机器人讲义2Word格式文档下载.docx
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系统的第五级，目前大多数机器人都不具备。
在这一级给机器人编程时是以任务为单位给定的，不必用具体的运动来描述，这是软件的高级层次，主要用人工智能的手段来解决。
诸如环境的区别、任务的描述、任务的划分等问题，均需用该层软件来解决。
很明显，在整个机器人软件系统中有不少是用于监控机器人运动过程的，这相当于机器人的内部特性。
一般来讲，用户关心的是机器人的语言，而不是语言的具体工作过程。
4．3机器人的编程语言
机器人的编程语言是机器人系统软件的重要组成部分，其发展与机器人技术的发展是同步的，与系统软件的分级结构（如图22）相对应。
机器人语言有四种主要类型，从低级到高级分别是：
1、面向点位控制的机器人语言（如T3．FUNKY语言等）；
2、面向运动的机器人语言（如VAL.EMUY.RCL语言等）；
3、结构化编程语言（如AL.MCL.MAPL语言等）；
4、面向任务的机器人语言（如AUTOPASS语言等）。
每个机器人的语言大都可以归于上述一类中。
另外一种语言则是对任何机器人都适用的，那就是实时监控语言，但这种语言的使用需要很高的技巧及对系统硬件详尽的了解，一般用户不必使用，只有研究人员才应用此级软件。
目前，各种机器人语言纷繁复杂，机器人语言标准化的要求日益迫切，机器人语言一方面向完善方向发展，另一方面则可能向标准的方向发展。
4．4机器人的编程
1．机器人的示教
用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示，规定机器人进行应该完成的动作和作业的具体内容。
这个过程就称为对机器人的示教或对机器人的编程。
对机器人的示教有不同的方法，要想让机器人实现人们所期望的动作，必须赋予机器人各种信息，首先是机器人动作顺序的信息及外部设备的协调信息；
其次是与机器人工作时的附加条件信息；
再次是机器人的位置和姿态信息。
前两个方面很大程度上是与机器人要完成的工作以及相关的工艺要求有关，所以我们重点介绍一下有关机器人位置和姿态的示教。
位置和姿态的示教大致可有以下几种（见下图）：
（1）直接示教
就是我们常说的手把手示教，由人直接搬动机器人的手臂对机器人进行示教，如示教盒示教或操作杆示教等。
在这种示教中，为了示教方便及获取信息的快捷而准确，人们可选择在不同的坐标系下示教，可在关节坐标系、直角坐标系（基坐标系）以及工具坐标系、工件坐标系或用户自定义的坐标系下示教。
（2）离线示教
不对实际作业的机器人直接进行示教，而是脱离实际作业环境生成示教数据，间接地对机器人进行示教。
在离线示教法（离线编程）中，通过使用计算机内存储的模型（CAD模型），不要求机器人实际产生运动，便能在示教结果的基础上对机器人的运动进行仿真，从而确定示教内容是否恰当及机器人是否按人们期望的方式运动。
2．机器人语言及其分类机器人软件的类型大致有三种：
（1）伺服控制级软件；
（2）机器人运动控制级软件，用于对机器人轨迹控制插补和坐标变换等；
（3）周边装置的控制软件。
为了让机器人产生人们所期望的动作，实现上述三类软件的功能，就必须设计机器人的运动过程和编制完成这种运动过程的先后顺序，这与计算机编制程序的概念是一样的。
于是使用一种形式语言来描述机器人的运动，这种形式语言叫做机器人语言（RobotLanguage）。
以机器人语言为线索，利用机器人语言对机器人编程，实现对机器人及其周边装置的控制。
机器人语言的含义是，机器人语言是在人与机器人之间的一种记录信号或交换信息的程序语言。
关于机器人语言的分类，从不同的方面考虑有很多种分类方法，通常人们根据作业描述水平的高低分为三级：
（1）动作级
动作级语言是以机器人的运动作为描述的中心，由一系列命令组成，一般一个命令对应一个动作，语言简单，易于编程，缺点是不能进行复杂的数学运算。
（2）对象级
对象级语言是以描写操作物之间的关系为中心的语言。
（3）任务级
任务级是比较高级的机器人语言，这类语言允许使用者对工作任务要求达到的目标直接下命令，不需要规定机器人所做的每一个动作的细节。
只要按某种原则给出最初的环境模型和最终的工作状态，机器人可自动进行推理计算，最后生成机器人的动作。
3．机器人语言系统的构成
如果从模块化的思想考虑，机器人语言系统主要包括以下几种模块（详见下图）：
·
主控程序模块
1）对来自示教盒／面板的请求给予相应的服务。
2）任务的调度安排。
·
运动学模块：
此模块是机器人运动的关键，包括机器人运动学的正解、逆解及轨迹规划，完成机器人的关节、直线、圆弧等插补功能。
外设控制模块：
实现对机器人系统有关的外围设备的控制。
通信模块：
支持主机和示教盒、PLC及伺服单元的通信。
管理模块：
提供方便的机器人语言示教环境；
支持对示教程序的示教、编辑（插入、删除、拷贝）、装入、存储等操作；
完成系统各功能之间的切换。
机器人语言解释器模块：
对机器人语言的示教程序进行编译、扫描及语言法检查，最后解释执行。
示教模块：
利用示教盒来改变操作机末端执行器的位置和姿态。
报警模块：
对出错信息的处理及响应。
4．机器人语言系统的功能
使用机器人语言对机器人的运动加以控制，机器人运动轨迹的控制方式有两种：
1CP控制方式；
2PTP控制方式。
无论采用何种控制方式，目前的工业机器人语言大多数以动作顺序为中心，通过使用示教这一功能，省略了作业环境内容的位置姿态的计算。
详细地讲，对机器人运动控制的功能可分为如下几种：
速度（speed）设定；
轨迹插补（关节插补、直接插补及圆弧插补）
动作定时（pause，delay）
定位精度（coarse，fine）
手爪控制（open，close）
环境定义功能：
机器人语言中的主要运算是环境数据之间进行的运算，但是现有的机器人语言是以基本动作级的实时系统为中心的，所以有关环境定义功能及其运算功能还不充分，往往用示教功能来代替。
数据结构及其运算的功能：
在通用的数据结构中，一般有文字符号和矩阵等形式，而在结构化的机器人语言中，采用更为通用的数据结构。
机器人本身专用的数据结构是坐标变换矩阵、三维向量等。
向量的运算包括加、减运算，内积与外积运算。
程序控制的功能：
在逐步执行的通用程序语言中，设计有程序控制语言，以便选定后进入运行的分支或转入循环运行。
在机器人语言中，动作顺序的描述是重要的，为强调这种描述的可读性，采用结构化编程方式，有GOTO功能、主程序和子程序。
数值运算的功能：
机器人语言的数值运算功能大致有以下几种：
四则运算（十、一、×
、／等）
计数运算（INC、DEC等）
位运算功能（NOT、AND、OR、XOR等）
三角函数运算功能（SIN、COS、TAN、ARCTAN2）
输入、输出和中断的功能：
在进行顺序的程序中，与外部传感器进行信息交互的功能和中断功能是最为重要的功能。
文件管理的功能：
机器人所处理的文件有程序本身和与位姿有关的数据集，在许多机器人语言中，都有从磁盘读出程序（LOAD）和往磁盘里写入程序（SAVE）等功能。
其他功能：
进行工具变换、基本坐标设置和初始值的设置、作业条件的设置等。
5机器人智能技术
1．智能机器人概述
从20世纪70年代开始的智能机器人的开发，经过一段暂时的沉寂后，向技术分化与实用化两个方向各自发展，智能机器人系统是由指令解释、环境认识、作业计划、作业方法决定、作业程序生成与实施、知识库等环节及外部各种传感器和接口等组成。
智能机器人分为：
1、适应控制机器人
适应控制机器人具有适应控制功能，即当环境变化时，控制作用也跟着变化，从而使得机器人能适应环境的变化而完成特定的任务。
2、学习控制机器人
学习控制机器人则是能对环境的未知特征所固有的信息进行学习，并将学习得到的信息用来进行控制的功能。
近年来已研制出一批具有一定感知能力（如视觉、触觉、力觉和听觉等）的机器人以及少数具有环境进行“对话”能力的交互式机器人。
在机器人视觉方面，己具有接近人眼的部分能力，能够从不同的陈列物中挑选出有关形状、尺寸或颜色的零件，能够对被识别物体的一小段进行高分辨度的或展宽的观测。
具有触觉、视觉和力觉的机器人，已被成功地应用于自动操作、自动装配和产品检验，甚至能够进行手表零件的装配和集成电路生产。
对行走机器人的研究取得一些成果，这种机器人能够模仿人用两腿走路，具有在凹凸不平的地面上行走和上下阶梯的能力。
智能机器人己在自主系统和柔性加工系统中得到日益广泛的应用。
自主机器人能够设定自己的目标，规划并执行自己的动作，使自己不断适应环境的变化。
智能机器人的控制系统主要有分层递阶控制系统、专家控制系统、学习控制系统、模糊控制系统以及基于神经网络的控制系统等类型。
2．机器人的计算机视觉系统
机器人的工作要能适应环境的变化，必须能够识别自身所处的环境。
在这方面，视觉认知能力尤为重要，这也是智能机器人的关键技术。
机器人视觉赋予机器人以视觉功能，其也称为计算机视觉或机器视觉。
由机器来感觉环境并执行要完成的任务，具有明显的优越性，并获得多方面的应用。
例如在空间探索、医用X射线自动识别、地球资源遥感监视和各种军事应用等。
在工业中，机器人视觉技术可用于零件的自动识别、分类、装配、检验、分级、焊缝跟踪以及加工有害材料等。
机器人视觉系统的组成取决于机器人的具体应用领域，一个比较完整的机器人视觉系统如图23所示。
图示系统可以分为以下五个子系统：
照明和光学系统、图像输入、图像处理、图像输出以及图像存储系统。
（1）照明和光学系统
在照明光源、照明方法、透镜、滤光镜等方面有多种类型可以使用。
照明光源可使用钨丝灯、碘卤灯、荧光灯、水银灯、氙灯（闪光灯）、激光灯等。
照明方法，则由透视光照明、反射背景照明、同向照明、倾斜照明和模板照明等。
而就电视摄像机上装的透镜而言，有标准的、广角的、望远的等多种镜头及近摄环，以及显微镜等。
使对象着色，或将所用光源的波长如激光一样地加以限制，或用滤光镜选择输入光的波长，这些办法能有效地获得信噪比良好的图像。
图23机器人视觉系统的组成
（2）图像输入
图像输入是指用视觉传感器输入对象的图像。
视觉传感器将光信号变换为电信号。
20世纪70年代前期，采用光导摄像管或彩色光导摄像管的电视摄像机作为视觉传感器，后来出现的CCD及MOS等固态传感器与以往的摄像管相比，虽然灵敏度及分辨率差，但具有轻巧、视觉残像少及空间畸变小等许多优点，近年来固态传感器使用得日益广泛。
视觉传感器输出的电信号，经A／D转换器变换为数字图像信号。
通常一帧图像分成256×
256、1024×
1024乃至更高分辨率的像素点阵，每个像素点的灰度用四位、八位或更高位二进制数表示。
一般而言，只要输入灰度信息就够了，但如果能输入视场内的色彩信息或与对象物体间的距离信息，则往往更有利于处理。
为了获得有关颜色的信息，既可以用彩色电视摄像机，也可以在黑白电视摄像机前配上红、绿、蓝等颜色的滤光镜。
获得距离信息的方法也很多，尚在进一步开发简易的商品化装置。
（3）图像处理
计算机对输入图像进行处理，并按照相应的处理目的，输出其处理结果。
为了缩短处理时间，在计算机的前端往往加上专用图像处理器。
图像处理器就其体系结构而言，可以分为多种类型，例如局部并行方式、全局并行方式、流水线方式、多处理机方式、以及上述方式的组合方式等。
（4）图像输出与图像存储
为了开发机器人视觉的应用系统，如果有图像显示装置及存储装置，就便于研究处理的中间结果或最终结果，作为计算机的外设，市场上有各类这种装置出售。
6工业机器人的应用
各种工业机器人可以以单机形式使用，也可以作为生产系统中的一个构成部分使用。
随着社会需求发展的变化，工业机器人因其灵活性好，将在柔性自动化制造系统中应用越来越多。
工业机器人用途很广，型号达数百种。
这里重点介绍几种典型工业机器人，并对机器人自动喷涂线及其控制系统做较详细的介绍,对其他机器人只略述。
6．1单机形式应用
工业机器人是一种生产装备，作业时一般需要有外围设备（如上下料装置、工件自动定向装置等）完成一些辅助工作。
自动化程度要求不高时，也可不设外围设备，辅助工作由人完成。
单机形式工作的工业机器人，如去铸件飞边、刮研、切削加工、焊接等机器人。
选用（或设计）单机形式工作的工业机器人主要考虑的原则是：
首先应能满足作业内容、工作空间、工件质量及定位精度等技术参数要求。
同时考虑功能价格比，自由度多价格昂贵。
这里若在外围设备中设置一些简单的运动功能（如工件定向装置、移动或转动工作台等），则可减少自由度数，然后再比较总的价格。
6．2机械制造系统中的应用
1．选择与布局设计原则
机械制造系统的硬件由许多装备组成，作为系统的一个组成部分，工业机器人要与系统的其他部分（如机床、输送带等）协调工作。
因此在进行工业机器人的选择和系统布局设计上应考虑以下原则：
满足作业技术参数要求；
性能价格比好；
满足系统的生产节拍要求；
在系统中，在作业不发生干涉的约束条件下，优化工业机器人与其前后相联接装备之间的布置，从而可以减小机器人规格要求，减小制造系统的占地面积（或空间），缩短机器的运动路径。
图24所示的例子是由一台机器人和四台机床（车床、钻床、铣床、加工中心）组成的柔性加工单元（FMC），单元用吊车与外部（输入、输出）相联系。
单元的布局设计应尽可能紧凑，以减少对机器人工作空间的要求。
此外，机器人与系统中相联接的装备控制应协调。
图24柔性加工单元中的机器人
2．工业机器人应用实例
（1）柔性制造系统（FMS）中的应用实例
图25为加工齿轮用的FMS，由1台拉床、2台车床、3台插齿机、3台剃齿机和1台去毛刺机完成圆柱齿轮的加工。
用3台工业机器人分别实现车床群、插齿机群和剃齿机群的上、下料，机床间由滑道输送部件，并设置多个塔式存储架。
图25柔性制造系统中的机器人
1一拉床2一车床3一插齿机4一剃齿机5一塔式存储架6一机器人7一去毛刺机
（2）装配系统中的应用实例
图26为采用具有视觉、触觉的双臂智能机器人进行装配作业的例子，用来装配吸尘器。
视觉信息系统采用了八台工业用电视摄像机，用来识别工件，其中1、2、3、4、5、6、7为固定式，8为可转式。
9为抓握手臂，10为感知手臂。
触觉信息由手臂上的二十个传感器获取，两臂（各有八个自由度）配合完成复杂的作业。
图26装配系统中的双臂智能机器人
1～7－固定式电视摄像机8一可转式电视摄像机9一抓握手臂10一感知手臂
此外，工业机器人可以代替人去处理一些危险作业，如在放射线、火灾、海洋、宇宙等环境中使用，图27为用于核工业的步行机器人。
图27核工业中的步行机器人
6.3机器人自动喷涂线
6.3.1机器人自动喷涂线的形式
机器人自动喷涂线的形式有很多种，主要阐述以下几种。
1．通用型机器人自动线
在早期的全自动喷涂作业中，广泛采用通用机器人组成的自动线。
这种自动线适合较复杂形面的喷涂作业，适合喷涂的产品可从汽车工业、机电产品工业、家用电器工业到日用品工业。
因此，这种自动线上配备的机器人要求动作灵活、机器人的自由度为5～6个，如下图所示。
通用机器人自动线
2．机器人与喷涂机自动线
这种形式的自动线一般用于喷涂大型工件，即大平面、圆弧面及复杂形面结合的工件，如汽车驾驶室、车厢或面包车等。
机器人用来喷涂车体的前后围及圆弧面，喷涂机则用来喷涂车体的侧面和顶面的平面部分，如下图所示。
机器人与喷涂机自动线
3．仿形机器人自动线
仿形机器人是一种根据喷涂对象形状特点进行简化的通用机器人，使其完成专门作业，一般有机械仿形和伺服仿形机器人两种。
这种机器人适合厢体零件的喷涂作业。
由于仿形作用，喷具的运动轨迹与被喷零件的形状相一致，在最佳条件下喷涂，因而喷涂质量亦最高。
这种自动线的另外一个特点是工作可靠，但不适合形面较复杂零件的喷涂，如下图所示。
仿形机器人自动线
4．组合式自动线
下图是典型的组合式喷涂自动线。
车体的外表面采用仿形机器人喷涂，车体内喷涂采用通用机器人，并完成开门、开盖、关门、关盖等辅助工作。
组合式喷涂自动线
6.3.2机器人自动喷涂线的结构和系统功能
机器人自动喷涂线的结构根据喷涂对象的产品种类、生产方式、输送型式、生产纲领及油漆种类等工艺参数确定，并根据其生产规模、生产工艺和自动化程度设置系统功能，如下图所示。
机器人自动线的结构
l一输送链2一识别器3一喷涂对象4一运输车5一启动装置6一顶喷机7一侧喷机
8一喷涂机器人9一喷枪10一控制台ll一控制柜12一同步器
1．自动识别系统
识别系统是自动线，尤其是多品种混流生产线必须具备的基本单元。
它根据不同零件的形状特点进行识别，一般采用多个红外线光电开关，按能产生区别零件形状特点的信号而布置安装位置。
当自动线上被喷涂零件通过识别站时，将识别出的零件型号进行编组排队，并通过通信送给总控系统。
2．同步系统
同步系统一般用于连续运行的通过式生产线上，使机器人、喷涂机工作速度与输送链的速度之间建立同步协调关系，防止因速度快慢差异造成的设备与工件相撞。
同步系统自动检测输送链速度，并向机器人和总控制台发送脉冲信号，机器人根据链速信号确定再现程序的执行速度，使机器人的移动位置与链上零件位置同步对应。
3．工件到位自动检测
当输送链上的被喷涂零件移动到达喷涂机器人的工作范围时，喷涂机器人必须开始作业。
喷涂机器人开始作业的启动信号由工件到位自动检测装置给出，此信号启动喷涂机器人的喷涂程序。
如果没有工件进入喷涂作业区，喷涂机器人则处于等待状态。
启动信号的另一作用是作为总控系统对工件排队中减去一个工件的触发信号。
工件到位自动检测装置一般采用红外光电开关或行程开关产生启动信号。
4．机器人与自动喷涂机
在自动喷涂线上采用的喷涂机器人和喷涂机除应具备基本工作参数和功能外，另外还应具备：
1）喷涂机器人的工作速度必须高于正常喷涂速度的150％，以满足同步时快速运行；
2）自动启动功能；
3）同步功能；
4）自动更换程序功能（能接受识别信号）；
5）通信功能。
5．总控系统
自动喷涂线的总控系统控制所有设备的运行。
总控系统框图如下图所示.它具备以下功能：
总控系统框图
1）全线自动启动、停止和联锁功能；
2）喷涂机器人作业程序的自动和手动排队、接受识别信号、向喷涂机器人发送程序功能；
3）控制自动输漆换色系统功能；
4）故障自动诊断功能；
5）实时工况显示功能；
6）单机离线（因故障）和联线功能；
7）生产管理功能（自动统计产品、报表、打印）。
6．涂料自动输送与换色系统
为保证自动喷涂线的喷涂质量，涂料输送系统必须采用自动搅拌和主管循环，使输送到各工位喷具上的涂料粘度稀、稠保持一致。
对于多色种喷涂作业，喷具采用自动换色系统。
这种系统包括自动清洗和吹干功能。
换色器一般安装在离喷具较近的位置，这样，减少换色的时间，满足时间节拍要求。
同时，清洗时浪费涂料也较少。
自动换色系统由机器人控制，对于被喷零件的色种指令，则由总控系统给出。
下图为自动换色系统原理图。
自动换色系统原理图
7．自动输送链
自动喷涂线上输送零件的自动输送链有悬挂链和地面链两种。
悬挂链分普通悬挂链和推杆式悬挂链。
地面链的种类很多，有台车输送链、链条输送链、滚子输送链等。
目前，汽车涂装广泛采用滑撬式地面链，这种链运行平稳、可靠性好，适合全自动和高光泽度的喷涂线使用。
输送链的选择取决于生产规模、零件形状、重量和涂装工艺要求。
悬挂链输送零件时，挂具或轨道上有可能掉异物，故一般用于表面喷涂质量要求不高和工件底面喷涂的自动线。
而对大型且表面喷涂质量要求较高的零件，都采用地面链。
6.3.3机器人自动喷涂线参数设计
1．喷涂对象分析
被喷涂零件的形状、几何尺寸是自动喷涂线上的主要设计依据。
1）分析被喷涂零件的几何特征尺寸。
一般几何特征尺寸指最大喷涂面上的轮廓尺寸，根据这些参数选择喷涂设备的最大喷涂行程。
2）进行喷涂区域划分，计算喷涂面积。
一般按近似六面体划分区域，并计算出每个区域的面积。
根据喷涂面积大小和喷涂形面特征确定喷涂设备的型式。
对较平整的喷涂面，可选喷涂机喷涂；
而对形面较复杂或喷涂面法线方向尺寸变化较大的作业面，则可选择机器人喷涂。
2．喷涂工艺及参数分析
生产厂家根据被喷零件性能、作用及外观要求确定涂层质量要求。
同时，根据这些要求又确定了满足质量保证的喷涂材料和工艺过程。
自动喷涂线则必须按照这些要求和工艺过程来进行喷涂作业。
1）根据涂层厚度和质量要求决定喷涂遍数。
2）依据涂料材料的流动性和链速确定流平时间和区间距离。
3）按照涂层光泽度要求和涂料物理性能（如粘度、电导率等）确定喷枪类型。
4）根据节拍时间和喷涂设备的速度（空气喷枪约为0.5～0.8m／s、静电旋杯约为0.3～0.5m／s）、喷涂形状重叠（1／4～1／3），计算每台设备在一个节拍内的喷涂面积，比较这个计算结果与喷涂区域分配面积大小，如果计算结果小于喷涂区域分配面积，说明喷涂设备的
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