工業(yè)機器人

技術基礎

第1章工業(yè)機器人概述

1.1工業(yè)機器人的基礎知識

錄1.2工業(yè)機器人的基本組成與技術參數(shù)

CONTENT

1.3工業(yè)機器人的典型應用

1掌握工業(yè)機器人的定義及特點。

2了解工業(yè)機器人的歷史與發(fā)展。

3掌握在不同分類方式下，工業(yè)機器人的結(jié)

構(gòu)與特征。

4掌握工業(yè)機器人的基本組成及技術參數(shù)。

5了解工業(yè)機器人的典型應用。

2.擬人化

工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的大臂、小臂、手腕、手爪等部分。通過類似

于人類大腦的電腦來控制其運動。此外，智能化工業(yè)機器人還有許多“生物傳感器”，

如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器等，這些傳

感器提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應能力

3.通用性

除了專門設計的專用工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的胃

作業(yè)任務時具有較好的通用性，只需更換其末端執(zhí)行器（手爪、工具等）/八，

便可。及

4.涉及學科廣泛網(wǎng)

工業(yè)機器人技術實質(zhì)上是機械學和微電子學的結(jié)合一一機電一體化技術。

1.1.2工業(yè)機器人的歷史與發(fā)展趨勢

1.工業(yè)機器人的歷史

1J前芽階段（20世紀40—50年代）

1954年，美國發(fā)明家德沃爾對工業(yè)機器人的概念進行了定義，并申請了專利。

1959年，德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫?英格伯格聯(lián)手制造出世界第一臺工業(yè)機

器人Unimate（見圖1?1）,使工業(yè)機器人的歷史真正拉開了帷幕。

圖1-1Unimate機器人

2J切級階段（20世紀60—70年代）

1961年，德沃爾的Unimaiion公司為通用汽車生產(chǎn)線安裝了第一臺用于生產(chǎn)的工

業(yè)機器人，它主要用于生產(chǎn)門窗把手、換擋旋鈕、燈具和其他汽車內(nèi)飾用五金件。

1978年，日本山梨大學牧野洋發(fā)明SCARA機器人（見圖1-2）,該機器人具有

四個軸和四個運動自由度，特別適合于裝配工作，如今被廣泛應用于汽車工業(yè)、電

子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領域。

圖1-2SCARA機器人

3；迅速發(fā)晏階段（20世紀80—90年代）

1981年，通用汽車公司第一次將CONSIGHT機器視覺系統(tǒng)成功地應用在了一個

惡劣的制造環(huán)境中，利用三臺工業(yè)機器人以每小時1400個的速度分揀出六種不同的

鑄件。

1992年，瑞士ABB公司推出開放式控制系統(tǒng)——S4oS4旨在改善對用戶至關重

要的兩個領域——人機界面和機器人的技術性能。

1994年，Motoman公司（即現(xiàn)在的安川電機）推出的機器人控制系統(tǒng)

MRC,使同步控制兩臺機器人成為可能。MRC可以從普通PC編輯工業(yè)機

器人作業(yè)，且具有控制多達21個軸的能力。

4；智能化階段（21世紀初至今）

2011年，日本發(fā)那科公司的R-lOOOiA機器人利用LVC（學習減振裝置）對機器人

運動軌跡加以優(yōu)化，減小了振動，將動作周期縮短約20%,從而實現(xiàn)更高速的動作。

2018年，發(fā)那科公司與首選網(wǎng)絡公司合作，首次將人工智能應用于其伺服調(diào)諧、

工業(yè)機器人拾取和熱位移補償?shù)裙δ苌稀?/p>

?機器人資訊D

ABB公司將在上海建設其全球最先進的機器人工廠，該工廠預計將于

2020年底投入運營。新的上海工廠將采用大量機器學習、數(shù)字化和協(xié)作解

決方案，使其成為機器人行業(yè)中最先進、自動化與柔性化程度最高的工廠,

實現(xiàn)用機器人制造機器人。此外，新的研發(fā)中心還將幫助加快人工智能領

域的發(fā)展。

2.工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢

1）高性能

2）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展

3）本體結(jié)構(gòu)更新加快

4）控制技術的開放化、PC化和網(wǎng)絡化

5）多傳感器融合技術的實用化

6）多智能體協(xié)調(diào)控制技術

泊1視野

1如圖1?3所示為國內(nèi)外知名工業(yè)機器人制造公司，其中，瑞上的ABB、德國的

庫卡、日本的發(fā)那科和安川電機最為著名，并稱工業(yè)機器人四大家族。工業(yè)機器

人四大家族在亞洲市場同樣也是舉足輕重，更占據(jù)中國機器人產(chǎn)業(yè)70%以上的市

場份額，兒乎壟斷了機器人制造、焊接等高階領域。

AIIIIKUKAFANUC

COMAU

(a)ABB(瑞士)（b）柯馬（意大利）（c）庫卡（德國）（d）發(fā)那科（日本）

YASKAWASMSUN

（e）安川（日本）（0三菱（日本）1）沈陽新松（中國）

圖1-3國內(nèi)外知名工業(yè)機器人制造公司

1.1.3工業(yè)機器人的分類

工業(yè)機器人按機械結(jié)構(gòu)的不同，可分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。串聯(lián)機器人

的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點，其外形如圖1-4所示。并聯(lián)機

器人所采用的并聯(lián)機構(gòu),其一個軸運動不會改變另一個軸的坐標原點，其外形如圖

1-5所示。

二”一i

圖1-4串聯(lián)機器人圖1-5并聯(lián)機器人

1）串聯(lián)機器人

串聯(lián)機器人的自由度比并聯(lián)機器人多，通過計篁機控制系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)

復雜的空間作業(yè)運動。串聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、成本低、運動空間大，

是當前采用最多的工業(yè)機器人。

2）并聯(lián)機器人

并聯(lián)機器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運動負荷小等特點。在位置求解上，串

聯(lián)結(jié)構(gòu)正解容易，但反解十分困難；而并聯(lián)結(jié)構(gòu)正解困難，反解卻十分容易。并

聯(lián)機器人非常適合高速度、高精度或高負荷的場合。

。機器人資訊1J

將串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人有機結(jié)合起來的工業(yè)機器人，稱為混聯(lián)機

器人?；炻?lián)機器人既有并聯(lián)機器人剛度好的優(yōu)點，又有串聯(lián)機器人工作范

圍大的優(yōu)點，進一步擴大了機器人的應用范圍。.

2.按操作機坐標形式分類

工業(yè)機器人按操作機坐標形式的不同，可分為直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、

球坐標機器人和多關節(jié)機器人等。

1）直角坐標機器人

直角坐標機器人是指在工業(yè)應用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的、可重復編程的、空間上

具有相互垂直關系的三個獨立自由度的多用途機器人，其外形及運動空間如圖1-6所示。

直角坐標機器人/

控制簡單，空間軌跡

易于求解，但是其靈3；

A活性較差，自身占據(jù)

（a）外形（b）運動空間

空間較大。J

圖1-6直角坐標機器人

2)圓柱坐標機器人

圓柱坐標機器人是指能夠形成圓柱坐標系的機器人，它主要由一個旋轉(zhuǎn)機座形成

的轉(zhuǎn)動關節(jié)和水平、垂直移動的兩個移動關節(jié)構(gòu)成，其外形及運動空間如圖1?7所示。

圓柱坐標機器人具有

占地面積小、工作范圍大,

末端執(zhí)行器速度高、控制

簡單、運動靈活等優(yōu)點。

其缺點是工作時，必須有

沿r軸線前后方向的移動

(a)外形

空間，空間利月率低。

圖1-7圓柱坐標機器人

3）球坐標機器人

球坐標機器人一般由兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)和一個移動關節(jié)構(gòu)成，其軸線按極坐標配置,

如圖1-8所示，R為移動坐標，。為手臂在鉛垂面內(nèi)的擺動角，。為繞手臂支承底座垂

直羯的轉(zhuǎn)動角。球坐標機器人的運動空間為半球面。

球坐標機器人占用

空間小、操作靈活、

工作范圍大，但是其

運動學模型較復雜，

難以控制。

圖1-8球坐標機器人

4）多關節(jié)機器人

多關節(jié)機器人又稱關節(jié)手臂機器人或美節(jié)機械手臂，是當今工業(yè)領域中最常見的

工業(yè)機器人，適合諸多工業(yè)領域的機械自動化作業(yè)。多關節(jié)機器人的擺動方向主要有

鉛垂方向和水平方向兩種，因此這類機器人又分為垂直多關節(jié)機器人（見圖1-9）和

水平多關節(jié)機器人（見圖1-10）。

多關節(jié)機器人結(jié)

構(gòu)緊湊、工作范圍

大，其動作最接近

人的動作，對噴漆、

裝配、焊接等作業(yè)

具有良好的適應性，

圖1-9垂直多關節(jié)機器人圖1-10水平多關節(jié)機器人應用范圍十分廣泛。

3.按控制方式分類

工業(yè)機器人按控制方式的不同，可分為伺服控制機器人和非伺服控制機器人兩種。

1）伺服控制機器人

伺服控制機器人的控制方式可分為連續(xù)控制和點位（點到點）

控制兩種。無論是哪一種控制，都要對位置和速度的信息進行連續(xù)

監(jiān)測，并反饋到與機器人各關節(jié)有關的控制系統(tǒng)中,因此各軸都是

閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的應用，使機器人的構(gòu)件能按照指令，移動到

各軸行程范圍內(nèi)的任何位置。

伺服控制機器人具有以下幾個特點:

(1)記憶存儲容量較大。

(2)價格貴，可靠性稍差。

(3)機械手端部可按三個不同類型的運動方式移動，即點到點移動、

直線移動和連續(xù)軌跡移動。

(4)在機械允許的極限范圍內(nèi)，位置精度可通過調(diào)節(jié)伺服回路中相應

放大器的增益加以變動。

(5)一般以示教模式進行編程。

(6)機器人幾個軸之間的“協(xié)同運動”一般可在小型或微型計算機控

制下自動進行。

2）非伺服控制機器人

從控制的角度來看，非伺服控制是最簡單的控制形式。這類機器人又稱為端點機

器人或開關式機器人。非伺服控制機器人的每個軸只有兩個位置，即起始位置與終止

位置。軸開始運動后會一直保持運動，只有當碰到適當?shù)亩ㄎ粨鯄K才停止運動，運動

過程中沒有監(jiān)測。因此，這類機器人處于開環(huán)控制狀態(tài)。

非伺服控制機器人具有以下幾個特點。

；（1）臂的尺寸小且軸的驅(qū)動器施加的是滿動力，速度相對較大。

；（2）價格低廉，工作穩(wěn)定，易于操作和維修。

：（3）工作重復性約為±0.254mm,即工作時有能力返回同一點，誤差為

?

；±0.254mm。

!（4）在定位和編程方面靈活性有限。

CE2）工業(yè)機器人的基本組成與技術參數(shù)

工業(yè)機器人系統(tǒng)主要由三大部分六個子系統(tǒng)組成，具體如下。

心機械部分：用于實現(xiàn)各種動作，包括機械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)。

+傳感部分:

用于感知內(nèi)部和外部信息，包括感受系統(tǒng)和機器人一

環(huán)境交互系統(tǒng)C

十控制部分:用于控制機器人完成各種動作，包括人機交互系統(tǒng)

和控制系統(tǒng)。

|~-1控制部分

人機交互系統(tǒng)

i指令給定裝置（示教器）

i與信息樁示裝置等

工業(yè)機器人的組成系

統(tǒng)之間的關系及其與

工作對象的關系如圖

所示。

外內(nèi)1-11

部部

傳傳

感感

器器

機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

末結(jié)執(zhí)行器、腕部、

鐘部、機座

I____________________I

工作對象

機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)

圖1-11工業(yè)機器人組成系統(tǒng)之間的關系及其與工作對象的關系

1.機械部分

1）機械結(jié)構(gòu)

工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)又稱執(zhí)行機構(gòu)或操作機，它是完成工作任務的實體，通常由

桿件和關節(jié)組成。機械機構(gòu)從功能角度區(qū)分，可分為末端執(zhí)行器、腕部、臂部和機座。

2）驅(qū)動系統(tǒng)

工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩部分,

它們通常安裝在機器人的關節(jié)部位，與機械結(jié)構(gòu)共同組成

末SUMill

工業(yè)機器人的本體，如圖1-12所示。

驅(qū)動器的驅(qū)動方式通常有電動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣動

驅(qū)動三種。傳動機構(gòu)通常包括連桿機構(gòu)、滾珠絲杠、齒

輪系、鏈、帶、諧波減速器和RV減速器等。

圖1-12工業(yè)機器人機械部分

2.傳感部分

1）感受系統(tǒng)

感受系統(tǒng)包括內(nèi)部檢測系統(tǒng)與外部檢測系統(tǒng)兩部分。內(nèi)部檢測系統(tǒng)的作用是通過各種

檢測器，檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動境況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定值進行比較后，

對執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整，以保證其動作符合設計要求。外部檢測系統(tǒng)則檢測機器人所處環(huán)

境、外部物體狀態(tài)或機器人與外部物體的關系。

2）機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)

機器人一環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境設備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)

的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接

單元、裝配單元等。當然，也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件

存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復雜任務的功能單元。

3.控制部分

1）人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置，如計算機的標

準終端、信息顯示板、指令控制臺、危險信號報警器等。該系統(tǒng)歸納起來可分為指令給定

裝置和信息顯示裝置兩大類。

2）控制系統(tǒng)

通過對工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構(gòu)按照規(guī)定的要求進行工

作。工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)一般由控制計算機和伺服控制器組成。控制計算

機不僅發(fā)出指令，協(xié)調(diào)各關節(jié)驅(qū)動之間的運動，同時要完成編程示教及再現(xiàn),

在其他環(huán)境狀態(tài)（傳感器信息）、工藝要求、外部相關設備（如電焊機）之

間傳遞信息和協(xié)調(diào)工作。伺服控制器控制各個關節(jié)的驅(qū)動器，使各桿按一定

的速度、加速度和位置要求進行運動。

1.2.2工業(yè)機器人的技術參數(shù)

工業(yè)機器人的技術參數(shù)是各工業(yè)機器人制造商在供貨時所提供的技術數(shù)據(jù)，主要有機器

人的工作范圍、自由度、重復定位精度、運動速度和有效負載等。

1.工作范圍

工作范圍又稱工作區(qū)域，是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位

置集合，工作范圍的形狀和大小反映了機器人工作能力的大小。如圖1?13所示。

(a)MOTOMANMH3F垂直串聯(lián)多關節(jié)機器人(b)MOTOMANMPP3s水平串聯(lián)多關節(jié)機器人

圖1-13工業(yè)機器人的工作范圍

理解機器人的工作范圍時，要注意以下幾點:

(1)工業(yè)機器人說明書中表示的工作范圍通常指的是末端執(zhí)行器上機械接口坐

標系的原點在空間能到達的范圍，即末端執(zhí)行器端部法蘭的中心點在空間所能到達

的范圍。

中(2)說明書上提供的工作范圍往往要小于運動學意義上的最大空間。

小(3)實際應用中的工業(yè)機器人還可能由于受到機械結(jié)構(gòu)的限制，在工

作范圍的內(nèi)部也存在著臂端不能到達的區(qū)域，這類區(qū)域稱為空洞或空腔。

2.自由度

自由度是指機器人操作機在空間運動所需的變量數(shù)，用以表示機器人動作靈活

程度的參數(shù)，一般是以沿軸線移動和繞軸線轉(zhuǎn)動的獨立運動的數(shù)目來表示。

描述一個物體在三維空間內(nèi)的位姿需要六個自由度（三個轉(zhuǎn)動自由度和

三個移動自由度）。但是，工業(yè)機器人一般為開式連桿系，每個關節(jié)運動副

只有一個自由度，因此一般機器人的自由度數(shù)目就等于其關節(jié)數(shù)。機器人的

自由度數(shù)目越多，功能就越強。目前工業(yè)機器人通常具有4?6個自由度。當/

機器人的關節(jié)數(shù)（自由度）增加到對末端執(zhí)行器的定向和定位不再起作用時，

便出現(xiàn)了冗余自由度。冗余度的出現(xiàn)增加了機器人工作的靈活性，但也使控

制變得更加復雜。

3.重復定位精度

定位精度是指工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的實際到達位置與目標位置之間的差異，如圖1?

14所示。重復定位精度是指工業(yè)機器人重復定位其末端執(zhí)行器于同一目標位置的能力，可

以用標準偏差這個統(tǒng)計量來表示，它用于衡量誤差值的密集度（即重復度），如圖1?15所

絕對位置

（要到達的理想位置）

機器人實際

到達的位置

圖1-14定位精度圖1-15重復定位精度

4.運動速度

運動速度影響工業(yè)機器人的工作效率和運動周期，它與工業(yè)機器人所提取的重力和位

置精度均有密切的關系。運動速度提高，工業(yè)機器人所承受的動載荷會增大，所承受的

加減速時的慣性力也會增大，這會影響工業(yè)機器人的工作平穩(wěn)性和位置精度。以目前的

技術水平而言，一般工業(yè)機器人的最大直線運動速度大多在1000mm/s以下，最大回轉(zhuǎn)速

度一般不超過120(°)/So

一般情況下，生產(chǎn)商會在技術參數(shù)中標明出廠機器人的最大運動速度。

5.有效負載

有效負載是指工業(yè)機器人操作機在工作時臂端可能搬運的物體重量或所

能承受的力或力矩，用以表示操作機的負荷能力。若機器人將目標工件從一

個工位搬運到另一個工位，則其工作負荷為工件的重量與機器人末端執(zhí)行器

的重量之和。目前，工業(yè)機器人的負載范圍為0.5?800kg。

表1-1ABB公司IRB1100-4/0.47型機器人部分技術參數(shù)

6.工業(yè)機器人參數(shù)示例

型號IRB1100-4/0.47工作范圍0.475m

有效負載4kg機器臂負載0.5kg

軸數(shù)量6重復定位精度10.08nun

安裝方式任意角度防護等級IP40

集成信號和電源手腕1上8路信號控制器OmniCore

集成以太網(wǎng)1Gbit/s集成氣源外臂上4路氣源

重量20.5kg機器人底座尺寸160mmx160mni

軸運動運動工作范圍軸最大速度

Axis1旋轉(zhuǎn)+230°至-230°460(°)/s

Axis2手臂+113°至-115°380(°)/s