01 模块1 工业机器人认知.docx

工业机器人技术基础课程教案课题：模块1工业机器人认知课型：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1工业机器人认知课次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工业机器人是在20世纪60年代逐渐发展起来的一种用于代替传统劳动力的工业设备。工业机器人技术是一门多学科综合的自动化技术，涉及机械、电子、数学、运动学、力学、控制理论、传感技术、计算机技术及人机工程。到今天，工业机器人技术已成为工业生产、智能制造等领域不可或缺的中坚力量。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 工业机器人概述一、工业机器人的定义工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编制的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。美国机器人协会（RIA）对工业机器人的定义是：“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程的动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能机械手。”美国国家标准局（NBS）对工业机器人的定义是：“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。”美国机器人工业协会（U.S.RIA）提出的工业机器人定义是：“工业机器人是用来进行搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，或通过不同程序的调用来完成各种工作任务的特种装置。”1987年国际标准化组织（ISO）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。”综上所述，工业机器人是一种按实际工况自动控制精确运动并作业的可编程机电一体化智能设备。二、工业机器人的发展史已知最早的工业机器人是1937年由格里菲斯·P·泰勒完成，并发布在1938年3月的专业杂志上。这台机器人几乎完全是用吊车状装置建成的，动力由单个电动机提供，可实现五轴运动。自动化方面是用穿孔纸带通电螺线管这有利于用起重机的控制杆操作，进而实现运动功能。该机器人可以在预先设定的图案上堆积木，第一次操作时需要将每个运动马达的转数绘制在坐标纸上，然后把这个信息转移到纸带上，从而推动机器人的单个马达运动。1954年，乔治·德沃尔申请了一个“可编程关节式转移物体装置”的专利，具备了现代工业机器人的雏形。真正意义上的工业机器人出现在1959年。当时，美国人约瑟夫·恩格尔伯格和乔治·德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人Unimate，意思是“万能自动”。这台机器人外形像一个坦克的炮塔，基座上有一个可转动的大机械臂，大臂上又伸出一个可以伸缩和转动的小机械臂，能进行一些简单的操作，代替人做一些诸如抓放零件的工作。约瑟夫·恩格尔伯格也因此被称为“机器人之父”。与美国劳动力充沛不同，日本战后的劳动力匮乏已对快速发展的经济造成了阻碍。1969年，日本业界把约瑟夫·恩格尔伯格请到东京演讲，指导日本厂商研发机器人。通过知识产权输出等方式，Unimation公司与日本川崎等公司建立了联系。借此，川崎重工引进Unimation机器人，并把开发能节省劳动力的机器人系统作为一项重要任务来完成，而后成功开发了KawasakiUnimate2000机器人，这是日本生产的第一台工业机器人，川崎重工随后也成了日本工业机器人领域的先驱。20世纪70年代之前，工业机器人基本是Unimation的天下，Unimation把机器人卖给各家公司，甚至远销欧洲、日本，大大提高了企业的生产效率。随后，工业机器人领域开始了高速发展。1971年，日本机器人协会成立，这是世界上第一个国家机器人协会。1973年，第一台机电驱动的六轴机器人面世。德国库卡公司将其使用的Unimate机器人改造成第一台产业机器人，命名为Famulus，这是世界上第一台机电驱动的六轴机器人。1974年，瑞典通用电机公司（ASEA，ABB公司的前身）开发出世界上第一台全电力驱动、由微处理器控制的五轴工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。首台IRB6运行于瑞典南部的一家小型机械工程公司。IRB6采用拟人化设计，其动作模仿人类的手臂，可承受6千克载荷。IRB6的S1控制器第一个使用英特尔8位微处理器，内存容量为16kB，有16个数字I/O接口，通过16个按键编程，并具有四位数的LED显示屏。1978年，美国Unimation公司推出通用工业机器人，应用于通用汽车装配线，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。1984年，瑞典ABB公司生产出当时速度最快的装配机器人IRB1000，这是一个配备了垂直手臂的钟摆式机器人。IRB1000机器人工作的时候，不需要来回移动就可以快速穿越较大面积的工作场合，速度比传统的手臂机器人快50%以上。1992年，瑞典ABB公司推出开放式控制系统S4。S4控制器的设计改善了人机界面，并提升了机器人的技术性能。2008年，日本发那科公司推出了新的重型机器人M2000iA，有效载荷达1200千克。M2000iA系列是当时世界上规模最大、实力最强的六轴机器人，可搬运超重物体，具有两种型号，分别为一次可举起900千克载荷的M2000iA/900L和一次可举起1200千克载荷的M2000iA/1200，能够做到更快速、更稳定、更精确地移动大型部件。2009年9月，瑞典ABB公司推出了世界上最小的多用途工业机器人IRB120，也是速度最快的六轴机器人。IRB120是一款新型机器人，质量仅为25千克，荷重3千克（垂直腕为4千克），工作范围达580毫米。IRB120的问世使ABB第四代新型机器人产品系列得到进一步延伸，具有卓越的经济性与可靠性。工业机器人的出现将人类从繁重单一的劳动中解放出来，它能够从事一些不适合人类甚至超越人类的劳动，实现生产的自动化，避免工伤事故并且提高生产效率。自1959年工业机器人诞生后，经过近70年的发展，工业机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业，工业机器人的分类也越来越细化。它与人工智能技术、先进制造技术和移动互联网技术融合发展，大大推动了人类社会生活方式的变革。工业机器人对于我国制造业提质增效、转型升级、推动产业结构迈向中高端具有重要作用。三、工业机器人的特点乔治·德沃尔提出的工业机器人有以下特点：将数控机床的伺服轴与遥控操纵器的连杆机构连接在一起，预先设定的机械手动作经编程输入后，系统就可以离开人的辅助而独立运行。这种机器人还可以接受示教而完成各种简单的重复动作，示教过程中，机械手可依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列全部记录在存储器内，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置，故这种机器人的主要技术功能被称为“可编程”和“示教再现”。1962年，美国推出的一些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形主要由类似人的手臂组成。此后，逐渐出现了具有视觉传感器的、能识别与定位的工业机器人系统。工业机器人最显著的特点有以下几个：（一）可编程（二）拟人化（三）通用性四、工业机器人的优势当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力，具有多种感知能力，对作业环境具有较强的自适应能力的方向发展。当前，对全球机器人技术的发展最有影响的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平方面处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面居世界首位。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都与微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，其发展和应用现状也可以反映一个国家科学和工业的水平。（一）工业机器人技术发展的优势（二）技术升级的趋势（三）应用领域广泛（四）技术综合性强单元2 工业机器人的分类关于工业机器人的分类，国际上并没有统一的标准，有的按载荷大小分，有的按控制方式分，有的按机械结构分，有的按坐标系分，有的按应用领域分。这里，我们按照比较普遍的三种分类形式进行分类讲解。一、按机械结构分类按机械结构的方法对机器人分类是指，将工业机器人按照不同的动力学结构原理进行分类。按照这种方法，通常将工业机器人分成两类：串联式机器人和并联式机器人。（一）串联式机器人串联式机器人的特点有：1.工作空间大。2.运动分析较容易。3.可避免驱动轴之间的耦合效应。4.机构各轴必须独立控制，且需搭配编码器与传感器来提高机构运动时的精准度。串联式机器人通常都具有三个以上的关节，类似于人类的手臂，灵活性高，广泛应用于装配、搬运、喷漆、码垛、测量、弧焊、点焊、包装、铸造等作业。（二）并联式机器人并联式机器人的特点有：1.无累积误差，精度较高。2.驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，使得运动部分质量轻，速度高，动态响应好。3.结构紧凑，刚度高，承载能力大。4.完全对称的并联机构具有较好的各向同性。5.工作空间较小。因为这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到广泛应用。二、按坐标系分类工业机器人按照坐标系通常可分为柱坐标机器人、球坐标机器人、笛卡尔坐标机器人、多关节型机器人和平面关节型机器人。（一）柱坐标机器人其运动特点如下：1.手臂可伸缩（沿r方向）。2.滑动架（或托板）可沿柱上下移动（z轴方向）。3.水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕z轴），一般旋转不允许超过360°。柱坐标机器人手臂伸出长度有最小值和最大值，所以机器人的工作包络范围呈圆柱状。（二）球坐标机器人球坐标机器人的工作特点如下：1.手臂可伸出缩回范围R，类似于可伸缩的望远镜套筒。2.在垂直面内绕轴旋转的角度为。3.在基座水平面内的转动角度为。（三）笛卡尔坐标机器人（直角坐标机器人）笛卡尔坐标机器人，又叫直角坐标机器人，是指能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度间成空间直角关系的多用途操作机。笛卡尔坐标机器人是以xyz直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机、步进电机驱动的单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杠、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统，可以完成在xyz三维坐标系中任意一点的到达，并遵循可控的运动轨迹。悬臂式笛卡尔坐标机器人的特点是结构简单、成本低、速度快、负载低、悬臂长度有限。门型笛卡尔坐标机器人又叫桁架机器人或龙门式机器人。相比悬臂式，其结构略复杂，成本略高，但能承受的负载大，各轴的行程更大。（四）多关节型机器人多关节型机器人由多个回转机构组合而成。这类机器人结构紧凑，工作空间大，动作最接近人的动作，对涂装、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。1.多关节型机器人的优点（1）结构紧凑，占地面积小。（2）灵活性好，手部到达位置好，具有较好的蔽障性能。（3）没有移动关节，关节密封性能好，摩擦小，惯量小。（4）关节驱动力小，能耗较低。2.多关节型机器人的缺点（1）运动过程中存在平衡问题，控制存在耦合。（2）当大臂和小臂舒展开时，机器人结构刚度较差。多关节型机器人是通用性最好的工业机器人，最常用的多关节型机器人有五轴搬运机器人、六轴机器人、七轴机器人等。（五）平面关节型机器人平面关节型机器人具有四个自由度：三个旋转关节，轴线相互平行,实现平面内定位和定向；一个移动关节，实现末端件升降运动。具体机械系统由基座、手臂和末端执行器三大部分组成，每一部分都有若干自由度，构成了一个多自由度的机械系统。基座具有回转机构（肩关节），手臂由大臂、小臂组成，末端执行器（手部）是一个钳爪式手部结构。本机器人具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小及设计自由度大等优点，可以组装成焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、拿放机器人及插件机器人等，从而应用于高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等动作。三、按应用领域分类（一）搬运机器人搬运机器人是在自动化作业中专门从事搬运工作的工业机器人。它的主要工作内容是将物料从一个地方搬运到另一个地方。搬运机器人的特点是结构紧凑，负载大，但灵活性不如六轴机器人。搬运机器人一般以五轴结构居多。搬运机器人用途很广，一般只需点位控制，即被搬运零件无严格的运动轨迹要求，只要求始点和终点位姿准确。如箱体码垛，流水线上下料等。（二）焊接机器人焊接机器人是从事焊接作业的工业机器人，亦是目前使用最多的一类定制化机器人。由于焊接机器人是在准平面、空间狭窄的环境下工作，为了保证机器人能根据电弧传感器的偏差信息跟踪焊缝，实现自动焊接，要求所设计的机器人应该具有结构紧凑、移动灵活且工作稳定等特点。常用的焊接机器人分为点焊和弧焊两种。1.点焊机器人2.弧焊机器人3.焊接机器人的优点随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动焊接机器人从20世纪60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点：（1）稳定和提高焊接质量，能将焊接质量以数值的形式反映出来。（2）提高劳动生产率。（3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作。（4）降低了对工人操作技术的要求。（5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。因此，焊接机器人现在已经在汽车、电子等各行各业得到了广泛的应用。（三）喷涂机器人喷涂机器人是可进行自动喷漆作业或喷涂其他涂料的工业机器人。由于喷涂机器人是专用型工业机器人，所以它具有一些与自身实际应用相关的特点：1.柔性好，活动范围大，能实现各种方向和表面范围大的工件的喷涂作业。2.机器人具有较快的运动速度和加速度。机器人的运动速度或加速度越大，则意味着机器人空行程所需的时间越短，在一定节拍内的绝对施工时间越长，可提高机器人的使用率。3.重复定位精度要求不高。由于喷涂作业对机器人执行器的定位不需要很高的要求，所以喷涂机器人的重复定位精度达到1mm即可。4.易操作和维护，可离线编程，大大缩短现场调试时间。可插件结构和模块化设计可实现快速安装和更换元器件，极大地缩短维修时间，便于维护保养。（四）通用机器人通用型机器人是指用途广泛，能应用于多种行业和多个工种的工业机器人。通用机器人的特点是：1.自由度高，末端执行器运动范围广。2.安装方式任意，不局限于正装、倒装、侧装等。3.集成度高，开放性好，用户可根据需求安装各种配套设施或配套机构。（五）协作机器人协作机器人是和人类在共同工作空间中有近距离互动的机器人。协作机器人是整个工业机器人产业链中_个非常重要的细分类别，随着全球制造业的转型发展,柔性制造需求越来越多,协作机器人正在成为行业新星。与传统工业机器人需要安装安全防护措施与人隔离不同，协作机器人更灵活安全、易编程,可与工人共享工作空间，同时发挥人和机器的互补优势。协作机器人的兴起意味着传统机器人必然有某种程度的不足，或者无法适应新的市场需求。1.传统工业机器人的不足(1)部署成本高。(2)无法满足中小企业需求。(3)无法满足新兴的协作市场。2.协作机器人的优点(1)安全:协作机器人一般在硬件设计和软件控制系统中具有更多的安全设计,具有灵敏的力度反馈特性和特有的碰撞监测功能,工作中一旦与人发生碰撞,便会立刻自动停止，无需安装防护栏，在保障人身安全的前提下，实现人与机器人的协同作业。(2)易用:用户可直接通过手动拖拽来设置机器人的运行轨迹，同时示教器端可视化的图形操作界面让非专业用户也能快速掌握;一线工人可能只需要几个小时就会操作,免去传统工业机器人复杂的编程和配置。模块化:协作机器人一般采用模块化一体式关节的设计,让机器人的维修与保养更加快速与便捷。关节模块一旦出现故障,用户可在极短的时间内进行更换。单元3 工业机器人的性能参数一、自由度和工作空间自由度和工作空间是工业机器人的核心参数，也是机器人选型时的重要技术指标参数，两者一起决定了工业机器人的灵活性和可达范围。在机器人技术的应用过程中，足够的灵活性和广阔的工作空间能增强工业机器人的通用性，可以实现一机多用。但过剩的灵活性和工作空间会造成资源浪费，还会影响工作效率。（一）自由度自由度是机器人的一项重要技术指标，它是由机器人的结构决定的，并直接影响到机器人的机动性。1.刚体自由度2.机器人自由度（二）工作空间工业机器人的工作空间是指机器人末端执行器运动描述参考点所能达到的空间点的集合，一般用水平面和垂直面的投影表示。工业机器人的工作空间通常由自由度和关节长度决定。二、负载工业机器人的负载通常分为机身负载和工具负载：机身负载指的是附加在机器人各关节上的负重；工具负载指的是安装在工业机器人末端的工具和物料的载荷。三、精度工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人TCP实际到达位置与理论计算位置之间的差异，用反复多次测试的定位点与指定位置之间的距离来表示。重复定位精度是指机器人重复定位TCP（工具中心点）于同一目标位置的能力，以实际到达位置值的分散程度来表示。实际应用中常以重复测试结果的标准偏差值的3倍来表示，用于衡量一列误差值的密集度。四、防护等级防护等级系统是由国际电工委员会所起草，将电器依其防尘防湿的特性加以分级。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。