工業(yè)機(jī)器人一、工業(yè)機(jī)器人的定義所謂“機(jī)器人”(Robot)就是一種自動(dòng)裝置，它能完成通常由人才能完成的工作。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的機(jī)器人我們稱為工業(yè)機(jī)器人。

通常對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義是：工業(yè)機(jī)器人是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作,按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求,實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操作工具的自動(dòng)化裝置。第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述二、工業(yè)機(jī)器人的組成

·組成--一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等三部分。1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)--是一種具有和人手臂有相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其它操作的機(jī)械裝置，通常包括機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。2.控制系統(tǒng)--用來(lái)控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定要求動(dòng)作。3.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)--按照控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。4.傳感系統(tǒng)--傳感系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的重要組成部分,是將機(jī)器人、工作對(duì)象及環(huán)境的信息傳遞給控制器,用于機(jī)器人的智能控制。第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述三、工業(yè)機(jī)器人的分類·分類--按坐標(biāo)形式、控制方式和信息輸入方式等。1.按坐標(biāo)形式分類即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。（1）直角坐標(biāo)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)：位置精度最高，控制無(wú)耦合，比較簡(jiǎn)單，避障性好。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差。第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述（2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)：位置精度較高，控制簡(jiǎn)單，避障性好。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)龐大。（3）極坐標(biāo)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，控制簡(jiǎn)單，避障性好。缺點(diǎn)：存在平衡問(wèn)題。第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述（4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)：工作范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好。缺點(diǎn)：位置精度較低，存在平衡問(wèn)題，控制耦合比較復(fù)雜。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)組合2.按控制方式分類（1）點(diǎn)位控制(PointtoPoint)機(jī)器人其運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的直線運(yùn)動(dòng)，不涉及兩點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡，只在目標(biāo)點(diǎn)處控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。這種控制方式簡(jiǎn)單，適用于上下料、點(diǎn)焊等作業(yè)。（2）連續(xù)軌跡控制（ContinuousPath）機(jī)器人其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機(jī)器人在空間的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都要控制，末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述3.按信息輸入方式分類（1）人操作機(jī)械手：是一種由操作人員直接進(jìn)行操作的具有幾個(gè)自由度的機(jī)械手。（2）固定程序機(jī)器人：按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí)行給定的作業(yè)任務(wù)的機(jī)械手。（3）可變程序機(jī)器人：它與固定程序機(jī)器人基本相同，但其工作次序等信息易于修改。（4）程序控制機(jī)器人：它的作業(yè)任務(wù)指令是由計(jì)算機(jī)程序向機(jī)器人提供的，其控制方式與數(shù)控機(jī)床一樣。（5）示教再現(xiàn)機(jī)器人：能夠按照記憶裝置存儲(chǔ)的信息來(lái)復(fù)現(xiàn)由人示教的動(dòng)作。其示教動(dòng)作可自動(dòng)地重復(fù)執(zhí)行。（6）智能機(jī)器人：采用傳感器來(lái)感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述四、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) （1）提高工作速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少自身重量和占地面積。（2）加快機(jī)器人部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將各種功能（回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰、擺動(dòng)等）機(jī)械模塊與控制模塊、檢測(cè)模塊組合成結(jié)構(gòu)和用途不同的機(jī)器人。（3）采用新型結(jié)構(gòu)，如微動(dòng)機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)手臂、類人手指、新型行走機(jī)構(gòu)等，以適應(yīng)各種作業(yè)需要。（4）研制各種傳感檢測(cè)裝置，如視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和測(cè)距傳感器等，來(lái)獲取有關(guān)工作對(duì)象和外部環(huán)境的信息，使其具有模式識(shí)別的能力。（5）利用人工智能的推理和決策技術(shù)，使機(jī)器人具有問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃等功能。第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述機(jī)器人實(shí)例機(jī)器人實(shí)例第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述機(jī)器人實(shí)例第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述機(jī)器人實(shí)例第一節(jié)工業(yè)機(jī)器人概述第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)·機(jī)械系統(tǒng)--又稱機(jī)械操作臂，主要由末端執(zhí)行器、手腕、手臂和機(jī)座組成；·驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)--主要有電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械等四種方式。一、機(jī)械操作臂

1.末端執(zhí)行器·功用--直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)；·類型--可分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。（1）機(jī)械式夾持器第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（2）吸附式末端執(zhí)行器（3）多指靈巧手2.手腕

手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變端末執(zhí)行器方位，因此一般由三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。3.手臂·手臂是機(jī)械操作臂中的重要部件，它的作用是把物料運(yùn)送到工作范圍內(nèi)的給定位置上。·常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)及復(fù)合驅(qū)動(dòng)等。第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.機(jī)座·作用--起支承作用；·類型--可分為固定式和移動(dòng)式兩類。第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二、工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.機(jī)械式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在重量大、動(dòng)作平滑性差和噪聲大等缺點(diǎn)。第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.液壓式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 液壓傳動(dòng)的機(jī)器人具有很大的抓取能力，可高達(dá)上百公斤，油壓可達(dá)7MPa。4.電氣式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電氣驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)器人采用最多的一種驅(qū)動(dòng)形式。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),后來(lái)發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī),現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。第二節(jié)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.氣壓式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

氣壓式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本原理與液壓式的相同,但傳遞介質(zhì)是氣體。第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)工業(yè)機(jī)器人的主要任務(wù)就是精確和可重復(fù)地將末端執(zhí)行器從一個(gè)方位移到另一個(gè)方位，與傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的控制大致相同，但機(jī)器人的負(fù)載、慣量、重心都隨時(shí)間發(fā)生變化，不僅要考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系還要考慮動(dòng)力學(xué)因素，且它是一個(gè)多變耦合的控制系統(tǒng)，這樣機(jī)器人的控制系統(tǒng)有其特殊性和復(fù)雜性。一、概述1.機(jī)器人控制系統(tǒng)的分類 （1）按控制運(yùn)動(dòng)的方式分--關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制

--圓柱坐標(biāo)空間控制

--直角坐標(biāo)空間控制（2）按軌跡控制方式分 --點(diǎn)位控制

--連續(xù)軌跡控制（3）按速度控制方式分 --速度控制

--加速度控制 --力控制（4）按發(fā)展階段分 --程序控制系統(tǒng) --適應(yīng)性控制系統(tǒng) --人工智能控制系統(tǒng)第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)

2.機(jī)器人控制的主要變量

·方位變量X(t)--表示某一時(shí)刻末端執(zhí)行器在空間的實(shí)時(shí)方位；·關(guān)節(jié)變量

i(t)--表示關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角；·力矩變量C(t)—表示使關(guān)節(jié)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角的力矩；·電機(jī)力矩變量T(t)—表示提供的驅(qū)動(dòng)力矩；·電壓變量V(t)—表示使電機(jī)產(chǎn)生力矩所需的電壓。因此，控制實(shí)質(zhì)就是：

V(t)←→T(t)←→C(t)←→

i(t)←→X(t)通過(guò)對(duì)這些變量的控制，修正機(jī)器人的末端執(zhí)行器的狀態(tài)，使其能夠抓取物料A。第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)3.機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成

機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種分級(jí)的控制系統(tǒng)，它由作業(yè)控制器、運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)控制器三級(jí)組成。--作業(yè)控制器：根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)，依次發(fā)出相應(yīng)的作業(yè)命令。同時(shí)，對(duì)制造系統(tǒng)來(lái)的外部信息進(jìn)行處理。--運(yùn)動(dòng)控制器：對(duì)于連續(xù)軌跡控制，接受作業(yè)控制器來(lái)的作業(yè)命令，將其轉(zhuǎn)化為各運(yùn)動(dòng)關(guān)系的動(dòng)作指令，再送給驅(qū)動(dòng)控制器。在點(diǎn)位控制中，作業(yè)控制器的信號(hào)直接送給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。--驅(qū)動(dòng)控制器：在機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)都由驅(qū)動(dòng)控制器控制。第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)二、機(jī)器人的位置、姿態(tài)和路徑問(wèn)題

1.機(jī)器人的位置、方位和姿態(tài)的描述方法

機(jī)器人是一個(gè)空間機(jī)構(gòu)，可以采用空間坐標(biāo)變換原理以及坐標(biāo)變換的矩陣解析方法來(lái)建立描述各構(gòu)件之間相對(duì)位置和姿態(tài)的矩陣方程。(1)位置描述在描述機(jī)器人各構(gòu)件及物料之間的關(guān)系時(shí)，首先建立各種坐標(biāo)系，用位置矢量描述空間某一點(diǎn)的位置。對(duì)于直角坐標(biāo)系｛A｝，空間任意點(diǎn)P的位置表示為：

P=(xp,yp,zp)T第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)（2）方位描述即確定機(jī)器人構(gòu)件的方位。首先建立一個(gè)以該構(gòu)件為基礎(chǔ)的直角坐標(biāo)系｛B｝，用坐標(biāo)系｛B｝的三個(gè)單位主矢量相對(duì)于參考坐標(biāo)系｛A｝的方向余弦組成的3×3矩陣來(lái)表示構(gòu)件B相對(duì)于坐標(biāo)系｛A｝的方位。第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)（3）坐標(biāo)系用以描述各個(gè)構(gòu)件在空間的位置和方位。1）絕對(duì)坐標(biāo)系：是參照工作現(xiàn)場(chǎng)基面的坐標(biāo)系，也是機(jī)器人所有構(gòu)件的公共參考坐標(biāo)系；2）機(jī)座坐標(biāo)系：是參照機(jī)器人機(jī)座的坐標(biāo)系，也是機(jī)器人所有活動(dòng)構(gòu)件的公共參考坐標(biāo)系；3）構(gòu)件坐標(biāo)系：是參照機(jī)器人指定構(gòu)件的坐標(biāo)系，也是在每個(gè)活動(dòng)構(gòu)件上固定的坐標(biāo)系，隨構(gòu)件運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。（4）位姿描述機(jī)器人構(gòu)件的位姿是指在該構(gòu)件的特征點(diǎn)上（重心或幾何中心）建立坐標(biāo)系｛B｝，在｛B｝坐標(biāo)系中描述的該構(gòu)件方位就是位姿。第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)

2.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)描述

機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一系列桿件由關(guān)節(jié)組合起來(lái)的，用矩陣A描述兩桿件之間的位姿，而用矩陣T描述某一桿件與機(jī)座的位姿。可以得到方程（機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程）：T1=A1T2=A1A2T3=A1A2A3………T6=A1A2A3A4A5A6

3.機(jī)器人的路徑規(guī)劃

機(jī)器人在工作范圍內(nèi)完成某一任務(wù)，末端執(zhí)行器必須按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡的形成方法：首先給定軌跡上的若干點(diǎn)，將這些點(diǎn)通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間中，對(duì)關(guān)節(jié)空間中的這些相應(yīng)點(diǎn)建立路徑的數(shù)學(xué)方程，然后按數(shù)學(xué)方程對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，從而得到運(yùn)動(dòng)軌跡，上述整個(gè)過(guò)程就是機(jī)器人的路徑規(guī)劃。在路徑規(guī)劃時(shí)要考慮下面幾個(gè)問(wèn)題：

1）建立末端執(zhí)行器的起始位姿和目標(biāo)位姿；

2）區(qū)分末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)方式（點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、連續(xù)路徑運(yùn)動(dòng)、輪廓運(yùn)動(dòng)）；

3）在機(jī)器人所有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的路徑上是否有障礙物；

4）根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，選擇插補(bǔ)運(yùn)算方式。第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)三、機(jī)器人的控制技術(shù)

1.機(jī)器人示教再現(xiàn)控制

通過(guò)示教盒或手把手將動(dòng)作順序、速度、位置等信息預(yù)先教給機(jī)器人。第三節(jié)工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)2.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人末端執(zhí)行器從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的過(guò)程中,對(duì)其位置、速度和加速度的控制。3.機(jī)器人的自適應(yīng)控制機(jī)器人依據(jù)從周圍環(huán)境所獲得的信息來(lái)修正對(duì)其自身的控制。4.機(jī)器人的智能控制無(wú)需人的干預(yù)就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制方式。機(jī)器人控制第四節(jié)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例一、切削加工機(jī)器人切削加工機(jī)器人是用于自由曲面打磨和拋光的加工設(shè)備，