(完整版)工业机器人基础

《工业机器人技术基础》课程标准1. 课程性质和任务课程性质：《工业机器人技术基础》是工业机器人技术专业课程体系中的职业基础课程之一, 是一门多学科的综合性技术，它涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多学科的内容，是学生职业发展中第一门与工业机器人直接关联的基础课程。

是在科学分析确定学院办学定位、明确我院工业机器人技术专业发展方向的前提下，通过对工业机器人技术职业与职业岗位进行整体化的调研与分析形成的一门具有很强的综合性的专业基础课程。

课程任务：主要是引导学生通过对工业机器人本体的认知，掌握工业机器人运动系统设计方法，具有进行总体设计的能力；掌握工业机器人整体性能、主要部件性能的分析方法：掌握工业机器人常用的控制理论与方法，具有进行工业机器人控制系统设汁的能力；了解工业机器人的新理论，新方法及发展趋向。

掌握工业机器人的一般知识和基本技能，培养学生专业能力及职业能力，为他们走上工业机器人生产第一线的工作岗位做好准备。

2. 学习领域描述工业机器人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，其集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，是工业自动化水平的最髙体现。

任何从事工业机器人相关岗位的员工，都有必要预先系统地了解掌握工业机器人的相关知识，包括工业机器人的分类、组成，结构，性能参数，控制技术，传感系统以及典型应用等等，才能够妥善的应对自身职业体系中可能出现的各种问题。

模拟企业新员工的认知流程，学生以小组或独立的工作方式，结合工业机器人认知实训设备, 对上述技术要点进行系统的接触、分析、了解和掌握。

3. 先修课程和后续课程先修课程：《电路与电工技术》、《机械制图与CAD》后续课程：《工业机器人拆装与维护》、《工业机器人离线编程》、《工业机器人操作与编程》4. 课程目标掌握工业机器人的工作原理和结构知识，掌握六自由度工业机器人的特点及苴相关参数知识，能使学生掌握机器人机构设汁、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论。

机器人的定义机器人的定义美国国家标准局（NBS ）的定义：“机器人是一种机器人是一种 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”。

国际标准化组织(ISO)的定义：“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，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。

”机器人具有以下特性：机器人具有以下特性：（1）一种机械电子装置；）一种机械电子装置；（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；）动作具有类似于人或其他生物体的功能；（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。

）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。

机器人的分类机器人的分类按照日本工业机器人学会（JIRA ）的标准，可将机器人分为六类：）的标准，可将机器人分为六类：第一类：人工操作机器人。

由操作员操作的多自由度装置；第一类：人工操作机器人。

由操作员操作的多自由度装置；第二类：固定顺序机器人。

按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，其执行顺序难其执行顺序难以修改；以修改；第三类：可变顺序机器人。

同第二类，但其顺序易于修改。

第三类：可变顺序机器人。

同第二类，但其顺序易于修改。

第四类：示教再现（playback ）机器人。

操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。

并由机器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。

第五类：数控机器人。

操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。

第五类：数控机器人。

操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。

第六类：智能机器人。

机器人具有感知外部环境的能力，第六类：智能机器人。

1．工业机器人技术及关键基础部件（1）机器人关键基础部件定义、分类及市场占有率；机器人关键基础部件是指构成机器人传动系统，控制系统和人机交互系统，对机器人性能起到关键影响作用，并具有通用性和模块化的部件单元。

机器人关键基础部件主要分成以下三部分：高精度机器人减速机，高性能交直流伺服电机和驱动器，高性能机器人控制器等。

目前在高精度机器人减速机方面，市场份额的75%均两家日本减速机公司垄断，分别为提供RV摆线针轮减速机的日本Nabtesco和提供高性能谐波减速机的日本Harmonic Drive.包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在内国际主流机器人厂商的减速机均由以上两家公司提供，与国内机器人公司选择的通用机型有所不同的是，国际主流机器人厂商均与上述两家公司签订了战略合作关系，提供的产品大部分为在通用机型基础上根据各厂商的特殊要求进行改进后的专用型号。

国内在高精度摆线针轮减速机方面研究起步较晚，仅在部分院校，研究所有过相关研究。

目前尚无成熟产品应用于工业机器人。

近年来国内部分厂商和院校开始致力高精度摆线针轮减速机的国产化和产业化研究，如浙江恒丰泰，重庆大学机械传动国家重点实验室，天津减速机厂，秦川机床厂，大连铁道学院等。

在谐波减速机方面，国内已有可替代产品，如北京中技克美，北京谐波传动所，但是相应产品在输入转速，扭转高度，传动精度和效率方面与日本产品还存在不小的差距，在工业机器人上的成熟应用还刚刚起步。

在伺服电机和驱动方面，目前欧系机器人的驱动部分主要由伦茨，Lust，博世力士乐等公司提供，这些欧系电机及驱动部件过载能力，动态响应好，驱动器开放性强，且具有总线接口，但是价格昂贵。

而日系品牌工业机器人关键部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其价格相对降低，但是动态响应能力较差，开放性较差，且大部分只具备模拟量和脉冲控制方式。

国内近年来也开展了大功率交流永磁同步电机及驱动部分基础研究和产业化，如哈尔滨工业大学，北京和利时，广州数控等单位，并且具备了一点的生产能力，但是其动态性能，开放性和可靠性还需要更多的实际机器人项目应用进行验证。

《工业机器人基础》课程标准一、适用对象中等职业学校机器人应用与维护专业（三年制）学生。

二、适用专业机器人应用与维护专业三、课程性质本课程是机器人应用与维护专业的专业核心课。

本课程是依据中等职业学校机器人应用与维护专业人才培养目标和相关职业岗位（群）的能力要求而设置的，对本专业所面向的机器人安装调试员、机器人编程员等岗位群所需要的知识、技能和素质目标的达成起支撑作用。

在课程设置上，它是承上启下的核心课程，非常重要，前面课程有电工技术基础与应用、机械基础和低压电器控制与应用，后续课程有机器人操作与编程、机器人系统集成运维等。

四、课程目标总体目标本课程主要介绍、讲解工业机器人本体结构组成、主要部件的控制原理和性能、工业机器人整体性能、工业机器人技术的发展趋向等内容。

其中重点讲解工业机器人本体结构组成、主要部件的控制原理，通过课程的学习使学生掌握工业机器人的基础知识和基本技能、掌握工业机器人运动系统、控制系统的设计方法，能使用示教器操作工业机器人完成简单动作。

1.知识目标（1）了解机器人的产生与发展、组成与技术参数；（2）掌握机器人分类与应用，对各类机器人有较系统地完整认识；（3）了解工业机器人的组成与性能；（4）熟悉工业机器人本体的组成部分；（5）了解机器人控制系统的构成；（6）了解工业机器人的编程语言和编程特点；（7）熟悉工业机器人示教器的基本操作；（8）熟悉机器人基本的故障排除。

2.技能目标（1）理解能力；能够熟悉机器人本体，示教器和控制柜之间的关系；外部设备与机器人控制系统的关联；识读机械零部件装配图；（2）操作能力：规范使用工量具；能够使用拆装工具完成机器人本体的机械拆装；使用机器人示教器编辑机器人程序，并完成调试，实现机器人运动；（3）表达能力：能够表达出机器人系统组成部件、本体零件等专业名称；（4）逻辑能力：理解机器人系统的接线图；能够根据机器人的目标动作，完成基本程序的编辑，并了解程序中的含义。

0.1 简述工业机器人的定义，说明机器人的主要特征。

答：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具、或专用装置，通过可编程动作来执行种种任务并具有编程能力的多功能机械手。

1.机器人的动作结构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能。

2.机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变。

3.机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等。

4.机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。

0.2工业机器人与数控机床有什么区别？答：1.机器人的运动为开式运动链而数控机床为闭式运动链；2.工业机器人一般具有多关节，数控机床一般无关节且均为直角坐标系统；3.工业机器人是用于工业中各种作业的自动化机器而数控机床应用于冷加工。

4.机器人灵活性好，数控机床灵活性差。

0.5简述下面几个术语的含义：自有度、重复定位精度、工作范围、工作速度、承载能力。

答：自由度是机器人所具有的独立坐标运动的数目，不包括手爪（末端执行器）的开合自由度。

重复定位精度是关于精度的统计数据，指机器人重复到达某一确定位置准确的概率，是重复同一位置的范围，可以用各次不同位置平均值的偏差来表示。

工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。

工作速度一般指最大工作速度，可以是指自由度上最大的稳定速度，也可以定义为手臂末端最大的合成速度（通常在技术参数中加以说明）。

承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。

0.6什么叫冗余自由度机器人？答：从运动学的观点看，完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人称为冗余自由度机器人。

0.7题0.7图所示为二自由度平面关节型机器人机械手，图中L1=2L2，关节的转角范围是0゜≤θ1≤180゜,-90゜≤θ2≤180゜,画出该机械手的工作范围（画图时可以设L2=3cm）。

1.1 点矢量v 为]00.3000.2000.10[T ，相对参考系作如下齐次坐标变换：A=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--10000.9000.1000.0000.00.3000.0866.0500.00.11000.0500.0866.0 写出变换后点矢量v 的表达式，并说明是什么性质的变换，写出旋转算子Rot 及平移算子Trans 。