1.主體

 

主體機械即機座和實(shí)行機構，包括大臂、小臂、腕部和手部，構成的多自由度的機械系統。有的機器人另有行走機構。工業(yè)機器人有6個(gè)自由度乃至更多腕部通俗有1～3個(gè)活動(dòng)自由度。

 

 

2.驅動(dòng)系統

 

工業(yè)機器人的驅動(dòng)系統，按動(dòng)力源分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三大類(lèi)。依據需求也可由這三種范例組合并復合式的驅動(dòng)系統?；蛘咄ㄟ^(guò)同步帶、輪系、齒輪等機械傳動(dòng)機構來(lái)間接驅動(dòng)。驅動(dòng)系統有動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機構，用以實(shí)行機構發(fā)生相應的動(dòng)作，這三類(lèi)根本驅動(dòng)系統的各有特點(diǎn)，現在主流的是電動(dòng)驅動(dòng)系統。

 

由于低慣量，大轉矩交、直流伺服電機及其配套的伺服驅動(dòng)器(交換變頻器、直流脈沖寬度調制器)的普遍接納。這類(lèi)系統不需能量轉換，運用方便，控制靈敏。大多數電機后面需安裝精細的傳動(dòng)機構：減速器。其齒運用齒輪的速率轉換器，將電機的反轉數減速到所要的反轉數，并得到較大轉矩的裝置，從而降低轉速，添加轉矩,當負載較大時(shí)，一味提升伺服電機的功率是很不劃算的，能夠在適宜的速率范疇內通過(guò)減速器來(lái)進(jìn)步輸出扭矩。伺服電機在低頻運轉下容易發(fā)熱和出現低頻振動(dòng)，長(cháng)時(shí)間和重復性的工作不利于確保其準確性、牢靠地運轉。精細減速電機的存在使伺服電機在一個(gè)適宜的速率下運轉，加強機器體剛性的同時(shí)輸出更大的力矩。如今主流的減速器有兩種：諧波減速器和RV減速

 

 

3.控制系統

 

機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功用和功能的主要要素?？刂葡到y是按照輸入的程序對驅動(dòng)系統和實(shí)行機構收回指令信號，并進(jìn)行控制。工業(yè)機器人控制技術(shù)的主要任務(wù)便是控制工業(yè)機器人在工作空間中的活動(dòng)范圍、姿勢和軌跡、動(dòng)作的時(shí)間等。具有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單操縱、友好的人機交互界面、在線(xiàn)操縱提示和運用方便等特點(diǎn)。

 

控制器系統是機器人的中心，外國有關(guān)公司對我國實(shí)驗緊密封閉。連年來(lái)隨著(zhù)微電子技術(shù)的開(kāi)展，微處置器的功能越來(lái)越高，而價(jià)錢(qián)則越來(lái)越便宜，現在市集上曾經(jīng)出現了1-2美金的32位微處置器。高性?xún)r(jià)比的微處置器為機器人控制器帶來(lái)了新的開(kāi)展機會(huì )，使開(kāi)辟低本錢(qián)、高功能的機器人控制器成為可能。為了使系統具有充足的運算與存儲能力，現在機器人控制器多接納較強的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片構成。

 

由于已有的通用芯片功用及功能上不可以完全滿(mǎn)足有些機器人系統在價(jià)錢(qián)、功能、集成度和接口等方面的要求，這就萌生了機器人系統對SoC（Systemon Chip）技能的需求，將特定的處置器與所需求的接口集成在一同，可簡(jiǎn)化系統外圍電路的設計，減少系統尺寸，并低低成本。比方，Actel公司將NEOS或ARM7的處置器內核集成在其FPGA產(chǎn)品上，構成了一個(gè)完整的SoC系統。在機器人技術(shù)控制器方面，其研討主要會(huì )合在美國和日本，并有成熟的成品，如美國DELTATAU公司、日本朋立株式會(huì )社等。其運動(dòng)控制器以DSP技術(shù)為核心，采用基于PC的開(kāi)放式結構。

 

 

4.感知系統

 

它是內部傳感器模塊和外部傳感器模塊的構成，獲取內部和外部的環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。

 

內部傳感器：用來(lái)檢測機器人本身狀態(tài)（如手臂間的角度）的傳感器，多為檢測位置和角度的傳感器。具體有：位置傳感器、位置傳感器、角度傳感器等。

 

外部傳感器：用來(lái)檢測機器人所處環(huán)境（如檢測物體，距離物體的距離）及狀況（如檢測抓取的物體是否滑落）的傳感器。具體有距離傳感器、視覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器等。

 

智能傳感系統的使用提高了機器人的機動(dòng)性，實(shí)用性和智能化的標準，人類(lèi)的感知系統對外部世界信息是機器人靈巧的，然而，對于一些特許的信息，傳感器比人的系統更加有效。

 

 

5.末端執行器

 

末端執行器連接在機械手最后一個(gè)關(guān)節上的部件，它一般用來(lái)抓取物體，與其他機構連接并執行需要的任務(wù)。機器人制造上一般不設計或出售末端執行器，多數情況下，他們只提供一個(gè)簡(jiǎn)單的抓持器。通常末端執行器安裝在機器人6軸的法蘭盤(pán)上以完成給定環(huán)境中的任務(wù)，如焊接，噴漆，涂膠以及零件裝卸等就是需要機器人來(lái)完成的任務(wù)。

 

 

伺服電機的概述

 

伺服驅動(dòng)器又稱(chēng)為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來(lái)控制伺服電機的一種控制器，其作用類(lèi)似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統的一部分。一般是通過(guò)位置、速度和力矩三種方式對伺服電機進(jìn)行控制，實(shí)現高精度的傳動(dòng)系統定位。

 

一、伺服電機的分類(lèi)

 

分為直流和交流伺服電動(dòng)機兩大類(lèi)，交流伺服電動(dòng)機又分為異步伺服電動(dòng)機和同步伺服電動(dòng)機，目前交流系統正在逐漸代替直流系統。與直流系統相比，交流伺服電機具有高可靠性、散熱好、轉動(dòng)慣量小、能工作于高壓狀態(tài)下等優(yōu)點(diǎn)。因為無(wú)電刷和轉向器，故交流私服系統也成為無(wú)刷伺服系統，用于其中的電機是無(wú)刷結構的籠型異步電機和永磁同步型電機。

 

1）直流伺服電機分為有刷和無(wú)刷電機

 

①有刷電機成本低，結構簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對使用環(huán)境有要求，通常用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合；

 

②無(wú)刷電機體積小重量輕，出力大響應快，速度高慣量小，力矩穩定轉動(dòng)平滑，控制復雜，智能化，電子換相方式靈活，可以方波或正弦波換相，電機免維護，高效節能，電磁輻射小，溫升低壽命長(cháng)，適用于各種環(huán)境。

 

 

二、不同類(lèi)型伺服電機的特點(diǎn)

 

1）直流伺服電機的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

 

優(yōu)點(diǎn)：速度控制精確，轉矩速度特性很硬，控制原理簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格便宜。

 

缺點(diǎn)：電刷換向，速度限制，附加阻力，產(chǎn)生磨損微粒（無(wú)塵易爆環(huán)境不宜）

 

2）交流伺服電機的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

 

優(yōu)點(diǎn)：速度控制特性良好，在整個(gè)速度區內可實(shí)現平滑控制，幾乎無(wú)振蕩，90%以上的高效率，發(fā)熱少，高速控制，高精確度位置控制（取決于編碼器精度），額定運行區域內，可實(shí)現恒力矩，慣量低，低噪音，無(wú)電刷磨損，免維護（適用于無(wú)塵、易爆環(huán)境）。

 

缺點(diǎn)：控制較復雜，驅動(dòng)器參數需要現場(chǎng)調整PID參數確定，需要更多的連線(xiàn)。

 

目前主流的伺服驅動(dòng)器均采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心，可以實(shí)現比較復雜的控制算法，實(shí)現數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅動(dòng)電路,IPM內部集成了驅動(dòng)電路,同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路,以減小啟動(dòng)過(guò)程對驅動(dòng)器的沖擊。功率驅動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來(lái)驅動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是AC-DC-AC的過(guò)程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

 

 

三、伺服系統接線(xiàn)圖

 

1.驅動(dòng)器接線(xiàn)

 

 

伺服驅動(dòng)器主要有控制回路電源、主控制回路電源、伺服輸出電源、控制器輸入CN1、編碼器接口CN2、連接起CN3?？刂苹芈冯娫词菃蜗郃C電源，輸入電源可單相、三相，但是必須是220v，就是說(shuō)三相輸入時(shí)，咱們的三相電源必須經(jīng)過(guò)變壓器變壓才能接，對于功率較小的驅動(dòng)器，可單相直接驅動(dòng)，單相接法必須接R、S端子。伺服電機輸出U、V、W切記千萬(wàn)不能與主電路電源連接，有可能燒毀驅動(dòng)器。CN1端口主要用于上位機控制器的連接，提供輸入、輸出、編碼器ABZ三相輸出、各種監控信號的模擬量輸出。

 

2 編碼器接線(xiàn)

 

 

從上圖看出九個(gè)端子我們只使用了5個(gè)，一個(gè)屏蔽線(xiàn)、電源線(xiàn)兩根、串行通訊信號(+-)兩根，與我們普通的編碼器接線(xiàn)差不多。

 

03 通訊端口

 

 

驅動(dòng)器通過(guò)CN3端口與電腦PLC、HMI等上位機相連接，采用MODBUS通訊來(lái)控制驅動(dòng)器，可使用RS232、RS485進(jìn)行通訊。

 

四、伺服驅動(dòng)器市場(chǎng)

 

機器人對關(guān)節驅動(dòng)電機的要求非常嚴格，交流伺服電機在工業(yè)機器人中得到廣泛應用。目前國內高端市場(chǎng)主要被國外名企占據，主要來(lái)自日本和歐美，未來(lái)國產(chǎn)替代空間大。目前國外品牌占據了中國交流伺服市場(chǎng)近80%的市場(chǎng)份額，主要來(lái)自日本和歐美。其中，日系產(chǎn)品以約50%的市場(chǎng)份額居首，其著(zhù)名品牌包括松下、三菱電機、安川、三洋、富士等，其產(chǎn)品特點(diǎn)是技術(shù)和性能水平比較符合中國用戶(hù)的需求，以良好的性?xún)r(jià)比和較高的可靠性獲得了穩定且持續的客戶(hù)源，在中小型OEM市場(chǎng)上尤其具有壟斷優(yōu)勢。

 

精密減速器

 

最近看了一則新聞：機器人產(chǎn)業(yè)要破除“卡脖子”難題，感觸挺深。隨著(zhù)人工成本的提高，工業(yè)機器人替換人已成為趨勢。工業(yè)機器人作為智能制造的基石，但核心零部件卻制約著(zhù)我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，據相關(guān)調查顯示目前國內機器人減速器普通依賴(lài)進(jìn)口。機器人產(chǎn)業(yè)在中國要成氣候，必須下決心解決核心零部件的問(wèn)題。

 

 

下面介紹工業(yè)機器人核心精密零部件：減速器，與通用減速器相比，機器人用減速器要求具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點(diǎn)。減速器行業(yè)，我們不得不提這行業(yè)兩巨頭是Nabtesco（帝人，也叫納博特斯克）和Hamonica Drive（哈默納科），業(yè)界俗稱(chēng)（RV減速器和諧波減器）。他們幾乎壟斷了全球的機器人用減速器。這兩種減速器都是微米級的加工精度，光這一條在量產(chǎn)階段可靠性高就很難了，更別說(shuō)幾千轉的高速運轉，而且還要高壽命。目前市面上的大量應用在工業(yè)機器人上的減速器主要有兩類(lèi)：RV減速器和諧波減速器。

 

RV減速器：是少齒差嚙合，但相對于諧波減速器，RV減速器通常用的是擺線(xiàn)針輪，RV減速器由擺線(xiàn)針輪和行星支架組成。相比諧波減速器，RV減速器的關(guān)鍵在于加工工藝和裝配工藝。RV減速器具有更高的疲勞強度、剛度和壽命，不像諧波傳動(dòng)那樣隨著(zhù)使用時(shí)間增長(cháng)，運動(dòng)精度會(huì )顯著(zhù)降低，其缺點(diǎn)是重量重，外形尺寸較大。RV減速器用于轉矩大的機器人腿部腰部和肘部三個(gè)關(guān)節，負載大的工業(yè)機器人，一二三軸都是用RV減速器。

 

它較機器人中常用的諧波傳動(dòng)具有高得多的疲勞強度、剛度和壽命，而且回差精度穩定，不像諧波傳動(dòng)那樣隨著(zhù)使用時(shí)間增長(cháng)運動(dòng)精度就會(huì )顯著(zhù)降低，故世界上許多國家高精度機器人傳動(dòng)多采用RV減速器，因此，該種RV減速器在先進(jìn)機器人傳動(dòng)中有逐漸取代諧波減速器的發(fā)展趨勢。

 

 

RV減速器分解圖

 

諧波減速器：用的也是少齒差嚙合，諧波里的一種關(guān)鍵齒輪是柔性的，它需要反復的高速變形，所以它比較脆弱，承載力和壽命都有限。

 

諧波減速器是諧波傳動(dòng)裝置的一種，諧波傳動(dòng)裝置包括諧波加速器和諧波減速器。諧波減速器主要包括：剛輪、柔輪、和徑向變形的波發(fā)生器三者組成。它是利用柔性齒輪產(chǎn)生可控制的彈性變形波，引起剛輪與柔輪的齒間相對錯齒來(lái)傳遞動(dòng)力和運動(dòng)。這種傳動(dòng)與一般的齒輪傳遞具有本質(zhì)上的差別，在嚙合理論、集合計算和結構設計方面具有特殊性。諧波齒輪減速器具有高精度、高承載力等優(yōu)點(diǎn)，和普通減速器相比，由于使用的材料要少50%，其體積及重量至少減少1/3。所以諧波減速機主用于小型機器人，特點(diǎn)是體積小、重量輕、承載能力大、運動(dòng)精度高，單級傳動(dòng)比大。一般用于負載小的工業(yè)機器人或大型機器人末端幾個(gè)軸。

 

 

諧波減速器分解圖

 

日本納博特斯克公司從1980年代初提出RV型設計到1986年RV減速器研究獲得實(shí)質(zhì)性突破，花了6-7年時(shí)間；而國內率先拿出結果的南通振康和恒豐泰花費時(shí)間也為6-8年。是不是意味著(zhù)我國本土企業(yè)就沒(méi)什么機會(huì )了呢！可喜的是中國企業(yè)布局若干年后，終于取得一些突破。國產(chǎn)主要由南通振康、秦川機床、武漢精華、浙江恒豐泰和浙江雙環(huán)傳動(dòng)提供。據說(shuō)南通振康產(chǎn)量已經(jīng)突破萬(wàn)臺，秦川機床生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)打通，產(chǎn)量正在逐步上升。秦川機床的是國家進(jìn)口替代項目，秦川機床9萬(wàn)套工業(yè)機器人關(guān)節減速器技術(shù)改造項目、工業(yè)機器人關(guān)節減速器生產(chǎn)線(xiàn)兩項合計投資3.14億元。

 

控制系統

 

機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功用和功能的主要要素?？刂葡到y是按照輸入的程序對驅動(dòng)系統和實(shí)行機構收回指令信號，并進(jìn)行控制。下面文章主要介紹機器人控制系統。

 

 

1、機器人的控制系統

 

“控制”的目的是指被控對象會(huì )按照者所期望的方式產(chǎn)生行為。 “控制”的基本條件是了解被控對象的特性。

 

“實(shí)質(zhì)”是對驅動(dòng)器輸出力矩的控制。機器人的控制系統

 

2、機器人的基本工作原理

 

工作原理是示教再現；示教也稱(chēng)導引示教，既是人工導引機器人，一步步按實(shí)際需求動(dòng)作流程操作一遍，機器人在導引過(guò)程中自動(dòng)記憶示教的每個(gè)動(dòng)作的姿態(tài)、位置、工藝參數、運動(dòng)參數等，并自動(dòng)生成一個(gè)連續執行的程序。完成示教后，只需要給機器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機器人將會(huì )地自動(dòng)按照示教好的動(dòng)作，完成全部流程；

 

 

3、機器人控制的分類(lèi)

 

1）按照有無(wú)反饋分為：開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制、

 

開(kāi)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(guò)程中保持不變。

 

2）按照期望控制量分為：力控制、位置控制、混合控制這三種。

 

位置控制分為：?jiǎn)侮P(guān)節位置控制（位置反饋，位置速度反饋，位置速度加速度反饋）、多關(guān)節位置控制

 

多關(guān)節位置控制分為分解運動(dòng)控制、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(luò )控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制 、專(zhuān)家控制

 

4、控制系統硬件配置及結構 .電氣硬件 .軟件架構

 

由于機器人的控制過(guò)程中涉及大量的坐標變換和插補運算以及較低層的實(shí)時(shí)控制。所以，目前市面上機器人控制系統在結構上大部分采用分層結構的微型計算機控制系統，通常采用的是兩級計算機伺服控制系統。

 

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(dòng)參數。 然后進(jìn)行運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和插補運算，最后得出機器人各個(gè)關(guān)節的協(xié)調運動(dòng)參數。 這些參數經(jīng)過(guò)通信線(xiàn)路輸出到伺服控制級，作為各個(gè)關(guān)節伺服控制系統的給定信號。 關(guān)節上的伺服驅動(dòng)器將此信號D/A轉換后驅動(dòng)各個(gè)關(guān)節產(chǎn)生協(xié)調運動(dòng)。

 

傳感器將各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)輸出信號反饋回伺服控制級計算機形成局部閉環(huán)控制，達到精確的控制機器人在空間的運動(dòng)。

 

 

2）基于PLC的運動(dòng)控制 兩種控制方式：

 

①利用PLC的輸出端口使用脈沖指令來(lái)產(chǎn)生脈沖驅動(dòng)電機，同時(shí)使用通用I/O或者計數零部件來(lái)實(shí)現伺服電機的閉環(huán)位置控制

 

②使用PLC外部擴展的位置控制模塊來(lái)實(shí)現電機的閉環(huán)位置控制，這種方式主要是以發(fā)高速脈沖控制，屬于位置控制方式，位置控制一般都是點(diǎn)到點(diǎn)的位置控制方式較多。

 

 

機器人重要參數

 

 

本文重點(diǎn)介紹工業(yè)機器人技術(shù)參數，圖文描述非常詳細，希望能對大家帶來(lái)幫助??！

 

機器人的技術(shù)參數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(wèn)題。機器人的主要技術(shù)參數有自由度、分辨率、工作空間、工作速度、工作載荷等。

 

 

1、自由度

 

.是指機器人具有的獨立運動(dòng)的坐標軸數量。

 

.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(shí)所需要的獨立運動(dòng)參數的數量。 機器人的自由度數一般等于關(guān)節數量。

 

.常見(jiàn)機器人自由度數一般有5～6個(gè)。有些機器人還附帶有外部軸。

 

2、關(guān)節（Joint）

 

即運動(dòng)副，允許機器人手臂各零件之間發(fā)生相對運動(dòng)的機構。

 

 

3、工作范圍

 

工業(yè)機器人手臂或手部安裝點(diǎn)所能達到的所有空間范圍。

 

其形狀取決于機器人的自由度數和各運動(dòng)關(guān)節的類(lèi)型與配置。 機器人的工作范圍一般有：圖解法和解析法這兩種方法表示。

 

 

4、速度

 

機器人在工作過(guò)程中帶載荷條件下、勻速運動(dòng)過(guò)程時(shí)，機械接口中心或工具中心點(diǎn)在單位時(shí)間內所移動(dòng)的距離或轉動(dòng)的角度。

 

5、工作負載

 

是指機器人手腕前端安裝負荷在工作范圍內任何位置上所能承受的最大重量，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等參數有關(guān)，工作負載一般用高速運行時(shí)機器人所能抓取的工件重量作為負載承受能力為指標。

 

搬運機器人的負荷重量，必須考慮抓手和工件的合計。

 

 

 

6、分辨率

 

是指機器人能夠實(shí)現的最小移動(dòng)距離或最小轉動(dòng)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性。比如你要求一個(gè)軸走 100 mm 結果 第一次 實(shí)際上他走了 100.01 重復一次同樣的動(dòng)作 他走了99.99 這之間的誤差 0.02 就是重復定位精度。它是衡量一列誤差值的集中程度，即重復度。機器人精度機不單取決與關(guān)節減速機及傳動(dòng)裝置，且對機械裝配工藝存在很大關(guān)系，很多由于裝配不到位導致機器人重復定位精度下降。