《工业机器人》结课论文

transfer”中，首次提成“示教再现机器人的概念”。1958年，“工业机器人之父”Joseph F. Engel Berger 创建了世界上第一个机器人公司，并参加设计了第一台Unimate机器人。1970年在伊利诺斯工学院召开了全美第一届工业机器人会议，此时的美国已经有200余台工业机器人工作在自动化生产线上了。

日本机器人的发展则经过了20世纪60年代的摇篮曲、70年代的实用化时期、80年代的普及、提高期三个阶段。1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国AMF公司引进了Versatran机器人。1968年，日本川琦重公业公司又从美国Unimation 公司引进Unimation 机器人，1970年实现了国产化。从此日本进入了开发和运用机器人技术的时期。几年后，美国反而要从日本进口机器人。1983年，美国从日本进口的机器人达到进口机器人的78%.日本的工业机器人制造技术现在依然处于领先水平，日本的专业和业余机器人爱好者的比例也为世界之首。

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过20多年的发展，大致可以分为三个阶段：70年代的萌芽期、80年代的开发期、90年代的适用化期。目前，我国研制的工业机器人已经达到工业运用水平，国家也对工业机器人的发展很重视，越来越多的企业和科研人员投入到机器人的开发和研究中。

随着人工智能技术、计算机技术及先进制造业技术的飞速发展，机器人在技术层次和功能上也有了很大的提高，移动机器人（水下游泳机器人、飞行机器人）和机器人的视觉和触觉等就是先进技术的代表。当前，与信息技术的融合和交互产生了“软件机器人”“网络机器人”，这些充分说明了机器人技术始终代表最流行最前沿的技术。

二： 工业机器人的基本组成及技术参数 2.1 工业机器人的基本组成

工业机器人由六个子系统三大部分组成。三大部分是：传感部分、控制部分、机械部分。六个子系统是：机械结构系统、感受系统、驱动系统、机器人-环境交互系统、控制系统、人机交互系统，如图1.21所示。六个子系统的作用分述如下：

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图1.21 机器人系统组成 （1） 机械结构系统

工业机器人的机械结构系统由手臂、手腕、末端操作器、机身四大件组成，每一大件都有若干自由度，构成了一个多自由度的机械系统。手臂一般由手腕、上臂、下臂组成。末端操作器是直接装在手腕上的重要部件，可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。 （2） 感受系统

感受系统由内部传感器和外部传感器组成，获取有意义的内部和外部信息。也可以运用智能传感器提高机器人的机动性、智能化的水平和适应性。人类的感受系统对感知外部世界信息极其灵敏。而对于一些特殊信息机器人的传感器比人类的感受系统更有效、更准确。 （3） 驱动系统

使机器人运行起来需要各个关节安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是气压、液压或电动的，也可以是把它们结合一起应用的综合系统。可以是直接驱动或者通过同步带、轮系、链条、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。 （4） 机器人-环境交互系统

机器人环境交互系统实现了工业机器人与外部环境中的设备互相联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元。当然也可以是多台机器人、多个零件存储装置、多台机床或设备等集成一个去执行复杂任务的功能单元。 （5） 控制系统

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控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的功能和运动。 （6） 人机交互系统

人机交互系统是使操作人员参与机器人交互进行的装置，可分为两大类：信息显示装置，如显示器等；指令给定装置，如示教盒、触摸屏等。

2.2 工业机器人的技术参数

工业机器人的技术参数是各工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据，也是工业机器人性能的主要表现。工业机器人的主要技术参数一般应包括自由度、工作范围、重复定位精度、最大工作速度、承受能力等

自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。从运动学的观点，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人叫做冗余自由度机器人。冗余自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善动力性能。无论工业机器人的自由度有多少，在运动形式上分直线运动（P）和旋转运动（R），如RPRR表示有四个运动自由度，从基座到臂端，关节的运动方式旋转-直线-旋转-旋转。

工作范围是机器人手臂末端或者手腕中心所能到达的所有点的集合。工作范围的大小和形状是很重要的，机器人在执行作业时可能会因为作业死区（手部不能到达）而不能完成任务。

工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度指机器人手部实际到达位置同目标位置的差异。重复定位精度是机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力。

工业机器人的速度和加速度是衡量机器人运动特性的主要指标。

承载能力指机器人在工作范围内所能承受的最大质量。承载能力既取决于负载的质量，也跟机器人运行速度和加速度的大小和方向有关。

三： 工业机器人的控制 3.1 工业机器人控制基础

工业机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础上发展起来的，因此两者之间十分相似，但工业机器人控制系统也有许多特殊之处。其特点如下： （1）工业机器人有若干关节，典型工业机器人有五到六个关节，每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作。

（2）工业机器人的工作任务是要求操作机的手部进行空间点位运动或连续轨迹运动，对工业机器人的运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数

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的逆运算。

（3）工业机器人的数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，各变量之间还存在着耦合，因此工业机器人的控制中经常使用前馈、补偿、解耦和自适应等复杂控制技术。

（4）较高级的工业机器人要求对环境条件、控制指令进行测定和分析，采用计算机建立庞大的信息库，用人工智能的方法进行控制、决策、管理和操作，按照给定的要求，自动选择最佳控制规律。

总而言之机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、非线性的、耦合的多变量控制系统。

3.2 工业机器人的驱动器

驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，从而机器人各关节工作的装置，驱动器一般有步进电机驱动器、气压驱动器、液压驱动器、直流电机驱动器、交流电机驱动器，还有一些特殊的新型驱动器。

步进电机驱动器是一种将输入脉冲信号转换成相应角位移的旋转电机，能实习高精度的角度控制。步进电机驱动器可以对数字信号直接进行控制，所以能够很容易地与微型计算机相连接，是位置控制中不可或缺的执行装置。步进电机无需反馈控制，电路简单，可以用微型计算机控制，停止时能保持转矩，维护简单，但工作效率低，有时出现振荡现象，容易引起失步。

气压驱动器是把压缩的空气的能量转变成直线、旋转或者摆动等运动来驱动机械做功。气动驱动器结构简单、价格便宜且体积小；对使用环境无特殊要求；力和运动转换简单，维护简单，组成系统容易。

液压驱动器可以把液压能转化成直线运动、旋转运动或摆动运动的机械能，从而带动机械做功的装置。

直流电机驱动器。我们知道使用直流电源的电机叫做直流电机。直流电机使用简单，只要把直流电机的端连接到直流电源上就可以运转。直流电机是一种具有优良控制特性的电机。

交流伺服电机的最大特点就是免维护，交流伺服电机没有直流伺服电机的机械接触部分，因此可以免维护。

新型驱动器随着材料科学和制造技术的发展会越来越多，这些驱动器有的已经运用于机器人，例如超声波驱动器、形状记忆金属驱动器、磁致伸缩驱动器、静电驱动器。

四： 工业机器人的传感器

4.1 工业机器人传感器的分类及要求

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