工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ).ppt

第一章 工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ),工作空間,工作空間也稱工作范圍、工作行程。工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（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(dá)的區(qū)域。 目前，單體工業(yè)機(jī)器人本體的工作范圍可達(dá)3.5 m 左右。,MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機(jī)器人，屬于垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 圖2-6 圖2-7 為此種機(jī)器人的工作范圍。,2.2.3 額定速度,對(duì)于結(jié)構(gòu)固定的機(jī)器人，其最大行程為定值，因此額定速度越高，運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間越短，工作效率也越高。而機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過程一般包括啟動(dòng)加速、勻速運(yùn)動(dòng)和減速制動(dòng)三個(gè)階段。如果機(jī)器人負(fù)載過大，則會(huì)產(chǎn)生較大的加速度，造成啟動(dòng)、制動(dòng)階段時(shí)間增長，從而影響機(jī)器人的工作效率。對(duì)此，就要根據(jù)實(shí)際工作周期來平衡機(jī)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(jī)器人在工作范圍內(nèi)的任何位姿上所能承受的最大重量，通?？梢杂觅|(zhì)量、力矩或慣性矩來表示。 承載能力不僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，而且與機(jī)器人運(yùn)行的速度和加速度的大小和方向有關(guān)。 一般低速運(yùn)行時(shí)，承載能力強(qiáng)。為安全考慮，將承載能力這個(gè)指標(biāo)確定為高速運(yùn)行時(shí)的承載能力。通常，承載能力不僅指負(fù)載質(zhì)量，還包括機(jī)器人末端操作器的質(zhì)量。,分辨率,機(jī)器人的分辨率由系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測(cè)參數(shù)決定，并受到位置反饋檢測(cè)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：當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)0.1度，機(jī)器人腕點(diǎn)（手尖端點(diǎn)）移動(dòng)的直線距離為0.01mm時(shí)，其基準(zhǔn)分辨率為0.01mm。,1、編程分辨率,當(dāng)編程分辨率與控制分辨率相等時(shí)，系統(tǒng)性能達(dá)到最高。,2、控制分辨率,2.2.5 工業(yè)機(jī)器人的精度,機(jī)器人的精度主要體現(xiàn)在定位精度和重復(fù)定位精度兩個(gè)方面。,如圖2-8所示，為重復(fù)定位精度的幾種典型情況：圖a為重復(fù)定位精度的測(cè)定；圖b為合理的定位精度，良好的重復(fù)定位精度；圖c為良好的定位精度，很差的重復(fù)定位精度；圖d為很差的定位精度，良好的重復(fù)定位精度。,此圖涉及到隨機(jī)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(fù)定位精度好。,這叫定位精度好，但重復(fù)定位精度差。,MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機(jī)器人各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),2.1 工業(yè)機(jī)器人的基本組成,第一代工業(yè)機(jī)器人主要由以下幾部分組成： 操作機(jī)、控制器和示教器 。 對(duì)于第二代及第三代工業(yè)機(jī)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(shí)現(xiàn)。,操作機(jī),控制器,示教器,2.1.1 操作機(jī)（機(jī)器人本體）,操作機(jī)（或稱機(jī)器人本體）是工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械主體，是用來完成各種作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 它主要由機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)單元及內(nèi)部傳感器等部分組成。,關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作機(jī)基本構(gòu)造,伺服電機(jī) 減速器,腕關(guān)節(jié),小臂,肘關(guān)節(jié),手腕,大臂,連接法蘭,皮帶傳動(dòng),腰部,肩關(guān)節(jié),腰關(guān)節(jié),基座, 機(jī)器人操作機(jī)的每個(gè)關(guān)節(jié)均 采用 1 個(gè)交流伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng),機(jī)器人的六個(gè)軸： J1：腰部電機(jī) J2：肩部電機(jī) J3：肘部俯仰電機(jī) J4：肘部回轉(zhuǎn)電機(jī) J5：碗部俯仰電機(jī) J6：碗部回轉(zhuǎn)電機(jī),2.1.2 控制器（控制柜）,工業(yè)機(jī)器人控制器是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號(hào)， 支配操作機(jī)完成規(guī)定運(yùn)動(dòng)和功能的裝置。 它是機(jī)器人的關(guān)鍵和核心部分。,基本功能：示教、記憶、位置伺服、坐標(biāo)設(shè)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?dòng)。它是機(jī)器人的人機(jī)交互接口，機(jī)器人的所有操作基本上都是通過它來完成的。示教器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)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(yùn)動(dòng)控制模塊,驅(qū)動(dòng)模塊,操作機(jī),示教器的數(shù)據(jù)流關(guān)系,機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設(shè)計(jì)、應(yīng)用機(jī)器人必須考慮的問題。 機(jī)器人的主要技術(shù)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(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù),2.2.1 自由度,1.機(jī)器人自由度定義 機(jī)器人的自由度是指當(dāng)確定機(jī)器人手部在空間的位置和姿態(tài)時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)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(gè)物體的位置和姿態(tài)需要6個(gè)自由度，但自由度數(shù)目越多，機(jī)器人結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，控制就越困難，所以目前機(jī)器人常用的自由度數(shù)目一般不超過7個(gè)。 自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，可用軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來表示。,2機(jī)器人自由度的選擇 （1）一般自由度的選擇 機(jī)器人的自由度是根據(jù)機(jī)器人的用途來設(shè)計(jì)的，人們希望機(jī)器人能以準(zhǔn)確的方位把它的末端執(zhí)行部件或與它連接的工具移動(dòng)到指定點(diǎn)。如果機(jī)器人的用途是未知的，那么它應(yīng)當(dāng)具有6個(gè)自由度；機(jī)器人自由度數(shù)目越多，動(dòng)作越靈活，通用性越強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)則更復(fù)雜，剛性也差；如果工具本身具有某種特別結(jié)構(gòu)，那么就可能不需要6個(gè)自由度。,（2）冗余自由度 機(jī)器人的自由度多于為完成任務(wù)所必需的自由度時(shí)，多余的自由度稱為冗余自由度。設(shè)置冗余自由度，主要是使機(jī)器人具有一定的避障能力。 從理論上講，具有6個(gè)自由度的機(jī)器人在其工作空間內(nèi)可達(dá)到任意位置和姿態(tài)，但由于奇異位形存在，一些關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置時(shí)，會(huì)使機(jī)器人自由度退化，失去一個(gè)或幾個(gè)自由度；再加上在工作空間可能存在的障礙，機(jī)器人就無法滿足工作要求。具有冗余自由度的機(jī)器人就有能夠克服奇異位形，避開障礙、克服關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)限制和改善動(dòng)態(tài)特性的功能，它能充分提高機(jī)器人的工作能力，在運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)性能方面具有無可比擬的優(yōu)越性。如圖2-5所示，為手臂型七自由度關(guān)節(jié)式機(jī)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(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其手腕參考點(diǎn)或末端操作器安裝點(diǎn)（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(dá)的區(qū)域。 目前，單體工業(yè)機(jī)器人本體的工作范圍可達(dá)3.5 m 左右。,MOTOMAN-EA1900N弧焊專用機(jī)器人，屬于垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 圖2-6 圖2-7 為此種機(jī)器人的工作范圍。,2.3 坐標(biāo)系,機(jī)器人是由運(yùn)動(dòng)軸和連桿組成的，而其運(yùn)動(dòng)方式是在不同的坐標(biāo)系下進(jìn)行的，為了掌 握機(jī)器人的示教方法，應(yīng)首先了解機(jī)器人的坐標(biāo)系及各運(yùn)動(dòng)軸在不同坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。 主要有： 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 絕對(duì)坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系) 圓柱坐標(biāo)系 工具坐標(biāo)系 用戶坐標(biāo)系,2.3.1 簡(jiǎn)介,關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 機(jī)器人每個(gè)軸均可以獨(dú)立地正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)坐標(biāo)系是機(jī)器人各關(guān)節(jié) 上固定的坐標(biāo)系，用于確定機(jī)器人的關(guān)節(jié)角。 基坐標(biāo)系 基坐標(biāo)系是一個(gè)固定定義的直角坐標(biāo)系，位于位于機(jī)器人基座。它是最便 于機(jī)器人從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的坐標(biāo)系。 世界坐標(biāo)系 世界坐標(biāo)系是固定定義的直角坐標(biāo)系，默認(rèn)世界坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系重合。 世界坐標(biāo)系可定義機(jī)器人單元，所有其他的坐標(biāo)系均與世界坐標(biāo)系直接或 間接相 關(guān)。它適用于微動(dòng)控制、一般移動(dòng)以及處理具有若干機(jī)器人或外軸 移動(dòng)機(jī)器人的工作站 和工作單元。,工具坐標(biāo)系 工具坐標(biāo)系是一個(gè)直角坐標(biāo)系，位于工具上。它是與機(jī)器人工具固連的 笛卡爾坐標(biāo)系，隨機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而改變。通常是最適于對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編 程的坐標(biāo)系。 用戶坐標(biāo)系 用戶坐標(biāo)系是一個(gè)直角坐標(biāo)系，用來說明工件的位置。,2.3.2 分類介紹,關(guān)節(jié)坐標(biāo)系 機(jī)器人由多個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，機(jī)械手的每一個(gè)軸都可以進(jìn)行獨(dú)立的操作，各個(gè)關(guān)節(jié)都可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，如圖 4-14所示。對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍大且不要求機(jī)器人末端姿態(tài)的情況，建議選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系。在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下，每個(gè)軸可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，通過示教器上相應(yīng)的鍵控制機(jī)器人的各個(gè)軸示教，其運(yùn)動(dòng)方式見表 4-1。,圖4-14 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng),表4-1 關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式,2. 絕對(duì)坐標(biāo)系 如圖4-15所示，絕對(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義為機(jī)器人的安裝面和第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸的交點(diǎn)。 X軸 向前， z軸向上， y軸按右手規(guī)則定義。在絕對(duì)坐標(biāo)系下，機(jī)器人末端軌跡沿定義的 X 、Y 、 Z方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式見表 4-2 。,圖4-15工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)坐標(biāo)系,表4-2 絕對(duì)坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式,3. 世界坐標(biāo)系 圖4-16所示，世界坐標(biāo)系默認(rèn)與基坐標(biāo)系重合，位于機(jī)器人底部，可通過配置軟件更 改。其運(yùn)動(dòng)方式見表4-30。,圖4-16工業(yè)機(jī)器人世界坐標(biāo)系,4. 工具坐標(biāo)系 圖4-17所示， 工具坐標(biāo)系定義在工具尖，并且假定工具的有效方向?yàn)?Z軸， x軸垂直于工具平面， y軸 由右手規(guī)則產(chǎn)生，如圖4-17所示。標(biāo)定了工具相對(duì)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(biāo)系中，機(jī)器人末端軌跡沿工具坐標(biāo)的 X 、Y 、Z軸方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式見表4-40,圖4-17 工具坐標(biāo)系及各軸的運(yùn)動(dòng),表4-4 工具坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式,5. 用戶坐標(biāo)系 用戶坐標(biāo)系是用戶根據(jù)工作的需要，自行定義的坐標(biāo)系，用戶可根據(jù)需要定義多個(gè)坐 標(biāo)系，如圖 4-19所示。用戶自定義可以方便的量測(cè)工作區(qū)間中各點(diǎn)的位置并加以任務(wù)安 排，且更符合人的直觀。在用戶坐標(biāo)系下，機(jī)器人末端軌跡沿用戶自己定義的坐標(biāo)軸方 向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式見表 4-5。,圖4-19 用戶坐標(biāo)系及各軸的運(yùn)動(dòng),表4-5 用戶坐標(biāo)系下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式,2.3.3 TCP運(yùn)動(dòng)軌跡,TCP為加上工具后工具的末端點(diǎn)機(jī)器人的工作其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)TCP點(diǎn)在空間中完成預(yù)定或指定的運(yùn)動(dòng)軌跡TCP。 （工具控制點(diǎn)）固定功能: 除了關(guān)節(jié)坐標(biāo)系外，在其他坐標(biāo)系下都有TCP固定功能，即在工具控制點(diǎn)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(yùn)動(dòng)方式見下表。,2.3.4 奇異點(diǎn),1、奇異位形及其不良影響 也稱特殊位形，是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，它是指機(jī)械手的 工作空間中，手部參考點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)沿任意方向的微小位移或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)機(jī)械手的位形。 當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到奇異位置時(shí)，產(chǎn)生的不良影響主要表現(xiàn)在如下的三個(gè)方面： （1）使機(jī)械手實(shí)際操作自由度減少，從而手部無法實(shí)現(xiàn)沿著某些方向的運(yùn) 動(dòng)，同時(shí)減少了獨(dú)立的內(nèi)部關(guān)節(jié)變量數(shù)目。 （2）某些關(guān)節(jié)角速度趨向無窮大，引起機(jī)械手失控，導(dǎo)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(shí)現(xiàn)，因此奇異性是機(jī)器人工作空間一個(gè)不可忽視的問題。,2、奇異點(diǎn)的本質(zhì) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)其實(shí)是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵問題在于如何將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人TCP點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)。 從機(jī)器人每個(gè)軸的角度計(jì)算出TCP點(diǎn)的位置坐標(biāo)是正解，逆解反之。 奇異點(diǎn)既機(jī)器人在進(jìn)行逆解過程時(shí)出現(xiàn)的矩陣退化導(dǎo)致多解。簡(jiǎn)單理解就是通過TCP點(diǎn)算不出來關(guān)節(jié)角。,3、三種奇異位置 在標(biāo)準(zhǔn)的軸運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)區(qū)分三種不同的奇異位置,它們是頂部奇異點(diǎn)、完全伸展位置、腕部軸奇異點(diǎn)。,頂部奇異點(diǎn) 于A4,A5,A6軸交叉點(diǎn)處的腕部根節(jié)點(diǎn)正好位于A1軸上方。如圖4-20所示的六軸機(jī)器人，四軸和六軸相交(大部分機(jī)器人四軸和六軸都會(huì)相交，所以很多機(jī)器人都會(huì)存在這種奇異點(diǎn)，它與機(jī)器人的品牌無關(guān)，只和結(jié)構(gòu)有關(guān))。,圖4-20 頂部奇異點(diǎn),完全伸展奇異點(diǎn) 如圖所示的六軸機(jī)器人，A2-A3的延長線直接穿過處于A4，A5，A6軸交叉點(diǎn)處的腕部根節(jié)點(diǎn)。,圖4-21 完全伸展奇異點(diǎn),腕部奇異點(diǎn) 如圖所示的六軸機(jī)器人，A2-A3的延長線直接穿過處于A4，A5，A6軸交叉點(diǎn)處的腕部根節(jié)點(diǎn)。,圖4-22 腕部奇異點(diǎn),4、奇異點(diǎn)的一般解決辦法 機(jī)器人處于奇異位形時(shí)，其某些自由度退化，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)無正解。從機(jī)器人控制上來說，機(jī)器人將無法沿著規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至奇異位形發(fā)生報(bào)錯(cuò)時(shí)： (1) 首先判斷問題：是速度超限還是位置超限; (2) 然后確認(rèn)通過路徑上容易超限的地方; (3) 最后在這個(gè)位置上其他方向偏移多設(shè)置一個(gè)中間點(diǎn)，避開奇異位置。 （注意：奇異點(diǎn)報(bào)錯(cuò)后，需要確認(rèn)錯(cuò)誤，否則機(jī)器人不會(huì)工作）。,