工业机器人组成及工作原理2017
工业机器人的构造和运动原理
工业机器人的构造和运动原理
工业机器人：
1、构造：
工业机器人由传动机构、控制机构和执行机构组成。
其中，传动机构主要指传动、固定和支撑机构，具有定义机器人的类型、精度、范围等作用；控制机构主要指电器设备，包括输入控制部件、调节部件和输出控制部件，是机器人运动的指挥中心；执行机构主要指机器人系统中预定义好的精确运动部件，如安装在臂上的电动马达等，它是机器人实现预定义运动的运动执行器。
2、运动原理：
（1）机器人的联动原理：工业机器人是把用计算机控制的传动装置、定位装置和调整装置组合起来，实现六度空间运动。
因此，工业机器人具有多轴连接，可以实现任意位置、角度、抓取力和速度的控制。
（2）机器人的运动控制原理：工业机器人使用比例控制和轮式编码系
统控制各个关节的运动，比例控制是指控制机构根据输入的指令将执行机构移动到指定的坐标位置；而轮式编码系统是指将每个轴的编码器的变化值放大和上传到控制机构，控制机构将放大的变化值放大后反馈给编码器，以实现指定角度位置的控制。
（3）机器人的运行机理原理：机器人的运行遵循输入—处理—输出的过程。
它的工作由近端控制单元或者远端控制系统通过输入设备输入指令，将指令信息传输至控制机构，控制机构根据指令信息，分析处理输出电流、电压等控制信号，从而驱动各关节的定位、运动和调节传动机构实现有序的动作，最后完成机器人的动作。
工业机器人机构及其机械原理
工业机器人机构及其机械原理一、工业机器人机构1.旋转关节：旋转关节允许连接的两个部件相对旋转。
其常见的工作方式有单自由度（DOF）和多DOF。
单DOF的旋转关节只能以一个轴向进行旋转；而多DOF旋转关节则可以在一个平面内进行多向旋转。
2.滑动关节：滑动关节允许两个部件在平行轴线上相对滑动。
与旋转关节不同，滑动关节是沿着直线路径进行移动的关节。
3.旋转-滑动关节：旋转-滑动关节结合了旋转关节和滑动关节的特点，可以实现旋转和滑动两种运动方式。
这种关节结构适用于需要在旋转和滑动两个方向上进行运动的任务。
除了关节，机器人的机构还包括其他附属装置，如力传感器、末端执行器等。
二、工业机器人机械原理1.驱动系统：驱动系统负责提供机器人关节运动所需的动力。
常见的驱动系统包括电动机和气动/液压驱动。
电动驱动广泛应用于工业机器人中，可以通过电能转换为机械能，驱动机器人的关节进行运动。
气动和液压驱动则适用于一些需要较大力矩和力量的机器人任务。
2.传动系统：传动系统负责传递动力和控制关节的运动。
常见的传动方式有齿轮传动、皮带传动、链传动等。
齿轮传动一般用于需要高精度的机器人任务，具有传动效率高、精度高等优点；皮带传动则适用于速度较高的机器人任务，具有运动平稳、噪声小等特点；链传动适用于承受大力矩的机器人任务。
3.执行系统：执行系统是机器人执行任务的最终部分，决定了机器人的实际功能。
执行系统包括末端执行器、夹持工具等。
末端执行器是机器人与工件进行接触的部分，可以根据不同的任务进行定制，如机器人手爪、机器人刷子等。
夹持工具是机器人用于抓取和固定工件的工具，可以根据工件的形状和尺寸进行设计。
工业机器人组成及工作原理
(2)有效负载(Payload) 有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运 的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。
控制信息
• 顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备） 按动作先后顺序的设定、检测等。
• 位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该 点上的姿态，通常总称为位姿（POSE）。
• 时间信息：各顺序动作所需时间，即机器人完成各 个动作的速度。
二、工业机器人的技术参数
表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、 运动精度、运动特性、动态特性等。
例：电装（DENSO）机械手
• 系统组成感知系统1感受系统由内部传感器4
模块和外部传感器模块
组成, 用以获取内部和
外部环境状态中有意义
的信息。
2
智能传感器的使用提高
了机器人的机动性、适
应性和智能化的水准。
3
智能传感器的使用提高了
机器人的机动性、适应性
和智能化的水准。
对于一些特殊的信息, 传 感器比人类的感受系统 更有效。
“自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方 式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自 主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。
示教再现
– 示教－再现 即分为示教－存储－再现-操作四步进行。 • 示教：方式有两种：(1) 直接示教－手把手； (2) 间接示教－示教盒控制。 • 存储：保存示教信息。 • 再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发 出重复动作的命令。
工业机器人本体的基本组成
工业机器人本体的基本组成
工业机器人本体的基本组成通常包括以下几个部分：
1. 机械结构：这是机器人的主体框架，包括底座、腰部、臂部、腕部和末端执行器等组成部分。
机械结构的设计需要考虑到机器人的负载能力、运动范围、精度要求等因素。
2. 驱动系统：驱动系统是为机器人提供动力的关键组件，它可以根据需要调节机器人的运动速度和方向。
常见的驱动方式有电动、液压、气压和伺服电机等。
3. 传感系统：传感系统用于感知机器人周围环境的变化，例如位置、速度、力/扭矩、温度等参数。
常用的传感器包括编码器、激光雷达、摄像头、红外线传感器等。
4. 控制系统：控制系统是机器人的“大脑”，负责接收传感器反馈的数据并进行处理，然后发出指令来控制机器人的动作。
控制系统通常由嵌入式处理器、操作系统、编程语言和人机界面等组成。
5. 执行机构：执行机构是机器人完成特定任务的关键组件，例如抓手、喷涂枪、焊接头等。
执行机构通常与末端执行器相连，可以根据需要进行调节和更换。
6. 配套软件和设备：除了机器人本体外，还需要相应的配套软件和设备来支持机器人的运行和维护。
例如机器人操作系统、编程软件、调试工具、维护手册等。
综上所述，工业机器人本体的基本组成包括机械结构、驱动系统、传感系统、控制系统、执行机构和配套软件和设备等多个部分，它们相互协作，共同实现机器人的功能和任务。
工业机器人内部结构及基本组成原理详解
工业机器人内部结构及基本组成原理详解工业机器人详解你对工业机器人有着什么样的了解？关于工业机器人，我们过去也反反复复推送了很多的文章，在这一次，我们将尝试解决有关---在工业环境中使用的最常见的机器人和作业时经常会遇到的问题。
关于工业机器人定义什么可以被认为是一个工业机器人?什么不能被称为工业机器人？工业机器人直到最近才能避开这种混乱。
不是在工业环境中使用的每个机电设备都可以被认为是机器人。
根据国际标准组织的定义，工业机器人是一种可编程的三自由度或多轴自动控制的可编程多用途机械手。
这几乎是在谈论工业机器人时被接受的定义。
工业机器人自中年以来发生了什么变化？越来越多的工程师和企业家正在寻找越来越多的机器人技术，帮助在工业环境中优化工作流程的方式。
随着时代的发展和机器人技术的进步，机器人手臂必须为诸如仓储中使用的群组AGV等新手铺路。
我们经常说典型的工业机器人由工具，工业机器人手臂，控制柜，控制面板，示教器以及其他外围设备组成。
那么这些是什么？这些部分通常都在一起，控制柜类似于机器人的大脑。
控制面板和示教器构成用户环境。
工具（也称为末端执行器）是为特定任务设计的设备（例如焊接或喷涂）。
机器人手臂基本上是移动工具的东西。
但并不是每个工业机器人都像一个手臂。
不同机器人有不同类型的结构。
控制面板---操作员使用控制面板来执行一些常规任务。
（例如：改变程序或控制外围设备）。
应用“机器人工人”----什么时候应该使用工业机器人而不是人工？相信这个问题大家思考的次数并不少了。
理想情况下，这应该是双赢的。
想快速看到效果，你需要知道什么是别人最不喜欢的工作。
想得最多的是那些重复的，乏味的工作，需要从工作人员那边进行大量单调的行动，这个思考是正确的，因为正是如此，例如从一个输送机到另一个输送机。
如果总是相同的任务，您可以使用专门针对您的需求量身定制的自动化解决方案。
工厂的工作处理需要越来越灵活，在这些情况下，正确的解决方案是：可以试用用于不同任务的可重新编程的机器人进行任务操作。
工业机器人组成结构
工业机器人组成结构工业机器人是一种用于自动化生产的机器，它能够完成人类在生产线上的工作任务。
工业机器人的组成结构是多样的，下面将从机械结构、电气控制和软件系统三个方面来介绍工业机器人的组成结构。
一、机械结构工业机器人的机械结构是支持其运动和操作的基础。
通常，它由底座、臂架、关节、末端执行器等部分组成。
1. 底座：底座是机器人的基础，通常由铸铁或钢板制成，具有足够的强度和稳定性。
底座上通常安装有电机和减速器，用于提供机器人的旋转运动。
2. 臂架：臂架是机器人的主体结构，通常由铝合金或碳纤维等材料制成，具有轻量化和高强度的特点。
臂架上的关节连接着各个运动部件，使机器人能够进行多轴运动。
3. 关节：关节是机器人的运动部件，通常由电动机、减速器和编码器等组成。
关节能够提供机器人的转动和抬升等运动，使机器人能够灵活地完成各种工作任务。
4. 末端执行器：末端执行器是机器人的工作部件，通常根据需要选择不同的执行器，如夹爪、吸盘、焊枪等。
末端执行器能够完成机器人的具体操作任务，如抓取、装配、焊接等。
二、电气控制电气控制是机器人的神经系统，负责控制机器人的运动和操作。
它由电机驱动系统、传感器系统和控制器等组成。
1. 电机驱动系统：电机驱动系统是机器人的动力源，通常由伺服电机和伺服驱动器等组成。
电机驱动系统能够提供机器人的运动能力，使机器人能够精确地控制运动轨迹和速度。
2. 传感器系统：传感器系统能够感知机器人周围的环境和工件信息，通常包括视觉传感器、力传感器、接近开关等。
传感器系统能够为机器人提供反馈信号，使机器人能够根据实际情况进行调整和控制。
3. 控制器：控制器是机器人的大脑，负责整个系统的协调和控制。
控制器通常由工控机或嵌入式控制器组成，可以通过编程来实现机器人的自动化控制和任务规划。
三、软件系统软件系统是机器人的智能核心，负责实现机器人的智能化和自主性。
它由操作系统、控制算法和应用软件等组成。
1. 操作系统：操作系统是机器人的基础软件平台，通常采用实时操作系统（RTOS），如VxWorks、RobotWare等。
工业机器人运动原理
工业机器人的运动原理主要包括机械结构、传动系统和控制系统。
1. 机械结构：工业机器人的机械结构通常由基座、臂架、关节和末端执行器组成。
基座是机器人的底座，用于支撑机器人的整体结构。
臂架是连接基座和末端执行器的部分，通常由多个关节连接而成，可以实现多自由度的运动。
关节是机器人的关节连接点，通过电机和减速器驱动，实现机器人的关节运动。
末端执行器是机器人的工具或夹具，用于完成具体的任务。
2. 传动系统：工业机器人的传动系统主要包括电机、减速器和传动装置。
电机是驱动机器人运动的动力源，通常采用直流电机或交流伺服电机。
减速器用于减小电机的转速并增加扭矩，以提供足够的力矩来驱动机器人的运动。
传动装置用于将电机的旋转运动转换为机器人的线性或旋转运动，常见的传动装置包括齿轮传动、皮带传动和蜗轮蜗杆传动等。
3. 控制系统：工业机器人的控制系统主要包括传感器、控制器和编程系统。
传感器用于感知机器人周围的环境和工件的位置、姿态等信息，常见的传感器包括光电传感器、力传感器和视觉传感器等。
控制器是机器人的大脑，负责接收传感
器的信号并根据预设的程序和算法来控制机器人的运动。
编程系统用于编写机器人的运动轨迹和任务逻辑，通常采用离线编程或在线编程的方式。
通过机械结构、传动系统和控制系统的协同作用，工业机器人可以实现精确、高速、重复性的运动，完成各种生产任务。
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工业机器人工作原理及其基本构成
工业机器人工作原理及其基本构成工业机器人是一种能够自动执行一系列生产操作的多关节机械设备。
其工作原理基于计算机控制与机械结构相结合，具备感知、决策和执行的能力，实现高效、精准和灵活的生产作业。
下面将详细介绍工业机器人的工作原理及其基本构成。
一、工作原理1.传感器控制：工业机器人通过安装各种传感器，如视觉传感器、力传感器、接触传感器等，来感知周围环境和工件的状态。
传感器采集到的信息会传送给控制系统进行处理。
2.控制系统：控制系统是工业机器人的核心部分，它由计算机和程序控制器组成。
计算机负责处理各种传感器采集到的数据，并进行实时监控和控制。
程序控制器根据预设的工艺参数和任务要求，决策机器人的动作轨迹和运动方式。
3.执行机构：执行机构是工业机器人实现动作的关键部分。
根据机器人的不同结构和工作任务，可以采用电机、液压驱动或气动驱动等方式实现机械臂的运动。
4.末端执行器：末端执行器是机器人最终与工件接触并执行作业的部分。
根据不同的应用需求，可以采用夹具、吸盘、焊枪等各种类型的末端执行器。
5.编程操作：工业机器人的工作需要编写适应不同任务的程序。
编程操作可以通过在线编程、离线编程或教导示教等方式实现，以确保机器人按照预期工艺参数和任务要求执行工作。
二、基本构成1.机械结构：机器人的机械结构一般包括基座、臂架和末端执行器。
臂架是由多个关节连接而成的，关节可以实现不同方向和角度的运动。
机械结构的设计和布局直接影响机器人的灵活性和作业范围。
2.传感器系统：工业机器人的传感器系统用于感知周围环境和工件状态。
常用的传感器包括视觉传感器、力传感器、接触传感器等。
视觉传感器可以识别工件的位置和形状，力传感器可以测量机器人与工件之间的力，接触传感器可以检测到机器人和工件的接触。
3.控制系统：控制系统包括计算机和程序控制器。
计算机负责处理传感器采集到的数据，并进行实时监控和控制。
程序控制器负责根据预设的工艺参数和任务要求，决策机器人的动作轨迹和运动方式。
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速度变化曲线
要处理好快速与平稳的矛盾，必须控制启动加速和停止前的减速这两 个过渡运动区段。
4 3
仿生机器人关节
工业机器人控制策略
变结构控制 变结构系统是一种非连续反馈控制系统，是将具有不同结构的反馈
控制系统按照一定逻辑切换变化得到的，并且具备了原来各个反馈控 制系统并不具有的渐近稳定性。 变结构控制方法对于系统参数的变化规律、非线性程度以及外界干扰 等不需要精确的数学模型，只需要知道它们的变化范围，就能对系统 进行精确的轨迹跟踪控制。
定位精度（Positioning accuracy）：指 机器人末端参考点实际到达的位置与 所需要到达的理想位置之间的差距。
可以用精密度、正确度、和准确度三个参数来衡量。 重复性（ Repeatability ）或重复精度：
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。或 在相同的位置指令
下，机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。
2 5
工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制的分类
关节空间运动控制
按运动坐标控制方式
直角坐标空间运动控制 程序控制系统
按适应程度
适应性控制系统 人工智能控制系统 单控系统
按控制机器人数目
位置控制 群控系统
按运动控制方式
速度控制 力控制
2 6
• 按照期望控制量分为：位置控制和力控制
单关节位置控制（位置反馈，速度反馈，加速度反馈） 位置控制 多关节位置控制 集中控制 (centralized control) 分解运动控制（decentralized control）
示教再现
– 示教－再现 即分为示教－存储－再现-操作四步进行。
• 示教：方式有两种：(1) 直接示教－手把手；
(2) 间接示教－示教盒控制。
• 存储：保存示教信息。 • 再现：根据需要，读出存储的示教信息向机器人发 出重复动作的命令。
控制信息 • 顺序信息：各种动作单元（包括机械手和外围设备） 按动作先后顺序的设定、检测等。 • 位置信息：作业之间各点的坐标值，包括手爪在该
直接力控制 （direct force control） 力控制 阻抗控制 (impedance control) 力位混合控制 (Hybrid force/Motion control)
智能化的控制策略
• • • • • • 模糊控制(fuzzy control ) 自适应控制（ adaptive control ） 最优控制(optimal control) 神经网络控制(neuro control ) 模糊神经网络控制 专家控制(expert control)
工业机器人组成与工作原理（控制概述）
1.1 工业机器人的基本组成
1.2 工业机器人工作原理与技术参数
1.3 工业机器人控制技术综述
工业机器人控制系统
1.1 工业机器人的基本组成
主要由机器人本体、控制器、示教器三大部件组成
六轴垂直多关节机器人
R轴
B轴
T轴
U轴
L轴 S轴
Motoman工业机器人
机械结构简图
例：库卡工业机器人控制器KRC4
KRC4性能参数： 全部采用总线形式 处理器库卡(工业)PC（2.6GHZ ） 操作系统微软WINDOWS XP 控制轴数8个 AC伺服马达驱动 与外围设备通讯接口: Profinet, Profibus,Interbus,EtherCAT, Ethernet 编程及控制库卡SmartPAD
• 系统组成
例：电装（DENSO）机械手
感知系统
1
感受系统由内部传感器 模块和外部传感器模块 组成, 用以获取内部和 外部环境状态中有意义 的信息。
2
智能传感器的使用提高 了机器人的机动性、适 应性和智能化的水准。 对于一些特殊的信息, 传 感器比人类的感受系统 更有效。
3
1.2 工业机器人工作原理与技术参数
优点：设计比较简单，便于理解和应用，具有很强的鲁棒性。
缺点：存在抖振。
4 5
工业机器人控制策略
模糊控制方法 模糊控制系统的控制对象可以是实际的闭环控制、专家系统或任何类
型的人机系统，其中决策部分由近似推理完成。 近似推理是根据客观实际情况以及已有的规则获取未知信息的过程，在 获得输入变量取值的可能性分布后，由复合推理给出输出变量取值的可
工业机器人通常远离人，当人进入其工作范围，会造成意外伤害
与人交互需求
• 安全性是第一位的
从仿人的角度
• 变刚度
人体关节构造
• 前臂肘关节
Cassie的全新双足机器人
工业机器人控制方式
工业机器人的速度控制 假设：在连续轨迹控制方式的情况下，工业机器人按预定的指令、控制运动部
件的速度和实行加、减速，以满足运动平稳、定位准确的要求。
±（0.05~1) ±1
±0.1~ ±3 2
±(0.01 ±(0.01 ~0.5) ~0.5)
• 分辨率
是指机器人每根轴能够实现的最小移动距离或最小转动角度。
精度和分辨率不一定相关。
实
际
位
置 给定位置
反馈尺
重复 精度 精度
TBRU 分辨率
分辨率、精度、重复精度的关系
1.3 工业机器人控制技术综述
• Others
机器人的位置控制
1．机器人位置控制任务分类：
点位控制－PTP（Point to Point）：只考虑起始点 和目的点的位置，而不考虑两点之间的移动路径的 控制方式，适用于上下料、点焊、搬运等； 连续路径控制－CP（Continuous Path）：不但要 求机器人以一定的精度到达目标点，而且对其移动 的轨迹形式有一定精度范围的要求。 （如弧焊、喷 漆机器人）
集中式控制系统结构
？ ？ ？
组织层 (作业控制) 协调层 (运动控制) 执行层 (驱动控制)
工业机器人电动伺服系统的一般结构为三个闭环控制，即电流环、速度环和位置环。一般情况下，对于交流伺服 驱动器，可通过对其内部功能参数进行设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。
分布式控制系统结构
（Direct force con抗控制）
分类
间接力控制
（Indirect force control）
被动柔顺（变刚度）
为什么采用力控制 ？
轴孔配合
形状适应性
接触碰撞
直接力控制
• 作用：实现机器人与环境作用力的精确控制 • 实例：力的PI控制方法
2. 位置控制方法：
关节空间控制结构 直角坐标空间控制结构
机器人的力控制
• 力控制简介 • 直接力控制（Direct force control） • 间接力控制（Indirect force control）
1.力控制简介
• 目的: 控制机器人各关节使其末端表现出一定 的力或力矩特性。
直接力控制
“可编程控制”方式：工作人员事先根据机器人的工作任务和运 动轨迹编制控制程序，然后将控制程序输入给机器人的控制器， 起动控制程序，机器人就按照程序所规定的动作一步一步地去 完成，如果任务变更，只要修改或重新编写控制程序，非常灵 活方便。大多数工业机器人都是按照前两种方式工作的。
“遥控”方式：由人用有线或无线遥控器控制机器人在人难以 到达或危险的场所完成某项任务。如防暴排险机器人、军用机 器人、在有核辐射和化学污染环境工作的机器人等。 “自主控制”方式：是机器人控制中最高级、最复杂的控制方 式，它要求机器人在复杂的非结构化环境中具有识别环境和自 主决策能力，也就是要具有人的某些智能行为。
最常用的评价标准就是输入与输出（期望的输出 与实际输出）之间的偏差
例如：
工业机器人控制系统的组成
控制系统的组成 工业机器人的控制系统一般分为上、下两个控制层次：
下级—实时控制级 上级—组织级
其任务是将期望的任务转化为运 它根据机器人动力学特性及机器人当 动轨迹或适当的操作，并随时检测机 前运动情况，综合出适当的命令，驱动 器人各部分的运动及工作情况，处理 机器人机构完成指定的运动和操作。 意外事件。
控制的目的 是使被控对象产生控制者所期望的行为方式 控制的基本条件 是了解被控对象的特性 控制的实质 是对驱动器输出力矩的控制
？ ？ ？
输入X
被控对象的模型 目 输入X 的 输出Y
输出Y
机器人控制的两个问题：
1）求机器人的动态模型（动力学问题） 2）根据动态模型设计控制规律
机器人技术与控制学科的关系
能性分布。
知识库 模糊逻辑决策 被控过程
4 6
模糊产生器
模糊消除器
工业机器人控制策略
神经网络控制方法 人工神经网络 是利用物理器件来模拟生物神经网络的某些结构和功能。
在控制领域主要是从功能上进行模拟，尽可能使人工神经网络具有生物神 经网络的某些功能特性，如学习、识别和控制等。 神经网络具有非线性逼近、并行分布处理、学习和自适应、数据融合等能 力，具有多输入和多输出的网络结构，便于硬件的实现。
o
o
精度和重复精度，哪个重要
• 精度
？
机器人到达指定点的精确程度（与驱动和传感的分辨 率有关）。 （可预测可校正）
• 重复精度
机器人动作重复多次，到达同样位置的精确程度。 （随机误差的范围，无法消除）
任务 重复 性 机床上下 料 冲床上下料 点焊 ±1 模锻 喷漆 装配 测量 弧焊 ±(0.2~ 0.5)
如果被控对象的模型能够精确知道，但模型是 变化的，怎么办？
如果模型的变化是可以 预测的
如果模型的变化是可 以实时辩识的
辨识器
X
1/ P（T）
P（T）
Y
X
1/ P（T）