爱普生机器人的应用开发研究毕业设计.docx

1、爱普生机器人的应用开发研究毕业设计 毕 业 论 文 设 计 课题：爱普生机器人的应用开发研究 专业（系）： 电气 工程系 班 级： 工业控制102 湖南铁道职业技术学院电气工程系毕业设计任务书专业：工业控制 班级：工控102 填表日期：2012 年12月3日指导教师职称联系电话学生姓名龙启贵课题名称 爱普生机器人的应用开发研究课 题 工 作 内 容G系列机械手根据独自的敏捷动作控制技术、在业界实现最高级别的高速.高精度.低振动水平。并且以客户设计生产为重强化了产品规格和性能，设计了适合多种产品生产和能应用于多水、多油环境的机器人。而且和控制器RC520一块使用、即使第一次使用的客户也能够简单地

2、使用性价比如此高的机器人。1.主要特长（1）具有敏捷的动作能缩短作业时间（2）具有高精度和柔软直线、圆弧动作对涂布作业能提高质量（3）能安装针对多品种多抓取物的大型复合抓手（4）针对各种使用环境提供丰富的产品选折（5）根据设备规格有多种安装方式（6）具有高速低振动、为了最适合机器人动作采用了可调谐新加减速度等爱普生独有的控制技术。（7）采用高刚性能弯曲扭曲的壳体做手臂。2. 主要用途（1）搬运（2）冲压（3）包装（4）喷漆（5）注塑（6）密封（7）上下料（9）擦玻璃指标（目标）要求1、目标（1）、了解EPSON机械手的基本结构（2）、熟悉EPSON机械手的基本动作（3）、认识RC+5.0软件的

3、基本功能（4）、掌握RC+5.0软件的基本程序编写2、要求爱普生机械手起始于开发SEIKO手表的机械手，开发是为了制造前所未有的能够高精度、高效率的安装精密部件的机械手。如今爱普生机械手超越原来所具有的高精度、高速度、高可靠性正向着节省空间、节省能源的技术迈进。其中6轴机器人有6个关节（自由度），适用于几乎任何轨迹或角度的工作，可以自由编程，完成全自动化的工作，提高生产效率。进程安排（1）第1周：落实毕业设计任务，明确工作内容，部署毕业设计各项工作。（2）第2周：查阅与课题相关或针对性强的文献510篇，阅读并进行归纳、总结。（3）第3周：进行系统分析，主要是需求分析。（4）第4周：根据任务，查

4、阅相关技术资料，进行数据库设计和架构设计。（5）第5周：系统实现。（6）第6周：系统调试、测试、修改、完善。（7）第7周：整理资料，撰写毕业设计论文。（8）第8周：制作答辩PPT讲稿，做好毕业答辩各项准备工作。主要参考文献1 2 3 4 5 地点湖南铁道职业技术学院起止日期2012.11.32012.12.30系主任： 指导教师（签名）： 年 月 日 年 月 日说明：毕业设计任务书由指导教师根据课题的具体情况填写，经系部审核签字后生效。此任务书在毕业设计工作开始前一周内填写并发给学生。 摘 要 随着社会的不断发展，生产力在不断进步，推动着科技的进步与革新，以建立更加合理的生产关系。自工业革命以

5、来，人力劳动已经逐渐被机械所取代，而这种变革为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了人类社会的进步。工业机器人的出现是人类在利用机械进行社会生产史上的一个里程碑。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。机器人技术是综合了许多学科的知识，例如计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工

6、智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当今研究领域十分重视的课题，机器人在很多领域都得到广泛应用。机器人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志，因而受到各先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用。 本论文在已有理论基础上，针对以往研究的知识和经验，根据实际使用要求，以六自由度的关节型机器人结构为方案;但由于机器人结构原理都比较复杂，而我们现有的材料相当有限，所以本论文只是介绍了机器人的一般结构和一些简单的原理以及机器人编程软件认识和程序编写。由于本人的知识水平有限，如果文中有出现错误的地方，还望您谅解。 关键词：饲服电动机、步进电动机、加速度、自由度、RC+5.0 第一章

7、绪论 1.1 机器人的研究意义 我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。 据统计，“九五”期间，我国工业机器人的需求量以每年30以上的速度增长。2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台，其中以点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人为主，销售额为67亿元。19862000年产品销量如表3所示。据有关专家预测，我国机

8、器人2005年拥有量将增至7600台，年销售额为28.7亿元；2010年拥有量为17300台，年销售额为93.1亿元。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到2015年中国机器人市场的容量约达十几万台套。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业

9、、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达300多条，产值约为60多亿元人民币。预计在2005年左右需求此类自动化生产线达到600条。据初步测算，“十一五”期间汽车制造业的需求市场容量将达到800多亿元人民币 我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较大差距。生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本，才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度、蛇形的、无人飞行器以及家用、病人护理、盲人引导犬等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及

10、其自动化生产线产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的机器人及其自动化生产线产品。进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界。1.2 机器人的研究及应用现状 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳

11、步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。 在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国门户的逐渐开放，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内工业机器人市场的实际情况，把握我国工业机器人研究的相关进展，显得十分重要。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”“、八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计

12、制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长迅速。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。 一、工业机器人的发展现状 工业机器人是最典型的机电一体化数

13、字化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业,将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计,世界机器人市场前景看好,从20世纪下半叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代,机器人产品发展速度加快,年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中,亚洲机器人增长幅度最为突出,高达43%。 二、工业机器人的应用领域日渐广泛 经过四十多年的发展,工业机器人已在越来越多的领域

14、得到了应用。在制造业中,尤其是在汽车产业中,工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中,机器人都已逐步取代了人工作业。 随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高,机器人的应用范周还在不断地扩大,已从汽车制造业推广到其他制造业,进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外,在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多,如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着

15、重要的作用。3、国内外主要的工业机器人生产厂商 在国外,工业机器人技术日趋成熟,已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而,相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司,它们包括：瑞典的ABB Robotics,日本的FANUC、Yaskawa,德国的KUKA Roboter,美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics,意大利COMAU,英国的AutoTech Robotics,加拿大的Jcd International Robotics,以色列的Robogroup Tek公司,

16、这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。在国内,工业机器人产业刚刚起步,但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司,年利润增长在40%左右。 四、工业机器人的发展趋势 工业机器人在许多生产领域的使用实践证明,它在提高生产自动化水平,提高劳动生产率和产品质量以及经济效益,改善工人劳动条件等方面,有着令世人瞩目的作用,引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪,机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。 五、工业机器人的技术发展趋势和产业发展趋势 从近几年世界机器人推出的产品来看,工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展,其发展趋势主要为：结

17、构的模块化和可重构化;控制技术的开放化、PC化和网络化;伺服驱动技术的数字化和分散化;多传感器融合技术的实用化;工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。据UNECE/IFR预测,至2007年,全球新安装装机器人的数量将从2003年的81800套增至2007年的106000套,年平均增长7%。其中,日本2003-2007年工业机器人的销售将从2003年的31600增长至2007年的41000套;欧洲2003-2007年工业机器人将从2003年的27100套增长至2007年的34000套。 1.3 论文组织结构 本文第一章首先介绍介绍爱普生机器人的发展历史、发展状况、发展趋

18、势及爱普生机器人在中国的应用情况，包括工业控制、企业生产线、航空航海、医疗等方面的应用。 第二章就爱普生机器人的结构原理及机械手运动坐标做了一些简单的分析。然后就机器人的开发注意事项、机器人的装备方面做了介绍。 第三章主要介绍爱普生机器人RC+ 5.0软件、机器人的软件环境及机器人的开发实例做了简单的介绍。 第四章就EPSON 机器人的开发与调试、研究问题及要求、爱普生系统开发及系统调试做了详细的介绍。 第五章主要是对论文的一个大致总结以及对未来机器人技术应用方面的展望。 第二章 EPSON机器人的结构和装配2.1 机器人结构及工作原理 2.1.1 机器人的结构 机器人一般由执行机构、驱动装置

19、、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 图2-1 四六轴机器人的的示意图 如图2-1所示执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部等。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要

20、是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，控制系统有两种

21、方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。 如图2-2所示为常见的六轴关节机器人的机械结构,六个伺服电机直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴的旋转,注意观察一、二、三、四轴的结构，关节一至关节四的驱动电机为空心结构，关节机器人的驱动电机采用空心轴结构应该不常见，空心轴结构的电机一般较

22、大。采用空心轴电机的优点是：机器人各种控制管线可以从电机中心直接穿过，无论关节轴怎么旋转，管线不会随着旋转，即使旋转，管线由于布置在旋转轴线上，所以具有最小的旋转半径。 图2-2 六轴关节机器人的机械结构 如图2-3所示就是机器人平面与侧面结构 图2-3 机器人平面、侧面结构图 图2-4 机器人的运动范围 机器人的结构与坐标如图2-5所示 图2-5 机器人的结构域各连杆坐标 六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂,因为在腕部同时集成了三种运动.小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器.如图2-6较为详细的描述了常见的六轴关节机器人的腕部结构. 图2-6 六轴关节机器人的腕部结构机器人的腕

23、部结构常见有如下几种结构: 图2-7 RBR型机器人腕部结构 图2-8 BBR型机器人腕部结构 图2-9 3R型机器人腕部结构 图2-3、图2-4、图2-5所说的三种手腕部的结构中,以第一种(RBR型)结构应用最为广泛,它适应于各种工作场合,后两种结构应用范围相对较窄,比如说3R型的手腕结构主要应用在喷涂行业等. 六轴关节机器人的研发设计及制造已经有好几十年的历史了,整个工业机器人的研发制造体系较为完善,他们的技术相对来说比较成熟,他们在相互竞争中可以相互模仿、改善、不断推陈出新,他们的技术对于国内来说,近乎完美.而国内目前这个行业还处在黎明前的黑暗阶段,虽然有不少公司有这个研发意图,或者正在

24、研发途中,不管怎么说,浮出水面公布自己正在研发或者研发成功的公司应该说是极少数,即使宣布自己研发成功,也只是初步试验成功。六轴关节机器人的腕部关节设计较为复杂,因为在腕部同时集成了三种运动.小型的六轴关节机器人的腕部关节主要采用谐波减速器.图2-10为常见的六轴关节机器人的腕部结构图。 图2-10 常见的六轴关节机器人的机械减速结构 图2-10的腕部关节用到了两个谐波减速器,两个同步齿型带传动输入,中间还用到了一对锥齿轮副传动。 6轴型机械手的机械手坐标系 垂直6轴型的机械手在第4关节、第6关节同轴的点上，即使将第4关节、第6关节旋转360度，也可以实现相同的位臵姿势。 作为用于区别像这样点的

25、点属性，有J4Flag和J6Flag。指定J4Flag时，请记述斜杠（/）和其后的J4F0 （-180J4关节角度=180）、或J4F1（J4关节角度= -180 或80 J4关节角度）。指定J6Flag时，请记述斜杠（/）和其后的J6F0 （-180J6关节角度=180）、或J6F1 （-360 J6 关节角度= -180 或180 J6 关节角度= 360 ）、或J6Fn 图2-11 垂直6轴型机械手坐标系结构 2.2.2机器人的工作原理 机器人的工作原理 从最基本的层面来看，人体包括五个主要组成部分： 身体结构 肌肉系统，用来移动身体结构 感官系统，用来接收有关身体和周围环境的信息 能量

26、。 身体结构。 肌肉系统，用来移动身体结构。 感官系统，用来接收有关身体和周围环境的信息。 能量源，用来给肌肉和感官提供能量。 大脑系统，用来处理感官信息和指挥肌肉运动。 机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。机器人是“能自动工作的机器”，它们有的功能比较简单，有的就非常复杂，但必须具备以下三个特征： 身体 是一种物理状态，具有一定的形态，机器人的外形究竟是什么样子，这取决于人们想让它做什么样的工作，

27、其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。 大脑 就是控制机器人的程序或指令组，当机器人接收到传感器的信息后，能够遵循人们编写的程序指令，自动执行并完成一系列的动作。控制程序主要取决于下面几种因素：使用传感器的类型和数量，传感器的安装位置，可能的外部激励以及需要达到的活动效果。 动作 就是机器人的活动，有时即使它根本不动，这也是它的一种动作表现，任何机器人在程序的指令下要执行某项工作，必定是靠动作来完成的。 简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。 不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同，通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。这三

28、部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等。 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。 机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标

29、位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。 从技术上说，机器人可以认为是一种通用的机械平台，就好像电脑是通用的计算设备，而计算器只能计算一样。 机器人系统通过安装具有通用性功能的感知设备（也就是传感器，如摄像头，测距仪等等），通过处理，可以对各种场景（术语是非机构化的，也就是说不是特意搭出来的简单实验环境）进行识别；在此基础上，利用认知技术，可以对场景进行理解，比如通过摄像机判断哪些是人，哪些是茶杯（当然，这些技术实际上是属于图像识别的研究范畴，但机器人是集成学科，各个学科的成果都要拿来用）；通过对场景的理解，机器人使用通用性的机构（比如仿人手的机械手，这种东西工业上不用

30、的，因为无论干那个具体工作，都可以有针对性的执行器使用，但机器人更多考虑的是通用性，就是不应定最适合某一个工作，但要能很多工作都可以干），去完成指令。 如果再往一个低一些的层面说，就是机器人内部有台计算机，通过读取各个传感器的信息，做出判断，并且调用电机实现相关的动作。 值得说明的一点是，机器人是集成学科，具体的某一个技术基本上都有学科单独研究，机器人研究的是如何把很多已有的功能拼起来。所以不要对机器人有什么幻想性的东西，他里面每个单独的部分，拿出来都有其他产品的。 另外你可能很疑惑的是人工智能，其实这个领域，电脑游戏行业做得比机器人行业还高级，除了最顶尖的机器人，其他的和游戏里面的AI水平差不多的。 工业机器人专门用来在受控环境下反复执行完全相同的工作。例如，某部机器人可能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。为了教机器人如何做这项工作，程序员会用一只手持控制器来引导机器臂完成整套动作。机器人将动作序列准确地存储在内存中，此后每当装配线上有新的罐子传送过来时，它就会反复地做这套动作。 人类手臂的作用是将手移动到不同的位置。类似地，机器臂的作用则是移动末端执行器。您可以在机器臂上安装适用于特定应用场景的各种末端执行器。有一种常见的末端执行器能抓握并移动不同的物品，它是人手的简化版本。机器手往往有内置的压力传感器，用来将机器人抓握某一特定物体时的力度告诉计算机。这使机器人手