人运动起来，就需要给各个关节即每个运动自由度安置传动装置。由机身、手臂、末端操作器三大件组成。由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。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。是使操作人员参与机器人控制并与机器人进行联系的装置。其任务是根
6、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的执行机构去完成规定的运动和功能。,图1-9 工业机器人的机械结构系统,图1-10 三菱装配机器人系统,第1章 概述,二、工业机器人的技术参数,工业机器人的主要技术参数一般应有：自由度 重复定位精度 工作范围 最大工作速度 承载能力,1.自由度(Degree of Freedom，Dof)自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不应包括手爪(末端操作器)的开合自由度。,第1章 概述,图1-11 PUMA562工业机器人,第1章 概述,第1章 概述,2.精度(Accuracy)工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机
7、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于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),如图1-12所示。,图 1-12 工业机器人定位精度和重复定位精度的典型情况,第1章 概述,(a)重复定位精度的测量；(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,3.工作范围(Work Space)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,也叫工作区域。因为末端操作器的尺寸和形状是多种多样的,为了真实反映机器人的特征参数,所以,这里是指不
8、安装末端操作器时的工作区域。,第1章 概述,图 1-13 PUMA机器人工作范围,第1章 概述,图 1-14 A4020型SCARA机器人工作范围,第1章 概述,4.速度(Speed)速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。说明书中通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度,但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。所以,考虑机器人运动特性时,除注意最大稳定速度外,还应注意其最大允许的加减速度。,第1章 概述,5.承载能力(Payload)承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿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
9、,承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常,承载能力不仅指负载,而且还包括了机器人末端操作器的质量。,机器人有效负载的大小除受到驱动器功率的限制外,还受到杆件材料极限应力的限制,因而,它又和环境条件(如地心引力)、运动参数(如运动速度、加速度以及它们的方向)有关。,第1章 概述,图 1-15 三菱装配机器人不带电动手爪时的承载能力,第1章 概述,图 1-16 三菱装配机器人带电动手爪时的承载能力,第1章 概述,1.4 工业机器人的分类及应用,第1章 概述,一、工业机器人的分类,第1章 概述,2、按机器人的控制方式分类,非伺服机器人（Non-servo Robots）,按照预先编好的程
10、序进行工作，使用终端限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。,伺服控制机器人（Servo-controlled Robots）,伺服机器人可分为：点位伺服控制和连续轨迹伺服控制两种。,第1章 概述,3、按机器人的智能程度分类,（1）一般机器人（2）智能机器人,4、按机器人的移动方式分类,（1）固定机器人（2）移动机器人,第1章 概述,第1章 概述,二、工业机器人的应用,目前,工业机器人主要用于以下几个方面:1)恶劣工作环境及危险工作 2)特殊作业场合和极限作业 3)自动化生产领域,第1章 概述,目前,工业机器人主要用于以下几个方面:1)恶劣工作环境及危险工作压铸车间及核工业等领域的
11、作业是一种有害于健康并危及生命,或不安全因素很大而不宜于人去做的作业,用工业机器人做是最适合的。,第1章 概述,图 1-20 燃料自动交换机,第1章 概述,2)特殊作业场合和极限作业火山探险、深海探密和空间探索等领域对于人类来说是力所不能及的,只有机器人才能进行作业。,图 1-21 航天飞机上的操作臂,第1章 概述,3)自动化生产领域早期的工业机器人在生产上主要用于机床上下料、点焊和喷漆。随着柔性自动化的出现,机器人在自动化生产领域扮演了更重要的角色。现举例如下:(1)焊接机器人(2)材料搬运机器人(3)检测(4)装配机器人(5)喷漆和喷涂,第1章 概述,1.5 工业机器人的未来,一、全球机器
12、人的发展状况1954年,美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。1958年,被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司Unimation(Universal Automation)公司,并参与设计了第一台Unimate 机器人,如图1-22所示。,第1章 概述,本章小节：,重点内容：工业机器人的定义、分类、技术参数及组成,学习要求：了解：机器人的工作环境、应用、发展熟悉：熟悉工业机器人的定义、分类、技术参数掌握：工业机器人组成,第1章 概述,（a）具有三个移动关节，能使手臂末端沿直角坐标系的X、Y、Z三个坐标轴作直线移动。（b）具有一个转动关节和两个移动关节，构成圆柱形状的工作范围。（c）具有两个转动关节和一个移动关节，构成球缺形状的工作范围。（d）具有三个转动关节，其中两个关节轴线是平行的，构成较为复杂形状的工作范围。（e）关节坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面，它是一种装配机器人，也叫做SCARA机器人。,图1-17 五种基本坐标形式工业机器人,1、按工业机器人的几何结构分类,返回,
