工业机器人基础.ppt

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1、第一章 工业机器人基础 工作空间 工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参 考点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不 包括末端操作器本身所能到达的区域。 目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。 MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。 图2-6 图2-7 为此种机器人的工作范围。 2.2.3额定速度 额定速度 机器人在保持运动 平稳性和位置精度 的前提下所能达到 的最大速度 合成速度 其某一关节运动的 速度称为单轴速度 ，由各轴速度分量 合成的速度 额定负载 机器人在额定速度 和规定性能范围内 ，末端

2、执行器所能 承受负载的允许值 极限负载 在限制作业条件下，为了 保证机械结构不损坏，末 端执行器所能承受负载的 最大值 对于结构固定的机器人 ，其最大行程为定值，因此 额定速度越高，运动循环时 间越短，工作效率也越高。 而机器人每个关节的运动过 程一般包括启动加速、匀速 运动和减速制动三个阶段。 如果机器人负载过大，则会 产生较大的加速度，造成启 动、制动阶段时间增长，从 而影响机器人的工作效率。 对此，就要根据实际工作周 期来平衡机器人的额定速度 。 2.2.3承载能力 D 加速度 的方向 A 负载的 质量 B 速度大 小和方 向 C 加速度 的大小 承载能力是指机器人在工作范围内 的任何位

3、姿上所能承受的最大重量，通 常可以用质量、力矩或惯性矩来表示。 承载能力不仅取决于负载的质量，而 且与机器人运行的速度和加速度的大 小和方向有关。 一般低速运行时，承载能力强。为安 全考虑，将承载能力这个指标确定为 高速运行时的承载能力。通常，承载 能力不仅指负载质量，还包括机器人 末端操作器的质量。 分辨率 机器人的分辨率由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单 元性能的影响。分辨率可分为编程分辨率与控制分辨率。 是指程序中可以设设定的最小 距离单单位，又称为为基准分辨 率。 例如：当电机旋转0.1度，机器人腕点 （手尖端点）移动的直线距离为0.01mm 时，其基准分辨率为0.01mm。

4、 1、编程分辨率 是指位置反馈回路能 检测到的最小位移量。 当编程分辨率与控制分辨率相等时， 系统性能达到最高。 2、控制分辨率 2.2.5工业机器人的精度 指机器人末端操作器的实际位置 与目标位置之间的偏差，由机械误差 、控制算法误差与系统分辨率等部分 组成。 定位精度 指在相同环境、相同条件、相同目标动 作、相同命令的条件下，机器人连续重复运 动若干次时，其位置会在一个平均值附近变 化，变化的幅度代表重复定位置精度，是关 于精度的一个统计数据。因重复定位精度不 受工作载荷变化的影响，所以通常用重复定 位精度这个指标作为衡量示教再现型工业机 器人水平的重要指标。 重复定位精度 机器人的精度主

5、要体现在定位精 度和重复定位精度两个方面。 如图2-8所示，为重复定位精度的几种典型情况：图a为重复定位精度的测定 ；图b为合理的定位精度，良好的重复定位精度；图c为良好的定位精度，很 差的重复定位精度；图d为很差的定位精度，良好的重复定位精度。 此图涉及到随机概率分布函 数的问题，不宜在中职和高 职阶段过多介绍 可以用扔飞镖的例子来说 明： 这叫定位精度差，但重复定 位精度好。 这叫定位精度好，但重复定 位精度差。 MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人各项技术参数 2.1工业机器人的基本组成 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

6、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。 操作机 控制器 示教器 2.1.1操作机（机器人本体） 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 伺服电机 减速器 腕关节 小臂 肘关节 手腕 大臂 连接法兰 皮带传动 腰部 肩关节 腰关节 基座 机器人操作机的每个关节 均 采用 1个交流伺服马达 驱动 机器人的六个轴： J1：腰部电机 J2：肩部电机 J3：肘部俯仰电机 J4：肘部回转电机 J5：碗部俯仰电机 J6：碗部回转电机 2.1.2控制器（控

7、制柜） 工业机器人控制器是根据机器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号， 支配操作机完成规定运动和功能的装置。 它是机器人的关键和核心部分。 基本功能：示教、记忆、位置伺服、坐标设定等。 开发程度：封闭型、开放型和混合型。 目前基本上都是封闭型系统（如日系）或者混合型系统（如欧系） 控制方式：集中式控制和分布式控制 2.1.3示教器 亦称示教编程器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按键组成。可由操作者手 持移动。它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它 来完成的。示教器实质上就是一个专用的智能终端。 串口通信模块 示教器 S6 S0 S6 S5 S1 S2 S3 S4 主控制

8、模块 运动控制模块 驱动模块 操作机 示教器的数据流关系 机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等 情况，是设计、应用机器人必须考虑的问题。 机器人的主要技术参数有自由度、分辨率、工作空间、工作速度、 工 作载荷等。 2.2工业机器人的主要技术参数 2.2.1自由度 1.机器人自由度定义 机器人的自由度是指当确定机器人手部 在空间的位置和姿态时所需要的独立运 动参数的数目，不包括手部开合自由 度。在三维空间中描述一个物体的位置 和姿态需要6个自由度，但自由度数目 越多，机器人结构就越复杂，控制就越 困难，所以目前机器人常用的自由度数 目一般不超过7个。 自由度是机器人的一

9、个重要技术指标， 可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的 数目来表示。 2机器人自由度的选择 （1）一般自由度的选择 机器人的自由度是根据机器人的用途来设计的，人们希望机器人能以准 确的方位把它的末端执行部件或与它连接的工具移动到指定点。如果机器人 的用途是未知的，那么它应当具有6个自由度；机器人自由度数目越多，动作 越灵活，通用性越强，但是结构则更复杂，刚性也差；如果工具本身具有某 种特别结构，那么就可能不需要6个自由度。 （2）冗余自由度 机器人的自由度多于为完成任务所必需的自由度时，多余的自由度称为 冗余自由度。设置冗余自由度，主要是使机器人具有一定的避障能力。 从理论上讲，具有6个自由度的

10、机器人在其工作空间内可达到任意位置和 姿态，但由于奇异位形存在，一些关节运动到相应位置时，会使机器人自由 度退化，失去一个或几个自由度；再加上在工作空间可能存在的障碍，机器 人就无法满足工作要求。具有冗余自由度的机器人就有能够克服奇异位形， 避开障碍、克服关节运动限制和改善动态特性的功能，它能充分提高机器人 的工作能力，在运动和动态性能方面具有无可比拟的优越性。如图2-5所示 ，为手臂型七自由度关节式机器人。 2.2.2工作空间 工作空间也称工作范围、工作行程。工业机器人执行任务时，其手腕参考 点或末端操作器安装点（不包括末端操作器）所能掠过的空间，一般不包 括末端操作器本身所能到达的区域。

11、目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m 左右。 MOTOMAN-EA1900N弧焊专用机器人，属于垂直多关节型机器人。 图2-6 图2-7 为此种机器人的工作范围。 2.3 坐标系 机器人是由运动轴和连杆组成的，而其运动方式是在不同的坐标系下进 行的，为了掌握机器人的示教方法，应首先了解机器人的坐标系及各运动 轴在不同坐标系的运动。 主要有： u关节坐标系 u绝对坐标系(直角坐标系) u圆柱坐标系 u工具坐标系 u用户坐标系 2.3.1简介 关节坐标系 机器人每个轴均可以独立地正向或反向转动，关节坐标系是机器人各关节 上固定的坐标系，用于确定机器人的关节角。 基坐标系 基坐标系是一个

12、固定定义的直角坐标系，位于位于机器人基座。它是最便 于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。 世界坐标系 世界坐标系是固定定义的直角坐标系，默认世界坐标系与基坐标系重合 。 世界坐标系可定义机器人单元，所有其他的坐标系均与世界坐标系直接 或 间接相关。它适用于微动控制、一般移动以及处理具有若干机器人或外 轴 移动机器人的工作站和工作单元。 工具坐标系 工具坐标系是一个直角坐标系，位于工具上。它是与机器人工具固连的 笛卡尔坐标系，随机器人的运动而改变。通常是最适于对机器人进行编 程的坐标系。 用户坐标系 用户坐标系是一个直角坐标系，用来说明工件的位置。 2.3.2分类介绍 1. 关节坐标系

13、机器人由多个运动关节组成，机械手的每一个轴都可以进行独立的操作， 各个关节都可以独立运动，如图4-14所示。对运动范围大且不要求机器 人末端姿态的情况，建议选用关节坐标系。在关节坐标系下，每个轴可 单独运动，通过示教器上相应的键控制机器人的各个轴示教，其运动方 式见表4-1。 图4-14关节坐标系下各个轴的运动 轴 运动方式 主运动轴 轴 1 轴 1 本体回转 轴 2 轴2 下 臂前后摆动 轴 3 轴 3上臂上下摆动 腕运动轴 轴 4 轴 4上臂回转 轴 5 轴 5手腕上下摆动 轴 6 轴 6 手腕回转 表4-1关节坐标系下机器人的运动方式 2.绝对坐标系 如图4-15所示，绝对坐标系的原点定

14、义为机器人的安装面和第一转动轴 的交点。X轴向前，z轴向上，y轴按右手规则定义。在绝对坐标系下， 机器人末端轨迹沿定义的X、Y、Z方向运动，其运动方式见表4-2。 图4-15工业机器人绝对 坐标系 轴 运动方式 主运动轴 轴 1 沿 X轴方向运动 轴 2 沿 Y轴方向运动 轴 3 沿 Z轴方向运动 腕运动轴 轴 4 未端点位置不变，机器人 分别绕 X、 Y、 Z轴转动 轴 5 轴 6 表4-2绝对 坐标系下机器人的运动方式 3.世界坐标系 图4-16所示，世界坐标系默认与基坐标系重合，位于机器人底部，可通过 配置软件更改。其运动方式见表4-30。 图4-16工业机器人世界坐标系 4.工具坐标系

15、 图4-17所示，工具坐标系定义在工具尖，并且假定工具的有效方向为Z轴 ，x轴垂直于工具平面，y轴由右手规则产 生，如图4-17所示。标定了工 具相对于法兰(指的是末端最后第6轴的法兰凸缘盘的位置和姿态)，如图 4-18所示。这里特别注意，姿态一定不能遗漏。 在工具坐标系中，机器人末端轨迹沿工具坐标的X、Y、Z轴方向运动， 机器人的运动方式见表4-40 图4-17工具坐标系及各轴的运动 轴轴 运动动方式 主运动轴 六轴联动 沿X轴方向运动 沿Y轴方向运动 沿Z轴方向运动 腕运动轴 末端点位置不变， 机器人分别绕 X、 Y、 Z轴转动 表4-4工具坐标系下机器人的运动方式 5.用户坐标系 用户坐

16、标系是用户根据工作的需要，自行定义的坐标系，用户可根据需要 定义多个坐标系，如图4-19所示。用户自定义可以方便的量测工作区间中各 点的位置并加以任务安排，且更符合人的直观。在用户坐标系下，机器人末 端轨迹沿用户自己定义的坐标轴方向运动，其运动方式见表4-5。 图4-19用户坐标系及各轴的运动 轴轴 运动动方式 主运动轴 六轴联动 沿用户定义的X轴方向运动 沿用户定义的Y轴方向运动 沿用户定义的Z轴方向运动 腕运动轴 末端点位置不变， 机器人分别绕 X、 Y、 Z轴转动 表4-5用户坐标系下机器人的运动方式 2.3.3TCP运动轨迹 TCP为加上工具后工具的末端点机器人的工作其实就是实现TCP

17、点在空间中完 成预定或指定的运动轨迹TCP。 （工具控制点）固定功能:除了关节坐标系外，在其他坐标系下都有TCP固定 功能，即在工具控制点位置保持不变的情况下，只改变工具的方向(姿态)。 在TCP固定功能下各轴的运动方式见下表。 轴运动方式 主运动轴轴1TCP平移运动方 式取决于坐标系 轴2 轴3 腕运动轴轴4末端点位置不变 ，机器人分别绕X 、Y、Z轴运动。 轴5 轴6 2.3.4奇异点 1、奇异位形及其不良影响 也称特殊位形，是机器人机构的一个重要的运动学特性，它是指机械手的 工作空间中，手部参考点不能实现沿任意方向的微小位移或转动时相应机 械手的位形。 当机械手运动到奇异位置时，产生的不

18、良影响主要表现在如下的三个方面 ： （1）使机械手实际操作自由度减少，从而手部无法实现沿着某些方向的运 动，同时减少了独立的内部关节变量数目。 （2）某些关节角速度趋向无穷大，引起机械手失控，导致执行器偏离了规 定的轨迹。 （3）使雅克比矩阵退化，从而所有包括雅克比的求逆控制方案无法实现， 因此奇异性是机器人工作空间一个不可忽视的问题。 2、奇异点的本质 机器人运动其实是电机的转动带动机械运动，关键问题在于如何将电机的 转动转换到机器人TCP点的空间运动。 从机器人每个轴的角度计算出TCP点的位置坐标是正解，逆解反之。 奇异点既机器人在进行逆解过程时出现的矩阵退化导致多解。简单理解就 是通过T

19、CP点算不出来关节角。 3、三种奇异位置 在标准的轴运动学系统中应当区分三种不同的奇异位置,它们是顶部奇异 点、完全伸展位置、腕部轴奇异点。 u 顶部奇异点 于A4,A5,A6轴交叉点处的腕部根节点 正好位于A1轴上方。如图4-20所示的 六轴机器人，四轴和六轴相交(大部分 机器人四轴和六轴都会相交，所以很 多机器人都会存在这种奇异点，它与 机器人的品牌无关，只和结构有关)。 图4-20顶部奇异点 u 完全伸展奇异点 如图所示的六轴机器人，A2-A3的延长线直接穿过处于A4，A5，A6 轴交叉点处的腕部根节点。 图4-21完全伸展奇异点 u 腕部奇异点 如图所示的六轴机器人，A2-A3的延长线直接穿过处于A4，A5，A6 轴交叉点处的腕部根节点。 图4-22腕部奇异点 4、奇异点的一般解决办法 机器人处于奇异位形时，其某些自由度退化，逆运动学无正解。从机器 人控制上来说，机器人将无法沿着规划路径运动。 当机器人运动至奇异位形发生报错时： (1)首先判断问题：是速度超限还是位置超限; (2)然后确认通过路径上容易超限的地方; (3)最后在这个位置上其他方向偏移多设置一个中间点，避开奇异位置。 （注意：奇异点报错后，需要确认错误，否则机器人不会工作）。