机器人焊接技术

1. 机器人焊接技术 主讲人：刘立君 哈尔滨理工大学 材料成型系 二〇〇四年九月

2. 课程内容 内容： • 机器人基本知识 • 工业机器人工作原理 • 弧焊机器人离线编程及标定技术 • 机器人焊接系统的组成及特点 主要参考教材： • 林尚扬等,《焊接机器人及其应用》 机械工业出版社, 2000年7月 • 吴林等，《智能化焊接技术》国防工业出版社，2000年8月 • 陈善本等,《焊接过程现代控制技术》 哈工大出版社, 2001年5月

3. 机器人焊接的特点 • 早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况，出现了“王麻子菜刀”、“张小泉剪刀”、“张氏陀螺”。 • 手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用自动化的机器设备来保证产品质量及效率。 • 20世纪70年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。

4. 机器人焊接的特点 根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为： • “刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。 • “柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。 随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以焊接机器人在生产中的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。

5. 机器人焊接的特点 采用机器人焊接，具有如下优点： • 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性； • 提高生产率，一天可24小时连续生产，机器人不会疲倦； • 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作； • 降低对工人操作技术难度的要求； • 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； • 可实现小批量产品焊接自动化； • 可作为数字化制造的一个环节。

6. 第一章 机器人工作原理 第一节 机器人基本知识 第二节 机器人工作原理

7. 第一节 机器人基本知识 一 机器人的概念 二 机器人的发展及现状 三 机器人的分类 四 工业机器人常用术语

8. 一、机器人的概念 • “Robot”的来源 1920年，捷克作家Karel Capek的科幻剧《Rossum‘s Universal Robots》（罗萨姆的万能机器人），剧中描写了一批能从事各项劳动、听命于人的机器，取名为“Robota”（捷克语），含义为：forced worker （奴隶）。 英语：Robot 德语：Robot 日语：ロボツト 俄语：робот 汉字：机器人 Karel Capek（1890－1938）

9. 一、机器人的概念 机器人的定义：国际上对机器人的定义很多 • The Webster dictionary (Webster, 1993) : “An automatic device that performs functions normally ascribed to humans or a machine in the form of a human.” 一个自动化设备，它能执行通常由人执行的任务；或一个人型的机器 • 美国机器人学会（The Robot Institute of America，1979) : “A reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move materials, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks.” 一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。 • ISO，1987：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。

10. 二、工业机器人的发展及现状 • 1954年，美国人G.Devol 和J.Engleberger设计了一台可编程的机器人 • 1961年，他们生产了世界上第一台工业机器人“Unimates”，并获得了专利 • 1962年，Engleberger 成立了Unimation公司，他被称为“机器人之父” • 日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人，15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。 Unimates 机器人

11. 二、工业机器人的发展及现状 • 2000年，统计数据表明，全世界工业机器人总量为757,000台，其中 • 日本，402,200台 • 美国， 92,900台 • 德国， 81,200台 • 新加坡，5,300台 • 台湾， 6,400台 • 这些机器人中45％为焊接机器人（点焊、弧焊） • 我国大陆地区工业机器人用户700多家，拥有工业机器人约3500台，其中焊接机器人约1000台，与国外的差距是明显的。 • 值得欣喜的是，我国机器人应用发展较快，1996年我国焊接机器人仅为500台，目前以每年30％以上的速度增长。

12. 二、工业机器人的发展及现状 主要机器人厂家 • 日本：Motoman、OTC、Panasonic、FANUC等 • 美国：Adept等 • 欧洲：奥地利IGM、德国CLOOS、KUKA、瑞典ABB • 韩国：HYUNDAI • 沈阳新松 FANUC

13. 三、机器人的分类 机器人分类方法很多 • 按照技术水平划分： • 第一代：示教再现型，具有记忆能力。目前，绝大部分应用中的工业机器人均属于这一类。缺点是操作人员的水平影响工作质量。 • 第二代：初步智能机器人，对外界有反馈能力。部分已经应用到生产中。 • 第三代：智能机器人，具有高度的适应性，有自行学习、推理、决策等功能，处在研究阶段。

14. 三、机器人的分类 • 按照基本结构划分： • 直角坐标型，也称“机床型” • 圆柱坐标型 • 球坐标型 • 全关节型

15. 三、机器人的分类 • 按照受控运动方式划分： • 点位控制（PTP）型，Point to Point, 如点焊、搬运机器人 • 连续轨迹控制（CP）型，Continous Path，如弧焊、喷漆机器人 • 按驱动方式划分： • 气压驱动（压缩空气） • 液压驱动（重型机器人，如搬运、点焊机器人） • 电驱动（电动机），应用最多

16. 三、机器人的分类 • 按照应用领域划分： • 工业机器人，面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。 • 特种机器人，用于非制造业的各种机器人，服务机器人、水下机器人、农业机器人、军用机器人等

17. 三、机器人的分类 华宇I型弧焊机器人

18. 三、机器人的分类 弧焊机器人 点焊机器人

19. 三、机器人的分类 伐根机器人 摘果机器人

20. 三、机器人的分类 擦玻璃机器人 无人潜水器

21. 三、机器人的分类 排爆机器人 外科手术机器人

22. 三、机器人的分类 双足仿人机器人 球机器人

23. 三、工业机器人常用术语 • 自由度（degree of freedom， DOF ）,物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度，对于自由刚体，具有6个自由度。通常作为机器人的技术指标，反映机器人灵活性，对于焊接机器人一般具有5－6个自由度 • 位姿（Pose），指工具的位置和姿态。 • 末端操作器（End Effector），位于机器人腕部末端，直接执行工作要求的装置，如夹持器、焊枪、焊钳等 • 额定负载（Payload），也称为持重 • 弧焊机器人：5～20kg • 点焊机器人：50～200kg

24. 三、工业机器人常用术语 • 工作空间（Working Space），机器人工作时，其腕轴交点能在空间活动的范围。 • 重复位姿精度（Pose Repeatability），在同一条件下，重复N次所测得的位姿一致程度。 • 轨迹重复精度（Path Repeatability），沿同一轨迹跟随N次，所测得的轨迹之间的一致程度

25. 第二章 机器人运动学分析 第一节 位置和姿态的表示 第二节 坐标变换 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 第四节 连杆坐标变换及运动学方程 第五节 运动学逆问题的相关问题

26. 机器人运动学的研究内容 一般可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。 • 机器人运动学包括两方面问题： • 运动学正问题：已知各关节角值，求工具在空间的位置和姿态。实际上，这是建立运动学方程的过程。 • 运动学逆问题：已知工具的位姿，求各关节角值，这是求解运动学方程的问题。

27. 第一节 位置和方位的表示 • 为了描述机器人本身各连杆之间、机器人和环境之间的运动关系，通常将它们看作刚体。 • 刚体的位置和姿态描述 • 在直角坐标系｛A｝中，任意一点P的位置可以用3×1列向量表示。称为位置矢量

28. 第一节 位置和方位的表示 • 为了确定刚体B的姿态（也称方位），设一个坐标系｛B｝与该刚体固接。用坐标系的三个单位主矢量xB，yB，zB相对于参考坐标系｛A｝的方向余弦组成的3×3矩阵表示刚体B相对于坐标系｛A｝的姿态。 • 称为旋转矩阵，也可表示成： • 旋转矩阵是正交的。

29. 第一节 位置和方位的表示 • 按照上述定义，绕 x 轴旋转了θ 角的旋转矩阵，为 同样也可以写出R（y，θ），R（z，θ） • 总之，用位置矢量描述刚体的位置，用旋转矩阵描述刚体的姿态（方位）

30. 第一节 位置和方位的表示 为了完全描述刚体B在空间的位置和姿态，通常将刚体B与某一坐标系相固接，通常记为｛B｝，｛B｝的原点一般选在刚体B的特征点上，如质心或对称中心等。对弧焊机器人中的焊枪可以将原点选在焊枪电极端部。 则相对于参考坐标系｛A｝，用位置矢量ApB0和旋转矩阵 分别描述｛B｝原点位置及坐标系的方位，即刚体B的位置和姿态可由坐标系｛B｝来描述： 当表示位置时，旋转矩阵为单位阵； 当表示姿态时，位置矢量等于零。

31. 第二节 坐标变换 1、坐标平移 坐标系｛B｝与｛A｝具有相同的方位，但｛B｝的原点与｛A｝的原点不重合，则空间任意点P在｛A｝中的描述可以表示为： 称为坐标平移方程

32. 第二节 坐标变换 2、坐标旋转 坐标系｛B｝与｛A｝原点重合，但两者的方位不同，则空间任意点P在｛A｝中的描述可以表示为： 称为坐标旋转方程 3、一般变换 坐标系｛B｝与｛A｝既不共原点，方位亦不同，此时，

33. 第二节 坐标变换 4、齐次坐标变换 用4×1列向量表示三维空间坐标系中的点： 称为齐次坐标，齐次坐标具有不唯一性。引入齐次坐标后，一般变换变为：

34. 第二节 坐标变换 称为齐次变换矩阵

35. 则， 第二节 坐标变换 举例：如果 xB与yA同向；yB与zA同向；zB与xA同向。

36. 连杆6 连杆5 连杆4 连杆3 关节5 关节6 关节4 关节3 连杆2 关节2 连杆1 关节1 连杆0 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 如前所述，可以将机器人看作是一个开链式多连杆机构，始端连杆就是机器人的机座，末端连杆与工具相连，相邻连杆之间用一个关节连接在一起。 对于一个6自由度机器人，有6个连杆和6个关节组成。编号时，机座称为连杆0，不包含在这6个连杆内，连杆1与机座由关节1相连，连杆2通过关节2与连杆1相连，依此类推。

37. 轴i 轴i-1 连杆i-1 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 1、连杆参数 （1）连杆长度ai-1 连杆两端轴线间的距离 （2）连杆扭角 连杆两端轴线间的夹角，方向为从 i-1轴到 i 轴

38. 轴i 轴i-1 连杆i-1 连杆i 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 2、连杆连接参数 （1）连杆之间的距离di ai , ai-1之间的距离 （2）关节角 ai , ai-1之间的夹角，方向为从 ai-1到 ai

39. 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 以上定义为一般情况，对运动链的两端，有一些习惯约定： 如果关节1为转动关节，则1是可变的，习惯上约定d1=0 如果关节1为移动关节，则d1是可变的，习惯上约定1=0 这些约定同样适用于关节n 所以，每个连杆可以由四个参数 来描述，其中 描述的为连杆i-1本身的性质， 描述的为连杆i-1 和连杆i之间的关系。 当机器人的连杆链制作完成后，如果为转动关节，i 为变量，若为移动关节，则di 为变量，其余参数为常量。所以对于一个6自由度机器人，用18个参数描述其固定部分，用6个关节变量描述其变动部分，这种描述方法成为D-H法。（Denavit 和 Hartenberg提出的）

40. 轴i 轴i-1 连杆i-1 连杆i 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 • 3、连杆坐标系 • 为了确定各连杆之间的相对运动关系，在各连杆上分别建立一个坐标系。与机座固接的坐标系记为｛0｝，与连杆 i固接的坐标系记为｛i｝ • 坐标系｛i－1｝的建立过程： • zi-1与轴i-1重合，一般指向关节i-1 • xi-1与ai-1重合，指向关节i • yi-1按右手法则确定，yi-1=zi-1×xi-1 • 原点取在轴i-1与ai-1交点上

41. 轴i 轴i-1 连杆i-1 连杆i 第三节 机器人连杆参数及连杆坐标系 对于基坐标系｛0｝，一般约定当关节1变量为零时，｛0｝与｛1｝重合 对于末端连杆坐标系｛n｝，也约定，当关节n-1为零时，｛n｝与｛n-1｝重合 连杆参数在坐标系中的含义：

42. 第四节 连杆坐标变换及运动学方程 在各连杆上建立坐标系之后，可以进行连杆坐标系之间的变换。｛i｝到｛i-1｝的变换矩阵用 表示。 根据连杆坐标系的定义， ｛i｝到｛i-1｝的变换如下： 先假设｛i｝与｛i-1｝重合 得到坐标系｛i｝

43. 第四节 连杆坐标变换及运动学方程 这就是连杆坐标系之间的转换矩阵，机器人制作完成后，每个关节只有一个变量， 对于转动关节 对于移动关节

44. 第四节 连杆坐标变换及运动学方程 将个连杆变换矩阵相乘，可得 这就是机器人的运动学方程，描述的是末端连杆（工具）相对于基坐标系之间的变换矩阵与关节变量的之间的关系。 如果通过传感器获得各关节变量的值，就可以确定机器人末端连杆上工具的位置和姿态。这样就解决了机器人的正运动学问题。

45. 对于机器人运动学逆问题，即已知末端位姿，求各关节变量值，也就是已知 求 （求运动学方程的根） 在运动学方程两端左乘 ，对于6自由度机器人，有 第五节 运动学逆问题的相关问题 运动学方程 求解时，一般不是联立求解12个方程，而是找出方程右端的常数项，令其与左端相应项相等，即找出仅含有θ1 的方程，求出θ1 将θ1 代入上面方程中，利用同样方法，可以依次求出θ2θ3θ4 θ5θ6 求解时，需要直觉观察与经验，也可以采用数值解法（复杂）。

46. 第五节 运动学逆问题的相关问题 1、解的存在性和工作空间 指机器人能否到达所指定的位姿。 例如，对于平面2R机械手，可直观地写出其运动学方程 运动学逆问题：

47. 第五节 运动学逆问题的相关问题 • p点在圆环内有解 • 通常将解存在的区域称为机器人的工作空间。分为2类： • 灵活工作空间，工具能以任意姿态到达的目标点集合； • 可达工作空间，机器人工具至少能以一个姿态到达的目标点集合。 • 对于本例，灵活工作空间只有一个点。 如果末端再增加一个转动关节，则灵活空间会变大。即自由度增多，机器人变灵活。

48. 对于6自由度机器人，解的数量最多可达16个。 右图为PUMA560机器人，工具在当前位姿条件下，具有8组解。 第五节 运动学逆问题的相关问题 2、解的唯一性和最优解 随着自由度的增多，运动学方程的解越多，即达到空间某一位姿，各关节变量可以有多种不同的组合。如3R机械手当前的位姿，有两组解。

49. 第五节 运动学逆问题的相关问题 • 如何选取？ • 避免碰撞； • 最短行程； • 多动小关节，少动大关节； • 机器人动力学：运动与受力之间的关系 • 正问题：根据关节驱动力矩，计算操作臂的运动（位移、速度、加速度）； • 逆问题：已知机器人运动轨迹对应的位移、速度、加速度，求所需每个关节的驱动力矩；

50. 第三章 机器人驱动与控制技术 第一节 驱动电机 第二节 位置控制