工业机器人控制系统组成及典型结构
工业机器人结构原理
工业机器人结构原理工业机器人是一种可以执行特定任务的智能机械设备。
它们通常由多个主要部分组成，包括机械结构、控制系统、执行器和传感器。
机械结构是工业机器人的重要组成部分，它为机器人提供了身体支持和运动能力。
通常，机械结构由连杆、关节和框架等元件组成。
连杆用于连接不同的关节，使机器人能够执行复杂的动作。
关节是机器人的可动连接点，允许机械结构在不同的方向上旋转或运动。
框架则起到支撑作用，保证机械结构的稳定性和可靠性。
控制系统是控制工业机器人动作和功能的核心。
它通常由硬件和软件两部分组成。
硬件包括中央处理器、存储器、输入输出接口和电源等。
中央处理器是控制系统的主要组成部分，它接收和处理来自传感器的输入信号，并发送指令给执行器。
存储器用于存储程序和数据，以及记录机器人的状态信息。
输入输出接口用于与外部设备进行通信，例如与计算机或其他机器人进行数据交换。
电源则提供所需的能量给控制系统。
执行器是机器人的执行部件，它们负责将控制系统发送的指令转化为动态的机械运动。
常见的执行器包括电动机、液压缸和气动缸等。
电动机是最常用的执行器，它通过电能转变为机械能，驱动机械结构实现各种动作。
液压缸和气动缸则利用液体和气体的压力来实现运动控制，适用于一些需要大力矩或冲击力的操作。
传感器是机器人的感知装置，它们用于获取外部环境的信息，并将信息传递给控制系统。
常见的传感器包括光电传感器、压力传感器、温度传感器和力传感器等。
光电传感器用于检测物体的位置和距离，压力传感器用于测量力的大小，温度传感器用于监测环境的温度变化，力传感器则可测量机器人施加的力。
综上所述，工业机器人的结构原理包括机械结构、控制系统、执行器和传感器等多个方面。
这些部分相互配合，使机器人能够进行复杂的动作和任务执行。
工业机器人原理及应用实例
工业机器人原理及应用实例一、工业机器人概念工业机器人是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。
可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。
”二、组成结构工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。
三、分类工业机器人按臂部的运动形式分为四种。
直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。
工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。
点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。
工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。
编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。
示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。
在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。
机器人本体结构描述
2．回转与俯仰机身
二、机身驱动力(力矩)计算 1. 垂直升降运动驱动力Pq 的计算 需克服摩擦力、总重力、惯性力:
Pq Fm Fg W
Fm为各支承处的摩擦力(N)；
Fg 为启动时的总惯性力(N)；
W 为运动部件的总重力(N) 。
2. 回转运动驱动力矩的计算
Mq Mm Mg
M m 为总摩擦阻力矩(N· m)；
三、机器人手部 机器人的手部也叫做末端执行器，装在机器人手 腕上直接抓握工件或执行作业的部件。 手部是完成作业好坏以及作业柔性好坏的关键部 件之一。
1. 特点：
(1) 手部与手腕相连处可拆卸。
(2) 手部是机器人末端执行器。
(3) 手部的通用性比较差。
2. 手部的设计要求：
（1）具有足够的夹持力。 （2）保证适当的夹持精度： 手指应能顺应被夹持工件的形状，应对被夹持工 件形成所要求的约束。 （3）手部自身的大小、形状、机构和运动自由度： 主要是根据作业对象的大小、形状、位置、姿态、 重量、硬度和表面质量等来综合考虑。
3）运动要平稳、定位精度高 臂部高速运动，惯性力引起的冲击大，运动不平 稳，定位精度也不高，采用缓冲措施。 4）重量轻、转动惯量小。
为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动 部分的重量，以减少手臂对回转轴的转动惯量。
5）合理设计与腕和机身的连接部位。
臂部安装形式和位置不仅关系到机器人的强度、 刚度和承载能力，还直接影响机器人的外观。
第 6章
机器人本体结构
6.1
概
述
机器人主要由驱动系统、机械系统、感知系统、 控制系统四个系统组成。 机械系统又叫操作机，是工业机器人的执行机构。 可分成基座、腰部、臂部、腕部和手部。
工业机器人的组成结构
工业机器人的组成结构
工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。
图1是工业机器人的典型结构。
机器人手臂具有3个自由度（运动坐标轴），机器人作业空间由手臂运动范围决定。
手腕是机器人工具（如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪）与主构架的连接机构，它具有3个自由度。
驱动系统为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。
测量系统用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量。
控制器（RC）用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。
通过传感器获得搬运对象和机器人本身的状态信息，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。
图1 工业机器人的典型结构
工业机器人运动由主构架和手腕完成，主构架具有3个自由度，其运动由两种基本运动组成，即沿着坐标轴的直线移动和绕坐标轴的回转运动。
不同运动的组合，形成各种类型的机器人（如图2）：①直角坐标型（如图2a是三个直线坐标轴）；②圆柱坐标型（如图2b是两个直线坐标轴和一个回转轴）；③球坐标型（如图2c是一个直线坐标轴和两个回转轴）；④关节型（如图2d是三个回转轴关节和图2e是三个平面运动关节）。
a）直角坐标型 b）圆柱坐标型 c）球坐标型 d）多关节型 e）平面关节型
图2 工业机器人的基本结构形式。
机器人的组成结构.描述
UTACH／MIT 多指手 双拇指手
44
BH—II 三指手
四指灵巧手
最小的三指手
DLR多指手 哈工大多指手 灵巧的双手
45
手指关节的设计
手指主要用于抓握动作，要求动作灵活，刚度好，具有较大 的抓握力。就其手的结构而言，传动机构有三种方式：
1) 腱传动，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强 度和很轻的重量，但刚性差，较大的弹性，不利于控制。 MIT手、JPL手和DLR-I手都是这种方式。 2) 齿轮传动，特点是传动比可靠，但是摩擦较大，有回程间 隙，占用空间大。
3) 连杆传动，刚度好，加工制造比较简单，高精度，能较好 的实现多种运动规律和运动轨迹的要求。但是设计复杂，不 能精确地满足各种运动规律的要求。典型的如Belgrade手， NASA手等。 4）欠驱动手指关节
46
5 、移动机器人
1）车轮型
两轮型
三轮型
四轮型
2） 履带式
救 援 机 器 人
3）步行式（足式行走）
5、手部机构
机器人的手部是是最重要的执行机构。 机器人手部是机器人为了进行作业，在手腕上配置的操 作机构。因此有时也称为末端操作器。 由于机器人作业内容的差异（如搬运、装配、焊接、喷 涂等）和作业对象的不同（如轴类、板类、箱类、包类物 体等）， 手部的形式多样。综合考虑手部的用途、功能和 结构持点，大致可分成以下几类： 1．卡爪式夹持器； 2．吸附式取料手； 3．专用操作器及换接器 4．仿生多指灵巧手。
手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方 式可以有多种形式如下图所示：
腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧 凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的 驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动 机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上 去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。
工业机器人
五、工业机器人的分类
1．按用途分： 工业机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、
排险救灾机器人、教学机器人和娱乐机器人等。
2．按主要功能分： 操作机器人：主要是模仿人的手和手臂的工作。 移动机器人：工业生产中带有行走机构的机器人完成
运输，上下料等工作。 信息机器人：主要指以计算机系统为基础的智能行为
手臂 肘部伸长
肩部旋转
机器人控 制器
手臂摆转 俯仰
偏转 手腕
转动
工业机器人的典型结构
四、机器人的主要技术参数
1．自由度： 指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。
2．工作精度： 包括定位精度和重复定位精度。可以用精密度、正
确度、和准确度三个参数来衡量。 定位精度：指机器人实际到达的位置和设计的理想位
工业机器人一般由主构架（手臂）、手腕、驱动系统、 测量系统、控制器及传感器等组成。工业机器人不同于机 械手。
工业机器人具有独立的控制系统，可以通过编程实现 动作程序的变化；而机械手只能完成简单的搬运、抓取及 上下料工作，它一般作为自动机或自动线上的附属装置， 工作程序固定不变。
液 压 /电 气 动 力 装 置
3.其它领域
机器人在其它领域的应用也非常广泛，如工业机 器人可以取代人去完成一些危险环境中的作业(如放射 线、火灾、海洋、宇宙等)。例如，2004年1月4日，美 国“勇气”号火星探测机器人实现了人类登陆火星的
梦想，下图为“勇气”号的图片。
空间机器人
ANTE是美国卡内基·梅隆大学为 探行星做准备而研制的，高3米，宽 2米，重400千克。
焊接工业机器人系统示意图
机器人汽车焊接生产线
2.机械制造领域
机械制造企业的柔性制造系统采用搬运机器人搬运 物料、工件和工具，装配机器人完成设备的零件装配， 测量机器人进行在线或离线测量。
T-07-O-Y-工业机器人主要参数(1)
教后记
一、机器人的组成
机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、和驱动器等四部分组成。机械本体是机器人实施作业的执行机构。为对本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作。
机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。工业机器人出现的初期，由于其运动大多采用曲柄机构和连杆机构等，所以大多使用液压与气压驱动方式。但随着对作业高速度的要求，以及作用日益复杂化，目前电气驱动的机器人所占有的比例越来越大。但在需要出力很大的应用场合，或运动精度不高、有防爆要求的场合，液压、气压驱动仍获得满意的应用。现将各种驱动的主要特点及应用场合简述如下。
1机械本体
机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器、或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向（姿势）。机械臂上的末端执行装置可以根据操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。
步进电机驱动：功率小，开环控制，控制简单，但可能失步（步进电机也可用于闭环控制，但系统较复杂）。
直流电机驱动：调速性能好，功率较大，效率较高，但换向器需要维护，不宜用于易爆、多粉尘环境。
交流电机驱动：维护简单，使用环境不受限制，成本较低，调速性能随着交流驱动技术的发展赶上并超越了直流电机，逐渐成为机器人电气驱动中的主要方式。目前常用的电机有交流永磁伺服电机（PMSM）、感应异步电机（IM）、无刷直流电机（BLDC）等。
工业机器人技术3 工业机器人的基本组成及技术参数
1.主要技术参数
以FANUC机器人LR Mate 200iD为例，其主要技术参数 表如表所示。
表1-3-1LR Mate 200iD 主要技术参数
知识准备
二、工业机器人主要技术参数
1.主要技术参数
1.2.作业空间和安装要求
由于垂直串联等结构的机器人工 作范围是三维空间的不规则球体，为 了便于说明，产品样本中一般需要提 供如图 所示的详细作业空间图。
•
运动速度影响机器人的工作效率和运动周期，它与机器人所提取的重力和位置精度均有密切的关系。运
动速度提高，机器人所承受的动载荷增大，必将承受着加减速时较大的惯性力，从而影响机器人的工作平稳性
和位置精度。
•
就目前的技术水平而言，通用机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下，最大回转速度一般不
超过120°/s。
讨论问题
工业机器人由哪些部分组成的？ 工业机器人的主要技术参数有哪些？
小结
本堂课我们学习了工业机器人的基本组成，介绍了工业 机器人的重要基本参数，为机器人的本体结构和手部结构
的学习奠定了基础。
谢谢观看
知识准备
二、工业机器人主要技术参数
3.自由度
3.1机器人的关节
在机器人机构中，两相邻的连杆之间有一个公共
的轴线，两杆之同允许沿该轴线相对移动或绕该轴
线相对转动，构成一个关节。
机器人关节的种类决定了机器人的运动自由度，
转动关节、移动关节、球面关节和虎克铰关节是机
器人机构中经常使用的关节类型。
球这面种虎这关关克种节 节铰 关转做移对：具关节动相动移S有节有关对，关动：23节转允节，个个T：动许：移，自自R，两P动允由由，表转连距许度度它示角杆离两。允，为之为个许它θ间d连，两允，有杆这相许这3之种邻种两种间关连独相关有节杆立邻节2有绕的连有种1着相杆1相个个关对沿对自自节转关移由由轴动节动度度线，轴，。。线做相
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工业机器人控制系统组成及典型结构
一、工业机器人控制系统所要达到的功能机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下：
1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。
2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。
在线示教包括示教盒和导引示教两种。
3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。
4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。
5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。
6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。
7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。
8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。
二、工业机器人控制系统的组成
1、控制计算机：控制系统的调度指挥机构。
一般为微型机、微处理器有32 位、64 位等如奔腾系列CPU 以及其他类型CPU 。
2、示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的
CPU 以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。
3、操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。
4、硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。
5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。
6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。
7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。
8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。
9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。
10 、通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。
11 、网络接口
1) Ethernet 接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC 通信，数据传输速率高达
10Mbit/s ，可直接在PC 上用windows 库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP 通信协议，通过Ethernet 接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。
2 ) Fieldbus 接口：支持多种流行的现场总线规格，如
Device net、ABRemotel/O Array
Interbus-s 、profibus-DP 、M-NET 等。
三、工业机器人控制系统分类
1、程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。
2、自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。
这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。
3、人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。
4、点位式：要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关。
？
5、轨迹式：要求机器人按示教的轨迹和速度运动。
6、控制总线：国际标准总线控制系统。
采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MUL TI-bus、STD-bus、PC-bus。
7、自定义总线控制系统：由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。
&编程方式：物理设置编程系统。
由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能用于简单的拾起和放置作业。
9、在线编程：通过人的示教来完成操作信息的记忆过程编程方式，包括直接示教模拟示教
和示教盒示教。
10、离线编程：不对实际作业的机器人直接示教，而是脱离实际作业环境，示教程序，通过
使用高级机器人，编程语言，远程式离线生成机器人作业轨迹。
四、机器人控制系统结构
机器人控制系统按其控制方式可分为三类。
1)集中控制系统(CentralizedControlSystem ):用一台计算机实现全部控制功能，结构
简单，成本低，但实时性差，难以扩展，在早期的机器人中常采用这种结构，其构成框图，如图
2所示。
基于PC的集中控制系统里，充分利用了PC资源开放性的特点，可以实现很好的开放
性：多种控制卡，传感器设备等都可以通过标准PCI插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统
中。
集中式控制系统的优点是：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于PC的系统硬件扩展较为方便。
其缺点也显而易见：系统控制缺
乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，后果严重；由于工业机器人的实时性要求很高，当系统进行大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；此外，系统连线复杂，会降低系统的可靠性。
CPU实现管理、坐
2) 主从控制系统：采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。
主
标变换、轨迹生成和系统自诊断等：从CPU实现所有关节的动作控制。
其构成框图，如图3所
示。
主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
3) 分散控制系统(DistributeControlSystem ):按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。
这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式，其控制框图如图4所示。
其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系统对其总体目
标和任务可以进行综合协调和分配，并通过子系统的协调工作来完成控制任务，整个系统在功能、
逻辑和物理等方面都是分散的，所以DCS系统又称为集散控制系统或分散控制系统。
这种结构
中，子系统是由控制器和不同被控对象或设备构成的，各个子系统之间通过网络等相互通讯。
分布式控制结构提供了一个开放、实时、精确的机器人控制系统。
分布式系统中常采用两级控制方式。
两级分布式控制系统？通常由上位机、下为机和网络组成。
上位机可以进行不同的轨迹规划和控制算法，下位机进行插补细分、控制优化等的研究和实现。
上位机和下位机通过通讯总线相
互协调工作，这里的通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等形式。
现在, 以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。
尤其是现场总线,
它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网
络集成式全分布控制系统一现场总线控制系统FCS( FiledbusControlSystem )。
在工厂生产
网络中，将可以通过现场总线连接的设备统称为“现场设备/仪表”。
从系统论的角度来说，工
业机器人作为工厂的生产设备之一，也可以归纳为现场设备。
在机器人系统中引入现场总线技术后，更有利于机器人在工业生产环境中的集成。
• KU
分布式控制系统的优点在于：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。
对于具有多自由度的工业机器人而言，集中控制对各个控制轴之间的藕合关系处理得很好，
可以很简单的进行补偿。
但是，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化。
而且，当系统中轴的数量或控制算法变得很复杂时，可能会导致系统的重新设计。
与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有较少的轴间祸合和较高的系统
重构性。