1、工業(yè)機器人原理與應用,報告人：莊鵬,主要內(nèi)容,機器人的發(fā)展概況 機器人的定義 國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家 機器人的應用領域 機器人的分類 機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 機器人的技術參數(shù) 機器人運動學 機器人動力學 機器人的控制,第一部分機器人的發(fā)展概況,第一代機器人 19世紀50、60年代，隨著機構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機器人進入了實用階段。1954年美國的G. C. Devol發(fā)表了“通用機器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標型Versatran機器人，可進行點位和軌跡控制，這是世界上第一種應用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人。 70年代，隨著計算機技術、現(xiàn)代控制技術、傳感技術、人工智能技術的發(fā)展，機

2、器人也得到了迅速的發(fā)展。1974年Cincinnati Milacron公司成功開發(fā)了多關節(jié)機器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA機器人，它是一種多關節(jié)、全電機驅(qū)動、多CPU二級控制的機器人，采用VAL專用語言，可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當時是技術最先進的工業(yè)機器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機器人在結(jié)構(gòu)上大體都以此為基礎。這一時期的機器人屬于“示教再現(xiàn)”（Teach-in / Playback）型機器人，只具有記憶、存儲能力，按相應程序重復作業(yè)，對周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。,機器人的發(fā)展概況,第二代機器人 進入80年代，隨著傳感技術，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺

3、、接近覺等）以及信息處理技術的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機器人有感覺的機器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分相關信息，進行一定的實時處理，引導機器人進行作業(yè)。第二代機器人已進入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應用。,機器人的發(fā)展概況,第三代機器人 目前正在研究的“智能機器人”，它不僅具有比第二代機器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進行工作。,美國機器人協(xié)會(RIA):機器人是一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置，通過程序動作來執(zhí)行各種任務，并具有編程能力的多功能操作機。可見，這里的機器人是指工業(yè)機器人。 日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA

4、):工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的、能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。 國際標準化組織(ISO):機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機，這種操作機具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各類材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務。,第二部分機器人的定義,機器人集中了機械工程、電子技術、計算機技術、自動控制原理以及人工智能等多學科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一。工程技術人員了解和學習機器人學具有重要的意義。,第三部分國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家,國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家,國際上的主要機器人生產(chǎn)廠家,第四

5、部分機器人的應用領域,弧焊機器人,激光焊機器人,電阻焊機器人,自動化焊接機器人,點焊機器人,等離子切割機器人,機器人的應用領域,清潔機器人,上料機器人,物料輸送機器人,材料去除機器人,包裝機器人,噴漆機器人,機器人的應用領域,部件移動機器人,裝配機器人,打保險機器人,自動鉆孔機器人,設備維護機器人,包裝機器人,堆跺機器人,機器人的應用領域,涂層機器人,去毛刺機器人,磨銷機器人,高溫噴涂機器人,機器人的應用領域,機器人的應用領域,天文望遠鏡,繩索機器人,機器人的應用領域,三桿并聯(lián)機床,機器人的應用領域,Tricept 1005機器人 機構(gòu)簡圖,固定平臺 （框架）,萬向鉸鏈,伸縮桿,動平臺,高速銑

6、頭機構(gòu)簡圖,框 架,Tricept 1005 機器人及 主軸部件,高速銑頭,伸縮桿,伺服 電動機,機器人的應用領域,六桿并聯(lián)機床,機器人的應用領域,六足行走機器人,第五部分機器人的分類串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人,串聯(lián)機器人直角坐標系機器人,機器人的分類,串聯(lián)機器人圓柱坐標系機器人,機器人的分類,串聯(lián)機器人水平多關節(jié)機器人,機器人的分類,并聯(lián)機器人,第六部分機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),機械本體：機器人的機械本體機構(gòu)基本上分為兩大類，一類是操作本體機構(gòu)，它類似人的手臂和手腕，另一類為移動型本體結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)移動功能。 驅(qū)動伺服單元：伺服單元的作用是使驅(qū)動單元驅(qū)動關節(jié)并帶動負載按預定的軌跡運動。已廣泛采用的驅(qū)

7、動方式有：液壓伺服驅(qū)動、電機伺服驅(qū)動，氣動伺服驅(qū)動。 3. 計算機控制系統(tǒng)：各關節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機計算后，在各采樣周期給出。機器人通常采用主計算機與關節(jié)驅(qū)動伺服計算機兩級計算機控制。 傳感系統(tǒng)：除了關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）。 5. 輸入/輸出系統(tǒng)接口：為了與周邊系統(tǒng)及相應操作進行聯(lián)系與應答，還應有各種通訊接口和人機通信裝置。,第七部分機器人的技術參數(shù),自由度：機器人所具有的獨立運動坐標軸的數(shù)目，有時海包括手爪（末端操作器）的開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位姿（位置和姿態(tài)）需要6個自由度

8、。工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設計的，可能小于6個自由度，也可能大于6個自由度。例如，A4020裝配機器人具有4個自由度，可以在印刷電路板上接插電子器件，PUMA562機器人具有6個自由度，可以進行復雜空間曲面的弧焊作業(yè)。 精度：包括定位精度和重復定位精度。定位精度是指機器人手部實際到達位置與目標位置之間的差異。重復定位精度是指機器人手部重復定位于同一目標位置的能力（用標準偏差表示）。 工作空間：機器人手臂末端或手腕中心所能達到的所有點的集合（包括形狀和大?。?。 最大工作速度：指工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，或手臂末端的最大合成速度。 承載能力：指機器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能

9、承受的最大重量。承載能力不僅不僅決定于負載的質(zhì)量，還與機器人運行的速度和加速度有關。,第八部分機器人運動學,運動學正問題：已知機器人各桿件的幾何參數(shù)和關節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對于笛卡兒坐標系的位置和姿態(tài)。 運動學逆問題：已知機器人各桿件的幾何參數(shù)，給定末端執(zhí)行器相對于笛卡兒坐標系的位置和姿態(tài)，確定關節(jié)變量的大小。 一個剛體在三維空間中具有6個自由度，即3個移動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度。,齊次變換矩陣,機器人運動學,雅可比矩陣在機器人技術中占有重要地位：利用雅可比矩陣可以建立機器人末端執(zhí)行器在笛卡兒坐標系中的速度與各關節(jié)速度間的關系，以及外界環(huán)境對末端執(zhí)行器的作用力/力矩與各關節(jié)力/力矩間的關系。

10、,對于n自由度的機器人，其關節(jié)變量為 ,機器人末端執(zhí)行器在笛卡兒坐標系中的位姿 求導可得,機器人運動學,雅可比矩陣的應用之一：分離速度控制,當采用計算機控制時，把速度表示為位置增量的形式,當n6時，J不是方陣，雅可比矩陣的逆用其偽逆,當要求機器人沿某軌跡運動時，P為已知，由上式求得關節(jié)變量的增量Q，于是可以確定各關節(jié)的變量值，由伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置控制。,第九部分機器人動力學,機器人動力學是研究機器人各關節(jié)的驅(qū)動力/力矩與機器人末端執(zhí)行器的位姿、速度和加速度之間的動態(tài)關系。由于機器人的復雜性，其動力學模型通常是一個多自由度、多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復雜系統(tǒng)。建立機器人動力學模型的方法主要有

11、拉格朗日法和牛頓歐拉法。,機器人動力學拉格朗日法,拉格朗日函數(shù)L定義為系統(tǒng)動能K和位能P之差，即,由拉格朗日函數(shù)L描述的系統(tǒng)動力學方程為,i=1,2,n,其中 n為連桿數(shù)目； qi為廣義坐標；,為廣義速度；,為作用在第i個關節(jié)上的廣義力,用拉格朗日法推導機器人的動力學模型可按以下步驟進行：a.計算任一連桿上任一點的速度；b.計算各連桿的動能和機器人的總動能；c. 計算各連桿的位能和機器人的總位能；d.建立機器人系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)；e.對拉格朗日函數(shù)求導，得到機器人的動力學方程,機器人動力學牛頓歐拉法,剛體的一般運動可以分解為隨質(zhì)心的平動和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動,隨質(zhì)心平動的動力學特性可用牛頓定理來描述,

12、繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的動力學特性可用歐拉定理來描述,用牛頓歐拉法和拉格朗日法建立機器人動力學模型的最大不同之處在于：牛頓歐拉方程描述的是機器人系統(tǒng)中每一個剛體的動力學特性，得出的動力學模型為聯(lián)立方程組，而拉格朗日方程可以描述機器人系統(tǒng)中多剛體的動力學特性，可以得到封閉形式的動力學模型。,機器人動力學動力學模型的一般形式,第十部分機器人的控制軌跡控制,運動控制,動態(tài)控制,“運動控制”完全不考慮機器人的動力學特性，只是按照機器人實際軌跡與期望軌跡間的偏差進行負反饋控制，控制器常采用位置和速度增益控制。 “動態(tài)控制”引入了一個內(nèi)控制回路，對機器人動力學特性進行動態(tài)補償，使機器人轉(zhuǎn)化為解耦的線性定常系統(tǒng)。內(nèi)控制回路