一文詳解：工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、驅(qū)動及技術(shù)

一、常用運(yùn)動學(xué)構(gòu)形

1、笛卡爾操作臂

優(yōu)點：很容易通過計算機(jī)控制實現(xiàn)，容易達(dá)到高精度。缺點：妨礙工作, 且占地面積大, 運(yùn)動速度低, 密封性不好。

①焊接、搬運(yùn)、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。

2、鉸鏈型操作臂(關(guān)節(jié)型)

關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)全都是旋轉(zhuǎn)的， 類似于人的手臂,工業(yè)機(jī)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(yùn)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(jī)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。

3、SCARA操作臂

SCARA機(jī)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(yùn)動具有較大的柔性, 而沿z軸具有很強(qiáng)的剛性, 所以, 它具有選擇性的柔性。這種機(jī)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(jī)器內(nèi)部。 缺點：它的手臂可以到達(dá)的空間受到限制, 不能到達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)剛度，但會減小關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，工作空間有一定減小。

①運(yùn)動模擬器;

②并聯(lián)機(jī)床;

③微操作機(jī)器人;

④力傳感器;

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

⑥微外科手術(shù)機(jī)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(jī)械手模塊是基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)單元的模塊化設(shè)計的成功典范。

工業(yè)機(jī)器人的幾種常用結(jié)構(gòu)形式(圖)

二、機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)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(jī)器人必須考慮的問題。機(jī)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(jī)器人具有的獨立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目。 機(jī)器人的自由度是指確定機(jī)器人手部在空間的位置和姿態(tài)時所需要的獨立運(yùn)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(jī)器人的自由度數(shù)一般等于關(guān)節(jié)數(shù)目。 機(jī)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(yùn)動副，允許機(jī)器人手臂各零件之間發(fā)生相對運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。

3、工作空間

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

4、工作速度

機(jī)器人在工作載荷條件下、勻速運(yùn)動過程中，機(jī)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(jī)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(yùn)行速度和加速度大小方向有關(guān)，一般規(guī)定高速運(yùn)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(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的差異程度?；蛟谙嗤奈恢弥噶钕?，機(jī)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(jī)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(qiáng)度好，特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度增大了4～5倍，彈性模量E大，抗變形能力強(qiáng)，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(qiáng)合金 這類合金如硼纖維增強(qiáng)鋁合金、石墨纖維增強(qiáng)鎂合金等，其E/ρ比分別達(dá)到11.4×107和8.9×107。這種纖維增強(qiáng)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(jī)器人上使用的陶瓷機(jī)器人臂樣品。

5)纖維增強(qiáng)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(jī)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(jī)器人連桿件的阻尼是改善機(jī)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(jī)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(jìn)行約束層阻尼處理。

四、機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)

㈠、機(jī)器人驅(qū)動裝置

概念：要使機(jī)器人運(yùn)行起來, 需給各個關(guān)節(jié)即每個運(yùn)動自由度安置傳動裝置 作用：提供機(jī)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(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。 直流伺服電機(jī)電刷易磨損，且易形成火花。無刷直流電機(jī)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)。

電動上電運(yùn)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(jī)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(yùn)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(yùn)行的半小時內(nèi)要密切觀察電機(jī)的狀態(tài)，如運(yùn)動是否正常，聲音和溫升情況，發(fā)現(xiàn)問題立即停機(jī)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(yùn)動實現(xiàn)直線運(yùn)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(jī)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(jī)械作業(yè)要柔和平順機(jī)械作業(yè)應(yīng)避免粗暴，否則必然產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，使機(jī)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。

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(jī)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(jī)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(jī)械人中，如在上、下料和沖壓機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)。

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

直線傳動方式可用于直角坐標(biāo)機(jī)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(yùn)動可以通過齒輪齒條、絲杠螺母等傳動元件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，也可以有直線驅(qū)動電機(jī)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(yùn)動轉(zhuǎn)換成托板的直線運(yùn)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。

㈢、旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)

采用旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)構(gòu)的目的是將電機(jī)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(jī)器人中應(yīng)用較多的旋轉(zhuǎn)傳動機(jī)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。

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(dá)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(jī)器人技術(shù)比較先進(jìn)的國家已得到了廣泛的應(yīng)用。僅就日本來說，機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)。

前蘇聯(lián)送入月球的移動式機(jī)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(jī)構(gòu)單獨驅(qū)動的。 .德國大眾汽車公司研制的ROHREN、GEROT R30型機(jī)器人和法國雷諾公司研制的VERTICAL 80型機(jī)器人等都采用了諧波傳動機(jī)構(gòu)。

㈣、機(jī)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(jī)器人的機(jī)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(jī)器人的機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

1、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機(jī)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(jī)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(jī)器人、多臺機(jī)床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成 。

3、也可以是多臺機(jī)器人、多臺機(jī)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(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人的控制系統(tǒng)

1、機(jī)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(jī)器人示教原理

機(jī)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(jī)器人，一步步按實際任務(wù)操作一遍，機(jī)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(yùn)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(jī)器人一個啟動命令，機(jī)器人將精確地按示教動作，一步步完成全部操作;

3、機(jī)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(yùn)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(jī)器人的控制過程中涉及大量的坐標(biāo)變換和插補(bǔ)運(yùn)算以及較低層的實時控制，所以，目前的機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)，通常采用的是兩級計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

1)具體流程：

主控計算機(jī)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(yùn)動參數(shù)。

然后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和插補(bǔ)運(yùn)算，最后得出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)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(yùn)動。 傳感器將各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動輸出信號反饋回伺服控制級計算機(jī)形成局部閉環(huán)控制，從而更加精確的控制機(jī)器人手部在空間的運(yùn)動。

2)基于PLC的運(yùn)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(jī)，同時使用通用I/O或者計數(shù)部件來實現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)位置控制。

2、使用PLC外部擴(kuò)展的位置控制模塊來實現(xiàn)電機(jī)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。