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(共12张PPT)
工业机器人
技术基础
第3章 工业机器人机械部分
3.1 末端执行器
目录
CONTENT
3.2 腕部
3.3 臂部
3.4 机座与行走机构
3.5 驱动器
3.6 传动机构
掌握工业机器人末端执行器的类型及特点。熟悉工业机器人腕部、臂部、机座与行走机构的类型及特点。
熟悉工业机器人的驱动器。
了解工业机器人的传动机构。
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目标
3.6
传动机构
3.6.1 谐波减速器
谐波减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器，其运动本质是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。
1．谐波减速器的结构
如图3-52所示，谐波减速器由具有内齿的刚轮、具有外齿的柔轮和波发生器组成。通常波发生器为主动件，而刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。
图3-52 谐波减速器的结构
1）刚轮
刚轮是一个刚性的内齿轮，双波谐波传动的刚轮通常比柔轮多两齿。谐波齿轮减速器多以刚轮固定，外部与箱体连接。
2）柔轮
柔轮有薄壁杯式、薄壁圆筒式和平嵌式等多种形式。其中，薄壁圆筒式柔轮的开口端外面有齿圈，它随波发生器的转动而变形，筒底部分与输出轴连接。
3）波发生器
波发生器与输入轴相连，对柔轮齿圈的变形起产生和控制的作用。它由一个椭圆形凸轮和一个薄壁的柔性轴承组成。柔性轴承不同于普通轴承，它的外环很薄，容易产生径向变形，在未装入凸轮之前环是圆形的，装上之后变为椭圆形。
2．谐波减速器的工作原理
波发生器通常是椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，在沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称为啮出；有的逐渐进入刚轮齿间，处在半啮合状态，称为啮入。
波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，波发生器的连续转动，使柔轮齿循环往复的进行啮入→啮合→啮出→脱开这四种状态，不断改变各自原来的啮合状态，如图3-53所示。上述现象称为错齿运动，正是这一错齿运动，使减速器将输入的高速转动变为输出的低速转动。
图3-53 谐波减速器工作原理图
3．谐波减速器的特点
1）传动比范围大
2）体积小、重量轻
3）结构简单
4）承载能力高
5）传动精度高
6）传动效率高、运动平稳
3.6.2 RV减速器
RV减速器主要由行星轮、刚性盘、针轮、摆线轮、曲柄轴、输出盘和齿轮轴等组成。
图3-54 RV减速器的结构
1．RV减速器的结构
2．RV减速器的工作原理
图3-55 RV减速器传动简图
RV传动装置是由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成的。渐开线行星轮2与曲柄轴3连成一体，作为摆线针轮传动部分的输入。如果渐开线中心轮1顺时针方向旋转，那么渐开线行星齿轮在公转的同时还进行逆时针方向自转，并通过曲柄轴带动摆线轮进行偏心运动，此时摆线轮在其轴线公转的同时，还将在针齿的作用下反向自转，即顺时针转动。同时通过曲柄轴将摆线轮的转动等速传给输出机构。
3．RV减速器的特点
RV减速器具有体积小、质量轻、传动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳等一系列优点，日益受到国内外的广泛关注，在工业机器人领域占有主导地位。RV减速器与工业机器人中常用的谐波减速器相比，具有较高的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波减速器那样随着使用时间增长，会令运动精度显著降低。因此，世界上许多高精度工业机器人的传动装置都采用RV减速器。
THE END(共13张PPT)
工业机器人
技术基础
第4章 工业机器人传感器
4.1 工业机器人传感器概述
目录
CONTENT
4.2工业机器人内部传感器
4.3 工业机器人外部传感器
掌握工业机器人传感器的种类、性能指标及其使用要求。
熟悉工业机器人内、外部传感器的功能和应用。
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目标
4.1
工业机器人传感器概述
4.1.1 工业机器人传感器的类型
传感器是一种以一定精度将被测量转换为与之有确定对应关系、易于精确处理和测量的某种物理量的测量部件或装置。完整的传感器应包括敏感元件、转化元件、基本转化电路三个基本部分。
工业机器人传感器按用途的不同，可分为内部传感器和外部传感器。
表4-1 工业机器人传感器的分类、功能和应用
4.1.2 传感器的性能指标
1．灵敏度
2．线性度
图4-2 传感器的线性度
3．精度
精度是指传感器的测量输出值与实际被测量值之间的误差。在工业机器人系统设计中，应该根据系统的工作精度要求选择合适的传感器精度。
（a）激光测距传感器（精度0.2 mm） （b）位移传感器（精度0.01 mm）
图4-3 传感器
4．测量范围
测量范围是指被测量的最大允许值和最小允许值之差。传感器的测量范围应该覆盖工业机器人有关被测量的工作范围。如果无法达到这一要求，可以设法选用某种转换装置，但这样会引入某种误差，使传感器的测量精度受到一定的影响。
5．重复性
重复性是指传感器在其输入信号按同一方式进行全量程连续多次测量时，相应测量结果的变化程度。对于多数传感器来说，重复性指标优于精度指标。这些传感器的精度指标不一定很高，但只要它的温度、湿度、受力条件和其他参数不变，传感器的测量结果也没有较大的变化。同样，传感器重复性也应考虑使用条件和测量方法的问题。
6．分辨率
分辨率是指传感器在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测量的个数。工业机器人大多对传感器的分辨率有一定的要求。传感器的分辨率直接影响机器人的可控程度和控制品质。传感器分辨率的最低限度要求一般根据机器人的工作任务确定。
7．响应时间
响应时间是传感器的动态特性指标，是指传感器的输入信号变化后，其输出信号变化至一个稳定值所需要的时间。在一些传感器中，输出信号在达到某一稳定值以前会发生短时间地振荡。
8．抗干扰能力
由于传感器输出信号的稳定是控制系统稳定工作的前提，为防止工业机器人系统的意外动作或故障的发生，传感器系统设计必须采用可靠性设计技术，通常这个指标通过单位时间内发生故障的概率来定义，因此抗干扰能力实际是一个统计指标。
4.1.3 工业机器人对传感器的一般要求
1．精度高、重复性好
传感器的精度与重复性直接影响工业机器人的工作质量，用于检测和控制机器人运动的传感器是控制机器人定位精度的基础。机器人是否能够准确无误地正常工作往往取决于传感器的测量精度。
2．稳定性好、可靠性高
传感器的稳定性和可靠性是保证工业机器人能够长期稳定可靠地工作的必要条件。工业机器人经常是在无人照看的条件下代替人工操作的，万一它在工作中出现故障，轻则影响生产的正常进行，重则造成严重的事故。
3．抗干扰能力强
工业机器人传感器的工作环境往往比较恶劣，其应当能够承受强电磁干扰、强振动，并能够在一定的高温、高压、高污染环境中正常工作。
4．重量轻、体积小
对于安装在工业机器人臂部等运动部件上的传感器，重量要轻，否则会加大运动部件惯性，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，体积和是否安装方便的要求也是必不可少的。(共13张PPT)
工业机器人
技术基础
第4章 工业机器人传感器
4.1 工业机器人传感器概述
目录
CONTENT
4.2工业机器人内部传感器
4.3 工业机器人外部传感器
掌握工业机器人传感器的种类、性能指标及其使用要求。
熟悉工业机器人内、外部传感器的功能和应用。
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目标
4.2
工业机器人内部传感器
4.2.1 位移传感器
1．电位器式位移传感器
电位器式位移传感器一般用于测量工业机器人的关节线位移和角位移，是位置反馈控制中必不可少的元件，它可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
电位器式位移传感器主要由电阻元件、骨架及电刷等组成。根据滑动触头·运动方式的不同，电位器式位移传感器分为直线型和旋转型两种。
1）直线型电位器式位移传感器
直线型电位器式位移传感器的外形和结构如图4-4所示。当测量轴发生直线位移时，与其相连的传感器触头也发生位移，使得触头与滑线电阻端的电阻值和输出电压值发生变化，根据输出电压值的变化，即可测出工业机器人各关节的位置和位移量。
图4-4 直线型电位器式位移传感器
图4-5 直线型电位器式位移传感器工作原理图
2）旋转型电位器式位移传感器
（a）外形 （b）工作原理
图4-6 单圈旋转型电位器
2．光电编码器
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的直线位移或角度变化转换成脉冲或数字量的传感器，属于非接触式传感器，它主要由码盘、机械部件、检测光栅和光电检测装置（光源、光敏器件、信号转换电路）等组成，如图4-7所示。
图4-7 光电编码器的结构
1—转轴；2—LED；3—检测光栅；4—码盘；5—光敏器件
图4-8 光电编码器工作原理图
根据码盘上透光区域与不透光区域分布的不同，光电编码器又可分为相对式（增量式）和绝对式两种类型。
1）相对式光电编码器
测量旋转运动最常见的传感器是相对式光电编码器，其圆形码盘（见图4-9）上的透光区与不透光区相互间隔，均匀分布在码盘边缘，分布密度决定测量的解析度。在码盘两边分别装有光源及光敏元件。
图4-9 相对式光电编码器的码盘
当码盘随转轴转动时，每转过一个透光区与一个不透光区便会产生一次光线的明暗变化，经整形放大，可以得到一个电脉冲输出信号。
相对式光电编码器构造简单、加工容易、成本较低、分辨率高、抗干扰能力强，适合于长距离传输。但是其采用计数累加的方式测得位移量，只能提供对于某基准点的相对位置。因此，在工业控制中，每次操作相对式编码器前需进行基准点校准（盘片上通常刻有单独的一个小洞表示零位）。
图4-10 相对式光电编码器工作原理图
2）绝对式光电编码器
如图4-11所示，绝对式光电编码器的圆形码盘上有沿径向分布的若干同心圆，称为码道，一个光敏元件对准一个码道。若码盘上的透光区对应二进制1，不透光区对应二进制0，则沿码盘径向，由外向内，可依次读出码道上的二进制数，如图4-12所示。
图4-11 绝对式光电编码器的码盘 图4-12 绝对式光电编码器工作原理图
绝对式光电编码器编码的设计采用二进制码或格雷码，如表4-2所示。由于格雷码相邻数码之间仅改变一位二进制数，所以误差不超过1，被大多数光电编码器使用。
表4-2 格雷码(共20张PPT)
工业机器人
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第5章 工业机器人控制系统
5.1 工业机器人控制系统概述
目录
CONTENT
5.2 工业机器人的控制方式
掌握工业机器人控制系统的功能和特点。
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目标
了解运动控制和力控制。
3
掌握工业机器人控制系统的组成和结构。
5.1
工业机器人控制系统概述
5.1.1 工业机器人控制系统的功能
工业机器人控制系统的控制过程如图5-1所示，其功能通常有示教再现和运动控制两种。
图5-1 工业机器人控制过程图
1．示教再现功能
示教再现功能是指示教人员预先将机器人作业的各项运动参数教给机器人，在示教的过程中，工业机器人控制系统的记忆装置将所教的操作过程自动地记录在存储器中。当需要机器人工作时，机器人的控制系统便调用存储器中存储的各项数据，使机器人再现示教过的操作过程，由此机器人即可完成要求的作业任务。
2．运动控制功能
运动控制功能是指通过对机器人末端执行器在空间的位姿、速度、加速度等项的控制，使机器人末端执行器按照任务要求进行动作，最终完成给定的作业任务。
在示教再现控制中，机器人末端执行器的各项运动参数是由示教人员教给它的，其精度取决于示教人员的熟练程度；而在运动控制中，机器人末端执行器的各项运动参数是由机器人的控制系统经过运算得来的，且在工作人员不能示教的情况下，通过编程指令仍然可以控制机器人完成给定的作业任务。
运动控制功能与示教再现功能的区别
5.1.2 工业机器人控制系统的特点
（1）工业机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。
（2）工业机器人的控制系统是一个多变量控制系统。
（3）工业机器人控制系统必须是一个计算机控制系统。
（4）控制机器人仅利用位置闭环是不够的，还要利用速度甚至加速度闭环。
（5）机器人的控制需要根据传感器和模式识别的方法获得对象及环境的工况，按照给定的指标要求，自动地选择最佳的控制规律。
5.1.3 工业机器人控制系统的组成
工业机器人控制系统主要由控制计算机、示教盒、操作面板、硬盘和软盘存储器、数字和模拟量输入/输出接口、打印机接口、传感器接口、轴控制器、辅助设备控制接口、通信接口、网络接口等组成，如图5-2所示。
图5-2 工业机器人控制系统的组成
5.1.4 工业机器人控制系统的结构
在控制结构上，大部分工业机器人采用两级计算机控制。第一级微型计算机控制器（上位机）担负系统监控、作业管理和实时插补任务，由于运算工作量大、数据多，所以大都采用16位以上的计算机。第一级计算机运算结果作为目标指令传输到第二级单片机运动控制器（下位机），经过计算处理后传输到各执行元件。
1．集中控制结构
集中控制结构是用一台计算机实现全部控制功能，构简单、成本低，但实时性差，难以扩展。
图5-3 集中控制结构框图
2．主从控制结构
主从控制结构采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能。主计算机实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从计算机实现所有关节的动作控制。这种控制结构系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。
图5-4 主从控制结构框图
3．分散控制结构
分散控制结构是按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，每一个模块各有不同的控制任务和控制策略，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。这种控制结构实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的控制结构。
图5-5 分散控制结构框图
5.1.5 工业机器人控制柜与示教器
工业机器人的控制器主要包括控制柜和示教器两部分。
1．控制柜
控制柜以先进动态建模技术为基础，对机器人性能实施自动优化，大幅提升了工业机器人执行任务的效率。
（a）外形 （b）内部
图5-6 IRC5控制柜
2．示教器
示教器是一种手持式操作装置，用于操作与工业机器人控制系统有关的任务，如编写程序、运行程序、修改程序、手动操纵、参数配置、监控状态等。示教器主要部件包括使能器按钮、触摸屏、触摸笔、急停按钮、操纵杆和功能按钮。
图5-7 示教器外形
5.2
工业机器人的控制方式
5.2.1 运动控制
为了完成各种作业，工业机器人应采用合适的运动控制方式。根据作业任务的不同，工业机器人的运动控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制两种。
（a）点位控制 （b）连续轨迹控制
图5-10 点位控制和连续轨迹控制
1．点位控制
点位控制（PTP）又称为点对点控制，该控制方式是在关节空间里指定一个固定的参数设置，目标是使关节的变量能保持在期望的位置，不受转矩扰动的影响。
点位控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。
2．连续轨迹控制
（a） （b） （c） （d）
图5-11 示教数据的编辑机能
连续轨迹控制不仅要求机器人以一定的精度到达目标点，而且对移动轨迹也有一定的精度要求。
5.2.2 力控制
1．被动交互控制
在被动交互控制中，由于机器人固有的柔顺，机器人末端执行器的轨迹被相互作用力所修正。被动交互控制不需要力（力矩）传感器，并且预设的末端执行器轨迹在执行期间也不需要改变。此外，被动柔顺结构的响应远快于利用计算机控制算法实现的主动重定位。
但是，由于被动交互控制需要对每个机器人作业都必须设计和安装一个专用的柔顺末端执行器，因此在工业应用中使用被动柔顺往往缺乏灵活性。它只能处理程序设定轨迹上小的位置和姿态偏离。此外，因为没有力的测量，被动交互控制也不能确保很大的接触力永远不会出现。
2．主动交互控制
在主动交互控制中，机器人系统的柔顺主要通过特意设计的控制系统来获得。这种方法通常需要测量接触力和力矩，它们反馈到控制器中用于修正或在线生成机器人末端执行器的期望轨迹。
主动交互控制可以克服被动交互控制中的缺陷，但是它通常更慢、更昂贵、更复杂。要获得合理的作业执行速度和抗干扰能力，主动交互控制需要与一定程度的被动交互控制联合使用。反馈只能在运动和力误差发生后才能产生，因此需要被动柔顺来使反作用力低于一个可以接受的阈值。
THE END(共26张PPT)
工业机器人
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第4章 工业机器人传感器
4.1 工业机器人传感器概述
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4.2工业机器人内部传感器
4.3 工业机器人外部传感器
掌握工业机器人传感器的种类、性能指标及其使用要求。
熟悉工业机器人内、外部传感器的功能和应用。
1
2
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目标
4.2.2 速度传感器
1．测速发电机
测速发电机是一种模拟式速度传感器，它实际上是一台小型永磁式直流发电机，其结构原理如图4-13所示。
图4-13 直流输出测速发电机结构原理图
测速发电机的转子与工业机器人关节伺服驱动电动机相连便能测出机器人运动过程中的关节转动速度，并能在机器人速度闭环系统中作为速度反馈元件。测速发电机具有线性度好、灵敏度高、输出信号强等优点。
2．相对式光电编码器（速度测量）
相对式光电编码器作为速度传感器时，有模拟和数字两种测量方式。
1）模拟方式
在模拟方式下，必须有一个频率/电压（F/V）变换器，用来将编码器测得的脉冲频率转换成与速度成正比的模拟电压，其原理如图4-14所示。F/V变换器必须有良好的零输入、零输出特性和较小的温度漂移才能满足测试要求。
图4-14 模拟方式的相对式光电编码器测速
2）数字方式
图4-15 时间增量测量电路
4.2.3 力觉传感器
力觉传感器又称力或力矩传感器，是用来检测工业机器人的臂部和腕部所产生的力或其所受反力的传感器。
力觉传感器是工业机器人重要的传感器种类之一，机器人机体上一般常安装有以下三种类型的力觉传感器。
（1）装在关节驱动器上的力传感器称为关节力传感器，它用于控制中的力反馈。
（2）装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器称为腕力传感器。
（3）装在机器人手指上的力传感器称为指力传感器。
4.3
工业机器人外部传感器
用于检测工业机器人作业对象及作业环境状态的传感器称为外部传感器。
4.3.1 接触觉传感器
1．接触觉传感器概述
1）接触觉传感器的定义及类型
接触觉传感器是判断工业机器人是否接触物体的测量传感器，可以感知工业机器人与周围障碍物的接近程度。接触觉传感器按接触方式的不同，可分为开关式、面接触式和触须式三种。
接触觉传感器在工业机器人中有以下几方面的作用：感知操作手指与对象物之间的作用力，使手指动作适当；识别操作物的大小、形状、质量及硬度等；躲避危险，以防碰撞障碍物引起事故。
2）接触觉传感器的作用
3）接触觉阵列原理
如图所示，电极与柔性导电材料（条形导电橡胶、PVF2薄膜）保持电气接触，导电材料的电阻随压力而变化。当物体压在其表面时，将引起局部变形，测出连续的电压变化，便可测量局部变形。电阻的改变很容易转换成电信号，其幅值正比于施加在材料表面上某一点的力。
图4-17 阵列接触觉传感器 图4-18 装有接触觉传感器的手爪
2．开关式接触觉传感器
开关式接触觉传感器外形尺寸较大，空间分辨率较低。开关式接触觉传感器主要分为微动开关和限位开关两种。微动开关即使用很小的力也能动作，其多采用杠杆原理；限定开关是限制工作机构位置的电器，主要用于限定工业机器人的动作范围。
（a）结构 （b）工作原理
图4-19 开关式接触觉传感器
3．面接触式接触觉传感器
面接触式接触觉传感器即接触觉阵列。将接触觉阵列的电极或光电开关应用于工业机器人末端执行器的前端及内外侧面，或应用于相当于人类手掌心的位置，传感器通过识别末端执行器上接触物体的位置，可使末端执行器接近物体并且准确地完成夹持动作。
（a）电极反应式 （b）光电开关式
图4-20 面接触式接触觉传感器
4．触须式接触觉传感器
触须式接触觉传感器由须状触头及其检测部分构成，触头由具有一定长度的柔空软条丝构成，它与物体接触所产生的弯曲由在根部的检测单元检测。与昆虫的触角一样，触须式传感器的功能是识别接近的物体，确认所设定的动作结束，以及根据接触发出回避动作的指令或搜索对象物的存在。
图4-21 触须式接触觉传感器
4.3.2 滑觉传感器
滑觉传感器是一种用来检测工业机器人与抓握对象间滑移程度的传感器。目前常用的滑觉传感器有滚轮式、球式和振动式等类型。
1．滚轮式滑觉传感器
滚轮式滑觉传感器由一个圆柱滚轮测头和弹簧板支承组成，如图4-22所示。当工件滑动时，圆柱滚轮测头也随之转动，发出脉冲信号，脉冲信号的频率反映了滑移速度，个数对应滑移的距离。
图4-22 滚轮式滑觉传感器
2．球式滑觉传感器
球式滑觉传感器体积小，检测灵敏度高。球与被夹持物体相接触，无论滑动方向如何，只要球一转动，传感器便会产生脉冲输出，该球体在冲击力作用下不转动，因此球式滑觉传感器的抗干扰能力较强。
图4-23 球式滑觉传感器
3．振动式滑觉传感器
振动式滑觉传感器通过检测滑动时的微小振动来检测滑动。如图4-24所示，钢球指针与被夹持物体接触，若工件滑动，则指针振动，线圈输出信号。
图4-24 振动式滑觉传感器
4.3.3 接近觉传感器
接近觉传感器是工业机器人用来探测自身与周围物体之间相对位置或距离的一种传感器，它探测的距离一般在几毫米到十几厘米之间。接近觉传感器按照转换原理的不同，可分为电涡流式、光纤式和超声波式等类型。
1．电涡流式接近觉传感器
当导体在一个不均匀的磁场中运动或处于一个交变磁场中时，其内部便会产生感应电流。这种感应电流称为电涡流，这一现象称为电涡流现象，电涡流式接近觉传感器便是利用这一原理制作的。
（a）外形 （b）工作原理
图4-25 电涡流式接近觉传感器
电涡流式接近觉传感器外形尺寸小、价格低廉、可靠性高、抗干扰能力强，而且检测精度也高，能够检测到0.02 mm的微量位移。但是电涡流式接近觉传感器检测距离短，一般只能测到13 mm以内，且只能检测固态导体。
2．光纤式接近觉传感器
用光纤制作的接近觉传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、响应快、检测距离较远等特点。
光纤式接近觉传感器有三种不同的形式，如图4-26所示。
（a）射束中断型光纤传感器
（b）回射型光纤传感器
（c）扩散型光纤传感器
图4-26 光纤式接近觉传感器
3．超声波式接近觉传感器
超声波式接近觉传感器通过超声波测量距离。如图4-27所示，传感器由超声波发射器、超声波接收器、定时电路和控制电路等组成。
图4-27 超声波式接近觉传感器工作原理图
被测距离L有：
4.3.4 视觉传感器
1．视觉传感器概述
视觉传感器又称为摄像管，它是采用光电转换原理摄取平面光学图像，并使其转换为电子图像信号的器件。
视觉传感器必须具备两个作用：一是将光信号转换为电信号；二是将平面图像上的像素进行点阵取样，并把这些像素按时间取出。
视觉传感器在工业机器人中的应用类型大致可以分为三类，即视觉检验、视觉导引和过程控制；其应用领域包括电子工业、汽车工业、航空工业以及食品和制药等。
2．光导摄像管
如图4-29（a）所示，光导摄像管外面有一圆柱形玻璃外壳2，内部有位于一端的电子枪7以及位于另一端的屏幕1和光敏层3。加在线圈6，9上的电压将电子束聚焦并使其偏转。偏转电路驱使电子束对光敏层的内表面扫描以便“读取”图像。
（a）结构 （b）电子束扫描方式
图4-29 光导摄像管
1—屏幕；2—玻璃外壳；3—光敏层；4—网格；5—电子束；6—光束聚焦线圈；7—电子枪；8—引脚；9—光束偏转线圈
3．CCD传感器
CCD传感器与一般摄像管相比，具有重量轻、体积小、寿命长、功耗低等优点，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能将光线转变成电荷，通过模/数转换器转换成数字信号。数字信号经过压缩以后的数据传输至计算机，并借助于计算机的处理手段，根据任务需要反馈给执行器。
图4-30 CCD传感器
THE END(共37张PPT)
工业机器人
技术基础
第6章 工业机器人编程技术
6.1 工业机器人编程方式
目录
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6.2 工业机器人编程语言概述
6.3 机器人编程语言简介
熟悉工业机器人的编程方式。
1
2
学习
目标
熟悉机器人编程语言的特征和特性。
3
熟悉工业机器人的编程要求。
熟悉机器人编程语言的基本功能。
了解机器人编程语言的发展。
了解工业机器人常用编程语言。
4
5
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6.1
工业机器人编程方式
工业机器人的编程方式可以分为在线编程、离线编程和自主编程三种。
6.1.1 在线编程
要实现工业机器人特定的连贯动作，可以先将连贯动作拆分成机器人关键动作序列，称之为动作节点。
在线编程的思路：将机器人调整到第一个动作节点，让机器人储存这个动作节点的位姿，再调整到第二个动作节点并记录位姿，以此类推直至动作结束。
在线编程可分为“手把手”示教编程和示教器编程两种
（a）“手把手”示教编程 （b）示教器示教编程
图6-1 在线编程类型
1．“手把手”示教编程
“手把手”示教编程是指操作人员直接用手移动末端执行器确定动作节点，再进行编程。“手把手”示教编程在技术上简单直接，示教过后即可马上应用，而且成本低廉，主要应用在电子技术不够发达的早期工业机器人上面。
“手把手”示教编程有以下几个不可避免的缺点：
（1）要求操作人员有较多经验，且人工操作繁重。
（2）难以操作大型和高减速比的工业机器人。
（3）位置不精确，更难以实现精确的路径控制。
（4）示教轨迹重复性差。
2．示教器示教编程
示教器示教编程是利用装在示教盒上的按钮驱动工业机器人按需要的顺序进行操作。虽然为了获得最高的运行效率，但在示教器示教编程方式下却很难实现多关节同时移动。
示教器示教编程一般用于对大型机器人或危险作业条件下的工业机器人进行示教，但其仍然沿用在线编程的思路，存在以下几个缺点。
（1）难以获得高的控制精度。
（2）难以与其他操作同步。
（3）有一定的危险性。
6.1.2 离线编程
机器人离线编程可分为基于文本的编程和基于图形的编程两类。
基于文本的编程，如早期的POWER语言，是一种机器人专用语言，这种编程方法缺少可视性，在现实中基本不采用。
基于图形的编程是利用计算机图形学的研究成果，建立起计算机及其工作环境的几何模型，并利用计算机语言及相关算法，通过对图形的控制和操作，在离线情况下进行机器人作业轨迹的规划。
图6-2 基于图形的编程软件系统界面
表6-1 在线编程与离线编程的比较
在线编程 离线编程
需要实际机器人系统和工作环境 只需要机器人系统和工作环境的图形模型
编程时机器人需停止工作 编程时不影响机器人正常工作
需在机器人系统上试验程序 通过仿真软件试验程序，可预先优化操作方案和运行周期
示教精度取决于操作人员经验 可用CAD方法进行最佳轨迹规划
难以实现复杂的运行轨迹 可实现复杂运行轨迹的编程
除此之外，离线编程还具有以下几个优点。
（1）以前完成的过程或子程序可结合到待编的程序中，对于不同的工作目的，只需要替换一部分特定的程序即可。
（2）可通过传感器探测外部信息，实现基于传感器的自动规划功能。
（3）程序易于修改，适合中、小批量的生产要求。
（4）能够实现多台机器人和外围辅助设备的示教和协调。
6.2
工业机器人编程语言概述
6.2.1 工业机器人的编程要求
1．能够建立世界模型
在进行机器人编程时，需要一种描述物体在三维空间内运动的方式。因此，需要给机器人及其相关物体建立一个基础坐标系，这个坐标系与大地相连，又称为世界坐标系。机器人工作时，为了方便起见，也会建立其他坐标系，同时建立这些坐标系与基础坐标系的变换关系。机器人编程系统应具有在各种坐标系下描述物体位姿和建模的能力。
2．能够描述机器人的作业
机器人作业的描述与其环境模型密切相关，编程语言水平决定了描述水平。其中，以自然语言输入为最高水平。现有的机器人语言需要给出作业顺序，由语法和词法定义输入语言，并由它描述整个作业。
3．能够描述机器人的运动
描述机器人需要进行的运动是机器人编程语言的基本功能之一。用户能够运用语言中的运动语句，与路径规划器和发生器连接，允许用户规定路径上的点及目标点，决定是否采用点插补运动或笛卡儿直线运动。用户还可以控制运动速度或运动持续时间。对于简单的运动语句，大多数编程语言具有相似的语法。
4．允许用户规定执行流程
同计算机编程语言一样，机器人编程系统允许用户规定执行流程，包括试验、转移、循环、调用子程序以及中断等。
5．要有良好的编程环境
一个好的编程环境有助于提高程序员的工作效率。机械手的程序编制比较困难，其编程趋向于试探对话式。如果用户忙于应付连续重复的编译语言的编辑—编译—执行循环，那么其工作效率必然低下。因此，现在大多数机器人编程语言含有中断功能，以便能够在程序开发和调试过程中每次只执行单独一条语句。
6．需要人机接口和综合传感信号
在编程和作业过程中，人与机器人之间进行信息交换应便利，以防运动出现故障时能及时处理，确保安全。而且，随着作业环境和作业内容复杂程度的增加，需要有功能强大的人机接口。
机器人语言的一个极其重要的部分是与传感器的相互作用。语言系统应能提供一般的决策结构，以便根据传感器的信息来控制程序的流程。
6.2.2 机器人编程语言的特征与特性
机器人编程语言一直以三种方式发展着，一是产生一种全新的语言，二是对老版本语言（指计算机通用语言）进行修改或增加一些句法规则，三是在原计算机编程语言中增加新的子程序。
1．机器人编程语言的特征
机器人编程语言是在人与机器人之间的一种记录信息或交换信息的程序语言，是一种专用语言，用符号描述机器人的动作，它提供了一种方式来解决人—机通信问题。机器人语言具有四方面的特征：实时系统；三维空间的运动系统；良好的人机接口；实际的运动系统。
2．机器人编程语言的基本特性
1）简易性和通用性
2）程序结构的清晰性
3）应用的自然性
4）易扩展性
5）调试和外部支持工具
6）效率
6.2.3 机器人编程语言的基本功能
1．运算
用于解析几何运算的计算工具应包括下列内容。
（1）机械手解答及逆解答。
（2）坐标运算和位置表示，如相对位置的构成和坐标的变化等。
（3）矢量运算，如点积、交积、长度、单位矢量、比例尺以及矢量的线性组合等。
在作业过程中执行的规定运算能力是机器人控制系统最重要的能力之一。
2．决策
机器人系统能够根据传感器输入信息直接作出决策，而不必执行任何运算。传感器数据计算得到的结果，是作出下一步决策的基础。这种决策能力使机器人控制系统的功能变得更强有力。
3．通信
机器人系统与操作人员之间的通信能力，允许机器人要求操作人员提供信息、告诉操作人员下一步该干什么，以及让操作者知道机器人打算干什么。人和机器人之间能够通过许多方式进行通信。
机器人向人提供信息的设备，按其复杂程度排列如下。
（1）信号灯（通过发光二极管，机器人能够给出显示信号）。
（2）字符打印机、显示器。
（3）绘图仪。
（4）语言合成器或其他音响设备（如扬声器）。
人向机器人提供信息的输入设备如下。
（1）按钮、乒乓开关、旋钮和指压开关。
（2）数字或字母数字键盘。
（3）光笔、光标指示器和数字变换板。
（4）远距离操纵主控装置（如悬挂式操作台）。
（5）光学字符阅读器。
4．机械手运动
机械手的运动可用许多方法来规定。最简单的方法是向各关节伺服装置提供一组关节位置，然后等待伺服装置到达这些规定位置。比较复杂的方法是在机械手工作空间内插入一些中间位置。更先进的方法是用与机械手的形状无关的坐标来表示工具位置，它需要用一台计算机对解答进行计算。
采用计算机之后，极大地提高了机械手的工作能力，具体如下。
（1）使复杂的运动顺序成为可能。
（2）使运用传感器控制机械手运动成为可能。
（3）能够独立存储工具位置，而与机械手的设计以及刻度系数无关。
5．工具指令
一个工具控制指令通常是由闭合某个开关或继电器而触发的，而继电器又可能将电源接通或断开，以直接控制工具运动，或者送出一个小功率信号给电子控制器，让后者去控制工具运动。直接控制是最简单的方法，而且对控制系统的要求也较少。此外，可以用传感器来感受工具运动及其功能的执行情况。
6．传感器数据处理
用于机械手控制的通用计算机只有与传感器连接起来，才能发挥其全部效用。传感器数据处理是许多机器人程序编制十分重要而又复杂的组成部分，当采用触觉、听觉或视觉传感器时，更是如此。
6.2.4 机器人编程语言的发展
1973年美国斯坦福大学研制出世界上第一种机器人语言——WAVE语言。
1974年，在WAVE语言的基础上，斯坦福大学人工智能实验室又开发出一种新的语言，称为AL语言。
1975年，IBM公司研制出ML语言，主要用于机器人的装配作业。随后该公司又研制出另一种语言——Autopass语言，这是一种更高级的用于装配的语言，它可以对几何模型类任务进行半自动编程。
1979年美国的Unimation公司推出了VAL语言。1984年，Unimation公司又推出了在VAL基础上改进的机器人语言——VALⅡ语言。同时，麦道公司研制了MCL语言。
6.3
机器人编程语言简介
6.3.1 AL语言
AL语言是20世纪70年代中期美国斯坦福大学人工智能研究所在WAVE的基础上开发研制的一种机器人语言，适用于机器人的装配作业。
AL语言的结构及特点类似于PASCAL语言，可以编译成机器语言在实时控制机上运行，具有实时编译语言的结构和特征，如可以同步操作、条件操作等。。AL语言设计的初衷是用于具有传感器信息反馈的多台机器人或机械手的并行或协调控制编程。
图6-4 AL语言运行的硬件环境
表6-3 常用AL语言语句
6.3.2 Autopass语言
Autopass语言是IBM公司下属的一个研究所提出来的机器人语言，它类似于是给人的组装说明书，是针对所描述机器人操作的语言。
程序将工作的全部规划分解成放置部件、插入部件等宏功能状态变化指令来描述。Autopass的编译是应用称作环境模型的数据库，一边模拟工作执行时环境的变化一边决定详细动作，得到控制机器人的工作指令和数据。
表6-4 常用Autopass语言指令表
6.3.3 VAL语言
VAL语言全称Variable Assembly Language，即可变汇编语言。它是美国Unimation公司于1979年推出的一种机器人编程语言，主要配置在PUMA和Unimation等机器人上，是一种专用的动作类描述语言。VAL语言是在BASIC语言的基础上发展起来的，所以与BASIC语言的结构很相似。VAL语言系统包括文本编辑、系统命令和编程语言三个部分。
VAL语言有以下几个优点
（1）VAL语言命令简单、清晰易懂，描述机器人作业动作及与上位机的通信均较方便，实时功能强。
（2）可以在在线和离线两种状态下编程，适用于多种计算机控制的机器人。
（3）能够迅速地计算出不同坐标系下复杂运动的连续轨迹，能连续生成机器人的控制信号，可以与操作者交互地在线修改程序和生成程序。
（4）VAL语言包含子程序库，通过调用各种不同的子程序可快速组合成复杂操作控制。
（5）能与外部存储器进行快速数据传输以保存程序和数据。
表6-5 常用VAL语言指令表
6.3.4 RAPT语言
RAPT语言是英国爱丁堡大学开发的实验用机器人语言，它的语法基础来源于著名的数控语言APT。RAPT语言可以详细地描述对象物的状态和各对象物之间的关系，能指定一些动作来实现各种结合关系，还能自动计算出机器人手臂为了实现这些操作的动作参数。
RAPT语言中，对象物可以用一些特定的面来描述，这些特定的面是由平面、直线、点等基本元素定义的。
6.3.5 IML语言
IML语言全称Interactive Manipulator Language，是日本九州大学开发的一种对话性好、简单易学、面向应用的机器人语言。它和VAL语言一样，是一种着眼于末端执行器动作编程的动作型语言。
用户可以使用IML语言给出机器人的工作点、操作路线，或给出目标物体的位置姿态，直接操纵机器人。除此以外，IML语言还有如下几个优点。
（1）描述往返动作可以不用循环语句。
（2）可以直接在工作坐标系内使用。
（3）能将要示教的轨迹（末端执行器位姿向量的变化）定义成指令，加入到语言中。所示教的数据还可以用力控制的方式再现出来。
6.3.6 RAPID语言
RAPID语言是一种用于控制ABB工业机器人的高级编程语言。通过RAPID语言可以对机器人进行逻辑、运动以及输入输出控制。RAPID语言的结构及特点类似于VB和C语言，因此只要程序员具有一般高级语言编程的基础，便能快速掌握RAPID语言。
RAPID语言不但本身提供了丰富的指令，还可以根据实际需要编制专属的指令集，这样一个具有高度灵活性的编程语言为ABB工业机器人的各种应用提供了无限的潜能。
表6-6 常用RAPID语言指令表
THE END

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