工业机器人技术基础5.3工业机器人手臂
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《工业机器人技术基础》习题答案
2. 机器人发展的三个阶段：①示教再现机器人第一代工业机器人是示教再现型。
这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。
②感知机器人第二代工业机器人具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。
③智能机器人第三代工业机器人称为智能机器人，具有发现问题，并且能自主的解决问题的能力，尚处于实验研究阶段。
作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障状况等，而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等。
更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、决策判断，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。
这类机器人具有高度的适应性和自治能力。
6.SCARA机器人，即Selective Compliance AssemblyRobot Arm，又名水平多关节机器人，是工业机器人应用非常广泛的构型。
SCARA机器人有3个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。
另一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。
SCARA机器人的特点是负载小、速度快，主要应用在快速分拣、精密装配等3C行业、食品行业等领域。
3.3.液压伺服系统主要由液压源、驱动器、伺服阀、传感器、控制器等组成。
液压传动的特点是转矩与惯量比大，不需要其他动力就能连续维持力。
6.Delta机器人可分为回转驱动型和直线驱动型。
回转驱动型Delta机器人，控制容易、动态特性好，但其作业空间较小、承载能力较低，故多用于高速、轻载的场合。
直线驱动型Delta机器人作业空间大、承载能力强，但其操作和控制性能、运动速度等不及旋转型Delta机器人，多用于并联数控机床等场合。
8.RV减速器的特点：①传动比范围大，传动效率高。
②扭转刚度大。
③在额定转矩下，弹性回差误差小。
④传递同样转矩与功率时，RV减速器较其他减速器体积小。
1. 机器人传感器有多种分类方法，如接触式传感器或非接触式传感器，内传感器或外传感器等。
5工业机器人
•运动速度
运动速度影响工作效率，与所提取的重力和 位置精度有关。 •位置精度 机器人定位精度一般在±0.02-5mm范围。
a)圆柱坐标机器人 b)球坐标机器人
c)关节机器人
机器人的工作空间
5.2 工业机器人的机械结构
【上节主要内容回顾】
1、工业机器人是如何定义的？其基本组成包括哪几部分？ （1）工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手功能的机电
第五章 工业机器人
5.1 工业机器人概述
5.2 工业机器人的机械结构
5.3 工业机器人的编程技术 5.4 工业机器人半个世纪发展的回顾与展望
5.1 工业机器人概述
一、机器人的起源 起源于文学作品。
1、机器人一词首先由捷克剧作家、小说家卡列尔· 卡佩克 使用并推荐给全世界。 2、然后由另一位作家在他的小说中给机器人下了“机器 人学三定律”： •机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸； •机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一 定律相矛盾； •机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第 一或第二定律相矛盾。
一体化装置，它可把任一物体或工具按空间位置的时变要求
进行移动，从而完成某一工业生产的作业要求。 （2）基本组成：机械系统、控制系统、驱动系统、智能系 统
工业机器人的手部结构
工业机器人的手部（末端执行器）是装在手腕上直接抓
握工件或执行作业的部件，它是安装在机器人手臂的前端， 具有模仿人手动作的能力。手部与手腕相连处一般可以拆卸 ，以适应不同的作业需要。 •夹持式：利用手爪的开闭来夹紧和抓取工件的，按其结构
工业机器人的分类--按驱动方式分类
•气压传动机器人 以压缩空气作为动力源，高速轻载
；
•液压传动机器人
工业机器人技术基础
量： 决定机器人的自
由度
02
机器人工作范围： 机器人可到达的
工作空间
03
机器人负载能力： 机器人可承受的
最大负载
04
机器人精度：机 器人执行任务的
精确度
05
机器人速度：机 器人执行任务的
速度
06
机器人重复定位 精度：机器人重 复执行任务的精
确度
07
机器人防护等级： 机器人工作环境
的防护等级
工业机器人的应用领域
汽车制造业：
1 用于焊接、 喷漆、装配 等环节
电子行业：
2 用于电路板 组装、芯片 封装等环节
食品行业：
3 用于包装、 分拣、码垛 等环节
物流行业：
4 用于仓储、 分拣、配送 等环节
医疗行业：
5 用于手术辅 助、康复治 疗等环节
航空航天：
6 用于精密零 件加工、装 配等环节
机械结构参数
演讲人
目录
01. 工业机器人技术概述 02. 工业机器人技术参数 03. 工业机器人技术基础课件
工业机器人的定义
工业机器人是一 种可编程、多功
能的自动化设备 1
工业机器人广泛 4
应用于制造业、 物流、医疗、服
务等行业
主要用于执行重 复性、危险性、
2 高精度的工作任
务
3 工业机器人通常
由机械本体、控 制系统、驱动系 统和传感器组成
通信接口：指机 器人与其他设备 之间的通信方式
硬件配置：指机 器人所使用的硬
件设备
响应速度：指机 器人对指令的响
应速度
编程语言：指机 器人使用的编程
语言
扩展性：指机器 人可扩展的功能
和接口
由度
02
机器人工作范围： 机器人可到达的
工作空间
03
机器人负载能力： 机器人可承受的
最大负载
04
机器人精度：机 器人执行任务的
精确度
05
机器人速度：机 器人执行任务的
速度
06
机器人重复定位 精度：机器人重 复执行任务的精
确度
07
机器人防护等级： 机器人工作环境
的防护等级
工业机器人的应用领域
汽车制造业：
1 用于焊接、 喷漆、装配 等环节
电子行业：
2 用于电路板 组装、芯片 封装等环节
食品行业：
3 用于包装、 分拣、码垛 等环节
物流行业：
4 用于仓储、 分拣、配送 等环节
医疗行业：
5 用于手术辅 助、康复治 疗等环节
航空航天：
6 用于精密零 件加工、装 配等环节
机械结构参数
演讲人
目录
01. 工业机器人技术概述 02. 工业机器人技术参数 03. 工业机器人技术基础课件
工业机器人的定义
工业机器人是一 种可编程、多功
能的自动化设备 1
工业机器人广泛 4
应用于制造业、 物流、医疗、服
务等行业
主要用于执行重 复性、危险性、
2 高精度的工作任
务
3 工业机器人通常
由机械本体、控 制系统、驱动系 统和传感器组成
通信接口：指机 器人与其他设备 之间的通信方式
硬件配置：指机 器人所使用的硬
件设备
响应速度：指机 器人对指令的响
应速度
编程语言：指机 器人使用的编程
语言
扩展性：指机器 人可扩展的功能
和接口
《工业机器人技术基础及其应用》教案大纲
学时
建议全部150学时（1学时相当于一节课，即40～50分钟），包括讲课、实验和上机在内。也可以根据实际情况，将该教材分为两门课程，分别为《工业机器人技术基础》（60学时，教材第1-5章）和《工业机器人虚拟仿真及典型应用》（90学时，教材第6-10章）。
开课学期
第2学年第1学期
适用专业
本科院校的各个专业均可(该教材为通识类课程教材)
第2章工业机器人的机械系统（讲课6学时/实验2学时/上机0学时）
2.1工业机器人机械结构系统
介绍工业机器人的各个机械组成部件的结构和作用
2.2工业机器人的驱动系统
介绍工业机器人的不同驱动方式
2.3工业机器人的常用工具
介绍工业机器人的常用工具
对本章内容进行总结
本章重点：让学生熟悉工业机器人的机械系统及其不同的驱动方式。在教师的指导下让学生实际接触机器人并进行简单的操作以获得实感。
学校
教学大纲
2019–2020学年 第一学期
课程名称：工业机器人技术基础及其应用
教师姓名：
所在单位：
பைடு நூலகம்教学大纲
课程代码
ABC-001
课程名称
工业机器人技术基础及其应用
Foundation of Industrial Robot Technology and its Application
课程简介
作为机器人相关专业的本科通识类课程和职业院校的专业课程，兼顾了《工业机器人技术基础》和《工业机器人典型应用》这两门课程的内容。以具有最大影响的ABB工业机器人为主要对象，配合其他主流机型，系统介绍工业机器人技术与操作应用的基本知识和部分仿真、实训设备的使用方法。
课后工作：让学生完成课后思考练习题，并对本章进行总结、提交报告。
建议全部150学时（1学时相当于一节课，即40～50分钟），包括讲课、实验和上机在内。也可以根据实际情况，将该教材分为两门课程，分别为《工业机器人技术基础》（60学时，教材第1-5章）和《工业机器人虚拟仿真及典型应用》（90学时，教材第6-10章）。
开课学期
第2学年第1学期
适用专业
本科院校的各个专业均可(该教材为通识类课程教材)
第2章工业机器人的机械系统（讲课6学时/实验2学时/上机0学时）
2.1工业机器人机械结构系统
介绍工业机器人的各个机械组成部件的结构和作用
2.2工业机器人的驱动系统
介绍工业机器人的不同驱动方式
2.3工业机器人的常用工具
介绍工业机器人的常用工具
对本章内容进行总结
本章重点：让学生熟悉工业机器人的机械系统及其不同的驱动方式。在教师的指导下让学生实际接触机器人并进行简单的操作以获得实感。
学校
教学大纲
2019–2020学年 第一学期
课程名称：工业机器人技术基础及其应用
教师姓名：
所在单位：
பைடு நூலகம்教学大纲
课程代码
ABC-001
课程名称
工业机器人技术基础及其应用
Foundation of Industrial Robot Technology and its Application
课程简介
作为机器人相关专业的本科通识类课程和职业院校的专业课程，兼顾了《工业机器人技术基础》和《工业机器人典型应用》这两门课程的内容。以具有最大影响的ABB工业机器人为主要对象，配合其他主流机型，系统介绍工业机器人技术与操作应用的基本知识和部分仿真、实训设备的使用方法。
课后工作：让学生完成课后思考练习题，并对本章进行总结、提交报告。
《工业机器人技术基础》教学ppt课件—第1章-工业机器人概述
作为这个世界上第一个工业机器人和第一家机器人企业的联合 开创者，恩格尔伯格也从此被称为为“机器人之父”。
约瑟夫·恩格尔伯格（美）
Joseph F·Engelberger
研制出了世界上第一台工业机器人 被誉为“机器人之父”
乔治·德沃尔（美）
George Devol
第一台可编程工业机器人的发明者 成立世界上第一家机器人公司Unimation
20世纪70年代，德国就开始了“机器换人”的过程。同时德 国政府通过长期资助和产学研结合，扶植了一批机器人产业和人 才梯队，如KUKA机器人公司。
德国工业机器人
总数位居世界第二位，仅次于日本
随着德国工业迈向以智能生产为代表 的“工业4.0”时代，德国企业对工业 机器人的需求将继续增加。
库卡
品类齐全 领域广泛
人们印象中的机器人
《罗萨姆的万能机器人》剧照
现实的东西
科幻文学作品 玩具商店中的玩具
20世纪50年代 约瑟夫·恩格尔伯格（美）& 乔治·德沃尔（美）设计发明出
世界上第一台工业机器人Unimate
● 意思为“万能自动” ● 是用于压铸的五轴液压驱动机器人 ● 手臂的控制由一台计算机完成 ● 能够记忆完成180个工作步骤
英国简明牛津字典
机器人是“貌似人的自 动机，具有智力的和顺 从于人的但不具人格的 机器”。这一定义并不 完全正确，因为还不存 在与人类相似的机器人 在运行。
美国国家标准 与技术研究院
一种能够进行编程并在 自动控制下执行某些操 作和移动作业任务的机 械装置”。这也是一种 比较广义的工业机器人 定义。
国际标准组织
图中有两台PUMA机器人
世界第一台 SCARA 工业机器人
Selective Compliance Assembly Robot Arm
《工业机器人技术基础》(第1章)
ABB公司将在上海建设其全球最先进的机器人工厂，该工厂预计将于 2020年底投入运营。新的上海工厂将采用大量机器学习、数字化和协作解 决方案，使其成为机器人行业中最先进、自动化与柔性化程度最高的工厂， 实现用机器人制造机器人。此外，新的研发中心还将帮助加快人工智能领 域的发展。
2．工业机器人的发展趋势
工业机器人 技术基础
第1章 工业机器人概述
目录
CONTENT
1.1 工业机器人的基础知识 1.2 工业机器人的基本组成与技术参数 1.3 工业机器人的典型应用
学习 目标
1 掌握工业机器人的定义及特点。 2 了解工业机器人的历史与发展。 3 掌握在不同分类方式下，工业机器人的结
构与特征。 4 掌握工业机器人的基本组成及技术参数。 5 了解工业机器人的典型应用。
1992年，瑞士ABB公司推出开放式控制系统——S4。S4旨在改善对用户至关重 要的两个领域——人机界面和机器人的技术性能。
1994年，Motoman公司（即现在的安川电机）推出的机器人控制系统 MRC，使同步控制两台机器人成为可能。MRC可以从普通PC编辑工业机 器人作业，且具有控制多达21个轴的能力。
4．涉及学科广泛
工业机器人技术实质上是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。
1.1.2 工业机器人的历史与发展趋势
1．工业机器人的历史
1）萌芽阶段（20世纪40—50年代） 1954年，美国发明家德沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并申请了专利。 1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出世界第一台工业机
4）智能化阶段（21世纪初至今） 2011年，日本发那科公司的R-1000iA机器人利用LVC（学习减振装置）对机器人
运动轨迹加以优化，减小了振动，将动作周期缩短约20%，从而实现更高速的动作。 2018年，发那科公司与首选网络公司合作，首次将人工智能应用于其伺服调谐、
2．工业机器人的发展趋势
工业机器人 技术基础
第1章 工业机器人概述
目录
CONTENT
1.1 工业机器人的基础知识 1.2 工业机器人的基本组成与技术参数 1.3 工业机器人的典型应用
学习 目标
1 掌握工业机器人的定义及特点。 2 了解工业机器人的历史与发展。 3 掌握在不同分类方式下，工业机器人的结
构与特征。 4 掌握工业机器人的基本组成及技术参数。 5 了解工业机器人的典型应用。
1992年，瑞士ABB公司推出开放式控制系统——S4。S4旨在改善对用户至关重 要的两个领域——人机界面和机器人的技术性能。
1994年，Motoman公司（即现在的安川电机）推出的机器人控制系统 MRC，使同步控制两台机器人成为可能。MRC可以从普通PC编辑工业机 器人作业，且具有控制多达21个轴的能力。
4．涉及学科广泛
工业机器人技术实质上是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。
1.1.2 工业机器人的历史与发展趋势
1．工业机器人的历史
1）萌芽阶段（20世纪40—50年代） 1954年，美国发明家德沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并申请了专利。 1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出世界第一台工业机
4）智能化阶段（21世纪初至今） 2011年，日本发那科公司的R-1000iA机器人利用LVC（学习减振装置）对机器人
运动轨迹加以优化，减小了振动，将动作周期缩短约20%，从而实现更高速的动作。 2018年，发那科公司与首选网络公司合作，首次将人工智能应用于其伺服调谐、
《工业机器人技术基础》(第3章)
（a）
（b）
图3-12 磁吸式末端执行器的工作原理
1—线圈；2—铁芯；3—衔铁
3.1.4 专用工具
工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端 执行器来执行各种动作。
这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户 的不同加工需求，如图3-13所示。
（a）
（b） 图3-31 三轮行走机构
（c）
2．四轮行走机构
四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转 向，如图3-32所示。其中，图3-32〔a〕所示为后轮分散驱动；图3-32〔b〕所示为四轮 同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。
（a）
（b）
图3-32 四轮行走机构
3.4.3 轮式行走机构
轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图330所示。车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。
图3-30 轮式行走机构在工业机器人中的应用
1．三轮行走机构
三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图331所示。其中，图3-31〔a〕所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮 速度差实现转向；图3-31〔b〕所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31〔c〕所示为 两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。
3.3.3 臂部结构的设计
工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：
〔1〕臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。 〔2〕合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料。工字形截面的 弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多， 所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。 〔3〕尽量减小臂部重量和整个臂部相对于转动关节的转动惯量，以减小 运动时的动载荷与冲击。 〔4〕合理设计臂部与腕部、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，而且还直接影响机器人的外观。
工业机器人技术基础 项目三-工业机器人的机械结构
的台阶，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构。
③ 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。
1.3.2 移动式机座
（3）足式行走机构
车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上
行驶才有理想的运动特性，如果地面凹凸
和车轮直径相当或地面很软，则它的运动
阻力将大大增加。
①可以在高低不平的地段上行走。
作用
• 移动式机座一方面支撑机器人的机身、臂部和手部，因而具有足
够的刚度和稳定性。
分类
• 机器人的行走机构按运动轨迹分为固定轨迹式行走机构和无固定
轨迹式行走机构。
1.3.2 移动式机座
1.固定轨迹式行走机构
固定轨迹一种配置形式，运动形式大多为直移式，具有占地面积小、有效
置。
1.垂直运动
工业机器人要完成空间的
运动，至少需要几个自由
2.径向运动
度进行运动呢？
3.回转运动
3.2.1 工业机器人手臂的运动
1.垂直运动
垂直运动是指机器人手臂的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整
机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。
工业机器人要
完成空间的运
动，至少需要
三个自由度的
总结
1.工业机器人的机械结构由机座、臂部、腕部、末端执行器组成。
2.固定式机器人由大臂、立柱、机座、小臂和手腕组成。
3.足式行走机构主要行走在平坦的地面上，车轮的形状和结构形式取决于地面
的性质和车辆的承载能力
4.履带行走机构由履带板、履带架、驱动链轮、导向轮、驱动轮、支重轮、托
链轮和张紧装置组成。
3.2工业机器人手臂
完成空间的运
动，至少需要
③ 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。
1.3.2 移动式机座
（3）足式行走机构
车轮式行走机构只有在平坦坚硬的地面上
行驶才有理想的运动特性，如果地面凹凸
和车轮直径相当或地面很软，则它的运动
阻力将大大增加。
①可以在高低不平的地段上行走。
作用
• 移动式机座一方面支撑机器人的机身、臂部和手部，因而具有足
够的刚度和稳定性。
分类
• 机器人的行走机构按运动轨迹分为固定轨迹式行走机构和无固定
轨迹式行走机构。
1.3.2 移动式机座
1.固定轨迹式行走机构
固定轨迹一种配置形式，运动形式大多为直移式，具有占地面积小、有效
置。
1.垂直运动
工业机器人要完成空间的
运动，至少需要几个自由
2.径向运动
度进行运动呢？
3.回转运动
3.2.1 工业机器人手臂的运动
1.垂直运动
垂直运动是指机器人手臂的上下运动，这种运动通常采用液压缸机构或通过调整
机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。
工业机器人要
完成空间的运
动，至少需要
三个自由度的
总结
1.工业机器人的机械结构由机座、臂部、腕部、末端执行器组成。
2.固定式机器人由大臂、立柱、机座、小臂和手腕组成。
3.足式行走机构主要行走在平坦的地面上，车轮的形状和结构形式取决于地面
的性质和车辆的承载能力
4.履带行走机构由履带板、履带架、驱动链轮、导向轮、驱动轮、支重轮、托
链轮和张紧装置组成。
3.2工业机器人手臂
完成空间的运
动，至少需要
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2. 按运动形式分
1.刚度要求高
• 为防止手臂大变形，手臂的断面形状要合理选择。
• 工字型断面 • 空心管
1.刚度要求高
• 采用多重闭合的平行四边形的连杆机构代替单一的刚性构件的臂杆。
2. 导向性要好
• 防止手臂在直线运动中沿运动轴线发生相对转动
设置导向装置 设计方形、花键等形式的臂杆
3. 重量要轻
• 为提高机器人的运动速度，减小整个手臂对回转轴的转动惯量，采用特殊 实用材料和几何学。
•Байду номын сангаас移动型手臂
• ——分为单极型和伸缩型
二、手臂的分类 2. 按运动形式分
• 移动型手臂
• 旋转型手臂
二、手臂的分类 2. 按运动形式分
• 移动型手臂
• 旋转型手臂 • 复合型手臂
活塞油缸 前盖 活塞缸
滚套
销轴 手 臂
手部
总结
一、手臂的特点
1. 刚度要求高 2. 导向性要好 3. 重量要轻 4.运动要平稳、定位精度要高 二、手臂的分类 1.按结构形式分
由镁或铝合金构成的横截面恒定的冲压件 碳和玻璃纤维合成物
热塑性塑料
4.运动要平稳、定位精度要高
• 要采用一定形式的缓冲措施
二、手臂的分类 1.按结构形式分
• 单臂式
二、手臂的分类 1.按结构形式分
• 单臂式
• 双臂式
二、手臂的分类 1.按结构形式分
• 单臂式
• 双臂式 • 悬挂式手臂
二、手臂的分类 2. 按运动形式分
工业机器人手臂
主要内容
• 一、手臂的特点
• 二、手臂的分类
一、手臂的特点
• 手臂一般由大臂、小臂（或多臂）所组成，用来支撑腕部和手部，实现较 大运动范围。
• 总质量较大，受力一般比较复杂 • 在运动时，直接承受腕部、末端操作器和工件的静、动载荷，尤其在高速 运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，影响定位精度。 • 手臂的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运 动精度等因素来确定。