机电一体化技术 笫8章 工业机器人

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② 柱面坐标机器人
θ
r
工业机器人的坐标结构形式 直角坐标系 柱面坐标系 球面坐标系 多关节坐标系
x
柱面坐标机器人 主要由旋转基座、垂直移动和 水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由 度，其动作空间呈圆柱形。
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③ 球面坐标机器人
β
工业机器人的坐标结构形式
θ
r
直角坐标系 柱面坐标系 球面坐标系 多关节坐标系

第五：瑞士史陶比尔（ STAUBLI ） 史陶比尔集团有着100多年的发展历史，是一家在纺织机械，工业快速接头和工业机器 人三大领域保持领先地位的世界知名企业。为了向客户就近提供更好、更快捷的服务， 1997年史陶比尔集团在亚洲建立了首家制造工厂-史陶比尔（杭州）公司。秉承史陶比尔 一贯的优良传统和专业精神，史陶比尔(杭州)公司竭诚向客户提供创新、完美的解决方案 和优质的技术支持和服务。

一般,机器人自由度等于它的关节数,大多是有6-8个自由度， 自由度越多，机器人的功能就越强。图8-2左图所示的就是具有6 个自由度的工业机器人，各关节动作是由电动执行装置和齿轮减 速传动机械来实现的。6个自由度如下：

①手臂扫掠（腰左转或右转）； ②肩旋转（肩向上或向下）；
③肘伸展（肘缩进或伸出）；

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“机器人学三原则”
这三个原则如下：

1）机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸； 2）机器人应执行人们下达的命令，除非这些命令与第 一原则相矛盾；

3）机器人应能保护自己的生存，只要这种保护行为不 与第一或第二原则相矛盾。
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2.工业机器人的基本参数
机器人的基本参数主要有工作空间、自由度、有效负载、运动 精度、运动特性、动态特性等。
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机器人的英文单词“Robot”起源于捷克作家卡雷尔·卡佩克在1920年发 表的科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》（《Rossums Universal Robots｝）中。 剧本中的Robot是一家公司发明的形状像人的机器，可以听从人的命令做各种动 作；它可以不吃饭，能够不知疲倦地进行工作。自此以后，像人一样的机器出 现在很多科幻小说中，我国干脆就将“Robot”翻译成“机器人”。
球面坐标机器人 空间位置分别由旋转、摆动和 平移 3 个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。
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④垂直多关节坐标机器人
α
工业机器人的坐标结构形式
φ
直角坐标系
θ
柱面坐标系 球面坐标系 多关节坐标系
垂直多关节机器人 模拟人手臂功Fra bibliotek，由垂直于 地面的腰部旋转轴、带动小臂旋转的肘部旋转轴 以及小臂前端的手腕等组成，手腕通常有 2~3 个自 由度，其动作空间近似一个球体。
手把手示教
配备视觉系统的工业机器人 19
2）按操作机构坐标形式分类 ① 直角坐标机器人
y
工业机器人的结构形式 直角坐标系 柱面坐标系 球面坐标系 多关节型平面关节
x
z
直角坐标机器人 具有空间上相互垂直的多个直 线移动轴，通过直角坐标方向的 3 个独立自由度确 定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。
④俯仰（手腕上转或下转）； ⑤偏航（手腕左转或右转）；
⑥横滚（手腕顺时针转或反时针转）。
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3.工业机器人的组成与分类
(1) 工业机器人的组成
一般由操作机械、计算机控制系统、驱动伺服单元、传感器检测 系统和输入输出接口等几部份组成。如图8-2所示。
图8-2 工业机器人的组成
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工业机器人运动轴定义

2)具有通用型，可从事多种工作，可灵活改变动作程序。 3)具有不同程度的的智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等； 4)具有独立性，一个完整机器人系统，在工作中不依赖于人的干预。
机器人的出现和高速发展，是当前高科技为适应提高社会劳动生产 率与人生活质量提高需求的必然产物。让机器人替那些人们不愿干、干 不了、干不好的工作。例如焊接(点焊、弧焊)、搬运、码垛、喷漆涂装、 切割、汽车装配、火山探险、空间探索等。 当前著名的工业机器人有四大巨头：瑞士的ABB、德国的KUKA、日本 的YASKAWA(日立)和日本的FANUC。 中国作为世界最大的制造大国，随着用工成本增长，正向由人才红 利取代人口红利，中国制造向中国智能制造转变。在这转折点上，工业 机器人应用出现井喷式增长。2011年工业机器人巳装机7.43万台，居全 球第一。预计2013-2015年装机量将以每年10％增长。急需大量的工业 机器人操作、编程与维修的技术人材。
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（2）工业机器人的分类 1）按技术特点分类
①示教再现机器人，属第一代机器人。 由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制 器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自 动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现 人教给它的动作，并能自动重复的执行。目前在工业现 场应用最多，如喷涂、汽车点焊接。 ②感知机器人，属第二代机器人。 对外界环境有一定感知能力。工作时，根据感觉器 官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态， 保证在适应环境的情况下完成工作。目前巳进入应用阶 段。如自动焊接中，通过传感器感知焊缝的位置，通过 反馈控制，机器人自动跟踪焊缝。 ③智能机器人，属第三代机器人。 具有感觉能力、独立判断和行动的能力及记忆、推 理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。“智 能”特征就在于它具有与外部世界——对象、环境和人 相适应、相协调的工作机能。从控制方式看是以一种 “认知—适应”的方式自律地进行操作，有发现问题， 并且能自主故解决问题的能力，目前尚处于实验研究阶 段。
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世界主要机器人制造商简介
第一：英国马丁路德(Martin Lord) 马丁路德集团是全球工业机器人自动化加工及高精度制造方案的供应商。公 司总部位于英国，在瑞典、美国和中国设有分支机构。集团专注于高精密机械 以及电气技术研制、开发和设计，公司位于英国克兰菲尔德大学，该大学的精 密工程研究所(CUPE)是目前全球公认水平最高的超精密机床研发机构。马丁路 德公司汇聚了该所的专业人士以及来自瑞士的高精密机械专家，为高端制造业 提供更高精度的制造方案，公司的客户涵盖了欧美军工，航天，电子等各重要 领域。 第二：日本发那科（FANUC） FANUC 公司创建于1956年的日本，中文名称发那科，是当今世界上数控系统 科研、设计、制造、销售实力最强大的企业，总人数4549人。FANUC1959年首先 推出了电液步进电机，在后来的若干年中逐步发展并完善了以硬件为主的开环 数控系统。进入70年代，微电子技术、功率电子技术，尤其是计算技术得到了 飞速发展，FANUC公司毅然舍弃了使其发家的电液步进电机数控产品，一方面从 GETTES公司引进直流伺服电机制造技术。1976年FANUC公司研制成功数控系统5， 随后又与SIEMENS公司联合研制了具有先进水平的数控系统7，从这时起，FANUC 公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，产品日新月异，年年 翻新。 第三：瑞士ABB ABB集团位列全球500强企业，集团总部位于瑞士苏黎世。ABB由两个历史100 多年的国际性企业瑞典的阿西亚公司（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞公司（BBC Brown Boveri）在1988年合并而成。两公司分别成立于1883年和1891年。ABB是 电力和自动化技术领域的领导厂商。ABB的技术可以帮助电力、公共事业和工业 客户提高业绩，同时降低对环境的不良影响。ABB集团业务遍布全球100多个国 家，拥有13万名员工，2010年销售额高达320亿美元。
《机电一体化技术与系统》
第8章 工业机器人
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第8章 工业机器人
8.1 工业机器人概述
1.什么是机器人？
工业机器人(Industrial Robot 简称IR)见
美国第一台工业机器人 Unimate
图8-1。“Robot”一词是人类型或动物型的人 工机器装置总称。机器人涉及到机械工程、电 子学、控制理论、传感器技术、计算机科学、 仿生学、人工智能等学科领域，是典型的机电 一体化系统。 1959 年，美国造出世界上第一台工业机器 人 Unimate ，可实现回转、伸缩、俯仰等动作。 1987年国际标准化组织（ISO）对工业机器 人的定义：工业机器人是一种是一件能自动控 制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机， 能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。 日本工业标准JISB0134-1986则定义为“一种在 自动控制下，能够编程完成某些操作或者动作 图8-l KUKA工业机器人 功能的机械装置”。
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第四：德国库卡（KUKA）
德国库卡公司成立于1898年，自1977年开始系列化生产各种用途的机器人，是目前国 际上最大的机器人制造商之一。库卡机器人最显著的特点是采用PC BASED控制系统，该 系统在微软的Windows界面下操作。PC BASED控制系统的设计，再加上标准化的个人电脑 硬件，以及简单的规划和设置，使其MTBF(平均故障间隔时间)超越7万5干小时。而机器人 平均使用寿命更长达10-15年。机器人应用于包装机械行业已有多年历史，现在最新型的 库卡卸码垛机器人采用了精巧的"聚碳纤维"材料制造，令机器人在非常轻巧的同时具有更 高强度，使其尤其适用于高负载作业。该机器人的卸码垛过程采用了FEM的最优化操作方 式，而四轴倾斜式的设计降低了维护保养的成本。 2001年，KUKA开发的“Robocoaster”是世界上第一台客运工业机器人。该机可提供两 名乘客的类似于过山车式的运动序列，其行使实现了程序化。目前进行的“Robocoaster” 开发针对轨道行程，开发目的是实现过山车，以及其它如主题公园与娱乐等沿预定路径运 行的目标。
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