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工业机器人及应用工业机器人及应用项目一、任务项目一、任务 1一、机器人的一般概念一、机器人的一般概念1.机器人的产生机器人的产生vv机器人机器人机器人机器人凡是用来代替人的机器，都属于机器人的范畴。凡是用来代替人的机器，都属于机器人的范畴。机器人不一定类人。机器人不一定类人。概念辨析：概念辨析：机器、机床机器、机床 只是工具，不能代替人。只是工具，不能代替人。vv名词的由来名词的由来名词的由来名词的由来 Robot=Robota（捷克语捷克语）=奴隶、苦力。奴隶、苦力。提出：提出：1921，捷克作家，捷克作家Karel apek（卡雷尔（卡雷尔恰佩恰佩克）克）Robotics=机器人学（学科名）。机器人学（学科名）。提出：提出：1942，美国科幻小说家，美国科幻小说家Isaac Asimov（艾萨（艾萨克克阿西莫夫）阿西莫夫）。机器人（研发）三原则要点：机器人（研发）三原则要点：不得伤害人类不得伤害人类；执行人的命令执行人的命令；能够自我保护。能够自我保护。vv 最早的产品最早的产品最早的产品最早的产品 Unimate（美国，（美国，1959年）年）。性质：性质：工业机器人（用于工业生产环境的机器人）工业机器人（用于工业生产环境的机器人）。2.机器人的发展机器人的发展 第一代：第一代：行为需人演示、教导行为需人演示、教导（示教），（示教），但能记录并复但能记录并复制制（再现）（再现）动作。动作。示教（示教（Teach.in）机器人）机器人。第二代：第二代：有一定传感器，能进行简单分析、推理，适当有一定传感器，能进行简单分析、推理，适当调整行为。调整行为。感知机器人。感知机器人。第三代：第三代：有大量传感器，能进行复杂分析、推理，自主有大量传感器，能进行复杂分析、推理，自主决定行为。决定行为。智能机器人。智能机器人。要点：要点：判别机器人的标准：判别机器人的标准：是否能离开人独立工作。是否能离开人独立工作。只要能代替人的机器，都属于机器人范畴。只要能代替人的机器，都属于机器人范畴。洗碗机、扫地机、理疗机、无人飞机、火星探测车、无洗碗机、扫地机、理疗机、无人飞机、火星探测车、无人潜水器都是机器人。人潜水器都是机器人。最早研制的机器人是最早研制的机器人是工业机器人。工业机器人。工业机器人以工业机器人以第一代第一代为主为主；服务机器人属于服务机器人属于第三代第三代。3.机器人的分类机器人的分类 按应用场合，分工业机器人、服务机器人两类；按应用场合，分工业机器人、服务机器人两类；见见 P6图图1-2-1。vv 工业机器人工业机器人工业机器人工业机器人（Industrial Robots，简称，简称IR）：用于工业环境的可编程、多用途自动化设备用于工业环境的可编程、多用途自动化设备；作业环境、要求为已知，产品以第一代机器人居多；作业环境、要求为已知，产品以第一代机器人居多；用来代替人工操作，保障人身安全、减轻劳动强度、用来代替人工操作，保障人身安全、减轻劳动强度、提高劳动生产率。提高劳动生产率。主要产品：主要产品：加工类：加工类：焊接、切割、抛光、研磨等粗加工。焊接、切割、抛光、研磨等粗加工。目的：保障人身安全与健康，不是、也不能用于精密加目的：保障人身安全与健康，不是、也不能用于精密加工（与工（与CNC机床不同）！机床不同）！装配类：装配类：喷涂、油漆、电子元件插接（喷涂、油漆、电子元件插接（3C行业）等；行业）等；目的：保障人身健康、代替重复劳动、提高生产效率。目的：保障人身健康、代替重复劳动、提高生产效率。搬运类：搬运类：物品输送、装卸等；物品输送、装卸等；目的：提高自动化程度、避免繁重作业。目的：提高自动化程度、避免繁重作业。包装类：包装类：分拣、包装（食品、药品行业），码垛等；分拣、包装（食品、药品行业），码垛等；目的：保障安全卫生、提高自动化程度。目的：保障安全卫生、提高自动化程度。vv 服务机器人（服务机器人（服务机器人（服务机器人（Service RobotsService Robots）：服务于人类非生产性活动的机器人总称；服务于人类非生产性活动的机器人总称；作业环境为未知，大多具备作业环境为未知，大多具备“行走行走”功能，产品技术要功能，产品技术要求高，以第二、三代机器人居多；求高，以第二、三代机器人居多；市场广阔、潜力巨大，产品占机器人的市场广阔、潜力巨大，产品占机器人的95%以上。以上。主要产品：主要产品：个人个人/家庭机器人家庭机器人（Personal/Domestic Robots）：洗洗碗、扫地、麻将机等。碗、扫地、麻将机等。军事机器人军事机器人（Military Robots）:无人驾驶飞行器无人驾驶飞行器（无人机）、机器人武装战车、多功能后勤保障机器人、（无人机）、机器人武装战车、多功能后勤保障机器人、机器人战士等。机器人战士等。医疗机器人医疗机器人（medical treatment Robots）：诊断、手诊断、手术或手术辅助、康复机器人等术或手术辅助、康复机器人等。场地机器人场地机器人（Field Robots）：用于科学研究和公共事用于科学研究和公共事业服务的、可进行大范围作业的机器人。如太空探测、业服务的、可进行大范围作业的机器人。如太空探测、水下作业、危险作业、消防救援、园林作业等。水下作业、危险作业、消防救援、园林作业等。4.4.各国水平各国水平vv 美国：美国：机器人发源地，水平遥遥领先，产品以第三代机器人机器人发源地，水平遥遥领先，产品以第三代机器人为主，占全球为主，占全球60%以上市场。以上市场。著名企业：著名企业：个人个人/家用机器人：家用机器人：iRobot、Neato等。等。医疗机器人：医疗机器人：Intuitive Surgical（直觉外科）等。（直觉外科）等。军事机器人：军事机器人：Lockheed Martin（洛克希德马丁）、（洛克希德马丁）、Boston Dynamics（波士顿动力，已被（波士顿动力，已被Google并购）等并购）等 场地机器人：场地机器人：Boeing（波音）（波音）、NASA（National Aeronautics and Space Administration，美国宇航局）、，美国宇航局）、Remotec 等等。BigDog-LS3（军事）Curiosity火星车（场地）Care-O-Bot4（家庭）vv 日本：日本：工业机器人及减速器、个人工业机器人及减速器、个人/家用机器人，产量第一家用机器人，产量第一（占（占50%）、护理（医疗）机器人水平领先。）、护理（医疗）机器人水平领先。著名企业：著名企业：工业机器人工业机器人&机器人减速器：机器人减速器：FANUC（发那科）、（发那科）、YASKAWA（安川）、（安川）、KAWASAKI（川崎）等。（川崎）等。个人个人/家用家用&护理机器人：护理机器人：Panasonic（松下）、（松下）、HONDA（本田）、（本田）、Riken Institute（理化学研究所）（理化学研究所）等。等。vv 欧盟：欧盟：著名企业：著名企业：工业机器人：工业机器人：ABB（瑞典（瑞典&瑞士）瑞士）、KUKA（库卡，（库卡，德）、德）、REIS（徕斯，（徕斯，KUKA成员）成员）。服务机器人：服务机器人：德国宇航中心、德国宇航中心、Karcher、Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automatic（弗劳恩霍夫制造技术自动化研究所）等。（弗劳恩霍夫制造技术自动化研究所）等。vv 中国：中国：工业机器人：工业机器人：全球最大的市场。全球最大的市场。2014年：年：全球全球22.5万，中国万，中国 5.7万、占万、占25.3%；2015年：年：全球全球24.8万，中国万，中国6.7万、占万、占27%；2016年：年：全球全球29.4万，中国万，中国8.7万、占万、占30%；2017年：年：全球全球38万，万，中国中国14.1万、占万、占37%。军事、场地机器人：军事、场地机器人：处于世界先进水平。处于世界先进水平。练一练练一练：完成完成P17技能训练技能训练项目一、任务项目一、任务 2一、工业机器人组成与特点一、工业机器人组成与特点1.系统组成（系统组成（P17、图、图2-1-1）后述内容中，工业机器人简称后述内容中，工业机器人简称“机器人机器人”机电设备机电设备 =机械机械+电气电气 机械部分机械部分 本体本体（必需）（必需）又称操作机，实现机器人动作的又称操作机，实现机器人动作的执行机构执行机构；包括机械部件、驱动电机、传感器等包括机械部件、驱动电机、传感器等；由由关节关节（Joint）和）和连杆连杆（Link）连接而成；）连接而成；关节：可回转、摆动的间接连接机构（转动副）；关节：可回转、摆动的间接连接机构（转动副）；连杆：连接关节的刚性构件。连杆：连接关节的刚性构件。执行器执行器（必需）（必需）用于作业的工具；用于作业的工具；安装在机器人末端关节上；安装在机器人末端关节上；可以根据需要更换。可以根据需要更换。变位器（可选）变位器（可选）扩大机器人作业范围（增加自由度）的扩大机器人作业范围（增加自由度）的辅助机构辅助机构；包括机械部件、驱动电机、传感器等包括机械部件、驱动电机、传感器等；有回转、直线两类，通常为有回转、直线两类，通常为14轴。轴。回转变位器回转变位器直线变位器直线变位器关节关节执行器执行器连杆连杆本体本体 电气部分电气部分电气部分电气部分 控制器控制器 功能与数控系统相同；功能与数控系统相同；产生机器人运动轨迹控制脉冲；产生机器人运动轨迹控制脉冲；控制轴数较多（通常控制轴数较多（通常6轴）。轴）。操作单元操作单元 机器人的操作面板；又称示教器；机器人的操作面板；又称示教器；结构简单、采用手持式结构。结构简单、采用手持式结构。驱动器驱动器 将控制脉冲转换为电机转角；将控制脉冲转换为电机转角；多采用交流伺服驱动系统。多采用交流伺服驱动系统。控制器、驱动器安装在控制柜内控制器、驱动器安装在控制柜内示教器示教器控制柜控制柜2.2.基本特点基本特点vv 拟人拟人拟人拟人 结构形态类似人类；结构形态类似人类；部件称腰、手臂（上、下臂）、手腕（手腕、爪）；部件称腰、手臂（上、下臂）、手腕（手腕、爪）；传感器以视觉、听觉、触觉为主（智能机器人）。传感器以视觉、听觉、触觉为主（智能机器人）。柔性柔性柔性柔性v 有完整、独立的控制系统；有完整、独立的控制系统；可通过编程来改变其动作和行为；可通过编程来改变其动作和行为；可安装不同的执行器，实现不同的应用。可安装不同的执行器，实现不同的应用。通用通用通用通用 可通过程序改变动作；可通过程序改变动作；可通过执行器改变功能。可通过执行器改变功能。3.3.工业机器人工业机器人 PK 数控机床数控机床 相同点相同点相同点相同点 控制要求（轨迹控制）、控制系统结构相同；控制要求（轨迹控制）、控制系统结构相同；v 定义类似：可编程、可定位、多用途设备。定义类似：可编程、可定位、多用途设备。区别区别区别区别 作用作用 CNC机床：机床：工作母机，零件加工的必需设备；工作母机，零件加工的必需设备；IR：服务于机床、代替人工操作的辅助设备。服务于机床、代替人工操作的辅助设备。地位地位 CNC机床：机床：国民经济基础的基础；国民经济基础的基础；IR：自动化制造的配套设备。自动化制造的配套设备。价值价值 CNC机床：机床：占装备总价的占装备总价的85%以上，最高可达数亿；以上，最高可达数亿；IR：在装备总价的在装备总价的10%左右，最高为数十万。左右，最高为数十万。形态形态 CNC机床：机床：直线运动轴为主，回转、摆动为辅；直线运动轴为主，回转、摆动为辅；IR：回转、摆动轴为主，直线运动为辅。回转、摆动轴为主，直线运动为辅。性能性能 CNC机床：机床：高精度轮廓加工，多为高精度轮廓加工，多为0.001mm级；级；IR：粗略轨迹运动，多为粗略轨迹运动，多为0.1mm级。级。控制控制 CNC机床：机床：一般一般5轴及以下，准确轮廓运动；轴及以下，准确轮廓运动；IR：一般一般6轴及以上，粗略轨迹运动。轴及以上，粗略轨迹运动。软件软件 CNC机床：机床：笛卡尔坐标运动为主，相对简单；笛卡尔坐标运动为主，相对简单；IR：多轴摆动空间合成运动，相当复杂。多轴摆动空间合成运动，相当复杂。结论：不在同一体量。结论：不在同一体量。4.工业机器人工业机器人 PK 机械手机械手PLC机械手机械手机器人机器人控制系统控制系统 相同点相同点相同点相同点 作用相同，都是自动化制造的辅助设备；作用相同，都是自动化制造的辅助设备；定义类似：机器人定义类似：机器人=可编程的机械手。可编程的机械手。区别区别区别区别 控制控制 机械手：机械手：由由CNC系统的系统的PLC控制，无独立控制系统；控制，无独立控制系统；IR：有独立的控制系统。有独立的控制系统。作用作用 机械手：机械手：单功能、固定用途和动作；单功能、固定用途和动作；IR：可操作、可编程，多功能、多用途。可操作、可编程，多功能、多用途。驱动驱动 机械手：机械手：PLC开关量控制，液压、气动系统为主；开关量控制，液压、气动系统为主；IR：轨迹插补控制，必须用伺服驱动系统。轨迹插补控制，必须用伺服驱动系统。二、工业机器人结构形态二、工业机器人结构形态1.垂直串联（垂直串联（Vertical Articulated）要点要点要点要点 最常见结构，最常见结构，1973年年KUKA研发；研发；关节沿垂直方向串联，数量关节沿垂直方向串联，数量5-7个；个；v 通用性好，可用于各种场合。通用性好，可用于各种场合。关节名称关节名称关节名称关节名称S（或（或J1）：）：腰（腰（Swing）回转；）回转；L（或（或J2）：）：下臂（下臂（Lower Arm）摆动；）摆动；U（或（或J3）：）：上臂（上臂（Upper Arm）摆动；）摆动；R（或（或J4）：）：腕回转（腕回转（Wrist Rolling ）；）；B（或（或J5）：）：腕摆动（腕摆动（Wrist Bending）；）；T（或（或J6）：）：手回转（手回转（Turning ）。）。关节数量可根据实际需要增减（如关节数量可根据实际需要增减（如5、7）。）。vv 名词说明名词说明名词说明名词说明 机身：机身：S/L/U（J1/J2/J3）轴，主要用于机器人作业工具）轴，主要用于机器人作业工具定位，称为定位，称为定位机构定位机构；手腕：手腕：R/B/T（J4/J5/J6）轴，主要用来调整作业工具方）轴，主要用来调整作业工具方向，称为向，称为定向机构定向机构。v 回转（回转（Roll）：）：转动范围一般大于转动范围一般大于270；摆动（摆动（Bend）：）：转动范围一般小于等于转动范围一般小于等于270。2.水平串联（水平串联（Horizontal Articulated）要点要点要点要点v 典典 型型 结结 构构 为为 日日 本本 山山 梨梨 大大 学学 1978年年 研研 发发，称称SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm），关节以水平串联为主（关节以水平串联为主（23个），总数个），总数 4-5个；个；速度快，多用于轻载、平面作业（速度快，多用于轻载、平面作业（3C、食品、药品）。、食品、药品）。Z3.并联（并联（Parallel）要点要点要点要点 基基本本结结构构为为6连连杆杆运运动动，1965年年英英国国Stewart研研发发（简简称称Stewart平台平台）；）；简简化化结结构构为为3连连杆杆摆摆动动（常常用用），1985年年瑞瑞士士研研发发（简简称称 Delta结构结构）。）。Stewart平台平台Delta结构结构 Stewart平台至少平台至少6个直线升降轴、控制复杂，多用于重个直线升降轴、控制复杂，多用于重载搬运工业机器人，较少采用。载搬运工业机器人，较少采用。Delta机身为机身为3轴摆动结构、手腕安装在机身上，控制简轴摆动结构、手腕安装在机身上，控制简单；一般采用倒挂式安装，多用于食品、药品行业的轻载单；一般采用倒挂式安装，多用于食品、药品行业的轻载包装（分拣）工业机器人；包装（分拣）工业机器人；三、工业机器人的技术性能三、工业机器人的技术性能 参见参见P26、表、表1.2-1 主主要要参参数数：工工作作范范围围（作作业业空空间间）、承承载载能能力力、自自由由度、运动速度、定位精度。度、运动速度、定位精度。1.1.工作范围工作范围（Working Range）vv 要点要点要点要点 是工业机器人是工业机器人TRP点点能够运动的区域。能够运动的区域。TRP：工工具具参参考考点点（Tool Reference Point），机机器器人工具安装的基准位置人工具安装的基准位置手腕工具安装法兰中心。手腕工具安装法兰中心。典型结构机器人的典型结构机器人的TRP点位置如下图：点位置如下图：TRP TRP TRP垂直串联垂直串联DeltaSCARA 通常场合可用通常场合可用“作业半径作业半径R”简单表示。简单表示。工作范围大多是工作范围大多是不规则形状不规则形状、不完整空间不完整空间。垂直串联结构（包括球坐标、圆柱坐标）的作业死区垂直串联结构（包括球坐标、圆柱坐标）的作业死区较大，称较大，称“部分范围作业部分范围作业”机器人。机器人。R=740RR SCARA、Delta结构（以及直角坐标）结构（以及直角坐标）机器人的作机器人的作业死区较小，称业死区较小，称“全范围作业全范围作业”机器人。机器人。2.2.承载能力承载能力（Payload）vv 要点要点要点要点 机器人可承受的机器人可承受的最大负载最大负载（质量、转矩或切削力）；（质量、转矩或切削力）；实实际际承承载载能能力力与与负负载载的的重重心心位位置置有有关关，样样本本数数据据通通常常是是假设负载重心位于假设负载重心位于TRP点点时的最大理论值。时的最大理论值。承载能力承载能力6kg机器人的允许负载图：机器人的允许负载图：尺寸基准尺寸基准 TRP负载重心负载重心ZL1003006kg1kg3.3.自由度自由度（Degree of Freedom）vv 要点要点要点要点 机机器器人人能能产产生生的的独独立立运运动动数数（相相对对于于地地面面），包包括括直直线、回转、摆动；线、回转、摆动；自由度实际就是机器人自由度实际就是机器人系统系统的的总控制轴数总控制轴数；自由度包括变位器运动，使用变位器可增加自由度；自由度包括变位器运动，使用变位器可增加自由度；自由度不包括执行器的运动（如刀具旋转等）自由度不包括执行器的运动（如刀具旋转等）；自由度越多，运动越灵活；自由度越多，运动越灵活；有有6个自由度，理论上可实现个自由度，理论上可实现3维空间的任意运动；维空间的任意运动；自由度可用规定的符号表示。自由度可用规定的符号表示。见见P33、图、图2.3-6。4.4.速度与精度速度与精度 vv 要点要点要点要点 程序速度程序速度是机器人是机器人TCP点点相对与大地的运动速度；相对与大地的运动速度；TCP：工工具具控控制制点点（Tool Control Point），有有时时称称工工具具中中心心点点（Tool Center Point），是是机机器器人人作作业业位位置置和和运动控制目标点运动控制目标点；样样本本参参数数为为机机器器人人空空载载时时，各各关关节节所所能能达达到到的的最最大大回回转转速度的形式表示；速度的形式表示；TCP速速度度（程程序序速速度度）是是所所有有参参与与运运动动的的关关节节轴轴的的速速度度合成值；合成值；速度反映机器人工作效率，速度越高、效率越高。速度反映机器人工作效率，速度越高、效率越高。精度以精度以TCP实际位置实际位置和理论位置的和理论位置的误差表示误差表示；通常以重复定位精度的形式表示；通常以重复定位精度的形式表示；测测量量标标准准与与CNC机机床床不不同同，即即使使数数值值相相同同，实实际际误误差差远大于远大于CNC机床机床；机器人不是高精度设备，机器人不是高精度设备，不能用于精密加工不能用于精密加工。练一练练一练：完成完成P34技能训练技能训练。项目二、任务项目二、任务 1 重要概念：重要概念：机器人运动速度低、转矩大，而伺服电机的输出转速机器人运动速度低、转矩大，而伺服电机的输出转速高、转矩小，高、转矩小，必须使用大比例减速器必须使用大比例减速器。机器人机器人机械结构机械结构=减速器减速器+连杆连杆一、垂直串联机器人一、垂直串联机器人1.机身结构机身结构（S/L/U轴）轴）要点要点要点要点中、小型机器人（中、小型机器人（绝大多数）绝大多数）采用减速器直接驱动，采用减速器直接驱动，机身结构相同；机身结构相同；大型、重型机器人大型、重型机器人有时采用连杆驱动机身。有时采用连杆驱动机身。中、小型中、小型大型、重型大型、重型 典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析下臂下臂基座基座&腰腰上臂上臂 基座基座基座基座 见见P43、图、图2.1-9 减速器减速器 安装底座安装底座 腰腰腰腰 见见P43、图、图2.1-10 腰体腰体 基座基座 电机电机 电机座电机座 下臂下臂下臂下臂 见见P43、图、图2.1-11 腰体腰体 减速器减速器 电机电机 下臂下臂 上臂上臂上臂上臂 见见P44、图、图2.1-12上臂上臂 减速器减速器 电机电机 下臂下臂 大型机器人结构大型机器人结构大型机器人结构大型机器人结构1 1 S轴采用同步皮带传动、手腕电机后置（后驱）轴采用同步皮带传动、手腕电机后置（后驱）减速器减速器同步皮带同步皮带 S轴电机轴电机手腕电机手腕电机目的：目的：减小减小S轴电机；轴电机；平衡上臂重力；平衡上臂重力；提高结构稳定性。提高结构稳定性。大型机器人结构大型机器人结构大型机器人结构大型机器人结构2 2 S轴采用同步皮带传动、上臂连杆驱动轴采用同步皮带传动、上臂连杆驱动减速器减速器同步皮带同步皮带 S轴电机轴电机 U轴电机轴电机 连杆连杆目的：目的：减小减小S、U轴电机；轴电机；降低机器人重心；降低机器人重心；提高结构稳定性。提高结构稳定性。2.手腕结构手腕结构（R/B/T轴）轴）基本形式基本形式基本形式基本形式RBR、BBR(或或BRR)、3R（见（见P40、图、图2.1-4）；中小型机器人以中小型机器人以RBR最常用。最常用。R=Roll（回转轴）（回转轴）B=Bend（摆动轴）（摆动轴）RBR 3RBBR、BRR 传动系统传动系统传动系统传动系统v小型机器人：小型机器人：前驱前驱（上臂转、（上臂转、B/T电机在上臂前端）；电机在上臂前端）；大中型机器人：大中型机器人：后驱后驱（腕转、（腕转、B/T电机在上臂后端）。电机在上臂后端）。见见P41，图，图2.1-5、图、图2.1-6上臂回转上臂回转B/T电机位置电机位置前驱前驱腕部回转腕部回转B/T电机位置电机位置后驱后驱前驱特点前驱特点结构简单、外形紧凑；结构简单、外形紧凑；v传动链短、传动精度高；传动链短、传动精度高；电机规格受限，承载能力低，适合小型机器人；电机规格受限，承载能力低，适合小型机器人；电机安装空间小、散热差，维修困难；电机安装空间小、散热差，维修困难；上臂前端重量大、重心远，结构稳定性差。上臂前端重量大、重心远，结构稳定性差。后驱特点后驱特点电机规格不受限，承载能力强，适合大中型机器人；电机规格不受限，承载能力强，适合大中型机器人；电机安装空间大、散热好，维修方便；电机安装空间大、散热好，维修方便；上臂重力平衡，结构稳定性好；上臂重力平衡，结构稳定性好；传动系统复杂、传动链长、传动精度较低。传动系统复杂、传动链长、传动精度较低。vv典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析1 1（前驱）（前驱）（前驱）（前驱）R R轴轴轴轴 见见P44、图、图2.1-13电机电机减速器减速器连接轴连接轴上臂回转段上臂回转段上臂固定段上臂固定段 B B轴轴轴轴 见见P45、图、图2.1-14电机电机减速器减速器同步带同步带摆动体摆动体 T T轴轴轴轴 见见P46、图、图2.1-16电机电机同步带同步带中间部件中间部件摆动体摆动体减速器减速器典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析2 2（后驱）（后驱）（后驱）（后驱）主要部件主要部件主要部件主要部件 （P42，图，图2.1-7、图、图2.1-8）上臂上臂手腕手腕二、二、SCARA、Delta结构机器人结构机器人1.SCARA结构结构 要点要点要点要点通过通过23个水平回转关节实现个水平回转关节实现平面定位平面定位，1个直线关节个直线关节（轴）进行（轴）进行垂直定位垂直定位；手臂沿水平方向串联伸展、轴线相互平行；手臂沿水平方向串联伸展、轴线相互平行；v手臂回转电机可前置在关节部位手臂回转电机可前置在关节部位（前驱），（前驱），也可统一也可统一后置在基座部位后置在基座部位（后驱）（后驱）；结构简单、外形轻巧、定位精度高、运动速度快；结构简单、外形轻巧、定位精度高、运动速度快；垂直行程短，适合平面作业；多用于垂直行程短，适合平面作业；多用于3C行业电路板装行业电路板装配，食品药品搬运配，食品药品搬运 。典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析1 1（前驱）（前驱）（前驱）（前驱）P47、图、图2.1-7外观外观电机、减速器安装电机、减速器安装结构简单、层次清晰、垂直行程大、装配维修容易；结构简单、层次清晰、垂直行程大、装配维修容易；体积大，转臂重心远，结构稳定性较差；体积大，转臂重心远，结构稳定性较差；适合上部运动空间不受限的轻量作业。适合上部运动空间不受限的轻量作业。典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析典型结构剖析2 2（后驱）（后驱）（后驱）（后驱）转臂轻巧、体积小、运动速度快、结构稳定性好；转臂轻巧、体积小、运动速度快、结构稳定性好；垂直行程小、电机装配、维修不方便；垂直行程小、电机装配、维修不方便；适合上部运动空间受限的平面、轻量作业。适合上部运动空间受限的平面、轻量作业。2.Delta结构结构 分摆动驱动、直线驱动分摆动驱动、直线驱动2类；以摆动驱动为常用。类；以摆动驱动为常用。vv摆动驱动要点摆动驱动要点摆动驱动要点摆动驱动要点机身通过机身通过3个垂直摆动关节实现个垂直摆动关节实现空间定位空间定位；手腕直接安装在摆动平台上，形式不限；手腕直接安装在摆动平台上，形式不限；一般采用倒挂式安装一般采用倒挂式安装；结构简单、控制容易、运动速度快；结构简单、控制容易、运动速度快；垂直行程短，承载能力小，适合平面轻量作业；垂直行程短，承载能力小，适合平面轻量作业；多用于多用于3C行业、食品药品行业的搬运、分拣行业、食品药品行业的搬运、分拣 。练一练练一练：完成完成P48技能训练技能训练项目二、任务项目二、任务 2 基本概念：基本概念：机器人结构简单，配套部件种类单一；机器人结构简单，配套部件种类单一；关键部件关键部件：谐波减速器（谐波减速器（哈默纳科哈默纳科）、）、RV减速器减速器（纳博特斯克纳博特斯克），占机械成本），占机械成本7080%。其他专业厂生产的功能部件：其他专业厂生产的功能部件：CRB轴承；轴承；同步带、同步带、滚珠丝杠、直线导轨滚珠丝杠、直线导轨（通用，数控课程介绍）（通用，数控课程介绍）。一、谐波减速器一、谐波减速器1.基本概念基本概念 要点要点要点要点美国美国C.W.Musser（马瑟）（马瑟）1955年发明年发明；日本日本Harmonic Drive System（哈默纳科）是全球（哈默纳科）是全球最早、最大、最著名，最早、最大、最著名，几乎唯一几乎唯一的生产企业；国内的生产企业；国内已有已有产品产品，但性能，但性能差距十分大差距十分大。全称谐波齿轮传动装置（全称谐波齿轮传动装置（Harmonic gear drive）；）；谐波齿轮传动装置可用于减速，也可用于升速；谐波齿轮传动装置可用于减速，也可用于升速；在机器人上，总是用于减速，故称谐波减速器；在机器人上，总是用于减速，故称谐波减速器；是目前减速比最大（可达是目前减速比最大（可达320）的减速器。）的减速器。概念辨析：速比、传动比、减速比概念辨析：速比、传动比、减速比 概念辨析（概念辨析（概念辨析（概念辨析（非常重要非常重要！）速比速比 国外（如日本）常用术语国外（如日本）常用术语 速比速比=输出转速输出转速/输入转速输入转速 减速器减速器的的“速比速比”总是总是小于小于1。传动比传动比 国内常用术语国内常用术语 传动比传动比=输入转速输入转速/输出转速输出转速 减速器减速器的的“传动比传动比”总是总是大于大于1。减速比减速比 国内、外通用术语国内、外通用术语 减速比减速比=输入转速输入转速/输出转速输出转速 减速器减速器的的“减速比减速比”总是总是大于大于1。2.结构与结构与原理原理 基本结构基本结构基本结构基本结构 非常简单，非常简单，只要只要刚轮、柔轮、谐波发生器刚轮、柔轮、谐波发生器3个部件个部件。谐波发生器谐波发生器柔轮柔轮刚轮刚轮刚轮刚轮（Circular Spline）有连接孔的有连接孔的刚性内齿圈刚性内齿圈；v齿数比柔轮略多（一般多齿数比柔轮略多（一般多2或或4个）；个）；有时直接加工在有时直接加工在CRB轴承上（单元型减速器）。轴承上（单元型减速器）。柔轮柔轮（Flex Spline）薄壁金属薄壁金属弹性外齿圈弹性外齿圈，减速器，减速器关键部件关键部件；齿形与刚轮相同，齿数比刚轮少齿形与刚轮相同，齿数比刚轮少2或或4个）；个）；v柔轮可以制成类似水杯（柔轮可以制成类似水杯（Cup）、礼帽（）、礼帽（Silk Hat）、薄饼（、薄饼（Pancake）等形状。）等形状。谐波发生器谐波发生器（Wave Generator）内芯内芯为椭圆凸轮，为椭圆凸轮，外圈外圈为弹性薄壁滚珠轴承；为弹性薄壁滚珠轴承；凸轮与输入轴可采用凸轮与输入轴可采用柔性联轴器、刚性法兰柔性联轴器、刚性法兰连接。连接。变速原理变速原理变速原理变速原理 参见参见P51、图、图2.2-2。谐波发生谐波发生器回转器回转柔轮一齿、一柔轮一齿、一齿与刚轮啮合齿与刚轮啮合 由于柔轮、刚轮只能一齿一齿啮合，如柔轮齿数由于柔轮、刚轮只能一齿一齿啮合，如柔轮齿数少于刚轮，回转一圈后，少于刚轮，回转一圈后，柔轮基准齿将偏移刚轮基准齿柔轮基准齿将偏移刚轮基准齿一个齿差一个齿差（2或或4齿）。齿）。结论：结论：可将谐波发生器（输入）的可将谐波发生器（输入）的360回转变成柔回转变成柔轮（输出）一个齿差的偏转，输出轮（输出）一个齿差的偏转，输出/输入速比为：输入速比为：i=（Z c Z f）/Z f Z c：刚轮齿数；刚轮齿数；Z f：柔轮齿数柔轮齿数 定义定义:基本减速比基本减速比 R=1/i=Z f/（Z c Z f）以符号以符号“-”表示输出与输入表示输出与输入转向相反转向相反。典型应用：典型应用：速比速比 i=-1/R减速比：减速比：-R速比速比 i=1/（R+1）减速比：减速比：R+1谐波谐波发生发生器输器输入入谐波谐波发生发生器输器输入入刚轮固定刚轮固定刚轮输出刚轮输出柔轮输出柔轮输出柔轮固定柔轮固定 主要特点主要特点主要特点主要特点承载能力强、传动精度高。承载能力强、传动精度高。基本概念基本概念：同时啮合的齿数越多，承载能力越强、同时啮合的齿数越多，承载能力越强、传动精度越高。传动精度越高。普通齿轮：普通齿轮：同时啮合齿同时啮合齿12对（对（27%），传动精度），传动精度61510-4rad；谐波减速器：谐波减速器：同时啮合齿数十对（同时啮合齿数十对（30%），传动精度），传动精度1.5410-4rad。数控机床回转轴精度：数控机床回转轴精度：210-5rad。非常重要非常重要！1 arc min=1/60=2.9110-4rad 1 arc sec=1/3600=4.8510-6rad 传动比大，但传动效率较低传动比大，但传动效率较低。基本概念基本概念：普通齿轮：普通齿轮：传动比传动比810，传动效率，传动效率9098%；谐波减速器：谐波减速器：传动比传动比30320，传动效率，传动效率4090%；重要！重要！提高减速比、工作温度和输出转矩，可提高效率。提高减速比、工作温度和输出转矩，可提高效率。v结构简单，体积小、重量轻、使用寿命长。结构简单，体积小、重量轻、使用寿命长。只有只有3个零件，寿命个零件，寿命700010000h（哈默纳科）（哈默纳科）传动平稳，无冲击、噪声小传动平稳，无冲击、噪声小，安装调整方便，安装调整方便。对材料（特别柔轮）要求极高。对材料（特别柔轮）要求极高。国产谐波减速器还远远达不到国产谐波减速器还远远达不到7000h。3.可选结构可选结构 柔轮形状、输入连接方式柔轮形状、输入连接方式可选。可选。柔轮柔轮柔轮柔轮形状形状 水杯形水杯形（Cup type）礼帽形礼帽形（Silk Hat type）薄饼形薄饼形（Pancake type）水杯形水杯形（Cup type）外径小、刚性好；外径小、刚性好；不能为不能为“中空中空”结构，对连接面要求较高。结构，对连接面要求较高。礼帽形（礼帽形（Silk Hat type）端面敞开、安装方便，对连接面要求较低；可采用端面敞开、安装方便，对连接面要求较低；可采用“中空中空”结构；结构；外径大、刚性较差外径大、刚性较差。v 薄饼形薄饼形（Pancake type）超薄型减速器特殊结构，可大大减少轴向尺寸；超薄型减速器特殊结构，可大大减少轴向尺寸；不能直接固定或连接负载，必须使用第不能直接固定或连接负载，必须使用第2刚轮刚轮；承载能力强，安装要求特殊，连续工作要求油润滑承载能力强，安装要求特殊，连续工作要求油润滑（脂润滑：脂润滑：减速器平均输入转速、负载率减速器平均输入转速、负载率ED%10%、运行时间、运行时间 10min）。）。输入连接方式输入连接方式输入连接方式输入连接方式 可选可选柔性轴孔（带联轴器）、刚性轴孔、刚性法兰。柔性轴孔（带联轴器）、刚性轴孔、刚性法兰。柔性轴孔柔性轴孔刚性轴孔刚性轴孔刚性法兰刚性法兰凸轮凸轮轴承轴承轴套轴套联轴器联轴器轴承轴承凸轮凸轮柔性轴孔柔性轴孔（标准结构标准结构）输入轴与轴套孔采用平键连接、轴套与凸轮通过奥输入轴与轴套孔采用平键连接、轴套与凸轮通过奥尔德姆联轴器（尔德姆联轴器（Oldmans Coupling）连接；连接；v具有偏心自动调整功能，对输入轴和减速器的同轴具有偏心自动调整功能，对输入轴和减速器的同轴度要求低；度要求低；联轴器存在间隙，不能为联轴器存在间隙，不能为“中空中空”结构。结构。奥尔德姆联轴器（十字滑块联轴器）原理奥尔德姆联轴器（十字滑块联轴器）原理输入输入十字滑块十字滑块输出输出刚性轴孔刚性轴孔连接轴孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮采用连接轴孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮采用平键连接；平键连接；v不能为不能为“中空中空”结构；结构；刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。刚性法兰刚性法兰v连接面、孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮用连接面、孔直接加工在凸轮体上，输入轴与凸轮用法兰（内孔、端面定位）连接、螺钉固定；法兰（内孔、端面定位）连接、螺钉固定；输入轴可为输入轴可为“中空中空”结构；结构；刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。刚性、无间隙连接，不具备自动调心功能。4.产品型式产品型式vv部件型部件型部件型部件型（Component typeComponent type ）只提供刚轮、柔轮、谐波发生器只提供刚轮、柔轮、谐波发生器3个部件；个部件；规格全、价格低、使用灵活；规格全、价格低、使用灵活；减速器需用户现场安装，装配要求高；减速器需用户现场安装，装配要求高；支承柔轮的输出轴承需用户设计、安装；支承柔轮的输出轴承需用户设计、安装；需用户充填润滑脂、维护工作量大；需用户充填润滑脂、维护工作量大；柔轮形状、输入连接方式可选。柔轮形状、输入连接方式可选。常用产品常用产品：标准水杯形、标准礼帽形、标准博饼形。标准水杯形、标准礼帽形、标准博饼形。R标准水杯形（标准水杯形（P56、图、图2.2-9）标