,第一章 工业机器人基础,第一章 工业机器人基础,1,工作空间,工作空间也称,工作范围,、,工作行程,。工业机器人执行任务时，其手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。,目前，单体工业机器人本体的工作范围可达,3.5 m,左右。,工作空间工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时,2,MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。,图2-6 图2-7 为此种机器人的工作范围。,MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节,3,2.2.3,额定速度,额定速度,机器人在保持运动平稳性和位置精度的前提下所能达到的最大速度,合成速度,其某一关节运动的速度称为单轴速度，由各轴速度分量合成的速度,额定负载,机器人在额定速度和规定性能范围内，末端执行器所能承受负载的允许值,极限负载,在限制作业条件下，为了保证机械结构不损坏，末端执行器所能承受负载的最大值,对于结构固定的机器人，其最大行程为定值，因此额定速度越高，运动循环时间越短，工作效率也越高。而机器人每个关节的运动过程一般包括启动加速、匀速运动和减速制动三个阶段。如果机器人负载过大，则会产生较大的加速度，造成启动、制动阶段时间增长，从而影响机器人的工作效率。对此，就要根据实际工作周期来平衡机器人的额定速度,。,2.2.3 额定速度额定速度机器人在保持运动平稳性和位置精度,4,2.2.3,承载能力,D,加速度的方向,A,负载的质量,B,速度,大小和方向,C,加速度的,大小,承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大重量，通常可以用质量、力矩或惯性矩来表示。,承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。,一般低速运行时，承载能力强。为安全考虑，将承载能力这个指标确定为高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载质量，还包括机器人末端操作器的质量。,2.2.3 承载能力D加速度的方向A负载的质量B速度大小和方,5,分辨率,机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。分辨率可分为编程分辨率与控制分辨率。,是,指程序中可以设定的最小距离单位，又称为基准分辨率,。,例如：当电机旋转,0.1,度，机器人腕点（手尖端点）移动的直线距离为,0.01mm,时，其基准分辨率为,0.01mm,。,1,、编,程分辨率,分辨率 机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位,6,是指位置反馈回路能,检测到的最小位移量。,当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统性能达到最高。,2,、控制分,辨率,是指位置反馈回路能 当编程分辨率与控制分辨率相,7,2.2.5,工业机器人的精度,指机器人末端操作器的实际位置与目标位置之间的偏差，由机械误差、控制算法误差与系统分辨率等部分组成。,定位精度,指在相同环境、相同条件、相同目标动作、相同命令的条件下，机器人连续重复运动若干次时,，,其位置会在一个平均值附近变化，变化的幅度代表重复定位置精度，是关于精度的一个统计数据。因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，所以通常用重复定位精度这个指标作为衡量示教再现型工业机器人水平的重要指标。,重复定位精度,机器人的精度主要体现在定位精度和重复定位精度两个方面。,2.2.5 工业机器人的精度 指机器人末端操作器的实际,8,如图2-8所示，为重复定位精度的几种典型情况：图a为重复定位精度的测定；图b为合理的定位精度，良好的重复定位精度；图c为良好的定位精度，很差的重复定位精度；图d为很差的定位精度，良好的重复定位精度。,如图2-8所示，为重复定位精度的几种典型情况：图a为重复定位,9,此图涉及到随机概率分布函数的问题，不宜在中职和高职阶段过多介绍,此图涉及到随机概率分布函数的问题，不宜在中职和高职阶段过多介,10,可以用扔飞镖的例子来说明：,这叫定位精度差，但重复定位精度好。,这叫定位精度好，但重复定位精度差。,可以用扔飞镖的例子来说明：这叫定位精度差，但重复定位精度好。,11,MOTOMAN-EA1900N,弧焊专用机器人各项技术参数,MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人各项技术参数,12,2.1,工业机器人的基本组成,第一代工业机器人主要由以下几部分组成：,操作机,、,控制器,和,示教器,。,对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，,它们分别由,传感器,及软件实现。,操作机,控制器,示教器,2.1 工业机器人的基本组成 第一代工业机器人主要,13,2.1.1,操作机（机器人本体）,操,作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执行机构,。,它,主要由,机械臂,、,驱动装置,、,传动单元,及,内部传感器,等部分组成。,关节型机器人操作机基本构造,伺服电机 减速器,腕关节,小臂,肘关节,手腕,大臂,连接法兰,皮带传动,腰部,肩关节,腰关节,基座,机器人操作机的每个关节,均,采,用,1,个,交流伺服马达,驱动,2.1.1 操作机（机器人本体）操作机（或称,14,机,器,人的六个轴：,J1,：腰部电机,J2,：肩部电机,J3,：肘部俯仰电机,J4,：肘部回转电机,J5,：碗部俯仰电机,J6,：碗部回转电机,机器人的六个轴：,15,2.1.2,控制器（控制柜）,工业机器人控制器是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号，,支配操作机完成规定运动和功能的装置。,它是机器人的关键和核心部分。,2.1.2 控制器（控制柜）工业机器人控制器是根据机器人的作,16,基本功能：示教、记忆、位置伺服、坐标设定等。,开发程度：封闭型、开放型和混合型。,目前基本上都是封闭型系统（如日系）或者混合型系统（如欧系）,控制方式：集中式控制和分布式控制,基本功能：示教、记忆、位置伺服、坐标设定等。,17,2.1.3,示教器,亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。,2.1.3 示教器亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操,18,串口通信模块,示教器,S6,S0,S6,S5,S1,S2,S3,S4,主控制模块,运动控制模块,驱动模块,操作机,示教器的数据流关系,串口通信模块示教器S6S0S6S5S1S2S3S4主控制模,19,机,器,人,的,技,术,参,数,反,映,了,机,器,人,可,胜,任,的,工,作,、,具,有,的,最,高,操,作,性,能,等,情,况,，,是,设,计,、,应,用,机,器,人,必,须,考,虑,的,问,题,。,机,器,人,的,主,要,技,术,参,数,有,自,由,度,、,分,辨,率,、,工,作,空,间,、,工,作,速,度、,工,作,载,荷,等,。,2.2,工业机器人的主要技术参数,20,2.2.1,自由度,1,.,机器人自由度定义,机器人的自由度是指当确定机器人手部在空间的位置和姿态时所需要的独立运动参数的数目，不包括手部开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，但自由度数目越多，机器人结构就越复杂，控制就越困难，所以目前机器人常用的自由度数目一般不超过7个。,自由度是机器人的一个重要技术指标，,可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。,2.2.1 自由度1.机器人自由度定义,21,2机器人自由度的选择,（1）一般自由度的选择,机器人的自由度是根据机器人的用途来设计的，人们希望机器人能以准确的方位把它的末端执行部件或与它连接的工具移动到指定点。如果机器人的用途是未知的，那么它应当具有6个自由度；机器人自由度数目越多，动作越灵活，通用性越强，但是结构则更复杂，刚性也差；如果工具本身具有某种特别结构，那么就可能不需要6个自由度。,2机器人自由度的选择,22,（2）冗余自由度,机器人的自由度多于为完成任务所必需的自由度时，多余的自由度称为冗余自由度。设置冗余自由度，主要是使机器人具有一定的避障能力。,从理论上讲，具有6个自由度的机器人在其工作空间内可达到任意位置和姿态，但由于奇异位形存在，一些关节运动到相应位置时，会使机器人自由度退化，失去一个或几个自由度；再加上在工作空间可能存在的障碍，机器人就无法满足工作要求。具有冗余自由度的机器人就有能够克服奇异位形，避开障碍、克服关节运动限制和改善动态特性的功能，它能充分提高机器人的工作能力，在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性。如图2-5所示，为手臂型七自由度关节式机器人。,（2）冗余自由度,23,工业机器人基础ppt课件,24,2.2.2,工作空间,工作空间也称,工作范围、工作行程,。工业机器人执行任务时，其手腕参考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不包括末端操作器本身所能到达的区域。,目前，单体工业机器人本体的工作范围可达,3.5 m,左右。,2.2.2 工作空间工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器,25,MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。,图2-6 图2-7 为此种机器人的工作范围。,MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节,26,2.3,坐标系,机器人是由运动轴和连杆组成的，而其运动方式是在不同的坐标系下进行的，为了掌 握机器人的示教方法，应首先了解机器人的坐标系及各运动轴在不同坐标系的运动。,主要有,：,关节坐标系,绝对坐标系(直角坐标系),圆柱坐标系,工具坐标系,用户坐标系,2.3.1,简介,2.3 坐标系 机器人是由运动轴和连杆组成的，,27,关节坐标系,机器人每个轴均可以独立地正向或反向转动，关节坐标系是机器人各关节,上固定的坐标系，用于确定机器人的关节角。,基坐标系,基坐标系是一个固定定义的直角坐标系，位于位于机器人基座。它是最便,于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。,世界坐标系,世界坐标系是固定定义的直角坐标系，默认世界坐标系与基坐标系重合。,世界坐标系可定义机器人单元，所有其他的坐标系均与世界坐标系直接或,间接相 关。它适用于微动控制、一般移动以及处理具有若干机器人或外轴,移动机器人的工作站 和工作单元。,关节坐标系,28,工具坐标系,工具坐标系是一个直角坐标系，位于工具上。它是与机器人工具固连的,笛卡尔坐标系，随机器人的运动而改变。通常是最适于对机器人进行编,程的坐标系。,用户坐标系,用户坐标系是一个直角坐标系，用来说明工件的位置。,工具坐标系,29,2.3.2,分类介绍,关节坐标系,机器人由多个运动关节组成，机械手的每一个轴都可以进行独立的操作，各个关节都可以独立运动，如图 4-14所示。对运动范围大且不要求机器人末端姿态的情况，建议选用关节坐标系。在关节坐标系下，每个轴可单独运动，通过示教器上相应的键控制机器人的各个轴示教，其运动方式见表 4-1。,图4-14 关节坐标系下各个轴的运动,2.3.2 分类介绍关节坐标系 图4-14 关节坐标系下各个,30,轴,运,动方式,主运动轴,轴,1,轴,1,本体回转,轴,2,轴,2,下 臂前后摆动,轴,3,轴,3,上臂上下摆动,腕运动轴,轴,4,轴,4,上臂回转,轴,5,轴,5,手腕上下摆,动,轴,6,轴,6,手腕回转,表4-1 关节坐标系下机器人的运动方式,表4-1 关节坐标系下机器人,31,2.,绝对,坐标系,如图4-15所示，绝对坐标系的原点定义为机器人的安装面和第一转动轴的交点。X轴 向前，z轴向上，y轴按右手规则定义。在绝对坐标系下，机器人末端轨迹沿定义的 X、Y、Z方向运动，其运动方式见表 4-2。,图4-15工业机器人绝对坐标系,2.绝对坐标系 图4-15工业机器人绝对坐标系,32,轴,运动方式,主运,动,轴,轴,1,沿,X,轴方向运动,轴,2,沿,Y,轴方向运动,轴,3,沿,Z,轴方向运动,腕运动轴,轴,4,未端点位置不变，机器人,分别,绕,X,、,Y,、,Z,轴转动,轴,5,轴,6,表4-2 绝对坐标系下机器人的运动方,式,