工業(yè)機器人驅(qū)動技術(shù)及結(jié)構(gòu)

曉昀

一,、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,。
' ^( ~; t1 R* r/ [0 [) L7 [$ r 缺點：妨礙工作, 且占地面積大, 運動速度低, 密封性不好。

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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,，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代有著十分重要的作用,。

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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)機器人中最常見的結(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)療器材制作,、人體外形制作、醫(yī)學(xué)整容等,。

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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, 它具有選擇性和柔性。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。

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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。

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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,。

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6,、冗余機構(gòu)

通�,？臻g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

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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(xué)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(shù)機器人；

⑦大型射電天文望遠鏡的姿態(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。

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工業(yè)機器人的幾種常用結(jié)構(gòu)形式（圖）

二,、機器人的主要技術(shù)參數(shù)

機器人的技術(shù)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(shè)計,、應(yīng)用機器人必須考慮的問題,。機器人的主要技術(shù)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(biāo)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(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi),。.機器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)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(guān)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(gòu)。

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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(guān)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(nèi)所移動的距離或轉(zhuǎn)動的角度,。

5、工作載荷

指機器人在工作范圍內(nèi)任何位置上所能承受的最大負(fù)載,，一般用質(zhì)量,、力矩、慣性矩表示,。還和運行速度和加速度大小方向有關(guān),，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(biāo)。

6,、分辨率

能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度,。

7、精度

重復(fù)性或重復(fù)定位精度：指機器人重復(fù)到達某一目標(biāo)位置的差異程度,�,；蛟谙嗤�的位置指令下，機器人連 續(xù)重復(fù)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(fù)度。

三,、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(zhì)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(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(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(jié)構(gòu)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(gòu)件進行約束層阻尼處理,。

四,、機器人主要結(jié)構(gòu)

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㈠、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：

1）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+/-極性一定不能接錯，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）,；

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）一定要搞清接地方法，還是采用浮空不接,。

5）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)排氣后不能消除,，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,。

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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,。

（1）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,。

（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(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)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)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,。
  
  

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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,。

㈢、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

（1）轉(zhuǎn)速關(guān)系

（2）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：具有一定的彈性變形,。
  
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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：

(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(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),。

㈣、機器人傳感系統(tǒng)

1,、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,。

2、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),。

3、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),。

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(zhuǎn)光學(xué)編碼器是最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。

電位計是最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。

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(guān)節(jié)驅(qū)動器上�,？蓽y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,。

2,、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。

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(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,。

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(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng),。

2,、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 。

3,、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,。

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(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,。

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2,、機器人示教原理

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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(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,、最優(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),。

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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(xué)、動力學(xué)和插補運算,，最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(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,。

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

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童子智少

有用

遠祥

挺好的理論知識,，感謝樓主分享,。

wanax

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nature1021

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奈索橋

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超聲振動切削

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wonder-free

jzran

wonder-free 發(fā)表于 2020-12-23 23:21

您好，還能進群嗎,，可以拉一下嗎,？
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