第二章工业机器人的机械结构和运动控制章节目录2.1 工业机器人的系统组成2.1.1 操作机2.1.2 控制器2.1.3 示教器2.2 工业机器人的技术指标学习目标导入案例课堂认知扩展与提高本章小结思考练习2.3 工业机器人的运动控制2.3.1 机器人运动学问题232机器人的点位运动…2.3.3 机器人的位置控制课前回顾何为工业机器人？工业机器人具有几个显著特点，分别是什么？工业机器人的常见分类有哪些，简述其行业应用。
学习目标认知目标*熟悉工业机器人的常见技术指标*掌握工业机器人的机构组成及各部分的功能*了解工业机器人的运动控制能力目标*能够正确识别工业机器人的基本组成*能够正确判别工业机器人的点位运动和连续路径运动导入案例国产机器人竞争力缺失关键技术是瓶颈众所周知，中国机器人产业由于先天因素，在单体与核心零部件仍然落后于日、美、韩等发达国家。
虽然中国机器人产业经过30年的发展，形成了较为完善的产业基础，但与发达国家相比，仍存在较大差距，产业基础依然薄弱，关键零部件严重依赖进口。
整个机器人产业链主要分为上游核心零部件（主要是机器人三大核心零部件一一伺服电机、减速器和控制系统，相当于机器人的“大脑”）、中游机器人本体（机器人的“身体”）和下游系统集成商（国内95%的企业都集中在这个环节上）三个层面。
课堂认知2.1工业机器人的系统组成第一代工业机器人主要由以下几部分组成：操作机、控制器和示教器。
对于第二代及第三代工业机器人还包括感知系统和分析决策系统，它们分别由传感器及软件实现。
精选文档.工业机器人系统组成操作机2.1.1操作机（或称机器人本体）是工业机器人的机械主体，是用来完成各种作业的执等部分组成。
机械臂、驱动装置、传动单元及内部传感器行机构。
它主要由.关节型机器人操作机基本构造机器人操作机最后一个轴的机械接口通常为一连接法兰，可接装不同的机械操作装置，如夹紧爪、吸盘、焊枪等。
精选文档.占卜空趨乃削心辿甥动（1）机械臂。
实质上关节型工业机器人的机械臂是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体是一个拟人手臂的空间开链式机构，一端固定在基座上，另一端可自由运动，由臂部（大臂和小臂）、腰部、关节-连杆结构所构成的机械臂大体可分为基座。
和手腕4部分，起支撑作用。
1）基座基座是机器人的基础部分腰部是机器人手臂的支承部分。
2）腰部手臂是连接机身和手腕的部分，是执行结构中的主要运动部件，亦称主手臂3）主轴，要用于改变手腕和末端执行器的空间位置。
主要用于改变末端执行手腕是连接末端执行器和手臂的部分，亦称次轴，4）手腕器的空间姿态。
（2）驱动装置驱使工业机器人机械臂运动的机构。
它按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人产生动作，相当于人的肌肉、筋络。
电气驱动、气压驱动和三种基本类型。
液压驱动机器人常用的驱动方式主要有目前，除个别运动精度不高、重负载或有防爆要求的机器人采用液压、气压驱动外，工业机器人大多采用电气驱动，而其中属交流伺服电机应用最广，且驱动器布置大都采用一个关节一个驱动器。
三种驱动方式特点比较精选文档.（3传动单元目前工业机器人广泛采用的机械传动单元是减速器，应用在关节型机器人上的减减速器放置在基座、腰一般将RV减速器和谐波减速器。
RV速器主要有两类：；将谐波减速器放）部、大臂等重负载的位置（主要用于20kg 以上的机器人关节此20kg以下的机器关节）。
（置在小臂、腕部或手部等轻负载的位置主要用于夕卜，机器人还采用齿轮传动、链条（带）传动、直线运动单元等。
机器人关节传动单元1）谐波减速器，一个工作时可产生径向弹性刚轮通常由3个基本构件组成，包括一个有内齿的内部、呈椭圆形、外圈带有柔性滚动轴承变形并带有外齿的柔轮和一个装在柔轮个基本结构中可任意固定一个，其余一个为主动件一个从动3，在这的波发生器件。
精选文档.谐波减速器原理图减速器2） RVRV （、摆线轮、转臂（曲柄轴）、转臂轴承行星轮主要由太阳轮（中心轮）、等零部件组成。
具有较高的疲劳强度和刚度以及输出盘针齿、刚性盘与齿轮）、减速器。
较长的寿命，回差精度稳定，高精度机器人传动多采用RV减速器原理图RV控制器2.1.2机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定动作或作业任务的装置，是决定机器人功能和性能的主要因素，也是机器人系统中更新和发展最快的，其基本功能有：部分记忆功能、位置伺服功能、坐标设定功能、与外围设备联系功能、传、示教功能感器接口、故障诊断安全保护功能等。
类：封闭型、开放型和混合型。
目依据控制系统的开放程度，机器人控制器分3前基本上都是封闭型系统（如日系机器人）或混合型系统（如欧系机器人）。
集中式按计算机结构、控制方式和控制算法的处理方法，机器人控制器又可分为两种方式。
控制和分布式控制集中式控制器（1）优点：硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体的系统硬件扩展较为方便。
PC性与协调性较好，基于缺点：系统控制缺乏灵活性，控制危险容易集中，一旦出现故障，其影响面广，精选文档.后果严重；大量数据计算，会降低系统实时性，系统对多任务的响应能力也会与系统的实时性相冲突；系统连线复杂，会降低系统的可靠性。
多轴运动控制卡驱动单独接口卡驱动b) a)集中式机器人控制器结构（2）分布式控制器主要思想为“分散控制，集中管理”，为一个开放、实时、精确的机器人控制系统。
分布式系统中常采用两级控制方式，由上位机和下位机组成。
优点：系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。
.分布式机器人控制器结构2.1.3示教器，主要由液晶屏幕和操作按键组成。
可由操作者手持移示教盒亦称示教编程器或动。
它是机器人的人机交互接口，机器人的所有操作基本上都是通过它来完成的。
示教器实质上就是一个专用的智能终端。
精选文档.示教时的数据流关系2.2工业机器人的技术指标自由度、工作机器人的技术指标反映机器人的适用范围和工作性能。
一般都有：工作精度等。
空间、额定负载、最大工作度速和。
自由度:物体能够对坐标系进行独立运动的数目，末端执行器的动作不包括在内通常作为机器人的技术指标，反映机器人动作的灵活性，可用轴的直线移动、摆动或旋自由度，而搬6或7转动作的数目来表示，目前，焊接和涂装作业机器人多为自由度。
运、码垛和装配机器人多为4~6。
正常操作条件下，作用于机器人手腕末端，不会使机器人性也称持重额定负载：目前，使用的工业机器人负载范围可从0.5kg直至800kg能降低的最大载荷，。
定位精度（也称绝重复定位精度工作精度:机器人的工作精度主要指定位精度和对精度）是指机器人末端执行器实际到达位置与目标位置之间的差异。
重复定位精度（简称重复精度）是指机器人重复定位其末端执行器于同一目标位置的能目前，工业机器人的重复精度可达土0.01~ ± 0.5mm。
依据作业任务和末端力，。
持重不同，机器人重复精度亦不同工业机器人典型行业应用的工作精度重复定位精度额定负载（kg ）作业任务mm （）5~200 ± 0.2~ ± 0.5 搬运± 0.5码垛50~800± 0.2~ ± 0.3 50~350 点焊3~20 ± 0.08~ ± 0.1 弧焊± 0.2~ ± 0.55~20 喷涂2~5 ± 0.02~ ± 0.03 装配精选文档.± 0.06~ ± 0.086~10± 0.06~ ± 0.110~20。
工业机器人执行任务时，其手腕参考点所能工作范围、工作行程工作空间也称掠过的。
空间，常用图形表示。
目前，单体工业机器人本体的工作范围可达3.5 m左右这在在各轴联动情况下，机器人手腕中心所能达到的最大线速度。
最大工作速度生产中是影响生产效率的重要指标MOTOMAN垂直串联多关节机器MOTOMAN MH3F b)水平串联多关节机器人a)MPP3S檸£耳徒1OV.MOTOMANc）并联多关节机器人MYS650L不同本体结构YASKAWA机器人工作范围工业机器人的运动控制2.32.3.1机器人运动学问题端连杆就是机器人的基，始工业机器人操作机可看作是一个开链式多连杆机构座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节（轴）连接在一起。
精选文档.对于一个6自由度工业机器人，它由6个连杆和6个关节（轴）组成。
编号时，基座称为连杆0，不包含在这6个连杆内，连杆1与基座由关节1相连，连杆2通过关节2与连杆1相连，依此类推b）机构简图a）实物图工业机器人操作机对给定的机器人操作机，己知各关节角矢量，求末端执行器相对运动学正问题（1）机器人（运动学正解或Where问题），于参考坐标系的位姿，称之为正向运动学示教时，机器人控制器即逐点进行运动学正解运算。
对给定的机器人操作机，已知末端执行器在参考坐标系中的初始（2）运动学逆问题（运动学逆解或逆向运动学位姿和目标（期望）位姿，求各关节角矢量，称之为机器人再现时，机器人控制器即逐点进行运动学逆解运算，并将矢问题），How量分解到操作机各关节运动学逆问题（再现）运动学正问题（示教）232机器人的点位运动和连续路径运动运动只关心机器人末端执行器运动的起PTP 点位运动（Point to Point, PTP）⑴。
点和目标点位姿，不关心这两点之间的运动轨迹精选文档.（2）连续路径运动（Continuous Path, CP）CP运动不仅关心机器人末端执行器达到目标点的精度，而且必须保证机器人能沿所期望的轨迹在一定精度范围内重复运动运动运动和CP PTP工业机器人运动的实现是以点到点运动为基础，通过在相邻两点之间采用满足精机器人CP机器人再现时主控制度要求的直线或圆弧轨迹插补运算即可实现轨迹的连续化器（上位机从）存储器中逐点取出各示教点空间位姿坐标值，通过对其进行直线或圆弧或插补运算，生成相应路径规划，然后把各插补点的位姿坐标值通过运动学逆解运算转换成关节角度值，分送机器人各关节或关节控制器（下位机）。
.精选文档.233机器人的位置控制实现机器人的位置控制是工业机器人的基本控制任务。
关节控制器（下位机）是执行计算机，负责伺服电机的闭环控制及实现所有关节的动作协调。
工业机器人的位置控制扩展与提高运动控制电机及驱动步进主要有机器人的核心技术是运动控制技术，目前工业机器人采用的电气驱动两类。
和电动机伺服电动机.步进电动机系统1 ,步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制精密驱动元件三种，其中混合式步进反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机分为电机的应用最为广泛，是一种精度高、控制简单、成本低廉的驱动方案。