《工業(yè)機器人基礎.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《工業(yè)機器人基礎.ppt（45頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。
1、第一章 工業(yè)機器人基礎,工作空間,工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務時，其手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能掠過的空間，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。 目前，單體工業(yè)機器人本體的工作范圍可達3.5 m 左右。,MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人，屬于垂直多關節(jié)型機器人。 圖2-6 圖2-7 為此種機器人的工作范圍。,2.2.3 額定速度,,對于結構固定的機器人，其最大行程為定值，因此額定速度越高，運動循環(huán)時間越短，工作效率也越高。而機器人每個關節(jié)的運動過程一般包括啟動加速、勻速運動和減速制動三個階段。如果機器人負載過大，則會產生較大的加速度
2、，造成啟動、制動階段時間增長，從而影響機器人的工作效率。對此，就要根據(jù)實際工作周期來平衡機器人的額定速度。,2.2.3 承載能力,C,加速度的大小,承載能力是指機器人在工作范圍內的任何位姿上所能承受的最大重量，通?？梢杂觅|量、力矩或慣性矩來表示。 承載能力不僅取決于負載的質量，而且與機器人運行的速度和加速度的大小和方向有關。 一般低速運行時，承載能力強。為安全考慮，將承載能力這個指標確定為高速運行時的承載能力。通常，承載能力不僅指負載質量，還包括機器人末端操作器的質量。,分辨率,機器人的分辨率由系統(tǒng)設計檢測參數(shù)決定，并受到位置反饋檢測單元性能的影響。分辨率可分為編程分辨率與控制分辨率。,例如：
3、當電機旋轉0.1度，機器人腕點（手尖端點）移動的直線距離為0.01mm時，其基準分辨率為0.01mm。,1、編程分辨率,當編程分辨率與控制分辨率相等時，系統(tǒng)性能達到最高。,2、控制分辨率,2.2.5 工業(yè)機器人的精度,機器人的精度主要體現(xiàn)在定位精度和重復定位精度兩個方面。,如圖2-8所示，為重復定位精度的幾種典型情況：圖a為重復定位精度的測定；圖b為合理的定位精度，良好的重復定位精度；圖c為良好的定位精度，很差的重復定位精度；圖d為很差的定位精度，良好的重復定位精度。,,此圖涉及到隨機概率分布函數(shù)的問題，不宜在中職和高職階段過多介紹,可以用扔飛鏢的例子來說明：,,這叫定位精度差，但重復定位精度
4、好。,這叫定位精度好，但重復定位精度差。,,MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人各項技術參數(shù),2.1 工業(yè)機器人的基本組成,第一代工業(yè)機器人主要由以下幾部分組成： 操作機、控制器和示教器 。 對于第二代及第三代工業(yè)機器人還包括感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)，它們分別由 傳感器及軟件實現(xiàn)。,,,操作機,控制器,示教器,2.1.1 操作機（機器人本體）,操作機（或稱機器人本體）是工業(yè)機器人的機械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機構。 它主要由機械臂、驅動裝置、傳動單元及內部傳感器等部分組成。,關節(jié)型機器人操作機基本構造,伺服電機 減速器,腕關節(jié),小臂,肘關節(jié),手腕,大臂,連接法蘭,皮帶傳動,
5、腰部,肩關節(jié),腰關節(jié),基座, 機器人操作機的每個關節(jié)均 采用 1 個交流伺服馬達驅動,機器人的六個軸： J1：腰部電機 J2：肩部電機 J3：肘部俯仰電機 J4：肘部回轉電機 J5：碗部俯仰電機 J6：碗部回轉電機,2.1.2 控制器（控制柜）,工業(yè)機器人控制器是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號， 支配操作機完成規(guī)定運動和功能的裝置。 它是機器人的關鍵和核心部分。,基本功能：示教、記憶、位置伺服、坐標設定等。 開發(fā)程度：封閉型、開放型和混合型。 目前基本上都是封閉型系統(tǒng)（如日系）或者混合型系統(tǒng)（如歐系） 控制方式：集中式控制和分布式控制,2.1.3 示教器,,亦稱示教編程
6、器或示教盒，主要由液晶屏幕和操作按鍵組成?？捎刹僮髡呤殖忠苿?。它是機器人的人機交互接口，機器人的所有操作基本上都是通過它來完成的。示教器實質上就是一個專用的智能終端。,,,,串口通信模塊,,,,,示教器,S6,S0,S6,S5,S1,S2,S3,S4,主控制模塊,運動控制模塊,驅動模塊,操作機,示教器的數(shù)據(jù)流關系,機器人的技術參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設計、應用機器人必須考慮的問題。 機器人的主要技術參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、 工作載荷等。,2.2 工業(yè)機器人的主要技術參數(shù),2.2.1 自由度,,1.機器人自由度定義 機器人的自由度是指當確定
7、機器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，不包括手部開合自由度。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要6個自由度，但自由度數(shù)目越多，機器人結構就越復雜，控制就越困難，所以目前機器人常用的自由度數(shù)目一般不超過7個。 自由度是機器人的一個重要技術指標，可用軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數(shù)目來表示。,,2機器人自由度的選擇 （1）一般自由度的選擇 機器人的自由度是根據(jù)機器人的用途來設計的，人們希望機器人能以準確的方位把它的末端執(zhí)行部件或與它連接的工具移動到指定點。如果機器人的用途是未知的，那么它應當具有6個自由度；機器人自由度數(shù)目越多，動作越靈活，通用性越強，但是結構則更復雜，剛
8、性也差；如果工具本身具有某種特別結構，那么就可能不需要6個自由度。,,（2）冗余自由度 機器人的自由度多于為完成任務所必需的自由度時，多余的自由度稱為冗余自由度。設置冗余自由度，主要是使機器人具有一定的避障能力。 從理論上講，具有6個自由度的機器人在其工作空間內可達到任意位置和姿態(tài)，但由于奇異位形存在，一些關節(jié)運動到相應位置時，會使機器人自由度退化，失去一個或幾個自由度；再加上在工作空間可能存在的障礙，機器人就無法滿足工作要求。具有冗余自由度的機器人就有能夠克服奇異位形，避開障礙、克服關節(jié)運動限制和改善動態(tài)特性的功能，它能充分提高機器人的工作能力，在運動和動態(tài)性能方面具有無可比擬的優(yōu)越性。
9、如圖2-5所示，為手臂型七自由度關節(jié)式機器人。,2.2.2 工作空間,工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機器人執(zhí)行任務時，其手腕參考點或末端操作器安裝點（不包括末端操作器）所能掠過的空間，一般不包括末端操作器本身所能到達的區(qū)域。 目前，單體工業(yè)機器人本體的工作范圍可達3.5 m 左右。,MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機器人，屬于垂直多關節(jié)型機器人。 圖2-6 圖2-7 為此種機器人的工作范圍。,2.3 坐標系,機器人是由運動軸和連桿組成的，而其運動方式是在不同的坐標系下進行的，為了掌 握機器人的示教方法，應首先了解機器人的坐標系及各運動軸在不同坐標系的運動。 主要有： 關節(jié)坐標系 絕
10、對坐標系(直角坐標系) 圓柱坐標系 工具坐標系 用戶坐標系,2.3.1 簡介,關節(jié)坐標系 機器人每個軸均可以獨立地正向或反向轉動，關節(jié)坐標系是機器人各關節(jié) 上固定的坐標系，用于確定機器人的關節(jié)角。 基坐標系 基坐標系是一個固定定義的直角坐標系，位于位于機器人基座。它是最便 于機器人從一個位置移動到另一個位置的坐標系。 世界坐標系 世界坐標系是固定定義的直角坐標系，默認世界坐標系與基坐標系重合。 世界坐標系可定義機器人單元，所有其他的坐標系均與世界坐標系直接或 間接相 關。它適用于微動控制、一般移動以及處理具有若干機器人或外軸 移動機器人的工作站 和工作單元。,工具
11、坐標系 工具坐標系是一個直角坐標系，位于工具上。它是與機器人工具固連的 笛卡爾坐標系，隨機器人的運動而改變。通常是最適于對機器人進行編 程的坐標系。 用戶坐標系 用戶坐標系是一個直角坐標系，用來說明工件的位置。,2.3.2 分類介紹,關節(jié)坐標系 機器人由多個運動關節(jié)組成，機械手的每一個軸都可以進行獨立的操作，各個關節(jié)都可以獨立運動，如圖 4-14所示。對運動范圍大且不要求機器人末端姿態(tài)的情況，建議選用關節(jié)坐標系。在關節(jié)坐標系下，每個軸可單獨運動，通過示教器上相應的鍵控制機器人的各個軸示教，其運動方式見表 4-1。,圖4-14 關節(jié)坐標系下各個軸的運動,表4-1 關節(jié)坐標系下機器人的運動方式,
12、2. 絕對坐標系 如圖4-15所示，絕對坐標系的原點定義為機器人的安裝面和第一轉動軸的交點。 X軸 向前， z軸向上， y軸按右手規(guī)則定義。在絕對坐標系下，機器人末端軌跡沿定義的 X 、Y 、 Z方向運動，其運動方式見表 4-2 。,圖4-15工業(yè)機器人絕對坐標系,表4-2 絕對坐標系下機器人的運動方式,3. 世界坐標系 圖4-16所示，世界坐標系默認與基坐標系重合，位于機器人底部，可通過配置軟件更 改。其運動方式見表4-30。,圖4-16工業(yè)機器人世界坐標系,4. 工具坐標系 圖4-17所示， 工具坐標系定義在工具尖，并且假定工具的有效方向為 Z軸， x軸垂直于工具平面， y軸
13、由右手規(guī)則產生，如圖4-17所示。標定了工具相對于法蘭(指的是末端最后第 6軸的法蘭 凸緣盤的位置和姿態(tài)) ，如圖4-18所示。這里特別注意，姿態(tài)一定不能遺漏。 在工具坐標系中，機器人末端軌跡沿工具坐標的 X 、Y 、Z軸方向運動，機器人的運動方式見表4-40,圖4-17 工具坐標系及各軸的運動,表4-4 工具坐標系下機器人的運動方式,5. 用戶坐標系 用戶坐標系是用戶根據(jù)工作的需要，自行定義的坐標系，用戶可根據(jù)需要定義多個坐 標系，如圖 4-19所示。用戶自定義可以方便的量測工作區(qū)間中各點的位置并加以任務安 排，且更符合人的直觀。在用戶坐標系下，機器人末端軌跡沿用戶自己定義的坐標軸方 向
14、運動，其運動方式見表 4-5。,圖4-19 用戶坐標系及各軸的運動,表4-5 用戶坐標系下機器人的運動方式,2.3.3 TCP運動軌跡,TCP為加上工具后工具的末端點機器人的工作其實就是實現(xiàn)TCP點在空間中完成預定或指定的運動軌跡TCP。 （工具控制點）固定功能: 除了關節(jié)坐標系外，在其他坐標系下都有TCP固定功能，即在工具控制點位置保持不變的情況下，只改變工具的方向(姿態(tài))。在TCP固定功能下各軸的運動方式見下表。,2.3.4 奇異點,1、奇異位形及其不良影響 也稱特殊位形，是機器人機構的一個重要的運動學特性，它是指機械手的 工作空間中，手部參考點不能實現(xiàn)沿任意方向的微小位移或轉動時相應
15、機械手的位形。 當機械手運動到奇異位置時，產生的不良影響主要表現(xiàn)在如下的三個方面： （1）使機械手實際操作自由度減少，從而手部無法實現(xiàn)沿著某些方向的運 動，同時減少了獨立的內部關節(jié)變量數(shù)目。 （2）某些關節(jié)角速度趨向無窮大，引起機械手失控，導致執(zhí)行器偏離了規(guī)定的軌跡。 （3）使雅克比矩陣退化，從而所有包括雅克比的求逆控制方案無法實現(xiàn)，因此奇異性是機器人工作空間一個不可忽視的問題。,2、奇異點的本質 機器人運動其實是電機的轉動帶動機械運動，關鍵問題在于如何將電機的轉動轉換到機器人TCP點的空間運動。 從機器人每個軸的角度計算出TCP點的位置坐標是正解，逆解反之。 奇異點既機器人在進行逆解
16、過程時出現(xiàn)的矩陣退化導致多解。簡單理解就是通過TCP點算不出來關節(jié)角。,3、三種奇異位置 在標準的軸運動學系統(tǒng)中應當區(qū)分三種不同的奇異位置,它們是頂部奇異點、完全伸展位置、腕部軸奇異點。,頂部奇異點 于A4,A5,A6軸交叉點處的腕部根節(jié)點正好位于A1軸上方。如圖4-20所示的六軸機器人，四軸和六軸相交(大部分機器人四軸和六軸都會相交，所以很多機器人都會存在這種奇異點，它與機器人的品牌無關，只和結構有關)。,圖4-20 頂部奇異點,完全伸展奇異點 如圖所示的六軸機器人，A2-A3的延長線直接穿過處于A4，A5，A6軸交叉點處的腕部根節(jié)點。,圖4-21 完全伸展奇異點,腕部奇異點 如圖所示的六軸機器人，A2-A3的延長線直接穿過處于A4，A5，A6軸交叉點處的腕部根節(jié)點。,圖4-22 腕部奇異點,4、奇異點的一般解決辦法 機器人處于奇異位形時，其某些自由度退化，逆運動學無正解。從機器人控制上來說，機器人將無法沿著規(guī)劃路徑運動。 當機器人運動至奇異位形發(fā)生報錯時： (1) 首先判斷問題：是速度超限還是位置超限; (2) 然后確認通過路徑上容易超限的地方; (3) 最后在這個位置上其他方向偏移多設置一個中間點，避開奇異位置。 （注意：奇異點報錯后，需要確認錯誤，否則機器人不會工作）。,
工業(yè)機器人基礎.ppt
