1 工業(yè)機器人的主要組成部分

1、機器人驅(qū)動裝置

概念：要使機器人運行起來, 需給各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度安置傳動裝置 作用：提供機器人各部位、各關(guān)節(jié)動作的原動力。

驅(qū)動系統(tǒng)：可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動, 或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng); 可以是直接驅(qū)動或者是通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接驅(qū)動。

（1）電動驅(qū)動裝置

電動驅(qū)動裝置的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。

電動驅(qū)動裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機驅(qū)動和步進電機驅(qū)動。 直流伺服電機電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 步進電機驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。

電動上電運行前要作如下檢查：

電源電壓是否合適（過壓很可能造成驅(qū)動模塊的損壞）； 對于直流輸入的+/-極性是不能接錯的，驅(qū)動控制器上的電機型號或電流設(shè)定值是否合適（開始時不要太大）；

控制信號線接牢靠，工業(yè)現(xiàn)場好要考慮屏蔽問題（如采用雙絞線）；

不要開始時就把需要接的線全接上，只連成基本的系統(tǒng)，運行良好后，再逐步連接。

需要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。

開始運行的半小時內(nèi)要密切觀察電機的狀態(tài)，如運動是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停機調(diào)整。

（2）液壓驅(qū)動

通過高精度的缸體和活塞來完成，通過缸體和活塞桿的相對運動實現(xiàn)直線運動。

優(yōu)點：功率大，可省去減速裝置直接與被驅(qū)動的桿件相連，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度。

缺點：需要增設(shè)液壓源，易產(chǎn)生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅(qū)動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。

選擇適合的液壓油。 防止固體雜質(zhì)混入液壓系統(tǒng)，防止空氣和水入侵液壓系統(tǒng) 。機械作業(yè)要柔和平順機械作業(yè)應(yīng)避免粗暴，否則必然產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，使機械故障頻發(fā)，大大縮短使用壽命。要注意氣蝕和溢流噪聲。作業(yè)中要時刻注意液壓泵和溢流閥的聲音，如果液壓泵出現(xiàn)“氣蝕”噪聲，經(jīng)排氣后不能除去，應(yīng)查明原因排除故障后才能使用。 保持適宜的油溫。液壓系統(tǒng)的工作溫度一般控制在30～80℃之間為宜。

（3）氣壓驅(qū)動

氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。 .但與液壓驅(qū)動裝置相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制機器人。

a.具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點。適于在中、小負(fù)荷的機器人中采用。但因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械人中，如在上、下料和沖壓機器人中應(yīng)用較多。

b.在多數(shù)情況下是用于實現(xiàn)兩位式的或有限點位控制的中、小機器人中的。

c.控制裝置目前多數(shù)選用可編程控制器(PLC控制器)。在易燃、易爆場合下可采用氣動邏輯元件組成控制裝置。

2、直線傳動機構(gòu)

傳動裝置是連接動力源和運動連桿的關(guān)鍵部分，根據(jù)關(guān)節(jié)形式，常用的傳動機構(gòu)形式有直線傳動和旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)。

直線傳動方式可用于直角坐標(biāo)機器人的X、Y、Z向驅(qū)動，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動，以及球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。

直線運動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉(zhuǎn)的運動轉(zhuǎn)換成直線運動，也可以有直線驅(qū)動電機驅(qū)動，也可以直接由氣缸或液壓缸的活塞產(chǎn)生。

（1）齒輪齒條裝置

通常齒條是固定的。齒輪的旋轉(zhuǎn)的運動轉(zhuǎn)換成托板的直線運動。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。

缺點：回差較大。

（2）滾珠絲杠

在絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入滾珠，并通過螺母中的導(dǎo)向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán)。

優(yōu)點：摩擦力小，傳動效率高，無爬行，精度高

缺點：制造成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

自鎖問題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實際應(yīng)用上沒有使用這個自鎖的,原因主要是：可靠性很差，或加工成本很高；因為直徑與導(dǎo)程比非常大，一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類的自鎖裝置。

3、旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)

采用旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)的目的是將電機的驅(qū)動源輸出的較高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成較低轉(zhuǎn)速，并獲得較大的力矩。機器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

（1）齒輪鏈

a.轉(zhuǎn)速關(guān)系

b.力矩關(guān)系

（2）同步皮帶

同步帶是具有許多型齒的皮帶，它與同樣具有型齒的同步皮帶輪相嚙合。工作時相當(dāng)于柔軟的齒輪。

優(yōu)點：無滑動，柔性好，價格便宜，重復(fù)定位精度高。

缺點：具有彈性變形。

（3）諧波齒輪

諧波齒輪由剛性齒輪、諧波發(fā)生器和柔性齒輪三個主要零件組成，一般剛性齒輪固定，諧波發(fā)生器驅(qū)動柔性齒輪旋轉(zhuǎn)。 主要特點：

a.傳動比大，單級為50—300。

b.傳動平穩(wěn)，承載能力高。

c.傳動效率高,可達70%—90%。

d.傳動精度高,比普通齒輪傳動高3—4倍。

e.回差小，可小于3’。

f.不能獲得中間輸出，柔輪剛度較低。

諧波傳動裝置在機器人技術(shù)比較先進的國家已得到了廣泛的應(yīng)用。僅就日本來說，機器人驅(qū)動裝置的60％都采用了諧波傳動。

美國送到月球上的機器人，其各個關(guān)節(jié)部位都采用諧波傳動裝置，其中一只上臂就用了30個諧波傳動機構(gòu)。

前蘇聯(lián)送入月球的移動式機器人“登月者”，其成對安裝的8個輪子均是用密閉諧波傳動機構(gòu)單獨驅(qū)動的。 德國大眾汽車公司研制的ROHREN、GEROT R30型機器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL 80型機器人等都采用了諧波傳動機構(gòu)。

4、機器人傳感系統(tǒng)

a.感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成, 用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。

b.智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。

c.智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。

d.對于一些特別的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有利。

5、機器人位置檢測

旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器是常用的位置反饋裝置。光電探測器把光脈沖轉(zhuǎn)化成二進制波形。軸的轉(zhuǎn)角通過計算脈沖數(shù)得到，轉(zhuǎn)動方向由兩個方波信號的相對相位決定。

感應(yīng)同步器輸出兩個模擬信號——軸轉(zhuǎn)角的正弦信號和余弦信號。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個信號的相對幅值計算得到。感應(yīng)同步器一般比編碼器可靠，但它的分辨率較低。

電位計是直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，能夠產(chǎn)生與軸轉(zhuǎn)角成正比的電壓信號。但是，由于分辨率低、線性不好以及對噪聲敏感。

轉(zhuǎn)速計能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號。如果沒有這樣的速度傳感器，可以通過對檢測到的位置相對于時間的差分得到速度反饋信號。

6、機器人力檢測

力傳感器通常安裝在操作臂下述三個位置：

a.安裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上。可測量驅(qū)動器/減速器自身的力矩或者力的輸出。但不能很好地檢測末端執(zhí)行器與環(huán)境之間的接觸力。

b.安裝在末端執(zhí)行器與操作臂的終端關(guān)節(jié)之間，可稱腕力傳感器。通常，可以測量施加于末端執(zhí)行器上的三個到六個力/力矩分量。

c.安裝在末端執(zhí)行器的“指尖”上。通常，這些帶有力覺得手指內(nèi)置了應(yīng)變計，可以測量作用在指尖上的一個到四個分力。

7、機器人－環(huán)境交互系統(tǒng)

a.機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。

b.工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成 。

c.也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

8、人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置。 該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類: 指令給定裝置和信息顯示裝置。

2 工業(yè)機器人的常用運動學(xué)構(gòu)形

1、笛卡爾操作臂

優(yōu)點：很容易通過計算機控制實現(xiàn)，容易達到高精度。

缺點：妨礙工作, 且占地面積大, 運動速度低, 密封性不好。

①焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂、目標(biāo)跟隨、排爆等一系列工作。

②特別適用于多品種，便批量的柔性化作業(yè)，對于穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，改良勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代有著十分重要的作用。

2、鉸鏈型操作臂（關(guān)節(jié)型）

關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的， 類似于人的手臂,工業(yè)機器人中常見的結(jié)構(gòu)。它的工作范圍較為復(fù)雜。

①汽車零配件、模具、鈑金件、塑料制品、運動器材、玻璃制品、陶瓷、航空等的快速檢測及產(chǎn)品開發(fā)。

②車身裝配、通用機械裝配等制造質(zhì)量控制等的三坐標(biāo)測量及誤差檢測。

③古董、藝術(shù)品、雕塑、卡通人物造型、人像制品等的快速原型制作。

④汽車整車現(xiàn)場測量和檢測。

⑤人體形狀測量、骨骼等醫(yī)器材制作、人體外形制作、醫(yī)學(xué)整容等。

3、SCARA操作臂

SCARA機器人常用于裝配作業(yè), 顯著的特點是它們在x-y平面上的運動具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機器人在裝配作業(yè)中獲得了較好的應(yīng)用。

①大量用于裝配印刷電路板和電子零部件

②搬動和取放物件，如集成電路板等

③廣泛應(yīng)用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產(chǎn)品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域.

④搬取零件和裝配工作。

4、球面坐標(biāo)型操作臂

特點：中心支架附近的工作范圍大,兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標(biāo)復(fù)雜, 難于控制,且直線驅(qū)動裝置存在密封的問題。

5、圓柱面坐標(biāo)型操作臂

優(yōu)點：且計算簡單;直線部分可采用液壓驅(qū)動,可輸出較大的動力; 能夠伸入型腔式機器內(nèi)部。

缺點：它的手臂可以到達的空間受到限制, 不能到達近立柱或近地面的空間。直線驅(qū)動部分難以密封、防塵; 后臂工作時, 手臂后端會碰到工作范圍內(nèi)的其它物體。

6、冗余機構(gòu)

通常空間定位需要6個自由度，利用附加的關(guān)節(jié)可以幫助機構(gòu)避開奇異位形。下圖為7自由度操作臂位形

7、閉環(huán)結(jié)構(gòu)

閉環(huán)結(jié)構(gòu)可以提高機構(gòu)剛度，但會減小關(guān)節(jié)運動范圍，工作空間有數(shù)字的減小。

①運動模擬器；

②并聯(lián)機床；

③微操作機器人；

④力傳感器；

⑤生物醫(yī)學(xué)工程中的細(xì)胞操作機器人、可實現(xiàn)細(xì)胞的注射和分割；

⑥微外科手術(shù)機器人；

⑦大型射電天文望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)調(diào)整裝置；

⑧混聯(lián)裝備等，如SMT公司的Tricept混聯(lián)機械手模塊是基于并聯(lián)機構(gòu)單元的模塊化設(shè)計的成功典范。

3 工業(yè)機器人常用材料

1）碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼 這類材料強度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強度增大了4～5倍，彈性模量E大，抗變形能力強，是應(yīng)用廣泛的材料。

2）鋁、鋁合金及其他輕合金材料 這類材料的共同特點是重量輕，彈性模量E并不大，但是材料密度小，故E/ρ之比仍可與鋼材相比。有些稀貴鋁合金的品質(zhì)得到了更明顯的改良，例如添加3.2％(重量百分比)鋰的鋁合金，彈性模量增加了14％，E/ρ比增加了16％。

3）纖維增強合金 這類合金如硼纖維增強鋁合金、石墨纖維增強鎂合金等，其E/ρ比分別達到11.4×107和8.9×107。這種纖維增強金屬材料具有非常高的E/ρ比，但價格昂貴。

4）陶瓷 陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，不易加工，日本已經(jīng)試制了在小型高精度機器人上使用的陶瓷機器人臂樣品。

5）纖維增強復(fù)合材料 這類材料具有很好的E/ρ比，而且還具有十分突出的大阻尼的優(yōu)點。傳統(tǒng)金屬材料不可能具有這么大的阻尼，所以在高速機器人上應(yīng)用復(fù)合材料的實例越來越多。

6）粘彈性大阻尼材料 增大機器人連桿件的阻尼是改良機器人動態(tài)特性的有作用的方法。目前有許多方法用來增加結(jié)構(gòu)件材料的阻尼，其中適合機器人采用的一種方法是用粘彈性大阻尼材料對原構(gòu)件進行約束層阻尼處理。

4 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)

1、機器人的控制系統(tǒng)

“控制”的目的是使被控對象產(chǎn)生控制者所期望的行為方式。 .“控制”的基本條件是了解被控對象的特性。 “實質(zhì)”是對驅(qū)動器輸出力矩的控制。

2、機器人示教原理

機器人的基本工作原理是示教再現(xiàn)；示教也稱導(dǎo)引，即由用戶導(dǎo)引機器人，一步步按實際任務(wù)操作一遍，機器人在導(dǎo)引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)/工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機器人一個啟動命令，機器人將精細(xì)準(zhǔn)確地按示教動作，一步步完成全部操作。

3、機器人控制的分類

1）按照有無反饋分為：開環(huán)控制、閉環(huán)控制；開環(huán)精細(xì)準(zhǔn)確控制的條件：精細(xì)準(zhǔn)確地知道被控對象的模型，并且這一模型在控制過程中保持不變。

2）按照期望控制量分為：位置控制，力控制，混合控制 ；位置控制分為：單關(guān)節(jié)位置控制（位置反饋，位置速度反饋，位置速度加速度反饋）、多關(guān)節(jié)位置控制、多關(guān)節(jié)位置控制分為分解運動控、集中控制；力控制分為：直接力控制、阻抗控制、力位混合控制；

3）智能化的控制方式 ：模糊控制、自適應(yīng)控制、優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 、專家控制以及其他；

4、控制系統(tǒng)硬件配置及結(jié)構(gòu)

由于機器人的控制過程中涉及大量的坐標(biāo)變換和插補運算以及較低層的實時控制，所以，目前的機器人控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上大多數(shù)采用分層結(jié)構(gòu)的微型計算機控制系統(tǒng)，通常采用的是兩級計算機伺服控制系統(tǒng)。

1）具體流程：

主控計算機接到工作人員輸入的作業(yè)指令后，先分析解釋指令，確定手的運動參數(shù)。

然后進行運動學(xué)、動力學(xué)和插補運算，后得出機器人各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動參數(shù)。這些參數(shù)經(jīng)過通信線路輸出到伺服控制級，作為各個關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號。關(guān)節(jié)驅(qū)動器將此信號D/A轉(zhuǎn)換后驅(qū)動各個關(guān)節(jié)產(chǎn)生協(xié)調(diào)運動。 傳感器將各個關(guān)節(jié)的運動輸出信號反饋回伺服控制級計算機形成局部閉環(huán)控制，從而更加精西歐準(zhǔn)確的控制機器人手部在空間的運動。

2）基于PLC的運動控制 兩種控制方式：

a.利用PLC的某些輸出端口使用脈沖輸出指令來產(chǎn)生脈沖驅(qū)動電機，同時使用通用I/O或者計數(shù)部件來實現(xiàn)電機的閉環(huán)位置控制。

b.使用PLC外部擴展的位置控制模塊來實現(xiàn)電機的閉環(huán)位置控制主要是以發(fā)高速脈沖方式控制，屬于位置控制方式，一般點到點的位置控制方式較多。

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