模块1 工业机器人认知.pptx

工业机器人技术基础工业机器人技术基础模块一工业机器人认知工业机器人是在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。目 录单元1工业机器人概述单元2工业机器人的分类单元3工业机器人的性能参数单元1工业机器人概述单元1工业机器人概述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，如图111所示。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。一、工业机器人的定义单元1工业机器人概述美国机器人协会（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。一、工业机器人的定义单元1工业机器人概述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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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”，如图112所示。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”。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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KawasakiUnimate 2000机器人（如图113所示），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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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，如图114所示。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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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，如图115所示。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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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（图116），这标志着工业机器人技术已经完全成熟。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述1984年，瑞典ABB公司生产出当时速度最快的装配机器人IRB1000（图117），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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述1992年，瑞典ABB公司推出开放式控制系统S4（图118）。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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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（图119）。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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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（图1110）。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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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。二、工业机器人的发展史单元1工业机器人概述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。三、工业机器人的特点单元1工业机器人概述工业机器人最显著的特点有以下几个：（一）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进行再编程，因此在小批量、多品种、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重要组成部分。（二）拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转动作，具有类似大臂、小臂、手腕、手爪的部分，由电脑控制。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应用环境的适应能力。（三）通用性除了专门设计的专用工业机器人外，一般工业机器人在执行不同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。三、工业机器人的特点单元1工业机器人概述四、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工业机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高质量、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。三、工业机器人的特点单元1工业机器人概述（二）技术升级的趋势工业机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械和计算机之后出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。（三）应用领域广泛工业机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。（四）技术综合性强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、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。三、工业机器人的特点目 录单元1工业机器人概述单元2工业机器人的分类单元3工业机器人的性能参数单元2工业机器人的分类单元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。单元2工业机器人的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是开式运动链，由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联而成，并没有形成封闭的结构链。关节由驱动器驱动，关节的相对运动再驱动连杆运动，使手爪实现一定的位姿，如图121所示。对串联式机器人而言，一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，比如六轴工业机器人。一、按机械结构分类单元2工业机器人的分类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。一、按机械结构分类单元2工业机器人的分类（二）并联式机器人并联式机器人可以定义为：动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构，如图122所示。并联式机器人一个轴的运动不影响另一个轴的坐标原点，如delta机器人。一、按机械结构分类单元2工业机器人的分类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。一、按机械结构分类单元2工业机器人的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）柱坐标机器人如果水平臂或杆架安装在一垂直柱上，而该柱又安装在一个旋转基座上，这种结构可称为柱坐标机器人。如图123所示，柱坐标机器人具有一个回转和两个平移自由度，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、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（二）球坐标机器人球坐标机器人的空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定。由于机械和驱动连线的限制，球坐标机器人的工作范围是球体的一部分，如图124所示。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。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（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。在结构上，笛卡尔坐标机器人又分为悬臂式和门型两种，如图125所示。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类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。笛卡尔坐标机器人的核心运动部件是线性模组，如图126所示。线性模组主要由导轨、丝杠（或同步带、齿条等）、运动体和电机（步进或伺服）组成。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（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（图127）。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。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（五）平面关节型机器人如图128所示，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。二、按坐标系分类单元2工业机器人的分类（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（图129）。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。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类（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.点焊机器人点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人（图1210）。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成。为了适应灵活动作的工作要求，通常选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。点焊机器人的驱动方式有液压驱动和电气驱动两种，其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过通信接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类2.弧焊机器人弧焊机器人是指用于自动弧焊作业的工业机器人。弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同。一般的弧焊机器人由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成（图1211），可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制，还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型，具有可长期进行焊接作业，保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着技术的发展，弧焊机器人正向着智能化的方向发展。弧焊机器人系统的基本组成部分有机器人本体、控制系统、示教器、焊接电源、焊枪、焊接夹具和安全防护设施。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类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、按应用领域分类单元2工业机器人的分类（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。喷涂机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷涂机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。喷涂机器人多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷涂机器人一般采用液压驱动，具有速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示教来实现操作。喷涂机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门（图1212）。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类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。如图1212所示是喷涂机器人在汽车行业的应用，现在各品牌汽车车身的喷漆工作均已实现机器人自动化。在喷涂机器人的应用过程中，通常会用布将机器人包裹住，这样清理机器人会比较容易。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类（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。最常见的通用型机器人有Scara机器人、通用六轴工业机器人等（图1213）。通用型机器人能广泛应用于汽车、电子、铸造、食品、医药等行业，进行对应的搬运、码垛、插件、装配、涂胶、打磨抛光等工作。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类（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。三、按应用领域分类单元2工业机器人的分类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。(3)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。三、按应用领域分类目 录单元1工业机器人概述单元2工业机器人的分类单元3工业机器人的性能参数单元3工业机器人的性能参数单元3工业机器人的性能参数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.刚体自由度如图131所示，物体上任何一点的运动都与坐标轴的正交集合有关。物体的自由度是指物体能够相对坐标系进行独立运动的数目。（1）沿着坐标轴ox，oy和oz的三个平移运动：T1、T2和T3。（2）绕着坐标轴ox，oy和oz的三个旋转运动：R1、R2和R3。这意味着物体能够运用三个平移和三个旋转，相对于坐标系进行定向和运动。一个物体有六个自由度，当两个物体间确立起某种关系时，其中的物体就相对另一物体失去一些自由度。这种关系也可以用两物体间由于建立连接关系而不能进行的移动和转动来表示。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数2.机器人自由度机器人自由度是指机器人所具有的相对独立坐标轴运动自由度的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度，如图132所示。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数人们期望机器人能够准确地把端部执行装置或与其连接的工具移动到指定位置。例如，要把一个球放到某个给定位置，有3个自由度就足够了；又如，要对某旋转钻头进行定位与定向，就需要5个自由度；如果预先不知道机器人的用途，那么它应当具有6个自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要6个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于6个自由度，也可能大于6个自由度。例如，ABB的IRB1410机器人具有6个自由度，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点看，在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人，就叫作冗余自由度机器人，亦可简称冗余度机器人。若让ABB的IRB1410机器人去执行印刷电路板上接插电子器件的作业，就成为冗余度机器人。利用冗余的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。人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有7个自由度，所以工作起来很灵巧，手部可回避障碍物从不同方向到达同一个目的点。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数（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。如图133与图134所示，各种工业机器人的工作空间形状各不相同：常见的直角坐标机器人工作空间是一个立方体，柱坐标机器人的工作空间是一个空心开口圆柱体，球坐标机器人的工作空间是球体的一部分，六轴工业机器人的工作空间也是球体的一部分，但它的工作空间更广。工业机器人的工作空间是集成设计时机器人选型的重要参数，工程师根据工作空间参数要求去选择合适的机器人。如果所选机器人工作空间太小，则不能满足工业生产要求；如果所选机器人工作空间过大，则会造成场地、工时、成本等的浪费。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数在常见的工业机器人参数手册中，转动关节给出的是关节距和转动角度范围，线性关节给出是关节距和运动行程。图135所示是一款六轴工业机器人的工作范围参数。一、自由度和工作空间单元3工业机器人的性能参数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。工业机器人的工具负载并不是绝对的，其负载能力会随着载荷重心位置的远离而降低。工业机器人的工具负载能力还会因机器人末端执行姿态变化而改变。当负载重心与工具安装面轴心连线垂直于底面时，工业机器人的负载能力最大，当连线平行于地面时，负载能力最小。以ABB的IRB 120工业机器人为例，其负载能力变化如图136与图137所示。二、负载单元3工业机器人的性能参数工业机器人的负载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人的运行速度、加速度和运动方向有关，运行速度越大，负载能力越小。为了安全起见，负载参数指标指的是工业机器人在高速运行时的承载能力。二、负载单元3工业机器人的性能参数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。如图138（a）所示，让工业机器人TCP定位到某一坐标点p10，其实际到达位置与理论坐标点p10之间会存在定位误差。如图139（b）所示，让工业机器人TCP重复运动到同一点位，记录下每次到达的实际位置，这些点位越紧凑，则重复定位精度就越高，反之越低。三、精度单元3工业机器人的性能参数三、精度单元3工业机器人的性能参数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。如表131与表132所示，IP防护等级由两个数字组成：第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级；第2个数字表示电器防湿气、防水浸入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。四、防护等级单元3工业机器人的性能参数如ABB IRB 1410的电气设备防护等级为IP54，意味着它的防尘等级为5，防水等级为4。四、防护等级演示完毕演示完毕 谢谢收看谢谢收看