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1、课前回顾,所,处,位,置,何为工业机器人？,工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？,【,课,工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。,前,回,顾,】,章节目录,思考练习,学习目标,所,处,位,置,能够正确识别工业机器人的基本组成,【,学,掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能,能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动,习,目,标,】,返回,目录,认知目标,能力目标,导入案例,国产机器人竞争力缺失 关键技术是瓶颈,众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。虽然中国机器人产业经过 30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，
2、仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。,【,导,入,案,】,整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件 伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内 95%的企业都集中在这个环节上）三个层面。,返回,目录,2.1 工业机器人的系统组成,第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。,工业机器人系统组成,对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。,关节型机器人操作机基本构造,2.1 工业机器人的系统组成,2.1.1 操作机,操作
3、机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构。它主要由机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器等部分组成。,机器人操作机的每个关节均采用 1 个交流伺服马达驱动,返回,目录,2.1 工业机器人的系统组成,所,处,机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。,位,置,【,课,堂,认,知,】,吸盘,焊枪,夹紧爪,返回,目录,夹紧爪,夹紧爪,夹紧爪,夹紧爪,吸盘,吸盘,焊枪,2.1 工业机器人的系统组成,2.1.1 操作机,所,处,(1)机械臂,位,置,关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体。实
4、质上是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由关节-连杆结构所构成的机械臂大体可分为 基座、腰部、臂部（大臂和小臂）和手腕 4 部分。,课,堂,认,知,返回,目录,机械部分,1 手部,2 手腕（次轴）,3 臂部（主轴）,5 基座,末端执行器,联接手部和手臂的部分，主要改变手部的空间方向和将作业载荷传递到手臂,联接机身和手腕的部分，改变手部的空间位置，并将各种载荷传递到机座,起到支承作用,4 腰部,腰部是机器人手臂的支承部分。,基座,腰部,大臂,小臂,手腕,1、手臂的运动,垂直移动,径向移动,回转运动,机器人手臂的上下运动,手臂的伸缩运动,机器人绕铅垂轴的转动,2、手
5、腕的运动,手腕旋转,手腕弯曲,手腕侧摆,手腕绕小臂轴线的转动,手腕的上下摆动,手腕的水平摆动,最小的三指手,BHII 三指手,四指灵巧手,灵巧的双手,DLR多指手,哈工大多指手,2.1 工业机器人的系统组成,所,处,(2)驱动装置,位,置,驱使工业机器人机械臂运动的机构。它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。,【,课,机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。,堂,认,知,目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用
6、一个关节一个驱动器。,】,返回,目录,优点:,(1)可以获得较大的推力或转矩。(2)液压系统介质的可压缩性小,工作平稳可靠,并可得到较高的位置精度。(3)液压传动中,力、速度和方向比较容易实现自动控制。(4)液压系统采用油液作介质,具有防锈性和自润滑性能,可以提高机械效率,使用寿命长。,液压驱动,存在的不足:(1)油液的粘度随温度变化而变化,这将影响工作性能。高温容易引起燃烧、爆炸等危险。(2)液体的泄漏难于克服,要求液压元件有较高的精度和质量,故造价较高。(3)需要相应的供油系统,尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置,否则会引起故障。,液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大
7、型机器人关节的驱动。,气动机械手,气压驱动,与液压驱动相比,气压驱动的特点是:(1)压缩空气粘度小,容易达到高速(1 ms)。(2)利用工厂集中的空气压缩机站供气,不必添加动力设备。(3)空气介质对环境无污染,使用安全,可直接应用于高温作业。(4)气动元件工作压力低,故制造要求也比液压元件低。,气压驱动的不足:(1)压缩空气常用压力为0.40.6 MPa,若要获得较大的压力,其结构就要相对增大。(2)空气压缩性大,工作平稳性差,速度控制困难,要达到准确的位置控制很困难。(3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题,处理不当会使钢类零件生锈,导致机器人失灵.此外,排气还会造成噪声污染。,电动机驱动
8、1）普通交流电动机驱动2）交、直流伺服电动机驱动3）步进电动机驱动,输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人,用于闭环控制系统，输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人,用于开环控制，一般用于对速度和位置要求不高的场合,电动机使用简单，且随着材料性能的提高，电机性能也逐渐提高。所以总的看来，目前机器人关节驱动逐渐为电动式所代替。,所,处,三种驱动方式特点比较,位,置,【,课,堂,认,知,】,2.1 工业机器人的系统组成,所,处,(3)传动单元,位,置,目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的,减速器主要有两类：RV
9、减速器 和 谐波减速器。一般将 RV 减速器放置在基座、腰部,、大臂等重负载的位置(主要用于 20kg 以上的机器人关节)；将谐波减速器放置在小,【,臂、腕部或手部等轻负载的位置(主要用于 20kg 以下的机器关节)。此外，机器人还,课,采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。,堂,认,知,】,谐,RV,波,减,减,速,速,器,器,皮,带,传,动,返回,目录,机器人关节传动单元,2.1 工业机器人的系统组成,所,处,位,置,1)谐波减速器,通常由 3 个基本构件组成，包括一个有内齿的刚轮，一个工作时可产生径向弹性变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承的波发
10、生器，在这 3 个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动件。,【,课,堂,认,知,柔轮,】,波发生器,刚轮,谐波减速器原理图,2.1 工业机器人的系统组成,所,处,位,置,2)RV 减速器,主要由 太阳轮（中心轮）、行星轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承、摆线轮（RV 齿轮）、针齿、刚性盘与输出盘 等零部件组成。具有较高的疲劳强度和刚度以及较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用 RV 减速器。,【,课,堂,针齿,认,知,2 级减速,1 级减速,行星轮,】,太阳轮,Z 2,输入,Z 1,Z 4,输出,Z 3,摆线轮,转臂,输出轴,针齿壳,RV 减速器原理图,2.1 工业机器人的系
11、统组成,2.1.2 控制器,所,处,机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的部分，其基本功能有：示教功能、记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功。,位,置,【,课,堂,认,知,】,依据控制系统的开放程度，机器人控制器分 3 类：封闭型、开放型和混合型。目前基本上都是封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统（如欧系机器人）。,按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为 集中式控制 和 分布式控制 两种方式。,所,处,(1)集中式控制器,位,置,优点：硬件成本较低，便于信息的采集和分
12、析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于 PC 的系统硬件扩展较为方便。,缺点：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，会降低系统的可靠性。,【,课,堂,认,知,】,机器人关节 1,机器人关节 1,机器人关节 2,机器人关节 2,机器人关节 n,机器人关节 n+1,机器人关节 n,机器人关节 n+2,a)单独接口卡驱动,b)多轴运动控制卡驱动,集中式机器人控制器结构,所,处,(2)分布式控制器,位,置,主要思想为“分散控制，集中管理”，为一个开放、实时、精
13、确的机器人控制系统。分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。,优点：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。,【,课,堂,认,知,】,分布式机器人控制器结构,2.1.3 示教器,所,处,亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。,位,置,控制器,【,课,相关模块,相关模块,堂,认,?,知,操作机,?,S4,S3,】,S2,示教器,S5,S2,串,口,指令解,S0,通,S1,释模块,信,模,S5,S2,S2,块,?,S4,S3,?,相关模块,相关模块,示教时的数据流关系,
