Основы робототехники

А. В. Титенок 
ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ 
Учебное пособие 
Москва     Вологда  
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 681.5 
ББК 32.816 
Т45 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, проректор по перспективному  
развитию Брянского государственного технического университета  
Киричек А. В.; 
доктор технических наук, профессор кафедры колесных машин Калужского 
филиала Московского государственного технического университета  
им. Н. Э. Баумана Сидоров В. Н. 
Титенок, А. В. 
Т45  
Основы робототехники : учебное пособие / А. В. Титенок. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 236 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0872-1
Рассмотрены этапы эволюции промышленных роботов, даны основные конструктивные схемы, приведены характеристики и схемы систем управления, изложены сведения о механизмах и устройствах новой техники. Представлены сведения по применению промышленных роботов в машиностроении на конкретных примерах. Рассмотрена система безопасности труда операторов промышленных роботов. 
Для студентов среднего профессионального образования. 
УДК 681.5 
ББК 32.816 
ISBN 978-5-9729-0872-1 
” Титенок А. В., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 Предисловие………………………………………………………. 
6 
 Введение…………………………………………………………… 
7 
 Основные понятия………………………………………………… 
8 
 Принятые термины и определения………………………………. 
9 
Глава 1. Общие сведения о робототехнике………….…………………… 
10 
 1.1. Ретроспектива промышленных роботов …………………. 
10 
 1.2. Этапы роботизации и поколения роботов …………………. 
13 
 1.3. Классификация промышленных роботов………………… 
22 
 1.4. Перспектива робототехники………………………………… 
25 
 1.5. Аналоги промышленных роботов ……………….................. 
26 
 
1.5.1. Автооператоры………………………………………… 
26 
 
1.5.2. Манипуляционные роботы с ручным управлением.... 
29 
 
1.5.3. Сбалансированные манипуляторы ………………….. 
30 
 
1.5.4. Краны с жестким подвесом груза ……………............ 
31 
 
1.5.5. Специальные манипуляторы…………………………. 
31 
 1.6. Номенклатура основных показателей ПР…………………... 
32 
 1.7. Системы координат ориентации роботов………………… 
41 
 Контрольные вопросы к главе 1……………………………………. 
44 
Глава 2. Структурные и кинематические схемы манипуляторов……… 
45 
 2.1. Степени подвижности и кинематические пары……........... 
45 
 2.2. Критерии сравнения кинематических схем……………….. 
46 
 2.3. Манипуляторы с двумя степенями подвижности …………. 
50 
 2.4. Манипуляторы с тремя степенями подвижности …………. 
54 
 2.5. Схемы ориентирующих устройств………………………….. 
61 
 2.6. Дополнительные степени подвижности…………………… 
64 
 2.7. Модульные промышленные роботы……………………… 
68 
 
2.7.1. Принципы модульного построения оборудования .… 
68 
 
2.7.2. Модули промышленных роботов и их построение .... 
71 
 
2.7.3. Примеры модульных роботов……………………….. 
77 
 Контрольные вопросы к главе 2……………………………………… 
81 
Глава 3. Управление движениями: от человека – к роботу…………….. 
82 
 3.1. Руки человека и робота……………………............................ 
82 
 3.2. Общая схема УД человека…………………………………… 
85 
 
3.2.1. Динамические уровни УД…………………………….. 
85 
 
3.2.2. Тактический уровень УД……………………………... 
87 
 
3.2.3. Стратегический уровень УД…………………….……. 
87 
 3.3. Общая схема УД робота……………………………………... 
89 
 
3.3.1. Исполнительная система робота.……………………. 
89 
 
3.3.2. Управление и программирование роботов ..………... 
89 
3.3.3. Обучение промышленных роботов…………………… 
89 
3 
 

3.3.4. Цикловое управление………………………………….. 92 
3.3.5. Управление от ЭВМ и интеллектные роботы………… 93 
3.3.5.1. УД руки робота на основе сенсорной  
информации …………………………………… 
93 
 
3.3.5.2. Техническое зрение………………………………… 93 
 
3.3.5.3. Методы программирования……………………. 
94 
 
3.3.6. Направление развития робототехники……………….. 94 
3.3.7. Многозвенные управляемые манипуляторы………… 
95 
3.3.8. Использование тактильной информации……………. 
98 
 
3.3.8.1. Управление с тактильной обратной связью….. 98 
 
3.3.8.2. Управление с силовой обратной связью……… 99 
 
3.3.8.3. Анализ силовой информации……………………. 100 
3.4. Зрение промышленных роботов…………………………… 
101 
3.4.1. Применение систем технического зрения…………… 101 
 
3.4.1.1. Обеспечение видимости объектов.…………… 102 
 
3.4.1.2. Обработка изображений 
 в реальном времени……………………………….. 102 
 
3.4.1.3. Обеспечение достоверности распознования… 103 
 
3.4.1.4. Адаптация к изменению класса  
распозноваемых объектов……………………… 
 
103 
3.4.2. Структура системы технического зрения……………. 103 
3.5. Языки программирования промышленных роботов………. 105 
Контрольные вопросы к главе 3……………………………………… 107 
Глава 4. Механизмы и элементы конструкций роботов ..………………. 
108 
 4.1. Механизмы промышленных роботов ………………………. 108 
 4.2. Приводные механизмы промышленных роботов………….. 109 
 
4.2.1. Пневматический привод промышленных роботов….. 109 
 
4.2.2. Гидравлический привод промышленных роботов….. 117 
 
4.2.3. Электрический привод промышленных роботов…… 122 
 
4.2.4. Комбинированные приводы промышленных роботов… 130 
 
4.2.5. Микроприводы промышленных роботов…………… 
132 
 
4.2.6. Техническая мышца – разновидность привода  
роботов ………………………………………………….. 134 
 
4.2.6.1. Мышцы человека……………............................. 
134 
 
4.2.6.2. Мышцы робота…………………….................... 
135 
 
4.2.7. Рекуперация энергии в приводах роботов………….. 
138 
 4.3. Механизмы передач промышленных роботов…………….. 
139 
 Контрольные вопросы к главе 4…………………………………….. 
145 
Глава 5. Несущие конструкции промышленных роботов……………… 
146 
 Контрольные вопросы к главе 5……………………………………. 
149 
Глава 6. Рабочие органы промышленных роботов…………………….. 
150 
 6.1. Технологические рабочие органы……………................... 
150 
 6.2. Рабочие органы для сборки и разборки изделий………… 
151 
 6.3. Сварочные рабочие органы ………………........................ 
152 
4 
 

 6.4. Пневматическая очистка деталей машин……………........... 154 
 6.5. Рабочие органы для обработки изделий……………………. 154 
 6.6. Рабочие органы для нанесения покрытий на изделия........... 154 
 6.7. Рабочие органы-дозаторы…………………………………. 
155 
 6.8. Контрольно-измерительные рабочие органы ……………. 
156 
 Контрольные вопросы к главе 6……………………………………. 
157 
Глава 7. Процесс манипулирования объектами……………………........... 158 
 7.1. Классификация объектов манипулирования……………….. 158 
 7.2. Требования к робототехническому комплексу …….……… 160 
 7.3. Концепция схвата – от человека к роботу……………….. 
162 
 
7.3.1. Предмет берет человек…………………....................... 162 
 
7.3.2. Предмет берет робот…………………………………… 168 
 Контрольные вопросы к главе 7……………………………………. 
172 
Глава 8.  Захватывающие устройства промышленных роботов…………. 173 
 Контрольные вопросы к главе 8……………………………………… 182 
Глава 9. Роботизация производства……………………………………….. 183 
 9.1. Механическая обработка металлов…………………………. 183 
 9.2. Кузнечно-прессовое производство………………………….. 184 
 9.3. Литейное производство…………………………………….. 
185 
 9.4. Особенности роботизации сварочного производства........... 194 
 9.5. Роботизация сборочных, окрасочных  
и складских операций…………………………………...….. 
 
200 
 Контрольные вопросы к главе 9……………………………………… 201 
Глава 10. Безопасность труда операторов промышленных роботов…… 
202 
 10.1. Промышленные роботы с позиции охраны труда………... 202 
 10.2. Требования безопасности к конструкциям роботов……… 203 
 10.3. Организация безопасного роботизированного труда…….. 207 
 10.4. Эксплуатационные требования к безопасности труда…… 215 
 10.5. Рекомендации операторам промышленных роботов  
по безопасности труда……………………………………… 
 
218 
 10.6. Рекомендации операторам промышленных роботов  
по электрической безопасности……………………………. 
 
219 
 10.7. Охрана труда в роботизированном производстве..... …….. 230 
 Контрольные вопросы к главе 10……………………………………. 234 
 Библиографический список………………………......................... 235 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Учебное пособие создано на основе материалов дисциплины «Основы робототехники», по которой автор вел занятия для студентов специальности 
«Наземные транспортно-технологические средства». 
Учебное пособие состоит из десяти глав. 
В первой главе представлена общая концепция создания промышленных 
роботов. Во второй главе рассмотрены структурные и кинематические схемы манипуляторов – механических рук производства. Третья глава посвящена управлением движения в концепции – «от человека к роботу». 
В четвёртой главе рассмотрены основные механизмы и элементы конструкций промышленных роботов. Пятая глава посвящена несущим конструкциям промышленных роботов. В шестой главе рассмотрены рабочие органы промышленных роботов. Седьмая глава посвящена процессу манипулирования технологическими объектами. В восьмой главе рассмотрены варианты захватывающих конструкций промышленных роботов.  
Девятая глава посвящена применению промышленных роботов в машиностроении на конкретных примерах. 
В десятой главе рассказывается о безопасности труда операторов промышленных роботов. Эта, последняя глава создана на основе материалов, применяемых автором в период работы в должности профессора кафедры «Безопасность 
жизнедеятельности и инженерная экология».  
В конце учебного пособия приведен список используемой и рекомендуемой литературы.  
Учебное пособие предназначено для студентов среднего профессионального образования и ориентировано на предметы, где промышленный робот рассматривается с позиции изделия, автоматизирующего производство.  
Задачи, решаемые в учебном пособии: систематизировать сведения о промышленных роботах; дать представления о манипуляторах, обосновать выбор 
кинематических схем; показать принцип модульности в роботизированном производстве; показать типовой пример применения промышленных роботов; ознакомить с системой управления охраной труда на роботизированном промышленном предприятии. 
6 

ВВЕДЕНИЕ 
Робототехника – это наука и практика проектирования, производства и 
применения роботов. 
Первое научное определение роботов, как результат мнения 120 человек из 
156 учёных-экспертов: «Подвижные системы, способные «обучаться» и прокладывать кратчайший путь на площадке с произвольно расположенными препятствиями к назначенной цели без столкновений» [1, с. 10].  
Современный робот – это «исполнительный механизм, программируемый 
по двум или более степеням подвижности, обладающий определенной степенью 
автономности и способный перемещаться во внешней среде с целью выполнения 
задач по назначению» [2, с. 5].  
Для автоматизации производственных процессов применяют промышленные роботы (ПР). Это эффективно в условиях многономенклатурного производства. Для него характерна частая смена выпускаемых изделий. При механической обработке деталей с использованием ПР автоматизируют технологические 
операции: установку заготовок в рабочую зону станка и контроль правильности 
их базирования; снятие обработанных заготовок со станка и размещение их  
в накопителе; передачу заготовок от станка к станку; перемещение заготовок  
в процессе обработки; смену инструментов.  
Область применения ПР определяется их компоновкой. Она определяется 
способом установки ПР на рабочем месте, системой рабочих координат, числом 
степеней подвижности его элементов. Характеристики, материал и масса заготовок влияют на выбор и технологическую структуру ПР, конструкцию вспомогательных устройств и схватов.  
Промышленный робот воспринимает окружающую среду с помощью сенсоров; понимает и распознаёт окружающий его мир; строит модели собственного поведения для выполнения определённых ему технологических операций; 
воздействует на окружающий его материальный мир. 
7 

 
 
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИСЦИПЛИНЫ 
 
Производственным (промышленным) роботом (ПР) назовём стационарную или мобильную автоматическую машину, управляемую компьютером и способную выполнять различные рабочие операции посредством манипулятора (М).  
Манипулятор – это механическая рука, выполняющая функции, аналогичные функциям человеческой руки, управляемая оператором или действующая 
автоматически.  
Робототехника – область науки и техники, ориентированная на улучшение условий труда человека и связанная с созданием, исследованием и применением роботов. 
Цель робототехники – создание и применение роботов для их использования в робототехнических системах разного назначения. 
Современная робототехника возникла на основе синтеза механики и кибернетики. Для механики это связано с развитием многозвенных механизмов 
типа манипуляторов, а для кибернетики – с развитием интеллектуального управления этими механизмами. В этом развитии заключаются задачи робототехники. 
Главными отличительными чертами роботов от традиционных средств автоматизации являются гибкость, адаптивность, интеллектность и универсальность. 
 
Гибкость роботов – это способность их управляющей системы быстро перестраиваться на выполнение новых операций путем перепрограммирования движений роботов в режиме обучения их управляющей системы. 
Адаптивность роботов характеризуется способностью быстро реагировать на внешние и внутренние возмущения и автоматически приспосабливаться 
к изменяющимся условиям функционирования.  
Эту способность определяют, прежде всего, средствами их «очувствления», т. е. количеством и характеристиками датчиков внутренней и внешней информации, а также алгоритмическим и программным обеспечением самонастройки (адаптации) управляющей системы. 
 
Интеллектность роботов заключается в их способностях решать задачи 
интеллектуального характера: анализ сложных изображений и сцен, распознавание образов, планирование движений и операций, диагностика состояний и т. п. 
 
Универсальность (многофункциональность) роботов позволяет решать 
не одну, а целый класс производственных задач. 
 
 
 
 
 
 
8 
 

 
 
ПРИНЯТЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
Технологический промышленный робот – промышленный робот для выполнения технологических переходов, операций, процессов, оснащенный рабочим или измерительным инструментом. 
Вспомогательный промышленный робот – промышленный робот для обслуживания технологического оборудования, перемещения объектов, оснащенный захватным устройством. 
Специальный робот – это робот для выполнения одной операции одного 
вида. 
Специализированный робот – это робот для выполнения различных операций одного вида. 
Универсальный робот – робот для выполнения различных операций различных видов. 
Жесткопрограммируемый робот – робот, управляющая программа которого, введенная на этапе программирования, не может быть изменена в процессе 
работы в зависимости от функционирования робота и контролируемых параметров рабочей среды. 
Адаптивный робот – это робот, управляющая программа которого может 
автоматически меняться в процессе работы в зависимости от функционирования 
робота и (или) контролируемых параметров рабочей среды. Не следует смешивать понятия «адаптивный робот» и «очувствленный робот», который, обладая 
датчиками внешней информации, может не иметь средств автоматического изменения управляющей программы в процессе функционирования. 
Интеллектный робот – робот, управляющая программа которого может полностью или частично формироваться автоматически в соответствии с поставленным заданием и в зависимости от состояния рабочей среды. 
Манипуляционный робот – робот для выполнения двигательных функций, 
аналогичных функциям руки человека. 
Стационарный манипуляционный робот – манипуляционный робот, закрепленный на неподвижном основании. 
Мобильный робот – робот, способный перемещаться в рабочей среде в соответствии с управляющей программой. Мобильный робот может быть снабжен 
манипулятором. К мобильным роботам не относятся передвижные манипуляционные роботы, которые могут быть оперативно перемещены в рабочей среде 
вручную или при помощи транспортных средств с ручным управлением. 
 
 
 
 
 
 
9 
 

ГЛАВА 1  
ÎÁÙÈÅ ÑÂÅÄÅÍÈß Î ÐÎÁÎÒÎÒÅÕÍÈÊÅ 
1.1. Ðåòðîñïåêòèâà ïðîìûøëåííûõ ðîáîòîâ 
Применительно к промышленности слово «робот» впервые использовал 
чешский драматург Карел Чапек (рис. 1.1) в своей фантастической пьесе «Россумовские универсальные роботы» – 1920 год. 
Рис. 1.1. Карел Чапек 
Пьеса Карела Чапека пробудила всеобщий интерес к роботам. Начался 
настоящий бум роботизации, но «первыми роботами» были литературные герои. Так, в начале XX века наметился прогресс в создании роботов того вида, который характерен для них сейчас. Об этом свидетельствует и появление самого понятия «робот». Оно происходит от чешского слова robota, что означает принудительный труд. В английский язык это слово пришло из пьесы Карела Чапека, впервые показанной на сцене в 1921 г. Пьеса рассказывала о некоем Россуме, 
10