工业机器人技术基础工业机器人的驱动装置液压驱动PPT课件
工业机器人的基本结构
工业机器人的基本结构
工业机器人是一种用于自动化生产的机器人系统，它具有复杂的结构和多样的功能。下面将介绍工业机器人的基本结构。
工业机器人主要由机械结构、传感器、控制系统和执行器四个主要部分组成。
一、机械结构
工业机器人的机械结构是机器人的骨架，它决定了机器人的外形和运动能力。机械结构包括机器人的机身、关节、连杆、末端执行器等部分。
1. 机身：机身是机器人的主体部分，承载着各个关节和执行器。一般采用铝合金、钢材或碳纤维等材料制作，具有较强的刚性和轻量化特性。
2. 关节：关节是连接机身和连杆的部分，用于实现机器人的运动。根据运动方式的不同，关节可以分为旋转关节和直线关节。旋转关节可以使机器人在水平方向上旋转，而直线关节可以使机器人在垂直方向上进行上下运动。
3. 连杆：连杆是连接关节和末端执行器的部分，它们通过关节的旋转和直线运动，使机器人能够完成各种复杂的任务。连杆一般采用铝合金或钢材制作，具有一定的刚性和强度。
4. 末端执行器：末端执行器是机器人的“手”，用于实现机器人的具体操作。常见的末端执行器包括夹爪、焊枪、刀具等，不同的末端执行器适用于不同的工作任务。
二、传感器
传感器是工业机器人的感知器官，用于获取周围环境的信息，帮助机器人做出相应的动作。常见的传感器包括视觉传感器、力传感器、位置传感器等。
1. 视觉传感器：视觉传感器可以通过拍摄和分析图像，实现对物体的识别、定位和测量。它可以帮助机器人在不同的工作环境中准确定位和操作物体。
2. 力传感器：力传感器可以测量机器人施加在物体上的力和力矩，帮助机器人控制力的大小和方向，实现精确的操作和装配。
3. 位置传感器：位置传感器可以测量机器人各个关节的位置和姿态，提供给控制系统进行运动控制。常见的位置传感器有编码器、陀螺仪等。
三、控制系统
控制系统是工业机器人的大脑，负责对机器人进行运动控制和任务规划。它由硬件和软件两部分组成。
第一章工业机器人概论.
第一章 概论
提起机器人，我们都不陌生，脱口就能说出一大串机器人的名字：铁臂阿童木、霹雳五号、奥特曼、终结者等，这些都是小说或影视作品中的主人翁。可以说大多数人都是从影视作品中了解机器人的，影视作品中的机器人，功能都很强大，看起来很神奇，正是由于这些影视作品的影响，人们对机器人给予了非常高的希望，但现实中的机器人并不像人，与其说是机器人，还不如说是一台机器。但是只有想到了，才能做到，那些神奇的机器人正是我们共同奋斗的目标。我们只有了解了现实的机器人，才能创造出未来更好的机器人。
机器人技术是一门高新技术，作为21世纪的人才，面临高新技术和自动化技术的冲击，面临国际市场经济和技术迅猛发展的激烈竞争，机器人技术是迎接未来挑战的有力武器和理想助手，机器人使人类从繁琐、恶劣的作业环境中解脱出来，而从事更加雄伟的事业，开创未来世界。
对年青朋友来说，不管你以后搞不搞机器人技术，也不管你涉不涉足机器人产业，都有必要了解一些机器人知识，因为未来的机器人将对你的生活和工作产生巨大的影响。
[作业1] 机器人发展概况综述。
第一节 工业机器人的概念
关于工业机器人，目前世界各国尚无统一定义，分类方法也不尽相同。
1 美国：
工业机器人是一种可重复编辑的多功能操作装置，它可以通过改变动作程序来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件和工具。
② 日本：
1）工业机器人是整机能够回转，有抓取（或吸住）物体的手抓和能够进行伸缩、弯曲、升降（仰俯），回转及其复合动作的臂部，带有记忆部件，可部分地代替人进行自动操作的具有通用性的机械。
2）具有人体上肢（臂、手）动作功能，可进行多种动作的装置，或者具有感觉功能，可自主进行多种动作的装置。
日本定义的工业机器人的范围是较广的，他们将工业机器人分为六类：
人控机械手
固定程序控制机器人
可变程序控制机器人
示教再现机器人
数值控制机器人
智能机器人
③ 我国对“机械手”和“工业机器人”的定义：
工业机器人的基础知识
工业机器人的基础知识
工业机器人是能模仿人体某些器官的功能（主要是动作功能）、有独立的控制系统、可以改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。
工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。
“机器人”一词出自捷克文，意为劳役或苦工。1920年，捷克斯洛伐克小说家、剧作家恰佩克在他写的科学幻想戏剧《罗素姆万能机器人》中第一次使用了机器人一词。此后被欧洲各国语言所吸收而成为专门名词。
20世纪50年代末，美国在机械手和操作机的基础上，采用伺服机构和自动控制等技术，研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置，并将其称为工业机器人;60年代初，美国研制成功两种工业机器人，并很快地在工业生产中得到应用;1969年，美国通用汽车公司用21台工业机器人组成了焊接轿车车身的自动生产线。此后，各工业发达国家都很重视研制和应用工业机器人。
由于工业机器人具有一定的通用性和适应性，能适应多品种中、小批量的生产，70年代起，常与数字控制机床结合在一起，成为柔性制造单元或柔性制造系统的组成部分。
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。
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。
机器人技术基础
机器人技术基础
1
1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：
1，生命系统；
2，造型解质；
3，人造肌肉；
4，人造皮肤。
2
1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，构想了RUR机器人，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”。
3
为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：
1，机器人不应伤害人类；
2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外 ;
3，机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
4
在1967年日本召开的第一届机器人学术会议上，提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的：“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。
5
1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”
6
我国科学家对机器人的定义是：
“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或动物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。
7
1988年法国的埃斯皮奥将机器人学定义为：“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划任务的作业系统，并以此系统的使用方法作为研究对象”。
8
1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶；
1738年，法国天才技师杰克·戴·瓦克逊发明了一只机器鸭。
9
现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶，杰克·道罗斯制作于二百多年前，两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐，现在还定期演奏供参观者欣赏，展示了古代人的智慧。
10
现代机器人
现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。
第七章机器人的驱动系统
机器人的驱动系统
机器人的驱动系统是直接驱使各运动部件动作的机构，对工业机器人的性能和功能影响很大。
工业机器人的动作自由度多，运动速度较快，驱动元件本身大多是安装在活动机架（手臂和转台）上的。这些特点要求工业机器人驱动系统的设计必须做到外形小、重量轻、工作平稳可靠。另外，由于工业机器人能任意多点定位，工作程序有能灵活改变，所以在一些比较复杂的机器人中，通常采用伺服系统。
一..驱动方式
机器人关节的驱动方式有液压式，气动式和电机式。
二.液压驱动
机器人的液压驱动是已有压力的油液作为传递的工作台质。电动机带动油泵输出压力油，将电动机供给的机械能转换成油液的压力能，压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆云佛那个，从而使手臂搜索、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。
手臂在运动是所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关，手臂做各种动作的速度决定于流入密封油缸中油液面积的多少。（借助于运动着的压力油的体积变化来传递动力液压传动称为容积式液压传动）
1. 液压系统的组成
① 油泵：供给液压系统驱动系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统的工作。
② 液动机：是压力油驱动运动部件对外工作的部分。手臂作直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸，也有作回转运动的液动机，一般就作油马达，回转角度小于360°的液动机，一般叫回转油缸（或摆动油缸）。
③ 控制调节装置：各种阀类，如单向阀，溢流阀，换向阀，节流阀，调速阀，减压阀，顺序阀等。各起一定的作用，使机器人的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。
④ 辅助装置：如油箱、滤油器、储能器、管路和管接头以及压力表等。
2. 液压驱动系统的特点：
① 能得到较大的输出力或力矩
一般得到20～70公斤/厘米2的油液压力是比较方便的，而通常工厂的压缩空气均为4～6公斤/厘米2。因此在活塞面积相同的条件下，液压机械手可比气动机械手负荷大得多。液压机械手搬运重量已达到800公斤以上，而气动机械手一般小于30公斤。
工业机器人技术及应用2-工业机器人的机械结构和运动控制
第二章 工业机器人的机械结构和运动控制
章节目录
工业机器人的系统组成
操作机
控制器
示教器
工业机器人的技术指标
学习目标 导入案例 课堂认知 扩展与提高 本章小结 思考练习
工业机器人的运动控制
机器人运动学问题
机器人的点位运动 …
机器人的位置控制
课前回顾
何为工业机器人？
工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？
工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。
学习目标
认知目标
*熟悉工业机器人的常见技术指标
*掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能
*了解工业机器人的运动控制
能力目标
*能够正确识别工业机器人的基本组成
*能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动
导入案例
国产机器人竞争力缺失 关键技术是瓶颈
众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。虽然中国机器人产业经过 30 年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件 —— 伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、 中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内 95%
的企业都集中在这个环节上）三个层面。
课堂认知
工业机器人的系统组成
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。
工业机器人系统组成
操作机
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
机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。
(1) 机械臂
《工业机器人技术基础》教学设计 模块3 工业机器人的机械系统
《工业机器人技术基础》课程教案
课题：模块3工业机器人的机械系统
课型：新授课
课时：
本章安排4个课时。
教学过程：
1. 教学形式：讲授课，教学组织采用课堂整体讲授和分组演示。
2. 教学媒体：采用启发式教学、案例教学等教学方法。教学手段采用多媒体课件、视频等媒体技术。
板书设计：
本课标题 模块3工业机器人的机械系统 课次 2
授课方式 理论课□讨论课□习题课□其他□ 课时安排 4
学分 共2分
授课对象 应用型本科院校和高职院校工业机器人专业学生 任课教师
教材及参考资料 1.《工业机器人技术基础》。
2.本教材配套视频教程及学习检查等资源。
3.与本课程相关的其他资源。
教学基本内容 教学方法及教学手段
引言
机械系统是由机械零件组成的工程系统，它是很多工具、机器及现代化设备的主体。从人类使用工具及金属开始，各种机械结构不断被应用于劳动生产。随着物理学、数学及材料科学的发展，越来越多的新型结构被应用于各种机械产品。 参考以下形式：
1.衔接导入
2.悬念导入
3.情景导入
4.激疑导入
5.演示导入
6.实例导入
7.其他形式
本章基本知识汇总
单元1 工业机器人机械系统概述
一、机械系统的意义
最早的“机械”定义是古罗马建筑师维特鲁威在其著作《建筑十书》中所提出，主要是对搬运重物的机械和工具作了区别：“机械和工具之间似乎有着以下的区别，即机械是以多数人工和很大的力量而发生效果，如重弩炮和葡萄压榨机；而工具则1．教学以学生学习教材的基本内容为主，系统全面地学习税收制度的构成要素的基本内容。
2．整个教学过程中，各教学点可根据实际情况，进行拓展知识的讲解。 是由一名操纵人员慎重地处理来达到目的，如蝎形轻弩炮或不等圆的螺旋装置。”因此，机械和工具都是实际生产中不可缺少的东西。古罗马数学家希罗认为机械的要素有五类：轮与轴、杠杆、滑车、尖劈、螺旋。这一论述反映了古典机械的特征。
现代机械的定义来源于机械工程学。机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料、信息。在生产和日常生活中，机器已成为代替或减轻人类劳动、提高劳动生产率的主要手段。使用机器的水平是衡量一个国家现代化程度的重要标志。
第二章2.1机器人的基本术语与图形符号;2.2机器人的主要参数
第二章机器人基础知识
2.1机器人的基本术语与图形符号；2.2机器人的主要参数
【内容提要】
本课主要学习机器人的基本术语与各类图形符号，讲解机器人的主要技术参数，并介绍了几种实际产品的技术规格和机构简图。
知识要点：
✓概念：位姿、连杆、关节、自由度、刚度
✓机器人的主要技术参数
重点：
✓掌握工业机器人的基本术语与图形符号、结构简图
✓掌握机器人的主要技术参数
难点：
✓机器人的结构简图
✓工业机器人的主要技术参数
关键字：
✓术语、图形符号、运动简图、技术参数
【本课内容相关资料】
2.1机器人的基本术语与图形符号
2.1.1机器人的基本术语
国家标准GB/T 12642—2001、GB/T 12643—2013对工业机器人专用术语作了定义和解释。术语繁多，有机械结构和性能相关的术语、控制和安全相关的术语等。为了便于更好的学习，简单够用的原则，本节仅仅阐述机器人的一些基本术语。
1.轴（axis）
描述机器人构件独立运动的方向线（可沿此线直线运动或转动）。
2.位姿（pose）
工业机器人末端执行器在指定坐标系中的位置和姿态。
3.杆件坐标系（link coordinate system）
参照工业机器人指定杆件的坐标系。
4.机械接口坐标系（mechanical interface coordinate system）
参照末端执行器机械接口的坐标系。
5.关节
关节（Joints）；即运动副，是允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构，是两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接，如图2.1所示。A、B两部件可以做互动联接。
a)回转副 b)移动副 c)回转移动副 d)球面副
图2.1 机器人的关节
高副机构（Higher pair)，简称高副，指的是运动机构的两构件通过点或线的接触而构成的运动副。例如齿轮副和凸轮副就属于高副机构。平面高副机构拥有两个自由度，即相对接触面切线方向的移动和相对接触点的转动。相对而言，通过面的接触而构成的运动副叫做低副机构。
工业机器人知识要点
工业机器人知识要点
机器人三大特征：1.拟人功能，机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能像人那样使用工具，因此数控机床和汽车不属于机器人；2.可编程，一般的电动玩具没有智力或具有感觉和识别能力，不能再编程，因此不能称为真正的机器人。3.通用性 一般机器人在执行不同作业任务时，具有较好的通用性。比如，通过更换机器人末端操作器（手爪 工具等）便可执行不同的任务。
机器人一词是1920年由捷克作家卡雷尔·恰佩克在他的讽刺剧《罗莎姆的万能机器人》中首先提出的。剧中描述了一个与人类相似，但能不知疲倦工作的机器人奴仆Robot。从那时起，robot一词就被沿用下来，中文翻译成机器人。
机器人按控制方式分类：1.操作机器人 2.程序机器人3.示教-再现机器人 4.数控机器人 5智能机器人。
按机器人关节连接布置形式分类：分为串联机器人和并联机器人。
五种坐标形式的机器人：1.直角坐标型机器人2.圆柱坐标型机器人3.球（极）坐标型机器人4关节坐标型机器人5.SCARA型机器人。
工业机器人系统的组成：1.机械系统：工业机器人的机械系统包括机身，臂部，手腕。末端操作器和行走机构等部分，每一部分都有若干个自由度，构成一个多自由度的机械系统。2.驱动系统：主要是指机械系统动作的驱动装置。3控制系统：任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的任务和功能。4.感知系统：由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。
工业机器的技术参数：1自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器的开合自由度。一般为3~6个。2.定位精度和重复定位精度：是机器人的两个精度指标。3.作业范围：机器人运动时手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也称为工作区域。4最大工作速度。5.承载能力：指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。
伺服系统在工业机器人的应用
伺服系统在工业机器人的应用
工业机器人有4大组成部分，分别为本体、伺服、减速器和控制器。而其中，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人工设定而实现位置控制、速度控制、转矩控制等多种功能。 伺服系统(servomechanism)又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。 伺服系统是以变频技术为基础发展起来的产品，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。伺服系统除了可以进行速度与转矩控制外，还可以进行精确、快速、稳定的位置控制。 广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程的控制系统，也可称作随动系统。 狭义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量(输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。 伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。 伺服系统组成原理框图 1、比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 2、控制器 控制器通常是计算机或PID(比例、积分和微分)控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3、执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺服机构等。 4、被控对象 被控对象指被控制的物件，例如一个机械手 臂，或是一个机械工作平台。 5、检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。 伺服系统的特点和功用 伺服系统与一般机床的进给系统有本质上差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置。伺服系统是数控装置和机床的联系环节，是数控系统的重要组成，具有以下特点：