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1、原中国科学院沈阳自动化研究所所长 已故我国著名战略科学家蒋新松院士塑像,先进的设计手段,1）计算机三维实体设计,机器人培训教材第二篇机器人的基本原理,2003.10.,1、机器人简介2、机器人控制系统的构成3、机器人控制器的组成4、机器人运行轨迹规划5、典型机器人工作站的控制原理6、机器人控制语言,1、机器人简介,1954年美国George Devol最早提出了工业机器人的思想，发明了一种可编程序的关节型搬运装置，该装置的要点是借助于伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机器人。在此基础上，1958年美国的CONSOLIDATEE
2、L公司制造了第一台工业机器人；1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN型”和“UNIMATION”公司推出的“UNIMATE”型机器人，这些工业机器人就是早期机器人的雏形。70年代后，焊接、喷漆机器人相继在工业中得到应用和推广。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展，机器人技术也得到了迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人。,1、机器人简介,二十世纪末期，世界各国的工业尤其是制造业为达到提高劳动生产率，增加生产产量，主要依靠机器人，而不是增加就业人数。据国际机器人联合会（IFR）1995年统计，机器人的销售增长较快，1995年比1994年增长了22%。1995年到1998年
3、世界机器人销售的平均增长率为19%，到2000年，世界机器人的安装总数增加到了100万台。从应用领域来看，机器人主要集中在制造业的焊接、装配、机加工、电子、精密机械等领域。随着机器人的普及应用，工业机器人技术也取得较快发展。21世纪的制造业已进入一个新的阶段，由面向市场多变生产转向面向顾客生产，敏捷制造企业（AGIENT ENTERPRISE）将是未来企业的主导模式，以机器人为核心的可重组的加工和装配系统，已成为工业机器人和敏捷制造业的重要发展方向。,1.1 机器人在我国的发展及应用,1、机器人简介,我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，主要分为四个阶段：70年代为萌芽期，80年代为开发期，9
4、0年代为实用化期，二十世纪将是我国机器人应用的普及期。90年代后期我国机器人在电子、家电、汽车、轻工业等行业的安装数量逐年递增。特别是近几年随着我国加入WTO后国际竞争更加激烈，人民对商品高质量和多样化的要求普遍提高，生产过程的柔性自动化要求日益迫切，汽车行业的迅猛发展带动了机器人产业的空前繁荣，据不完全统计，2002年机器人安装量达400台，相当于日本80年代初期的发展势头，可以说2002年是中国机器人产业的元年。,1.2 机器人的定义,1、机器人简介,1984年，国际标准化组织（ISO）通过的定义是：机器人是一自动控制下的通过编程可完成某些操作或移动作业的机器。在我国1989年的国标草案中
5、，工业机器人被定义为：一种自动定位控制，可重复编程的多功能的，多自由度的操作机。操作机被定义为：具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。,1.3 机器人的构成,1、机器人简介,工业机器人主要由机器人本体、机器人本体的伺服机构和机器人控制部分（控制器、示教盒、再现操作盒）等组成。,1.4 机器人的分类,1、机器人简介,1.4.1直角坐标型机器人:具有三个互相垂直的移动轴线，通过手臂的 上下左右移动和前后伸缩构成一个直角坐标系。1.4.2 圆柱坐标型机器人:机座上具有一个水平转台，在转台上装有立 柱和水平臂，水平臂能上下移动和前后伸缩，并能绕立柱旋转，在空间构成部分圆
6、柱面。1.4.3极坐标型机器人（球面坐标型）:手臂能上下俯仰、前后伸缩，并能绕立柱回转，在空间构成部分球面。,1.4 机器人的分类,1、机器人简介,1.4.4 关节坐标型机器人:具有三个主要回转关节：腰回转（关节1）、肩回转（关节2）和肘回转（关节3），另外还有手腕的旋转（关 节4、6）和弯曲（关节5）关节。1.4.5 SCARA型水平关节机器人:这种机器人是日本日立公司生产的其 臂部和肘部可绕垂直轴在水平面内旋转，末端工作部分可沿垂直 轴上下移动。1.4.6 点位控制（PTP）型机器人:按点位方式进行控制的机器人，在 作业过程中只控制几个特定工作点的位置，不对点与点之间的运 动过程进行控制。
7、,1.4 机器人的分类,1、机器人简介,1.4.7 连续轨迹控制（CP）型机器人:按连续轨迹方式控制的机器人，其运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人的各关节同时做 受控运动。由于要求实现光滑轨迹运动，控制计算机必须实时插 补运算，因此其速度受到一定的限制。1.4.8柔性控制（CC）型机器人:机器人各关节同时具有位置伺服、速 度伺服和力矩伺服多种能力。,1.5 机器人本体的选择方法,1、机器人简介,1.5.1 机器人类型的选择:根据目标作业类型，选择27自由度机器人。1.5.2 手腕的允许载荷:工作时应保证各腕部轴所承受力的扭距和惯量。例如:日本OTC的AX-C MV6机器人其最大承载能力为
8、6公斤。日 本YASKAWA的UP160机器人其最大承载能力为160公斤。1.5.3 动作范围的确定:机器人的动作范围一般指腕部轴的回转中心（P 点）的动作范围。,1.6 机器人的主要性能参数,1、机器人简介,1安装形式:包括落地式安装、墙壁式安装和倒挂式安装等几种；2控制轴数:2轴、3轴、4轴、5轴、6轴、7轴等多种；3最大有效载荷:根据手臂承载能力选择不同载荷能力的机器人；4重复定位精度:0.01mm；5驱动系统:气动、液压、直流伺服系统、交流伺服系统等等；6位置反馈类型:绝对编码器和增量式编码器；7手臂移动范围:决定机器人运动空间；8各轴移动速度:决定机器人工作效率。,1.7 机器人安装
9、环境的要求,1、机器人简介,1环境温度要求:工作温度045，运输储存温度-1060；2相对湿度要求:2080%RH；3动力电源:3相AC200/220V（+10%-15%）；4接地电阻:小于100；5机器人工作区域需有防护措施（安全围栏）；6灰尘、泥土、油雾、水蒸气等必须保持在最小限度；7环境必须没有易燃、易腐蚀液体或气体；8设备安装要求要远离撞击和震源；9机器人附近不能有强的电子噪声源；10震动等级必须低于0.5G（4.9m/s）。,2.1 机器人硬件系统的构成,2、机器人控制系统的构成,2.1.1 伺服控制马达:分交流伺服马达（AC）和直流伺服马达（DC），交流伺服马达又分为同步马达（SM
10、）和异步马达（IM）。2.1.2 伺服放大器:给伺服马达提供驱动动力，同时根据控制指令值（目标值）和当前值高速高精确地计算控制量（位置环、速度环和 电流环），控制马达速度和转矩。2.1.3 位置编码器:编码器是用来实现马达位置和速度的检测。根据信 号的输出形式编码器分为增量式编码器和绝对式编码器两种。2.1.4 减速器:减速器是为了增大马达的输出转矩，改善机器人的加速 性能和提高伺服性能而使用的。常用的减速器中有齿轮、谐波减 速器、滚珠丝杠等。,2.2 机器人软件系统的构成及其控制技术,2、机器人控制系统的构成,机器人控制器是机器人的核心部件，是机器人的神经中枢，它实施机器人的全部信息处理和对
11、机器人本体的运动控制。,2.2 机器人软件系统的构成及其控制技术,2、机器人控制系统的构成,2.2.1 伺服控制级软件:用于对驱动器的控制与驱动。把从轨迹生成部分输出的控制量作为指令值，再把这个指令值与位置和速度等传感器来的信号进行比较，用比较后的指令值控制马达的转动。,2.2 机器人软件系统的构成及其控制技术,2、机器人控制系统的构成,2.2.2 机器人运动控制级软件:用于对机器人进行轨迹控制、插补和坐标变换。接受示教系统送来的各示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的示教（关节）坐标值转换成直角坐标值存入计算机内存，机器人在再现状态时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值
12、，按一定的时间节拍（又称采样周期）对它进行圆弧或直线插补运算，算出各插补点的位置和姿态坐标值，这就是路径规划生成。然后逐点地把各插补点的位置和姿态坐标值转换成关节坐标值，分送各个关节。为了控制机器人在被示教的作业点之间按照机器人语言所描述的指定轨迹运动，必须计算配置在机器人各关节处马达的控制量。,2.2 机器人软件系统的构成及其控制技术,2、机器人控制系统的构成,2.2.3 周边装置控制级软件:包括机器人运动控制、夹具气缸控制、各种外部信号控制以及其它辅助周边设备控制等等。PLC的输入/输出点在PLC程序的控制下，在各种外部控制信号的作用下，将输出控制信号发送到各执行器件上，用以实现各种理想的
13、运动过程。,2.2 机器人软件系统的构成及其控制技术,2、机器人控制系统的构成,2.2.4 基于传感器下的轨迹修正控制:工业机器人的控制器大都采用二级计算机结构。第一级计算机的任务是规划和管理，机器人示教时，系统接受示教点位置和姿态信息、运动参数和工艺参数，并通过计算把各点的坐标值存入计算机内存里；机器人再现时，从内存中逐点取出其位置和姿态坐标值，通过对其进行圆弧或直线插补运算，生成路径规划。然后把各插补点的位置和姿态值转换成关节坐标值，分送各个关节。第二级计算机是执行计算机，它的任务是进行伺服马达闭环控制。它接收了第一级计算机送来的各关节下一步期望达到的位置和姿态后，又作一次均匀细分，以求运
14、动轨迹更为平滑。然后将各关节下一细步期望值逐点送给驱动马达，同时检测光电码盘信号，直到其准确到位。,3.1 示教操作盒,3、机器人控制器的组成,以日本OTC生产的AX-C型机器人为例,急停按钮,选择开关,f 键,f 键,示教操作盒外观,操作键,英文版本操作盒外观,3、机器人控制器的组成,3.1.1 示教盒的功能与作用:示教盒主要提供一些操作键、按钮、开关等，其目的是能够为用户编制程序、设定变量时提供一个良好的操作环境，它既是输入设备，也是输出显示设备，同时还是机器人示教的人机交互接口。在示教过程中，它将控制机器人的全部动作，事实上它是一个专用的功能终端，它不断扫描盒上的功能和数字键、操纵杆，并
15、将其全部信息送入控制器存储器中。主要有以下功能：1.手动操作机器人的功能；2.位置、命令的登录和编辑功能；3.示教轨迹的确认功能。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能（主要分为四类）:1.示教功能键：如示教/再现、存入、删除、修改、检查、回零、直线 插补、圆弧插补等，为示教编程用；2.运动功能键：如X移动、Y 移动、Z 移动、16关节转动 等，为操纵机器人示教用；3.参数设定键：如各轴速度设定、焊接参数设定、摆动参数设定等；4.f 特殊功能键：根据功能键所对应的相应功能菜单，从而打开各种 不同的子菜单，并确定相应不同的控制功能。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操
16、作键的功能:由于原NACHI公司产AW机器人控制器与DAIHEN公司产EX机器人控制器不同，因此同一个操作键的功能会有一些差异。当功能不同时，分别用NACHI或DAIHEN表示出来。（如果功能键没有NACHI或DAIHEN的标识，那么两种机器人的这个功能键用法完全一样。,:使能带绿色标记的操作键或f键。,:操作机构选择键。还可与【ENABLE】键一起使用手动选择单元。,:手动协调运动选择/释放操作键。可与【ENABLE】一起使用。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:选择/切换坐标系。每按一次，就在轴坐标系、直角坐标系（或用户坐标系）、工具坐标系中完成一次切换。与【EN
17、ABLE】一起使用时，可选择差补运动类型。每按一次，差补运算类型（点对点运动类型、直线差补运动类型、圆弧差补运动类型）就改变一次。,:手动运行速度的转换。1-5种速度，(数值越大，速度越快)。与【ENABLE】一起使用时，可改变块操作时的运行速度。此速度在进行块前进/后退时选择。每按一次，1-5种速度切换，（数值越大，速度越快）。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:多个显示窗口/画面的选择/移动。与【ENABLE】一起使用时，关闭选择的窗口/画面。,:轴移动操作键。单独使用这些键时，没有任何功能。在与【Deadman switch】一起使用时，可以操作轴的运动。手动移
18、动机器人。如果需要移动辅助轴时，必须使用【UNIT/MECHANISM】预先设定操作目标。,:块操作连续与不连续转换。与【ENABLE】一起使用时，自动运行停止（与暂停按钮功能相同）。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:示教程序前/后移动执行键。单独按压此键，无任何功能。与【Deadman switch】一起使用时有效，每按一次执行一步程序；如同时按住【STOP/CONTINUOUS】按钮可连续运行示教程序。,:单独按压此键，可以记录运动指令及位置点。与【ENABLE】一起使用时，可以覆盖运动指令。NACHI:记录位置、速度和搭接精度都可以分别使用【MOD Posit
19、ion】,【SPD】,【ACC】来进行修订。DAIHEN:记录运动指令位置可以使用【MOD Position】来修订。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:单独按压此键，没有任何功能。与【ENABLE】一起使用时，可以插入运动指令。NACHI:运动命令插入在当前步序“前”。DAIHEN:运动命令插入在当前步序“后”。,:点焊系统时，单独按压此键，可设置点焊焊接指令。每按一次，就在ON/OFF转换。与【ENABLE】一起使用，可插入运动指令。弧焊系统时，单独按压此键，可选择指令。选择“简易示教模式”，允许你选择运动指令、焊接起弧/收弧指令和简易示教下频繁使用的一些功能指令
20、。与【ENABLE】一起使用，没有任何功能。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:修改机器人当前位置功能键。单独按压此键，没有任何功能。与【ENABLE】一起使用时，位置点被修改。,:显示帮助文件。按压此键，则相关操作或功能的帮助文件将会被显示出来。,:删除当前步运动指令或功能指令。单独按压此键，没有任何功能。与【ENABLE】一起使用，可删除一步或多步指令。,:清除输入或返回到初始设置屏幕，它也是R代码输入键，可以用于快捷输入R代码。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:单独按压此键，可到达你所希望的那一步。与【ENABLE】一起使用，输入你所
21、需的程序号，可以产生新程序或者调用一个已经存在的程序。,:该键用来确认你所选择的菜单或你所输入数字的内容。,:单独按压此键，可直接调用“SETM”功能键命令。FN105与【ENABLE】一起使用时，外部信号被手动设置位ON/OFF。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:箭头键。单独按压此键，可以移动光标。与【ENABLE】一起使用，可移动或改变当前页。当编辑一个程序画面时，按该组合键可以一次多行上下移动。当在一个【service】或【constant】设置屏时，可在水平方向上切换需要显示的项。在示教或再现模式下，可以改变当前步。,:在示教模式下，直接输入等待ON信号的功
22、能键命令FN525。,:在示教模式下，直接输入定时器功能键命令FN50。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:NACHI常用来修订记录运动命令的速度。DAIHEN常用来设定运动命令的速度(设置将影响到记录位置的状态)。【SPD】功能可通过【Constant Setting】【5 Operation Contants】【1 Operation condition】【5 Usage of SPD key】来选择。,:NACHI常用来修订记录运动命令的搭接精度。DAIHEN常用来设定运动命令的搭接精度(设置将影响到记录位置的状态)。【ACC】功能可通过【Constant Se
23、tting】【5 Operation Contants】【1 Operation condition】【6 Usage of ACC key】来选择。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:单独按压此键，可输入数字符号。当【0】与【ENABLE】一起使用时，“+”输入；当【1】与【ENABLE】一起使用时ON被输入；当【2】与【ENABLE】一起使用时OFF被输入。当【3】与【ENABLE】一起使用时撤销上一步删除的内容。当【】与【ENABLE】一起使用时，“-”输入。,:该键用来选择功能键命令。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:单独按压此键，
24、将删除光标前的数字或字符，它也常常用来释放对文件操作的选择。与【ENABLE】一起使用时，立即取消上一步的操作，改变前的数据重新被存储。它仅在产生一个新的或编辑一个已经存在的程序时有效。,:该键用来打开程序编辑屏幕。在程序编辑屏幕里，主要的功能命令可以被改变，增加、删除，运动命令参数可以改变。,:如果示教盒上同时具有触摸屏的功能时，按该键可以打开触摸屏画面。,3、机器人控制器的组成,3.1.2 示教盒操作键的功能:,:f功能键。该组键常常依据示教盒两边的LCD指定的图标来进行选择。,3、机器人控制器的组成,3.1.3 f功能键的使用:,f 键的使用，是依据示教盒两边的LCD指定的图标来进行选择
25、，依据示教盒进行各种操作的不同，示教盒两边的LCD指定图标也是不同的，因此，操作的意义也暂时不一样。一般情况而言，按f1f12键就可以选择一个功能，但是，对于某些功能需要与【ENABLE】配合使用才能选择一个功能。,3、机器人控制器的组成,3.1.4 开关按钮的使用:,3.1.4.1 急停开关 当此按钮按下时，机器人立即处于紧急停止状态，同时各机械手臂上的伺服控制器同时下电，机器人处于工作瘫痪状态。3.1.4.2 选择开关 与操作盒或操作面板上的【Mode selecter switch】配合，进行选择示教模式或者再现模式。3.1.4.3【Deadman switch】该开关只在示教模式下操作
26、机器人时才有效。在开关被抓住时机器人才可进行手动操作。紧急情况下，释放该开关，机器人将立刻停止。,3、机器人控制器的组成,3.1.4 开关按钮的使用:,3.1.4.1 急停开关 当此按钮按下时，机器人立即处于紧急停止状态，同时各机械手臂上的伺服控制器同时下电，机器人处于工作瘫痪状态。3.1.4.2 选择开关 与操作盒或操作面板上的【Mode selecter switch】配合，进行选择示教模式或者再现模式。3.1.4.3【Deadman switch】该开关只在示教模式下操作机器人时才有效。在开关被抓住时机器人才可进行手动操作。紧急情况下，释放该开关，机器人将立刻停止。,3、机器人控制器的组成,3.1.4 开关按钮的使用:,3.1.4.1 急停开关 当此按钮按下时，机器人立即处于紧急停止状态，同时各机械手臂上的伺服控制器同时下电，机器人处于工作瘫痪状态。3.1.4.2 选择开关 与操作盒或操作面板上的【Mode selecter switch】配合，进行选择示教模式或者再现模式。3.1.4.3【Deadman switch】该开关只在示教模式下操作机器人时才有效。在开关被抓住时机器人才可进行手动操作。紧急情况下，释放该开关，机器人将立刻停止。,
