一文詳解：工業(yè)機器人結構、驅動及技術

一、常用運動學構形

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、噴碼、打碼、(軟仿型)噴涂、目標跟隨、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，提高產品質量，提高勞動生產率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代有著十分重要的作用。

2、鉸鏈型操作臂(關節(jié)型)

關節(jié)的關節(jié)全都是旋轉的， 類似于人的手臂,工業(yè)機器人中最常見的結構。它的工作范圍較為復雜。

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品開發(fā)。

②車身裝配、通用機械裝配等制造質量控制等的三坐標測量及誤差檢測。

③古董、藝術品、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)療器材制作、人體外形制作、醫(yī)學整容等。

3、SCARA操作臂

SCARA機器人常用于裝配作業(yè), 最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廣泛應用于塑料工業(yè)、汽車工業(yè)、電子產品工業(yè)、藥品工業(yè)和食品工業(yè)等領域.

④搬取零件和裝配工作。

4、球面坐標型操作臂

特點：中心支架附近的工作范圍大,兩個轉動驅動裝置容易密封,覆蓋工作空間較大。但該坐標復雜, 難于控制,且直線驅動裝置存在密封的問題。

5、圓柱面坐標型操作臂

優(yōu)點：且計算簡單;直線部分可采用液壓驅動,可輸出較大的動力; 能夠伸入型腔式機器內部。 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的其它物體。

6、冗余機構

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

7、閉環(huán)結構

閉環(huán)結構可以提高機構剛度，但會減小關節(jié)運動范圍，工作空間有一定減小。

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)學工程中的細胞操作機器人、可實現(xiàn)細胞的注射和分割;

⑥微外科手術機器人;

⑦大型射電天文望遠鏡的姿態(tài)調整裝置;

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)機構單元的模塊化設計的成功典范。

工業(yè)機器人的幾種常用結構形式(圖)

二、機器人的主要技術參數(shù)

機器人的技術參數(shù)反映了機器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況，是設計、應用機器人必須考慮的問題。機器人的主要技術參數(shù)有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。

1、自由度

機器人具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目。 機器人的自由度是指確定機器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。手指的開、合，以及手指關節(jié)的自由度一般不包括在內。.機器人的自由度數(shù)一般等于關節(jié)數(shù)目。 機器人常用的自由度數(shù)一般不超過5～6個。

2、關節(jié)(Joint)

即運動副，允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動的機構。

3、工作空間

機器人手臂或手部安裝點所能達到的所有空間區(qū)域。其形狀取決于機器人的自由度數(shù)和各運動關節(jié)的類型與配置。機器人的工作空間通常用圖解法和解析法兩種方法進行表示。

4、工作速度

機器人在工作載荷條件下、勻速運動過程中，機械接口中心或工具中心點在單位時間內所移動的距離或轉動的角度。

5、工作載荷

指機器人在工作范圍內任何位置上所能承受的最大負載，一般用質量、力矩、慣性矩表示。 還和運行速度和加速度大小方向有關，一般規(guī)定高速運行時所能抓取的工件重量作為承載能力指標。

6、分辨率

能夠實現(xiàn)的最小移動距離或最小轉動角度。

7、精度

重復性或重復定位精度：指機器人重復到達某一目標位置的差異程度?；蛟谙嗤奈恢弥噶钕?，機器人連 續(xù)重復若干次其位置的分散情況。它是衡量一列誤差值的密集程度，即重復度。

三、機器人常用材料

1)碳素結構鋼和合金結構鋼 這類材料強度好，特別是合金結構鋼，其強度增大了4～5倍，彈性模量E大，抗變形能力強，是應用最廣泛的材料。

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得到了更明顯的改善，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，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)纖維增強復合材料 這類材料具有極好的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用復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善機器人動態(tài)特性的有效方法。目前有許多方法用來增加結構件材料的阻尼，其中最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件進行約束層阻尼處理。

四、機器人主要結構

㈠、機器人驅動裝置

概念：要使機器人運行起來, 需給各個關節(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、各關節(jié)動作的原動力。

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

1、電動驅動裝置

電動驅動裝置的能源簡單，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)，直接驅動比較困難。

電動驅動裝置又可分為直流(DC)、交流(AC)伺服電機驅動和步進電機驅動。 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用。 步進電機驅動多為開環(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：

1)電源電壓是否合適(過壓很可能造成驅動模塊的損壞); 對于直流輸入的+/-極性一定不能接錯，驅動控制器上的電機型號或電流設定值是否合適(開始時不要太大);

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

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

4)一定要搞清楚接地方法，還是采用浮空不接。

5)開始運行的半小時內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)問題立即停機調整。

2、液壓驅動

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動的桿件相連，結構緊湊，剛度好，響應快，伺服驅動具有較高的精度。

缺點：需要增設液壓源，易產生液體泄漏，不適合高、低溫場合，故液壓驅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)應避免粗暴，否則必然產生沖擊負荷，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)排氣后不能消除，應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、氣壓驅動

氣壓驅動的結構簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。 .但與液壓驅動裝置相比，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。

(1)具有速度快、系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適于在中、小負荷的機器人中采用。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用較多。

(2)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。

(3)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。

㈡、直線傳動機構。

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

直線傳動方式可用于直角坐標機器人的X、Y、Z向驅動，圓柱坐標結構的徑向驅動和垂直升降驅動，以及球坐標結構的徑向伸縮驅動。

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

1、齒輪齒條裝置

通常齒條是固定的。齒輪的旋轉運動轉換成托板的直線運動。

優(yōu)點：結構簡單。

缺點：回差較大。

2、滾珠絲杠

在絲杠和螺母的螺旋槽內嵌入滾珠，并通過螺母中的導向槽使?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，結構復雜。

自鎖問題：理論上滾珠絲杠副也可以自鎖,但是實際應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;因為直徑與導程比非常大，一般都是再加一套蝸輪蝸桿之類的自鎖裝置。

㈢、旋轉傳動機構

采用旋轉傳動機構的目的是將電機的驅動源輸出的較高轉速轉換成較低轉速，并獲得較大的力矩。機器人中應用較多的旋轉傳動機構有齒輪鏈、同步皮帶和諧波齒輪。

1、齒輪鏈

(1)轉速關系

(2)力矩關系

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。工作時相當于柔軟的齒輪。

優(yōu)點：無滑動，柔性好，價格便宜，重復定位精度高。

缺點：具有一定的彈性變形。

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)生器驅動柔性齒輪旋轉。 主要特點：

(1)、傳動比大，單級為50—300。

(2)、傳動平穩(wěn)，承載能力高。

(3)、傳動效率高,可達70%—90%。

(4)、傳動精度高,比普通齒輪傳動高3—4倍。

(5)、回差小，可小于3’。

(6)、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比較先進的國家已得到了廣泛的應用。僅就日本來說，機器人驅動裝置的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。

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單獨驅動的。 .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。

㈣、機器人傳感系統(tǒng)

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

2、智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。

3、智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應性和智能化的水準。

4、對于一些特殊的信息, 傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

㈤、機器人位置檢測

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

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

電位計是最直接的位置檢測形式。它連接在電橋中，能夠產生與軸轉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。

轉速計能夠輸出與軸的轉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。

㈥、機器人力檢測

力傳感器通常安裝在操作臂下述三個位置：

1、安裝在關節(jié)驅動器上。可測量驅動器/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。

2、安裝在末端執(zhí)行器與操作臂的終端關節(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。

3、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置了應變計，可以測量作用在指尖上的一個到四個分力。

㈦、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

1、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)境中的設備相互聯(lián)系和協(xié)調的系統(tǒng)。

2、工業(yè)機器人與外部設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、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成 。

3、也可以是多臺機器人、多臺機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復雜任務的功能單元。

㈧、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。

五、 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”是對驅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);示教也稱導引，即由用戶導引機器人，一步步按實際任務操作一遍，機器人在導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)精確控制的條件：精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)、多關節(jié)位置控制、多關節(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、自適應控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制 、專家控制以及其他;

4、控制系統(tǒng)硬件配置及結構：

由于機器人的控制過程中涉及大量的坐標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)在結構上大多數(shù)采用分層結構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，首先分析解釋指令，確定手的運動參數(shù)。

然后進行運動學、動力學和插補運算，最后得出機器人各個關節(jié)的協(xié)調運動參數(shù)。這些參數(shù)經(jīng)過通信線路輸出到伺服控制級，作為各個關節(jié)伺服控制系統(tǒng)的給定信號。關節(jié)驅動器將此信號D/A轉換后驅動各個關節(jié)產生協(xié)調運動。 傳感器將各個關節(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：

1、利用PLC的某些輸出端口使用脈沖輸出指令來產生脈沖驅動電機，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。

2、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。