1、工业机器人实验报告 工业机器人初识 工业机器人课程实验报告院系： 专业： 班级： 课程号：姓名学号 组别第 组实验项目工业机器人初识实验类型验证性完成时间 年 月 日实验序号01【实验目的及要求】1、了解关节型工业机器人基本构成模块；2、理解关节型工业机器人自由度与关节的关系；3、掌握工业机器人系统组成框图。1、实验设备：（1）TOWIN-12kg六自由度关节型工业机器人一台；（2）TOWIN-20kg六自由度关节型工业机器人一台；（3）TOWIN-20kg五自由度SCARA型工业机器人一台；（4）并联机器人一台。2、实验步骤：（1）观察和研究分析工业机器人基本结构；（2）观察并记录电气柜内部
2、元器件；（3）观察分析工业机器人关节分布和电机驱动传动机构；3、实验内容（实验的操作过程，关键操作，处理方式等）1.工业机器人简介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。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，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。【教师评语】（设计性、综合性，创新型综合实验必填此栏） 成绩实验教师签名批阅日期 图 1 工业机器人2.工业机器人组成部分2.1机械结构2.1.1关节的分类机器人有许多不同类型的关节，有线性的、旋转的.滑动的或球型的。虽然球关节在许多系
3、统中使用很普遍，但是由于拥有多个自由度且难以控制，所以在机器人中除了用于研究外并不常用。大多数机器人关节是线性或旋转型关节。（1）滑动关节(Prismaticjoint):与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。图 2 滑动关节（2）转动关节(Revolutejoint):与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。图 3 转动关节2.1.2传动机构工业机器人的驱动源通过传动部件来驱动关节的移动或转动，从而实现机身、手臂和手腕的运动。因此，传动部件是构成工业机器
4、人的重要部件。根据传动类型的不同，传动部件可以分为两大类:直线传动机构和旋转传动机构。（1）直线传动机构工业机器人常用的直线传动机构可以直接由汽缸或液压缸和活塞产生，也可以采啮轮齿条、滚珠丝杠螺母等传动元件由旋转运动转换得到。1）移动关节导轨在运动过程中移动关节导轨可以起到保证位置精度和导向的作用。移动关节导轨有五种:普通滑动导轨、液压动压滑动导轨、液压静压滑动导轨、气浮导轨和滚动导轨。图 4 移动关节导轨2)齿轮齿条装置齿轮齿条装置中，如果齿条固定不动，当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿条方向做直线运动。图 5 齿轮齿条装置3)滚珠丝杠与螺母在工业机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦
5、力很小且运动响应速度快。图 6 滚珠丝杠与螺母4）液(气)压缸液(气)压缸是将液压泵 (空压机)输出的压力能转换为机械能、做直线往复运动的执行元件，使用液(气)压缸可以容易地实现直线运动。图 7 液（气）压缸（2）旋转传动机构一般电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所要求的力矩小，转速比要求的转速高，因此需要采用齿轮、皮带传送装置或其他运动传动机构，把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。运动的传递和转换必须高效率地完成。并且不能有损于机器人系统所需要的特性，包括定位精度、重复定位精度和可靠性等。通过下列传动机构可以实现运动的传递和转换。1）齿轮副齿轮副不但可以传递运动角位移和
6、角速度，而且可以传递力和力矩，如图所示，一个齿轮装在输入轴上，另一个齿轮装在输出轴上。图 8 齿轮副2）同步带传动装置同步带传动装置在工业机器人中同步带传动主要用来传递平行轴间的运动。同步传送带和带轮的接触面都制成相应的齿形,靠啮合传递功率,其传动原理如图所示。图 9 同步带传动装置3）谐波齿轮目前工业机器人的旋转关节有60%70%都使用谐波齿轮传动。谐波齿轮传动由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成,如图所示。图 10 谐波齿轮4）摆线针轮传动减速器摆线针轮传动是在针摆传动基础上发展起来的一种新型传动方式,20世纪80年代日本研制出了用于机器人关节的摆线针轮传动减速器,图所示为摆线
7、针轮传动简图。图 11摆线针轮传动减速器2.2驱动器驱动器在机器人中的作用相当于人体的肌肉,如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼.那么驱动器就起肌肉的作用，它通过移动或转动连杆来改变机器人的构型:驱动器必须有足够的功率对连杆进行加/减速并带动负载，同时，驱动器自身必须轻便、经济、精确、灵敏、可靠且便于维护。日前已有许多实用的驱动器。毫无疑问,今后还将有更多的驱动器。以下几种驱动器备受大家的关注（1）电动机伺服电机伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补充马达间接变速装置，它将电压信号转化为转矩和转速，以驱动控制对象，可使控制速度、位臵精度非常准确，是工业机器人的动力系统以及机
8、器人运动的“心脏”。图 12 伺服电机步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。图 13 步进电机直接驱动电机直接驱动电机是伺服技术发展的产物。除延续了伺服电机的特性外，因为其低速大扭矩、高精度定位、高响应速度、结构简单，减小机械损耗、低噪声、少维护等独有的特点，被广泛应用于各行各业。图 14 直接驱动电机（2）液压驱动器液压驱动的优点是功率大，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动目前多用于特大功率的
9、机器人系统。 图 15 液压驱动器（3）气动驱动器在气动系统中，气动执行元件是-种将压缩空气的能量转化为机械能,实现直线,摆动或回转运动的传动装置.气压驱动的结构简单，清洁，动作灵敏，具有缓冲作用。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人。 图 16轴向伸长型、摆动型、气爪型气压驱动器（4）形状记忆合金驱动器形状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任何形状，即使产生变形，但当加热到某一适当温度时，它就能恢复到变形前的形状。利用这种驱动器的技术即为形状记忆合金驱动技术。形状记忆合金有3个特点：变形量大;变位方向自由度大;变位可急剧发生。因
10、此，它具有位移较大、功率重量比高、变位迅速、方向自由的特点。特别适用于小负载高速度、高精度的机器人装配作业、显微镜内样品移动装置、反应堆驱动装置、医用内窥镜、人工心脏、探测器、保护器等产品上。图 17记忆合金肌肉驱动器 Driver V5（5）磁致伸缩驱动器当一片称做Trfenol-D的材料放在磁铁附近时，这种特殊的稀土金属材料将产生微小的形变,这种现象称做磁致伸缩效应,这一现象已用于制造具有微英寸量级位移能力的直线电机。为使这种驱动器工作,要将被磁性线圈覆盖的磁致伸缩小棒的两端固定在两个架子上，当磁场改变时，会导致小棒收缩或仲展,这样其中-个架子就会相对于另一个架子产生运动。一个与此类似的概
11、念是用压电晶体来制造具有毫微英寸量级位移的直线电机。图 18磁致伸缩驱动器（6）减速器在工业机器人中，减速器是连接机器人动力源和执行机构的中间装置，是保证工业机器人实现到达目标位置的精确度的核心部件。通过合理的选用减速器，可精确地将机器人动力源转速降到工业机器人各部位所需要的速度。与通用减速器相比，应用于机器人关节处的减速器应当具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。目前应用于工业机器人的减速器产品主要有3类，分别是谐波减速器、RV减速器和摆线针轮减速器，其中关节机器人主要采用谐波减速器和RV减速器。图 19 谐波减速器 图 20 RV减速器图 21 摆线针轮减速器2.3运动控制
12、器运动控制器就是控制电动机的运行方式的专用控制器：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。图 22 运动控制器系统流程图图 23 运动控制器2.4软件（1）Robot MasterRobotmaster来自加拿大，由上海傲卡自动化公司代理，是目前全球离线编程软件中顶尖的软件，几乎支持市场上绝大多数机器人品牌(KUKA，ABB，Fanuc，Motoman，史陶比尔、
13、珂玛、三菱、DENSO、松下)，Robotmaster在Mastercam中无缝集成了机器人编程、仿真和代码生成功能，提高了机器人编程速度。图 24 Robot Master软件界面（2）Robot ArtRobot Art来自帝都北京，是目前国内品牌离线编程软件中最顶尖的软件。图 25 Robot Art软件界面（3）Robot WorksRobotWorks是来自以色列的机器人离线编程仿真软件，与Robot Master类似，是基于Solidworks做的二次开发。图 26 Robot Works软件界面2.5传感器在机器人中传感器既用于内部反馈控制,也用于感知与外部环境的相互作用。工业机
14、器人主要传感器有以下几种，内部传感器：位置传感器、速度传感器、加速度传感器、力矩传感器；外部传感器：接近觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、视觉传感器。 图 27 位置传感器 图 28 速度传感器图 29 加速度传感器 图 30 扭矩传感器 图 31 接近觉传感器 图 32 触觉传感器 图 33 力觉传感器 图 34 视觉传感器3.工业机器人目前的研究方向和热点3.1工业机器人的发展方向（1）明确工业机器人的发展方向随着时代的快速发展，劳动力成本的不断上升，机器人未来在工业上的作用将会越来越凸显。而不断发展的实际需求，与之对应出现了新兴方针迅敏型制造。根据时代需求,未来的工业应用型机器人将要满足
15、敏捷、平价.高质量的未来应用要求。（2）优化创新机器人的机体结构目前电子科技领域有一些重要的指标就是微型结构，台式机改为笔记本电脑、大哥大变为手机都反映出了时代的需求的变化。机器人也往往被应用于极端的环境，排爆机器人、探洞机器人、飞行机器人等不同类型的机器人经常深入复杂的工作环境。机器人的生产研发者必须要不断进行研究，优化创新机器人的机体结构，增加机器人的功能，为社会带来更多的福利。（3）提高机器人的科技含量机器人不仅仅是机器，如果不能够在机器人中嵌入更多的人工智能，机器人就和工厂隆隆作响的生产机器没有了区别。拥有高科技含量的工业机器人可以为人类完成更多的工作,取得更大的成就。因此，要加强对机
16、器人人工智能的植入。使机器人具备较高的科技含量。3.2当前工业机器人的研究热点（1）核心零部件性能优化工业机器人上的核心零部件包括精密减速器、伺服电机与驱动、控制器、专用传感器等。国内已经有很多企业在从事相关方面的工作，但还是存在许多问题。如减速器性能如何提升；传统的伺服电机生产没有问题，问题在于我国在驱动算法方面与国外的差距较大；控制器方面也亟需解决软件算法问题。（2）工业机器人整机性能测试与评估、安全及可靠保障目前，我国的标准还是20年前制定的，现在亟需研究工业机器人多种参数的测量方法，建立工业机器人整机评估模型；建立工业机器人可靠性工作基本规范，评估建模方法、指标预测和分配、元器件和整机
17、的可靠性测试、破坏性测试以及加速测试方法等关键技术。（3）工业机器人的软能力建设工业机器人包括硬能力和软能力。硬能力，即核心零部件的能力；软能力，则可定义为通过信息技术融合能够实现的能力，包括智能控制技术、人工智能技术等。软能力是我国工业机器人领域最大的短板，目前大量依靠进口，包括：机器人操作系统、面向工业机器人设计与仿真、生产线的工艺规划、离线编程软件调度软件、机器人监控与故障诊断软件及工业机器人核心工艺软件等。（4）工业机器人智能作业技术如何突破工件特种识别测量、自主作业轨迹规划、动态跟踪、离/在线力位混合控制规划等关键技术是目前需要解决的问题，所以应该构建智能工艺专家系统。其中，集成应用
18、是工业机器人非常重要的核心技术，如果没有集成，应用工业机器人将无法实现。（5）易用性问题易用性问题包括工业机器人如何高效示教及人-机器人技能传递技术，现在已经有人在探索新型编程示教应用模式，如图形编程等。未来更重要的是如何利用新一代信息技术等先进技术手段，研究基于自然交换与自主学习的人-机器人高效技能传授，不断深化学习，这与人工智能密切相关。（6）新型工业机器人技术新型工业机器人并非传统机器人，其体量不大，但利润相对较高，而且在中国有很好的市场和产业链，这给我国工业机器人发展带来了很好的机会。所以我国需要针对制造领域特殊需求，探索有别于传统工业机器人构型的新型工业机器人技术。（7）灵巧作业工具
19、技术灵巧作业工具技术是指快速工具更换技术或灵巧作业工具及柔性作业工具技术。其下一步发展是教会机器人使用工具，像人类一样，通过使用工具实现能力的提高和延伸。（8）云端工艺服务及作业学习技术云端工艺服务及作业学习技术包括基于云计算和大数据的知识建模、作业序列建模与理解等技术。通过探索工艺参数大数据收集、分析、挖掘和优化方法，机器人技能自主学习与提升技术，最终实现通过云端解决机器人的技术智能性和提升其作业能力。（9）双臂作业工业机器人技术随着作业任务越来越复杂，双臂机器人得到了越来越广泛的应用。相比于单臂机器人，双臂机器人在工业生产中可以做更复杂、更精准的工作。虽然国外已经有相关产品，但双臂机器人的
20、协调操作控制尚未有一套完善的理论体系，如何真正应用到产业上还有待解决，所以在这一方面若我国加倍努力还是有可能赶超国际水平的。（10）人机协作型机器人技术就目前的技术来看，机器人完全替代人类作业还有很长的路要走。而下一步发展是需要将机器人的安全保护玻璃墙去掉，取而代之的是与人类紧密接触，密切配合，所以突破人机安全共存、智能交互、协同作业等核心技术，研制新一代互助协作型工业机器人是趋势。3.3结语随着国家科学技术的进步与发展，在这样的背景下工业机器人已经诞生并在众多领域中都有广泛的应用，并为国家的经济发展带来了积极的促进作用。那么针对当前国内的工业机器人的发展现状来看，应该积极结合国外技术的优势，对国内工业机器人进一步的研究和改进，从而推动国内更多的人才愿意贡献研究和技术力量，促进其更加长远地发展。
