第一章工業(yè)機器人基礎

1ppt課件第一章工業(yè)機器人基礎

1ppt課件工作空間工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務時，其手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能掠過的空間，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。目前，單體工業(yè)機器人本體的工作范圍可達3.5m

左右。2ppt課件工作空間工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務時MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人，屬于垂直多關節(jié)型機器人。圖2-6圖2-7為此種機器人的工作范圍。3ppt課件MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人，屬于垂直多關節(jié)2.2.3額定速度額定速度機器人在保持運動平穩(wěn)性和位置精度的前提下所能達到的最大速度合成速度其某一關節(jié)運動的速度稱為單軸速度，由各軸速度分量合成的速度額定負載機器人在額定速度和規(guī)定性能范圍內，末端執(zhí)行器所能承受負載的允許值極限負載在限制作業(yè)條件下，為了保證機械結構不損壞，末端執(zhí)行器所能承受負載的最大值

對于結構固定的機器人，其最大行程為定值，因此額定速度越高，運動循環(huán)時間越短，工作效率也越高。而機器人每個關節(jié)的運動過程一般包括啟動加速、勻速運動和減速制動三個階段。如果機器人負載過大，則會產(chǎn)生較大的加速度，造成啟動、制動階段時間增長，從而影響機器人的工作效率。對此，就要根據(jù)實際工作周期來平衡機器人的額定速度。4ppt課件2.2.3額定速度額定速度機器人在保持運動平穩(wěn)性和位置精度2.2.3承載能力D加速度的方向A負載的質量B速度大小和方向C加速度的大小

承載能力是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，通?？梢杂觅|量、力矩或慣性矩來表示。承載能力不僅取決于負載的質量，而且與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。一般低速運行時，承載能力強。為安全考慮，將承載能力這個指標確定為高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅指負載質量，還包括機器人末端操作器的質量。5ppt課件2.2.3承載能力D加速度的方向A負載的質量B速度大小和方分辨率機器人的分辨率由系統(tǒng)設計檢測參數(shù)決定，并受到位置反饋檢測單元性能的影響。分辨率可分為編程分辨率與控制分辨率。是指程序中可以設定的最小距離單位，又稱為基準分辨率。

例如：當電機旋轉0.1度，機器人腕點（手尖端點）移動的直線距離為0.01mm時，其基準分辨率為0.01mm。1、編程分辨率6ppt課件分辨率機器人的分辨率由系統(tǒng)設計檢測參數(shù)決定，并受到位是指位置反饋回路能檢測到的最小位移量。

當編程分辨率與控制分辨率相等時，系統(tǒng)性能達到最高。2、控制分辨率7ppt課件是指位置反饋回路能當編程分辨率與控制分辨率相2.2.5工業(yè)機器人的精度

指機器人末端操作器的實際位置與目標位置之間的偏差，由機械誤差、控制算法誤差與系統(tǒng)分辨率等部分組成。定位精度

指在相同環(huán)境、相同條件、相同目標動作、相同命令的條件下，機器人連續(xù)重復運動若干次時，其位置會在一個平均值附近變化，變化的幅度代表重復定位置精度，是關于精度的一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)。因重復定位精度不受工作載荷變化的影響，所以通常用重復定位精度這個指標作為衡量示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人水平的重要指標。重復定位精度

機器人的精度主要體現(xiàn)在定位精度和重復定位精度兩個方面。8ppt課件2.2.5工業(yè)機器人的精度指機器人末端操作器的實際如圖2-8所示，為重復定位精度的幾種典型情況：圖a為重復定位精度的測定；圖b為合理的定位精度，良好的重復定位精度；圖c為良好的定位精度，很差的重復定位精度；圖d為很差的定位精度，良好的重復定位精度。9ppt課件如圖2-8所示，為重復定位精度的幾種典型情況：圖a為重復定位此圖涉及到隨機概率分布函數(shù)的問題，不宜在中職和高職階段過多介紹10ppt課件此圖涉及到隨機概率分布函數(shù)的問題，不宜在中職和高職階段過多介可以用扔飛鏢的例子來說明：這叫定位精度差，但重復定位精度好。這叫定位精度好，但重復定位精度差。11ppt課件可以用扔飛鏢的例子來說明：這叫定位精度差，但重復定位精度好。MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人各項技術參數(shù)12ppt課件MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人各項技術參數(shù)122.1工業(yè)機器人的基本組成第一代工業(yè)機器人主要由以下幾部分組成：操作機、控制器和示教器。對于第二代及第三代工業(yè)機器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別由

傳感器及軟件實現(xiàn)。操作機控制器示教器13ppt課件2.1工業(yè)機器人的基本組成第一代工業(yè)機器人主要2.1.1操作機（機器人本體）

操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構。

它主要由機械臂、驅動裝置、傳動單元及內部傳感器等部分組成。關節(jié)型機器人操作機基本構造伺服電機減速器腕關節(jié)

小臂肘關節(jié)

手腕

大臂

連接法蘭皮帶傳動腰部肩關節(jié)

腰關節(jié)

基座

▲機器人操作機的每個關節(jié)均

采用1個交流伺服馬達驅動

14ppt課件2.1.1操作機（機器人本體）操作機（或稱機器人的六個軸：J1：腰部電機J2：肩部電機J3：肘部俯仰電機J4：肘部回轉電機J5：碗部俯仰電機J6：碗部回轉電機15ppt課件機器人的六個軸：15ppt課件2.1.2控制器（控制柜）工業(yè)機器人控制器是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號，支配操作機完成規(guī)定運動和功能的裝置。它是機器人的關鍵和核心部分。16ppt課件2.1.2控制器（控制柜）工業(yè)機器人控制器是根據(jù)機器人的作基本功能：示教、記憶、位置伺服、坐標設定等。開發(fā)程度：封閉型、開放型和混合型。

目前基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系）或者混合型系統(tǒng)（如歐系）控制方式：集中式控制和分布式控制17ppt課件基本功能：示教、記憶、位置伺服、坐標設定等。17ppt課件2.1.3示教器亦稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成?？捎刹僮髡呤殖忠苿?。它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都是通過它來完成的。示教器實質上就是一個專用的智能終端。18ppt課件2.1.3示教器亦稱示教編程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操串口通信模塊①示教器S6S0S6S5S1S2S3S4主控制模塊運動控制模塊驅動模塊③操作機示教器的數(shù)據(jù)流關系19ppt課件串口通信模塊①示教器S6S0S6S5S1S2S3S4主控制模

機器人的技術參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設計、應用機器人必須考慮的問題。機器人的主要技術參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。2.2工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)20ppt課件20ppt課件2.2.1自由度1.機器人自由度定義機器人的自由度是指當確定機器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，不包括手部開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要6個自由度，但自由度數(shù)目越多，機器人結構就越復雜，控制就越困難，所以目前機器人常用的自由度數(shù)目一般不超過7個。自由度是機器人的一個重要技術指標，可用軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(shù)目來表示。21ppt課件2.2.1自由度1.機器人自由度定義21ppt課件2．機器人自由度的選擇（1）一般自由度的選擇機器人的自由度是根據(jù)機器人的用途來設計的，人們希望機器人能以準確的方位把它的末端執(zhí)行部件或與它連接的工具移動到指定點。如果機器人的用途是未知的，那么它應當具有6個自由度；機器人自由度數(shù)目越多，動作越靈活，通用性越強，但是結構則更復雜，剛性也差；如果工具本身具有某種特別結構，那么就可能不需要6個自由度。22ppt課件2．機器人自由度的選擇22ppt課件（2）冗余自由度機器人的自由度多于為完成任務所必需的自由度時，多余的自由度稱為冗余自由度。設置冗余自由度，主要是使機器人具有一定的避障能力。從理論上講，具有6個自由度的機器人在其工作空間內可達到任意位置和姿態(tài)，但由于奇異位形存在，一些關節(jié)運動到相應位置時，會使機器人自由度退化，失去一個或幾個自由度；再加上在工作空間可能存在的障礙，機器人就無法滿足工作要求。具有冗余自由度的機器人就有能夠克服奇異位形，避開障礙、克服關節(jié)運動限制和改善動態(tài)特性的功能，它能充分提高機器人的工作能力，在運動和動態(tài)性能方面具有無可比擬的優(yōu)越性。如圖2-5所示，為手臂型七自由度關節(jié)式機器人。23ppt課件（2）冗余自由度23ppt課件24ppt課件24ppt課件2.2.2工作空間工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務時，其手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能掠過的空間，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。目前，單體工業(yè)機器人本體的工作范圍可達3.5m左右。25ppt課件2.2.2工作空間工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人，屬于垂直多關節(jié)型機器人。圖2-6圖2-7為此種機器人的工作范圍。26ppt課件MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人，屬于垂直多關節(jié)2.3坐標系機器人是由運動軸和連桿組成的，而其運動方式是在不同的坐標系下進行的，為了掌握機器人的示教方法，應首先了解機器人的坐標系及各運動軸在不同坐標系的運動。主要有：關節(jié)坐標系絕對坐標系(直角坐標系)圓柱坐標系工具坐標系用戶坐標系2.3.1簡介27ppt課件2.3坐標系機器人是由運動軸和連桿組成的，關節(jié)坐標系機器人每個軸均可以獨立地正向或反向轉動，關節(jié)坐標系是機器人各關節(jié)

上固定的坐標系，用于確定機器人的關節(jié)角?；鴺讼祷鴺讼凳且粋€固定定義的直角坐標系，位于位于機器人基座。它是最便

于機器人從一個位置移動到另一個位置的坐標系。世界坐標系世界坐標系是固定定義的直角坐標系，默認世界坐標系與基坐標系重合。世界坐標系可定義機器人單元，所有其他的坐標系均與世界坐標系直接或間接相關。它適用于微動控制、一般移動以及處理具有若干機器人或外軸移動機器人的工作站和工作單元。28ppt課件關節(jié)坐標系28ppt課件工具坐標系工具坐標系是一個直角坐標系，位于工具上。它是與機器人工具固連的笛卡爾坐標系，隨機器人的運動而改變。通常是最適于對機器人進行編程的坐標系。用戶坐標系用戶坐標系是一個直角坐標系，用來說明工件的位置。29ppt課件工具坐標系29ppt課件2.3.2分類介紹關節(jié)坐標系機器人由多個運動關節(jié)組成，機械手的每一個軸都可以進行獨立的操作，各個關節(jié)都可以獨立運動，如圖4-14所示。對運動范圍大且不要求機器人末端姿態(tài)的情況，建議選用關節(jié)坐標系。在關節(jié)坐標系下，每個軸可單獨運動，通過示教器上相應的鍵控制機器人的各個軸示教，其運動方式見表4-1。圖4-14關節(jié)坐標系下各個軸的運動30ppt課件2.3.2分類介紹關節(jié)坐標系圖4-14關節(jié)坐標系下各個表4-1關節(jié)坐標系下機器人的運動方式31ppt課件表4-1關節(jié)坐標系下機器人的運動方式31ppt課件2.絕對坐標系如圖4-15所示，絕對坐標系的原點定義為機器人的安裝面和第一轉動軸的交點。X軸向前，z軸向上，y軸按右手規(guī)則定義。在絕對坐標系下，機器人末端軌跡沿定義的X、Y、Z方向運動，其運動方式見表4-2。圖4-15工業(yè)機器人絕對坐標系32ppt課件2.絕對坐標系圖4-15工業(yè)機器人絕對坐標系32ppt課表4-2絕對坐標系下機器人的運動方式33ppt課件表4-2絕對坐標系下機器人的運動方式33ppt課件3.世界坐標系圖4-16所示，世界坐標系默認與基坐標系重合，位于機器人底部，可通過配置軟件更改。其運動方式見表4-30。圖4-16工業(yè)機器人世界坐標系34ppt課件3.世界坐標系圖4-16工業(yè)機器人世界坐標系34ppt課4.工具坐標系圖4-17所示，工具坐標系定義在工具尖，并且假定工具的有效方向為Z軸，x軸垂直于工具平面，y軸由右手規(guī)則產(chǎn)生，如圖4-17所示。標定了工具相對于法蘭(指的是末端最后第6軸的法蘭凸緣盤的位置和姿態(tài))，如圖4-18所示。這里特別注意，姿態(tài)一定不能遺漏。在工具坐標系中，機器人末端軌跡沿工具坐標的X、Y、Z軸方向運動，機器人的運動方式見表4-40圖4-17工具坐標系及各軸的運動35ppt課件4.工具坐標系圖4-17工具坐標系及各軸的運動35pp表4-4工具坐標系下機器人的運動方式36ppt課件表4-4工具坐標系下機器人的運動方式36ppt課件5.用戶坐標系用戶坐標系是用戶根據(jù)工作的需要，自行定義的坐標系，用戶可根據(jù)需要定義多個坐標系，如圖4-19所示。用戶自定義可以方便的量測工作區(qū)間中各點的位置并加以任務安排，且更符合人的直觀。在用戶坐標系下，機器人末端軌跡沿用戶自己定義的坐標軸方向運動，其運動方式見表4-5。圖4-19用戶坐標系及各軸的運動37ppt課件5.用戶坐標系圖4-19用戶坐標系及各軸的運動37pp表4-5用戶坐標系下機器人的運動方式38ppt課件表4-5用戶坐標系下機器人的運動方式38ppt課件2.3.3TCP運動軌跡

TCP為加上工具后工具的末端點機器人的工作其實就是實現(xiàn)TCP點在空間中完成預定或指定的運動軌跡TCP。

（工具控制點）固定功能:除了關節(jié)坐標系外，在其他坐標系下都有TCP固定功能，即在工具控制點位置保持不變的情況下，只改變工具的方向(姿態(tài))。在TCP固定功能下各軸的運動方式見下表。

39ppt課件2.3.3TCP運動軌跡TCP為加上工具后工具的末端2.3.4奇異點1、奇異位形及其不良影響

也稱特殊位形，是機器人機構的一個重要的運動學特性，它是指機械手的

工作空間中，手部參考點不能實現(xiàn)沿任意方向的微小位移或轉動時相應機械手的位形。

當機械手運動到奇異位置時，產(chǎn)生的不良影響主要表現(xiàn)在如下的三個方面：（1）使機械手實際操作自由度減少，從而手部無法實現(xiàn)沿著某些方向的運

動，同時減少了獨立的內部關節(jié)變量數(shù)目。（2）某些關節(jié)角速度趨向無窮大，引起機械手失控，導致執(zhí)行器偏離了規(guī)定的軌跡。（3）使雅克比矩陣退化，從而所有包括雅克比的求逆控制方案無法實現(xiàn)，因此奇異性是機器人工作空間一個不可忽視的問題。40ppt課件2.3.4奇異點1、奇異位形及其不良影響40ppt課件2、奇異點的本質

機器人運動其實是電機的轉動帶動機械運動，關鍵問題在于如何將電機的轉動轉換到機器人TCP點的空間運動。

從機器人每個軸的角度計算出TCP點的位置坐標是正解，逆解反之。

奇異點既機器人在進行逆解過程時出現(xiàn)的矩陣退化導致多解。簡單理解就是通過TCP點算不出來關節(jié)角。41ppt課件2、奇異點的本質41ppt課件3、三種奇異位置

在標準的軸運動