各类型机器人特点汇总
各种机器人的特点及应用简介
一机器人的定义及分类：
机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。机器人学涉及到机器人结构，机器人视觉，机器人运动规划，机器人传感器，机器人通讯和人工智能等许多方面，不同用处的机器人涉及到不同的学科，下面仅对这些机器人的结构和应用进行简单介绍：
二关节型机器人
关节型机器人的结构类同人的手臂，由几个转动轴，摆动轴和手爪等6~7个自由度组成。生产厂家主要有德国Manutec公司，德国KUKA，德国REIS,日本Motorman,日本Yaskawa 和沈阳新松等。关节型机器人的转动轴和摆动轴主要用伺服电机配几乎没有反向间隙的精密减速机或直驱力矩电机驱动，而其控制系统其难度也很大。各个厂家的关节型机器人其结构类同，主要差别在技术参数,下面以德国Manutec公司的关节型机器人为例介绍。
图1是Manutec公司型号为r15-30的6 自由度通用关节机器人，额定负载30公斤，最大可达到75 公斤，工作半径1.3 米，重复定位精度小于0.04 mm ，点到点的最大运行速度高达5.9 m/s，加速度高达23 m/s2和工作寿命20 年。可以坐立式安装，可以是掉挂式安装，也可以与水平面小于30度角的斜式安装，不影响其各项技术指标。r15可以选配防爆式的，也可以选配一级洁净式等。
r15-30主要特点是强度大刚性好和重复定位精度高，主要应用领域是其它厂家的关节型机器人由于刚性和精度不够无法应用的领域，而用5 轴加工中心成本太高或无法胜任的工作。如磨齿，异形铣削，壳（腔）内部铣削，磨，抛，切割和焊接等。
在手爪末端可以配力传感器，来加工异形表面（如铣削，磨和抛）。一个机器人也可以与双工作台及各种的双旋转轴协调同步运动。也可以是两个机器人协调同步工作，如一台机器人抓取工件，而令一台机器人对该工件进行加工，两台机器人同步协调完成特定的加工轨迹。其它厂家的关节机器人主要应用在汽车焊接和装配等任务中。关节型机器人的优点是可以从不同角度不同方位来工作，速度快，工作效率高。但主要缺点是工作半径小，负载小，价格高，应用难度大和维护费用高。
作为关节机器人的简化型机器人SCARA就是两个摆动轴和一个上下运动轴，其特点是简单，经济，适合工作空间小，负载小、高速搬运。但它的价位高于直角坐标机器人，应用行业和数量非常小。
三特种机器人
移动机器人就是能自主移动或上下楼梯的电动车，主要用于生产现场货物的自主运输和排险作业，或进入有污染和放射的环境内取样及监视等。还有一些移动机器人就是仿造一些动物，用腿和爪行走路的行走机器人，如美国的军用狗，还处于适用阶段。水下机器人与潜艇能自主潜入水下完成对海上钻井平台的水下建筑、发电站的水下闸门、海底打捞等工程的录像和监控。洁净式机器人主要是穿上防护衣的关节型机器人，使其自身有良好的密封性，不把灰尘带入工作现场，自身也不会产生灰尘，他们主要应用于电子器件，食品和药品等生产中。国际对洁净机器人的洁净度有明确的定义。军用机器人主要是小型移动车，遥控飞机或电子
狗等，他们完成危险场所的一些作业，如排雷，布雷，现场监控，射击摧毁特定目标等。尽管目前服务机器人主要是玩具式的自治电动车，在其上面装有视觉和超声等装置使其可以在家里无碰撞移动，对不同位置进行照像，用来防盗，检测煤汽泄露，无线发送信息和接收指令，运输物品等等。但未来服务机器人的功能会不断增强，不断深入到人们日产生活的各个方面。还有手术机器人，航天机器人，挤牛奶机器人和核电站专用机器人等专用机器人。四直角坐标机器人
作为在各行各业中最广泛应用的直角坐标机器人，它主要是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。
4.1直角坐标机器人的组成
图2是一个典型的3D直角坐标机器人，它由X轴,Y轴,Z轴及驱动电机组成。此外一个完整的机器人系统还需要控制系统和手抓，下面分别予以介绍：
4.1.1直线运动轴: 也叫直线运动单元，它就是一个独立的运动轴，主要由支撑载体的铝型材或钢型材和被安装在型材内部的直线导轨、运动滑块以及作为带动滑块做高速运动的同步带组成。
4.1.2运动轴的驱动系统
直角坐标机器人的传动主要是通过驱动电机的转动带动同步带运动，同步带带动直线导轨上的滑块运动。当驱动轴的最高转速低于600转/分时通常选用步进电机，否则选用交流伺服电机。
4.1.3 直角坐标机器人的控制系统
机器人要在一定时间内完成特定的任务，比如每10秒内完成一次搬运工作。在完成抓取，加速运动，高速运动，减速运动，释放工件等同时，还要与相关的设备通过通讯或I/O口实现一些时序上的协调同步。另外在涂胶应用上，各个运动轴要完成直线和圆弧插补运动。因此其数控系统要按具体应用要求来选定其控制轴数、I/O口数量和软件功能。通常选用数控系统，PLC，工控机加运动控制卡和带轴卡功能及I/O口的驱动电机来做控制系统。
4.1.4 直角坐标机器人的末端操作器——手爪系统
根据其具体应用情况，其手爪系统可能是气动吸盘、气动夹取手爪、电动夹取手爪、电磁吸取手爪、焊枪、胶枪、专用工具和检测仪器等。在很多场合可以一次抓取多个工件。
很多厂家已开发出一些标准的直线运动单元及其组合，下面结合德国百格拉公司的产品来介绍直角坐标机器人的技术数据及应用。
4.2德国百格拉公司直角坐标机器人简介
德国百格拉公司是世界上最著名的直角坐标机器人供应商之一，生产多种规格的直线运动单元，步进电机，交流伺服电机，直线电机和多轴数控系统。以此为基础在短时间内可以提供各种规格的线性导轨、二维、三维标准机器人及用户专用机器人和生产线。这些机器人可以装备焊枪、各种通用手抓或专用工具。它们按需要在定义好的3D空间内可靠、精确和快速地定位，沿直线或圆弧插补运动。完成焊接、搬运和上下料、包装、码垛、拆垛、检测、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂等一系列工作。由于所有部件全部自己生产，使得机器人整体性能更加优异。
4.2.1 龙门轴直线运动单元
直线运动单元和驱动电机固定不动，而滑块运动，主要用于水平面和垂直面上长距离运动。有标准化产品PAS41，PAS42，PAS43和PAS44。对应的横截面尺寸是40*40 mm，60*60mm，80*80 mm和110*110mm，单根标准长度是6000 mm、负载是10~200公斤、重复定位精度0.05mm、最高运行速度8米/秒，加速度是每秒4米。
4.2.2 抓取轴直线运动单元
驱动电机和滑块固定在一平面上，直线运动单元本体运动，其导轨标准长度可达2400 mm。主要以垂直或水平进入工作空间，用于货物的抓取和搬运等。其标准化产品有LM-A001到LM-A808等，对应的尺寸是40*40 mm，60*60mm，80*80 mm到110*110mm，单根最大长度是3000 mm、负载是2~100公斤、重复定位精度0.05mm、最高运行速度8米/秒，加速度是每秒4米。
4.2.3 各种结构形式的2D和3D直角坐标机器人
利用标准的龙门式和抓取轴直线运动单元德国百格拉公司在过去的20多年中成功组合成了数百种结构形式，不同行程和负载能力，不同安装方式的机器人。其中针对不同应用要求还采取了多种加强形式来保证其强度，提高其变形能力，减少震动和晃动，提高寿命等。其常用的结构形式有龙门式，悬臂式，挂臂式和掉挂式等。
4.3 直角坐标机器人的主要结构形式及主要特点
但针对各种不同的应用，实际上可以方便快速组合成不同维数，各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从电机到汽车等各行各业的自动化生产线中，也是各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作。可以说直角坐标机器人几乎能胜任所有的工业自动化任务。下面是其主要特点：
4.3.1任意组合成各种样式：每根直线运动轴最长是6米，其带载能力从10公斤到200公斤。在实际应用中已有近百种结构的直角坐标机器人，这些结构也可以任意组合成新的结构等。
4.3.2 超大行程：因为单根龙门式直线运动单元的长度是6米，还可以多根方便地级连成超大行程，所以其工作空间几乎没有限制，小到手机点胶机，大到18米长行程的切割机，8米长行程钻铣床，6米*6米*3米的检测机器人等。超大行程时要采用直线导轨和齿条传动方式。
4.3.3负载能力强：单根直线运动单元的负载通常小于200公斤。但当采用双滑块或多滑块刚性联结时负载能力可以增加5到10倍。当把两根或四根直线运动单元并排接起来使用时，其负载可以增加2到4倍。当采用多根多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。
4.3.4高动态特性：轻负载时其最大运行速度可达到每秒8米，加速度可达到每秒4米。使其具有很高的动态特性，工作效率非常高，通常在几秒内完成一个工作节拍。
4.3.5高精度：按传动方式及配置在整个行程内其重复定位精度可达到0.05mm~0.01mm。
4.3.6扩展能力强：可以方便改变结构或通过编程来适合新的应用。
4.3.7简单经济：对比关节机器人，直角坐标机器人不仅外观直观且构造成本低，编程简单类同数控铣床，易培训员工和维修，使其具有非常好的经济性。
4.3.8胜任复杂任务：采用带有RTCP功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂的喷涂，喷丸，检测，加工等任务。
4.3.9寿命长：直角坐标机器人的寿命一般是10年以上，维护好了可达20年。
4.3.10应用范围广：可以方便地装配多种形式和尺寸的手爪，可以胜任许多常见的工作，如焊接、切割，搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码和喷涂等任务。
4.4 直角坐标机器人的选型和保养
4.4.1选型: 首先要根据负载大小，行程，工作节拍和工作空间的限制来选择机器人的外形结构。选好结构形式后要根据行程和变形量等选择每个轴的形式和型号。大负载和高冲击力时可以选择由2根或4根运动轴组合成一个复合运动轴。各个运动轴间的装配也很关键，不仅要保证其垂直度，更要考虑在各个方向有足够的抗冲击力和变形。机器人要在几秒内完
成一个运动节拍，选择的驱动电机必须有足够的驱动力，通常要比理论计算值高出100%。当负载的转动惯量与驱动电机的转动惯量之比大于12时，要选配德国纽卡特公司的精密行星减速机。
在超高动态和定位精度要求很高情况下，可以选用直线电机来驱动。但直线电机的安装和防护难度大，发热量大，撞击危险性高和控制难度高，成本也高，所以要慎用。而其防护难度大和发热量大目前在机床行业还是世界性难题。
4.4.2 安装
机器人在加速和减速时会产生强大的冲击力，而且通常每天要工作24小时，所以机器人必须被牢固地安装在支架上。机器人的支架要有足够的抗冲击力，要有地脚，以保证在长期高速高动态运动冲击下，没有任何晃动。此外在安装时要保证运动轴间的平行度、平面度和垂直度。
4.4.3 保养事项
通常机器人的每个运动轴在经过一定长度的运动后要周期性的通过滑块的注油孔给直线导轨加注润滑油。根据机器人使用环境的不同和工作速度不同，其注油的周期也不同。在食品和玻璃切割等行业要选用带防尘带的运动轴和缩短注油周期，在有喷水的场合也要缩短注油周期。
五，应用和展望
每种机器人都有其特殊性和优势，适用特定的行业或作业。也有把关节机器人安装在大的直线运动平台上来扩大工作区域和完成更多的任务。为了克服直角坐标机器人不易深入细长空间区域内工作，德国百格拉公司成功组合成了多种结构的悬臂式直角坐标机器人及在直角坐标机器人的Z轴上加上500mm的摆动轴和上下升降轴，有时还在Z轴上加上一个转动轴和摆动轴构成5轴机器人，还把不同结构形式的直角坐标机器人组合成多种集抓取，搬运，处理和最后抓取运走功能于一体的机器人工作中心。在德国就有大大小小50多家直角坐标机器人生产企业，他们20多年的努力使得直角坐标机器人比关节式机器人有更广泛的应用。例如在西方发达国家被广泛用来执行焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、涂胶和切割等一系列工作。深受包装机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业的好评。随着自动化程度、环保要求、卫生规定、生产效率、人员素质和人工费用的提高，直角坐标机器人在中国也必将被各行各业广泛采用。
工业机器人的基本参数和性能指标 表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。 (1)工作空间（Work space）工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。理解机器人的工作空间时，要注意以下几点： 1)通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部法兰的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。 2)机器人说明书上提供的工作空间往往要小于运动学意义上的最大空间。这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常要比其他位置的小些。此外，在机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度进化现象，这部分工作空间在机器人工作时都不能被利用。 3)除了在工作守闻边缘，实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在着臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间。 (2)运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。
自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的自由度数目越多，功能就越强。日前工业机器人通常具有4—6个自由度。当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。冗余度的出现增加了机器人工作的灵活型，但也使控制变得更加复杂。 工业机器人在运动方式上，总可以分为直线运动（简记为P）和旋转运动（简记为R）两种，应用简记符号P和R可以表示操作机运动自由度的特点，如RPRR表示机器人操作机具有四个自由度，从基座开始到臂端，关节运动的方式依次为旋转-直线-旋转-旋转。此外，工业机器人的运动自由度还有运动范围的限制。 (3)有效负载(Payload) 有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。 机器人在不同位姿时，允许的最大可搬运质量是不同的，因此机器人的额定可搬运质量是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部都能搬运的最大质量。 (4)运动精度(Accurucy) 机器人机械系统的精度主要涉及位姿精度、重复位姿精度、轨迹精度、重复轨迹精度等。 位姿精度是指指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时各实到位置中心之间的偏差。重复位姿精度是指对同指令位姿从同一方向重复响应n次后实到位姿的不一致程度。 轨迹精度是指机器人机械接口从同一方向n次跟随指令轨迹的接近程度。轨迹重复精度是指对一给定轨迹在同方向跟随n次后实到轨迹之间的不一致程度。
注：1）2008年春季讲课用；2）带下划线的黑体字为板书内容；3）公式及带波浪线的部分为必讲内容第3章工业机器人静力学及动力学分析 3.1 引言 在第2章中，我们只讨论了工业机器人的位移关系，还未涉及到力、速度、加速度。由理论力学的知识我们知道，动力学研究的是物体的运动和受力之间的关系。要对工业机器人进行合理的设计与性能分析，在使用中实现动态性能良好的实时控制，就需要对工业机器人的动力学进行分析。在本章中，我们将介绍工业机器人在实际作业中遇到的静力学和动力学问题，为以后“工业机器人控制”等章的学习打下一个基础。 在后面的叙述中，我们所说的力或力矩都是“广义的”，包括力和力矩。 工业机器人作业时，在工业机器人与环境之间存在着相互作用力。外界对手部（或末端操作器）的作用力将导致各关节产生相应的作用力。假定工业机器人各关节“锁住”，关节的“锁定用”力与外界环境施加给手部的作用力取得静力学平衡。工业机器人静力学就是分析手部上的作用力与各关节“锁定用”力之间的平衡关系，从而根据外界环境在手部上的作用力求出各关节的“锁定用”力，或者根据已知的关节驱动力求解出手部的输出力。 关节的驱动力与手部施加的力之间的关系是工业机器人操作臂力控制的基础，也是利用达朗贝尔原理解决工业机器人动力学问题的基础。 工业机器人动力学问题有两类：(1)动力学正问题——已知关节的驱动力，求工业机器人系统相应的运动参数，包括关节位移、速度和加速度。(2)动力学逆问题——已知运动轨迹点上的关节位移、速度和加速度，求出相应的关节力矩。 研究工业机器人动力学的目的是多方面的。动力学正问题对工业机器人运动仿真是非常有用的。动力学逆问题对实现工业机器人实时控制是相当有用的。利用动力学模型，实现最优控制，以期达到良好的动态性能和最优指标。 工业机器人动力学模型主要用于工业机器人的设计和离线编程。在设计中需根据连杆质量、运动学和动力学参数，传动机构特征和负载大小进行动态仿真，对其性能进行分析，从而决定工业机器人的结构参数和传动方案，验算设计方案的合理性和可行性。在离线编程时，为了估计工业机器人高速运动引起的动载荷和路径偏差，要进行路径控制仿真和动态模型的仿真。这些都必须以工业机器人动力学模型为基础。 工业机器人是一个非线性的复杂的动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间。因此，简化求解过程，最大限度地减少工业机器人动力学在线计算的时间是一个受到关注的研究课题。 在这一章里，我们将首先讨论与工业机器人速度和静力学有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。
工业机器人的基本参数和性能指标
工业机器人的基本参数和性能指标 表示机器人特性的基本参数和性能指标主要有工作空间、自由度、有效负载、运动精度、运动特性、动态特性等。 (1)工作空间（Work space）工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。工作空间的性状和大小反映了机器人工作能力的大小。理解机器人的工作空间时，要注意以下几点： 1)通常工业机器人说明书中表示的工作空间指的是手腕上机械接口坐标系的原点在空间能达到的范围，也即手腕端部法兰的中心点在空间所能到达的范围，而不是末端执行器端点所能达到的范围。因此，在设计和选用时，要注意安装末端执行器后，机器人实际所能达到的工作空间。 2)机器人说明书上提供的工作空间往往要小于运动学意义上的最大空间。这是因为在可达空间中，手臂位姿不同时有效负载、允许达到的最大速度和最大加速度都不一样，在臂杆最大位置允许的极限值通常要比其他位置的小些。此外，在机器人的最大可达空间边界上可能存在自由度退化的问题，此时的位姿称为奇异位形，而且在奇异位形周围相当大的范围内都会出现自由度进化现象，这部分工作空间在机器人工作时都不能被利用。 3)除了在工作守闻边缘，实际应用中的工业机器人还可能由于受到机械结构的限制，在工作空间的内部也存在着臂端不能达到的区域，这就是常说的空洞或空腔。空腔是指在工作空间内臂端不能达到的完全封闭空间。而空洞是指在沿转轴周围全长上臂端都不能达到的空间。
(2)运动自由度是指机器人操作机在空间运动所需的变量数，用以表示机器人动作灵活程度的参数，一般是以沿轴线移动和绕轴线转动的独立运动的数目来表示。 自由物体在空间自六个自由度（三个转动自由度和三个移动自由度）。工业机器人往往是个开式连杆系，每个关节运动副只有一个自由度，因此通常机器人的自由度数目就等于其关节数。机器人的自由度数目越多，功能就越强。日前工业机器人通常具有4—6个自由度。当机器人的关节数（自由度）增加到对末端执行器的定向和定位不再起作用时，便出现了冗余自由度。冗余度的出现增加了机器人工作的灵活型，但也使控制变得更加复杂。 工业机器人在运动方式上，总可以分为直线运动（简记为P）和旋转运动（简记为R）两种，应用简记符号P和R可以表示操作机运动自由度的特点，如RPRR表示机器人操作机具有四个自由度，从基座开始到臂端，关节运动的方式依次为旋转-直线-旋转-旋转。此外，工业机器人的运动自由度还有运动范围的限制。 (3)有效负载(Payload) 有效负载是指机器人操作机在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作机的负荷能力。 机器人在不同位姿时，允许的最大可搬运质量是不同的，因此机器人的额定可搬运质量是指其臂杆在工作空间中任意位姿时腕关节端部都能搬运的最大质量。
第3章 工业机器人静力计算及动力学分析 章节题目：第3章 工业机器人静力计算及动力学分析 [教学内容] 3.1 工业机器人速度雅可比与速度分析 3.2 工业机器人力雅可比与静力计算 3.3 工业机器人动力学分析 [教学安排] 第3章安排6学时，其中介绍工业机器人速度雅可比45分钟，工业机器人速度分析45分钟，操作臂中的静力30分钟，机器人力雅可比30分钟，机器人静力计算的两类问题10分钟，拉格朗日方程20分钟，二自由度平面关节机器人动力学方程60分钟，关节空间和操作空间动力学30分钟。 通过多媒体课件结合板书的方式，采用课堂讲授和课堂讨论相结合的方法，首先讨论与机器人速度和静力有关的雅可比矩阵，然后介绍工业机器人的静力学问题和动力学问题。 [知识点及其基本要求] 1、工业机器人速度雅可比（掌握） 2、速度分析（掌握） 3、操作臂中的静力（掌握） 4、机器人力雅可比（掌握） 5、机器人静力计算的两类问题（了解） 6、拉格朗日方程（熟悉） 7、二自由度平面关节机器人动力学方程（理解） 8、关节空间和操作空间动力学（了解） [重点和难点] 重点：1、速度雅可比及速度分析 2、力雅可比 3、拉格朗日方程 4、二自由度平面关节机器人动力学方程 难点：1、关节空间和操作空间动力学 [教学法设计] 引入新课： 至今我们对工业机器人运动学方程还只局限于静态位置问题的讨论，还没有涉及力、速度、加速度等。机器人是一个多刚体系统，像刚体静力学平衡一样，整个机器人系统在外载荷和关节驱动力矩（驱动力）作用下将取得静力平衡；也像刚体在外力作用下发生运动变化一样，整个机器人系统在关节驱动力矩（驱动力）作用下将发生运动变化。 新课讲解： 第一次课 第三章 工业机器人静力计算及动力学分析 3-1 工业机器人速度雅可比与速度分析 一、工业机器人速度雅可比 假设有六个函数，每个函数有六个变量，即： ??? ???? ===),,,,,(),,,,,(),,,,,(654321666543212265432111x x x x x x f y x x x x x x f y x x x x x x f y ，可写成Y=F(X)，
1.1工业机器人的特点 工业机器人是一种通过重复编程和自动控制，能够完成制造过程中某些操作任务的多功能、多自由度的机电一体化自动机械装备和系统，它结合制造主机或生产线，可以组成单机或多机自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。 当前，工业机器人技术和产业迅速发展，在生产中应用日益广泛，已成为现代制造生产中重要的高度自动化装备。自20世纪60年代初第一代机器人在美国问世以来，工业机器人的研制和应用有了飞速的发展，工业机器人最显著的特点归纳有以下几个。 1.可编程 生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量、多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中，能发挥很好的功用，是柔性制造系统（FMS）中的一个重要组成部分。 2.拟人化 工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。 3.通用性 除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。 4.机电一体化 工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是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，这些都和微电子技术的应用，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，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。 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、具有较强的对作业环境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上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在
工业机器人在汽车制造业中的应用
工业机器人在汽车制造业中的应用 Application of industrial robo t in automobile manufacturing industry 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。 目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。工业机器人已成为柔性制造系统（FMS）、工厂自动化（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动工具。 我国工业机器人是从20世纪80年代开始起步，经过二十年余年的努力，已经形成了一些具有竞争力的工业机器人研究机构和企业。先后研发出弧焊、点焊、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。目前国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的0.56%，其中完全国产工业机器人（行业内规模比较大的前三家工业机器人企业）行业集中度占30%左右，其余都是从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进的。国产工业机器人目前主要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿以上。 工业机器人50%以上用在汽车领域，当前，工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。目前，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔，现已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救援等各种非制造行业。但汽车工业仍是工业机器人的主要应用领域。据了解，美国60%的工业机器人用于汽车生产；全世界用于汽车工业的工业机器人已经达到总用量的37%，用于汽车零部件的工业机器人约占24%。 在我国，工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术以及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。 焊接机器人在汽车制造业中发挥着不可替代的作用，焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。 目前，焊接工业机器人在一汽、上汽、沈阳中顺、金杯通用、重庆长安、湖南长丰等整车制造企业广泛应用，据统计每辆汽车车身上，大约有3000～4000个电阻点焊焊点，电阻点焊技术的应用实现了汽车车身制造的量产化与自动化。 多年来，我国汽车零部件生产一直是手工焊、专机焊占据焊接生产的主导地位，劳动强度大，作业环境恶劣，焊接质量不易保证，而且生产的柔性也很差，无法适应现代汽车生产的需要。近年来由于焊接机器人的大量应用，提高了零部件生产的自动化水平及生产效率，同时使生产更具有柔性，焊接质量也
各类型机器人特点汇总 各种机器人的特点及应用简介 一机器人的定义及分类： 机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。机器人学涉及到机器人结构，机器人视觉，机器人运动规划，机器人传感器，机器人通讯和人工智能等许多方面，不同用处的机器人涉及到不同的学科，下面仅对这些机器人的结构和应用进行简单介绍： 二关节型机器人 关节型机器人的结构类同人的手臂，由几个转动轴，摆动轴和手爪等6~7个自由度组成。生产厂家主要有德国Manutec公司，德国KUKA，德国REIS,日本Motorman,日本Yaskawa 和沈阳新松等。关节型机器人的转动轴和摆动轴主要用伺服电机配几乎没有反向间隙的精密减速机或直驱力矩电机驱动，而其控制系统其难度也很大。各个厂家的关节型机器人其结构类同，主要差别在技术参数,下面以德国Manutec公司的关节型机器人为例介绍。 图1是Manutec公司型号为r15-30的6 自由度通用关节机器人，额定负载30公斤，最大可达到75 公斤，工作半径1.3 米，重复定位精度小于0.04 mm ，点到点的最大运行速度高达5.9 m/s，加速度高达23 m/s2和工作寿命20 年。可以坐立式安装，可以是掉挂式安装，也可以与水平面小于30度角的斜式安装，不影响其各项技术指标。r15可以选配防爆式的，也可以选配一级洁净式等。 r15-30主要特点是强度大刚性好和重复定位精度高，主要应用领域是其它厂家的关节型机器人由于刚性和精度不够无法应用的领域，而用5 轴加工中心成本太高或无法胜任的工作。如磨齿，异形铣削，壳（腔）内部铣削，磨，抛，切割和焊接等。 在手爪末端可以配力传感器，来加工异形表面（如铣削，磨和抛）。一个机器人也可以与双工作台及各种的双旋转轴协调同步运动。也可以是两个机器人协调同步工作，如一台机器人抓取工件，而令一台机器人对该工件进行加工，两台机器人同步协调完成特定的加工轨迹。其它厂家的关节机器人主要应用在汽车焊接和装配等任务中。关节型机器人的优点是可以从不同角度不同方位来工作，速度快，工作效率高。但主要缺点是工作半径小，负载小，价格高，应用难度大和维护费用高。 作为关节机器人的简化型机器人SCARA就是两个摆动轴和一个上下运动轴，其特点是简单，经济，适合工作空间小，负载小、高速搬运。但它的价位高于直角坐标机器人，应用行业和数量非常小。 三特种机器人 移动机器人就是能自主移动或上下楼梯的电动车，主要用于生产现场货物的自主运输和排险作业，或进入有污染和放射的环境内取样及监视等。还有一些移动机器人就是仿造一些动物，用腿和爪行走路的行走机器人，如美国的军用狗，还处于适用阶段。水下机器人与潜艇能自主潜入水下完成对海上钻井平台的水下建筑、发电站的水下闸门、海底打捞等工程的录像和监控。洁净式机器人主要是穿上防护衣的关节型机器人，使其自身有良好的密封性，不把灰尘带入工作现场，自身也不会产生灰尘，他们主要应用于电子器件，食品和药品等生产中。国际对洁净机器人的洁净度有明确的定义。军用机器人主要是小型移动车，遥控飞机或电子
《工业机器人》 一、填空题 1、按坐标形式分类，机器人可分为直角坐标型、圆柱坐标 型、球坐标型 和关节坐标型四种基本类型。 2、作为一个机器人，一般由三个部分组成，分别是控制系统、传感系统和机械系统。 3、机器人主要技术参数一般有自由度、定位精度、工作范围、重复定位精度、分辨率、承载能力及最大速度等。 4、自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的的数 目，不包括末端操作器的开合自由度。 5、机器人分辨率分为编程分辨率和控制分辨率，统称为系统分辨率。 6、重复定位精度是关于精度的统计数据。 7、根据真空产生的原理真空式吸盘可分为真空吸盘、气流负压吸盘和 挤气负压吸盘等三种基本类型。 8、机器人运动轨迹的生成方式有示教再现运动、关节空间运动、空间直线运动和空间曲线运动。 9、机器人传感器的主要性能指标有灵敏度、线性度、测量范围、重复性、精度、分辨率、响应时间和抗干扰能力等。 10、自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。 11、机器人的重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令下，机器人连续重复运动若干次时，其位置分散情况。12、机器人的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种。 13、机器人上常用的可以测量转速的传感器有测速发电机和增量式码盘。
14、机器人控制系统按其控制方式可以分为力控制方式、轨迹 控制方式和示教控制方式。 15、按几何结构分划分机器人分为：串联机器人、并联机器人。 二、单项选择题(请在每小题的四个备选答案中，选出一个最佳答案。) 1、工作范围是指机器人 B 或手腕中心所能到达的点的集合。 A 机械手 B 手臂末端 C 手臂 D 行走部分。 2、机器人的精度主要依存于 C 、控制算法误差与分辨率系统误差。 A传动误差 B 关节间隙 C机械误差 D 连杆机构的挠性 3、滚转能实现360°无障碍旋转的关节运动，通常用 A 来标记。 A R B W C B D L 4、RRR型手腕是 C 自由度手腕。 A 1 B 2 C 3 D 4 5、真空吸盘要求工件表面 D 、干燥清洁，同时气密性好。 A 粗糙 B 凸凹不平 C 平缓突起 D平整光滑 6、同步带传动属于 B 传动，适合于在电动机和高速比减速器之间使用。 A 高惯性 B 低惯性 C 高速比 D 大转矩 7、机器人外部传感器不包括 D 传感器。 A 力或力矩 B 接近觉 C 触觉 D 位置 8、手爪的主要功能是抓住工件、握持工件和 C 工件。 A 固定 B 定位 C 释放 D 触摸。 9、机器人的精度主要依存于 C 、控制算法误差与分辨率系统误差。 A传动误差 B 关节间隙 C机械误差 D 连杆机构的挠性 10、机器人的控制方式分为点位控制和 C 。 A 点对点控制 B点到点控制 C 连续轨迹控制 D 任意位置控制 11、焊接机器人的焊接作业主要包括 A 。 A 点焊和弧焊 B 间断焊和连续焊 C 平焊和竖焊 D气体保护焊和氩弧焊 12、作业路径通常用 D 坐标系相对于工件坐标系的运动来描述。 A 手爪 B 固定 C 运动 D工具 13、谐波传动的缺点是 A 。
机器人的结构形式及各类结构的特点 摘要：如今机器人已被广泛应用于机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业，不同领域因其需要的多样性和特殊性，也导致机器人在结构形式上存在多样性和特殊性。 关键字：结构形式，结构坐标系 2011302590173 刘亚辉 遥感信息工程学院
一、引言 机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。机器人学涉及到机器人结构，机器人视觉，机器人运动规划，机器人传感器，机器人通讯和人工智能等许多方面，不同用处的机器人涉及到不同的学科，下面仅对这些机器人的结构和应用进行简单介绍。 机器人按照结构坐标系特点方式分类可分为：直角坐标机器人，圆柱坐标型机器人，极坐标机器人，多关节机器人等。 机器人按照机身结构特点可分为：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人机器人机身结构等。 二、各种结构坐标系 1、直角坐标系机器人 直角坐标型机器人结构如图所示，它主要是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。 直角坐标型机械手可以在三个互相垂直的方向上作直线伸缩运动，这类机械手各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但占地面积大，限于特定的应用场合，有较多的局限性。 2、圆柱坐标机器人 圆柱坐标型机器人的结构如下图所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果机器人手臂的径向坐标R保持不变，机器人手臂的运动将形成一个圆柱表面。
工业机器人常见五大应用领域及关键技术 去年全球工业机器人销量达到24万台，同比增长8%。其中，我国工业机器人市场销量超过6.6万台，继续保持全球第一大工业机器人市场的地位。但是，按机器人密度来看，即每万名员工对应的机器人保有量，我国不足30台，远低于全球约为50多台的平均水平。 前瞻产业研究院《2016-2021年中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》数据显示：2015年我国工业机器人产量为32996台，同比增长21.7%。2016年机器人产业将继续保持快速增长，今年一季度我国工业机器人产量为11497台，同比增长19.9%。此外，数据显示，2015年我国自主品牌工业机器人生产销售达22257台，同比增长31.3%。国产自主品牌得到了一定程度的发展，但与发达国家相比，仍有一定差距。 2016年未来全球工业机器人市场趋势包括：大国政策主导，促使工业与服务机器人市场增长；汽车工业仍为工业机器人主要用户；双臂协力型机器人为工业机器人市场新亮点。 一、什么是工业机器人 工业机器人是一种通过重复编程和自动控制，能够完成制造过程中某些操作任务的多功能、多自由度的机电一体化自动机械装备和系统，它结合制造主机或生产线，可以组成单机或多机自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。 当前，工业机器人技术和产业迅速发展，在生产中应用日益广泛，已成为现代制造生产中重要的高度自动化装备。
二、工业机器人的特点 自20世纪60年代初第一代机器人在美国问世以来，工业机器人的研制和应用有了飞速的发展，但工业机器人最显著的特点归纳有以下几个。 1.可编程。生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（ＦＭＳ）中的一个重要组成部分。 2.拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。 3.通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。 4.机电一体化。工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是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，这些都和微电子技术的应用，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，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。 三、工业机器人常见的五大应用领域 1.机械加工应用（2%） 机械加工行业机器人应用量并不高，只占了2%，原因大概也是因为市面上有许多
机器人都有哪些定义不同特征？ 其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。 1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（Android），它由4部分组成： 1，生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）； 2，造型解质（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）； 3，人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）； 4，人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。 1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一
词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。 但是机器人不知道如何制造它们自己，认为它们自己很快就会灭绝，所以它们开始寻找人类的幸存者，但没有结果。最后，一对感知能力优于其它机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类，世界又起死回生了。 卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。 为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫（Isaac.Asimov）于1940年提出了“机器人三原则”： 1，机器人不应伤害人类； 2，机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
【盘点】工业机器人技术性能特点 目前，中国工业机器人的使用主要集中在汽车工业和电子电气工业，弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人等在生产中被大量采用。下面我们将从技术角度，谈谈工业机器人当前的优劣势。这里就涉及到今天我们要谈到的话题工业机器人技术性能特点！ 1.工业机器人技术性能特点智能性 之所以将智能型放在最后一点，因为相对现在市场对机器人的主流需求（即强，快，准），它暂时还不是最迫切的。这也体现了传统工业机器人的优势（任劳任怨，保质保量，是个干活的好手）和不足（但很笨，老得让人教）。 但不代表智能型不重要，相反企业已经开始做技术投资了。比如怎么让机器人更好的理解人的指挥意图，相对自主的去理解并规划任务，而不需一个点一个点得让人告诉它怎么走;如何让机器人在外围环境发生变化下（光线变暗影响图像识别，传送带上物品有损坏需要特殊处理）自动适应;如何通过触觉视觉听觉等感知判断零部件的装配质量，等等。 2.工业机器人技术性能特点机电性能 工业机器人普遍能达到低于0.1毫米的运动精度（指重复运动到点精度），抓取重达一吨的物体，伸展也可达三四米。这样的性能虽不一定能轻易完成苹果手机上一些疯狂的加工要求，但对绝大部分的工业应用来说，是足以圆满完成任务。随着机器人的性能逐渐提升，以前一些不可能的任务也变得可行起来（如激光焊接或切割，曾需要专门的高精度设备来指导激光的走向，但随着机器人精度的提升，现在也变得可依赖机器人本身的准确运动来代替了）。 但相比传统高端设备，如高精度数控机床，激光校准设备，或特殊环境（高温或特低温）设备等，工业机器人尚力不能及。 3.工业机器人技术性能特点人机合作 传统的工业机器人是关在笼子里工作的，因为它实在危险（想象一个抓着几十或几百公斤的家伙以四米每秒的速度甩着，谁也不想靠近吧）。主要原因是一般机器人，基于成本与
10.16638/https://www.doczj.com/doc/206667464.html,ki.1671-7988.2017.03.018 工业机器人在汽车制造领域的应用 金嘉琦，徐振伟，朱力勇，马佰胜，刘畅 （沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870） 摘要：随着机器人的不断发展和技术水平日臻成熟，越来越多的渗透到各个领域，尤其是在汽车生产制造的工艺中起到重要作用。汽车工业的发展，在一定程度上反映了一个国家的制造业水平。所以在介绍工业机器人系统组成的基础上，对机器人在汽车制造中的应用进行分析，对提高汽车制造水大有裨益。 关键词：工业机器人；汽车制造；汽车车身 中图分类号：TP278 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2017)03-46-02 The Application of Industrial Robots in Automobile Manufacturing Jin Jiaqi, Xu Zhenwei, Zhu Liyong, Ma Baisheng, Liu Chang ( School of mechanical engineering, Shenyang University of Technology, Liaoning Shenyang 110807 ) Abstract: With the continuous development of robots and the technical level has matured, more and more penetration into all fields, especially in the automobile manufacturing process plays an important role. The development of the automobile industry, to a certain extent, reflects the level of a country's manufacturing industry. So in the introduction of the composition of industrial robots on the basis of the robot in the automotive manufacturing applications in the analysis of the automobile manufacturing water to improve the great benefit. Key words: industrial robots; automobile manufacturing; car body CLC NO.: TP278 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2017)03-46-02 前言 机器人是集合了机械、电气、电子、计算机、控制、传感器、人工智能等多门科学的适用于现代化制造的综合型自动化装备。现阶段，工业机器人发展异常迅速，技术也非常成熟，已应用到汽车生产、航空航天、金属加工、电子电气、矿山开采等多个工业领域，可以实现代替涵盖如焊接、搬运、码垛、喷涂、装配、检测等多方位的人工作业功能。 在工业机器人所有应用领域中，汽车行业机器人的应用占到整体市场份额的60%以上。随着“中国制造2025”战略规划的提出，对工业机器人及其应用领域的发展提出了更高的要求。所以深入了解工业机器人的结构功能以及在汽车制造中的应用情况，对汽车行业的发展起着至关重要的作用。1、工业机器人概述 1.1 工业机器人的系统组成 标准工业机器人（以KUKA机器人为例）由以下三部分组成： 图1 工业机器人组成部分 （1）机械手即机器人本体。机械手是机器人的机械系统主体。它是由六个活动的、相互连接在一起的关节（轴）组成的，也称为六轴机器人。各个轴的运动通过伺服电机来进 作者简介：徐振伟（1989-），男，就读于沈阳工业大学，研究方向：工业机器人技术。
认识工业机器人 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多种学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。而且，机器人应用情况是反映一个国家工业自动化水平的重要标志。本次任务的主要内容就是了解工业机器人的现状和发展趋势；通过现场参观，认识工业机器人相关企业；现场观摩或在技术人员的指导下操作ABB工业机器人，了解其基本组成。 一、工业机器人的定义及特点 1.工业机器人的定义 国际上对机器人的定义有很多。 美国机器人协会（RIA）将工业机器人定义为：“工业机器人是用来进行搬运材料、零部件、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。” 日本工业机器人协会（JIRA）将工业机器人定义为：“工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。” 在我国1989年的国际草案中，工业机器人被定义为：“一种自动定位控制，可重复编程、多功能的、多自由度的操作机。操作机被定义为：具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓取物体或进行其他操作的机械装置。” 国际标准化组织（ISO）曾于1984年将工业机器人定义为：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程的操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。” 2.工业机器人的特点 （1）可编程
生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量、多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。 （2）拟人化 工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语音功能传感器等。 （3）通用性 除了专门设计的专用的工业机器人外，一般机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。例如，更换工业机器人手部末端执行器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。 （4）机电一体化 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，这些都是微电子技术的应用，特别是与计算机技术的应用密切相关。工业机器人与自动化成套技术，集中并融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括工业机器人控制技术、机器人动力学及仿真、机器人构建有限元分析、激光加工技术、模块化程序设计、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。 二、工业机器人的历史和发展趋势 1. 工业机器人的诞生 “机器人”（Robot）这一术语是1921年捷克著名剧作家、科幻文学家、童话寓言家卡雷尔·恰佩克首创的，它成了“机器人”的起源，此后一直沿用至今。不过，人类对于机器人的梦想却已延续数千年之久。如古希腊古罗马神话中冶炼之神用黄金打造的机械仆人、希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯、犹太传说中的泥土巨人、我国西周时代能歌善舞的木偶“倡者”和三国时期诸葛亮的“木牛流马”传说等。而到了现代，人类对于机器人的向往，从机器人频繁出现在科幻小说和电影中已不难看出，科技的进步让机器人不仅停留在科幻故事
总评成绩：《机器人应用技术》实验报告 专业：机电一体化 班级：机电141班 学号：140212107 姓名：刘宗成 河南工学院 机电工程系
实验一工业机器人机械结构 实验目的：1、认识机器人的基本结构和组成 2、熟悉工业机器人基本工作原理 3、了解工业机器人技术参数 实验原理： 六自由度机械手本体结构图 实验器材：1、FANUC M-6i六自由度机械手二台 2、FANUC M-6iB六自由度机械手一台 3、ABB IRB-2400六自由度机械手一台 4、实验设备使用说明书各一本 实验步骤：1、学习ABB和FANUC六自由度机械手基本构成控制柜与机械本体 2、学习六自由度机械手本体各关节的作用 3、学习六自由度机械手本体中定位关节与姿态关节 4、学习六自由度机械手本体各关节驱动机构与传动机构 5、学习典型工业机器人机械本体质量分布，以及各关节中质量平衡和力矩平衡 6、学习六自由度机械手各关节运动范围及运动速度控制 7、学习工业机器人重复定位精度的定义，并且了解相应机器人的重复定位精度 8、学习工业机器人最大负载 9、学习工业机器人最大运动范围 实验报告：课后每位同学按照要求完成实验报告。 思考题：1、画出六自由度机械手的结构简图 2、分析各关节机械手臂的运动范围 注意事项：1、实验开始之前认真学习工业机器人机械本体结构。 2、实验过程认真阅读实验设备说明书。
实验报告
实验二 机器人运动学实验 实验目的：1、了解四自由机械臂的开链结构 2、掌握机械臂运动关节之间的坐标变换原理 3、学会机器人运动方程的正反解方法 实验原理： 机器人运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度或位移，求解计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程）为 ： 432140 A A A A T ==????? ???????10 00 z z z z y y y y x x x x p a o n p a o n p a o n 其中：z 向矢量处于手爪入物体的方向上，称之为接近矢量a ，y 向矢量的方向从一个 指尖指向另一个指尖，处于规定手爪方向上，称为方向矢量o ；最后一个矢量叫法线矢量n ， 它与矢量o 和矢量a 一起构成一个右手矢量集合，并由矢量的叉乘所规定：a o n ?=。 上式表示了机器人变换矩阵40T ，它描述了末端连杆坐标系{4}相对基坐标系{0}的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。 实验器材： 1、RBT-4T03S 机器人一台； 2、RBT-4T03S 机器人控制柜一台； 3、装有运动控制卡和控制软件的计算机一台。 实验步骤： 1、 根据机器人坐标系的建立中得出的A 矩阵，相乘后得到T 矩阵，根据一一对应的关系，写出机器人正解的运算公式，并填入表6-1中； 表6-1机器人的正运动学的参数
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势