1、现代制造系统西南科技大学,1, 工业机器人及其应用,机器人的基本知识工业机器人的应用,现代制造系统西南科技大学,2,机器人的基本知识,机器人的定义 工业机器人是一种在一定程度上模拟人特征的可编程通用操作机。其主要特征是： 是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置。 由计算机进行控制，是无人参与的自主自动化控制系统。 是可重复编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。 当代机器人模拟人的最明显特征是臂和手爪，它们被用来完成多种工业动作。模拟人最差的特征是还不具备决策能力及对检测传感输入的响应和与其他机器和机器人的通信。 工业机器人的典型应用是点焊、物料传输与装卸、喷
2、漆和装配。,现代制造系统西南科技大学,3,机器人的基本知识,机器人的分类按机器人的研究开发分类 工业机器人 人工智能机器人,现代制造系统西南科技大学,4,机器人的基本知识,按自动化功能层次分类 操作机器人（Operating Robot） 顺序控制机器人（Sequence Control Robot） 示教再现机器人（Playback Robot） 数控机器人（Numerically Controlled Robot） 传感控制机器人（Sensory Controlled Robot） 智能机器人（Intelligent Robot） 自适应控制机器人（Adaptive Controlled
3、Robot） 学习控制机器人（Learning Controlled Robot）,现代制造系统西南科技大学,5,机器人的基本知识,按机械操作手个数分类 一个机械操作手 两个机械操作手 多个机械操作手：分立传动与控制、分立传动关联控制、集中传动按运动自由度分类 无冗余自由度：独立运动自由度数6 有冗余自由度：独立运动自由度数7,现代制造系统西南科技大学,6,机器人的基本知识,按坐标系分类 笛卡尔坐标型 极坐标型 圆柱坐标型 多关节型,按负载能力分类 超轻型：持重1N 轻型：持重1100N，动作范围0.11m3 中型：持重1001000N，动作范围110m3 重型：持重100010000N，动作
4、范围10m3 超重型：持重10000N,现代制造系统西南科技大学,7,机器人的基本知识,按机械手工作空间（范围）分类 平面型 平行六面体型（直角坐标系） 圆柱体型（圆柱坐标型） 球面型（极坐标型） 上述形式的综合空间,按控制原理分类 程序控制 传感器控制 非自适应控制 自适应控制 智能控制,现代制造系统西南科技大学,8,机器人的基本知识,按运动控制特征分类 点位控制 离散控制 连续控制 循环控制 复合控制,按传动类型分类 气动 液压传动 电气传动 复合传动,按定位精度分类 可分为0、1、2、3级,按控制机构分类 开关型 伺服型,现代制造系统西南科技大学,9,机器人的基本知识,按工作类型分类 通
5、用型 防尘型 过热保护型 防爆型 开发型：水下机器人、宇宙开发机器人、步行机器人、爬壁机器人、微型或小型机器人,现代制造系统西南科技大学,10,现代制造系统西南科技大学,11,现代制造系统西南科技大学,12,机器人的基本知识,工业机器人的基本结构 通常，工业机器人由机械手（Manipulotor）、终端效应器（手爪或作业工具）、移动器、传感器和控制硬软件组成。机械手由关节（绞链）、杆件及其他物理结构组成。,现代制造系统西南科技大学,13,机器人的基本知识,关节与杆件及其运动特征 工业机器人所配置的关节可分为以下五类： 线性关节。输入杆件与输出杆件间进行相对线性滑动，杆件的轴线相互平行。又称为L
6、型关节。 正交关节。输入杆件与输出杆件间进行相对线性滑动，杆件在运动时彼此相互垂直。又称为O型关节。 回转（转动）关节。输入杆件与输出杆件间进行相对转动，杆件的轴线垂直于转动轴。又称为R型关节。 扭转关节。输入杆件与输出杆件间进行相对转动，杆件的轴线平行于转动轴。又称为T型关节。 旋转关节。杆件间进行相对转动，输入杆件的轴线平行于转动轴，输出杆件的轴线垂直于转动轴。又称为V型关节。,现代制造系统西南科技大学,14,机器人的基本知识,关节与杆件及其运动特征 工业机器人用的五种关节,线性关节,正交关节,回转关节,扭转关节,旋转关节,现代制造系统西南科技大学,15,机器人的基本知识,关节与杆件及其运
7、动特征 工业机器人的结构示例,1机座 2、3、4杆件 2、3、4关节,现代制造系统西南科技大学,16,机器人的基本知识,工业机器人的典型结构与关节的运动 商业出售的工业机器人多采用以下五种结构： 极坐标型立柱/臂结构。 圆柱坐标结构。 笛卡尔坐标结构。 关节型结构。 SCARA结构。,现代制造系统西南科技大学,17,机器人的基本知识,工业机器人的典型结构与关节的运动 典型工业机器人立柱/臂结构示例,极坐标型结构（TRL）,圆柱坐标型结构（TLO）,笛卡尔坐标型结构（LOO）,关节型结构（TRR）,SCARA型结构（VRO）,现代制造系统西南科技大学,18,机器人的基本知识,工业机器人的典型结构
8、与关节的运动 三自由度手腕的典型结构示例（TTR）,现代制造系统西南科技大学,19,机器人的基本知识,工作（操作）空间（容积） 工作空间（Work Volume）是指机器人可操作其终端手爪所能包容的空间或操作空间，有时称为工作（操作）包络空间。 机器人的工作空间由其立柱臂腕的关节类型、关节数目、关节与杆件的尺寸和各关节的工作范围等因素确定。,现代制造系统西南科技大学,20,机器人的基本知识,精度和重复定位精度 在机器人的工业应用中，一个重要的属性是机器人终端手精确而可靠重复的定位和定向的能力。 控制分辨率（Control Resolution）：机器人的操作控制器和定位系统细分关节工作范围（空
9、间）为控制器可以辨识的最近的空间点的距离。 定位精度（Accuracy）：机器人终端手在给定的工作空间上定位精确度的度量。 重复定位精度（Repeatability）：机器人终端手在给定的工作空间上，对目标点重复定位性能的度量。,现代制造系统西南科技大学,21,机器人的基本知识,机器人的终端效应器 终端效应器（End Effector）又称夹持器，是为了完成规定作业任务而附加在机器人手腕上的专用装置工具或手爪。 工业机器人所用的手爪有： 机械式手爪。 真空手爪。 磁力手爪。 粘附装置。,现代制造系统西南科技大学,22,机器人的基本知识,机器人的终端效应器 机器人机械手爪示例,现代制造系统西南科
10、技大学,23,机器人的基本知识,机器人控制系统机器人控制的驱动系统 机器人关节由专门形式的执行装置驱动，常用的驱动系统是电力、液压或气动驱动系统。 电力驱动系统采用电动机作为关节驱动装置。液压和气动驱动系统采用液压缸或气缸实现线性位移，用叶片泵等实现转动角位移。,现代制造系统西南科技大学,24,机器人的基本知识,机器人的控制类型 机器人微机控制器的分层式结构,现代制造系统西南科技大学,25,机器人的基本知识,机器人的控制类型 机器人的控制器可以分为以下四类： 有限顺序控制。 点位示教再现控制。 连续路径示教再现控制。 智能控制。,现代制造系统西南科技大学,26,机器人的基本知识,机器人编程编程
11、类型 把程序指令写入机器人控制器的存储器，完成程序编制。有四种写入指令的方法： 手工设置。 示教再现编程。 计算机型机器人编程语言。 离线编程。,现代制造系统西南科技大学,27,机器人的基本知识,示教再现编程的原理、步骤和方法 示教再现就是由人工控制法引导机器人完成用户希望机器人完成的一套作业动作，经编程后机器人自动再现示教过的全套作业动作。 示教再现分为三个步骤： 由人工控制引导机器人以较慢的动作完成全部作业，并在合适的位置记录机器人的关节角。 由机器人控制器编程后，再现示教的全部作业动作、 若经检测，示教动作完整，机器人以适当高的速度自动重复作业的全部动作。 两种示教方法：机动引导法、手工
12、引导法。,现代制造系统西南科技大学,28,工业机器人的应用,机器人应用的特点 应用机器人应考虑以下因素： 在危险、不安全或有害健康的工作环境中替代人，是选用工业机器人的重要原因之一。 在重复的工作循环中，若工作循环的运动和顺序适于用工业机器人替代人，并获得比人高的重复定位精度和一致性，或可达到高的生产率时，应考虑选用工业机器人。 人难于装卸的场合。 多班次作业。 生产批量和操作工位变换多，生产班次厂，当人不能适应其变换频度时，应考虑采用可编程工业机器人完成作业。 现有的工业机器人多数没有视觉功能。,现代制造系统西南科技大学,29,工业机器人的应用,机器人工作单元的设计 现有的工作单元有以下四种
13、： 以机器人为中心的单元。 成行排列的机器人单元。 移动式机器人单元。 以工件为中心的机器人单元。,现代制造系统西南科技大学,30,工业机器人的应用,机器人工作单元的设计 以机器人为中心的工作单元,现代制造系统西南科技大学,31,工业机器人的应用,机器人工作单元的设计 成行排列的机器人工作单元,现代制造系统西南科技大学,32,工业机器人的应用,机器人工作单元的设计 移动式机器人工作单元,现代制造系统西南科技大学,33,工业机器人的应用,机器人工作单元的设计 以工件为中心的机器人工作单元,现代制造系统西南科技大学,34,工业机器人的应用,工业机器人的应用工业机器人在物料传输中的应用 物料传输中应
14、用的工业机器人，配置有手爪类的终端效应器，主要用于： 物料传送。从一个位置抓起工件，搬运到另一个新的位置上。 生产设备工件装卸。上料、下料、装卸。,现代制造系统西南科技大学,35,工业机器人的应用,工业机器人在加工处理中的应用 工业机器人在加工处理中主要用于： 点焊。 连续弧焊。 喷漆。 其他：如切削加工过程、倒角、去毛刺、除锈、抛光、高压水喷射切割、激光切割与焊接、铆接等。,现代制造系统西南科技大学,36,现代制造系统西南科技大学,37,现代制造系统西南科技大学,38,工业机器人的应用,工业机器人在装配与检测中的应用 工业机器人在装配与检测中主要用于： 为测量机或检测装备完成上下料工作。 由
15、机器人操作检测装置。 完成零件上下料、多种装配作业、装配检查和自动分类作业、成品与废品分类作业等。,现代制造系统西南科技大学,39,工业机器人的应用,工业机器人应用领域自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在短短40多年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，工业机器人已在工业发达国家的生产中得到了广泛的应用。目前，工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。
16、,现代制造系统西南科技大学,40,工业机器人的应用,工业机器人应用领域在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。2005年美洲地区汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求占该地区所有行业对工业机器人需求的比例高达61%；同样，亚洲地区的该比例也达到33%，位于各行业之首；虽然2005年由于德国、意大利和西班牙三国对汽车工业投资的趋缓直接导致欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有行业对工业机器人需求的比例下降到了46%，但汽车工业仍然是欧洲地区使用工业机器人最普及的行业。,现代制造系统西南科技大学,41,工业机器人的应用,工业机器人应用领域,现代制造系统西南科技大学
17、,42,工业机器人的应用,工业机器人应用领域,现代制造系统西南科技大学,43,工业机器人的应用,工业机器人应用领域,现代制造系统西南科技大学,44,工业机器人的应用,工业机器人应用领域,现代制造系统西南科技大学,45,工业机器人的应用,工业机器人应用领域目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如，2004年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机
18、器人的数量则高达1600台。,现代制造系统西南科技大学,46,工业机器人的应用,工业机器人应用领域工业机器人还广泛应用于电子电气行业、金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业和食品工业等领域。2005年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7%左右。,现代制造系统西南科技大学,47,工业机器人的应用,工
19、业机器人应用领域,现代制造系统西南科技大学,48,工业机器人的应用,工业机器人应用领域随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也不断扩大。目前，工业机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。如，水下机器人、抛光机器人、打毛刺机器人、擦玻璃机器人、高压线作业机器人、服装裁剪机器人、制衣机器人、管道机器人等特种机器人以及扫雷机器人、作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等军用机器人都广泛应用于各行各业。而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来
20、各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。,现代制造系统西南科技大学,49,自由度机械手,现代制造系统西南科技大学,50,高楼擦窗和壁面清洗机器人,现代制造系统西南科技大学,51,汽车加油机器人,现代制造系统西南科技大学,52,全自动清洁机器人,现代制造系统西南科技大学,53,烹饪机器人,现代制造系统西南科技大学,54,达芬奇外科手术臂,现代制造系统西南科技大学,55,战地机器人,现代制造系统西南科技大学,56,无人驾驶汽车,现代制造系统西南科技大学,57,火星车“机遇”号,现代制造系统西南科技大学,58,机械控制假手臂,现代制造系统西南科技大学,59,水下机器人,现代制造系统西南科技大学,60,本章小结,
